DE19702268A1 - Einspritzverlaufformung für MV-Einspritzsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelge­ häuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumin­ dest ein einen Kolben tragendes Pleuel angelenkt ist, wobei der Kol­ ben in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bil­ dung eines Arbeitsraumes, dem über ein Einspritzsystem Kraftstoff zuführbar ist, bewegbar ist, wobei das Einspritzsystem eine von ei­ nem Einspritznocken einer Nockenwelle über ein Rollenstößel betä­ tigte Förderpumpe aufweist, die über eine Einspritzleitung mit einem Einspritzventil verbunden ist, und wobei im Hochdruckbereich der Förderpumpe ein Ventil eingesetzt ist, mit dem der Förderbeginn und das Förderende steuerbar ist und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der MTZ 57 (1996) 2 Sei­ ten 74 bis 84 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist ein Hoch­ druckeinspritzsystem auf, bei dem einzelne als Steckpumpen aus­ gebildete Förderpumpen je Zylinder vorhanden sind, die von einem jeweils zugeordneten Nocken einer Nockenwelle angetrieben werden. Gesteuert wird der Förderbeginn, die Fördermenge und das För­ derende der Förderpumpe durch ein Magnetventil, das im Hochdruck­ bereich der Förderpumpe eingeschaltet ist. Dabei wird dieses Magnetventil von einer Motorelektronik, die wesentliche erfaßte und zu berücksichtigende Motorparameter verarbeitet, gesteuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der das Einspritzsystem verbessert ist, insbeson­ dere gegenüber dem Stand der Technik hinausgehende Beeinflus­ sungsmöglichkeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Einspritznocken in Bezug zu der Kurbelwelle verstellbar ist. Durch diese Möglichkeit kann zu­ sätzlich zu der bisher möglichen Steuerung von Förderbeginn, För­ dermenge und Förderende die Fördergeschwindigkeit gesteuert wer­ den. Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten der Beeinflussung der Förderung und dadurch des Einspritzverlaufes des Kraftstoffes in den Arbeitsraum der Brennkraftmaschine. Die Fördergeschwindigkeit ist dadurch einstellbar, daß der Einspritznocken unterschiedliche Krümmungsbereiche aufweist bzw. aufweisen kann und diese nun­ mehr ganz bewußt bei feststehendem Förderbeginn und Förderende beispielsweise durch Verdrehen des Einspritznockens in Bezug zu der Kurbelwelle und somit auch in Bezug zu dem Rollenstößel einge­ setzt werden können. Dabei ist es so, daß in einer ersten Variante die Einspritznocken konventionell ausgestaltet sind und die vorhandenen unterschiedlichen Bereiche ausgenutzt werden. In weiterer Ausgestal­ tung ist es aber auch vorgesehen, den Verlauf des Nockens neu fest­ zulegen, wobei die Neufestlegung so gestaltet ist, daß die Wünsche nach unterschiedlichen Fördergeschwindigkeiten weitestgehend rea­ lisierbar sind. Daneben ist es auch denkbar den Einspitznocken seit­ lich auf der Nockenwelle zu verschieben und diesen seitlichen Be­ reich entsprechend anders auszubilden. Zusammenfassend eröffnen sich durch diese zusätzliche Möglichkeit der Beeinflussung der För­ dergeschwindigkeit neue Möglichkeiten der Beeinflussung des Ein­ spritzverlaufs, die bisher nur mit wesentlich komplizierteren Common- Rail-Systemen realisierbar waren.

In Weiterbildung der Erfindung trägt die Nockenwelle Gaswechsel­ nocken und zumindest einen Einspritznocken und der Einspritznocken ist unabhängig von den Gaswechselnocken verstellbar. Diese Ausbil­ dung ist ausgelegt für Brennkraftmaschinen, bei der durch eine ge­ meinsame Nockenwelle die Gaswechselventile der Brennkraftma­ schine und das Einspritzsystem betätigt werden. Hier ist vorgesehen, die Steuerzeiten der Gaswechselventile vollkommen unbeeinflußt von der Möglichheit der Verstellung der Einspritznocken zu belassen. Selbstverständlich kann es aber im Rahmen der Erfindung auch vor­ gesehen sein, die Einspritznocken fest auf der Nockenwelle zusam­ men mit den Gaswechselnocken anzuordnen und die Nockenwelle insgesamt zu verdrehen. Dabei ist dann allerdings nur eine Verdre­ hung soweit möglich, solange die Steuerzeiten der Gaswechselventile nicht nachteilig beeinflußt werden. Im übrigen ist es vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine eine separate Nockenwelle zur Betätigung der Förderpumpen aufweist. In diesem Falle kann dann die gesamte Nockenwelle gegenüber ihrem Antrieb in gewünschter Art und Weise verdreht werden. Hierzu eignen sich dann prinzipiell schon auf dem Markt befindliche Verstelleinrichtungen, die bisher bei konventionel­ len Systemen als drehzahlabhängige Förderbeginnversteller einge­ setzt werden. Diese Verstelleinrichtungen, die beispielsweise hydrau­ lisch, mechanisch oder elektrisch arbeiten, können elektrisch oder elektronisch angesteuert werden und stellen damit keinen großen Mehraufwand für derartig ausgerüstete Brennkraftmaschinen dar.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Fördernocken in Bezug zu der Kurbelwelle in der Form verstellbar, daß bei unveränderter Steuerung des Ventils zur Festlegung des Förderbeginns und des Förderendes der Einspritznocken in Bezug zu dem Rollenstößel von einem steilen Flankenbereich zu einem Übergangsbereich zwischen Grundkreis und Flankenbereich verdrehbar ist. Diese Verstellmöglichkeit ist von den eingangs dargestellten Verstellmöglichkeiten die bevorzugte, da hier­ bei die Nockenwelle bzw. der Einspritznocken ohne Änderung in der vorhandenen Ausbildung verwendet werden kann. Denn genau in die­ sem Übergangsbereich ändert sich die Kontur des Einspritznockens ganz erheblich, so daß dadurch bedingt die Beschleunigung des rol­ lenden Rollenstößels und davon abgeleitet die Geschwindigkeit des Rollenstößels und damit schließlich auch die Fördergeschwindigkeit in einem weiten Bereich beeinflußbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Verdrehung kontinuierlich oder auch in anderer Ausgestaltung als Zwei-Punkt-Verstellung. Bei der Zwei-Punkt-Verstellung ist es so, daß "zwei verschiedene Ein­ spritzverlaufprogramme" eingestellt werden können. Diese Variante stellt eine einfach und preiswert umzusetzende Lösung dar, wobei aber die kontinuierliche Verstellung erst die volle Ausschöpfung der Möglichkeiten erlaubt, die durch die Erfindung möglich sind. Denn durch die kontinuierliche Verdrehung läßt sich insbesondere zu Beginn der Kraftstofförderung nahezu jede Fördergeschwindigkeit einstellen. Dadurch ist gemäß einer weiteren Verfahrensausbildung gerade in diesem Bereich auch der Förderdruck beeinflußbar, da beispielsweise bei geringer Fördergeschwindigkeit ein langsamer Förderdruckaufbau erfolgt.

Hierbei kann in Weiterbildung der Erfindung der Förderbeginn durch Verstellung des Einspritznockens so verstellt werden, daß der För­ derdruck so langsam ansteigt, daß die Einspritzventilnadel nach einer anfänglichen Öffnung in einer Teilöffnungsstellung verharrt oder sogar wieder schließt. Dadurch kann durch die erfindungsgemäße Ausge­ staltung in einfacher Art und Weise quasi eine Voreinspritzung mit den sich hieraus ergebenden Vorteilen insbesondere bezüglich der Abgasemission und der Geräuschemission (Akustik) eingestellt wer­ den. Eine derartige Voreinspritzung ist mit herkömmlichen Mitteln nur mit einem Common-Rail-System oder einer speziellen Nockenwelle mit zwei hintereinander angeordneten Nocken erreichbar. Selbstver­ ständlich kann die Einstellung auch so erfolgen, daß eine kraftstoff­ verbrauchsoptimierte Einstellung möglich ist. Hierbei ist es vorgese­ hen, daß entsprechende Verstellprogramme in einem Rechenspeicher abgelegt sind, die nach Bedarf aufgerufen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Zeichnungsbeschrei­ bung zu entnehmen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nä­ her beschrieben ist.

Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung eines derartigen Einspritzsystems,

Fig. 2 in Diagrammform zwei verschiedene Nadelhubsignalver­ läufe, die mit dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem verwirklicht werden können und

Fig. 3 ein ähnliches Diagramm, wobei ein weiterer Nadelhub­ signalverlauf realisiert ist.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein einzelnes erfindungs­ gemäß ausgebildetes Einspritzsystem 1 beispielsweise für eine vier-, sechs- oder achtzylindrige Brennkraftmaschine in Reihen- oder V-Bauart. Dieses Einspritzsystem 1 weist einen Plunger 2 auf, der in ei­ ner Plungerbüchse 3 dichtend geführt ist und mit dieser zusammen einen Förderraum 4 bildet. Der Plunger 2 wird über einen Rollen­ stößel 5 von einem Einspritznocken 6 entgegen der Kraft einer Druckfeder 7 axial bewegt. Zunächst wird Kraftstoff beim vorherge­ henden Saughub von einer Zulaufbohrung 8 über eine Zulauföffnung 9, die wiederum bei entsprechender Stellung des als Magnetventil ausgebildeten Ventils 10 mit einer Förderraumleitung 11 verbindbar ist, in den Förderraum 4 gesaugt. Dabei ist ein von dem Ventil 10 betätigter Ventilschieber 12 so gestellt, daß eine ringförmige Eindre­ hung 13 in dem Ventilschieber 12 einen Zulaufringraum 14, in den die Zulauföffnung 9 einmündet, mit einem Förderringraum 15, der mit der Förderraumleitung 11 verbunden ist, verbindet.

Wird der Ventilschieber 12 von dem Ventil 10 nach rechts bewegt, wird der Zulaufringraum 14 von dem Förderringraum 15 dicht abge­ trennt und bei einem Förderhub des Plungers 2 wird Kraftstoff von dem Förderraum 4 über die Förderraumleitung 11, dem Förder­ ringraum 15 in eine Hochdruckleitung 16 und weiter über eine Ein­ spritzleitung 17 in ein Einspritzventil 18 gefördert. Beendet wird die Förderung wieder durch ein Zurückbewegen des Ventilschiebers 12 nach links, so daß der Förderringraum 15 wieder mit dem Zu­ laufringraum 14 verbunden ist, wobei an diesen noch eine weitere nicht dargestellte Kraftstoffabführleitung angeschlossen sein kann.

Bei einer konventionellen Einstellung des Einspritzsystems 1 wird der Förderbeginn und das Förderende so gelegt, daß der Rollenstößel 5 dann in einem steilen Flankenbereich 20 des Einspritznockens 6 ab­ rollt. In diesem Flankenbereich kann die Geschwindigkeit des abrol­ lenden Rollenstößels 5 konstant beziehungsweise seine Beschleuni­ gung null sein. Damit ist aber zwangsläufig auch die in diesem Be­ reich geförderte Kraftstoffmenge zeitbezogen konstant. Dies ist bei­ spielsweise an dem Nadelhubsignal der Ventilnadel des Einspritz­ ventils 18 erkennbar, aus dem Rückschlüsse über den Einspritzver­ lauf und damit den Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine gezogen werden können.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung ist es nun möglich, den Einspritznocken 6 bzw. die gesamte Nockenwelle 19, die den Einspritznocken 6 trägt, so in Bezug zu der Kurbelwelle zu verdrehen, daß bei unverändertem Förderbeginn (und Förderende) die Förderung in einen Übergangsbereich 21 zwischen Grundkreis 22 und Flankenbereich 20 gelegt wird. Zu Beginn dieses Übergangsbe­ reiches 21 ist die Geschwindigkeit des Rollenstößels 5 in Richtung einer Verschiebung des Plungers 2 gering oder anfangs sogar Null, da der Rollenstößel 5 noch auf dem Grundkreis 22 der Nockenwelle 19 abrollt. Sobald aber der Rollenstößel 5 in den Bereich der Flanke gelangt, wird der Rollenstößel 5 beschleunigt und die Geschwindig­ keit nimmt nach der Ausgestaltung des Übergangsbereichs 21 bis zu dem Flankenbereich 20 zu. Hierbei ist es in der Praxis so, das die einzelnen Bereiche nicht so deutlich, wie in Fig. 1 dargestellt, von­ einander getrennt werden können.

Durch die entsprechende Ausgestaltung und Verdrehung des Ein­ spritznockens lassen sich die in den Fig. 2 und 3 beispielsweise dargestellten Nadelhubsignalverläufe 1a, 1b und 1c erreichen. Der Na­ delhubsignalverlauf 1a zeichnet sich dadurch aus, daß die Einsprit­ zung ca. 4° nach OT beginnt - mit der Gradbezeichnung Null ist der OT bezeichnet - und die Ventilnadel zunächst bis auf ein geringes Maß öffnet. Auf diesem geringen Wert verharrt die Ventilnadel ent­ sprechend dem Nadelhubsignal über einige Grad Nockenwelle um dann allmählich auf den Endwert anzusteigen. Dabei ist es so, daß dieser Anfangswert durch die Wahl des Förderbeginns in dem Über­ gangsbereich 21 zwischen Grundkreis 22 und Flankenbereich 20 bestimmt wird. Wie in dem punktierten Verlauf 1b dargestellt ist, kann dieser Übergangsbereich 21 auch so gewählt sein, daß die Ventilna­ del entsprechend dem Nadelhubsignal nach einem kurzen Öffnungs­ hub wieder vollständig schließt, um dann erst voll bis zu dem Endwert zu öffnen. Dieser Signalverlauf kennzeichnet eine Voreinspritzung, die normalerweise nur mit technisch komplizierteren Systemen reali­ sierbar ist, wobei aber gerade bei einer optimal gewählten Vorein­ spritzung sehr günstige Werte bezüglich der Abgasemissionen und der Geräuschemission erreichbar sind. In der weiterhin in Fig. 2 dargestellten Kurve 11a ist der Brennraumdruckverlauf in dem Zylinder der Brennkraftmaschine zugehörig zu dem Nadelhubverlauf 1a darge­ stellt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein Nadelhubsignal 1c dargestellt, das durch entsprechende Ausgestaltung des Übergangs­ bereichs 21 langsam ansteigt und ruckfrei in den Endwert ausläuft.

Dazu ist dann entsprechend der Brennraumdruckverlauf 11c darge­ stellt.

Im übrigen ist es im Rahmen der Erfindung weiterhin vorgesehen, den Einspritznocken 6 während des Fördervorgangs zu verdrehen. Da­ durch lassen sich weitere besondere Effekte bezüglich der Förderge­ schwindigkeit erzielen. So ist es beispielsweise bei einem Anhalten des Nockens nach einer kleinen Voreinspritzmenge möglich, den Zeit­ raum zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung in ge­ wissen Grenzen zu beeinflussen. Durch eine zusätzliche Verdrehung in Richtung der Drehbewegung der Nockenwelle 19 kann umgekehrt eine zusätzliche Beschleunigung und damit Geschwindigkeitszu­ nahme der Fördergeschwindigkeit erreicht werden.

Claims (9)

1. Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kur­ belwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein einen Kolben tra­ gendes Pleuel angelenkt ist, wobei der Kolben in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Arbeitsrau­ mes, dem über ein Einspritzsystem Kraftstoff zuführbar ist, bewegbar ist, wobei das Einspritzsystem eine von einem Einspritznocken einer Nockenwelle über ein Rollenstößel betätigte Förderpumpe aufweist, die über eine Einspritzleitung mit einem Einspritzventil verbunden ist, und wobei im Hochdruckbereich der Förderpumpe ein Ventil einge­ setzt ist, mit dem der Förderbeginn und das Förderende steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritznocken (6) in Bezug zu der Kurbelwelle verstellbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwelle (19) Gaswechsel­ nocken und zumindest einen Einspritznocken (6) in Bezug zu der Kur­ belwelle trägt und daß der Einspritznocken (6) unabhängig von den Gaswechselnocken verstellbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritznocken (6) in der Form verstellbar ist, daß bei unveränderter Steuerung des Ventils (10) zur Festlegung des Förderbeginns und des Förderendes der Einspritz­ nocken (6) in Bezug zu dem Rollenstößel (5) von einem steilen Flan­ kenbereich (20) zu einem Übergangsbereich (21) zwischen Grund­ kreis (22) und Flankenbereich (20) verdrehbar ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung kontinuierlich erfolgt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung als Zwei-Punkt-Ver­ stellung erfolgt.

6. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein einen Kolben tragendes Pleuel angelenkt ist, wobei der Kolben in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Arbeitsraumes, dem über ein Einspritzsystem Kraftstoff zuführbar ist, bewegbar ist, wobei das Einspritzsystem eine von ei­ nem Einspritznocken einer Nockenwelle über ein Rollenstößel betä­ tigte Förderpumpe aufweist, die über eine Einspritzleitung mit einem Einspritzventil verbunden ist, und wobei im Hochdruckbereich der Förderpumpe ein Ventil eingesetzt ist, mit dem der Förderbeginn und das Förderende steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Steuerung des Förderbe­ ginns und des Förderendes über das Ventil (10) durch eine Verdre­ hung des Einspritznockens (6) in Bezug zu der Kurbelwelle die För­ dergeschwindigkeit der Förderpumpe steuerbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn durch Verstellung des Einspritznockens (6) so in einen Übergangsbereich (21) zwischen Grundkreis (22) und Flankenbereich (20) verstellbar ist, daß der För­ derdruck der Förderpumpe beeinflußbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn durch Verstellung des Einspritznockens (6) so in einen Übergangsbereich (21) zwischen Grundkreis (22) und Flankenbereich (20) verstellt wird, daß der För­ derdruck so langsam ansteigt, daß die Einspritzventilnadel nach einer anfänglichen Öffnung in einer Teilöffnungsstellung verharrt oder wie­ der schließt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung abgasemissionsopti­ miert und/oder geräuschoptimiert und/oder kraftstoffverbrauchsopti­ miert erfolgt.