DE4321156A1

DE4321156A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4321156A1
Application number: DE4321156A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Laufer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1994-05-26

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen, durch die DE-OS 36 01 710 bekannten Kraftstoffein spritzeinrichtung wird zur Steuerung von Spritzbeginn und Einspritz menge ein von einem Elektromagnet angesteuertes Ventil verwendet, das in eine Kraftstoffleitung vom Pumpenarbeitsraum in einen Nieder druckraum eingesetzt ist. Über das Schließen und Öffnen dieses Ventils während des Förderhubs des Pumpenkolbens wird der Zeitpunkt und die Dauer der Hochdruckförderung im Pumpenarbeitsraum und damit der Einspritzung am über eine Einspritzleitung mit diesem verbunde nen Einspritzventil bestimmt. Um bei mit hohem Einspritzdruck ar beitenden Brennkraftmaschinen und hier vor allem bei einer Direkt einspritzung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraft maschine, eine hohe Geräusch- und Schadstoffemission zu vermeiden, die infolge des Zündverzuges zu Beginn der Verbrennung entsteht, ist die Einspritzmenge in eine Vor- und Haupteinspritzmenge geteilt. Auf diese Weise ist zu Beginn der Verbrennung, d. h. bei Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches durch die komprimierte Luft im Brennraum, erst eine geringe Kraftstoffmenge eingespritzt und aufbereitet, die nun mit einem geringeren Druckgradienten verbrennt. Dazu schließt das Magnetventil in der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung und öffnet anschließend gleich wieder zur Beendigung der Vorein spritzung. Die Magnetventilnadel öffnet dabei nur kurz und nicht vollständig um dann für die Haupteinspritzung wieder zu schließen. Für ein exaktes Erfassen des Einspritzbeginns bzw. Endes weist die bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung an ihren Einspritzventilen Sensoren auf, die den Nadelhub des Einspritzventils erfassen und an ein Steuergerät weiterleiten.

Dabei ergibt sich an der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung das Problem, daß die Größe der Voreinspritzmenge, der Abstand zwischen Vor- und Haupteinspritzmenge und die Haupteinspritzmenge nicht genau genug steuerbar sind, da durch ein Driften der Bauteile, Temperaturveränderungen und Kraftstofftoleranzen sich bei gleichen Ansteuerzeiten des Magnetventils verschiedene Düsenöffnungszeiten und Einspritzmengen ergeben.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe mit den kennzeichnen den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor am Einspritzventil eine Öffnungs- bzw. Schließbe wegung der Düsennadel erst dann an das elektrische Steuergerät übermittelt, wenn dieser Vorgang tatsächlich begonnen hat, d. h. wenn Kraftstoff in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt wird bzw. das Einspritzventil schließt, wobei nun durch den Grenzwert eine verzögerte Kraftstoffbewegung berücksichtigt werden kann. Zudem hat dieser Grenzwert eine gewissen Glättung der Meßergebnisse des Sensors zur Folge, so daß Meßungenauigkeiten und Fehler, z. B. infolge eines unbeabsichtigten erneuten Öffnens der Düsennadel infolge eines Nachfederns beim raschen Schließen, vom Steuergerät korrigiert werden können. Dabei ist es in vorteilhafter Weise möglich sowohl den Beginn des wirksamen Öffnungshubes als auch den Beginn des wirksamen Schließhubes der Düsennadel sicher zu er fassen und so über die zwischen dem Beginn und Ende der Düsennadel öffnungszeit liegende Öffnungsdauer des Einspritzventils eine sichere Korrelation zur eingespritzten Kraftstoffmenge zu erhalten und diese bei der genauen Bemessung der Einspritzmenge zu berück sichtigen. Dabei ist es vorteilhaft, neben dem Düsennadelöffnungshub auch Parameter der laufenden Brennkraftmaschine, wie der Drehzahl, der Last und der Temperatur zu erfassen und somit eine optimale Einspritzsteuerung vornehmen zu können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung und die Fig. 2 bis 4 Diagramme, wobei in der Fig. 2 die Magnetventilansteuerung über der Zeit bzw. Grad Nockenwinkel, in der Fig. 3 der Hub des Magnetventilgliedes über der Zeit und in der Fig. 4 der Düsennadel hub des Einspritzventils über der Zeit dargestellt ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der in der Fig. 1 schematisch dargestellten Kraftstoffein spritzeinrichtung ist in einem eine Zylinderbüchse bildenden Pumpen gehäuse 1 eine Bohrung 3 vorgesehen, in der ein Pumpenkolben 5 einen Pumpenarbeitsraum 7 einschließt. Der Pumpenkolben 5 wird über eine Nockenscheibe g, die auf einem um 90° gedreht gezeichneten Rollen ring 11 läuft, durch nicht weiter dargestellte Mittel synchron zur Drehzahl der Brennkraftmaschine angetrieben und führt bei seiner Drehbewegung eine hin- und hergehende Pumpbewegung mit einem Ansaug hub und einem Förderhub aus. Die Kraftstoffversorgung des Pumpen arbeitsraumes 7 erfolgt über einen Kraftstoffkanal 13, der von einem Pumpenarbeitsraum 15 niederen Kraftstoffdrucks ausgeht. Dieser Saug raum 15 wird mittels einer Kraftstofförderpumpe 17 aus einem Kraft stoffvorratsbehälter 19 mit Kraftstoff versorgt, wobei der Druck im Pumpensaugraum 15 mit Hilfe eines Drucksteuerventils 21 eingestellt wird, das parallel zur Kraftstofförderpumpe 17 geschaltet ist.

In dem Kraftstoffkanal 13 ist ein elektrisch betätigbares Ventil 23, das z. B. ein Magnetventil sein kann, als Kraftstoffmengendosierein richtung eingesetzt, das die Verbindung zwischen dem Pumpenarbeits raum 7 und dem Pumpensaugraum 15 öffnet und verschließt und so die in den Pumpenarbeitsraum 7 zugeführte Kraftstoffmenge während des Saughubs des Pumpenkolbens 5 und die Hochdruckfördermenge während des Förderhubs steuert. Vom Pumpenarbeitsraum 7 führt ferner eine im Pumpenkolben 5 angeordnete Sackbohrung 25 ab, von der eine Radial bohrung 27 nach außen führt. Dabei mündet die Radialbohrung 27 in eine nicht näher dargestellte längs zur Pumpenkolbenachse verlaufen de Verteilernut, durch die bei der Drehung des Pumpenkolbens 5 während des Förderhubs nacheinander Förderleitungen 29 mit dem Pumpenarbeitsraum 7 verbunden werden. Diese Förderleitungen sind entsprechend der Zahl der zu versorgenden Zylinder der Brennkraft maschine am Umfang der Bohrung 3 verteilt, enthaltend jeweils ein als Rückschlagventil ausgebildetes Entlastungsventil 31 und sind mit jeweils einem Einspritzventil 33 verbunden. Die Steuerung der Hoch druckförderung im Pumpenarbeitsraum 7 während des Förderhubs des Pumpenkolbens 5 erfolgt in bekannter Weise über das Magnetventil 23, indem durch dessen Schließen der zur Einspritzung nötige Kraftstoff hochdruck im Pumpenarbeitsraum 7 aufgebaut wird, der im weiteren Verlauf des Kolbenhubs das Entlastungsventil 31 öffnet und bei Er reichen des Einspritzdrucks eine hier nicht näher dargestellte bekannte Düsennadel im Einspritzventil von ihrem Sitz hebt, so daß der Kraftstoff am Einspritzventil 33 zur Einspritzung gelangt. Die Einspritzung wird im Ausführungsbeispiel durch das erneute Öffnen des Magnetventils 23 beendet, wobei der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 7 über den Kraftstoffkanal 13 in den Pumpensaugraum 15 abströmt. Infolge des raschen Druckabfalls im Pumpenarbeitsraum 7 schließt auch das Einspritzventil 33 und um einen bestimmten Standdruck in der Förderleitung 29 zu erhalten auch das Entlastungsventil 31, das zudem bei seiner Schließbewegung das zwischen ihm und dem Einspritzventil 33 eingeschlossene Volumen vergrößert und durch diese Druckentlastung den Schließvorgang am Einspritzventil 33, d. h. das Aufsetzen der Düsennadel auf ihren Sitz unterstützt.

Zur Änderung des Spritzbeginns ist weiterhin ein Spritzverstell kolben 35 vorgesehen, der mit dem Rollenring 11 gekoppelt ist und entgegen der Kraft einer Feder 37 verstellbar ist. Der Spritzver stellkolben 35 begrenzt dabei einen Druckraum 39, der über eine Drossel 41 mit dem Pumpensaugraum 15 verbunden ist und somit vom drehzahlabhängigen Druck im Pumpensaugraum 15 beaufschlagt wird.

Entsprechend diesem drehzahlabhängigen Druck wird mit Hilfe des Spritzverstellkolbens 35 der Spritzzeitpunkt durch Verdrehen des Rollenringes 11 mit zunehmender Drehzahl auf früh verstellt. Zur Beeinflussung der Spritzverstellzeit ist der Druckraum 39 ferner über ein zweites Magnetventil 43 mit der Saugseite der Förderpumpe 17 verbunden und kann mit Hilfe dieses Magnetventils 43 entlastet werden. Die Spritzbeginnsteuerung kann aber auch durch die Steuerung des Magnetventils 23 allein vorgenommen werden, indem dieses durch seinen Schließzustand die Zeiten der Hochdruckkraftstofförderung bestimmt und durch seinen Schließ- bzw. Öffnungsvorgang den Spritz beginn und das Spritzende bestimmt. Für eine exakte Steuerung der Hochdruckeinspritzung, die aus verbrennungstechnischen Gründen durch ein erneutes Öffnen und Schließen des Magnetventils 23 während der Hochdruckförderphase, in eine Vor- und Haupteinspritzmenge teilbar ist, ist es notwendig, das Magnetventil 23 in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und der Ein spritzpumpe anzusteuern. Dazu wird das Magnetventil 23 von einem Steuergerät 51 angesteuert, das mit verschiedenen Sensoren verbunden ist. So werden dem Steuergerät 51 über einen Temperaturfühler 53 in einer Absteuerleitung 55 die Kraftstofftemperatur, über einen Winkelgeber 57, der mit einem Winkelrad 59 am Rollenring 11 zusammenwirkt, die aktuelle Lage des Nockenhubes und die Spritz verstellage und über einen handelsüblichen Nadelhubgeber 61 der tatsächliche Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt des Einspritzventils 33 übermittelt. Zudem werden über Sensoren an der Brennkraftmaschine deren aktuelle Drehzahl (n), obere Totpunktlage (OT) der einzelnen Zylinder und die momentane Gaspedalstellung (Last, PL), dem Steuer gerät 51 zugeführt. Im Steuergerät 51 werden diese aufgenommenen Daten mit einem vorher eingegebenen Kennfeld verglichen, dem für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein bestimmter Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Einspritzventils 33 und somit eine genau vorgezeichnete Einspritzdauer zugeordnet ist. Die An steuerung des Magnetventils 23 durch das Steuergerät 51 erfolgt nun in Abhängigkeit der für den anliegenden Betriebspunkt vorgegebenen Werte, wobei über die Registrierung des Nadelhubs des Einspritz ventils 33 eine direkte Kontrolle der gewünschten Einspritzdauern möglich ist, die bei Abweichung vom geforderten Wert sofort korri gierbar sind.

Die Einspritzdüsenöffnungsdauern sind dabei in Grad Nockenwellen winkeln im Steuergerät (51) abgelegt, die in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmten Einspritzmengen zugeordnet sind und entsprechend den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gewählt werden, wobei die Nockenwinkel mit einem eingebauten inkrementalen Winkel-Zeit- Sensor (IWZ) erfaßt und kontrolliert werden.

In den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Diagrammen ist die Steuerung des Einspritzverlaufs am Einspritzventil näher darge stellt. Die Fig. 2 zeigt die elektrische Ansteuerung (U/Volt) des Magnetventils 23 in Abhängigkeit von der Zeit (t/sec.) bzw. der Drehbewegung des Pumpenkolbens ( /° Nockenwinkel). Analog dazu ist in der Fig. 3 der dazu parallele Verlauf des Hubs des Ventilgliedes (hv) des Magnetventils 23 aufgetragen und in der Fig. 4 wiederum parallel zu den vorangegangenen der Verlauf des Düsennadelhubs (hd), also des tatsächlichen Einspritzvorganges. Dabei wird zum Beginn der Voreinspritzung zunächst das Magnetventil 23 angesteuert. Nach einer gewissen Verzögerung, schließt das Ventilglied des Magnetventils 23, infolgedessen mit einer erneuten Verzögerung das Einspritzventil 33 durch Abheben der Düsennadel öffnet und die Voreinspritzmenge zur Einspritzung gelangt. Im weiteren Verlauf wird das Magnetventil 33 für kurze Zeit stromlos geschaltet, das Ventilglied öffnet jedoch aufgrund der Trägheit nicht vollständig, der gedrosselte Querschnitt am Magnetventil 23 reicht jedoch, daß sich darüber der Kraftstoff hochdruck im Pumpenarbeitsraum 7 so weit entspannt, daß der Druck unter den nötigen Einspritzdruck sinkt und das Einspritzventil 33 die Voreinspritzung beendet und schließt. Beim erneuten Ansteuern des Magnetventils 23 schließt dieses wieder vollständig und die Einspritzung wird mit Beginn der Einspritzung der Hauptmenge am Einspritzventil fortgesetzt, bis es am Ende der Haupteinspritzung zum Aufsteuern des Magnetventils 23 kommt und infolgedessen mit einer gewissen durch Trägheit verursachten Verzögerung zum Schließen des Einspritzventils, d. h. zum Aufsetzen der Düsennadel kommt. Um für den Vergleich von Istwert und Sollwert des Düsennadelhubs im Steuergerät 51 eine sichere Information über die genaue Größe der Vor- und Haupteinspritzmenge zu erhalten, wird das jeweilige Signal, wie in der Fig. 4 dargestellt, erst bei Überschreiten eines be stimmten Grenzwertes des Düsennadelhubs ausgelöst. Somit ergibt sich für die registrierte Dauer der Voreinspritzung (A) die Zeit vom Überschreiten des ersten, den Einspritzbeginn kennzeichnenden Schwellwertes h11 bis zum Überschreiten eines zweiten, das Ende der Voreinspritzung kennzeichnenden Schwellwertes h12, der Abstand zwischen dem Beginn der Vor- und der Haupteinspritzmenge (B) durch das Überschreiten des Schwellwertes h11 bis zum Überschreiten des den Beginn der Haupteinspritzung registrierenden Schwellwertes h21 und die Haupteinspritzmenge ergibt sich aus der Zeit zwischen dem Überschreiten des Schwellwertes h21 und dem, das Einspritzende kennzeichnenden Schwellwert h22. Dabei ist zu beachten, daß die Schwellwerte, die den Beginn der Einspritzungen kennzeichnen von unten, die der Beendigung der Einspritzungen von oben, d. h. von einem Maximalwert aus überschritten werden, so daß die vom Nadelhub geber an das Steuergerät 51 übermittelten Signale genau zuzuordnen sind.

Die Schwellwerte werden als relative Schwellen zu h1max bei der Voreinspritzung und h2max bei der Haupteinspritzung festgelegt. Die Größen der Schwellen liegt etwa bei 50% bei h1max und bei 5-20% bei h2max.

Dabei sind die neben den Zeitpunkten der Einspritzung letzlich zu erfassenden und zu regelnden Einspritzgrößen die:

- Größe der Voreinspritzmenge, die durch die Dauer A der Düsennadel öffnungszeit während der Voreinspritzung gekennzeichnet ist,
- der Abstand der Voreinspritzung zur Haupteinspritzung, der durch die Dauer B gekennzeichnet ist und
- die Größe der Haupteinspritzmenge, die durch die Dauer C der Düsennadelöffnungszeit während der Haupteinspritzung gekennzeichnet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist es somit möglich, den Einspritzvorgang optimal zu steuern und die tat sächliche Einspritzmenge über die tatsächliche Einspritzdauer am Einspritzventil zu kontrollieren, mit einem Sollwert zu vergleichen und zu korrigieren, so daß die Größe der Vor- und Haupteinspritz menge sowie deren Abstand immer den Sollwerten entsprechen. Dabei ist die beschriebene Steuermöglichkeit nicht nur auf sämtliche Ein spritzpumpen der Verteilerpumpenbauart beschränkt, sondern kann auch an magnetgesteuerten Pumpedüsen und Steckpumpen verwendet werden.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem von einem Pumpenkolben (5) in einer Bohrung (3) einer Zylinderbüchse (1) begrenzten Pumpenarbeitsraum (7), der über eine Leitung (29) mit einem Einspritzventil (33) verbindbar ist und der aus einem Kraftstoffniederdruckraum (15) mit Kraftstoff versorg bar und über eine ein von einem Steuergerät (51) elektrisch betätig tes Ventil (23) aufweisende Kraftstoffleitung (13) entlastbar ist, wobei die am Einspritzventil (33) eingespritzte Kraftstoffmenge und der Zeitpunkt der Einspritzung durch das elektrisch betätigte Ventil (23) während des Förderhubs des Pumpenkolbens (5) derart steuerbar ist, daß die Einspritzmenge in eine aufeinanderfolgende Vor- und Haupteinspritzmenge aufteilbar ist und am Einspritzventil (33) ein Sensor (61) angeordnet ist, der dessen Einspritzbeginn und Ein spritzende erfaßt und an das, das elektrische Ventil (23) ansteuern de Steuergerät (51) weiterleitet, das dieses einen Istwert dar stellende Signal mit einem aus einem Kennfeld abgeleiteten Sollwert vergleicht und bei Abweichung von diesem die Ansteuerung für die Öffnungs- und Schließbewegung des elektrisch betätigten Ventils (23) neu einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der als Nadelhubgeber ausgeführte Sensor (61) das Signal für die Öffnungs- bzw. Schließbewegung der Düsennadel erst nach Überschreiten, bzw. Unter schreiten eines bestimmten Grenzwertes ab Bewegungsbeginn der Düsen nadel in Öffnungs- und Schließrichtung an das Steuergerät (51) über mittelt.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die durch die Zeit zwischen dem Signal für die Öffnungshubbewegung und dem Signal für die Schließhubbewegung der Düsennadel des Einspritzventils (33) ermittelte Einspritzdauer am Einspritzventil, im Steuergerät (51) als zu verarbeitende Meßgröße für die eingespritzte Kraftstoffmenge verwendet wird.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert in Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse bei der Voreinspritzung etwa 50% von h1max und bei der Haupteinspritzung etwa 5 bis 20% von h2max der Düsennadelbe wegung in Öffnungs- bzw. Schließrichtung beträgt.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß jeweils für die Vor- und Haupteinspritzung verschiede ne Grenzwertmarken vorgesehen sind und daß sowohl der Beginn des Öffnungshubs der Düsennadel als auch der Beginn des Schließhubes erfaßt werden.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das elektrisch betätigte Ventil (23) als Magnetventil ausgebildet ist.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (51) Einspritzdüsenöffnungsdauern in Grad Nockenwinkeln abgelegt sind, die in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmten Einspritzmengen entsprechen und entsprechend den Betriebsparametern gewählt werden.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Temperaturfühler (53) in das Kraftstoffsystem integriert ist, dessen Meßwerte ebenfalls im Steuergerät (51) ver arbeitet werden und bei der Ansteuerung des Magnetventils (23) be rücksichtigt werden.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzpumpe als Verteilerpumpe mit einem rotierenden und zugleich hin- und hergehenden Pumpenkolben (5) ausgeführt ist.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzpumpe als Verteilerpumpe mit radial angeordnetem Pumpenkolben und einem rotierenden Verteiler ausgeführt ist.