DE10145862A1

DE10145862A1 - Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff sowie Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10145862A1
Application number: DE2001145862
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes; Sebastian Kanne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-04-03
Also published as: WO2003027491A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten. Dabei wird eine Zwischenstellung eines Steuerventils (12) derart eingesetzt, dass gezielt Druckwellen erzeugt werden, um eine Formung eines Einspritzdruckverlaufs beim Einspritzen von Kraftstoff in einem Speichereinspritzsystem zu ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff insbesondere bei Speichereinspritzsystemen sowie ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten.
Aus der Praxis sind Kraftstoff-Speichereinspritzsysteme bekannt, bei denen eine Düsennadel über ein Steuerventil gesteuert wird. Hierbei ist neben dem Steuerraum, in welchen die rückwärtige Seite einer Düsennadel ragt, noch ein zusätzlicher Steuerventilraum vorgesehen, welcher mit dem Steuerraum über eine so genannte Ablaufdrossel verbunden ist. Der Steuerventilraum ist weiterhin über einen Bypass mit dem Hochdruckbereich des Ventils verbunden. Weiterhin ist der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckbereich des Ventils verbunden. Diese bekannte Ausgestaltung mit der Anordnung eines Bypasses dient dazu, ein schnelles Schließen der Düsennadel zu ermöglichen, da beim Schließen des Steuerventils der Steuerraum sowohl über die Zulaufdrossel als auch über den Bypass, den Steuerventilraum und die Ablaufdrossel befüllt werden kann. Dabei kehrt sich die Förderrichtung in der Ablaufdrossel um. Dadurch kann mit der bekannten Bypassanordnung ein exaktes und schnelles Schließen der Düsennadel und somit genaue Einspritzzeiten bzw. Einspritzmengen eingehalten werden.
Um den Kraftstoffverbrauch bzw. die Abgasemission weiter zu verringern, wäre es jedoch wünschenswert, eine noch genauere Formung des Einspritzdruckverlaufs zu ermöglichen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass es eine sehr genaue Beeinflussung bzw. Formung des Einspritzdruckverlaufes eines Injektors ermöglicht. Hierbei kann der Einspritzdruckverlauf entsprechend den jeweiligen Anforderungen des Motors besonders flexibel geformt werden. Erfindungsgemäß wird dabei eine Zwischenstellung eines Steuerventils des Injektors verwendet, bei der noch keine Einspritzung durch den Injektor erfolgt. D. h. in der Zwischenstellung ist eine Düsennadel des Injektors geschlossen und das Steuerventil ist nur teilweise geöffnet. In dieser Zwischenstellung wird eine Verdünnungswelle induziert, welche zur Formung des Einspritzdruckverlaufs des Injektors verwendet wird. In der Zwischenstellung des Steuerventils fließt ein geringer Kraftstoffstrom in einen Niederdruckbereich ab, ohne dass die Düsennadel geöffnet wird. Dieser Kraftstoffabfluss erzeugt einen Druckeinbruch im Hochdruckbereich des Injektors, so dass eine Verdünnungswelle induziert wird, welche sich über die Leitungen zum Speicher des Speichereinspritzsystems bewegt. Z. B. am Speicher kann diese Verdünnungswelle als Verdichtungswelle reflektiert werden und erzeugt so eine Drucküberhöhung im Injektor. Erfindungsgemäß kann somit durch die Erzeugung der Verdünnungswelle sowie der reflektierten Verdichtungswelle ein gewünschter Einspritzdruckverlauf geformt werden, indem der Injektor dann zu dem jeweils gewünschten Zeitpunkt geöffnet wird, an dem er gewünschte Druck im Hochdruckbereich des Injektors vorliegt.
Erfindungsgemäß ist es dabei möglich, sowohl Drucküberhöhungen als auch Druckabsenkungen zu erzeugen. Die Höhe der Druckänderung hängt dabei insbesondere vom Grad der Öffnung des Steuerventils in der Zwischenstellung ab.
Vorzugsweise wird die durch Einnahme der Zwischenstellung des Steuerventils erzeugte Welle derart erzeugt, dass die durch die reflektierte Welle erzeugte Druckerhöhung zum Einspritzbeginn des Injektors an dessen Düsennadel anliegt. Dadurch wird eine Drucküberhöhung zum Spritzbeginn des Injektors erreicht, so dass ein Druckverlauf in Form einer abfallenden Rampe erzeugt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die durch die reflektierte Welle erzeugte Druckerhöhung zum Einspritzende des Injektors an der Düsennadel erzeugt. Dadurch ergibt sich eine Druckerhöhung zum Spritzende, was zu einem ansteigenden rampenförmigen Druckverlauf während der Einspritzung führt.
Vorzugsweise wird die mit Hilfe der Zwischenstellung des Steuerventils induzierte Verdünnungswelle an einem Speicher als Verdichtungswelle reflektiert und erzeugt am Injektor eine Druckerhöhung. Die Länge der Drucküberhöhung wird dabei durch die Dauer definiert, während der die Zwischenstellung des Steuerventils beibehalten wird. Erfindungsgemäß können dabei durch die definiert schaltbare Zwischenstellung praktisch beliebig lange Drucküberhöhungen/-absenkungen erzielt werden, welche an beliebigen Positionen im Einspritzdruckverlauf eingesetzt werden können. Die maximale Länge der Drucküberhöhung wird jedoch auch durch die Laufzeit der Druckwelle vom Injektor zum Speicher und zurück, d. h. von der Leitungslänge, bestimmt. Weiterhin ist die Höhe des Druckeinbruchs bei einer Zwischenstellung des Steuerventils auch vom Leitungsdurchmesser abhängig. Ein kleinerer Leitungsdurchmesser erzeugt einen größeren Druckeinbruch und damit auch eine größere Druckerhöhung. Dabei muss das Verhältnis von Leitungsdurchmesser zum Ventilquerschnitt in der Zwischenstellung derart gewählt werden, dass ein optimaler Systemwirkungsgrad erreicht wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bleibt der Injektor bei Ankunft der als Verdichtungswelle reflektierten Verdünnungswelle weiter geschlossen, so dass die Verdichtungswelle am Injektor als Drucküberhöhung reflektiert wird und zurück zum Speicher wandert. Dort wird die Drucküberhöhung dann als Verdünnungswelle reflektiert. Wenn diese Verdünnungswelle wieder den Injektor erreicht, kann man gezielt bei niedrigerem Druck als dem ursprünglichen Speicherdruck einspritzen. Dadurch kann beispielsweise ein derart geringer Druck eingestellt werden, dass mit einer minimalen Voreinspritzmenge eingespritzt werden kann.
Besonders bevorzugt werden die erzeugten Wellen mehrfach reflektiert. Dadurch kann der Druck der Verdünnungswelle durch mehrfache Reflexion und ein mehrfaches Ansteuern der Zwischenstellung praktisch beliebig abgesenkt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird durch die Zwischenstellung des Steuerventils eine derartige Verdünnungswelle induziert, welche eine Amplitude aufweist, die halb so groß ist wie eine Amplitude einer durch das Öffnen des Injektors erzeugten Verdünnungswelle. Wenn die durch die Zwischenstellung erzeugte Verdünnungswelle, welche am Speicher als Verdichtungswelle reflektiert wird, den Injektor genau zu dem Zeitpunkt erreicht, in dem das Steuerventil öffnet und die Düsennadel abhebt, kann die durch Öffnen der Düsennadel erzeugte Verdünnungswelle durch die reflektierte Verdichtungswelle ausgelöscht werden. Dadurch herrscht zum Zeitpunkt der Einspritzung im gesamten Einspritzsystem ein praktisch schwingungsfreier Speicherdruck. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, für beliebig kurze oder lange Ansteuerdauern den Einspritzdruck konstant auf dem Speicherdruckniveau zu halten.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, beim Schließen der Düsennadel das Steuerventil wieder in der Zwischenstellung zu halten, so dass die durch das Schließen erzeugten Druckspitzen im System durch Erzeugen der Verdünnungswelle in der Zwischenstellung reduziert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt bei piezogesteuerten Common-Rail-Systemen eingesetzt, da diese sehr kurze und genaue Schaltzeiten durch den Piezoaktor ermöglichen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bereitgestellt, welches ein Steuerventil umfasst, das drei Stellungen, nämlich eine Schließstellung, eine Offenstellung und eine Zwischenstellung, einnehmen kann. In der Schließstellung ist sowohl das Steuerventil als auch das Einspritzventil geschlossen. In der Offenstellung sind sowohl das Steuerventil als auch das Einspritzventil geöffnet. In der Zwischenstellung ist jedoch das Einspritzventil geschlossen und das Steuerventil teilweise geöffnet, so dass Kraftstoff durch das Steuerventil in einen Niederdruckbereich abströmen kann. Dabei ist der Ventilquerschnitt des Steuerventils in der Zwischenstellung derart gewählt, dass beim Einnehmen der Zwischenstellung eine Verdünnungswelle induziert wird, welche zur Formung des Einspritzdruckverlaufs verwendet wird.
Besonders bevorzugt ist der Ventilquerschnitt des Steuerventils in der Zwischenstellung derart gewählt, dass die folgende Gleichung erfüllt ist:

wobei A_Ventil der Ventilquerschnitt des Steuerventils in der Zwischenstellung ist, Δp die gewünschte Druckerhöhung ist, p der Druck des Hochdruckbereichs des Ventils ist, a die Schallgeschwindigkeit ist, ρ die Dichte des Kraftstoffs ist und A_Leitung der Querschnitt der Verbindungsleitung zwischen dem Ventil und dem Speicher des Speichereinspritzsystems ist.
Somit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Ventil der Einspritzverlauf bei Speichereinspritzsystemen gezielt gesteuert werden, wobei eine Zwischenstellung eines Steuerventils ausgenutzt wird, um eine gezielte Druckänderung zu ermöglichen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils im geschlossenen Zustand;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Ventils im geöffneten Zustand und
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Ventils in einer Zwischenstellung des Steuerventils.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, umfasst das Ventil 1 eine Düsennadel 2, welche eine Einspritzdüse 16 öffnet bzw. verschließt. Die Düsennadel 2 ist in bekannter Weise in einem Hochdruckbereich 5 des Ventils angeordnet und wird über eine Rückstellfeder 3 und einen Federteller 4 vorgespannt, so dass sie in der Ruheposition die Einspritzdüse 16 verschlossen hält.
Das der Einspritzdüse 16 gegenüberliegende Ende der Düsennadel 2 steht mit einem Steuerraum 7 in Verbindung, welcher mit dem Hochdruckbereich 5 über eine Zulaufdrossel 8 verbunden ist. Der Steuerraum 7 ist über eine Ablaufdrossel 9 mit einem Steuerventilraum 11 verbunden, welcher durch ein Steuerventil 12 mit einem Niederdruckbereich 15 verbindbar ist. Das Steuerventil 12 umfasst ein Steuerventilglied 13, welches den Durchlass zum Niederdruckbereich 15 an einem Sitz 14 freigeben bzw. verschließen kann.
Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist zwischen dem Hochdruckbereich 5 und dem Steuerventilraum 11 ein Bypass 10 vorhanden, welcher die beiden Bereiche miteinander verbindet. Weiterhin steht der Hochdruckbereich 5 über eine Leitung 6 mit einem Rail (Speicher) des Speichereinspritzsystems in Verbindung. Das Steuerventil 12 wird in bekannter Weise von einem nicht dargestellten Aktor, wie beispielsweise einem Piezoaktor, gesteuert.
Wie in Fig. 1 dargestellt, herrscht in allen Bereichen des Ventils 1, d. h. dem Hochdruckbereich 5, dem Steuerraum 7 und dem Steuerventilraum 11 der gleiche Druck, nämlich der Raildruck p₁, da sowohl die Düsennadel 2 als auch das Steuerventilglied 13 in ihren Schließpositionen sind.
In Fig. 2 ist der Einspritzzustand des Ventils 1 dargestellt. Dabei ist das Steuerventil 12 vollständig geöffnet, so dass der Steuerventilraum 11 mit dem Niederdruckbereich 15 verbunden ist. Dadurch ist auch der Druck p₂ im Steuerraum 7 geringer als der Raildruck p₁, so dass sich die Düsennadel 2 in Pfeilrichtung A nach oben bewegt und die Einspritzdüse 16 freigibt. Dadurch erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff in einen nicht dargestellten Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors. Im Steuerventilraum 11 herrscht dabei ein Druck p₃, welcher kleiner als der Druck p₂ im Steuerraum 7 ist. Um zusätzliche Leckageverluste über die Bypassleitung 10 zu verhindern, ist das Steuerventil derart ausgebildet, dass es in seinem vollständig geöffneten Zustand den Bypass 10 verschließt.
In Fig. 3 ist die Zwischenstellung des Steuerventils 12 gezeigt, welche zur Formung des Einspritzdruckverlaufs verwendet wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist in dieser Zwischenstellung des Steuerventils 12 das Steuerventil 12 teilweise geöffnet, so dass eine gewisse Menge von Kraftstoff in den Niederdruckbereich 15 abströmen kann. Dadurch sinkt auch der Druck im Steuerraum 7 auf einen Druck p₄, welcher jedoch größer ist als der Druck p₂, der zum Öffnen der Düsennadel 2 führt (Fig. 2). Bei diesem Druck p₄ im Steuerraum 7 wird jedoch verhindert, dass die Düsennadel 2von ihrem Sitz abhebt. Dadurch erfolgt in der Zwischenstellung des Steuerventils 12 keine Einspritzung von Kraftstoff. Da jedoch in der Zwischenposition des Steuerventils 12 ein Druckabfall im Steuerventilraum 11 und im Steuerraum 7 erzeugt wird, wird durch dieses Teilöffnen des Steuerventils 12 eine Verdünnungswelle induziert, welche sich über die Leitung 6 zum Rail bewegt. Am Rail wird diese Verdünnungswelle als Verdichtungswelle reflektiert und erzeugt somit am Injektor eine Drucküberhöhung, welche zur Formung des Einspritzdruckverlaufs verwendet werden kann.
Dadurch ist es möglich, den Druckverlauf bei Speichereinspritzsystemen sehr flexibel zu formen. Insbesondere kann diese Zwischenstellung dazu verwendet werden, eine gezielte Drucküberhöhung bei der Einspritzung, entweder zu Beginn der Einspritzung, oder zum Ende der Einspritzung zu erzielen. Die Länge der Drucküberhöhung entspricht dabei der Dauer, in der die Zwischenstellung des Steuerventils 12 gehalten wird. Die reflektierte Drucküberhöhung hängt jedoch auch von der Leitungslänge der Leitung 6 zwischen dem Ventil 1 und dem Rail sowie dem Leitungsdurchmesser der Leitung 6 ab.
Durch mehrmaliges Öffnen und Schließen des Steuerventils 12 in die Zwischenstellung können auch mehrere Druckwellen gezielt hintereinander erzeugt werden, um beispielsweise Druckspitzen beim Öffnen bzw. Schließen der Düsennadel 2 zu reduzieren.
Insbesondere können auch die durch die Einspritzung entstehenden Druckeinbrüche durch gezieltes Anfahren der Zwischenstellung des Steuerventils 12 ausgeglichen werden. Dies ist insbesondere bei sehr langsam laufenden NKW-Motoren vorteilhaft, welche sehr lange Ansteuerdauern aufweisen.
Dabei wird der Ventilquerschnitt des Steuerventils in der Zwischenstellung derart gewählt, dass er ca. halb so groß wie der Düsenquerschnitt der Einspritzdüse 16 ist, so dass durch die Zwischenstellung eine Verdünnungswelle mit halber Amplitude, wie die Amplitude der durch das Düsennadelöffnen erzeugten Verdünnungswelle erzeugt wird. Diese Verdünnungswelle mit halber Amplitude wird am Rail reflektiert und erreicht als Verdichtungswelle wieder das Ventil 1. Wenn nun diese Verdichtungswelle das Ventil 1 genau in dem Moment erreicht, in dem die Düsennadel 2 von ihrem Sitz abhebt, wird die an der Düsennadel 2 erzeugte Druckwelle ausgelöscht und im gesamten System herrscht während der Einspritzung ein nahezu schwingungsfreier Raildruck. Dadurch ist es möglich, für beliebig kurze oder lange Ansteuerdauern den Einspritzdruck konstant auf Raildruckniveau zu halten. Um die Druckspitzen im System auch beim Schließen der Düsennadel 2 zu reduzieren, sollte auch dabei zunächst die Zwischenstellung des Steuerventils 12 angefahren werden, so dass noch etwas Kraftstoff über das Steuerventil 12 abfließen kann.
Bei der Auslegung des Ventilquerschnitts in der Zwischenstellung des Steuerventils 12 mit der erfindungsgemäßen Formel

würde man p mit dem maximalen Raildruck ansetzen, wenn man bei maximalem Raildruck an einer zusätzlichen Drucküberhöhung interessiert ist.
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mittels eines Injektors eines Speichereinspritzsystems in einen Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenstellung eines Steuerventils (12) des Injektors, bei der noch keine Einspritzung durch den Injektor erfolgt, zur Erzeugung einer Verdünnungswelle verwendet wird, um eine Einspritzdruckverlaufsformung des Injektors auszuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hilfe der Zwischenstellung des Steuerventils (12) induzierte Verdünnungswelle an einem Speicher als Verdichtungswelle reflektiert wird und am Injektor eine Druckerhöhung erzeugt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die reflektierte Verdünnungswelle erzeugte Druckerhöhung zum Einspritzbeginn des Injektors an dessen Düsennadel (2) anliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die reflektierte Verdünnungswelle erzeugte Druckerhöhung zum Einspritzende des Injektors an der Düsennadel (2) anliegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der durch die Verdünnungswelle erzeugten Drucküberhöhung der Länge der Einspritzdauer des Injektors entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (2) bei der Ankunft der reflektierten Welle weiter geschlossen bleibt, so dass die Welle am Injektor reflektiert wird und am Speicher als Verdünnungswelle reflektiert wird und zur Druckabsenkung am Injektor während der Einspritzung verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Zwischenstellung induzierte Welle mehrfach reflektiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zwischenstellung eine Verdünnungswelle induziert wird, welche eine Amplitude aufweist, die halb so groß ist wie eine Amplitude einer durch das Öffnen der Düsennadel (2) erzeugten Verdünnungswelle.

9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Düsennadel (2), einem Hochdruckbereich (5), einem Steuerraum (7), einem Steuerventil (12) und einem Steuerventilraum (11), wobei eine Zulaufdrossel (8) zwischen dem Hochdruckbereich (5) und dem Steuerraum (7) angeordnet ist und eine Ablaufdrossel (9) zwischen dem Steuerraum (7) und dem Steuerventilraum (11) angeordnet ist und ein Bypass (10) den Hochdruckbereich (5) mit dem Steuerventilraum (11) verbindet, wobei das Steuerventil (12) eine Schließstellung, in welcher das Ventil (1) und das Steuerventil (12) geschlossen sind, eine Offenstellung, in welcher das Ventil (1) und das Steuerventil (12) geöffnet sind und eine Zwischenstellung, in welcher das Ventil (1) geschlossen ist und das Steuerventil (12) teilweise geöffnet ist, einnehmen kann, wobei der Ventilquerschnitt (A_Ventil) in der Zwischenstellung derart gewählt ist, dass eine Verdünnungswelle bei Einnahme der Zwischenstellung induziert wird, welche zur Formung des Einspritzdruckverlaufs verwendet wird.

10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilquerschnitt (A_Ventil) des Steuerventils (12) in der Zwischenstellung derart gewählt wird, dass die Gleichung:

erfüllt ist, wobei Δp die gewünschte Druckerhöhung, p der Druck des Hochdruckbereichs (5), a die Schallgeschwindigkeit, ρ die Dichte des Kraftstoffs und A_Leitung der Querschnitt der Verbindungsleitung (6) vom Rail zum Ventil ist.