04.10.2006 Hl /KIi

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart

Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, wie es vor- zugsweise für selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet wird.

Stand der Technik

Um zukünftige Emissionsnormen, beispielsweise Euro V, einhalten und den Kraftstoffverbrauch weiter vermindern zu können, ist es bei Hochdruckeinspritzsystemen, wie sie vorzugsweise für schnelllaufende, selbstzündende Brennkraftmaschinen verwendet werden, notwendig, die zur Verbrennung in die Brennräume eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst genau zu kennen, um den Einspritzvorgang entsprechend steuern zu können. Zur Ermittlung dieser Kraftstoffmenge können Flusssensoren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise aus der DE 101 30 379 Al bekannt sind. Neben der Schwierigkeit einen entsprechenden Sensor herzustellen und unter Bedingungen zu betreiben, wie sie im Motorraum eines Kraftfahrzeugs herrschen, bleibt die Schwierigkeit, wie ein solcher Sensor in ein Kraftstoffeinspritzsystem integriert werden kann, ohne dessen Funktionalität zu stören. Auch sollte ein solcher Sensor möglichst wenig Bauraum beanspruchen, damit die sonstigen Komponenten des Kraftstoffeinspritzsystems und der Motor selbst möglichst nicht geändert werden müssen.

Bei dem bekannten Einspritzsystem wird die eingespritzte Kraftstoffmenge über die An- steuerdauer des Magnet- oder Piezoventils gesteuert, welches im Injektor das öffnen und

Schließen der Einspritzöffnungen steuert. Durch Verschleißerscheinungen im Injektor kann es jedoch zu einer Drift kommen, so dass der öffhungs- und Schließzeitpunkt des Ventils mit der Zeit immer stärker von den Ansteuerzeitpunkten des Magnet- oder Piezo- ventils abweicht. Die Verschiebung des öffhungs- und Schließzeitpunkts des Injektors hat zur Folge, dass die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge in Folge der gleichbleibenden Einspritzdauer immer stärker vom Sollwert abweicht. Insbesondere bei kleinen Einspritzmengen, wie sie bei der Vor- oder Nacheinspritzung in den Brennraum eingebracht werden, kann der relative Fehler der eingespritzten Kraftstoffmenge gegenüber der Soll-Kraftstoffmenge sehr groß werden. Wird hingegen der tatsächliche Einspritzbeginn und das tatsächliche Einspritzende genau bestimmt, kann dieser Fehler vermieden oder verkleinert werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der tatsächliche Einspritzbeginn und das tatsächliche Einspritzende mit geringem Aufwand und ohne bauliche änderungen des Kraftstoffeinspritzsystems gemessen werden können. Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem weist hierzu eine Kraftstoffhochdruckquelle und wenigstens einen Injektor auf, in dem wiederum wenigstens eine Einspritzöffhung ausgebildet ist, durch die Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Die Kraftstoffhochdruckquelle und die wenigstens eine Einspritzöffhung des Injektors sind über einen kraftstoffführenden Hochdruckkanal miteinander verbindbar. öffnet die Ventilnadel, die üblicherweise im Injektor vorhanden ist und die die Einspritzöffnungen öffnet und schließt, so kommt es im Hochdruckkanal zu einem messbaren Druckabfall und bei Einspritzende wiederum zu einem Druckanstieg. Diese Druckänderung führt zu einer elastischen Formänderung des Körpers, in dem der Hochdruckkanal ausgebildet ist. An diesem Körper ist erfindungsgemäß ein Dehnungssensor angebracht, mit dem sich auch sehr kleine Formänderungen des Körpers erfassen lassen. Ist der Dehnungssensor mit einer entsprechenden Auswerteeinheit verbunden, so kann nach entsprechender Kalibrierung ohne weiteres der Einspritzbeginn und das Einspritzende genau gemessen und daraus die Einspritzmenge bestimmt werden.

Ist zwischen der Kraftstoffhochdruckquelle, die bei einem Common-Rail- System das Rail selbst ist, und dem Injektor eine Hochdruckleitung ausgebildet, in der der Hochdruckka-

nal verläuft, so ist es vorteilhaft, den Dehnungssensor an die Hochdruckleitung anzubringen, da hier durch das Verhältnis zwischen Innendurchmesser und Wandstärke die größte Formänderung zu erwarten ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Dehnungssensor möglichst nahe am Injektor angebracht ist, um überlagerungen mit Druckschwingungen, die von den übrigen Injektoren und von sonstigen Komponenten des Kraftstoffeinspritzsystems herrühren, möglichst gering zu halten. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Dehnungssensor auf dem Injektor selbst und hier vorzugsweise auf der Düse angebracht ist, die Teil des Injektors ist. Dort treten zwar geringere Formänderungen auf, so dass auch die gemessenen Dehnungen entsprechend geringer sind, andererseits ergibt sich hier der Vorteil, dass nahe an den Einspritzöffnungen gemessen wird und damit die Fehler bei der Bestimmung von Einspritzanfang und -ende minimiert werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Dehnungssensor im wesentlichen aus einem oder mehreren Dehnmessstreifen aufgebaut, die auf die Hochdruckleitung oder auf den Injektor aufgebracht sind. Die Dehnmessstreifen können hierbei durch Löten, Schweißen oder mit einem sonstigen Verfahren aufgebracht werden. Dehnmessstreifen, wie sie in der Messtechnik seit langem angewandt werden, haben die Eigenschaft, dass sie ihren ohmschen Widerstand ändern, wenn sie gestaucht oder gestreckt werden. Durch eine entsprechende Anzahl von Dehnmessstreifen, die beispielsweise in Form einer Wheatstone- Brücke verschaltet werden können, kann eine sehr hohe Präzision erreicht werden, so dass sich auch bereits sehr geringe Dehnungsänderungen des Körpers, also insbesondere der Hochdruckleitung, problemlos erfassen lassen.

Die Auswertung geschieht in einer geeigneten Auswerteeinrichtung, beispielsweise dem Steuergerät des Motors. Hier kann das Messsignal des Dehnungssensors mit entsprechenden Algorithmen aufbereitet werden, um die Einflüsse von anderen Injektoren und sonstige Druckschwingungen zu eliminieren, die im System auftreten und die das eigentliche Signal, dass das öffnen und Schließen der Ventilnadel im jeweiligen Injektor repräsentiert, mit möglichst geringem Fehler dem Messgerät zur Verfügung zu stellen.

Alternativ können auch Silizium-Chips als Dehnungssensoren dienen. Dieser werden beispielsweise auf den Körper aufgeglast. Auf die Silizium-Chips sind Widerstände angeordnet, die ihren Widerstand durch den piezoelektrischen Effekt ändern, wenn der Si- Chip durch die Verformungen des Körpers ebenfalls seine Form ändert. Es ist bekannt,

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dass bei entsprechender Lage die Widerstände zu- und abnehmen. Dieses Prinzip wird z.B. bei mikromechanischen Drucksensoren verwendet.

Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfmdungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems dargestellt. Es zeigt Figur 1 das Kraftstoffeinspritzsystem mit seinen wesentlichen Komponenten in schematischer Darstellung, wobei der übersichtlichkeit halber nur einer der Injektoren dargestellt ist,

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Hochdruckleitung,

Figur 3 ebenfalls einen Ausschnitt der Hochdruckleitung mit aufgebrachten Dehnmessstreifen,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anbringung von Dehnungssensoren auf einer Hochdruckleitung,

Figur 5 einen Querschnitt durch die in Figur 4 dargestellte Hochdruckleitung entlang der Linie V-V und Figur 6 in der gleichen Darstellung wie Figur 5 einen Querschnitt durch eine weitere

Hochdruckleitung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume von vorzugsweise selbstzündenden Brennkraftmaschinen dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe 3, die über eine Leitung 7

Kraftstoff unter hohem Druck einem Kraftstoffhochdruckspeicher 5 zuführt, der bei Common-Rail Einspritzsystemen als Rail bezeichnet wird. Durch eine entsprechende Regelung der Hochdruckpumpe 3 wird im Kraftstoffhochdruckspeicher 5 ein vorgegebener hoher Kraftstoffdruck aufrecht erhalten, der an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. An den Kraftstoffhochdruckspeicher 5 sind über jeweils eine Hochdruckleitung 10 mehrere Injektoren 12 angeschlossen, wobei in Figur 1 der übersichtlichkeit halber nur ein Injektor 12 dargestellt ist. Im Injektor 12 sind mehrere Einspritzöffhungen 15 ausgebildet, über die der Kraftstoff letztendlich direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Einspritzöffhungen 15 sind über einen Hochdruckkanal 9 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 5 verbunden, der

im Injektor als ein Kraftstoffkanal ausgebildet ist und sich danach in Form der Hochdruckleitung 10 bis in den Kraftstoffhochdruckspeicher 5 fortsetzt.

Um die Dehnungsänderung der Körper zu erfassen, in denen der Hochdruckkanal 9 ver- läuft, ist wenigstens ein Dehnungssensor 20, 20', 20" vorgesehen, wobei der Dehnungssensor 20, 20', 20" in Figur 1 in drei alternativen Positionen gezeigt ist. So kann der Dehnungssensor 20 an der Hochdruckleitung 10, am Injektor 12 selbst, hier mit Bezugsziffer 20' bezeichnet, oder es kann an der Düse 18, die Teil des Injektors 12 ist, ein Dehnungssensor 20" angebracht sein. Der Dehnungssensor 20, 20', 20" ist mit einer Auswerteein- heit 25 verbunden, wo aus dem Signal des Dehnungssensors 20, 20', 20" die Dehnung des

Körpers bestimmt wird, an dem sich der Dehnungssensor 20, 20', 20" befindet. über weitergehende Algorithmen kann schließlich die Druckänderung in dem entsprechenden Körper 10, 12 bestimmt werden.

Das Messprinzip beruht auf dem physikalischen Effekt, dass ein fluiddurchströmter Körper, z. B. eine rohrförmige Hochdruckleitung, durch die elastischen Eigenschaften des Materials eine Dehnung erfährt, wenn das durchgeleitete Fluid unter Druck gesetzt wird. Dadurch werden Umfangs- und Längenänderungen im Körper hervorgerufen, die mit einem geeigneten Dehnungssensor gemessen werden können. über eine Kalibrierung ist dann eine Bestimmung des im Rohr herrschenden Drucks möglich, insbesondere eine zeitliche änderung des Drucks. Betrachtet man den Fall, bei dem der Dehnungssensor 20 an der Hochdruckleitung 10 angeordnet ist, die im wesentlichen die Form eines Hohlzy- linders aufweist, so kann die Umfangs- und Längsspannung berechnet werden, wenn die Materialkonstanten bekannt sind, und ebenso der Innendruck bzw. die Druckänderung. Die Umfangsspannung σ _u bzw. die Längsspannung σ _j ergibt sich dann gemäß Gleichung

(1) und (2): μ

G ₁₁ = P d ₁ / 2s (1)

G ₁ = p-di / 4s (2)

wobei p der Innendruck ist. Die geometrischen Größen, also der Innendurchmesser d _j und die Wanddicke s, sind in Figur 2 dargestellt, wo ein Ausschnitt der Hochdruckleitung 10 gezeigt ist. Aus den Spannungen im Material der Hochdruckleitung 10 lässt sich dann die

entsprechende Dehnung ε berechnen, wobei der Elastizitätsmodul E und die Querkon- traktionszahl μ materialabhängig sind. Es ergibt sich Gleichung (3) und (4):

ε _u = (σ _u - μ-σ _j ) / E (3)

E ₁ = (G ₁ - μ σ _u ) / E (4)

Die Materialdehnung der Hochdruckleitung 10 oder des Injektors 12 kann beispielsweise über Dehnmessstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Beim Einspritzen des Kraftstoffs bricht durch das öffnen der Düse der Druck im Injektor und in der Hochdruckleitung 10 ein. Die entsprechende Druckänderung kann über die dadurch verursachte Dehnungsänderung detektiert werden. Mit einem entsprechenden Auswertealgorithmus ergibt sich daraus der Einspritzbeginn und das Einspritzende.

Zur Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge durch die genaue Bestimmung des

Einspritzbeginns bzw. des Einspritzendes können Dehnungssensoren 20' am Injektor selbst, an der Hochdruckleitung 10 oder an mehreren Stellen gleichzeitig angebracht werden. Das Anbringen des Dehnungssensors 20" direkt an der Düse wäre wünschenswert, da hier die Störeinflüsse, wie z. B. Durchschwingungen nach dem Schließen des Injektors 12 und durch die sonstigen Injektoren am geringsten sind. Allerdings ist das Verhältnis von Rohrinnendurchmesser d _j und der Wandstärke s sehr viel ungünstiger als in der Hochdruckleitung 10, so dass das zu erwartende Signal des Dehnungssensors hier gering und damit die Auswertung entsprechend schwierig ist. Außerdem ist aus konstruktiven Gründen die Anbringung von Dehnungssensoren am Injektor selbst schwierig, da der Bauraum hier sehr begrenzt ist.

Im Folgenden soll die Größe des zu erwartenden Effekts abgeschätzt werden. Die Um- fangs- und Längsspannungen an der Hochdruckleitung 10 betragen typischerweise d _j = 3 mm und s = 1 ,5 mm. Bei einem Innendruck von 2000 bar ergibt sich so nach Glei- chung (1) und (2) σ _u = 2000 bar und G ₁ =1000 bar. Mit Gleichung (3) und (4) ergeben sich unter Berücksichtigung typischer Materialwerte für hochfesten Stahl, das ist Elastizitätsmodul E = 210 GPa und μ=0,3, Dehnungen von ε _u = 8,1 ^• 10 ^"4 und E ₁ = 1,9 ^• 10 ^"4 .

Nimmt man an, es werden vier Dehnmessstreifen in Form einer Wheatstone-Messbrücke verschaltet, so ist das Verhältnis von Signalspannung U _A zu Eingangsbrückenspannung U _B nach Gleichung (5) gegeben:

U _A / U _B = k/4 - (ε ₁ - ε ₂ + ε ₃ - ε ₄ ) = l,2 - 10 ^"3 (5)

Der k-Faktor ist für Metalle etwa 2 und kann bei Halbleitermaterialen erheblich höher liegen. Die Dehnungen ε^ bis ε ₄ sind die von den einzelnen Dehnmessstreifen gemessenen Dehnungen. Ein Signal in dieser Größenordnung kann typischerweise mit anwen- dungsspezifischen, integrierten Schaltkreisen verstärkt und ausgewertet werden. Dazu muss ein entsprechender Algorithmus in der Auswerteeinheit 25 hinterlegt sein, um die entsprechenden Signale dem Steuergerät zur Verführung stellen zu können. Die Empfindlichkeit der Messung kann durch änderung der Bohrgeometrie in der Hochdruckleitung 10, also des Verhältnisses von Wandstärke s zu Innendurchmesser d _j , gegenüber der obi- gen Abschätzung erheblich verbessert werden.

Die Auswertung des Dehnungssignals kann, muss aber nicht zwangsläufig mittels einer Wheatstone-Brücke erfolgen. Figur 3 zeigt eine Anordnung von vier Dehnmeßstreifen 22, die in der Zeichnung mit Dl, D2, D3 und D4 numeriert sind, wie sie erfindungsge- maß eingesetzt werden können. Es sind aber auch andere Konfigurationen denkbar. So können die Dehnungssensoren D2 und D4 um beliebige Winkel versetzt sein und auch die Anordnung entlang der Längsachse in der Hochdruckleitung 10 ist beliebig. Es ist auch denkbar, alle Dehnmessstreifen 22 in Umfangsrichtung oder alle in Längsrichtung der Hochdruckleitung 10 anzuordnen.

Da die Drift an jedem Injektor 12 verschieden ausfällt, ist es empfehlenswert, an jedem Injektor bzw. der dazugehörigen Hochdruckleitung 10 die Einspritzmenge bzw. Einspritzdauer separat zu bestimmen. Sollte dies nicht möglich sein, so kann der Effekt der kommunizierenden Röhren ausgenutzt werden. Ein Druckeinbruch an einem Injektor 12 kann auch in der Hochdruckleitung 10 eines anderen Injektors 12 beobachtet werden, wenn auch mit geringer Druckamplitude. Nach dem Schließen des Injektors kommt es zu Druckschwingungen, die sich vom betreffenden Injektor 12 bis in den Kraftstoffhochdruckspeicher 5 ausbreiten. Eine geeignete Signalaufbereitung ist deshalb notwendig, um den Einspritzbeginn und das Einspritzende exakt bestimmen zu können.

Für die Ausführung der Dehnungssensoren 20, 20', 20" sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar. So können beispielsweise - wie oben gezeigt - Dehnmessstreifen 22 auf die fertige Hochdruckleitung 10 geklebt, geschweißt, gelötet oder anderweitig angebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Halbleiter-Chips 24 mit darauf be- fϊndlichen Widerständen auf dem Injektor 12 oder der Hochdruckleitung 10 anzubringen, wobei die Widerstände abhängig von der Dehnung des Silizium-Chips 24 ihren Widerstand ändern. In Figur 4 ist hierzu eine Mögliche Anordnung eines Halbleiter-Chips 24 gezeigt, der hier auf einer Abflachung 27 aufgebracht ist, die an einer Hochdruckleitung 10 ausgebildet ist. Figur 5 zeigt dazu einen Querschnitt durch die in Figur 4 dargestellte Hochdruckleitung 10 entlang der Linie V-V.

Alternativ können auch mehrere solche Halbleiter-Chips 24, die beispielsweise auf Basis von Silizium gefertigt sein können, auf die Hochdruckleitung 10 oder den Injektor 12 aufgebracht werden. Figur 6 zeigt hierzu in einem Querschnitt eine Hochdruckleitung 10', die einen quadratischen Außenquerschnitt aufweist. Auf den Seitenflächen kann einer oder es können - wie in diesem Beispiel - mehrere Dehnungssensoren 20 aufgebracht werden.

Die Halbleiter-Chips 24 beinhalten einen oder mehrere piezoresistive Widerstände 29, die ähnlich den oben beschriebenen Dehnmessstreifen 22 mit der Auswerteeinheit 25 verbunden sind. Zum Schutz der Halbleiter-Chips 24 können diese verglast werden, was auf einer Abflachung 27 technisch deutlich einfacher zu bewältigen ist als auf einer gekrümmten Oberfläche.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Dehnungssensoren 20, 20', 20" besteht darin, den Injektor 12 oder die Hochdruckleitung 10 mit einem piezoresistiven oder anderweitig dehnungsempfindlichen Material, beispielsweise NiCr(Si) gezielt zu beschichten und gegebenenfalls nachfolgend zu strukturieren. Dazu müsste vorher eine elektrisch isolierende Schicht auf dem Stahl der Hochdruckleitung 10 angebracht werden, um Kurz- Schlüsse zu vermeiden. Auch andere Varianten der Dehnungsmessung sind denkbar.

Das oben beschriebene Kraftstoffeinspritzsystem mit der Bestimmung von Einspritzzeit- punkten mittels Dehnungsmessung kann vorzugsweise in Kraftstoffeinspritzsystemen für Dieselmotoren eingesetzt werden, aber auch in Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung.