DE19800039B4

DE19800039B4 - Verfahren zum Steuern eines Pumpe-Düse-Kraftstoff-Einspritzsystems

Info

Publication number: DE19800039B4
Application number: DE19800039A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Stehr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-01-02
Filing date: 1998-01-02
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2018-01-03
Also published as: EP0927821A2; DE19800039A1; EP0927821A3; EP0927821B1; DE59811329D1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Pumpe-Düse-Kraftstoff-Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Absteuerventil zwischen einem Kraftstoffzulauf und einem Hochdruckraum, der zwischen einer Hochdruckpumpe und einer Einspritzdüse liegt, wobei ein Einspritzsteuersignal das Absteuerventil für eine vorbestimmte erste Zeitspanne schließt, um den Hochdruckraum vom Kraftstoffzulauf zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der ersten Zeitspanne das Absteuerventil durch das Einspritzsteuersignal wieder geöffnet wird und wenigstens durch ein weiteres Steuersignal für wenigstens eine vorbestimmte zweite Zeitspanne erneut geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Pumpe-Düse-Kraftstoff-Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Absteuerventil zwischen einem Kraftstoffzulauf und einem Hochdruckraum, der zwischen einer Hochdruckpumpe und einer Einspritzdüse liegt, wobei ein Einspritzsteuersignal das Absteuerventil für eine vorbestimmte erste Zeitspanne schließt, um den Hochdruckraum vom Kraftstoffzulauf zu trennen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Kraftstoff-Einspritzsystemen, bestehend aus einer Pumpe, Hochdruckleitungen oder -Bohrungen, einem Absteuerventil und Einspritzdüsen ergibt sich das Problem einer Hohlraumbildung (Kavitation) im Hoch- und Niederdruckbereich, insbesondere nach einer Einspritzung von Kraftstoff. Dies resultiert aus einem schnellen Öffnen des Absteuerventils am Einspritzende, wobei der bis dahin im Hochdruckraum eingeschlossene Kraftstoff auf einen Niederdruck expandiert und dabei eine Unterdruckwelle nach sich zieht. Es kommt zu einer Dampfdruckunterschreitung und damit zu Hohlraumbildungen (Kavitation) an verschiedenen Stellen im Hochdruckraum und auch im Niederdruckraum. Diese Hohlräume implodieren anschließend, was wiederum einen schlagartigen Druckanstieg zur Folge hat. Dieser "Füllstoß" oder Kavitationsschlag hat u.a. folgende unerwünschte Auswirkungen: Kavitationserosion an Bauteilen (Lochfraß), Geräusche, wie beispielsweise typische Einspritzgeräusche eines Pumpe-Düse-Motors, Nachöffnen der Düsennadel, wenn der Kavitationsschlag einen Öffnungsdruck der Düse erreicht, was durch einen Gasdruck in einem Brennraum des Motors unterstützt wird, wodurch es entweder zu Nachspritzen von Kraftstoff in den Brennraum oder Rückblasen von Verbrennungsgasen in die Düse verbunden mit einem Fahrzeug-Ruckeln kommt, und Schwingungsanregungen im Kraftstoffzulauf mit der Folge eines erhöhten Zulaufbedarfs, um Füllprobleme durch die Hohlraumbildung zu vermeiden.

Aus der DE 195 44 241 A1 ist zu diesem Problemkreis eine Einrichtung zur geräuscharmen Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff bekannt, mit einer Hochdruckpumpe, einem Hochdruckraum, einer Einspritzdüse, einem Absteuerventil und einem Kraftstoffzulauf. Zur Vermeidung von infolge des Öffnens bzw. Schießens des Absteuerventils entstehenden Geräuschen weist die Einrichtung stromauf des Absteuerventils ein strömungstechnisch mit dem Kraftstoffzulauf verbundenes Ausgleichsvolumen auf.

Aus der DE 197 08 152 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem in Form eines Common-Rail-Systems bekannt, bei dem ein Überström-Steuersolenoidventil einer Hochdruck-Zuführpumpe an- bzw. abgeschaltet wird. Das Überström-Steuersolenoidventil ist in einem Pfad zum Verbinden einer Pumpenkammer mit einem Niederdruck-Kraftstoffpfad angeordnet und verbindet in geöffnetem Zustand die Pumpenkammer mit dem Niederdruck-Kraftstoffpfad. Im geschlossenen Zustand gibt das Überström-Steuersolenoidventil den Kraftstoff von der Pumpenkammer in eine gemeinsame Druckleitung ab. Eine Steuervorrichtung steuert Schließen und Öffnen dieses Ventils und erzeugt auch nach einem Einspritzsteuersignal weitere Steuersignale für dieses Ventil, die dieses wenigstens für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne schließt.

Aus der DE 195 32 599 A1 ist ein Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem bekannt, bei dem durch das Abschalten des Einspritzventils ein so genannter Reflexionsdruck entsteht, wobei sich durch das schlagartige Verschließen einer Zuführungsleitung störende Druckwellen ausbilden. Daher wird vorgeschlagen, ein Common-Rail mit zwei Einzelspeichern einzusetzen, auf welche Zylinder derart verteilt sind, dass bei zwei in der Zündreihenfolge hintereinander folgenden Zylindern jeweils der andere Einzelspeicher zur Einspritzung in den zweiten Zylinder dient und damit eine ausreichende Zeit zur Beruhigung der Druckschwankungen vorhanden ist. Es liegt daher eine passive Schwingungsdämpfung vor.

Aus der DD 266 384 A1 ist ein Einspritzsystem bekannt, das nach dem Druckstoßprinzip arbeitet. Ein steuerbares Absperrventil am Ende eines Schwungrohrs wird schlagartig geschlossen. Dadurch entsteht vor dem Ventil eine starke Druckerhöhung, die letztlich zur Einspritzung verwendet wird. Jedoch wird auch eine Druckwelle zur Pumpe reflektiert, die durch einen sogen. Schwingungstilger absorbiert werden soll. Zudem ist eine steuerbare – auch absperrbare – Drucksteuereinrichtung vorgesehen, die bei geschlossenem Absperrventil den von der Pumpe zuviel geförderten Kraftstoff zum Tank zurückleitet. Die Drucksteuervorrichtung kann zur zusätzlichen Druckerhöhung beim Starten komplett abgesperrt werden. Das Absteuerventil ist nach der Pumpe angeordnet.

Aus der DD 78 433 A ist eine aktive Schwingungsdämpfung der reflektierten Druckwelle für eine ebenfalls nach dem Druckstoßprinzip arbeitende Einspritzvorrichtung bekannt, um unerwünschtes Nachspritzen zu vermeiden. Durch gezielte Abtrennung einer Schwungleitung von der Kraftstoffzufuhr wird die vom geschlossenen Absperrorgan reflektierte Druckwelle zurück reflektiert und wirkt somit einem Unterdruck am Einspritzventil entgegen. Ein Absperrorgan ist nach der Pumpe angeordnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei Kavitation und Nachspritzen bzw. Rückblasen nach einem Absteuern auf einfache Weise vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass nach Ablauf der ersten Zeitspanne das Absteuerventil durch das Einspritzsteuersignal wieder geöffnet wird und wenigstens durch ein weiteres Steuersignal für wenigstens eine vorbestimmte zweite Zeitspanne erneut geschlossen wird.

Dies hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche Bauteile am Einspritzsystem Kavitationen nach der Absteuerung und damit ein Nachspritzen oder Rückblasen vermieden und ein Einspritzgeräusch und ein Fülldruckbedarf gesenkt ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Absteuerventil ein Magnetventil oder ein Piezoventil, wobei das Steuersignal zweckmäßigerweise ein elektrisches Signal ist. Bei einem Piezoventil ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass über das Steuersignal eine definierte, beliebig vorbestimmt zeitlich verlaufende Ventilstellung zwischen "offen" und "geschlossen" steuerbar ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Erfindung wird in der nachstehenden, beispielhaften Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in
1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Kraftstoff-Einspritzsystems in schematischer Darstellung und
2A bis 2C graphische Darstellungen eines zeitlichen Verlaufes eines Steuersignals, eines Hubes eines Absteuerventils und eines Druckes in einem Hochdruckraum.
Das in 1 schematisch dargestellte Kraftstoff-Einspritzsystem umfaßt im wesentlichen eine einen Kolben 10 aufweisende Hochdruckpumpe 12, einen mit dieser verbundenen Hochdruckraum 14 und eine aus diesem Hochdruckraum 14 gespeiste Einspritzdüse 16, welche Kraftstoff 18 in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine direkt einspritzt. Weiterhin ist ein beispielsweise elektromagnetisch oder elektrisch betätigbares Absteuerventil 20 vorgesehen, welches wahlweise einen Kraftstoffzulauf 22 vom Hochdruckraum 14 trennt. Die Hochdruckpumpe 12 wird beispielsweise in nicht gezeigter Weise von einem Nocken und einem Kipphebel, welche in einem Zylinderkopf gelagert sind, betätigt. Ferner weist der Hochdruckraum 14 an einer Stelle, an der sich der Kolben 10 in nicht betätigten Zustand befindet, einen Kraftstoffrücklauf 24 auf. Der Kraftstoffrücklauf 24 hat ferner eine Verbindung zur Einspritzdüse 16.
Im Betrieb des Einspritzsystems gemäß 1 wird bei geöffnetem Absteuerventil 20 über den Kraftstoffzulauf 22 mit einem vergleichsweise niedrigen Druck von beispielsweise 5 bar der Hochdruckraum 14 mit Kraftstoff 18 befüllt. Zum Einleiten der Hochdruckeinspritzung wird vermittels der oben erwähnten Nocke der Kolben 1 den Hochdruckraum 14 verdichtend bewegt, wobei eine Kraftstoffsäule im Kraftstoffzulauf 22 durch das Absteuerventil 20 hindurch entgegen einer Zulaufrichtung verdrängt wird.
Wie sich aus 2A bis 2C anhand der durchgezogen gezeichneten Graphen ergibt, welche eine herkömmliche Ansteuerung gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht, wird anschließend mittels eines Steuersignals 26 (2A) das Absteuerventil 20 schlagartig geschlossen, was zu einem Ventilhub 28 gemäß 2B führt. Im zeitlichen Abschnitt 30 schließt sich das Absteuerventil 20, im zeitlichen Abschnitt 32 ist es voll geschlossen und im zeitlichen Abschnitt 34 ist das Absteuerventil 20 wieder voll geöffnet.
Es bildet sich stromab des Absteuerventils 20 eine Druckwelle in dem Kraftstoffzulauf 22 aus. Diese Druckwelle setzt sich im wesentlichen in den Hochdruckraum 14 fort und führt dort zu einem zeitlichen Druckverlauf 36, wie in 2C mit durchgezogener Linie dargestellt. Bei Erreichen eines voreingestellten Düsenöffnungsdruckes öffnet die Einspritzdüse 16 und die Einspritzung beginnt. In 2C ist mit 44 ein die Einspritzdüse öffnender Druck bezeichnet.
Der maximale Druck im Hochdruckraum 14 wird gegen Ende der Einspritzung erreicht.
Zum gezielten Beenden des Einspritzvorganges fällt das Steuersignal 26 wieder auf "aus" ab und öffnet somit das Absteuerventil 20, so daß der Kraftstoffzulauf 22 wieder geöffnet ist. Hierdurch trifft unter explosionsartiger Entspannung der Kraftstoff 18 im Hochdruckraum 14 auf den Kraftstoff im Kraftstoffzulauf 22, welcher einen relativ niedrigen Druck aufweist. Hierdurch bildet sich erneut eine Druckwelle aus. Deren Auswirkungen sind aus dem Druckverlauf 36 in 2C ersichtlich. Im zeitlichen Abschnitt 40 kommt es zu einem kurzen Unterdruck und ggf. einer Dampfdruckunterschreitung des Kraftstoffes 18. Es kommt zu Hohlraumbildung sowohl im Hochdruckraum 14 wie auch im Krafstoffzulauf 22. Anschließend erfolgt wieder ein Druckanstieg durch das erneute Befüllen der Hohlräume im zeitlichen Abschnitt 42, wobei hier die Gefahr eines Nachspritzens bzw. Rückblasens durch Überschreitung des Düsenöffnungsdruckes 44 besteht.
In den 2A bis 2C ist im Gegensatz dazu mit gestrichelter Linie die erfindungsgemäße zusätzliche Ansteuerung des Absteuerventils 20 dargestellt. Wie sich aus 2A ergibt, wird nach einer vorbestimmten Zeit, in der das Absteuerventil 20 offen ist, erneut ein Steuerimpuls 46 an das Absteuerventil 20 gegeben. Dieser führt gemäß dem Ventilhub 28 (2B) zu einer weiteren kurzzeitigen Schließbewegung des Absteuerventils 20. Wie sich aus einem Vergleich mit dem Druckverlauf 36 gemäß 2C ergibt, erfolgt die neue Schließbewegung zweckmäßigerweise vor bzw. zeitgleich mit dem zeitlichen Abschnitt 40, in dem zuvor ein Dampfdruck des Kraftstoffes 18 unterschritten wurde. Durch das erneute Schließen des Absteuerventils 20 wird diesem Unterdruck durch einen sich dagegen kurzzeitig aufbauenden Überdruck entgegengewirkt, der sich aus der Drosselwirkung des ganz oder teilweise geschlossenen Absteuerventiles 20 ergibt. Im Ergebnis ergibt sich gemäß der gestrichelten Linie 48 in 2C ein flacher bzw. gedämpfter und stetiger Abfall des Druckverlaufes 36. Auch die zweite Druckspitze im zeitlichen Abschnitt 42 ist abgedämpft, so daß es auch bei einer eventuellen Hohlraumbildung zu keiner erneuten Überschreitung des Düsenöffnungsdruckes 44 kommt.
Je nach dem, wie weich bzw. wie stark abgedämpft und stetig die Kurve 48 verlaufen soll, ist auch eine zusätzliche Steuerstrategie mit mehreren zusätzlichen Steuerimpulsen 46 in geeigneter zeitlicher Abfolge möglich, so daß, je nach Druckverlauf aufgrund der mechanischen Ausgestaltung und Eigenschaften des Einspritzsystems, alle nach dem Ende des Einspritzvorgangs auftretenden Druckschwingungen im Druckverlauf 36 abgedämpft werden.
Bei Absteuerventilen 20 mit der Möglichkeit eines spannungs- oder stromproportionalen Hubverlaufes (Piezoventile) kann der gewünschte Hubverlauf auch durch einen entsprechenden Spannungs- oder Stromverlauf kontinuierlich und stetig eingestellt werden.
Mit anderen Worten bewirkt der oder die erneuten Steuerimpulse 46 bzw. die erneute Bestromung des Absteuerventils 20, daß der Druckabbau am Einspritzende, beispielsweise nach Erreichen des Düsenöffnungsdruckes 44 bzw. des Düsenschließdruckes, durch Verkleinerung eines wirksamen Ventilquerschnittes verlangsamt wird, um die Dampfdruckunterschreitung ganz zu vermeiden oder, falls es noch zu Hohlraumbildung kommt, die Auswirkungen des Füllstoßes durch eine Drosselwirkung des "in der Schwebe" befindlichen Absteuerventils 20 zu verringern.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Pumpe-Düse-Kraftstoff-Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Absteuerventil zwischen einem Kraftstoffzulauf und einem Hochdruckraum, der zwischen einer Hochdruckpumpe und einer Einspritzdüse liegt, wobei ein Einspritzsteuersignal das Absteuerventil für eine vorbestimmte erste Zeitspanne schließt, um den Hochdruckraum vom Kraftstoffzulauf zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der ersten Zeitspanne das Absteuerventil durch das Einspritzsteuersignal wieder geöffnet wird und wenigstens durch ein weiteres Steuersignal für wenigstens eine vorbestimmte zweite Zeitspanne erneut geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einspritzsteuersignal und vor dem weiteren Steuersignal das Absteuerventil für eine vorbestimmte dritte Zeitspanne geöffnet gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal ein elektrisches Signal ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absteuerventil ein Magnetventil oder ein Piezoventil ist.