DE3806129C2

DE3806129C2 -

Info

Publication number: DE3806129C2
Application number: DE19883806129
Authority: DE
Inventors: Hans Wolfgang Dr. 8039 Puchheim De Notz; Volker Dipl.-Ing. 7056 Weinstadt De Schwarz; Ulrich Dipl.-Ing. 7053 Kernen De Augustin
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1987-03-12
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1991-01-03
Also published as: DE3806129A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einspritzverlaufes bei einem Verbrennungsmotor mit einer Einspritzpumpe und zumindest einem mit der Druckseite der Einspritzpumpe über eine Leitung verbundenen Einspritzventil, dessen Einspritzdüse mittels eines - in der Regel nadelartigen - Verschlußorganes absperrbar ist, welches in einem mit der Leitung verbundenen Düsenvorraum nach Art eines Kolbens verschiebbar angeordnet und vom Druck des über die Leitung zugeführten Einspritzmediums gegen eine Rückstellkraft in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist, sowie mit einem Hubgeber, welcher mit dem Verschlußorgan antriebsmäßig gekoppelt und mit einem Rechner zur Verarbeitung von Signalen verbunden ist, welche die Hubstellung des Verschlußorganes wiedergeben.

Eine entsprechende Vorrichtung ist aus der DE-OS 31 22 553 bekannt. Hier dienen die Signale des Hubgebers dazu, den Öffnungsgrad des Einspritzventiles zu bestimmen, so daß nach Ermittlung der jeweiligen Druckverhältnisse an der Düse der Einspritzverlauf bestimmt werden kann. Zur Bestimmung des Druckes an der Einspritzdüse dient ein Dehnungsmeßstreifen od. dgl., welcher am Düsenkörper nahe einer denselben durchsetzenden Zuführleitung für das Einspritzmedium angeordnet ist und auf Verformungen des Düsenkörpers reagieren soll, welche durch den Druck des der Düse zugeführten Kraftstoffes hervorgerufen werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Verformungen des Düsenkörpers analog zu den Änderungen des Druckes des zugeführten Einspritzmediums erfolgen.

Bei dieser bekannten Vorrichtung bleibt jedoch unberücksichtigt, daß Verformungen des Düsenkörpers sehr verschiedene Ursachen haben können und keineswegs allein durch den Druck des zugeführten Einspritzmediums bestimmt werden. Beispielsweise erleidet der Düsenkörper auch aufgrund von Temperatureinflüssen sowie durch Vibrationen eines Motors Formänderungen. Im übrigen tritt zwischen Druckänderungen im Einspritzmedium und den Formänderungen des Düsenkörpers eine mehr oder weniger große Phasenverschiebung auf. Alle diese Effekte führen dazu, daß insbesondere bei schnellaufenden Motoren größere Fehler in Kauf genommen werden müssen, wenn die Druckverhältnisse in Analogie zu Formänderungen des Düsenkörpers ermittelt werden.

Erschwerend kommt hinzu, daß die von der Einspritzpumpe zum Einspritzventil führende Leitung zwischen den Einspritzvorgängen bei üblichen Motoren jeweils unter Bildung von Gas- bzw. Dampfblasen innerhalb der Leitung entlastet wird, um ein einwandfreies Schließen des Einspritzventiles zu gewährleisten. Zu Beginn jedes Einspritzvorganges müssen diese Gas- bzw. Dampfblasen zunächst durch Zufuhr von Einspritzmedium aufgefüllt werden. Dieser Auffüllvorgang verursacht zusätzliche Druckschwankungen im Einspritzmedium, welche wiederum phasenverschobene Formänderungen des Düsenkörpers zur Folge haben. Unter Umständen treten dabei auch Stoßwellen im Einspritzmedium auf, die gegenüber den im Düsenhalter angeregten Schwingungen einen sehr abweichenden Verlauf haben.

Zusätzlich ist zu berücksichtigen, daß die Öffnungszeiten ebenso wie die Schließzeiten des Verschlußorganes bei schnellaufenden Motoren einen relativ großen zeitlichen Anteil des jeweiligen Einspritzvorganges ausfüllen. Dementsprechend haben Fehler, die bei der Ermittlung der Druckverhältnisse während der Öffnungszeiten auftreten, einen erheblichen Einfluß.

Aus der Zeitschrift MTZ (Motortechnische Zeitschrift) 21 (1960) 5, Seiten 175 bis 180, ist eine Vorrichtung zur Ermittlung des Einspritzverlaufes bekannt, bei der anstelle des Druckes an der Düse der Druck am Eingang des Düsenhalters gemessen wird. Diese Vorrichtung ist notwendigerweise ungenau, weil während des Einspritzvorganges zwangsläufig auftretende Druckwellen im Einspritzsystem eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit haben, so daß zwischen dem Eintreffen einer Druckwelle an der Düse und am Eingang des Düsenhalters eine größere Phasenverschiebung auftreten muß. Insbesondere bei schnellaufenden Motoren darf diese Phasenverschiebung nicht ohne weiteres vernachlässigt werden. Hinzu kommt, daß zu Beginn des Einspritzvorganges der Druck an der Düse auch deshalb zeitverzögert gegenüber dem Druck am Eingang des Düsenhalters ansteigt, weil zunächst Dampf- bzw. Gasblasen innerhalb des Leitungswesens zwischen der Düse und dem Eingang des Düsenhalters aufgefüllt werden müssen. Somit müssen wiederum größere Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des Einspritzverlaufes, insbesondere während der Öffnungsphase des Verschlußorganes des Einspritzventiles, in Kauf genommen werden.

Bei einer weiteren aus der Zeitschrift MTZ 30 (1969) 7, Seite 238 bis 242, bekannten Vorrichtung wird die Tatsache ausgenützt, daß sich der Gesamtdruck bei instationären Vorgängen an irgendeiner Stelle des betrachteten Einspritzsystems, beispielsweise am Orte eines entfernt von der Einspritzdüse an einer Zuführleitung des Einspritzmediums angeordneten Druckgebers, aus einem Ruhedruck, einer zur Einspritzdüse vorlaufenden Druckwelle sowie einer von der Einspritzdüse rücklaufenden Druckwelle zusammensetzt. Da sich die Druckwellen mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzen, wird die Phasenverschiebung zwischen dem Eintreffen der vorlaufenden Druckwelle am Orte des Druckgebers und dem Eintreffen dieser vorlaufenden Druckwelle an der Düse praktisch allein durch die Länge des Weges zwischen dem Ort des Druckgebers und der Düse bestimmt. An der Düse wird die vorauslaufende Druckwelle reflektiert, so daß eine wiederum sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitende rücklaufende Druckwelle entsteht, deren Laufzeit von der Düse zum Ort des Druckgebers wiederum praktisch allein durch die Länge des entsprechenden Weges bestimmt wird. Nach der angegebenen Druckschrift wird der vom Druckgeber gemessene Gesamtdruck rechnerisch in vor- und rücklaufende Wellen zerlegt, um den jeweiligen Gesamtdruck an der Düse zu berechnen. Damit erübrigen sich Druckfühler unmittelbar an der Düse, vielmehr kann der Druck an der Düse aus größerer Entfernung ermittelt werden.

Theoretisch zeichnet sich diese bekannte Vorrichtung durch hohe Genauigkeit aus. Jedoch treten bei Auffüllung von Gas- bzw. Dampfblasen im Einspritzmedium zusätzliche Druckwellen auf. Außerdem werden die bereits im Einspritzmedium vorhandenen Druckwellen an den Gas- bzw. Dampfblasen reflektiert. Diese Effekte haben zur Folge, daß während der Öffnungsphase des Verschlußorganes des Einspritzventiles bei der Ermittlung der Druckverhältnisse an der Einspritzdüse erhebliche Fehler auftreten, wenn die Zuführleitung für das Einspritzmedium zuvor unter Bildung von Gas- bzw. Dampfblasen entlastet wurde.

Aus dem Lehrbuch von M. R. Spiegel, "Allgemeine Mechanik", 1. Auflage 1976, McGraw-Hill Book Company, Seiten 86 bis 89, kann eine Bewegungsgleichung für den Fall eines gedämpften Oszillators entnommen werden, vgl. Gleichung 12 auf Seite 88.

Obwohl der Einspritzverlauf bei einem Motor ein wesentlicher Parameter für einen optimalen Verbrennungsverlauf ist, sind also bislang keine geeigneten Vorrichtungen bekannt, welche eine äußerst exakte Messung gestatten, und zwar auch dann, wenn zu Beginn des Einspritzvorganges zuvor in den Leitungen des Einspritzmediums erzeugte Gas- bzw. Dampfblasen mit Einspritzmedium aufgefüllt werden müssen.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche den Einspritzverlauf trotz der oben angegebenen Schwierigkeiten auch während der Öffnungsphase des Verschlußorganes des Einspritzventiles mit hoher Genauigkeit zu bestimmen gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Bewegung des Verschlußorganes zwischen seiner Schließ- und Öffnungsstellung aufzuzeichnen und daraus den Druck im Düsenvorraum bzw. die die Düse durchsetzende Strömung des Einspritzmediums oder die ausgetretene Menge desselben zu bestimmen. Dies ist möglich, weil der jeweils vom Verschlußorgan zurückgelegte Weg h, die Geschwindigkeit dh/dt des Verschlußorgans sowie dessen Beschleunigung d²h/dt² ermittelt werden können, denn gemäß Gleichung I im Anspruch 1 müssen die hydraulischen, vom Einspritzmedium in Öffnungsrichtung auf das Verschlußorgan ausgeübten Kräfte, welche auf der linken Seite der Gleichung I angegeben sind, der Summe aus der vom Verschlußorgan einer Bewegung entgegengesetzten Trägheitskraft, dem einer Bewegung des Verschlußorgans entgegenwirkenden Reibungs- bzw. Dämpfungswiderstand, der Rückstellkraft und der Öffnungskraft entsprechen, bei deren Einwirkung das in Schließlage befindliche Verschlußorgan zu öffnen beginnt. Der besondere Vorzug der Erfindung liegt darin, daß in der Leitung zwischen Einspritzventil und Einspritzpumpe vorhandene Gas- bzw. Dampfblasen bei der Ermittlung des Einspritzverlaufes zu keinerlei Fehlern führen können, denn die Hubbewegung des Verschlußorganes beginnt erst nach praktisch vollständiger Auffüllung der genannten Blasen mit Einspritzmedium.

Die durch die Konstruktion des Einspritzventiles unveränderbar vorgegebenen Werte für den vom Druck im Düsenvorraum in Öffnungsrichtung beaufschlagten Querschnitt des Verschlußorganes, die Masse des Verschlußorganes, den Dämpfungs- bzw. Reibungskoeffizienten der Hubbewegung des Verschlußorganes, die Federkonstante der Rückstellkraft bzw. -feder des Einspritzventiles sowie die Vorspannung der Rückstellkraft und die Reibung im Ventil können dem Rechner fest vorgegeben werden, beispielsweise durch Eingabe entsprechender Speicherwerte. Entsprechendes gilt für den effektiven Querschnitt der Düse bzw. die damit korrellierte Funktion f(h,X) in Gleichung II.

Der dem Druck im Düsenraum entgegenwirkende Druck im Brennraum bzw. auslaßseitig der Düse ist im allgemeinen nur während der Nadelschließphase von Belang. Er kann durch Kennfeld-Interpolation oder durch einen Näherungsansatz bestimmt werden, insbesondere wenn beispielsweise bei einem Hubkolbenmotor die Schließphase des Einspritzventiles während einer Zeitspanne erfolgt, in der der jeweilige Kolben des Motors eine Lage nahe seines oberen Totpunktes einnimmt.

Gegebenenfalls kann der Rechner aber auch eine Variation des Brennraumdruckes bzw. des Druckes auslaßseitig der Düse in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel od. dgl. des Motors berücksichtigen, wenn die Eingangsseite des Rechners mit einem entsprechenden Meßgeber verbunden ist.

Außerdem kann der Volumenstrom auch näherungsweise mittels der Gleichungen IIa bzw. IIb gemäß Anspruch 2 bestimmt werden. Hier wird berücksichtigt, daß für alle Zustände mit X X_GR - und das ist der wesentlich größere Anteil - die Bestimmung des Düsengegendruckes entfällt, da der Druck im engsten Strömungs querschnitt der Einspritzdüse den Wert 0 [bar] hat.

Sobald das Verschlußorgan seine geöffnete Endstellung erreicht hat, können der Druck im Düsenvorraum bzw. die die Düsen durchsetzende Strömung oder die ausgetretene Menge des Einspritzmediums nicht mehr genau genug allein aus den Signalen des Hubgebers ermittelt werden.

Grundsätzlich wäre eine Ermittlung der die Düsen durchsetzenden Strömung oder der ausgetretenen Menge des Einspritzmediums auch in der geöffneten Endstellung des Verschlußorganes möglich, wenn eine die Endstellung bestimmende Hubbegrenzung, Anschlagsanordnung od. dgl. eine hinreichend definierte Dämpfung sowie eine definierte Federrate hätten. Dann könnte der Einspritzverlauf in allen Stellungen des Verschlußorganes allein aus den Signalen des Hubgebers bzw. des Bewegungsgebers ermittelt werden. In der Praxis ist Derartiges jedoch nur schwer möglich, da der konstruktive Aufwand, insbesondere für die Hubbegrenzung od. dgl., sehr groß wäre.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist nun vorgesehen, an der Leitung zwischen Einspritzpumpe und Einspritzventil einen Druckgeber anzuordnen, dessen den Leitungsdruck wiedergebende Ausgangssignale der Eingangsseite des Rechners zuführbar sind, wobei der Rechner bei völlig geöffnetem Einspritzventil den Druck im Düsenvorraum bzw. die aus der Düse austretende Strömung gemäß einem vorgebbaren funktionalen Zusammenhang zwischen Druck im Düsenvorraum und dem vom Druckgeber ermittelten Leitungsdruck bestimmt.

Falls der Druckgeber hinreichend nahe am Einspritzventil angeordnet ist, können der Druck im Düsenvorraum und der Leitungsdruck am Druckgeber näherungsweise gleichgesetzt werden. Gegebenenfalls ist es auch möglich, während der Öffnungsbewegung des Verschlußorganes den aus den Signalen des Hubgebers ermittelten Druck im Düsenvorraum ständig mit den aus den Signalen des Druckgebers ermittelten Werten für den Leitungsdruck zu vergleichen und einen Korrekturfaktor zu bestimmen, mit dem der Wert des Leitungsdruckes multipliziert werden muß, um einen angenäherten Wert für den Druck im Düsenvorraum zu erhalten.

Stattdessen ist es auch möglich und im Hinblick auf eine möglichst hohe Genauigkeit der Vorrichtung bevorzugt vorgesehen, den Druck im Düsenvorraum unter Berücksichtigung der Druckwellen zu bestimmen, die in der Leitung bzw. im Düsenvorraum auftreten. Für den Druck p_X am Druckgeber gilt nämlich

p_X = p_XV + p_XR + p₀ (IV)

wobei p₀ der Standdruck im System, p_XV der Druck einer in Richtung des Einspritzventiles vorlaufenden Druckwelle und p_XR der Druck einer vom Einspritzventil zurücklaufenden Druckwelle am Orte des Druckgebers sind. Auch für den Druck p_D im Düsenvorraum gilt eine entsprechende Gleichung

p_D = p_DV + p_DR + p₀ (V)

wobei p_DV der Druck der zur Düse vorlaufenden Druckwelle und p_DR der Druck der von der Düse zurücklaufenden Druckwelle sind. Des weiteren gilt

p_DV (t) = p_XV (t - x/a) (VI)

p_XR (t) = p_DR (t - x/a) (VII)

wobei t die Zeit, x die Länge der Leitung zwischen dem Einspritzventil und dem Druckgeber und a die Schallgeschwindigkeit im Einspritzmedium sind.

Aufgrund dieser Beziehungen läßt sich der Druck im Düsenvorraum mit erhöhter Genauigkeit unter Berücksichtigung des vom Druckgeber festgestellten Leitungsdruckes berechnen, wie weiter unten dargestellt wird.

Die Phasen des Einspritzvorganges mit sich bewegendem Verschlußorgan bzw. mit - insbesondere in Öffnungslage - stillstehendem Verschlußorgan lassen sich in einfacher Weise dadurch ermitteln, daß der Rechner höhere Ableitungen des zeitlichen Verlaufes des Nadelhubes berechnet und überprüft, ob mehrere dieser Ableitungen gleichzeitig bzw. in einem Zeitintervall vorgegebener kurzer Länge Extrem- bzw. Nullwerte annehmen. Wenn nämlich das Verschlußorgan bei Beendigung seines Öffnungshubes seine geöffnete Endlage erreicht, wird die Hubgeschwindigkeit des Verschlußorganes zwangsläufig nahezu schlagartig geändert, wobei die genannten höheren Ableitungen Extrem- bzw. Nullwerte annehmen. Damit kann der Rechner den Zeitpunkt des gleichzeitigen Auftretens von Extrem- bzw. Nullwerten als Zeitpunkten dafür interpretieren, daß das Verschlußorgan seine geöffnete Endlage erreicht hat.

Entsprechendes gilt auch beim Erreichen der geschlossenen Endlage, denn auch hier wird die Hubgeschwindigkeit des Verschlußorganes abrupt geändert.

Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, in der geöffneten Endstellung des Verschlußorgans die Kraft F_A zu messen, mit der das Verschlußorgan in Richtung seiner Offenlage gespannt ist; damit kann der Rechner den Druck p_D im Düsenvorraum gemäß der Gleichung Ia im Anspruch 8 ermitteln. Solange sich das Verschlußorgan in Öffnungs- bzw. Schließstellung bewegt gilt F_A=0, denn während dieser Betriebsphasen wird der Kraftmesser vom Verschlußorgan nicht beaufschlagt. Dementsprechend ist die Gleichung Ia während der Öffnungs- bzw. Schließphase des Verschlußorganes mit der Gleichung I (vgl. Anspruch 1) identisch. Sobald das Verschlußorgan seine vollständig geöffnete Lage erreicht hat, verschwinden die beiden ersten Terme auf der rechten Seite der Gleichung Ia, wenn das Verschlußorgan im vollständig geöffneten Zustand des Einspritzventiles in Ruhe bleibt. Während dieser Phase brauchen lediglich die Anschlagkraft F_A sowie die übrigen, durch die Konstruktion des Einspritzventiles vorgegebenen Terme berücksichtigt zu werden, sofern das Verschlußorgan nicht nachschwingt.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen, in der eine besonders bevorzugte Ausführungsform schematisiert dargestellt ist.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Einspritzsystem in schematischer Darstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Einspritzverlaufes,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Hubphasen des Einspritzventiles,

Fig. 3 einen Axialschnitt eines Düsenhalters mit einem Kraftmesser für die Anschlagkraft F_A des Verschlußorganes des Einspritzventiles.

Das Einspritzsystem besteht im wesentlichen aus einer Einspritzpumpe 10, die über ein als Rückschlagventil wirkendes Druckventil 11 eine zum Einspritzventil 6 führende Leitung 4 beliefert, an der mit Abstand x vom Einspritzventil 6 ein Druckgeber 5 angeordnet ist. Die den Druck in der Leitung 4 wiedergebenden Signale des Druckgebers 5 werden einem Rechner 3 zugeführt. Die Leitung 4 mündet innerhalb des Einspritzventiles 6 in einen Düsenvorraum 7, welcher über ein oder mehrere Düsen 13 im dargestellten Beispiel direkt mit dem Brennraum 14 eines Motors 15 verbunden ist. Bei anderen Motorkonstruktionen können die Düsen 13 auch in ein Saugrohr oder in eine Vorkammer des Motors münden.

Die Düsen 13 werden von dem in Fig. 1 unteren nadelartigen Ende des Verschlußorganes 1 des Einspritzventiles 6 gesteuert. Das Verschlußorgan 1 ist nach Art eines Kolbens innerhalb des Ventilkörpers des Einspritzventiles 6 angeordnet, wobei das Verschlußorgan 1 von dem im Düsenvorraum 7 herrschenden Druck des Einspritzmediums in Öffnungsrichtung und von einer Schließfeder 16 in Schließrichtung beaufschlagt wird. Aufgrund der Vorspannung der Schließfeder 16 muß auf das Verschlußorgan 1 zumindest eine Kraft F ausgeübt werden, damit das Verschlußorgan 1 zu öffnen beginnt.

Das Verschlußorgan 1 ist mittels eines Stößels od. dgl. mit einem induktiven Hubgeber 2 antriebsmäßig gekoppelt, welcher der jeweiligen Hubstellung h des Verschlußorganes 1 entsprechende Ausgangssignale erzeugt und an den Rechner weitergibt.

Fig. 2 zeigt die Hubphasen des Verschlußorganes in schematisierter Darstellung. Zunächst nimmt das Verschlußorgan 1 in einer Phase I noch seine Schließlage ein. Wenn sodann über die Leitung 4 Einspritzmedium in den Düsenvorraum 7 eingeführt wird, so öffnet das Verschlußorgan 1 in einer Phase II. Dabei erfolgt die Bewegung in der Regel ungleichförmig, weil in der Leitung 4 bzw. im Düsenvorraum 7 zunächst noch Gas- bzw. Dampfblasen vorhanden sind, die mit Einspritzmedium aufgefüllt werden müssen. Die Entstehung der Gas- bzw. Dampfblasen wird weiter unten erläutert. In einer Phase III nimmt das Verschlußorgan seine geöffnete Endlage ein. Wenn dann die Zufuhr von Einspritzmedium über die Leitung 4 beendet wird, wird das Verschlußorgan 1 in einer Phase V in seine Schließlage zurückgeführt. Die nachfolgende Phase I′, in der das Verschlußorgan 1 seine Schließlage einnimmt, entspricht der Phase I.

Die Bildung der genannten Gas- bzw. Dampfblasen in der Leitung 4 bzw. im Düsenvorraum 7 während der Phase I bzw. I′ beruht auf der besonderen Ausbildung des Druckventiles 11. Der Ventilkörper 17 des Druckventiles 11 muß aus seiner in Fig. 1 dargestellten Schließlage verhältnismäßig weit nach oben angehoben werden, damit das Druckventil 11 in nennenswertem Maße durchlässig wird. Erst wenn eine Ringnut 18 am Ventilkörper 17 in den Bereich des Ventilsitzes 19 gelangt, kann Einspritzmedium von der Einspritzpumpe 10 über Axialnuten 20 am Ventilkörper 17 sowie die vorgenannte Ringnut 18 in die Leitung 4 gelangen. Ausgangsseitig des Ventilsitzes 19 wirkt also der Ventilkörper 17 nach Art eines Verdrängers, sobald ein die Ringnut 18 in Fig. 1 nach oben begrenzender Ringsteg 21 in der den Ventilkörper 17 führenden Bohrung einlaßseitig des Ventilsitzes 19 eingeschoben ist. Dementsprechend wird die Leitung 4 beim Schließhub des Ventilkörpers 17 unter Bildung von Gas- bzw. Dampfblasen entlastet. Dies ist grundsätzlich erwünscht, um zu vermeiden, daß aus dem Einspritzventil 6 noch unkontrollierte Spritzer des Einspritzmediums austreten.

Aufgrund der durch den Ventilkörper 17 bewirkten Entlastung und der damit verbundenen Bildung von Gas- bzw. Dampfblasen wird die Messung der die Düsen 13 durchsetzenden Strömung bzw. der ausgetretenen Menge des Einspritzmediums grundsätzlich erschwert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden diese Schwierigkeiten jedoch überwunden.

Während der Öffnungsphase des Verschlußorganes 1 des Einspritzventiles 6 kann der Druck p_D gemäß Gleichung I im Anspruch 1 vom Rechner 3 allein aufgrund der vom Hubgeber 2 erzeugten Signale ermittelt werden, welche die jeweilige Hubstellung h wiedergeben. Damit können dann gemäß den Gleichungen II und III im Anspruch 1 die Strömung dQ/dt bzw. das ausgetretene Volumen Q bestimmt werden. Für den Druck p_G im Brennraum 14 kann gegebenenfalls ein konstanter Mittelwert benutzt werden. Jedoch ist es auch möglich, den Rechner 3 mit einem Druckaufnehmer am Brennraum zu verbinden, so daß jeweils Meßwerte des Brennraumdruckes zur Verfügung stehen und rechnerisch verarbeitet werden können. Im übrigen kann der Rechner 3 mit einem Sensor 22 für den Kurbelwinkel verbunden sein und anstelle der Zeit t den Kurbelwinkel verarbeiten.

Wenn zu Beginn der Öffnungsphase des Verschlußorganes 1, d. h. während den Phasen I und II in Fig. 2, Dampf- bzw. Gasblasen verdrängt und mit Einspritzmedium aufgefüllt werden, so führt dies zu einer ungleichförmigen Öffnungsbewegung des Verschlußorganes in Phase II. Diese ungleichförmige Bewegung ist jedoch als Information in den Signalen des Hubgebers enthalten, so daß der Vorgang des Auffüllens der Gas- bzw. Dampfblasen mit Einspritzmedium zwangsläufig bei der rechnerischen Ermittlung des Einspritzverlaufes während der Phase II in Fig. 2 berücksichtigt wird.

Während der Phase III in Fig. 2 sind keinerlei Gas- bzw. Dampfblasen mehr in der Leitung 4 bzw. im Einspritzventil 6 vorhanden. Da sich das Verschlußorgan 1 während dieser Phase III nicht mehr bewegt, sondern in seiner geöffneten Endstellung verharrt, ist eine Berechnung des Einspritzverlaufes durch Auswertung der Signale des Hubgebers 2 nicht mehr hinreichend genau möglich.

Jedoch ist eine Berechnung des Einspritzverlaufes gleichwohl möglich, wenn zusätzlich die nachfolgend angegebene Kontinuitätsgleichung berücksichtigt wird:

wobei

V = Volumen des Düsenvorraumes,
E = Elastizitätsmodul des Einspritzmediums,
p_D = Druck im Düsenvorraum,
t = Zeit,
p_DV = Druck der zur Düse vorlaufenden Druckwelle im Einspritzventil,
p₀ = Standdruck,
A_L = effektiver Querschnitt der Leitung,
ρ = Dichte des Einspritzmediums,
a = Schallgeschwindigkeit im Einspritzmedium,
A = vom Druck p_D in Öffnungsrichtung beaufschlagter Querschnitt des Verschlußorgans,
h = Hub des Verschlußorgans,
Q = Menge des aus der Düse austretenden Einspritzmediums.

In der Gleichung VIII wird berücksichtigt, daß die auf der linken Seite dieser Gleichung angegebene, aus den Düsen des Einspritzventiles 6 austretende Strömungen des Einspritzmediums der Differenz zwischen der zum Einspritzventil 6 führenden Strömung (erster Term auf der rechten Seite der Gleichung VIII) und den Volumenänderungen ist, die aufgrund der Bewegung des Verschlußorganes sowie aufgrund der Komprimierbarkeit des Einspritzmediums bzw. der Elastizität der Wandungen des Einspritzventiles u. dgl. auftreten (diese Volumenänderungen sind im zweiten und dritten Term auf der rechten Seite der Gleichung VIII angegeben).

Die während des gesamten Einspritzvorganges gültige Gleichung VIII vereinfacht sich in Phase III, da sich das Verschlußorgan 1 in dieser Phase III nicht bewegt und der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung VIII dementsprechend den Wert Null hat.

Der Einspritzverlauf während der Phase III kann nun näherungsweise etwa wie folgt berechnet werden:

Für eine Vielzahl von Zeitpunkten t vor Ende der Phase II werden die zugehörigen Werte von p_D berechnet. Des weiteren werden für die Zeitpunkte T die zugehörigen Werte von dp_D/dt berechnet, beispielsweise durch Berechnung des Differenzquotienten [p_D (t₂) - p_D (t₁)] / (t₂ - t₁), wobei t₁ und t₂ Zeitpunkte dicht vor bzw. dicht nach dem jeweiligen Zeitpunkt t sind.

Außerdem werden die für die Zeitpunkte t berechneten Werte von p_D in Gleichung II eingesetzt, so daß für die Zeitpunkte t die zugehörigen Werte von dQ/dt zur Verfügung stehen.

Die einem Zeitpunkt t zugeordneten Werte von p_D, dp_D/dt und dQ/dt werden in Gleichung VIII eingesetzt. Da dh/dt in Gleichung VIII aufgrund der Signale des Hubgebers 2 zur Verfügung steht, kann nun aus Gleichung VIII der dem Zeitpunkt t zugeordnete Wert von p_DV bestimmt werden.

Schließlich können für die Zeitpunkte t auch die zugehörigen Werte von dh/dt aufgrund der Signale des Hubgebers 2 ermittelt werden.

Die den Zeitpunkten t zugeordneten Werte von p_D, dp_D/dt, dQ/dt und dh/dt werden in Gleichung VIII eingesetzt. Damit kann p_DV für den jeweiligen Zeitpunkt t berechnet werden.

Die für die Zeitpunkte t ermittelten Werte von p_D und p_DV werden in Gleichung V eingesetzt, so daß auch die den jeweiligen Zeitpunkten t zugeordneten Werte von p_DR bestimmt werden können.

Für die Zeitpunkte t stehen also die Werte von p_D, p_DV und p_DR bereit.

Nun wird der Wert p_DR für den Zeitpunkt t in die Gleichung VII eingesetzt, damit steht der Wert von p_XR für den Zeitpunkt t + x/a zur Verfügung.

Für den Zeitpunkt t + x/a wird nun der Wert von p_X ermittelt, und zwar durch Messung mittels des Druckgebers 5.

Dieser Meßwert wird nun zusammen mit dem zuvor für den Zeitpunkt t + x/a ermittelten Wert von p_XR in die Gleichung IV eingesetzt, so daß auch der Wert von p_XV für den Zeitpunkt t + x/a zur Verfügung steht.

Dieser Wert kann nun in Gleichung VI eingesetzt werden, so daß sich der Wert von p_DV für den Zeitpunkt t + 2x/a ergibt.

Da nun der Wert von p_D für den Zeitpunkt t + 2x/a ermittelt werden kann, wie weiter unten gezeigt wird, läßt sich aus Gleichung V der Wert von p_DR für den Zeitpunkt t + 2x/a ermitteln. Daraus kann dann der Wert von p_DR für den Zeitpunkt t + 4x/a in gleicher Weise berechnet werden wie der Wert von p_DR für den Zeitpunkt t + 2x/a aus dem Wert von p_DR für den Zeitpunkt t.

Der Wert von p_D kann für den Zeitpunkt t + 2x/a sowie für weitere Zeitpunkte jeweils aus den Gleichungen II und/oder VIII durch bekannte numerische Verfahren, beispielsweise das Verfahren von Runge und Kutta, extrapoliert werden.

Da die beschriebenen Rechnungen mehrfach, von einer Vielzahl dicht aufeinanderfolgender Zeitpunkte t ausgehend, durchgeführt werden können, läßt sich der Einspritzverlauf während der Phase III für eine Folge ähnlich dicht aufeinanderfolgender Zeitpunkte berechnen.

Während der Phase IV in Fig. 2 kann der Einspritzverlauf wahlweise in gleicher Weise wie während der Phase II oder während der Phase III berechnet werden. Im letzteren Falle ist dabei zu beachten, daß der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung VIII während der Phase IV ungleich Null ist, d. h. es müssen jeweils die aus den Signalen des Hubgebers 2 abgeleiteten Werte für dh/dt berücksichtigt werden.

Um Beginn und Ende der Phasen II bis IV eindeutig feststellen zu können, kann der Rechner 3 jeweils höhere zeitliche Ableitungen des Hubes des Verschlußorganes 1 bzw. der entsprechenden Signale des Hubgebers 2 berechnen. Da zu Beginn und Ende dieser Phasen jeweils mehrere dieser Ableitungen praktisch gleichzeitig Extrem- bzw. Nullwerte annehmen, kann der Rechner also ohne weiteres prüfen, welche Phase des Einspritzvorganges jeweils vorliegt.

Zur Eichung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann gegebenenfalls im Düsenvorraum 7 ein Druckgeber angeordnet sein, welcher es gestattet, die Werte von p_D direkt zu messen. Derartige Druckgeber können beispielsweise im wesentlichen aus piezokeramischen Elementen bestehen, die je nach Druckbeaufschlagung eine unterschiedliche elektrische Spannung abgeben.

Somit ist es möglich, die gemessenen Werte von p_D unmittelbar mit den jeweils errechneten Werten zu vergleichen und zur Anpassung der errechneten Werte an die Meßwerte in den Gleichungen I bzw. VIII Korrekturfaktoren einzusetzen. Damit läßt sich die Genauigkeit der errechneten Werte praktisch beliebig erhöhen.

Prinzipiell ist es zwar möglich, den Druckgeber ständig im Düsenvorraum 7 zu belassen, um die Werte von p_D unmittelbar zu messen, so daß der Einspritzverlauf lediglich aus den Gleichungen II und III berechnet werden könnte. In der Praxis ist dies jedoch nicht möglich, weil die Lebensdauer von Druckgebern bei Anordnung am Düsenvorraum 7 relativ gering ist, insbesondere wegen der thermischen Belastung des Einspritzventiles 6.

Die Eichung bzw. Korrektur der effektiven Durchflußquerschnitte - die sich durch Verschleiß oder Verkokung ändern können - können durch Vergleich eines definierten Volumens mit der berechneten aufsummierten Einspritzmenge erfolgen (z. B. bei Motorwartung, eventuell auch von Tankfüllung zu Tankfüllung).

Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Bestimmung des Einspritzverlaufes mit hoher Genauigkeit möglich ist, und zwar während der gesamten Motorlebensdauer. Denn sowohl der Hubgeber 2 als auch der Druckgeber 5 werden - insbesondere auch thermisch - nur wenig beansprucht, so daß mit einer langen Lebensdauer zu rechnen ist.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform, welche ebenfalls aus Fig. 1 hervorgeht, liegt das Verschlußorgan in seiner vollständig geöffneten Lage an einem als Kraftmesser 23 ausgebildeten Anschlag an. Der Kraftmesser 23 ist mit dem Rechner 3 verbunden, welcher dementsprechend bei vollständig geöffnetem Einspritzventil 6 Signale erhält, die die Kraft F_A wiedergeben, mit der das Verschlußorgan am Kraftmesser 23 anliegt. Bei dieser Ausführungsform kann der Druckgeber 5 an der Leitung 4 entfallen, denn bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Druck p_D im Düsenvorraum 7 während der Betriebsphasen II bis IV, vgl. Fig. 2, unmittelbar gemäß der im Anspruch 8 angegebenen Gleichung Ia ermittelt werden.

In Fig. 3 sind das Einspritzventil 6 bzw. dessen Halterung in konstruktiver Weise dargestellt.

Das Einspritzventil besitzt einen mehrteiligen Düsenkörper 24 mit dem darin axial verschiebbar angeordneten plungerartigen Verschlußorgan 1 und dem Düsenvorraum 7, welcher über das den Düsenkörper 24 durchsetzende Leitungsstück 4′ mit Einspritz medium beliefert wird. Der Düsenkörper 24 ist innerhalb einer Düsenspannmutter 25 aufgenommen, welche mittels einer Überwurfmutter 21 mit einem zylindrischen Halterteil 27 verbunden ist, welches in die Düsenspannmutter 25 hineinragt und mittels der Überwurfmutter 26 gegen eine zwischen dem Düsenkörper 24 und dem Halterteil 27 eingesetzte Zwischenscheibe 28 gespannt ist, wobei gleichzeitig der Düsenkörper 24 in der Düsenspannmutter 25 verspannt wird. Das Halterteil 27 sowie die Düsenspannmutter 25 sind innerhalb der Überwurfmutter 26 undrehbar miteinander gekuppelt, indem ein radialer Fortsatz 27′ des Halterteils 27 in eine stirnseitige axiale Ausnehmung 25′ der Düsenspannmutter 25 klauenartig eingreift. Im übrigen ist die Zwischenscheibe 28 mittels eines Paßstiftes 29 undrehbar am Halterteil 27 festgelegt; in prinzipiell gleicher Weise wird der Düsenkörper 24 mittels eines weiteren Paßstiftes undrehbar an der Zwischenscheibe 28 gehalten. Damit ist gewährleistet, daß das Leitungsstück 4′ im Düsenkörper 24 immer mit den Leitungsstücken 4″ und 4″′ in der Zwischenscheibe 28 bzw. im Halterteil 27 kommuniziert.

Das Halterteil 27 bildet einen Käfig für die Schließfeder 16 des Einspritzventiles 6, welche dessen Verschlußorgan 1 mittels eines Druckpilzes 30, der in der Zwischenscheibe 28 axial verschiebbar gehaltert ist, in die Schließlage drängt.

Mit dem Verschlußorgan 1 ist der Druckpilz 30 mittels eines an ihm angeordneten Stößels verbunden, welcher seinerseits mit einem verjüngten axialen Fortsatz 1′ des Verschlußorgans 1 gekoppelt ist. An den Fortsatz 1′ schließt eine Ringstufe 1″ an, mit der das Verschlußorgan 1 in seiner geöffneten Endlage an einem in der Zwischenscheibe 28 axial verschiebbar angeordneten Anschlagstück 31 anschlägt. Das Anschlagstück 31 wird seinerseits durch einen elastischen O-Ring 32 gegen den Kraftmesser 23 gedrängt, welcher als ein den Stößel des Druckpilzes 30 ringförmig umschließendes Piezo-Element ausgebildet ist, welches durch ein seitliches Fenster der Düsenspannmutter 25 sowie eine hinter diesem Fenster angeordnete seitliche Ausnehmung der Zwischenscheibe 28 in dieselbe eingesetzt wird. Bei Druckbeaufschlagung des Kraftmessers 23 bzw. des den Kraftmesser 23 bildenden Piezo- Elementes kann an denselben über daran angeordnete (nicht dargestellte) Elektroden eine elektrische Spannung abgegriffen werden, deren Pegel sich mit der Druckbeaufschlagung des Piezo-Elementes 23 ändert. Diese Spannung wird über ein durch die Ausnehmung sowie das Fenster in der Zwischenscheibe 28 bzw. in der Düsenspannmutter 25 herausgeführtes Kabel 33 dem Rechner 3 (vgl. Fig. 1) zugeführt. Damit erhält der Rechner 3 Signale, welche die Kraft F_A wiedergeben, mit der das Verschlußorgan 1 in seiner geöffneten Endlage durch den hydraulischen Druck des Einspritzmediums im Düsenvorraum 7 gegen das Anschlagstück 31 gedrängt wird.

Gegebenenfalls kann als Kraftmesser 23 auch ein elastisch verformbares Element mit daran angeordneten Dehnungs- Meßstreifen angeordnet sein, welche ein die elastische Verformung des Teiles wiedergebendes Signal erzeugen und an den Rechner 3 weiterleiten. Somit erhält der Rechner 3 wiederum ein der Kraft F_A entsprechendes Signal, so daß der Druck p_D im Düsenvorraum 7 wiederum entsprechend der Gleichung Ia im Anspruch 8 berechnet werden kann.

In Fig. 3 ist der in Fig. 1 schematisch dargestellte Hubgeber 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Ein derartiger Hubgeber 2 kann mit dem Druckpilz 30 bzw. einem daran angeordneten stößelartigen Fortsatz od. dgl. zusammenwirken.

Abweichend von der Darstellung in Fig. 3 kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen sein, das Kabel 33 axial durch das Halterteil 27 hindurchzuführen, so daß sich Radialöffnungen in der Düsenspannmutter 25 erübrigen. Damit wird der Einbau des Einspritzventiles in einen Motor wesentlich erleichtert.

Darüber hinaus kann die Zwischenscheibe 28 selbst als Kraftmesser bzw. als Piezoelement ausgebildet sein, d. h. die Zwischenscheibe 28 erzeugt ein die Kraft F_A wiedergebendes Signal.

Soweit anstelle des Hubgebers 2 ein Bewegungsgeber angeordnet ist, welcher ein die Geschwindigkeit v des Verschlußorgans wiedergebendes Signal erzeugt, kann der jeweilige Hub h des Verschlußorgans 1 durch Integration ermittelt werden:

h = ∫ v dt.

Die Beschleunigung d²h/dt² des Verschlußorgans ergibt sich dann durch Differentiation:

d²h/dt² = dv/dt.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung des Einspritzverlaufes bei einem Verbrennungsmotor mit einer Einspritzpumpe und zumindest einem mit der Druckseite der Einspritzpumpe über eine Leitung verbundenen Einspritzventil, dessen Einspritzdüse mittels eines - in der Regel nadelartigen - Verschlußorganes absperrbar ist, welches in einem mit der Leitung verbundenen Düsenvorraum nach Art eines Kolbens verschiebbar angeordnet und vom Druck des über die Leitung zugeführten Einspritzmediums gegen eine Rückstellkraft in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist, sowie mit einem Hubgeber, welcher mit dem Verschlußorgan antriebsmäßig gekoppelt und mit einem Rechner zur Verarbeitung von Signalen verbunden ist, welche die Hubstellung des Verschlußorganes wiedergeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (3) während des Zeitintervalles der Hubbewegung des Verschlußorganes (1) zwischen dessen Schließ- und Öffnungslage mittels der Signale des Hubgebers oder der die Geschwindigkeit (dh/dt) des Verschlußorgans (1) wiedergebenden Signale eines Bewegungsgebers Geschwindigkeit (dh/dt) und Beschleunigung (d²h/dt²) des Verschlußorganes (1) und daraus den Druck (p_D) im Düsenvorraum (7) sowie den aus der Düse (13) austretenden Volumenstrom (dQ/dt) bzw. die ausgetretene Menge (Q) ermittelt gemäß: p_D · A = m · d²h/dt² + R · dh/dt + K · h + F₁ + F₂ (I) Q = ∫ dQ/dt (III)wobei
p_D = Druck im Düsenvorraum,
p_G = Druck im Brennraum bzw. auslaßseitig der Düse,
A = vom Druck p_D in Öffnungsrichtung beaufschlagter Querschnitt des Verschlußorgans,
m = Masse des Verschlußorgans,
h = Hub des Verschlußorgans,
t = Zeit,
R = Dämpfungs- bzw. Reibungskoeffizient der Hubbewegung des Verschlußorgans,
K = Federkonstante der Rückstellkraft,
F₁ = Vorspannung der Rückstellkraft,
F₂ = Reibungskraft,
Q = Menge des aus der Düse ausgetretenen Einspritzmediums,
ρ = Dichte des Einspritzmediums,
f(h,X) = eine vorgegebene Funktion, abhängig vom Hub (h) des Verschlußorganes und vom Druckfaktor X,
X = (p_D - p_G)/p_G = dimensionaler Druckfaktor.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (dQ/dt) berechnet wird gemäß: wenn X < X_GR, wenn X X_GR,wobeiX_GR = Grenzdruckverhältnis, für das im engsten Strömungsquerschnitt der statische Druck gerade den Wert Null erreicht (je nach Düse ist X_GR = 4 ± 2),
A_e(X) = effektiver Durchflußquerschnitt der Düse, abhängig vom Druckzustand,
A_e(X → ∞) = effektiver Durchflußquerschnitt bei großen Druckfaktoren, z. B. X 100.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (3) höhere Ableitungen des zeitlichen Verlaufes des Nadelhubes (dⁿh/dtⁿ wobei n 2) berechnet und überprüft, ob mehrere dieser Ableitungen gleichzeitig bzw. in einem Zeitintervall vorgegebener Länge Extrem- bzw. Nullwerte annehmen, und daß der Rechner (3) den Zeitpunkt eines derartigen Ereignisses als Beginn bzw. Ende der Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Verschlußorganes (1) auswertet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Leitung (4) ein Druckgeber (5) angeordnet ist, dessen den Leitungsdruck (p_X) am Orte des Druckgebers (5) wiedergebende Ausgangssignale der Eingangsseite des Rechners (3) zuführbar sind, und daß der Rechner (3) zumindest bei völlig geöffnetem Verschlußorgan (1) den Druck im Düsenvorraum (7) bzw. den aus der Düse austretenden Volumenstrom gemäß einem vorgebbaren funktionalen Zusammenhang zwischen dem Druck im Düsenvorraum (p_D) und dem vom Druckgeber (5) ermittelten Leitungsdruck (p_X) bestimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (3) während des Schließhubes des Verschlußorganes (1) den Druck im Düsenvorraum (7) bzw. den aus der Düse austretenden Volumenstrom gemäß dem gleichen vorgebbaren funktionalen Zusammenhang zwischen Druck im Düsenvorraum (7) und dem vom Druckgeber (5) ermittelten Leitungsdruck (p_X) bestimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (3) für den Schließhub des Verschlußorganes (1) den Druck im Düsenvorraum (7) bzw. den aus der Düse austretenden Volumenstrom mit den gleichen mathematischen Operationen wie beim Öffnungshub bestimmt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußorgan (1) mit einem induktiven Hub- oder Bewegungsgeber (2) gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußorgan (1) in Offenlage an einem Kraftmesser (23) anliegt, dessen Signale dem Rechner (3) zugeführt werden und wiedergeben, mit welcher Kraft (F_A) das Verschlußorgan (1) in Richtung seiner Offenlage gespannt ist, und daß der Rechner den Druck im Düsenvorraum (7) ermittelt gemäß: p_D A = m · d²h/dt² + R · dh/dt + K · h + F₁ + F₂ + F_A (Ia)

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftmesser (23) zumindest ein Piezoelement angeordnet ist, welches unmittelbar als Anschlag für das Verschlußorgan (1) dient bzw. unmittelbar mit einem Anschlag des Verschlußorganes gekoppelt bzw. verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftmesser (23) ein oder mehrere Dehnungsmeßstreifen an einem Anschlag des Verschlußorganes (1) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Hub- bzw. Bewegungsgebers (2) auch der effektive Hub des Verschlußorgans (1) zwischen der geöffneten Endlage und der Schließlage bestimmt und daraus eine Kenngröße für den Düsennadelverschleiß ermittelt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubgeber (2) als Hall-Geber ausgebildet ist.