EP0342322A1 - Brennstoffeinspritzsystem - Google Patents

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EP0342322A1
EP0342322A1 EP89103704A EP89103704A EP0342322A1 EP 0342322 A1 EP0342322 A1 EP 0342322A1 EP 89103704 A EP89103704 A EP 89103704A EP 89103704 A EP89103704 A EP 89103704A EP 0342322 A1 EP0342322 A1 EP 0342322A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
fuel
valve
injection system
metering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89103704A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Härtel Günter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP0342322A1 publication Critical patent/EP0342322A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/02—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically specially for low-pressure fuel-injection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/14—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel having cyclically-operated valves connecting injection nozzles to a source of fuel under pressure during the injection period
    • F02M69/145—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel having cyclically-operated valves connecting injection nozzles to a source of fuel under pressure during the injection period the valves being actuated electrically

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for internal combustion engines according to the preamble of patent claim 1.
  • Fuel injection systems of this type are intended for internal combustion engines which are used in vehicles and are therefore subject to high requirements with regard to precise and trouble-free fuel metering.
  • Fuel injection systems with intermittent or sequential injection are already known, in which each cylinder of the internal combustion engine is assigned an electromagnetic injection valve which opens into the air intake duct leading to the cylinder and responds to signals formed in an electronic control unit.
  • a mechanical injection system is known in which a central metering element adjustable from a baffle flap doses the fuel for the individual cylinders, which is then fed to the injection valves via differential pressure valves and lines, which automatically open at a certain opening pressure and atomize the fuel.
  • the valves have no metering function and inject the fuel continuously.
  • Such an injection system is not suitable for a sequential injection in which the amount of fuel for each individual cylinder is to be precisely determined and injected into the relevant air intake duct.
  • the invention is based on the consideration that the injection which takes place through one cylinder of the internal combustion engine and which is associated with the internal combustion engine is imprecise due to the qualitative differences between the individual injection valves (sample variations) which still exist at the moment.
  • a central metering element is designed as an electromagnetic metering valve and is exposed to the differential pressure between a fuel supply system and a distribution chamber common to all cylinders, whereby, similarly to the mechanical injection discussed at the beginning, injection valves must be provided which open automatically under the fuel pressure. Since these valves have no metering function, they have a simple structure and can be produced with relatively low quality requirements.
  • the locking advantageously takes place in accordance with an electronic distribution (electronic commutation) as a function of the encoder signals indicating the angular position of the crankshaft or camshaft.
  • the electromagnetic metering valve measures the fuel calculated for the cylinder within the time period in which the lock is released.
  • the fuel injection system according to the invention is shown schematically in FIG. 1.
  • the fuel passes from a fuel tank 1 via a feed line 2 to the fuel pump 3 and from there under pressure via a fine filter 4 to a metering and distribution unit 5.
  • the excess fuel is fed from there via a return line 6, in which a fuel pressure regulator 7 is arranged is conveyed back into the fuel tank 1.
  • the metered fuel is fed in time sequence in accordance with the ignition sequence of the internal combustion engine from the metering and distributor unit 5 via distributor lines 8 to injection valves 9 and injected into cylinder inlet channels 10 through these.
  • the device required for metering the fuel consists of a metering valve 11 (FIG. 2) with control lines 12 and an electronic control unit 13.
  • the electronic control unit 13 is also via control lines 14 with the fuel pump 3, control lines 15 with a synchronous motor 16 and via inputs 17 connected to the detection of the engine parameters and other measured variables.
  • valve closing body 18 When the valve closing body 18 is closed, all the fuel flowing in via the supply line 2 is conveyed back into the fuel tank 1 via the return line 6. If injection is to take place in one of the cylinder inlet ducts 10, the valve closing body 18 must first open against the force of a compression spring 19. This is done by activating the metering valve 11 via the actuation lines 12. When actuated, a magnetic coil 20 is acted upon by electrical current, as a result of which a magnetic field is formed and the valve closing body 18 opens up to a central pole 21 until it stops.
  • the fuel pressure rising by opening the metering valve 11 in the distributor chamber 22 also propagates via the opened window (covering the openings from the distributor bore 23 and one of the distributor bores 25) via the distributor line 8 to the injection valve 9.
  • the valve closing body 26 of the respective injection valve 9 which is acted upon by spring force in the closing direction, opens.
  • a volume flow is established which results from the pressure difference between the distributor chamber 22 and the cylinder inlet channel 10 and the free flow cross sections between the points mentioned.
  • the rotary valve 24 is driven in phase with the camshaft speed by means of a synchronous motor 16 (or a direct mechanical drive), the arrangement shown as an example ensures that the individual cylinders are supplied with fuel in accordance with the firing order.
  • the allocation can take place phase-dependent and in dependence on further parameters, since the start and end of spraying can be varied in other areas by controlling the metering valve 11 in order to achieve optimal exhaust gas, consumption and performance values.
  • the system also offers the option of cylinder-selective fuel metering for applications with cylinder-specific sensors and control strategies (knocking, lambda, ion current, light emission from combustion, uneven running, etc.)
  • the metering characteristic of the metering valve 11 has been recorded in engine or test mode and has been stored as a characteristic curve in control unit 13, so that the sample scatter is taken into account when determining the amount of fuel corresponding to the engine operating state and the manufacture of metering valves 11 with economical, greater tolerances with regard to compliance of characteristic data of the valve.
  • FIG 3 shows a diagram with the opening and closing phase characteristic curve 29 of the metering valve 11 (open-closed) plotted over the axis 28 with the angular positions of the crankshaft plotted, and the locking and unlocking and opening phase characteristic curve 30 plotted under the axis 28 the injection valves 9 assigned to the cylinder inlet channels 10 or their distributor bores 8.

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Abstract

Brennstoffeinspritzsysteme mit intermittierender bzw. sequentiel­ler Einspritzung dadurch gekennzeichnet, daß das Zumeßglied als elektromagnetisches Zumeßventil (11) ausgebildet und dem Differenzdruck zwischen einem Brennstoffversorgungssystem und einer Verteiler­kammer (22) für die Einspritzventile ausgesetzt ist,
daß die Einspritzventile (9) in Abhängigkeit vom Brennstoffdruck selbsttätig öffnen und schließen und deren Verbindungen zur Verteilerkammer (22) verriegelbar sind, daß die Verriegelung in Abhängigkeit von der Zündfolge für jeweils ein Einspritz­ventil (9) aufgehoben wird und
daß das Zumeßventil (11) innerhalb der Zeitspanne, in der die Verriegelung aufgehoben wird, den für den betreffenden Zylinder bestimmten Brennstoff zumißt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    Derartige Brennstoffeinspritzsysteme sind für Brennkraftmaschinen vorgesehen, die in Fahrzeuge eingesetzt werden und daher hohen Anforderungen hinsichtlich einer ge­nauen und störungsfreien Brennstoffzuessung unterliegen.
  • Es sind bereits Brennstoffeinspritzsysteme mit intermittierender bzw. sequentieller Einspritzung bekannt, bei denen jedem Zylinder der Brennkraftmaschinen ein elektro­magnetisches Einspritzventil zugeordnet ist, das in den zu dem Zylinder führenden Luftansaugkanal einmündet und auf in einem elektronischen Steuergerät gebildete Signale anspricht.
  • Obwohl die Signale mit hoher Genauigkeit reproduzierbar sind, ergeben sie jedoch in ihrer Wirkung auf die einzelnen Einspritzventile unterschiedlich große Brennstoffein­spritzmengen und damit eine unterschiedliche Gemischverteilung auf die einzelnen Zy­linder. Dieser Fehler kann nur durch extrem hohe Qualität der Einspritzventile einge­engt werden.
  • Aus der DE-PS 23 40 834 ist ein mechanisches Einspritzsystem bekannt, bei dem ein von einer Stauklappe verstellbares zentrales Zumeßglied den Brennstoff für die einzel­nen Zylinder dosiert, der dann über Differenzdruckventile und Leitungen den Einspritz­ventilen zugeführt wird, die bei einem bestimmten Öffnungsdruck selbsttätig öffnen und den Brennstoff zerstäuben. Die Ventile haben keine Zumeßfunktion und spritzen den Brennstoff kontinuierlich ein.
    Ein derartiges Einspritzsystem ist nicht geeignet für eine sequentielle Einspritzung, bei der die Brennstoffmenge für jeden einzelnen Zylinder genau bestimmt und in den be­treffenden Luftansaugkanal eingespritzt werden soll.
  • Hiervon ausgehend liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues elektronisch gesteuer­tes Einspritzsystem zu schaffen, mit dem bei einfachem Aufbau eine sequentielle Ein­spritzung ohne Gemischverteilungsfehler erreichbar ist.
  • Diese Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk­malen gelöst worden. Weiterbildende Merkmale der Erfindung sind in den Unteran­sprüchen genannt.
  • Mit der Erfindung erreichbare Vorteile werden nachfolgend anhand eines in der Zeich­nung dargestellten Ausführungsbeispiels angegeben.
  • Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die durch jeweils einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnete elektromagnetische Einspritzventile erfolgende Ein­spritzung aufgrund der zur Zeit noch bestehenden qualitativen Unterschiede zwischen den einzelnen Einspritzventilen (Exemplarstreuungen) ungenau ist.
  • Abhilfe hierfür ist gegeben, wenn ein zentrales Zumeßglied als elektromagnetisches Zumeßventil ausgebildet und dem Differenzdruck zwischen einem Brennstoffversor­gungssystem und einer für alle Zylinder gemeinsamen Verteilerkammer ausgesetzt wird, wobei ähnlich wie bei der eingangs behandelten mechanischen Einspritzung Ein­spritzventile vorgesehen sein müssen, die selbsttätig unter dem Brennstoffdruck öffnen. Da diese Ventile keine Zumeßfunktion haben, weisen diese einen einfachen Aufbau auf und sind mit relativ geringen Qualitätsanforderungen herstellbar.
  • Dadurch, daß die Verbindungen der Einspritzventile verriegelbar bzw. entriegelbar sind, um in Abhängigkeit von den Motorarbeitszyklen bzw. der Zündfolge das jeweils betref­fende Ventil freigeben zu können, kann eine sequentielle Einspritzung erfolgen.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Verriegelung entsprechend einer elektronischen Vertei­lung (elektronische Kommutierung) in Abhängigkeit von die Winkelstellung der Kurbel- oder Nockenwelle anzeigenden Gebersignalen.
  • Das elektromagnetische Zumeßventil mißt innerhalb der Zeitspanne, in der die Verrie­gelung aufgehoben ist, den für den Zylinder berechneten Brennstoff zu.
  • Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Einspritzsystems ist in der Zeichnung dargestellt.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen,
    • Fig. 2 eine Ausbildung der Zumeß- und Verteilereinheit,
    • Fig. 3 ein Diagramm mit zeitlichem Verlauf der Ver- bzw. Entriegelungsphasen sowie der Öffnungsphasen des Zumeßventils.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzsystem ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Brennstoff gelangt aus einem Brennstoffbehälter 1 über eine Vorlaufleitung 2 zur Brennstoffpumpe 3 und von dort unter Druck über einen Feinfilter 4 zu einer Zumeß- und Verteilereinheit 5. Der im Überschuß geförderte Brennstoff wird von dort über eine Rücklaufleitung 6, in welcher ein Brennstoffdruckregler 7 angeordnet ist, in den Brennstoffbehälter 1 zurückgefördert. Der zugemessene Brennstoff wird in zeitlicher Folge entsprechend der Zündfolge der Brennkraftmaschine von der Zumeß- und Vertei­lereinheit 5 über Verteilerleitungen 8 Einspritzventilen 9 zugeführt und durch diese in Zylindereinlaßkanäle 10 eingespritzt. Die für die Zumessung des Brennstoffes benötigte Einrichtung besteht aus einem Zumeßventil 11 (Fig. 2) mit Ansteuerleitungen 12 und enem elektronischen Steuergerät 13. Das elektronische Steuergerät 13 ist weiterhin über Ansteuerleitungen 14 mit der Brennstoffpumpe 3, Ansteuerleitungen 15 mit einem Synchronmotor 16 und über Eingänge 17 zur Erfassung der Motorparameter und sonstiger Meßgrößen verbunden.
  • Fig. 2 zeigt die Zumeß- und Verteilereinheit 5 im Detail mit dem Zumeßventil 11 mit einem Ventilschließkörper 18. Bei geschlossenem Ventilschließkörper 18 wird der ge­samte über die Vorlaufleitung 2 zuströmende Brennstoff über die Rücklaufleitung 6 wieder in den Brennstoffbehälter 1 zurückgefördert. Soll in einen der Zylindereinlaßka­näle 10 eingespritzt werden, so muß zunächst der Ventilschließkörper 18 gegen die Kraft einer Druckfeder 19 öffnen. Dies erfolgt durch Ansteuerung des Zumeßventils 11 über die Ansteuerleitungen 12. Bei Ansteuerung wird eine Magnetspule 20 mit elektri­schem Strom beaufschlagt, wodurch sich ein Magnetfeld ausbildet und den Ventil­schließkörper 18 bis zum Anschlag an einen Zentralpol 21 öffnet. Dadurch gelangt Brennstoff unter Systemdruck in eine Verteilerkammer 22, welche bei dem in den Fi­guren gezeigten Beispiel für einen 4-Zylinder-Viertaktmotor eine Verteilerbohrung 23 aufweist, die in der Wandung eines Drehschiebers 24 angeordnet ist. Bei Rotation des Drehschiebers 24 gelangt jeweils nach 90° Drehung die Verteilerbohrung 23 in Deckung mit einer von vier Verteilerbohrungen 25.
  • Der durch Öffnen des Zumeßventils 11 in der Verteilerkammer 22 ansteigende Brenn­stoffdruck pflanzt sich über das geöffnete Fenster (Überdeckung der Öffnungen von der Verteilerbohrung 23 und eine der Verteilerbohrungen 25) auch über die Verteilerlei­tung 8 zum Einspritzventil 9 fort. Bei Überschreitung des Öffnungs- und Abspritz­druckes des Einspritzventils 9 öffnet der in Schließrichtung mit Federkraft beauf­schlagte Ventilschließkörper 26 des jeweiligen Einspritzventils 9. Beim Einspritzvor­gang stellt sich ein Volumenstrom ein, der sich aus der Druckdifferenz zwischen der Verteilerkammer 22 und dem Zylindereinlaßkanal 10 und den freien Strömungsquer­schnitten zwischen den genannten Punkten ergibt.
  • Es ist erforderlich, die Ventilöffnungsquerschnitte am Zumeßventil 11, dem Einspritz­ventil 9 und am Drehschieber 24 überzudimensionieren und eine genaue Kalibrierung einer Drossel 27 vorzunehmen, die in jeder Verteilerleitung 8 angeordnet ist. Eine gute Gleichverteilung wird bei der vorgeschlagenen Einrichtung dadurch begünstigt, daß sich im gesamten Motorkennfeld während des Einspritzvorganges in etwa immer der gleiche Kraftstoffvolumenstrom pro Zeiteinheit einstellt und der Abgleich nur für diesen einen Durchsatzpunkt erforderlich ist. Die Anpassung der Einspritzmenge an den Motorbedarf erfolgt drehzahlabhängig durch die Impulsfolge (nockenwellen-synchroner Antrieb des Drehschiebers 24 und nockenwellen-synchrone Ansteuerung des Zumeßventils 11) und lastabhängig durch eine Impulslängensteuerung des Zumeßventils.
  • Durch Schließen des Zumeßventils 11 wird der Abspritzvorgang abgebrochen, da keine Nachförderung von Brennstoff mehr erfolgt und die mit Federkraft in Schließrichtung beaufschlagten Ventilschließkörper 26 den Öffnungsquerschnitt der Einspritzventile 9 schließen, wobei in den Verteilerleitungen 8 etwa der Abspritzdruck der Einspritzven­tile 11 beibehalten wird.
  • Unter der Voraussetzung, daß der Drehschieber 24 mittels Synchronmotor 16 (oder ei­nem direkten mechanischen Antrieb) phasenrichtig mit Nockenwellendrehzahl ange­trieben wird, ist mit der beispielhaft gezeigten Anordnung gewährleistet, daß entspre­chend der Zündfolge die einzelnen Zylinder mit Brennstoff versorgt werden.
  • Die Zuteilung kann kennfeldabhängig und in Abhängigkeit von weiteren Parametern auch phasenverschoben erfolgen, da Spritzbeginn und -ende durch die Ansteuerung des Zumeßventils 11 zur Erreichung optimaler Abgas-, Verbrauchs- und Leistungswerte in weiteren Bereichen variiert werden können.
  • Weiterhin bietet das System die Möglichkeit der zylinderselektiven Brennstoffmengen­dosierung für Anwendungen mit zylinderspezifischer Sensorik und Regelstrategien (Klopfen, Lambda, Ionenstrom, Lichtemission der Verbrennung, Laufunruhe u.a.)
  • Vorteilhafterweise ist die Dosiercharakteristik des Zumeßventils 11 im Motor- oder Testbetrieb erfaßt und als Kennlinie im Steuergerät 13 abgelegt worden, so daß die Exemplarstreuung bei der Bestimmung der den Motorbetriebszustand entsprechenden Brennstoffmenge Berücksichtigung findet und die Fertigung der Zumeßventile 11 mit wirtschaftlichen, größeren Toleranzen hinsichtlich der Einhaltung von Kenndaten des Ventils erfolgen kann.
  • In Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit über der Achse 28 mit aufgetragenen Winkelstellungen der Kurbelwelle aufgetragener Öffnungs- und Schließphasen-Kennlinie 29 des Zumeß­ventils 11 (auf - zu) und unter der Achse 28 aufgetragener Ver- und Entriegelungs- und Öffnungsphasen-Kennlinie 30 der den Zylindereinlaßkanälen 10 zugeordneten Einspritz­ventilen 9 bzw. deren Verteilerbohrungen 8.

Claims (8)

1) Brennstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Luftan­saugkanalsystem mit zu den einzelnen Zylindern führenden Zylindereinlaßkanälen, in die Einspritzventile einmünden, die über Verteilerleitungen mit unter Druck stehen­dem Brennstoff versorgt werden, der durch ein zentrales Zumeßglied mengenmäßig in Abhängigkeit von Motorbetriebszustand und -kenndaten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zumeßglied als elektromagnetisches Zumeßventil (11) ausgebildet und dem Differenzdruck zwischen einem Brennstoffversorgungssystem und einer Verteiler­kammer (22) für die Einspritzventile (9) ausgesetzt ist,
daß die Einspritzventile (9) in Abhängigkeit vom Brennstoffdruck selbsttätig öffnen und schließen und deren Verbindungen zur Verteilerkammer (22) verriegelbar sind, daß die Verriegelung in Abhängigkeit von der Zündfolge für jeweils ein Einspritzven­til (9) aufgehoben wird und
daß das Zumeßventil (11) innerhalb der Zeitspanne, in der die Verriegelung aufge­hoben wird, den für den betreffenden Zylinder bestimmten Brennstoff zumißt.
2) Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent- und Verriegelung der Einspritzventile (9) in Abhängigkeit von die Winkelstellung der Kurbel- oder Nockenwelle anzeigenden Gebersignalen erfolgt.
3) Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent- und Verrie­gelung der Einspritzventile (9) in Abhängigkeit der Zündfolge erfolgt und jeweils mit einem Abschaltimpuls des Zumeßventils (11) gestartet bzw. beendet wird.
4) Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebersignale gleichzeitig ein Einspritzventil (9) verriegeln und das nächste durch die Zündfolge vorgegebene entriegeln.
5) Einspritzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes die Zündfolge charakterisierendes und die Ent- und Verriegelung be­wirkendes Signal sowie ein zweites, die dem jeweiligen Zylinder zugemessene Brenn­stoffmenge charaktrisierendes und die Öffnung des Zumeßventils (11) bewirkendes zweites Signal in einem elektronischen Steuergerät (8) gebildet werden.
6) Einspritzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent- und Verriegelung über eine synchron mit der Zündfolge bzw. Brenn­kraftmaschinenwelle umlaufende Verteilereinheit (5) erfolgt.
7) Einspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinheit (5) einen Drehschieber (24) aufweist.
8) Einspritzsystem nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinheit (5) durch einen Synchronmotor (16) oder elektronisch kommutierten Gleichstrommotor oder von der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
EP89103704A 1988-05-20 1989-03-03 Brennstoffeinspritzsystem Withdrawn EP0342322A1 (de)

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