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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen,
wie es vorzugsweise für
schnell laufende direkteinspritzende Brennkraftmaschinen verwendet
wird. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Einspritzdüse, durch
die Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einspritzbar
ist. Zur Erzeugung dieses hohen Kraftstoffdrucks ist ein Druckkolben
vorhanden, der in seiner Längsrichtung
bewegbar ist und der eine kraftstoffgefüllte Druckkammer begrenzt.
Durch eine Längsbewegung
des Kolbens wird der Kraftstoff in der Druckkammer verdichtet und
der Einspritzdüse
zugeführt, durch
die der Kraftstoff schließlich
in den Brennraum eingespritzt wird.
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Ein
solches System ist bspw. aus der Offenlegungsschrift
DE 199 39 428 A1 bekannt.
Kraftstoff wird auf einen Ausgangsdruck verdichtet und in einem
Druckspeicher zur Verfügung
gestellt. Von dort wird der Kraftstoff in die Druckkammer geleitet,
die vom Druckkolben begrenzt wird. Um den Druckkolben zu bewegen
wird die der Druckkammer abgewandte Stirnseite des Kolbens vom Kraftstoffdruck des
Druckspeichers beaufschlagt, sodass sich der Druckkolben in die
Druckkammer hineinbewegt. Der dort befindliche Kraftstoff wird dadurch
auf einen Einspritzdruck komprimiert und der Einspritzdüse zugeführt. Dadurch
lässt sich
der Ausgangsdruck im Druckspeicher erheblich steigern, ohne dass
eine Pumpe vorhanden sein muss, die den hohen Einspritzdruck zur
Verfügung
stellt.
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Für eine präzise Funktion
der Brennkraftmaschine ist es unerlässlich, die tatsächlich eingespritzte
Kraftstoffmenge zu kennen, um gegebenenfalls gegenregeln zu können. Hierfür wird in
der Regel eine Kalibrierung durchgeführt, durch die die pro Zeiteinheit
eingespritzte Kraftstoffmenge bekannt ist und somit nur die Einspritzzeit
gesteuert werden muss. Durch Verschleiß an verschiedenen Bauteilen
des Kraftstoffeinspritzsystems driftet diese Einspritzrate jedoch
mit der Zeit, so dass sich Abweichungen zwischen der tatsächlichen
und der gewünschten
Einspritzmenge ergeben und auch zunehmend Abweichungen der Einspritzmenge
von einem Einspritzventil zum anderen.
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Da
im Kraftstoffeinspritzsystem keine Möglichkeit besteht, die tatsächlich eingespritzte
Kraftstoffmenge direkt zu messen, muss diese indirekt bestimmt werden.
Eine Möglichkeit
der Kalibrierung ist, die Drehzahl des Motors bei einem bestimmten
Betriebspunkt, bspw. im Leerlauf, zu messen und die dafür nötige Kraftstoffeinspritzmenge
zu bestimmen. Weicht die Drehzahl im längeren Betrieb der Brennkraftmaschine
vom Sollwert ab, so muss die eingespritzte Kraftstoffmenge entsprechend
angepasst werden. Aus dieser Änderung,
die ein Maß für den inzwischen
aufgetretenen Verschleiß ist,
lässt sich dann
die geänderte
Einspritzmenge bei anderen Betriebspunkten extrapolieren. Dieses
Verfahren ist jedoch recht ungenau und erlaubt keine Bestimmung der
absoluten Einspritzmenge, sodass sich daraus keine zuverlässigen Rückschlüsse auf
andere Betriebspunkte der Brennkraftmaschine ziehen lassen.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch
das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem
für Brennkraftmaschinen
ist es hingegen möglich,
die eingespritzte Kraftstoffmenge mit deutlich höherer Präzision zu messen. Dadurch lässt sich
beispielsweise durch eine geänderte
An steuerdauer des Einspritzventils die eingespritzte Kraftstoffmenge
anpassen, um den Drift, der sich durch den Verschleiß im Kraftstoffeinspritzsystem
ergibt, auszugleichen. Hierzu ist am Druckkolben, der den Kraftstoff
für die
Einspritzung komprimiert, ein Positionssensor angeordnet, der es
erlaubt, die absolute Position und den zeitlichen Verlauf der Position
des Kolbens zu bestimmen. Aus der Bewegung des Kolbens lässt sich
dann sehr genau die aus der Druckkammer verdrängte Kraftstoffmenge bestimmen
und damit auch die letztendlich eingespritzte Kraftstoffmenge.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
Für die
Ausbildung des Positionssensors sind verschiedene Möglichkeiten
gegeben. Bspw. kann der Positionssensor ein Hall-Sensor sein, ein induktiver Sensor oder
ein Ultraschall-Sensor. Sowohl Hall-Sensoren als auch induktive Sensoren
haben den Vorteil, dass sie nicht direkt in der Kammer, in der sich
der Druckkolben bewegt, angeordnet sein müssen, sondern die Position
des Kolbens berührungslos
erfassen können.
Da ein solcher Sensor dabei nicht vom Kraftstoff in der Druckkammer
oder der Primärkammer
ausgesetzt ist, muss er nicht aufwendig gegen den Kraftstoff abgedichtet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Positionssensor
mit einer elektrischen Auswerteeinheit verbunden, die die Signale
des Positionssensors erfasst und daraus die Position des Kolbens
berechnet. Aus dem zeitlichen Verlauf der Kolbenposition lässt sich
die durch den Druckkolben verdrängte
Kraftstoffmenge berechnen und damit auch die eingespritzte Kraftstoffmenge.
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Weiter
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der einzigen Figur der Zeichnung ist. ein Kraftstoffeinspritzsystem
der erfindungsgemäßen Art schematisch
dargestellt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem
für Brennkraftmaschinen schematisch
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst ein Einspritzventil 1,
das mit Kraftstoff 3 aus einem Kraftstofftank 4 versorgt
wird. Durch eine Hochdruckpumpe 2 wird Kraftstoff 3 aus
dem Kraftstofftank 4 angesaugt, in der Hochdruckpumpe 2 auf einen
Ausgangsdruck verdichtet und über
eine Förderleitung 5 in
einen Hochdruckspeicher 6 geleitet, wo der Kraftstoff bei
Ausgangsdruck vorgehalten wird. Der Druckspeicher 6 ist über Druckleitungen 7 mit
mehreren Einspritzventilen 1 verbunden, von denen in der
Zeichnung nur eines exemplarisch dargestellt ist. Das Einspritzventil 1 umfasst
einen Druckverstärker 10 und
eine Einspritzdüse 32.
Der Druckverstärker 10 dient
dazu, den Ausgangsdruck des Druckspeichers 6 zu erhöhen, um
Kraftstoff mit erhöhtem
Druck der Einspritzdüse 32 zuzuführen, durch
die der Kraftstoff letztendlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine
eingespritzt wird. Der Druckverstärker 10 umfasst einen
Druckkolben 11, der mit einer ersten Stirnseite 111 eine
Primärkammer 12 begrenzt,
die über
ein Steuerventil 9 mit der Druckleitung 7 verbindbar
ist. Der Druckkolben 11 weist eine zweite Stirnfläche 211 auf,
die eine geringere Fläche aufweist
als die erste Stirnfläche 111 und
die eine Druckkammer 13 begrenzt. Die Druckkammer 13 ist über eine
Druckleitung 18 mit der Einspritzdüse 32 verbunden und
darüber
hinaus über
eine Befüllleitung 15 mit
der Hochdruckleitung 7. In der Befüllleitung 15 ist ein
Rückschlagventil 16 angeordnet,
das einen Kraftstofffluss durch die Befüllleitung 15 nur in Richtung
der Druckkammer 13 erlaubt, jedoch nicht in entgegengesetzter
Richtung. Der Druckkolben 11 ist längsverschiebbar angeordnet,
und durch eine Feder 14 beaufschlagt, wobei die Kraft der
Feder 14 den Druckkolben 11 in Richtung der Primärkammer 12 drückt.
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Zwischen
der Druckleitung 7 und der Primärkammer 12 ist ein
Steuerventil 9 angeordnet, das als 3/2-Wegeventil ausgebildet
ist. In einer ersten Schaltstellung, die in der Figur dargestellt
ist, wird die Primärkammer 12 über eine
Absteuerleitung 17 mit einer Leckölleitung 29 verbunden,
die mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten und stets drucklosen Leckölraum verbunden
ist. In der zweiten Schaltstellung des Steuerventils 9 wird
die Druckleitung 7 mit der Primärkammer 12 verbunden,
während
die Absteuerleitung 17 verschlossen wird. Der den Druckkolben 11 umgebende
Federraum 33, in dem sich die Feder 14 befindet,
ist über
eine Ablaufleitung 31 ebenfalls mit der Leckölleitung 29 verbunden
und damit stets drucklos.
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Die
Einspritzdüse 32 weist
eine Ventilnadel 21 auf, die längsverschiebbar angeordnet
ist und mehrere Einspritzöffnungen 22 durch
ihre Längsbewegung
freigibt oder verschließt.
Die Ventilnadel 21 ist hierbei vom Kraftstoffdruck in einem
Druckraum 20 umgeben, in den die Druckleitung 18 mündet, sodass
durch den Druck im Druckraum 20 eine hydraulische Kraft
auf die Ventilnadel 21 entsteht, die von den Einspritzöffnungen 22 weggerichtet
ist. Die Ventilnadel 21 wird durch die Kraft einer Schließfeder 23 in
Richtung der Einspritzöffnungen 22 druckbeaufschlagt,
wobei der Raum der Schließfeder 23 mit
der Leckölleitung 29 verbunden
ist und damit stets drucklos. Die Ventilnadel 21 ist mit
einer Kolbenstange 24 verbunden, die mit ihrer Stirnfläche 25 einen
Steuerraum 19 begrenzt, der über eine Zulaufdrossel 26 mit der
Druckleitung 18 verbunden ist. Der Steuerraum 19 ist
darüber
hinaus über
eine Ablaufdrossel 28 mit einer Ablaufleitung 27 verbindbar,
die in die Leckölleitung 29 mündet. In
der Ablaufleitung 27 ist ein Ventil 30 vorgesehen,
das als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist und die Ablaufleitung 27 entweder
verschließt oder
freigibt.
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Die
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzsystems ist wie folgt: Über die
Hochdruckpumpe 2 wird im Druckspeicher 6 ein vorgegebener
Ausgangsdruck zur Verfügung
gestellt, der über
die Druckleitung 7 an den einzelnen Einspritzventilen 1 anliegt.
Im Ruhezustand des Einspritzventils 1, der in der Figur
dargestellt ist, befindet sich das Steuerventil 9 in der
eingezeichneten ersten Schaltposition, in der die Druckleitung 7 verschlossen
wird, sodass die Primärkammer 12 über die
Absteuerleitung 17 mit der Leckölleitung 29 verbunden
und damit drucklos ist. Über
die Befüllleitung 15 herrscht
in der Druckkammer 13 derselbe Druck wie im Druckspeicher 6 und über die
Druckleitung 18 liegt der Ausgangsdruck auch im Druckraum 20 der
Einspritzdüse 32 an.
Der gleiche Ausgangsdruck liegt auch im Steuerraum 19 an,
da sich der Druck über
die Zulaufdrossel 26 dem Druck in der Druckleitung 18 angleicht.
Das Ventil 30 ist hierbei ebenfalls in seiner ersten Schaltposition,
die in der Figur dargestellt ist und in der die Ablaufleitung 27 unterbrochen
ist. Soll eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen, so wird das
Steuerventil 9 betätigt
und in die zweite Schaltposition gefahren, in der die Druckleitung 7 mit
der Primärkammer 12 verbunden
wird. Dadurch steigt der Druck in der Primärkammer 12 auf den
Druck des Druckspeichers 6, sodass sich eine entsprechende
hydraulische Kraft auf die erste Stirnfläche 111 des Druckkolbens 11 aufbaut.
Da die erste Stirnfläche 111 deutlich
größer ist
als die zweite Stirnfläche 211,
bewegt sich der Druckkolben 11 entgegen der Kraft der Feder 14 in Richtung
der Druckkammer 13, wo der Kraftstoff verdichtet wird und
ein hoher Kraftstoffdruck entsteht, wobei der Druck im wesentlichen
durch das Verhältnis
der Flächen
von erster Stirnfläche 111 und
zweiter Stirnfläche 211 gegeben
ist.
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Der
hohe Kraftstoffdruck in der Druckkammer 13 setzt sich über die
Druckleitung 18 in den Druckraum 20 der Einspritzdüse 32 fort,
wo sich die hydraulische Kraft auf die Ventilnadel 21 jetzt
erhöht, die
in Richtung des Steuerraums 19 wirkt. Solange das Ventil 30 nicht
betätigt
wird, bleibt die Ventilnadel 21 jedoch, bedingt durch die
hydraulische Kraft im Steuerraum 19 in ihrer Schließposition
und verschließt
die Einspritzöffnungen 22.
Erst nach Betätigen
des Ventils 30, wodurch der Steuerraum 19 über die
Ablaufdrossel 28 mit der Ablaufleitung 27 und
damit mit der Leckölleitung 29 verbunden
wird, sinkt der Druck im Steuerraum 19 ab und damit auch
die hydraulische, in Richtung der Einspritzöffnungen 22 wirkende
Kraft auf die Kolbenstange 24 und damit auf die Ventilnadel 21.
Durch den Druck im Druckraum 20 setzt sich die Ventilnadel 21 jetzt
entgegen der Kraft der Schließfeder 23 in
Bewegung und gibt die Einspritzöffnungen 22 frei,
sodass Kraftstoff aus dem Druckraum 20 in den Brennraum
eingespritzt wird. Der Einspritzdruck entspricht hierbei dem Kraftstoffdruck,
der in der Druckkammer 13 durch den Druckkolben 11 erzeugt
wurde und der, je nach Größenverhältnis von
erster Stirnfläche 111 und
zweiter Stirnfläche 211 höher ist
als der Kraftstoffdruck, der im Druckspeicher 6 zur Verfügung gestellt
wird. Typischerweise ist das Verhältnis der Fläche von
erster Stirnfläche 111 und
zweiter Stirnfläche 211 etwa
2.
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Zur
Beendigung der Einspritzung wird das Ventil 30 und ebenso
das Steuerventil 9 betätigt,
so dass beide Ventile zurück
in ihre erste Schaltstellung fahren. Der sich erneut durch den über die
Zulaufdrossel 26 nachfließenden Kraftstoff im Steuerraum 19 aufbauende
hohe Kraftstoffdruck beaufschlagt die Stirnfläche 25 der Kolbenstange 24 und
drückt
die Ventilnadel 21 zurück
in ihre Schließstellung.
Durch das ebenfalls in die erste Schaltposition zurückgefahrene
Steuerventil 9 wird die Verbindung der Primärkammer 12 zur
Druckleitung 7 unterbrochen, sodass der Kraftstoffdruck
in der Primärkammer 9 über den Ringspalt,
der zwischen dem Druckkolben 11 und dem Federraum 33 verleibt,
abgebaut wird. Dadurch bewegt sich der Druckkolben 11 zurück in seine
Ausgangsstellung, wobei das sich vergrößernde Volumen der Druckkammer 13 über die
Befüllleitung 15 erneut
mit Kraftstoff aus dem Druckspeicher 6 befüllt wird.
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Den
Druckkolben 11 umgibt ein Positionssensor 40,
der die Position des Druckkolbens 11 erfasst und ein entsprechendes
Signal über
eine Leitung 42 an eine elektrische Auswerteeinheit 45 leitet. Die
Auswerteeinheit 45 berechnet aus dem Signal des Positionssensors 40 die
absolute Lage des Druckkolbens 11. Da auch der zeitliche
Verlauf der Kolbenposition erfasst wird kann die Auswerteeinheit berechnen,
welche Strecke der Druckkolben 11 beim Verdichten des Kraftstoffs
in der Druckkammer 13 durchfahren hat. Damit ist die tatsächlich eingespritzte
Kraftstoffmenge bekannt, abgesehen von einer kleinen Steuermenge,
die über
die Zulaufdrossel 26 abgeführt wird. Die Steuermenge kann
jedoch durch entsprechende Algorithmen in der Auswerteeinheit berechnet
und von der Gesamtmenge subtrahiert werden.
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Die
Einspritzmenge wird durch die zeitliche Ansteuerung des Ventils 30 geregelt,
wobei eine bestimmte Ansteuerdauer in der Regel einer gewissen Einspritzmenge
entspricht. Hierbei kann es jedoch durch Verschleiß mit der
Zeit zu einer Verschiebung kommen, da die Öffnungsdynamik der Ventilnadel 21 von
der Fläche
abhängt,
die im Raum 20 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt ist. Ändert sich
diese Fläche, so ändert sich
auch die Öffnungsdynamik
der Ventilnadel 21 und damit auch die pro Zeiteinheit eingespritzte
Kraftstoffmenge. Wird über
die Auswerteeinheiten 45 nunmehr eine Diskrepanz festgestellt
zwischen der Öffnungszeit
des Ventils 30 und der tatsächlich durch den Druckkolben 11 verdichteten Kraftstoffmenge,
so kann die Schaltzeit des Ventils 30 entsprechend angepasst
werden, um die Kraftstoffmenge durch Verlängern oder Verkürzen der Schaltzeit
des Ventils 30 anzupassen. Somit lässt sich die durch Verschleiß bedingte Änderung
der Einspritzmenge kompensieren, so dass das Einspritzventil 1 stets
die gewünschte
Kraftstoffmenge in den Brennraum einspritzt.
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Der
Sensor 40 erfasst die Position des Druckkolbens 11 vorzugsweise
berührungslos.
Hierzu ist der Positionssensor 40 bspw. als Hall-Sensor ausgebildet,
der die Bewegung des metallischen Druckkolbens 11 detektiert.
Aus dem Signal lässt
sich durch Kalibrierung die absolute Position des Druckkolbens 11 erfassen
und über
eine kontinuierliche Messung auch die Bewegung des Druckkolbens 11. Darüber hinaus
sind weitere Ausbildungen des Positionssensors 40 möglich, bspw.
in Form eines induktiven Sensors oder eines Ultraschallsensors.
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Als
Auswerteeinheit 45 lässt
sich bspw. das Steuergerät
verwenden, das ebenfalls das Steuerventil 9 und das Ventil 30 ansteuert.
Dadurch ist ein Regelkreis gegeben, der über die gesamte Lebenszeit
des Kraftstoffeinspritzsystems stets die tatsächliche Einspritzmenge an die
gewünschte
Einspritzmenge angleicht, die in einem bestimmten Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine notwendig ist.