DE10305772B4

DE10305772B4 - Kraftstoffinjektor und Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE10305772B4
Application number: DE10305772A
Authority: DE
Inventors: Wayne A. Columbus Eckerle; Ron H. Columbus Temple; Lester L. Columbus Peters
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: US6691677B2; US20030154956A1; DE10305772A1

Abstract

Kraftstoffinjektor (14), aufweisend:
einen Injektorkörper mit angebrachtem oder eingebrachtem Aktuator (16) zur Steuerung des Kraftstoffflusses; sowie
eine an dem Injektorkörper angebrachte oder in diesen eingebaute elektronische Kompensationseinrichtung (18) mit einem Prozessor (20), der in Verbindung mit dem Aktuator (16) steht und abhängig von einem von außerhalb des Injektorkörpers befindlichen elektronischen Steuereinheit (12) kommenden Kraftstoffförderkomando ein Aktuatorsignal erzeugt, und einer elektronischen Speichereinrichtung (22), die Informationen enthält, die den Kraftstoffinjektor (14) betreffen, die an dem Kraftstoffeinspritzvorrichtungskörper angebracht oder in diesen eingebaut ist, um dem Aktuator (16) Steuersignale bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftstoffinjektoren und Kraftstoffeinspritzsysteme und insbesondere einen Kraftstoffinjektor mit einer elektronischen Kompensationseinrichtung, die es dem Kraftstoffinjektor ermöglicht, ankommende Kraftstoffversorgungskommandos in Abhängigkeit von Information zu verarbeiten, die spezifisch für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist, oder die Information zu speichern, die spezifisch für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist.
Konstrukteure von Innenverbrennungsmotoren haben zunehmend erkannt, daß wesentlich verbesserte Kraftstoffversorgungssysteme erforderlich sind, um die strenger werdenden Regierungsvorschriften und sonstigen Vorschriften zur Emissionsverringerung und verbesserten Kraftstoffeffizienz zu erfüllen. Bei den meisten Kraftstoffversorgungssystemem, die für Innenverbrennungsmotoren verwendbar sind, werden Kraftstoffinjektoren verwendet, um Kraftstoffpulse in den Motorverbrennungsraum zu richten bzw. zu leiten. Innenverbrennungsmotoren mit Einspritzeinrichtungen sind generell sehr gut bekannt. Bei derartigen Motoren ist die genaue Kraftstoffmenge, die eingespritzt wird, bei der Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems entscheidend. Jedoch leiden die Einspritzsteuereigenschaften der Kraftstoffeinspritzsysteme zwangsweise unter der Verformung und Abnutzung von Teilen zusätzlich zu Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs.
Konventionelle Kraftstoffinjektoren und Krafststoffsysteme erfahren Probleme durch Abweichungen in und zwischen den einzelnen Injektoren. Insbesondere ist jeder Kraftstoffinjektor einmalig in der Hinsicht, daß jeder Injektor zumindest etwas verschieden von einem anderen Kraftstoffinjektor aufgrund von unvermeidlichen Abweichungen von Teil zu Teil bei den Herstellungstoleranzen der hydromechanischen Komponenten sein wird. Außerdem fördert jede dieser Kraftstoffeinspritzvorrichtungen eine Kraftstoffmenge, die von Umgebungsunterschieden, wie der Temperatur, abhängt. Die Kraftstoffmenge, die gefördert wird, kann auch aufgrund von Sensorabweichungen im Kraftstoffsystem variieren. Weiter ändern Kraftstoffeinspritzvorrichtungen ihre Kraftstofffördereigenschaften während des Betriebs aufgrund von Abnutzung.
Ein Hersteller konventioneller Kraftstoffsysteme stellt Injektoren bereit, die mit Strichcodes versehen sind, die Herstellungsinformationen enthalten. Wenn die Kraftstoffinjektoren eingebaut werden, liest die Kraftstoffsystemsteuereinrichtung die Strichcodes und speichert die Herstellerinformation für jeden Injektor. Auf diese Weise erhält die Kraftstoffsystemsteuereinrichtung spezifische Herstellungsinformationen für jede einzelne Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wenn eine Vorrichtung das erste Mal eingebaut wird. Jedoch wird diese Information tatsächlich nicht aktualisiert und das System kann nicht auf Umgebungsänderungen bei der Kraftstoffeinspritzvorrichtung reagieren.
Die EP 0 999 355 A2 offenbart einen Kraftstoffinjektor mit einem integrierten Spannungsumformer. Die Druckschrift gibt jedoch keinen Hinweis darauf, einen Prozessor oder einen Datenspeicher in den Kraftstoffinjektor zu integrieren.
Die US 5,265,576 A bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit einer elektronischen Steuereinheit, jedoch nicht auf die Integration eines Prozessors und eines Speichers in einen Kraftstoffinjektor.
Die US 5,839,420 A offenbart eine zentrale Steuerung für mehrere Kraftstoffinjektoren.
Die DE 40 15 258 C2 offenbart eine Steuerung der Einspritzung eines Ottomotors. Die Druckschrift offenbart jedoch nicht eine Integration eines Prozessors und Datenspeichers in einen Kraftstoffinjektor.
Die DE 196 19 523 A1 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Magnetventil. Teile der elektrischen Ansteuerung, nämlich Leistungsbauelemente und Energiespeicherelemente, können in das Kraftstoffeinspritzventil integriert sein. Die Druckschrift gibt jedoch keinen Hinweis darauf, einen Prozessor und Datenspeicher mit spezifischen Daten des jeweiligen Injektors in einen Kraftstoffinjektor zu integrieren.
Die EP 0 868 602 B1 offenbart einen Kraftstoffinjektor mit einem EEPROM als Datenspeicher für technische Informationen, wie Herstellungsinformationen. Die Informationen dienen jedoch nicht der unmittelbaren Steuerung des Injektors. Vielmehr sind separate Anschlüsse für eine zentrale Steuerung oder dergleichen vorgesehen.
Die DE 195 20 037 A1 betrifft die Klassifizierung von Kraftstoffinjektoren anhand einer gemessenen Charakteristik des Beginns der Einspritzung. Zur Kennzeichnung ist insbesondere ein Strichcode vorgesehen. Anhand des Strichcodes kann dann die Ansteuerung entsprechend eingestellt werden. Die Druckschrift gibt jedoch keinen Hinweis auf die Integration eines Prozessors und eines Datenspeichers in einen Kraftstoffinjektor.
Die DE 101 59 367 A1 ist auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Vielzahl von Einspritzelementen zur Einspritzung in unterschiedliche Zylinder eines Motors gerichtet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist weiter eine Antriebsschaltung auf, die zusammen mit den vielen Einspritzelementen eine Baueinheit bildet. Die Druckschrift ist jedoch nicht auf einen einzelnen Kraftstoffinjektor mit einer elektronischen Einrichtung gerichtet.
Es wird daher ein Kraftstoffeinspritzsystem benötigt, das relativ unempfindlich gegenüber Umgebungs- und Sensorabweichungen ist, während gleichzeitig die Anforderungen an Herstellungstoleranzen verringert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen, das verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Umgebungs- und Sensorvariationen ist, wobei gleichzeitig die Anforderungen an Herstellungstoleranzen verringert werden, sowie einen entsprechend verbesserten Kraftstoffinjektor bereitzustellen.
Die obige Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1 oder ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der eine elektronische Kompensationseinrichtung aufweist, die in der Lage ist, von einer Kraftstoffsystemsteuereinrichtung erhaltene Kom mandos an die spezifischen Eigenschaften der Kraftstoffeinspritzvorrichtung anzupassen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der eine elektronische Kompensationseinrichtung aufweist, die Informationen hinsichtlich der speziellen bzw. jeweiligen Kraftstoffeinspritzvorrichtung enthält. Beispielsweise kann die Information Testdaten, wie Steuerkurven, Aktuator- bzw. Betätigungsverzögerungen, Ab- bzw. Rückfluß, Injektorkappenfluß, Steueröffnungsflüsse und dergleichen, und/oder Herstellungsdaten, wie Öffnungsgrößen, Federeinbauhöhen, Federvorspannungen und dergleichen, enthalten.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der sowohl eine elektronische Kompensationseinrichtung als auch einen speziellen bzw. dafür vorgesehenen Sensor aufweist, der eine Rückkopplung für die elektronische Kompensationseinrichtung bereitstellt. Beispielsweise kann der Sensor einen Hubsensor enthalten, der ein Hubsignal erzeugt in Abhängigkeit von der Position des Nadelventils. Das Hubsignal würde an die elektronische Kompensationseinrichtung übermittelt und dann die Kraftstoffförderkommandos von der Kraftstoffsystemsteuereinrichtung anpassen, um den gewünschten Hub zu erreichen, oder die elektronische Kompensationseinrichtung würde das Hubsignal speichern. Der Sensor kann auch angepaßt sein, um Umgebungsinformationen, wie Injektor- und Kraftstofftemperatur, Beginn der Einspritzung, Ende der Einspritzung, common-rail- bzw. Sammelschienendruck, Betriebszeit, Anzahl von Einspritzzyklen und dergleichen, zu detektieren. Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden insbesondere erreicht, indem eine Fluideinspritzvorrichtung bereitgestellt wird, die ein Fluideinspritzventil, einen Aktuator, der das Fluideinspritzventil öffnet und schließt, und eine elektronische Einrichtung aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Figur zeigt:
ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Figur zeigt ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Kraftstofffördersystems bzw. Kraftstoffeinspritzsystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine elektronische Steuereinheit 12 (ECM) und eine Kraftstofffördervorrichtung bzw. Kraftstoffeinspritzvorrichtung, beispielsweise einen Kraftstoffinjektor 14, aufweist, der elektrisch an die ECM 12 angeschlossen ist. Wie weiter unten beschrieben, stellt die ECM 12 verschiedene Signale in Abhängigkeit von der unten beschriebenen Ausführungsform dem Injektor 14 bereit, um schließlich einen Kraftstoffeinspritzvorgang zu bewirken, bei dem unter Druck stehender Kraftstoff in einen (nicht dargestellten) Brennraum eines Innenverbrennungsmotors eingespritzt wird. Die Vorrichtung und das System 10 der vorliegenden Erfindung steuern wirkungsvoll bzw. effektiv das Kraftstoffeinspritztiming (insbesondere Zeit-dauer und/oder Zeitpunkt), die Kraftstoffmenge bzw. -dosierung, und die Form bzw. den zeitlichen Verlauf der Kraftststoffflußrate, während Abweichungen, die die Einspritzung beeinflussen, wie Herstellungstoleranzen, Umgebungsbedingungen, Verschlechterung und Sensorabweichung, kompensiert werden.
Der Injektor 14 weist einen Injektorkörper auf, der einen Aktuator 16, der die Bewegung eines Nadelventils steuert, um die Kraftstoffmenge zu steuern, eine elektronische Kompensationseinrichtung 18, die einen Prozessor bzw. Treiber 20, der in Verbindung mit dem ECM 12 steht und Steuersignale für den Aktuator 16 bereitstellt, eine Speichereinrichtung 22, und mehrere Sensoren, wie einen Hubsensor 24, einen Temperatursensor 26, und einen Drucksensor 28, enthält bzw. umgibt. Optional können die Sensoren auch sonstwo, außerhalb des Injektorkörpers angeordnet bzw. positioniert sein.
Der Kraftstoffinjektor kann eine beliebige Art von Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem elektronisch gesteuerten Aktuator 16, beispielsweise des elektromagnetischen, magnetostriktiven oder piezoelektrischen Typs, sein, um direkt oder indirekt einige oder alle Aspekte des Kraftstoffeinspritzvorgangs, wie das Zumessen von Kraftstoff, die zeitliche Steuerung und/oder die Kraft stoffflußratenformung, zu beeinflussen oder zu steuern. Der Kraftstoffinjektor 14 kann beispielsweise vom Nadel-gesteuerten Typ sein und ein Ventil aufweisen, das von einem Aktuator gesteuert wird, um den Abfluß von Hochdruckkraftstoff von einer Steuerkammer zu steuern, um ein Öffnen und Schließen eines Injektornadelventilelements zu bewirken und dadurch einen Einspritzvorgang zu bestimmen bzw. zu definieren, wie in der US 5,819,704 und 5,860,597 offenbart, die hiermit als ergänzende Offenbarung in ihre Gesamtheit eingeführt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 stellt die ECM 12 Kraftstoffförderkommandos dem Prozessor/Treiber 20 der elektronischen Kompensationseinrichtung 18 bereit. Beispielhafte Kommandos können das Startkommando für die Einspritzung, ein Einspritzmengenkommando, ein Ratenformkommando und dergleichen sein. Der Prozessor/Treiber 20 des Injektors 14 erhält die Kommandos von der ECM 12 und erzeugt Aktuatorsteuersignale in zumindest teilweiser Abhängigkeit von den Kommandos von der ECM 12. Der Prozessor/Treiber 20 erzeugt die Aktuatorkommandosignale bzw. -steuersignale auch zumindest in teilweiser Abhängigkeit von der Information, die in der Speichervorrichtung 22 enthalten ist.
Die Speichervorrichtung 22 kann verschiedene Informationen, einschließlich Testdaten, wie Steuerkurven, Aktuatorverzögerungen, Ablaufflußeigenschaften, Injektorkappenflußeigenschaften, Steueröffnungsflüsse und dergleichen; und Herstellungsdaten, wie Öffnungsgrößen, Federeinbauhöhen, Federspannungen bzw. -belastungen und dergleichen, enthalten bzw. umfassen. Die Speichervorrichtung 22 kann auch ältere erfaßte bzw. detektierte Daten enthalten, die eine Trend-Information hinsichtlich der Umgebung bereitstellen und von dem Hubsensor 24, dem Kraftstofftemperatursensor 26, dem Kraftstoffdrucksensor 28 und/oder anderen Sensoren, die insbesondere im Injektorkörper angeordnet sind, erfaßt werden. Die Speichervorrichtung 22 kann durch übliche Speichertechnologien, einschließlich magnetischer, optischer ROM-, Steady-State-Flash bzw. Flash-Speicher, Smart-Ship-Technologien oder andere geeignete Technologien realisiert werden. Weiter kann die Information in jeder geeigneten Weise, z. B. in einer Datenbank, Nachschlagetabelle, etc., gespeichert werden.
Der Kraftstoffinjektor 14 ist in der Lage, einen genauen Beginn der Einspritzung, eine genaue Einspritzmenge und eine genaue Ratenform, wie von der ECM 12 befohlen, bereitstellen, indem die Information, die in der Speichereinrichtung 22 enthalten ist, und/oder Signale von den Sensoren 24, 26 und 28 berücksichtigt werden. Der Kraftstoffinjektor 14 ist in der Lage, die Antwort bereitzustellen bzw. den Aktuator 16 anzusteuern, wie gemäß dem von der ECM 12 erhaltenen Kommando gewünscht, unabhängig von Eigenschaften anderer Injektoren, Umgebungsabweichungen, Sensorvariationen und Verschlechterung bzw. Abnutzung, die während des Betriebs auftritt.
Es ist anzumerken, daß die Testdaten jede Art von Informationen hinsichtlich der Kraftstoffförder- bzw. Kraftstoffeinspritzvorrichtung enthalten können, beispielsweise diejenigen Daten, die bei Leistungsbeurteilungstests der spezifischen bzw. jeweiligen Kraftstoffeinspritzvorrichtung erhalten werden. Weiter ist anzumerken, daß die Herstellungsdaten jede beliebige Information hinsichtlich der Konstruktionseigenschaften der spezifischen bzw. jeweiligen Kraftstoffeinspritzvorrichtung enthalten können. Die an der Kraftstoffeinspritzvorrichtung angebrachten oder in diese eingebauten Sensoren brauchen nur in der Lage zu sein, einen Status oder Zustand der Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wie die Position eines Nadelventils bei einem Hubsensor, ob die Kraftstoffzufuhr offen oder geschlossen ist, die Temperatur des Injektors, die Temperatur des Kraftstoffs, einen Zähler, der die aufsummierte Anzahl von Einspritzzyklen bestimmt, einen Timer, der die Betriebszeit bestimmt, einen Sensor, der die Einspritzmenge mißt, oder die Umgebung, in die die Kraftstoffeinspritzvorrichtung Kraftstoff fördert, zu messen. Mit anderen Worten kann jeder beliebige Sensor verwendet werden, um den Status bzw. Zustand der Umgebung oder den Status bzw. Zustand des Injektors zu messen, solange der Sensor der individuellen bzw. jeweiligen Kraftstoffförder- bzw. Kraftstoffeinspritzvorrichtung bzw. dem einzelnen Injektor 14 zugeordnet ist. Es ist anzumerken, daß die oben beschriebenen Einspritzvorrichtungen und -systeme für jede Art von Fluid, also nicht nur für Kraftstoff eingesetzt werden können.

Claims

Kraftstoffinjektor (14), aufweisend: einen Injektorkörper mit angebrachtem oder eingebrachtem Aktuator (16) zur Steuerung des Kraftstoffflusses; sowie eine an dem Injektorkörper angebrachte oder in diesen eingebaute elektronische Kompensationseinrichtung (18) mit einem Prozessor (20), der in Verbindung mit dem Aktuator (16) steht und abhängig von einem von außerhalb des Injektorkörpers befindlichen elektronischen Steuereinheit (12) kommenden Kraftstoffförderkomando ein Aktuatorsignal erzeugt, und einer elektronischen Speichereinrichtung (22), die Informationen enthält, die den Kraftstoffinjektor (14) betreffen, die an dem Kraftstoffeinspritzvorrichtungskörper angebracht oder in diesen eingebaut ist, um dem Aktuator (16) Steuersignale bereitzustellen.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen Testdaten bezüglich der Kraftstoffeinspritzvorrichtung enthalten.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Testdaten Informationen hinsichtlich Steuerkurven, Aktuatorverzögerungen, Ablauffluß, Injektorkappenfluß, Einspritzfluß und/oder Steueröffnungsfluß enthalten.
Kraftstoffinjektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Information Herstellungsdaten enthält.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellungsdaten Informationen hinsichtlich der Öffnungsgrößen, Federeinbauhöhen und/oder Federspannungen bzw. -belastungen enthalten.
Kraftstoffinjektor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffinjektor (14) einen Sensor aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Injektortemperatursensor, ein Kraftstofftemperatursensor, ein Hubsen sor (24), ein Einspritzbeginnsensor, ein Einspritzendesensor, ein Kraftstoffdrucksensor und/oder ein Zähler ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10), aufweisend: eine elektronische Steuereinheit (12; und einen Kraftstoffinjektor (14) nach einem der voranstehenden Ansprüche.