WO2018059818A1 - Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

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WO2018059818A1
WO2018059818A1 PCT/EP2017/070651 EP2017070651W WO2018059818A1 WO 2018059818 A1 WO2018059818 A1 WO 2018059818A1 EP 2017070651 W EP2017070651 W EP 2017070651W WO 2018059818 A1 WO2018059818 A1 WO 2018059818A1
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WO
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injector
fuel
switching
injectors
cylinder
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Application number
PCT/EP2017/070651
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English (en)
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Inventor
Michael Walter
Joerg Nafe
Tobias FALKENAU
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
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    • F02M21/0248—Injectors
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a system for the injection of fuel, in particular for gas-powered vehicles.
  • CPI central point
  • MPI multi-point injection
  • direct injection and port injection are also advantageous. Such combinations are described, for example, in DE 10 2007 030 798 A1, in DE 10 2010 043 112 A1 and in US 2006/207 555 A1.
  • the system for injecting fuel into an engine having a plurality of cylinders includes a draft tube for supplying combustion air to the cylinders.
  • the intake manifold has at least one branch leading to this cylinder per cylinder.
  • Each branch is assigned at least one injector for individually metering fuel into this branch.
  • At least one additional switching injector for metering in additional fuel is arranged upstream of a point at which the intake manifold branches into at least two branches.
  • the switching injector the mass flow of which benefits several cylinders, can provide the base load of fuel which is constantly required at the respective operating point of the engine and which is then supplemented for each cylinder by the respective cylinder-specific injector. In this way, it is no longer a conflict of interest to simultaneously provide a high mass flow and to meter a precisely metered amount of fuel to each cylinder.
  • Both the switching injector and the cylinder-specific injectors can each be marketable, low-cost injectors or all of the same design.
  • the Heidelberginjektor can also be open for a much longer time than a working cycle of the engine, so for longer than 720 ° CA.
  • Switch injector remains permanently open.
  • the Heidelberginjektor is thus claimed with a significantly lower number of opening and closing operations than the cylinder-individual injectors. Accordingly, the switching injector can be made cheaper than the cylinder-individual injectors.
  • the work piece provision of the fuel by the switching injector on the one hand and the cylinder-specific injectors on the other hand overall improves the precision of the fuel metering.
  • An engine must be supplied with sufficient fuel at high power demand, but is typically also operated at lower power demand operating points and correspondingly lower fuel requirements. If for both
  • the injectors with high static mass flows in the open state are generally less suitable to small quantities highly accurate to meter.
  • the higher the static mass flow of a valve the shorter the injection duration has to be in order to meter a small amount of material with the valve, for example when the engine is idling.
  • the minimum injection duration is in turn limited by the fact that the valve has mechanically moving parts.
  • the Heidelbergktor provides a meaningful additional degree of freedom:
  • the Heidelberginjektor example at operating points with low
  • Power requirement be closed so that then only the cylinder-specific injectors are active.
  • the switching injector can be open at operating points with a higher power requirement.
  • this injection duration is shorter than the opening time of the intake valve for the respective cylinder available in the current working cycle of the engine, only the cylinder-specific injector is used. On the other hand, if the mass flow provided by this injector does not suffice for the required cylinder output over the available opening time, and / or if the sum of the required injection times for the cylinder-specific injectors is greater than the time for a working cycle of the engine, the
  • Switch injector open, as long as the engine is operated at the appropriate operating point. It makes sense to switch between the two operating modes with a switching hysteresis in order to avoid unwanted clocking.
  • the division of labor between cylinder-specific injectors and switching injector has the further advantage over a parallel connection of several injectors per cylinder that the cold start behavior can be improved. High-precision cylinder-specific injectors tend to always be responsible for cold starts
  • An increase in the injector current can make a glued injector common again by heating the injector and / or by increasing the effective magnetic force. Now, for example, the
  • the same mass flow of fuel can be provided by the said division of labor with a significantly lower total power consumption than with a plurality of cylinder-individual injectors connected in parallel. Accordingly, in the design of the controller for the
  • Combustion air and fuel also improved by the spatial distance between the switching injector and the cylinder-individual injectors along the axis of the suction pipe.
  • the switching injector causes a good premix.
  • a further cost saving is effected in a further particularly advantageous embodiment of the invention, in which the switching injector has a minimum opening time of 5 ms or more.
  • Conventional cylinder-specific injectors have minimal opening times of 2.5 ms or less.
  • a lower speed requirement by a factor of 2 is already clearly reflected in the price.
  • the system for injecting fuel into an engine having a plurality of cylinders also includes an intake manifold for supplying the cylinders
  • Cylinder leading branch has. Unlike the first
  • Embodiment is now provided a plurality of injectors, which meter the fuel into a collector.
  • the collector opens into the intake manifold upstream of a point at which the intake manifold branches into at least two branches.
  • at least one additional switching injector is provided for metering additional fuel into the chamber, wherein the switching injector has a minimum opening time of 5 ms or more.
  • the switching injector can be made significantly less expensive than the other injectors which are responsible for the fine metering of the fuel quantity. Accordingly, these injectors can in turn be designed for lower mass flows, so that again costs can be saved here.
  • the division of labor between the switching injector on the one hand and the other injectors on the other hand works comparable to the division of labor between base load power plants and peak load power plants in the power grid.
  • the base load power plants are comparatively sluggish and meet the constant demand, while the exact timing of the production is brought by the fast controllable, expensive peak load power stations in accordance with the time program of the current consumption.
  • the fuel may in particular be a gaseous fuel and here
  • natural gas compressed natural gas, CNG, or liquefied natural gas, LNG.
  • the switching injector has a minimum opening time of at most 50 ms. This represents an optimal compromise between an even cheaper version of the switching injector on the one hand and the ability to respond quickly to load changes of the engine, on the other hand.
  • the Siemensinjektor comprises a bistable solenoid valve or a pneumatically actuated valve.
  • a bistable solenoid valve may for example be designed so that it is in each case by a short current pulse between its two switching position can be switched. So it is not a constant holding current needed to keep the switch injector open against a restoring force. A current is only required if the information is to be transmitted that the
  • a pneumatically operable valve may also be bistable, but also monostable, i. actuated by pressurization against a restoring force. Even in the latter case, to hold the open state no continuous power supply is required as in a monostable solenoid valve, but only a connection to a pressure source.
  • the constant connection with the pressure source can also be replaced, for example, by locking the control pressure in the control chamber of the valve.
  • Injectors are used for fuel injection. Especially the according to the invention lower requirement for the minimum opening time of
  • Switching valve now makes it possible to use such comparatively slow valves as switching valves and to save energy in this way.
  • the switch injector in the open state has a higher static mass flow than the injectors. This allows the division of labor between the switching injector on the one hand and the other injectors on the other hand in a particularly large cost advantage, because a comparatively slow Wegktor is compared to the static mass flow in the open state much cheaper than a high-precision fast injector.
  • a plurality of switching injectors are provided, and / or at least one switching injector has at least two open states with different static mass flows. In this way, the base load of fuel, by the comparatively slow and therefore inexpensive Druckinjektor
  • the invention also relates to a method for operating a
  • Mass flow through the Wegktor and the time program ⁇ ⁇ ) of the mass flow through at least one other injector which may be in particular of a faster-opening type than the Wegktor, so controlled that the total mass flow ms (t) + mN (t) at least approximately corresponds to a predetermined desired time program m (t).
  • a boost phase by applying a high boost voltage to the solenoid of the solenoid valve, first the current through the solenoid is rapidly driven to a high level. The current is then held high in a pull-in phase until the solenoid valve is opened. Only then is the current lowered to the holding current. Losses occur in the boost phase and in the pull-in phase, for example, in that the ohmic power dissipation increases with the square of the current.
  • the optimization can therefore be oriented, for example, to obtaining the largest proportion of the required mass flow from one or more switching injectors. In this case, in particular different designs of the switching injector on the one hand and the other injectors on the other hand can be taken into account. In particular, it can go into the optimization when the
  • the method can be implemented completely or partially in software.
  • a complete implementation in software is particularly possible and advantageous if only injectors are used that are already present in the injection system.
  • the software can be an independently salable product for the aftermarket. Therefore, the invention also relates to a computer program product with machine-readable instructions which, when used on a computer, and / or a control device for a computer
  • Injection system cause the computer, and / or the control unit, to carry out the method according to the invention.
  • Figure 1 embodiment of the first embodiment of the system 1 (a) with associated driving scheme (b);
  • FIG. 1 embodiment of the second embodiment of the system 1 (a) with associated driving scheme (b).
  • the system 1 comprises a suction pipe 4 with a throttle valve 40 and a plurality of branches 41-46, which branch beyond a point 47 in the individual cylinders of the engine 2.
  • a suction pipe 4 with a throttle valve 40 and a plurality of branches 41-46, which branch beyond a point 47 in the individual cylinders of the engine 2.
  • combustion air 48 is sucked.
  • the fuel 49 is supplied to the system 1 via a fuel rail 49. From there, a first quantity of fuel 49 is metered in on the one hand via the injectors 51-56, which are connected to the individual cylinders 31-36, into the branches 41-46 of the intake manifold 4 which are respectively upstream of the cylinders 31-36. At the same time a second amount of fuel via the switching injector 6, which is located upstream of the point 47, metered into the intake manifold 4. This second set comes to all branch 41-46, and thus all cylinders 31-36, in
  • Figure lb illustrates the associated Anschschema. Plotted are the opening times of the cylinder-specific injectors 51-56 as well as the
  • Each cylinder-individual injector 51-56 is opened exactly during the 120 ° CA, during which the inlet valve of the respective associated cylinder 31- 36 is opened.
  • the switching injector 6 is throughout
  • FIG. 1 shows an embodiment of the second embodiment of the system 1.
  • the injectors 51-56 are not here in the branches 41-46 arranged, but lead from the fuel rail 8 in a common collector 7, which in turn upstream of the point 47, behind which the suction pipe 4 divides into the branches 41-46, opens into the suction pipe 4.
  • FIG. 2b shows the associated drive scheme.
  • Operating point of the engine 2 are always four of the six injectors 51-56 simultaneously opened at any time, and two of the six injectors 51-56 are closed.
  • the opened and closed injectors 51-56 are cyclically changed to prevent excessive heating of the respective ones
  • the switching injector 6 which is designed for a corresponding continuous current, is open during the entire cycle of 720 ° CA.

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Abstract

System (1) für die Einspritzung von Kraftstoff (49) in einen Motor (2) mit einer Mehrzahl von Zylindern (31-36), umfassend ein Saugrohr (4) zur Versorgung der Zylinder mit Verbrennungsluft (48), wobei das Saugrohr (4) je Zylinder (31-36) mindestens einen zu diesem Zylinder (31-36) führenden Abzweig (41-46) aufweist und wobei jedem Abzweig (41-46) mindestens ein Injektor (51-56) zur individuellen Dosierung von Kraftstoff (49) in diesen Abzweig zugeordnet ist, wobeistromaufwärts eines Punktes (47), an dem das Saugrohr (4) in mindestens zwei Abzweige (41-46) verzweigt, mindestens ein zusätzlicher Schaltinjektor (6) zur Eindosierung zusätzlichen Kraftstoffs (49) angeordnet ist. System (1) für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Motor (2), wobei eine Mehrzahl von Injektoren (51-56) vorgesehen ist, die den Kraftstoff in einen Sammler (7) eindosieren und wobei der Sammler (7) stromaufwärts eines Punktes (47), an dem das Saugrohr (4) in mindestens zwei Abzweige (41-46) verzweigt, in das Saugrohr (4) mündet,wobeimindestens ein zusätzlicher Schaltinjektor (6) zur Eindosierung zusätzlichen Kraftstoffs (49) in den Sammler (7) vorgesehen ist, wobei der Schaltinjektor (6) eine minimale Öffnungszeit von 5 ms oder mehr aufweist. Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) und Computerprogrammprodukt.

Description

Beschreibung
Titel:
KRAFTSTOFFEINSPRITZSYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für die Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere für gasbetriebene Fahrzeuge.
Stand der Technik
In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor kann man die Kraftstoffdosierung in Systeme mit innerer und äußerer Gemischbildung unterscheiden. Bei Verfahren mit innerer Gemischbildung, sogenannten Direkteinspritzverfahren, wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eines jeden Zylinders des Motors dosiert. Bei Verfahren mit äußerer Gemischbildung wird der Kraftstoff bereits im Ansaugtrakt der Verbrennungsluft zugeführt. Beispiele sind hier ein System zur
Saugrohreinspritzung an einem zentralen Punkt (central point injection, CPI) oder die zylinderindividuelle Einspritzung vor jedem Einlassventil (multi point injection, MPI). Auch Kombinationen von Direkteinspritzung und Saugrohreinspritzung sind vorteilhaft. Derartige Kombinationen werden beispielsweise in der DE 10 2007 030 798 AI, in der DE 10 2010 043 112 AI und in der US 2006/207 555 AI beschrieben.
Speziell bei marktüblichen Verbrennungsmotoren, die mit Erdgas als Kraftstoff betrieben werden, hat sich die Saugrohreinblasung etabliert. Im Vergleich zur Benzineinspritzung sind die Einspritzzeiten hier deutlich länger. Damit der Motor mit einer vorgegebenen Leistung bedient werden kann, muss der statische Massenstrom durch den oder die Injektoren ausreichend sein, um während eines Arbeitsspiels oder eines Teils desselben die erforderliche Kraftstoffmenge einzublasen. Schnell schaltende Injektoren mit hohem statischem Massenstrom sind teuer. Daher wird in der EP 2 233 724 AI vorgeschlagen, die Einblasung aus mehreren Injektoren in ein gemeinsames Saugrohr dahingehend zu optimieren, dass die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge der Injektoren über einen gegebenen Zeitraum reduziert wird. Auf diese Weise halten die Injektoren länger, und es können preiswerter ausgeführte Injektoren verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
In der ersten Ausgestaltung der Erfindung für M PI -Einspritzsysteme umfasst das System für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Motor mit einer Mehrzahl von Zylindern ein Saugrohr zur Versorgung der Zylinder mit Verbrennungsluft. Das Saugrohr weist je Zylinder mindestens einen zu diesem Zylinder führenden Abzweig auf. Jedem Abzweig ist mindestens ein Injektor zur individuellen Dosierung von Kraftstoff in diesen Abzweig zugeordnet.
Erfindungsgemäß ist stromaufwärts eines Punktes, an dem das Saugrohr in mindestens zwei Abzweige verzweigt, mindestens ein zusätzlicher Schaltinjektor zur Eindosierung zusätzlichen Kraftstoffs angeordnet.
Es wurde erkannt, dass gerade bei den bisherigen MPI-Einspritzsystemen die Anforderungen an die zylinderindividuellen Injektoren besonders hoch waren. Der grundsätzliche Vorteil, den MPI-Systeme gegenüber CPI-Systemen in Bezug auf eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung über die Zylinder haben, wird damit erkauft, dass für die Einblasung des Kraftstoffs innerhalb des Arbeitsspiels nur der Zeitraum zur Verfügung steht, in dem der Einlass des Zylinders offen ist. Innerhalb eines Arbeitsspiels von 720 Grad Kurbelwellenumdrehung (°KW) beträgt dieser Zeitraum etwa 120-180 °KW. Der zylinderindividuelle Injektor müsste also einen entsprechend größeren statischen Massenstrom im geöffneten Zustand haben. Insbesondere für Erdgas als Kraftstoff sind marktübliche Injektoren momentan nicht für derart hohe Massenströme verfügbar. Eine Parallelschaltung von mehreren Injektoren vor jedem Zylinder ist teuer und beansprucht zusätzlichen Bauraum. Diese Situation wird durch den zusätzlichen Schaltinjektor deutlich entzerrt. Der Schaltinjektor, dessen Massenstrom mehreren Zylindern zu Gute kommt, kann die am jeweiligen Arbeitspunkt des Motors ständig benötigte Grundlast an Kraftstoff bereitstellen, die dann für jeden Zylinder durch den jeweiligen zylinderindividuellen Injektor ergänzt wird. Auf diese Weise ist es kein Zielkonflikt mehr, gleichzeitig einen hohen Massenstrom bereitzustellen und jedem Zylinder eine präzise dosierte Menge an Kraftstoff zuzumessen. Sowohl der Schaltinjektor als auch die zylinderindividuellen Injektoren können jeweils marktverfügbare, preisgünstige Injektoren sein oder alle von gleicher Bauart sein.
Insbesondere kann der Schaltinjektor auch für eine deutlich längere Zeit als ein Arbeitsspiel des Motors, also für länger als 720 °KW, geöffnet sein.
Beispielsweise kann es Arbeitspunkte des Motors geben, an denen der
Schaltinjektor dauerhaft geöffnet bleibt. Der Schaltinjektor wird also mit einer deutlich geringeren Anzahl von Öffnungs- und Schließvorgängen beansprucht als die zylinderindividuellen Injektoren. Dementsprechend kann der Schaltinjektor preiswerter ausgeführt sein als die zylinderindividuellen Injektoren.
Indem die zylinderindividuellen Injektoren von der Notwendigkeit entlastet werden, einen großen Massenstrom bereitzustellen, können diese Injektoren auf einen geringeren Massenstrom im geöffneten Zustand ausgelegt und somit ebenfalls preiswerter ausgeführt sein. Weiterhin ergeben sich hieraus auch Vorteile in Bezug auf die Qualität des Kraftstoff-Luft-Gemisches, da bei Injektoren mit kleinerem statischem Massenstrom die Längsdurchmischung tendenziell besser ist als bei Injektoren mit größerem statischem Massenstrom.
Weiterhin verbessert die arbeitsteilige Bereitstellung des Kraftstoffs durch den Schaltinjektor einerseits und die zylinderindividuellen Injektoren andererseits insgesamt die Präzision der Kraftstoffzumessung. Ein Motor muss bei hoher Leistungsanforderung mit genügend Kraftstoff versorgt werden, wird aber typischerweise auch in Arbeitspunkten mit geringerer Leistungsanforderung und dementsprechend geringerem Kraftstoffbedarf betrieben. Wenn für beide
Arbeitspunkte nur ein und derselbe Injektor zur Verfügung steht, ergibt sich der Zielkonflikt, das Injektoren mit hohen statischen Massenströmen im geöffneten Zustand grundsätzlich weniger geeignet sind, um Kleinstmengen hochpräzise zuzumessen. Je höher der statische Massenstrom eines Ventils ist, desto kürzer muss die Einblasdauer sein, um mit dem Ventil beispielsweise im Leerlauf des Motors eine Kleinstmenge zuzumessen. Die minimale Einblasdauer ist wiederum dadurch begrenzt, dass das Ventil mechanisch bewegte Teile aufweist.
Hier stellt der Schaltinjektor einen sinnvollen zusätzlichen Freiheitsgrad bereit: Der Schaltinjektor kann beispielsweise an Arbeitspunkten mit niedrigem
Leistungsbedarf geschlossen sein, so dass dann nur die zylinderindividuellen Injektoren aktiv sind. An Arbeitspunkten mit höherem Leistungsbedarf kann der Schaltinjektor hingegen geöffnet sein.
Beispielsweise kann in jedem Arbeitspunkt geprüft werden, welche Einblasdauer die Injektoren jeweils benötigen, um die geforderte Zylinderleistung
bereitzustellen. Ist diese Einblasdauer kürzer als die im aktuellen Arbeitsspiel des Motors zur Verfügung stehende Öffnungszeit des Einlassventils für den jeweiligen Zylinder, wird nur der zylinderindividuelle Injektor verwendet. Reicht hingegen der durch diesen Injektor bereitgestellte Massenstrom über die zur Verfügung stehende Öffnungszeit für die geforderte Zylinderleistung nicht aus, und/oder ist die Summe der nötigen Einblaszeiten für die zylinderindividuellen Injektoren größer als die Zeit für ein Arbeitsspiel des Motors, wird der
Schaltinjektor geöffnet, solange der Motor bei dem entsprechenden Arbeitspunkt betrieben wird. Sinnvollerweise wird zwischen beiden Betriebsarten mit einer Schalthysterese umgeschaltet, um ein ungewolltes Takten zu vermeiden. Die Arbeitsteilung zwischen zylinderindividuellen Injektoren und Schaltinjektor hat gegenüber einer Parallelschaltung mehrerer Injektoren pro Zylinder den weiteren Vorteil, dass das Kaltstartverhalten verbessert werden kann. Hochpräzise zylinderindividuelle Injektoren sind beim Kaltstart tendenziell immer für
Verklebung anfällig. Eine Erhöhung des Injektorstroms kann durch Erwärmung des Injektors und/oder durch Erhöhung der wirksamen Magnetkraft einen verklebten Injektor wieder gängig machen. Wird nun beispielsweise der
Schaltinjektor abgeschaltet, so kann der gesamte verfügbare Strom für eine derartige Behandlung des verklebten Injektors genutzt werden. Nach dem bisherigen Stand der Technik ging durch die mit dem verklebten Injektor parallel geschalteten Injektoren zum einen immer ein Teil des Stroms„verloren", und zum anderen trat durch diese Injektoren unkontrolliert Kraftstoff in das Saugrohr ein, sofern mindestens ein Injektor nicht verklebt war.
Generell kann durch die besagte Arbeitsteilung der gleiche Massenstrom an Kraftstoff mit einem deutlich geringeren Gesamtstromverbrauch bereitgestellt werden als mit mehreren parallel geschalteten zylinderindividuellen Injektoren. Dementsprechend können bei der Auslegung des Steuergeräts für das
Einspritzsystem Kosten eingespart werden, da die Endstufen für die Injektoren weniger aufwändig ausgeführt sein müssen. In diesem Zusammenhang wirkt es sich weiterhin vorteilhaft aus, dass insgesamt weniger Schaltspiele der beteiligten Injektoren erforderlich sind. Jedes Schaltspiel eines Magnetventils erfordert ein Ummagnetisieren des Magnetkreises, das mit einer Verlustleistung behaftet ist.
Schließlich wird die Qualität des letztendlich erhaltenen Gemisches aus
Verbrennungsluft und Kraftstoff auch durch den räumlichen Abstand zwischen dem Schaltinjektor und den zylinderindividuellen Injektoren entlang der Achse des Saugrohres verbessert. Der Schaltinjektor bewirkt eine gute Vormischung.
Eine weitere Kostenersparnis wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bewirkt, in der der Schaltinjektor eine minimale Öffnungszeit von 5 ms oder mehr aufweist. Übliche zylinderindividuelle Injektoren weisen minimale Öffnungszeiten von 2,5 ms oder weniger auf. Eine um einen Faktor 2 geringere Anforderung an die Öffnungsgeschwindigkeit schlägt sich bereits deutlich im Preis nieder.
In der zweiten Ausführungsform der Erfindung für CPI-Einspritzsysteme umfasst das System für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Motor mit einer Mehrzahl von Zylindern ebenfalls ein Saugrohr zur Versorgung der Zylinder mit
Verbrennungsluft, wobei das Saugrohr je Zylinder mindestens einen zu diesem
Zylinder führenden Abzweig aufweist. Im Unterschied zur ersten
Ausführungsform ist nun eine Mehrzahl von Injektoren vorgesehen, die den Kraftstoff in einen Sammler eindosieren. Der Sammler mündet stromaufwärts eines Punktes, an dem das Saugrohr in mindestens zwei Abzweige verzweigt, in das Saugrohr. Erfindungsgemäß ist mindestens ein zusätzlicher Schaltinjektor zur Eindosierung zusätzlichen Kraftstoffs in den Sammer vorgesehen, wobei der Schaltinjektor eine minimale Öffnungszeit von 5 ms oder mehr aufweist.
Analog dem zuvor für die erste Ausführungsform Gesagten kann auf Grund der geringeren Anforderung an die Schaltgeschwindigkeit des Schaltinjektors der Schaltinjektor deutlich preiswerter ausgeführt werden als die übrigen Injektoren, die für die Feindosierung der Kraftstoffmenge zuständig sind. Dementsprechend können diese Injektoren wiederum für geringere Massenströme ausgelegt sein, so dass auch hier wieder Kosten eingespart werden können.
Bei beiden Ausführungsformen funktioniert die Arbeitsteilung zwischen dem Schaltinjektor einerseits und den übrigen Injektoren andererseits vergleichbar mit der Arbeitsteilung zwischen Grundlastkraftwerken und Spitzenlastkraftwerken im Stromnetz. Die Grundlastkraftwerke sind vergleichsweise träge und decken den ständigen Bedarf ab, während das genaue Zeitprogramm der Erzeugung durch die schnell regelbaren, teuren Spitzenlastkraftwerke in Übereinstimmung mit dem Zeitprogramm des momentanen Verbrauchs gebracht wird.
Der Kraftstoff kann insbesondere ein gasförmiger Kraftstoff und hier
insbesondere Erdgas (compressed natural gas, CNG, oder liquefied natural gas, LNG) sein.
Vorteilhaft weist der Schaltinjektor eine minimale Öffnungszeit von höchstens 50 ms auf. Dies stellt einen optimalen Kompromiss dar zwischen einer noch preiswerteren Ausführung des Schaltinjektors einerseits und der Fähigkeit, schnell auf Lastwechsel des Motors zu reagieren, andererseits. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schaltinjektor ein bistabiles Magnetventil oder ein pneumatisch betätigbares Ventil.
Ein bistabiles Magnetventil kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass es jeweils durch einen kurzen Strompuls zwischen seinen beiden Schaltstellung umgeschaltet werden kann. Es ist also kein ständiger Haltestrom nötig, um den Schaltinjektor gegen eine Rückstellkraft geöffnet zu halten. Ein Strom ist nur noch erforderlich, wenn die Information übertragen werden soll, dass die
Schaltstellung geändert werden soll.
Ein pneumatisch betätigbares Ventil kann beispielsweise ebenfalls bistabil ausgeführt sein, aber auch monostabil, d.h. durch Druckbeaufschlagung gegen eine Rückstellkraft betätigbar. Selbst in letzterem Fall ist zum Halten des geöffneten Zustandes keine ständige Energiezufuhr nötig wie bei einem monostabilen Magnetventil, sondern nur eine Verbindung mit einer Druckquelle. Die ständige Verbindung mit der Druckquelle kann auch beispielsweise ersetzt werden durch das Einsperren des Steuerdrucks im Steuerraum des Ventils. Gerade in Nutzfahrzeugen, in denen die zylinderspezifische Leistung hoch im Vergleich zum PKW ist und die Arbeitsteilung zwischen dem Schaltinjektor und den übrigen Injektoren somit besonders sinnvoll ist, steht in der Regel immer ein Druckluftsystem zur Verfügung, das auch verwendet werden kann, um einen pneumatischen Schaltinjektor anzusteuern.
Sowohl pneumatisch betätigbare Ventile als auch bistabile Magnetventile haben typischerweise deutlich längere minimale Öffnungszeiten als monostabile elektromagnetisch betätigbare Ventile, so dass sie üblicherweise nicht in
Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung zum Einsatz kommen. Gerade die gemäß der Erfindung geringere Anforderung an die minimale Öffnungszeit des
Schaltventils ermöglicht es nun, solche vergleichsweise langsamen Ventile als Schaltventile zu verwenden und auf diese Weise Energie einzusparen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Schaltinjektor im geöffneten Zustand einen höheren statischen Massenstrom auf als die Injektoren. Damit lässt sich die Arbeitsteilung zwischen dem Schaltinjektor einerseits und den übrigen Injektoren andererseits in einen besonders großen Kostenvorteil ummünzen, denn ein vergleichsweise langsamer Schaltinjektor ist im Verhältnis zum statischen Massenstrom im geöffneten Zustand deutlich preiswerter als ein hochpräziser schneller Injektor. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Schaltinjektoren vorgesehen, und/oder mindestens ein Schaltinjektor weist mindestens zwei geöffnete Zustände mit unterschiedlichen statischen Massenströmen auf. Auf diese Weise kann die Grundlast an Kraftstoff, die durch den vergleichsweise langsamen und dafür preiswerten Schaltinjektor
bereitgestellt wird, zumindest rudimentär geregelt werden. Somit kann in mehreren Arbeitspunkten des Motors ein größtmöglicher Anteil des benötigten Kraftstoffs durch den Schaltinjektor bereitgestellt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines
Kraftstoffeinspritzsystems. Dabei wird das das Zeitprogramm ms(t) des
Massenstroms durch den Schaltinjektor und das Zeitprogramm ΓΤΊ Ν ) des Massenstroms durch mindestens einen weiteren Injektor, der insbesondere von einem schneller öffnenden Typ sein kann als der Schaltinjektor, so gesteuert, dass der Gesamt- Massenstrom ms(t)+mN(t) zumindest näherungsweise einem vorgegebenen Soll-Zeitprogramm m(t) entspricht.
Erfindungsgemäß wird als zusätzliches Optimierungsziel der
Gesamtenergieverbrauch, und/oder der maximal benötigte Gesamtstrom, für die Ansteuerung des Schaltinjektors und des Injektors minimiert.
Es wurde erkannt, dass insbesondere die Einsparung von Schaltvorgängen (Schaltspielen) bei Magnetventilen zu einer deutlichen Energieeinsparung führt. Abgesehen davon, dass jedes Ummagnetisieren des Magnetkreises an sich schon eine Verlustleistung bewirkt, geht zusätzliche Energie dadurch verloren, dass das Öffnen eines Magnetventils generell einen hohen Strom benötigt:
Typischerweise wird in einer Boost-Phase durch Anlegen einer hohen Boost- Spannung an den Elektromagneten des Magnetventils zunächst der Strom durch den Elektromagneten schnell auf ein hohes Niveau getrieben. Der Strom wird anschließend in einer Pull-In-Phase hoch gehalten, bis das Magnetventil geöffnet ist. Erst dann wird der Strom auf den Haltestrom gesenkt. Verluste entstehen in der Boost-Phase und in der Pull-In-Phase beispielsweise dadurch, dass die ohmsche Verlustleistung mit dem Quadrat des Stroms steigt. Die Optimierung kann also beispielsweise darauf ausgerichtet sein, den größten Anteil des benötigten Massenstroms aus einem oder mehreren Schaltinjektoren zu beziehen. Hierbei können insbesondere unterschiedliche Bauweisen des Schaltinjektors einerseits und der übrigen Injektoren andererseits berücksichtigt werden. Insbesondere kann es in die Optimierung eingehen, wenn der
Schaltinjektor mit einem geringeren Energieaufwand geöffnet gehalten werden kann als die übrigen Injektoren.
Eine Energieeinsparung ist aber auch dann möglich, wenn der Schaltinjektor vom gleichen Typ ist wie die übrigen Injektoren. Für den Gesamtenergieverbrauch ist dann insbesondere die Anzahl der Umschaltvorgänge von Magnetventilen im Einspritzsystem insgesamt wichtig. Da jedoch auch das Geöffnethalten monostabiler Magnetventile Energie benötigt, ist das Schaltprogramm mit dem niedrigsten Gesamtstrom bzw. Gesamtenergieverbrauch nicht zwangsläufig dasjenige mit der geringsten Anzahl Umschaltvorgänge.
Das Verfahren kann ganz oder teilweise in Software implementiert sein. Eine vollständige Implementierung in Software ist insbesondere dann möglich und vorteilhaft, wenn nur Injektoren genutzt werden, die im Einspritzsystem bereits vorhanden sind. Die Software kann insbesondere ein eigenständig verkaufbares Produkt für den Nachrüstmarkt darstellen. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder einem Steuergerät für ein
Einspritzsystem, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, dazu veranlassen, das Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt: Figur 1 Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform des Systems 1 (a) mit zugehörigem Ansteuerschema (b);
Figur 2 Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform des Systems 1 (a) mit zugehörigem Ansteuerschema (b).
Nach Figur la umfasst das System 1 ein Saugrohr 4 mit einer Drosselklappe 40 und mehreren Abzweigen 41-46, die jenseits eines Punkts 47 in die einzelnen Zylinder des Motors 2 verzweigen. Über das Saugrohr 4 wird Verbrennungsluft 48 angesaugt.
Der Kraftstoff 49 wird über ein Kraftstoffrail 49 dem System 1 zugeführt. Von dort aus wird eine erste Menge an Kraftstoff 49 zum Einen über die den einzelnen Zylindern 31-36 zugehörigen Injektoren 51-56 in die den Zylindern 31-36 jeweils vorgeschalteten Abzweige 41-46 des Saugrohrs 4 eindosiert. Zugleich wird eine zweite Menge an Kraftstoff über den Schaltinjektor 6, der stromaufwärts des Punktes 47 angeordnet ist, in das Saugrohr 4 eindosiert. Diese zweite Menge kommt allen Abzweigen 41-46, und damit auch allen Zylindern 31-36, im
Wesentlichen gleichermaßen zu Gute.
Figur lb verdeutlicht das zugehörige Ansteuerschema. Aufgetragen sind die Öffnungszeiten der zylinderindividuellen Injektoren 51-56 sowie des
Schaltinjektors 6 über der Zeit t, die in der Einheit Grad Kurbelwellenumdrehung (°KW) angegeben ist. Ein Arbeitsspiel des Motors entspricht 720 °KW.
Jeder zylinderindividuelle Injektor 51-56 ist genau während der 120 °KW geöffnet, während derer das Einlassventil des jeweils zugehörigen Zylinders 31- 36 geöffnet ist. Zusätzlich ist der Schaltinjektor 6 während des ganzen
Arbeitsspiels permanent geöffnet.
Dies führt dazu, dass die Verbrennungsluft 48 im Saugrohr 4 bereits mit einer gewissen Konzentration an Kraftstoff 49 vorgesättigt ist, bevor sie stromabwärts des Punkts 47 in die den Zylindern 31-36 zugeordneten Abzweige 41-46 eintritt. Die Injektoren 51-56 müssen nur noch diejenige Menge an Kraftstoff 49 beisteuern, die zu einem zündfähigen Gemisch noch fehlt. Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel für die zweite Ausführungsform des Systems 1. Im Unterschied zu Figur la sind die Injektoren 51-56 hier nicht in den Abzweigen 41-46 angeordnet, sondern führen aus dem Kraftstoff rail 8 in einen gemeinsamen Sammler 7, der wiederum stromaufwärts des Punktes 47, hinter dem sich das Saugrohr 4 in die Zweige 41-46 aufteilt, in das Saugrohr 4 mündet. Es liegt also ein Gemisch aus Verbrennungsluft 48 und Kraftstoff 49 in allen Abzweigen 41-46 vor und wird von den jeweiligen Einlassventilen in die Zylinder 31-36 eingelassen.
Figur 2b zeigt das zugehörige Ansteuerschema. Am entsprechenden
Arbeitspunkt des Motors 2 sind zu jedem Zeitpunkt immer vier der sechs Injektoren 51-56 gleichzeitig geöffnet, und zwei der sechs Injektoren 51-56 sind geschlossen. Die geöffneten und geschlossenen Injektoren 51-56 werden zyklisch gewechselt, um eine übermäßige Erwärmung der jeweiligen
Magnetspulen zu vermeiden. Ansonsten macht es für den eigentlichen Betrieb der Zylinder 31-36 keinen Unterschied, welche vier der Injektoren 51-56 gerade geöffnet sind.
Zusätzlich ist der Schaltinjektor 6, der für eine entsprechende Dauerbestromung ausgelegt ist, während des gesamten Arbeitsspiels von 720 °KW geöffnet.

Claims

Ansprüche
1. System (1) für die Einspritzung von Kraftstoff (49) in einen Motor (2) mit einer Mehrzahl von Zylindern (31-36), umfassend ein Saugrohr (4) zur
Versorgung der Zylinder mit Verbrennungsluft (48), wobei das Saugrohr (4) je Zylinder (31-36) mindestens einen zu diesem Zylinder (31-36) führenden
Abzweig (41-46) aufweist und wobei jedem Abzweig (41-46) mindestens ein Injektor (51-56) zur individuellen Dosierung von Kraftstoff (49) in diesen Abzweig zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts eines Punktes (47), an dem das Saugrohr (4) in mindestens zwei Abzweige (41-46) verzweigt, mindestens ein zusätzlicher Schaltinjektor (6) zur Eindosierung zusätzlichen
Kraftstoffs (49) angeordnet ist.
2. System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schaltinjektor (6) eine minimale Öffnungszeit von 5 ms oder mehr aufweist.
3. System (1) für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Motor (2) mit einer Mehrzahl von Zylindern (31-36), umfassend ein Saugrohr (4) zur Versorgung der Zylinder (31-36) mit Verbrennungsluft (48), wobei das Saugrohr (4) je Zylinder (31-36) mindestens einen zu diesem Zylinder (31-36) führenden Abzweig (41-46) aufweist, wobei eine Mehrzahl von Injektoren (51-56) vorgesehen ist, die den
Kraftstoff in einen Sammler (7) eindosieren und wobei der Sammler (7) stromaufwärts eines Punktes (47), an dem das Saugrohr (4) in mindestens zwei Abzweige (41-46) verzweigt, in das Saugrohr (4) mündet, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Schaltinjektor (6) zur Eindosierung zusätzlichen Kraftstoffs (49) in den Sammler (7) vorgesehen ist, wobei der Schaltinjektor (6) eine minimale Öffnungszeit von 5 ms oder mehr aufweist.
4. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schaltinjektor (6) eine minimale Öffnungszeit von höchstens 50 ms aufweist.
5. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schaltinjektor (6) ein bistabiles Magnetventil oder ein pneumatisch betätigbares Ventil umfasst.
6. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schaltinjektor (6) im geöffneten Zustand einen höheren statischen Massenstrom aufweist als die Injektoren (51-56).
7. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Schaltinjektoren (6) vorgesehen sind und/oder dass mindestens ein Schaltinjektor (6) mindestens zwei geöffnete Zustände mit unterschiedlichen statischen Massenströmen aufweist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zeitprogramm ms(t) des Massenstroms durch den
Schaltinjektor (6) und das Zeitprogramm ΓΤΊ Ν ) des Massenstroms durch mindestens einen Injektor (51-56) so gesteuert werden, dass der Gesamt- Massenstrom ms(t) +mN(t) zumindest näherungsweise einem vorgegebenen Soll- Zeitprogramm m(t) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Optimierungsziel der Gesamtenergieverbrauch, und/oder der maximal benötigte Gesamtstrom, für die Ansteuerung des Schaltinjektors (6) und des Injektors (51- 56) minimiert wird.
9. Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare
Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder einem Steuergerät für ein Einspritzsystem (1), ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, dazu veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 8 auszuführen.
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