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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Pumpe-Düse-Kraftstoff-Einspritzsystems
für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem
Absteuerventil zwischen einem Kraftstoffzulauf und einem Hochdruckraum, der
zwischen einer Hochdruckpumpe und einer Einspritzdüse liegt,
wobei ein Einspritzsteuersignal das Absteuerventil für eine vorbestimmte
erste Zeitspanne schließt,
um den Hochdruckraum vom Kraftstoffzulauf zu trennen, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
Kraftstoff-Einspritzsystemen, bestehend aus einer Pumpe, Hochdruckleitungen
oder -Bohrungen, einem Absteuerventil und Einspritzdüsen ergibt sich
das Problem einer Hohlraumbildung (Kavitation) im Hoch- und Niederdruckbereich,
insbesondere nach einer Einspritzung von Kraftstoff. Dies resultiert aus
einem schnellen Öffnen
des Absteuerventils am Einspritzende, wobei der bis dahin im Hochdruckraum
eingeschlossene Kraftstoff auf einen Niederdruck expandiert und
dabei eine Unterdruckwelle nach sich zieht. Es kommt zu einer Dampfdruckunterschreitung
und damit zu Hohlraumbildungen (Kavitation) an verschiedenen Stellen
im Hochdruckraum und auch im Niederdruckraum. Diese Hohlräume implodieren
anschließend,
was wiederum einen schlagartigen Druckanstieg zur Folge hat. Dieser "Füllstoß" oder Kavitationsschlag hat u.a. folgende
unerwünschte
Auswirkungen: Kavitationserosion an Bauteilen (Lochfraß), Geräusche, wie
beispielsweise typische Einspritzgeräusche eines Pumpe-Düse-Motors,
Nachöffnen
der Düsennadel,
wenn der Kavitationsschlag einen Öffnungsdruck der Düse erreicht, was
durch einen Gasdruck in einem Brennraum des Motors unterstützt wird,
wodurch es entweder zu Nachspritzen von Kraftstoff in den Brennraum
oder Rückblasen
von Verbrennungsgasen in die Düse
verbunden mit einem Fahrzeug-Ruckeln kommt, und Schwingungsanregungen
im Kraftstoffzulauf mit der Folge eines erhöhten Zulaufbedarfs, um Füllprobleme
durch die Hohlraumbildung zu vermeiden.
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Aus
der
DE 195 44 241
A1 ist zu diesem Problemkreis eine Einrichtung zur geräuscharmen
Hochdruckeinspritzung von Kraftstoff bekannt, mit einer Hochdruckpumpe,
einem Hochdruckraum, einer Einspritzdüse, einem Absteuerventil und
einem Kraftstoffzulauf. Zur Vermeidung von infolge des Öffnens bzw.
Schießens
des Absteuerventils entstehenden Geräuschen weist die Einrichtung
stromauf des Absteuerventils ein strömungstechnisch mit dem Kraftstoffzulauf
verbundenes Ausgleichsvolumen auf.
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Aus
der
DE 197 08 152
A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem in Form eines Common-Rail-Systems bekannt,
bei dem ein Überström-Steuersolenoidventil
einer Hochdruck-Zuführpumpe
an- bzw. abgeschaltet wird. Das Überström-Steuersolenoidventil
ist in einem Pfad zum Verbinden einer Pumpenkammer mit einem Niederdruck-Kraftstoffpfad
angeordnet und verbindet in geöffnetem
Zustand die Pumpenkammer mit dem Niederdruck-Kraftstoffpfad. Im geschlossenen Zustand
gibt das Überström-Steuersolenoidventil
den Kraftstoff von der Pumpenkammer in eine gemeinsame Druckleitung
ab. Eine Steuervorrichtung steuert Schließen und Öffnen dieses Ventils und erzeugt
auch nach einem Einspritzsteuersignal weitere Steuersignale für dieses
Ventil, die dieses wenigstens für
eine vorbestimmte zweite Zeitspanne schließt.
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Aus
der
DE 195 32 599
A1 ist ein Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem bekannt,
bei dem durch das Abschalten des Einspritzventils ein so genannter
Reflexionsdruck entsteht, wobei sich durch das schlagartige Verschließen einer
Zuführungsleitung
störende
Druckwellen ausbilden. Daher wird vorgeschlagen, ein Common-Rail
mit zwei Einzelspeichern einzusetzen, auf welche Zylinder derart verteilt
sind, dass bei zwei in der Zündreihenfolge hintereinander
folgenden Zylindern jeweils der andere Einzelspeicher zur Einspritzung
in den zweiten Zylinder dient und damit eine ausreichende Zeit zur
Beruhigung der Druckschwankungen vorhanden ist. Es liegt daher eine
passive Schwingungsdämpfung
vor.
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Aus
der
DD 266 384 A1 ist
ein Einspritzsystem bekannt, das nach dem Druckstoßprinzip
arbeitet. Ein steuerbares Absperrventil am Ende eines Schwungrohrs
wird schlagartig geschlossen. Dadurch entsteht vor dem Ventil eine
starke Druckerhöhung,
die letztlich zur Einspritzung verwendet wird. Jedoch wird auch
eine Druckwelle zur Pumpe reflektiert, die durch einen sogen. Schwingungstilger
absorbiert werden soll. Zudem ist eine steuerbare – auch absperrbare – Drucksteuereinrichtung
vorgesehen, die bei geschlossenem Absperrventil den von der Pumpe
zuviel geförderten
Kraftstoff zum Tank zurückleitet.
Die Drucksteuervorrichtung kann zur zusätzlichen Druckerhöhung beim
Starten komplett abgesperrt werden. Das Absteuerventil ist nach
der Pumpe angeordnet.
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Aus
der
DD 78 433 A ist
eine aktive Schwingungsdämpfung
der reflektierten Druckwelle für
eine ebenfalls nach dem Druckstoßprinzip arbeitende Einspritzvorrichtung
bekannt, um unerwünschtes
Nachspritzen zu vermeiden. Durch gezielte Abtrennung einer Schwungleitung
von der Kraftstoffzufuhr wird die vom geschlossenen Absperrorgan
reflektierte Druckwelle zurück
reflektiert und wirkt somit einem Unterdruck am Einspritzventil
entgegen. Ein Absperrorgan ist nach der Pumpe angeordnet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der obengenannten Art zur Verfügung
zu stellen, wobei Kavitation und Nachspritzen bzw. Rückblasen
nach einem Absteuern auf einfache Weise vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dazu
ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass
nach Ablauf der ersten Zeitspanne das Absteuerventil durch das Einspritzsteuersignal
wieder geöffnet
wird und wenigstens durch ein weiteres Steuersignal für wenigstens
eine vorbestimmte zweite Zeitspanne erneut geschlossen wird.
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Dies
hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche Bauteile
am Einspritzsystem Kavitationen nach der Absteuerung und damit ein
Nachspritzen oder Rückblasen
vermieden und ein Einspritzgeräusch
und ein Fülldruckbedarf
gesenkt ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Absteuerventil ein Magnetventil oder ein Piezoventil, wobei
das Steuersignal zweckmäßigerweise
ein elektrisches Signal ist. Bei einem Piezoventil ergibt sich zusätzlich der
Vorteil, dass über
das Steuersignal eine definierte, beliebig vorbestimmt zeitlich
verlaufende Ventilstellung zwischen "offen" und "geschlossen" steuerbar ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
Die Erfindung wird in der nachstehenden, beispielhaften Beschreibung
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert. Diese
zeigen in
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Kraftstoff-Einspritzsystems in schematischer Darstellung und
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2A bis 2C graphische
Darstellungen eines zeitlichen Verlaufes eines Steuersignals, eines
Hubes eines Absteuerventils und eines Druckes in einem Hochdruckraum.
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Das
in 1 schematisch dargestellte Kraftstoff-Einspritzsystem
umfaßt
im wesentlichen eine einen Kolben 10 aufweisende Hochdruckpumpe 12,
einen mit dieser verbundenen Hochdruckraum 14 und eine
aus diesem Hochdruckraum 14 gespeiste Einspritzdüse 16,
welche Kraftstoff 18 in einen nicht dargestellten Brennraum
einer Brennkraftmaschine direkt einspritzt. Weiterhin ist ein beispielsweise
elektromagnetisch oder elektrisch betätigbares Absteuerventil 20 vorgesehen,
welches wahlweise einen Kraftstoffzulauf 22 vom Hochdruckraum 14 trennt. Die
Hochdruckpumpe 12 wird beispielsweise in nicht gezeigter
Weise von einem Nocken und einem Kipphebel, welche in einem Zylinderkopf
gelagert sind, betätigt.
Ferner weist der Hochdruckraum 14 an einer Stelle, an der
sich der Kolben 10 in nicht betätigten Zustand befindet, einen
Kraftstoffrücklauf 24 auf.
Der Kraftstoffrücklauf 24 hat
ferner eine Verbindung zur Einspritzdüse 16.
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Im
Betrieb des Einspritzsystems gemäß 1 wird
bei geöffnetem
Absteuerventil 20 über den
Kraftstoffzulauf 22 mit einem vergleichsweise niedrigen
Druck von beispielsweise 5 bar der Hochdruckraum 14 mit
Kraftstoff 18 befüllt.
Zum Einleiten der Hochdruckeinspritzung wird vermittels der oben erwähnten Nocke
der Kolben 1 den Hochdruckraum 14 verdichtend
bewegt, wobei eine Kraftstoffsäule
im Kraftstoffzulauf 22 durch das Absteuerventil 20 hindurch
entgegen einer Zulaufrichtung verdrängt wird.
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Wie
sich aus 2A bis 2C anhand
der durchgezogen gezeichneten Graphen ergibt, welche eine herkömmliche
Ansteuerung gemäß dem Stand der
Technik veranschaulicht, wird anschließend mittels eines Steuersignals 26 (2A)
das Absteuerventil 20 schlagartig geschlossen, was zu einem
Ventilhub 28 gemäß 2B führt. Im
zeitlichen Abschnitt 30 schließt sich das Absteuerventil 20,
im zeitlichen Abschnitt 32 ist es voll geschlossen und
im zeitlichen Abschnitt 34 ist das Absteuerventil 20 wieder
voll geöffnet.
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Es
bildet sich stromab des Absteuerventils 20 eine Druckwelle
in dem Kraftstoffzulauf 22 aus. Diese Druckwelle setzt
sich im wesentlichen in den Hochdruckraum 14 fort und führt dort
zu einem zeitlichen Druckverlauf 36, wie in 2C mit
durchgezogener Linie dargestellt. Bei Erreichen eines voreingestellten
Düsenöffnungsdruckes öffnet die
Einspritzdüse 16 und
die Einspritzung beginnt. In 2C ist mit 44 ein
die Einspritzdüse öffnender
Druck bezeichnet.
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Der
maximale Druck im Hochdruckraum 14 wird gegen Ende der
Einspritzung erreicht.
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Zum
gezielten Beenden des Einspritzvorganges fällt das Steuersignal 26 wieder
auf "aus" ab und öffnet somit
das Absteuerventil 20, so daß der Kraftstoffzulauf 22 wieder
geöffnet
ist. Hierdurch trifft unter explosionsartiger Entspannung der Kraftstoff 18 im
Hochdruckraum 14 auf den Kraftstoff im Kraftstoffzulauf 22,
welcher einen relativ niedrigen Druck aufweist. Hierdurch bildet
sich erneut eine Druckwelle aus. Deren Auswirkungen sind aus dem
Druckverlauf 36 in 2C ersichtlich.
Im zeitlichen Abschnitt 40 kommt es zu einem kurzen Unterdruck
und ggf. einer Dampfdruckunterschreitung des Kraftstoffes 18. Es
kommt zu Hohlraumbildung sowohl im Hochdruckraum 14 wie
auch im Krafstoffzulauf 22. Anschließend erfolgt wieder ein Druckanstieg
durch das erneute Befüllen
der Hohlräume
im zeitlichen Abschnitt 42, wobei hier die Gefahr eines
Nachspritzens bzw. Rückblasens
durch Überschreitung
des Düsenöffnungsdruckes 44 besteht.
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In
den 2A bis 2C ist
im Gegensatz dazu mit gestrichelter Linie die erfindungsgemäße zusätzliche
Ansteuerung des Absteuerventils 20 dargestellt. Wie sich
aus 2A ergibt, wird nach einer vorbestimmten Zeit,
in der das Absteuerventil 20 offen ist, erneut ein Steuerimpuls 46 an
das Absteuerventil 20 gegeben. Dieser führt gemäß dem Ventilhub 28 (2B)
zu einer weiteren kurzzeitigen Schließbewegung des Absteuerventils 20.
Wie sich aus einem Vergleich mit dem Druckverlauf 36 gemäß 2C ergibt,
erfolgt die neue Schließbewegung zweckmäßigerweise
vor bzw. zeitgleich mit dem zeitlichen Abschnitt 40, in
dem zuvor ein Dampfdruck des Kraftstoffes 18 unterschritten
wurde. Durch das erneute Schließen
des Absteuerventils 20 wird diesem Unterdruck durch einen
sich dagegen kurzzeitig aufbauenden Überdruck entgegengewirkt, der
sich aus der Drosselwirkung des ganz oder teilweise geschlossenen
Absteuerventiles 20 ergibt. Im Ergebnis ergibt sich gemäß der gestrichelten
Linie 48 in 2C ein flacher bzw. gedämpfter und
stetiger Abfall des Druckverlaufes 36. Auch die zweite
Druckspitze im zeitlichen Abschnitt 42 ist abgedämpft, so daß es auch
bei einer eventuellen Hohlraumbildung zu keiner erneuten Überschreitung
des Düsenöffnungsdruckes 44 kommt.
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Je
nach dem, wie weich bzw. wie stark abgedämpft und stetig die Kurve 48 verlaufen
soll, ist auch eine zusätzliche
Steuerstrategie mit mehreren zusätzlichen
Steuerimpulsen 46 in geeigneter zeitlicher Abfolge möglich, so
daß, je
nach Druckverlauf aufgrund der mechanischen Ausgestaltung und Eigenschaften
des Einspritzsystems, alle nach dem Ende des Einspritzvorgangs auftretenden
Druckschwingungen im Druckverlauf 36 abgedämpft werden.
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Bei
Absteuerventilen 20 mit der Möglichkeit eines spannungs-
oder stromproportionalen Hubverlaufes (Piezoventile) kann der gewünschte Hubverlauf
auch durch einen entsprechenden Spannungs- oder Stromverlauf kontinuierlich
und stetig eingestellt werden.
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Mit
anderen Worten bewirkt der oder die erneuten Steuerimpulse 46 bzw.
die erneute Bestromung des Absteuerventils 20, daß der Druckabbau am
Einspritzende, beispielsweise nach Erreichen des Düsenöffnungsdruckes 44 bzw.
des Düsenschließdruckes,
durch Verkleinerung eines wirksamen Ventilquerschnittes verlangsamt
wird, um die Dampfdruckunterschreitung ganz zu vermeiden oder, falls
es noch zu Hohlraumbildung kommt, die Auswirkungen des Füllstoßes durch
eine Drosselwirkung des "in
der Schwebe" befindlichen
Absteuerventils 20 zu verringern.