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DE19636088C2 - Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff

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DE19636088C2 DE19636088A DE19636088A DE19636088C2 DE 19636088 C2 DE19636088 C2 DE 19636088C2 DE 19636088 A DE19636088 A DE 19636088A DE 19636088 A DE19636088 A DE 19636088A DE 19636088 C2 DE19636088 C2 DE 19636088C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der direkten Ein­ spritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Speichereinspritzsystem mit zumindest einem Einspritzventil pro Zylinder, des­ sen Düsennadel über ein Steuerventil mit einem hubabhängig ansteuerbaren Ak­ tor hydraulisch betätigt wird, wobei das Steuerventil während eines Arbeitsspie­ les mehrmals mit unterschiedlichem Ventilhub zur Realisierung unterschiedlicher Steuerquerschnitte betätigt wird, wobei der Aktor des Steuerventils so angesteu­ ert wird, dass der Steuerquerschnitt des Steuerventils bei zeitlich hintereinander­ folgenden Ventilstellungen zwischen dem Beginn und dem Ende des Einspritzvor­ ganges stets über einem von der Schließstellung unterschiedlichem Minimalwert bleibt.
Bei Speichereinspritzsystemen (Common Rail Einspritzsysteme) kommen durch­ wegs zwei Systemmöglichkeiten, nämlich mit 2/2-Wege oder 3/2- Wegemagnetventilanordnung zum Einsatz, wie aus Bild 2 des Beitrages "Com­ mon Rail Einspritzsystem für Dieselmotoren - Analyse, Potential, Zukunft", K. EGGER et al., 15. Internationales Wiener Motorensymposium 28. bis 29. April 1994, hervorgeht. Die Wirkungsweise ist dabei derart, dass unabhängig davon ob ein 2/2-Wege oder ein 3/2-Wegemagnetventil geschaltet wird, durch die Druck­ entlastung in einem Steuerraum ein hydraulischer Kolben aus seiner Schließstel­ lung verschoben, und dadurch die Düse geöffnet wird. Während beim 2/2- Wegeventil die Druckentlastung durch eine Ablaufdrossel und eine kleinere Zu­ laufdrossel gesteuert wird, wird beim 3/2-Wegemagnetventil nur der Ablauf über eine Drossel gesteuert. Zur Einspritzverlaufsformung wird bei allen Speicherein­ spritzsystemen durchwegs eine Voreinspritzung bzw. Mehrfacheinspritzung an­ gewandt, wie aus den Bildern 15 und 16 der genannten Veröffentlichung hervor­ geht. Diese funktioniert derart, dass das Magnetventil zweimal öffnet und schließt. Bei einer Dreifach bzw. Vierfach-Einspritzung entsprechend drei bis viermal. Dabei kommt die Hubnadel des Magnetventils zwischen den Teileinsprit­ zungen immer wieder auf seinen Anschlag zu liegen. Das Funktionsprinzip von schnellen und einfach aufgebauten Magnetventilen erlaubt es im allgemeinen nicht, unterschiedliche Hubstellungen der Magnetventilnadel zu definieren und damit unterschiedliche Steuerungsquerschnitte im Magnetventil freizugeben.
Es ist bekannt, für das Steuerventil einen piezo- oder magnetostriktiven Steller (Aktor) zu verwenden, welcher hubabhängig gesteuert werden kann. Eine Ein­ spritzeinrichtung mit einem piezoelektrisch betätigten Steuerventil wird etwa durch die JP 01-277676 A geoffenbart. Ein bekannter Common-Rail-Injektor weist eine Piezo-Ansteuerung mit einem Quarzaktor auf, mit dem unterschiedli­ che Nadelhübe des Steuerventils während der Vor- und der Haupteinspritzung realisiert werden, wobei der Hub des Aktors und damit der Steuerungsquer­ schnitt des Steuerventils für die Voreinspritzung beschränkt wird. Zwischen der Vor- und der Haupteinspritzung wird der Aktor allerdings stets in seine Ruhelage gebracht und damit der Steuerungsquerschnitt des Steuerventils vollständig ge­ schlossen, wodurch in einem Einspritzverlaufsdiagramm die Voreinspritzung stets von der Haupteinspritzung deutlich getrennt ist. Diese Art der Ansteuerung er­ laubt somit nur eine geringe Freiheit in der Definition des Einspritzverlaufes.
Die EP 0 745 764 A2 beschreibt ein Brennstoffeinspritzventil für Verbrennungs­ kraftmaschinen mit einem elektrisch gesteuerten Magnetventil zum Öffnen oder Schließen einer Steuerbohrung. Mit dieser Einrichtung kann eine Vor- und eine Haupteinspritzung erreicht werden, wobei der Aktor des Steuerventils so ange­ steuert wird, dass der Steuerquerschnitt des Steuerventils zwischen den beiden Einspritzungen einen von 0 verschiedenen Wert annimmt. Die Einspritzung er­ folgt in zwei Stufen. Während der Voreinspritzung wird durch einen Stromimpuls vom Aktor ein Pilotventilschaft von der Steuerbohrung angehoben und liegt auf einem Hubanschlag an, welcher durch eine Feder vorgespannt ist. Durch einen zweiten späteren Stromimpuls wird auch der Hubanschlag durch den Pilotventil­ schaft entgegen der Schließfederkraft angehoben. Zwischen Vor- und Hauptein­ spritzung bleibt der Steuerquerschnitt konstant entsprechend der Voreinspritz­ stellung des Pilotventilschaftes geöffnet. Dadurch ergeben sich enge Grenzen in der Einspritzverlaufsformung.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden, und ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung vorzuschlagen, mit welchem mehr Frei­ heiten in der Definition des Einspritzverlaufes, insbesondere eine Einspritzver­ laufsformung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Aktor des Steuerventils so angesteuert wird, dass der Aktor so gesteuert wird, dass der Steuerquerschnitt des Steuerventils zwischen zwei lokalen Maximalwerten jeweils einen lokalen Mi­ nimalwert annimmt.
Zum Unterschied zu bekannten Ansteuerverfahren für Einspritzventile von Spei­ chereinspritzsystemen mit mehreren Einspritzungen pro Arbeitsspiel bleibt das Steuerventil während des gesamten Einspritzvorganges geöffnet und wird nur entsprechend der gewünschten Einspritzverlaufsform zwischen mehreren Öff­ nungsstellungen geschaltet. Der minimale Wert des Steuerquerschnittes, der ei­ nem minimalen Wert des Nadelhubes des Steuerventils entspricht, bestimmt da­ bei wesentlich die Form des Einspritzverlaufes, wobei nicht nur eine Vor- oder Mehrfacheinspritzung sondern jeder beliebige Einspritzratenverlauf dargestellt werden kann.
Die Steuerung des Aktors wird dadurch vereinfacht, dass der Aktor so angesteu­ ert wird, dass die lokalen Maximalwerte der Steuerquerschnitte des Steuerventils dem maximal möglichen Steuerquerschnitt entsprechen. Es wird somit nicht der Hub des Aktors bzw. der Steuerquerschnitt des Steuerventils für die Voreinsprit­ zung beschränkt, sondern derjenige zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öff­ nungsvorgänge.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor während des Einspritzvorganges so gesteuert wird, dass
  • a) der maximale Steuerquerschnitt des Steuerventils freigegeben wird,
  • b) nach einer ersten Haltezeit der Steuerquerschnitt auf einen Minimalwert ver­ ringert wird,
  • c) nach einer zweiten Haltezeit der Steuerquerschnitt auf seinen Maximalwert vergrößert wird,
  • d) nach einer dritten Haltezeit das Steuerventil geschlossen wird.
Zwischen einer Voreinspritzung und einer Einspritzverlaufsformung ist jede mögliche anfängliche Einspritzbeeinflußung realisierbar. Die Größe der Voreinspritzung wird dabei durch die erste Haltezeit beeinflußt. Wird nicht nur eine Vor- und Haupteinspritzung, sondern eine darüberhinausgehende Mehrfacheinspritzung angestrebt, so ist vorgesehen, daß die Ver­ fahrensschritte b) und c) mehrmals, vorzugsweise zwei bis vier mal, mit entsprechenden weiteren Haltezeiten pro Schritt wiederholt werden.
Die besten Ergebnisse können erzielt werden, wenn der Aktor so gesteuert wird, daß der Minimalwert des Steuerquerschnittes zwischen etwa 0 und 80%, vorzugsweise zwischen 20 und 50%, des maximalen Steuerquerschnittes liegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 und 2 bekannte Common-Rail-Injektoren mit piezostriktiven Aktoren, Fig. 3 und 5 Steuerdia­ gramme eines erfindungsgemäß angesteuerten Injektors, und Fig. 4 und 6 die jeweils dazugehörigen Einspritzverlaufskurven.
Fig. 1 und 2 zeigen bekannte Injektoren 1 für Speichereinspritzsysteme bei denen die Hub-Steuerung des in der Rücklaufleitung 2 angeordneten Steuerventiles 3 durch einen pie­ zostriktiv arbeitenden Aktor 4 (Steller) gesteuert wird. In Fig. 1 ist das Steuerventil 3 als 2/2- Wegeventil 3a, in Fig. 2 als 3/2-Wegeventil 3b ausgeführt. Eine Hochdruckleitung 5 des nicht weiter dargestellten Speichereinspritzsystems führt direkt in den die Düsennadel 6 umgeben­ den Düsenraum 7 der Düse 8. Bei jeder der beiden Ausführungen wird in einer Schaltstellung des Steuerventiles 3 wird der Steuerraum 9 eines Steuerkolbens 10 druckentlastet, wodurch der Steuerkolben 10 samt Düsennadel 6 durch den Kraftstoffdruck im Düsenraum 7 aus seiner Schließlage bewegt und die Düse 8 geöffnet wird. Beim 2/2-Wegeventil 3a wird die Druck­ entlastung im Steuerraum 9 durch eine Ablaufdrossel 11 und eine Zulaufdrossel 12 gesteuert, wobei die Ablaufdrossel 11 einen etwas größeren Durchmesser aufweist als die Zulaufdrossel 12. Beim in Fig. 2 gezeigtem 3/2-Wegeventil 3b wird die Ablaufseite über eine Ablaufdrossel 11 gesteuert. Da der Aktor 4 in an sich bekannter Weise piezo- oder magnetostriktiv ausge­ führt ist, kann jede Hubstellung der nicht weiter dargestellten Ventilnadel des Steuerventiles 3 definiert werden.
Fig. 3 zeigt den einen bestimmten Steuerungsquerschnitt S des Steuerventiles 3 defi­ nierenden Ventilhub H, aufgetragen über der Zeit t, während eines gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuerten Einspritzvorganges. In dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm ist die dazugehörige Einspritzmenge Q über der Zeit t aufgetragen. Gemäß der erfindungsgemäßen Steuerung öffnet der Aktor 3 stets auf den maximalen Hub HV bzw. den maximalen Steuerungsquerschnitt SV des 2/2- oder 3/2-Wegeventils 3a, 3b in Richtung Rücklauf. Nach einer bestimmten Haltezeit t1 schließt der Aktor 4 auf einen Wert B, welcher eine zweite Haltezeit t2 lang gehalten wird. Danach wird der Hub H des Steuerventiles 3 wieder auf den vollen Wert HV beziehungsweise den vollen Steuerungsquerschnitt SV geöffnet. Nach einer dritten Haltezeit t3 wird die Rücklaufleitung 2 vollständig geschlossen und der Einspritzvorgang beendet.
Die Kurven a, b, c, d, e, f und g zeigen Kennlinien für verschiedene minimale Hubhö­ hen B des Steuerventiles 3. In Fig. 4 sind die dazugehörigen Einspritzmengen Q zu entnehmen. Wie daraus ersichtlich ist, kann der Einspritzmengenverlauf beliebig zwischen einer konventionellen Vor- und Haupteinspritzung, Linien a, b, und einer ausgeprägten Ein­ spritzverlaufsformung, Linien f und g beliebig variiert werden.
Fig. 5 und 6 zeigen analoge Diagramme, bei denen der Einfluß der Haltezeit t1 auf die Einspritzmenge der bei der Voreinspritzung hervorgeht. Die Kurven h, i, j, k, l, m und n zei­ gen Ventilhübe H bzw. Einspritzmengen Q bei verschieden langen ersten Haltezeiten t1.
In den Fig. 3 bis 6 ist jeweils eine konstante zweite Haltezeit t2 und eine konstante dritte Haltezeit t3 angenommen. Durch Variation der zweiten Haltezeit t2 kann weiters der Spritzabstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung variiert werden. Die dritte Haltezeit t3 definiert die Einspritzmenge Q während der Haupteinspritzung. Der minimale Ventilhub B liegt vorteilhafter Weise in einem Bereich zwischen 0 und 80% des maximalen Hubes des Steuerventiles 3 und bestimmt den Übergang von der Voreinspritzung zur eingesattelten Ein­ spritzung bzw. zur anfänglichen Einspritzratenverringerung.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch mit konventionellen Mehrfacheinspritzungen kombinierbar. So ist es beispielsweise möglich, daß vor einem erfin­ dungsgemäß geformten Einspritzverlauf eine zeitlich getrennte Voreinspritzung durch ein kurzes Öffnen und Schließen des Steuerventiles durchgeführt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung der direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Speichereinspritzsystem mit zumindest einem Einspritzventil (1) pro Zylinder, dessen Düsennadel (6) über ein Steuerventil (3) mit einem hubabhängig ansteuerbaren Aktor (4) hydraulisch betätigt wird, wobei das Steuerventil (3) während eines Arbeitsspieles mehrmals mit unterschiedlichem Ventilhub (H) zur Realisie­ rung unterschiedlicher Steuerquerschnitte (S) betätigt wird, wobei der Ak­ tor (4) des Steuerventils so angesteuert wird, dass der Steuerquerschnitt (S) des Steuerventils (3) bei zeitlich hintereinanderfolgenden Ventilstel­ lungen zwischen dem Beginn und dem Ende des Einspritzvorganges stets über einem von der Schließstellung unterschiedlichem Minimalwert (B) bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) so gesteuert wird, dass der Steuerquerschnitt (S) des Steuerventils (3) zwischen zwei lokalen Maximalwerten jeweils einen lokalen Minimalwert (B) annimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) so angesteuert wird, dass die lokalen Maximalwerte der Steuerquer­ schnitte (S) des Steuerventils (3) dem maximal möglichen Steuerquer­ schnitt (SV) entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) während des Einspritzvorganges so gesteuert wird, dass
  • a) der maximale Steuerquerschnitt (SV) des Steuerventils (3) frei­ gegeben wird,
  • b) nach einer ersten Haltezeit (t1) der Steuerquerschnitt (S) auf ei­ nen Minimalwert (B) verringert wird,
  • c) nach einer zweiten Haltezeit (t2) der Steuerquerschnitt (S) auf seinen Maximalwert (SV) vergrößert wird,
  • d) nach einer dritten Haltezeit (t3) das Steuerventil (3) geschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfah­ rensschritte b) und c) mehrmals, vorzugsweise zwei bis vier mal mit weite­ ren ersten und zweiten Haltezeiten (t1n, t2n) pro Schritt wiederholt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) so gesteuert wird, dass der Minimalwert (B) des Steu­ erquerschnittes (S) zwischen 0 und 80%, vorzugsweise zwischen 20 und 50%, des maximalen Steuerquerschnittes (SV) liegt.
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