DE69626438T2

DE69626438T2 - Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage für einen Dieselmotor

Info

Publication number: DE69626438T2
Application number: DE69626438T
Authority: DE
Inventors: Kizaki Mikio; Tsuzuki Naoyuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: EP0743441B1; DE69626438D1; EP0743441A3; EP0743441A2; JP2874590B2; JPH08312414A

Description

Hintergrund der Erfindung:

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage für einen Dieselmotor und im speziellen eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage, die den zu einem Dieselmotor zugeführten Kraftstoff durch eine Vorhub- Steuerung mit Druck beaufschlagt.

2. Beschreibung der zugrunde liegenden Technik

Eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage mit den in Ansprüchen 1 bis 3 zusammengefassten Eigenschaften ist aus dem Dokument JP-A-02 037 153 bekannt. Diese bekannte Kraftstoffeinspritzanlage verfügt über eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzpumpe nach dem Verteilerprinzip und ein Überströmventil. Die Kraftstoffeinspritzpumpe setzt Kraftstoff unter Druck und fördert diesen durch eine Hin- und Herbewegung eines in der Vorrichtung enthaltenen Kolbens. Das Überströmventil ist an eine Pumpenkammer der Kraftstoffeinspritzpumpe angeschlossen, um den Abgabezeitpunkt des mit Druck beaufschlagten Kraftstoffes zu steuern.
Der Kolben der vorstehend erwähnten Kraftstoffeinspritzpumpe wird durch eine Nockensteuerung derartig gesteuert, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens bei einer Veränderung des Hubs verändert wird. In diesem Fall ändert sich die pro Zeiteinheit vom Kolben geförderte Kraftstoffmenge abhängig von der Bewegung des Kolbens. Die pro Zeiteinheit geförderte Kraftstoffmenge wird als Kraftstoff-Fördermenge bezeichnet. Darüber hinaus wird der in der Pumpenkammer befindliche Kraftstoff nur mit Druck beaufschlagt, wenn das Überströmventil geschlossen ist.
Entsprechend dieser Voraussetzungen kann bei der vorstehend erwähnten Kraftstoffeinspritzanlage die gleiche Kraftstoffmenge bei unterschiedlichen Kraftstoff- Fördermengen über die Steuerung der Bewegung des Kolbens vor dem Schließen des Überströmventils und die Stellung des Kolbens bei geöffnetem Überströmventil eingespritzt werden. Nachstehend wird die Bewegung des Kolbens vor dem Schließen des Überströmventils als Vorhubmenge und die Stellung des Kolbens beim Öffnen des Überströmventils als Einspritzendzeitpunkt bezeichnet.
Bei der vorstehend erwähnten Konstruktion werden bei Betrieb des Motors unter vergleichsweise kleiner Last sowohl die Vorhubmenge als auch der Einspritzendzeitpunkt gesteuert. Diese Steuerung wird als Vorhub-Steuerung bezeichnet. Wenn der Motor unter anderen Betriebsbedingungen als unter vergleichsweise kleiner Last betrieben wird, wird nur der Einspritzendzeitpunkt gesteuert, nicht aber die Vorhubmenge, um damit eine Leistungs- und eine Abgasemissionscharakteristik des Dieselmotors zu verbessern.
Die vorstehend erwähnte Kraftstoffeinspritzpumpe wird synchron zur Drehzahl des Motors angetrieben. Entsprechend erhöht sich die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens bei Erhöhung der Drehzahl des Motors. Darüber hinaus verkürzt sich eine Kraftstoff-Einspritzdauer während eines Zyklus bei Erhöhung der Drehzahl. Insbesondere gilt, dass die Kraftstoff-Einspritzmenge klein ist, wenn die auf den Motor wirkende Last gering ist. Dadurch wird die Kraftstoff-Einspritzdauer bei Betrieb des Motors mit geringer Last und hohen Drehzahlen äußerst kurz.
Um die Vorhub-Steuerung bei Betrieb des Motors mit hohen Drehzahlen zu erreichen, muss das Überströmventil in einer sehr kurzen Zeitspanne geschlossen und wieder geöffnet werden. Unter diesen Umständen wird, da die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens hoch und damit die Kraftstoff-Fördermenge groß ist, der Druck des Kraftstoffs in der Pumpenkammer erhöht, auch wenn das Überströmventil nicht vollständig geschlossen ist. Das führt zu einer vorzeitigen Einspritzung von Kraftstoff. Diese Erscheinung wird als Überström-Drosselung bezeichnet. Bei Auftreten dieser Überström-Drosselung ist eine genaue Steuerung der Kraftstoff-Einspritzmenge schwierig.
Darüber hinaus tritt am Überströmventil ein Rückschlag auf, wenn das Überströmventil vollständig geschlossen wird. Wenn das Überströmventil während dieses Rückschlags geöffnet wird, wird das Überströmventil mit einer zu schnellen Reaktion betrieben. Dadurch wird die Kraftstoff-Einspritzdauer extrem verkürzt. Entsprechend ist die genaue Steuerung der Kraftstoff-Einspritzmenge bei Steuerung der Kraftstoff-Einspritzdauer über das Überströmventil schwierig, wenn der Befehl zum Öffnen des Überströmventils innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach der Auslösung eines Befehls zum Schließen des Überströmventils gegeben wird. Dadurch tritt bei einer konventionellen Kraftstoffeinspritzanlage, bei der die Vorhub-Steuerung bei Betrieb des Motors unter geringer Last durchgeführt wird, das Problem auf, dass bei Betrieb des Motors bei hohen Drehzahlen und geringer Kraftstoff- Einspritzmenge der Motor nicht unter optimalen Betriebsbedingungen betrieben werden kann.
Eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage mit den in den Ansprüchen 1 bis 3 zusammengefassten Eigenschaften ist aus dem Dokument Nr. US-A-5 115 783 bekannt. Bei dieser bekannten Kraftstoffeinspritzanlage wird die Vorhubmenge erhöht, wenn die Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge verringert wird. Bei der Festlegung der Vorhubmenge werden weder die Motordrehzahl noch die Zulufttemperatur oder die Kühlwassertemperatur berücksichtigt.

Zusammenfassung der Erfindung:

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage gemäß Dokument JP-A-02 037 153 so weiterzuentwickeln, dass die genaue Steuerung der Kraftstoff-Einspritzmenge auch bei Betrieb des Motors mit geringer Last und hohen Drehzahlen erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Aspekts der vorliegenden Erfindung durch eine Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1 erreicht. Hinsichtlich eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 3 erreicht.
Die vorteilhafte Weiterentwicklung der Kraftstoffeinspritzanlagen durch diese Erfindung wird in den verbundenen Ansprüchen erklärt.
Weitere Gegenstände, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die anschließende detaillierte Beschreibung verdeutlicht, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzpumpe nach dem Verteilerprinzip in einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage;
Fig. 2 ist eine Abbildung eines ganzen Dieselmotors in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzpumpe;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Zeitablaufs eines Hubs eines Kolbens mit Bezug auf die Schließ- und Öffnungszeiten eines Überströmventils;
Fig. 4 ist eine Darstellung der Variationen eines Hubs des Überströmventils beim Betrieb eines Motors mit hohen Drehzahlen und geringer Kraftstoff-Einspritzmenge;
Fig. 5 ist eine Darstellung der Variation einer Kraftstoff-Einspritzmenge bei einer Vorhub-Steuerung mit einer vergleichsweise großen Vorhubmenge beim Betrieb eines Motors bei hohen Drehzahlen und geringer Kraftstoff-Einspritzmenge;
Fig. 6 ist eine Darstellung der Variation einer Kraftstoff-Einspritzmenge bei einer Vorhub-Steuerung mit einer vergleichsweise kleinen Vorhubmenge beim Betrieb eines Motors bei hohen Drehzahlen und geringer Kraftstoff-Einspritzmenge;
Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines Beispiel-Ablaufschemas für die Berechnung der Vorhubmenge durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) wie in Fig. 2 dargestellt;
Fig. 8 ist eine Darstellung eines im Ablauf für die Berechnung der Vorhubmenge verwendeten Kennfeldes; und
Fig. 9 ist ein Flussdiagramm eines anderen Beispiel- Ablaufschemas für die Berechnung der Vorhubmenge durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) wie in Fig. 2 dargestellt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung:

Der folgende Abschnitt enthält eine Beschreibung der Ausführung einer erfindungsgemäßen elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzanlage mit Verweis auf Fig. 1 und Fig. 2. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzpumpe nach dem Verteilerprinzip 10 (nachstehend Kraftstoffeinspritzpumpe 10 genannt) in einer Kraftstoffeinspritzanlage. Fig. 2 zeigt eine Abbildung eines ganzen Dieselmotors 80 in Verbindung mit der Kraftstoffeinspritzpumpe 10.
Wie in Fig. 1 dargestellt, verfügt die Kraftstoffeinspritzpumpe 10 über eine Antriebsriemenscheibe 12, die über einen Antriebsriemen (nicht abgebildet) mit der Kurbelwelle 132 des Dieselmotors 80 verbunden ist. Die Kraftstoffeinspritzpumpe 10 wird durch Rotation der Antriebsriemenscheibe 12 angetrieben. Der Kraftstoff wird zu je einer Einspritzdüse 92 für jeden Zylinder des Dieselmotors 80 gefördert und in jeden Motorzylinder eingespritzt. In diesem Fall verfügt der Dieselmotor 80 über vier Motorzylinder.
Die Antriebsriemenscheibe 12 der Kraftstoffeinspritzpumpe 10 ist an einem Ende einer Antriebswelle 14 angebracht. In der Mitte der Antriebswelle 14 ist eine Kraftstoffpumpe 16 angebracht. Um die Verständlichkeit der Zeichnungen zu erleichtern, wurde die Kraftstoffpumpe 16 in Fig. 1 und Fig. 2 in einer um 90º verdrehten Darstellung abgebildet. Zusätzlich ist ein scheibenförmiger Impulsgeber 18 an einem inneren Ende der Antriebswelle 14 angebracht. Der Impulsgeber 18 verfügt auf seinem äußeren Umfang über mehrere Vorsprünge oder Zähne, die in gleichmäßigen Winkelabständen angebracht sind. Diese Vorsprünge oder Zähne werden nachstehend als Zähne bezeichnet. Im vorliegenden Fall sind in gleichmäßigen Winkelabständen vier Zahnausnehmungen vorgesehen. Eine Zahnausnehmung ist ein Bereich auf dem äußeren Umfang des Impulsgebers 18, auf dem kein Zahn oder Zähne vorgesehen sind. Die Anzahl der Zahnausnehmungen entspricht der Anzahl der Motorzylinder. Das innere Ende der Antriebswelle 14 ist über eine Kupplung (nicht abgebildet) mit einer Nockenscheibe 20 verbunden.
Zwischen dem Impulsgebers 18 und der Nockenscheibe 20 ist eine Rollenscheibe 24 vorgesehen. Entlang des Umfangs der Rollenscheibe 24 sind mehrere Kurvenrollen 26 so angebracht, dass sie auf die Steuerflächen 20a auf der Nockenscheibe 20 gerichtet sind. Die Anzahl der Steuerflächen 20a entspricht der Anzahl der Motorzylinder des Dieselmotors 80. Die Nockenscheibe 20 wird durch eine Feder 22 gegen die Kurvenrollen 26 gepresst.
Die Nockenscheibe 20 ist an einem Ende des Kolbens 28 befestigt, der den in einen Zylinder 32 geförderten Kraftstoff mit Druck beaufschlagt. Die Nockenscheibe 20 und der Kolben 28 drehen sich gemeinsam durch die Rotation der Antriebswelle. 14. Dazu wird die Rotationskraft der Antriebswelle 14 über die Kupplung auf die Nockenscheibe 20 übertragen. Die Nockenscheibe 20 steht während ihrer Rotation im Eingriff mit den Kurvenrollen 26. Dadurch führt die Nockenscheibe 20 eine Hin- und Herbewegung in axialer Richtung zur Antriebswelle 14 aus, während sie durch die Antriebswelle 14 in Rotation versetzt wird. Entsprechend führt auch der an die Nockenscheibe 20 montierte Kolben 28 im Zylinder 32 eine Hin- und Herbewegung aus, während er rotiert. Im Detail bedeutet dies, dass der Kolben 28 nach vorne bewegt wird, wenn die Steuerflächen 20a der Nockenscheibe 20 auf den Kurvenrollen 26 der Rollenscheibe 24 aufsitzen und der Kolben 28 nach hinten bewegt wird, wenn die Steuerflächen 20a von den Kurvenrollen 26 frei kommen.
Der Kolben 28 ist in den Zylinder 32 eingesetzt, der in das Pumpengehäuse 30 eingeformt ist. Eine Endfläche des Kolbens 28 und die Bodenfläche des Zylinders 32 bilden zusammen eine Pumpenkammer 34. Eine Außenfläche des Kolbens 28 in der Nähe des Endes des Kolbens ist mit mehreren Nuten 36 und einem Verteileranschluss 38 versehen. Im Pumpengehäuse 30 sind mehrere Verteilerkanäle 42 und ein Einlassanschluss 40 vorgesehen, die zusammen eine Verbindung für den Kraftstoff von der Einlass- zur Auslassseite ergeben.
Wenn die Kraftstoffpumpe 16 durch Rotation der Antriebswelle 14 angetrieben wird, wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht abgebildet) über einen Kraftstoffzufuhranschluss 44 in eine Kraftstoffkammer 46 gefördert. Der Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 46 tritt in die Pumpenkammer 34 ein, wenn der Kolben 28 nach hinten bewegt wird und eine der Nuten 16 Verbindung zum Einlassanschluss 40 hat. Der in die Pumpenkammer 34 eingetretene Kraftstoff wird durch die Vorwärtsbewegung des Kolbens 28 mit Druck beaufschlagt und der druckbeaufschlagte Kraftstoff wird über eine der Verteilerkanäle 38 zur Einspritzdüse 92 gefördert.
Das Pumpengehäuse 30 ist mit einem Überströmkanal 48 versehen, um ein Überströmen des Kraftstoffs durch eine Verbindung zwischen der Pumpenkammer 34 und der Kraftstoffkammer 46 zu ermöglichen. Im Überströmkanal 48 ist ein elektromagnetisches Überströmventil 50 vorgesehen, das zur Steuerung des Überströmens des Kraftstoffs aus der Pumpenkammer 34 dient. Das elektromagnetische Überströmventil 50 ist ein Schließventil. Wenn eine Spule 52 nicht mit Spannung versorgt wird (d. h. ausgeschaltet ist), ist ein Ventilkörper 54 geöffnet, so dass der Kraftstoff aus der Pumpenkammer 34 in die Kraftstoffkammer 46 überströmen kann. Wenn die Spule 52 mit Spannung versorgt wird (d. h. eingeschaltet ist), ist der Ventilkörper 54 geschlossen, so dass ein Überströmen des Kraftstoffs aus der Pumpenkammer 34 in die Kraftstoffkammer 46 verhindert wird.
Das elektromagnetische Überströmventil 50 wird entsprechend der Zeitsteuerung geöffnet oder geschlossen, indem die Spule 52 des elektromagnetischen Überströmventils 50 mit Spannung versorgt wird. Auf diese Weise wird die Menge des aus der Pumpenkammer 34 in die Kraftstoffkammer 46 überströmenden Kraftstoffs gesteuert. Durch Öffnen des elektromagnetischen Überströmventils 50 während eines Kompressionshubs (einer Vorwärtsbewegung) des Kolbens 28 wird der Druck des Kraftstoffs in der Pumpenkammer 34 verringert und die Kraftstoff- Einspritzung über die Einspritzdüse 92 gestoppt. Das bedeutet, dass der Druck des Kraftstoffs in der Pumpenkammer 34 durch die Vorwärtsbewegung des Kolbens 28 nicht erhöht werden kann, solange das elektromagnetische Überströmventil 50 geöffnet ist. Dadurch erfolgt keine Kraftstoff-Einspritzung über die Einspritzdüse 92. Die Menge des in die Verteilerkanäle 42 geförderten druckbeaufschlagten Kraftstoffs wird getrennt von der Bewegung des Kolbens 28 durch die Zeitsteuerung des Öffnens und Schließens des elektromagnetischen Überströmventils 50 während der Vorwärtsbewegung des Kolbens 28 gesteuert.
Unter dem Pumpengehäuse 30 ist eine Verstelleinheit 56 (in Fig. 1 und Fig. 2 in einer um 90º verdrehten Darstellung abgebildet) für die Verstellung der zeitlichen Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung vorgesehen. Die Verstelleinheit 56 verändert die Position der Rollenscheibe 24 in Rotationsrichtung der Antriebswelle 14 derartig, dass die zeitliche Steuerung des Eingriffs der Steuerflächen 20a mit den Kurvenrollen 26 und damit die zeitliche Steuerung der Hin- und Herbewegung der Nockenscheibe 20 und des Kolbens 28 verändert wird.
Die Verstelleinheit 56 wird hydraulisch angetrieben und besteht aus einem Verstelleinheitsgehäuse 58, einem im Verstelleinheitsgehäuse 58 untergebrachten Verstellkolben 60 und der Verstellfeder 66, die in einer Niederdruckkammer 62 des Verstelleinheitsgehäuses 58 untergebracht ist und den Verstellkolben 60 in Richtung einer Druckkammer 64 drückt. Der Verstellkolben 60 ist über einen Gleitstift 68 mit der Rollenscheibe 24 verbunden.
Der durch die Kraftstoffpumpe 16 mit Druck beaufschlagte Kraftstoff tritt in die Druckkammer 64 des Verstelleinheitsgehäuses 58 ein. Die Stellung des Verstellkolbens 60 wird über eine Gleichgewichtsbeziehung zwischen dem Kraftstoffdruck und der wirkenden Kraft der Verstellfeder 66 bestimmt. Wenn die Stellung der Verstellfeder 66 festgelegt ist, ist die Stellung der Rollenscheibe 24 und damit die zeitliche Steuerung der Hin- und Herbewegung der Nockenscheibe 20 und des Kolbens 28 festgelegt.
In der Verstelleinheit 56 ist ein Verstellventil 70 zum Einstellen des Kraftstoffdrucks (d. h. des Steuerungsdrucks) der Verstelleinheit 56 vorgesehen. Das bedeutet, dass die Niederdruckkammer 62 mit der Druckkammer 64 des Verstelleinheitsgehäuses 58 über einen Verbindungskanal 72 miteinander kommunizieren können. Das Verstellventil 70 ist im Verbindungskanal 72 untergebracht. Das Verstellventil 70 ist ein elektromagnetisches Ventil, das in Abhängigkeit von einem durch die Leistungssteuerung gesteuerten Energiesignal geöffnet oder geschlossen wird. Durch das Öffnen und Schließen des Verstellventils 33 wird der Kraftstoffdruck in der Druckkammer 64 verändert. Durch Veränderung des Kraftstoffdrucks kann die Stellung der Rollenscheibe 24 verändert werden, was zu einer Veränderung der zeitlichen Steuerung der Bewegung des Kolbens 23 in Bezug auf die Winkelposition der Antriebswelle 14 führt.
Über der Rollenscheibe 24 ist ein Drehzahlsensor 74 einschließlich eines elektromagnetischen Abtasters so angebracht, dass er auf den Umfang des Impulsgebers 18 gerichtet ist. Der Drehzahlsensor 74 erkennt eine Änderung des magnetischen Kraftflusses, wenn die Zähne des Impulsgebers 18 einen Bereich unterhalb des Drehzahlsensors 74 durchqueren und gibt abhängig von der Drehzahl des Motors ein Impulssignal (das Motordrehzahlimpulssignal) aus. Das bedeutet in anderen Worten, dass der Drehzahlsensor 74 ein Drehwinkelsignal für jeden bestimmten Drehwinkel der Kurbelwelle sendet. Wenn eine Zahnausnehmung den Drehzahlsensor 74 passiert, gibt der Drehzahlsensor 74 kein Impulssignal aus. Durch die Abtastung des zeitlichen Verlaufs des Impulssignals vom Drehzahlsensor 74 kann die Winkelposition der Antriebswelle 14 und damit die Winkelposition des Dieselmotors festgestellt werden.
Der folgende Teile enthält eine Beschreibung des Dieselmotors 80. Der Dieselmotor 80 verfügt über vier Motorzylinder. Jeder dieser Motorzylinder hat einen Hauptbrennraum 88, einen Zylinder 82, einen Kolben 84 und einen Zylinderkopf 86. Der Hauptbrennraum 88 ist mit einer in jedem Motorzylinder vorgesehenen Vorkammer 90 verbunden. Der Kraftstoff wird aus der jeweiligen Einspritzdüse 92 in die Vorkammer 90 eingespritzt. Die Vorkammer 90 ist mit einer bekannten Glühkerze 94 als Starthilfevorrichtung ausgerüstet.
Der Dieselmotor 80 ist mit einem Ansaugrohr 96 und einem Abgasrohr 98 ausgerüstet. Das Ansaugrohr 96 ist zum Aufladen des Dieselmotors mit einem Kompressor 102 ausgestattet, der Bestandteil eines Turboladers 100 ist. In das Abgasrohr 98 ist eine Turbine 104 des Turboladers 100 eingebaut. Im Abgasrohr 98 ist zusätzlich ein Ladedruckregelventil 106 zum Steuern des Ladedrucks vorgesehen.
Im Ansaugrohr 96 ist eine Drosselklappe 110 vorgesehen, die durch Betätigung eines Gaspedals 108 geöffnet und geschlossen wird. Parallel zur Drosselklappe 110 ist eine Nebenstromdrosselklappe 114 in einem Nebenstromkanal 112 vorgesehen.
Die Nebenstromdrosselklappe 114 wird durch ein Stellglied 120 mit zwei getrennten Membrankammern gesteuert, die wiederum durch zwei Unterdruckschaltventile (VSV) 116 und 118 gesteuert werden. Die Nebenstromdrosselklappe 114 wird entsprechend des Betriebszustands des Dieselmotors 80 geöffnet oder geschlossen. Wenn der Dieselmotor 80 beispielsweise im Leerlauf läuft, ist die Nebenstromdrosselklappe 114 halb geöffnet, um unerwünschte Betriebsgeräusche und Schwingungen zu reduzieren. Wenn der Dieselmotor 80 unter normalen Betriebsbedingungen läuft, ist die Nebenstromdrosselklappe 114 vollständig geöffnet. Wenn der Dieselmotor 80 abgeschaltet wird, wird die Nebenstromdrosselklappe 114 geschlossen, um ein sanftes Anhalten des Dieselmotors 80 zu erreichen.
Das elektromagnetische Überströmventil 50, das Verstellventil 70, die Glühkerze 94 und die Unterdruckschaltventile (VSV) 116 und 118 sind elektrisch an ein elektronisches Steuergerät 122 (nachstehend ECU genannt) angeschlossen. Das ECU 122 steuert den zeitlichen Ablauf der Betätigung der vorstehend genannten Komponenten.
Zusätzlich zum Drehzahlsensor 74 sind neben den im Folgenden genannten Sensoren noch weitere Sensoren vorgesehen, um den Betriebszustand des Dieselmotors 80 zu ermitteln. Im Ansaugrohr 96 ist ein Zulufttemperatursensor 124 zum Ermitteln der Zulufttemperatur THA eingebaut. An der Drosselklappe 110 ist ein Drosselklappenöffnungssensor 126 untergebracht, der den Drosselklappenöffnungsgrad ACCP ermittelt, der vom Lastzustand des Dieselmotors 80 abhängt. In Strömungsrichtung hinter der Drosselklappe 110 ist ein Ansaugdrucksensor 128 vorgesehen, der den Ladedruck misst, also den Druck der durch den Turbolader 100 verdichteten Zuluft. Darüber hinaus ist in einem Zylinderblock des Dieselmotors 80 ein Wassertemperatursensor 130 vorgesehen, der die Kühlwassertemperatur THW des Dieselmotors 80 ermittelt. Zum Ermitteln einer Referenz-Winkelposition der Kurbelwelle 132 des Dieselmotors 80 ist ein Kurbelwellenwinkelsensor 134 vorgesehen. Dieser Kurbelwellenwinkelsensor 134 kann beispielsweise die Winkelposition der Kurbelwelle 132 in Bezug auf den oberen Totpunkt eines bestimmten Motorzylinders erkennen. Zusätzlich ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 136 vorgesehen, der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand der Drehzahl einer Abtriebswelle eines Getriebes ermittelt.
Der folgende Abschnitt enthält eine Beschreibung der Funktion einer Kraftstoffeinspritzanlage in der vorliegenden Ausführung. Wie vorstehend bereits erwähnt, wird durch eine Kraftstoffeinspritzanlage in erfindungsgemäßer Ausführung nur dann Kraftstoff eingespritzt, wenn das Überströmventil 50 geschlossen ist. Dementsprechend wird bei einer Änderung des Hubs des Kolbens 28 der Kraftstoffeinspritzpumpe 10 gemäß Fig. 3- (A) die durch die Ziffer 1 (eingekreist) gekennzeichnete Zeitdauer gleich der Kraftstoff-Einspritzdauer, wenn das Überströmventil 23 entsprechend der nicht unterbrochenen Linie in Fig. 3-(B) geschlossen und geöffnet wird. Wenn das Überströmventil 23 entsprechend der gestrichelten Linie in Fig. 3-(B) geschlossen und geöffnet wird, wird die durch die Ziffer 2 (eingekreist) gekennzeichnete Zeitdauer gleich der Kraftstoff-Einspritzdauer.
Im Dieselmotor 80 muss die Kraftstoff-Einspritzung zu einem angemessenen Zeitpunkt erfolgen, damit in jedem Zylinder zu einem angemessenen Zeitpunkt während eines Kompressionstakts eine Zündung erfolgt. Dementsprechend muss das Öffnen und Schließen des Überströmventils 50 hauptsächlich in Abhängigkeit von einem über den Kurbelwellenwinkelsensor 134 ermittelten Kurbelwellenwinkel erfolgen. Bei der vorliegenden Ausführung kann das Verhältnis zwischen der zeitlichen Steuerung der Bewegung des Kolbens 28 und dem Kurbelwellenwinkel des Dieselmotors 80 durch die Verstelleinheit 56 verändert werden.
Dementsprechend kann bei der vorliegenden Ausführung für die Kraftstoff-Einspritzdauer ein anderer als der in Fig. 3-(A) durch die Ziffer 1 (eingekreist) oder 2 (eingekreist) gekennzeichneter Wert für den Hub des Kolbens 28 gewählt werden, wobei eine angemessene zeitliche Steuerung in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel beibehalten wird.
Um eine vorteilhafte Abgasemissionscharakteristik des Dieselmotors 80 zu erhalten, hat es sich als wirkungsvoll erwiesen, die Zündfähigkeit durch eine feine Vernebelung des in den Hauptbrennraum 88 eingespritzten Kraftstoffs zu erhöhen. Eine feine Vernebelung kann durch Einspritzen mit hohem Druck erreicht werden. Dieser Druck kann durch die Einstellung einer relativ großen Vorhubmenge am Kolben 28 erzeugt werden.
Wenn allerdings bei einem Betrieb mit hoher Motordrehzahl NE und geringer Kraftstoff-Einspritzmenge, d. h. bei einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge, eine große Vorhubmenge gewählt wird, kann es passieren, dass die Kraftstoff-Einspritzmenge nicht gesteuert werden kann. Der folgende Abschnitt enthält eine Beschreibung der Ursachen für das Auftreten dieses unerwünschten Zustands anhand der Fig. 4. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Hub (und dem Schließgrad) des Überströmventils 50 und einem Kurbelwellenwinkel bei Veränderung des Sollwerts der Kraftstoff-Einspritzmenge bei einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge.
In Fig. 4 wird mit einer durchgehend gezeichneten Kurve, einer gestrichelt gezeichneten Kurve, einer mit einer doppelten Strichpunktlinie und einer mit einer einfachen Strichpunktlinie gezeichneten Kurve die Veränderung des Hubs des Überströmventils 50 dargestellt, wenn der Befehl zum Öffnen des Überströmventils 50 bei einem Kurbelwellenwinkel θ&sub0; innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach der Auslösung eines Befehls zum Schließen des Überströmventils gegeben wird. Die durchgehend gezeichnete Kurve zeigt die Veränderung bei einem Kurbelwellenwinkel von θ&sub1; Grad. Die gestrichelt gezeichnete Kurve zeigt die Veränderung bei einem Kurbelwellenwinkel von θ&sub2; Grad. Die mit einer doppelten Strichpunktlinie gezeichnete Kurve zeigt die Veränderung bei einem Kurbelwellenwinkel von θ&sub3; Grad. Die mit einer doppelten Strichpunktlinie gezeichnete Kurve zeigt die Veränderung bei einem Kurbelwellenwinkel von θ&sub4; Grad.
Bei Einstellung einer vergleichsweise großen Vorhubmenge wird der Kraftstoff vom Kolben 28 mit einer hohen Kraftstoff-Fördermenge gefördert. Darüber hinaus wird bei einem Betrieb des Dieselmotors 80 der Kolben mit einer hohen Hubgeschwindigkeit bewegt. Dadurch steigt der Druck in der Pumpenkammer 34 bei einer Vergleichsweise großen Vorhubmenge bei hoher Drehzahl des Dieselmotors 80 nach dem Schließen des Überströmventils 50 schnell an.
Wenn der Druck in der Pumpenkammer 34 während des Schließens des Überströmventils 50 schnell ansteigt, erreicht der Druck in der Pumpenkammer 34 vor dem vollständigen Schließen des Überströmventils den für den Einspritzvorgang erforderlichen Druck. Dadurch wird der Einspritzvorgang begonnen, bevor das Überströmventil vollständig geschlossen ist. Diese Erscheinung wird wie bereits erwähnt als Überström-Drosselung bezeichnet. Diese Überström-Drosselung tritt bei hoher Motordrehzahl NE und großer eingestellter Vorhubmenge auf.
In einem Betriebszustand, in dem eine Überström- Drosselung auftreten kann, wird beim Übergang des Dieselmotors 80 in einen Betriebszustand mit geringer Kraftstoff-Einspritzmenge der Zeitraum zwischen dem Schließen und dem Öffnen des Überströmventils 50 verkürzt, wodurch eine unvollständige Schließung des Überströmventils 50 auftritt wie durch die durchgehend oder die gestrichelt gezeichnete Kurve dargestellt. Im Ergebnis erfolgt die Kraftstoff-Einspritzung nur durch die Überström-Drosselung, wodurch eine genaue Steuerung der Kraftstoff-Einspritzmenge nicht mehr möglich ist.
Darüber hinaus wird das Überströmventil 50, wie durch die mit doppelter Strichpunktlinie gezeichnete Kurve in Fig. 4 gezeigt, bei Auslösung des Befehls zum Öffnen bei einem Kurbelwellenwinkel von θ&sub3; unmittelbar bevor der Hub des Überströmventils 50 einen vollständig geschlossenen Zustand erreicht, schneller vollständig geöffnet als unter Betriebsumständen, bei denen der Befehl zum Öffnen bei einem Kurbelwellenwinkel von θ&sub1; oder θ&sub2; ausgelöst wird, die beide vor dem Kurbelwellenwinkel θ&sub3; liegen. Dieser Effekt tritt auf, weil der Rückschlag synchron zum Zeitpunkt des vollständigen Schließens des Überströmventils 50 auftritt. Auch dieser Effekt ist unerwünscht. Dementsprechend gibt es bei der Kraftstoff- Einspritzung mit einer großen Vorhubmenge bei einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge wie in Fig. 5 gezeigt einen Kurbelwellenwinkelbereich, in dem die Kraftstoff- Einspritzmenge nicht genau gesteuert werden kann.
Wenn bei einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge eine kleine Vorhubmenge eingestellt wird, d. h. wenn der Schließzeitpunkt des Überströmventils 50 in eine Phase des Nockenhubs gelegt wird, in der die Kraftstoff-Fördermenge gering ist, kann der Druckanstieg in der Pumpenkammer 34 reduziert werden. Dadurch wird die Menge des aufgrund der Überström- Drosselung eingespritzten Kraftstoffs verringert. Darüber hinaus kann aufgrund der verminderten Kraftstoff- Fördermenge auch die Schließdauer des Überströmventils 50 verlängert werden, weshalb die Kraftstoff-Einspritzung zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, zu dem das Überströmventil 50 sicher geschlossen ist.
Wie bereits zuvor erwähnt, können die vorstehend beschriebenen Probleme eliminiert werden, wenn die Vorhubmenge genau an die Betriebsbedingungen des Dieselmotors 80 angepasst verringert wird. Das bedeutet, dass bei der Kraftstoff-Einspritzung mit einer genau an die Betriebsbedingungen des Dieselmotors 80 angepassten verringerten Vorhubmenge bei einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge die Kraftstoff-Einspritzmenge wie in Fig. 6 gezeigt über den gesamten Kurbelwellenwinkelbereich hinweg genau gesteuert werden kann.
Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines Beispiel-Ablaufschemas für die Berechnung der Vorhubmenge durch die ECU 122, bei der sich die vorstehend beschriebenen Vorteile ergeben. Fig. 8 ist eine Darstellung eines im Ablauf für die Berechnung der Vorhubmenge QPS verwendeten Kennfeldes. Wenn der in Fig. 7 dargestellte Ablauf gestartet wird, wird in Schritt 100 zunächst die Motordrehzahl NE eingelesen. In Schritt 102 wird die in einem anderen Ablauf berechnete Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge Q eingelesen. In Schritt 104 wird anhand des in Fig. 8 gezeigten Kennfeldes auf der Basis der Motordrehzahl NE und der Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge Q die angemessene Vorhubmenge QPS ermittelt und der Ablauf abgeschlossen.
Das in Fig. 8 gezeigte Kennfeld ist so ausgelegt, dass die Vorhubmenge QPS verringert wird, wenn die Motordrehzahl NE ansteigt oder die Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge Q abnimmt. Dies bedeutet in anderen Worten, dass die Vorhubmenge QPS in dem in Fig. 8 abgebildeten QPS-Kennfeld in Richtung des Betriebszustands mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge verringert wird, um damit zu erreichen, dass über den gesamten Betriebsbereich des Dieselmotors 80 zu keinem Zeitpunkt ein Zustand erreicht wird, bei dem die Kraftstoff-Einspritzung ausschließlich aufgrund der Überström-Drosselung erfolgt. Dementsprechend ist bei der vorliegenden Ausführung das Überströmventil 50 bei jeder. Kraftstoff-Einspritzung zuverlässig geschlossen und der Befehl zum Öffnen wird erst ausgelöst, wenn das Überströmventil vollständig geschlossen ist. Dadurch hat der Rückschlageffekt des Überströmventils 50 keinen Einfluss auf den Zeitraum, in dem das Überströmventil 50 geschlossen ist.
Dadurch wird eine genaue Steuerung der Kraftstoff- Einspritzmenge über den gesamten Betriebsbereich des Dieselmotors 2 hinweg erreicht.
In dem in Fig. 7 abgebildeten Ablauf wird die Vorhubmenge QPS auf der Basis der Motordrehzahl NE und der Soll- Kraftstoff-Einspritzmenge Q ermittelt. Die Vorhubmenge QPS kann anhand der Zulufttemperatur THA und der Kühlwassertemperatur THW korrigiert werden. Wenn eine Korrektur der Vorhubmenge QPS nach der Ermittlung der Vorhubmenge anhand des in Fig. 8 gezeigten Kennfeldes erfolgt, kann die am Ende ermittelte Vorhubmenge QPS zu einem Zustand wie in dem in Fig. 5 gezeigten nicht steuerbaren Bereich der Kraftstoff-Einspritzmenge führen. Um dieses Problem zu beseitigen, muss der Wert der Vorhubmenge QPS nach dieser Korrektur innerhalb eines Bereichs liegen, in dem dieser nicht steuerbare Zustand nicht auftritt.
Fig. 9 ist ein Flussdiagramm eines Beispiel-Ablaufschemas für die Berechnung der auf der Basis der Zulufttemperatur THA und der Kühlwassertemperatur THW korrigierten Vorhubmenge durch die ECU 122. Wenn der in Fig. 9 dargestellte Ablauf gestartet wird, wird in Schritt 200 zunächst die Motordrehzahl NE eingelesen. In Schritt 202 wird die Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge Q eingelesen. In Schritt 204 werden die Zulufttemperatur THA und die Kühlwassertemperatur THW eingelesen.
In Schritt 206 wird anhand eines zweidimensionalen Grund- Kennfeldes auf der Basis der Motordrehzahl NE und der Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge Q die Vorhubmenge QPS ermittelt. Dieses zweidimensionale Grund-Kennfeld wird auf der Basis der Leistungs- und der Abgasemissionscharakteristik des Dieselmotors 80 erstellt, ohne dabei eine Vermeidung des nicht steuerbaren Bereichs der Kraftstoff-Einspritzmenge zu berücksichtigen. Dementsprechend besteht bei der Durchführung der Kraftstoff-Einspritzung zu diesem Zeitpunkt die Möglichkeit, dass die Kraftstoff- Einspritzmenge bei einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge aus den zuvor erläuterten Gründen in einen nicht steuerbaren Bereich wie in Fig. 5 gezeigt fällt.
In Schritt 208 wird die in Schritt 206 ermittelte Vorhubmenge QPS auf der Basis der Kühlwassertemperatur THW korrigiert. Das bedeutet, dass eine korrigierte Vorhubmenge QPS' nach nachstehender Gleichung ermittelt wird, bei der XKTHW für einen Korrekturfaktor steht, der eine Funktion der Kühlwassertemperatur THW ist:
QPS' = QPS · XKTHW
In Schritt 210 wird die in Schritt 208 ermittelte korrigierte Vorhubmenge QPS' auf der Basis der Zulufttemperatur THA weiter korrigiert. Das bedeutet, dass eine korrigierte Vorhubmenge QPS" nach nachstehender Gleichung ermittelt wird, bei der XKTHA für einen Korrekturfaktor steht, der eine Funktion der Zulufttemperatur THA ist:
QPS" = QPS' · XKTHA
In Schritt 212 wird anhand eines weiteren zweidimensionalen Kennfeldes auf der Basis der Motordrehzahl NE und der Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge Q eine maximale Vorhubmenge QPSMAX ermittelt. Dieses zweidimensionale Kennfeld wird so erstellt, dass sich eine maximale Vorhubmenge QPSMAX ermitteln lässt, bei der der nicht steuerbare Bereich der Kraftstoff- Einspritzmenge eliminiert wird.
In Schritt 214 wird ermittelt, ob die korrigierte Vorhubmenge QPS" kleiner als die maximale Vorhubmenge QPSMAX ist. Falls die korrigierte Vorhubmenge QPS" kleiner als die maximale Vorhubmenge QPSMAX ist, wird festgelegt, dass die korrigierte Vorhubmenge QPS" eine angemessene Vorhubmenge ist und der Ablauf wird beendet. Falls aber festgestellt wird, dass die korrigierte Vorhubmenge QPS" nicht kleiner als die maximale Vorhubmenge QPSMAX ist, erfolgt ein Sprung zu Schritt 216 und die korrigierte Vorhubmenge QPS" wird durch die maximale Vorhubmenge QPSMAX ersetzt. Dann wird der Ablauf beendet.
In dem in Fig. 9 gezeigten Ablauf führt die am Ende festgelegte Vorhubmenge QPS" über den gesamten Betriebsbereich des Dieselmotors 80 hinweg zu keinem Zeitpunkt zu einer Kraftstoff-Einspritzmenge, die im nicht steuerbaren Bereich liegt. Darüber hinaus kann der Dieselmotor 80 bei Verwendung der am Ende festgelegten Vorhubmenge QPS" in einem guten Betriebszustand betrieben werden, in dem sich eine vorteilhafte Leistungs- und Abgasemissionscharakteristik ergeben. Dementsprechend kann bei Ausführung des in Fig. 9 gezeigten Ablaufs durch die ECU 122 eine genaue Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung über den gesamten Betriebsbereich hinweg erfolgen, ohne dabei die Leistungs- und die Abgasemissionscharakteristik des Dieselmotors 80 zu verschlechtern.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführung wird der Ablauf für die Steuerung der Vorhubmenge durch die ECU 122 auf der Basis des Motordrehzahlimpulssignals des Drehzahlsensors 74 durchgeführt und die ECU 122 sendet den Befehl zum Öffnen des Überströmventils 50 während des Ablaufs der Förderung des druckbeaufschlagten Kraftstoffs.

Claims

1. Eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage für einen Dieselmotor (80), mit:

einer elektronisch gesteuerten

Kraftstoffeinspritzpumpe nach dem Verteilerprinzip (10) mit einem Überströmventil (50) zur Ermöglichung des Überströmens von Kraftstoff, der in einer Pumpenkammer (34) der genannten Kraftstoffeinspritzpumpe (10) mit. Druck beaufschlagt wird, einer Vorhubsteuerung zur Steuerung einer Vorhubmenge, die als Zeitraum vom Beginn der Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs in der genannten Pumpenkammer (34) bis zum Zeitpunkt des Schließens des genannten Überströmventils (50) definiert ist, die so ausgeführt wird, dass der Schließzeitpunkt des genannten Überströmventils (50) auf einen vorher bestimmten Zeitpunkt während der Dauer der Förderung des Kraftstoffs durch die gerannte Pumpenkammer (34) festgelegt wird;

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorhubmenge auf der Basis der Motordrehzahl des genannten Dieselmotors (80) und einer Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge so festgelegt wird, dass die Vorhubmenge verringert wird, wenn die genannte Motordrehzahl erhöht und wenn die genannte Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge verringert wird, so dass ein Zustand mit einer nicht steuerbaren Kraftstoff-Einspritzmenge verhindert wird, wenn der genannte Dieselmotor (80) in einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Einspritzmenge betrieben wird.

2. Die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage gemäß Anspruch 1;

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorhubmenge auf der Basis eines zweidimensionalen Kennfeldes gebildet aus der genannten Motordrehzahl und der genannten Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge festgelegt wird.

3. Eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage für einen Dieselmotor (80), mit:

einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzpumpe nach dem Verteilerprinzip (10) mit einem Überströmventil (50) zur Ermöglichung des Überströmens von Kraftstoff, der in einer Pumpenkammer (34) der genannten Kraftstoffeinspritzpumpe (10) mit Druck beaufschlagt wird, einer Vorhubsteuerung zur Steuerung einer Vorhubmenge, die als Zeitraum vom Beginn der Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs in der genannten Pumpenkammer (34) bis zum Zeitpunkt des Schließens des genannten Überströmventils (50) definiert ist, die so ausgeführt wird, dass der Schließzeitpunkt des genannten Überströmventils (50) auf einen vorher bestimmten Zeitpunkt während der Dauer der Förderung des Kraftstoffs durch die genannte Pumpenkammer (34) festgelegt wird;

dadurch gekennzeichnet, dass

eine erste Vorhubmenge auf der Basis der Motordrehzahl des genannten Dieselmotors (80) und einer Soll-Kraftstoff-Einspritzmenge festgelegt wird;

diese ermittelte erste Vorhubmenge auf der Basis der Zulufttemperatur und der Kühlwassertemperatur des genannten Dieselmotors (80) korrigiert wird;

eine maximale Vorhubmenge auf der Basis der genannten Motordrehzahl und Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge festgelegt wird, wobei die maximale Vorhubmenge als oberer Grenzwert der Vorhubmenge definiert ist, mit der ein Zustand mit einer nicht steuerbaren Kraftstoff-Einspritzmenge verhindert wird;

die Vorhubmenge auf den Wert der maximalen Vorhubmenge gesetzt wird, wenn die korrigierte Vorhubmenge größer als die maximale Vorhubmenge ist; und

die Vorhubmenge auf den Wert der korrigierten Vorhubmenge gesetzt wird, wenn die korrigierte Vorhubmenge nicht größer als die maximale Vorhubmenge ist.

4. Die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage gemäß Anspruch 3;

dadurch gekennzeichnet, dass

die erste Vorhubmenge auf der Basis eines zweidimensionalen Kennfeldes gebildet aus der genannten Motordrehzahl und der genannten Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge festgelegt wird.

5. Die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4;

dadurch gekennzeichnet, dass

die maximale Vorhubmenge auf der Basis eines zweidimensionalen Kennfeldes gebildet aus der genannten Motordrehzahl und der genannten Soll-Kraftstoff- Einspritzmenge festgelegt wird.