Vcrfahrcn zum Einspritzen von Brennstoff mittels eines Brennstoffeinspritzsystems

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff mittels eines Brennstoffeinspritzsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 12 bezüglich eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems.

Aus der DE 198 55 547 Al ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches einen Kern, eine Magnetspule und einen durch die Magnetspule in einer Hubrichtung gegen eine Rückstellfeder beaufschlagbaren Anker sowie eine Ventilnadel aufweist. Die Ventilnadel ist sowohl mit dem Anker als auch mit einem Ventilschließkörper, der mit einem festen Dichtsitz zusammenwirkt, fest verbunden und bildet ein bewegbares Ventilglied. Auf der Ventilnadel ist zwischen dem Anker und dem Ventilschließkörper ein Hilfskörper angeordnet, der relativ zur Ventilnadel bewegbar ist. Die Ventilnadel ist derart mit einem Mitnehmermittel ausgeführt, dass bei einer Bewegung des Hilfskörpers in Hubrichtung die Ventilnadel in gleicher Richtung beschleunigbar ist und ein schnelles Offnen des Brennstoffeinspritzventils ermöglicht wird.

Nachteilig bei dem aus der oben genannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, dass zwar die öfmungsbewegung des Brennstoffeinspritzventils schnell erfolgen kann, die Schließbewegung jedoch linear mit der Zeit verzögert verläuft. Dies wirkt sich nachteilig auf die Drosselphase des Brennstoffeinspritzventils aus und bewirkt eine schlechte Gemischaufbereitung infolge eines Brennstoffstrahls, der die Form eines Kegels aufweist, wobei der Kegelwinkel gering ist. Für eine optimale Gemischaufbereitung ist ein großer Kegelwinkel des austretenden Brennstoffstrahls wünschenswert, so dass die Divergenz des austretenden

Brennstoffstrahls den Brennraum gut mit einem Brennstoff-Luft Gemisch füllen kann, was wiederum eine gleichmäßige und vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luft Gemisches im Brennraum einer Brennkraftmaschine gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff bzw. ein Brennstoffeinspritzsystem mit einem Brennstoffeinspritzventil und einem Steuergerät, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 12 aufweist, hat demgegenüber den Vorteil, dass die Ventilnadel während des Schließvorgangs kurzzeitig gestoppt wird, so dass der Spalt, der sich wegen des Hubs der Ventilnadel zwischen Ventilsitz und Ventilschließkörper gebildet hat, für einen gewissen Zeitraum konstant bleibt. Diese Androsselung des Brennstoffeinspritzventils, die einer Verlängerung des Schließvorgangs entspricht, wirkt sich vorteilhaft auf den düsennahen Strahlkegelwinkel am Düsenaustritt aus, d.h. der düsennahe Strahlkegelwinkel wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vergrößert. Dadurch kommt es zu einer besseren Zerstäubung des aufgeweiteten Brennstoffstrahls und somit zu einer verbesserten Lufterfassung, wodurch die Zündfähigkeit des gebildeten Brennstoff-Luft-Gemischs erhöht ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer Aufweitung der räumlichen und zeitlichen Toleranz der Zuordnung von Strahl und Zündfunken. Das bedeutet, dass der tatsächliche

Zündzeitpunkt vom optimalen, berechneten bzw. in einer Simulation bestimmten Zündzeitpunkt sowohl um eine kleine Toleranzzeit verfrüht als auch verzögert erfolgen darf. Eine Aufweitung der räumlichen Toleranz bedeutet, dass auch ein verdünnteres Brennstoff-Luft-Gemisch im

Brennraum optimal gezündet werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte

Weiterentwicklungen möglich.

Weiterhin ist von Vorteil, dass der eingespritzte Brennstoff im Ventilsitz der Düse angedrosselt ist. Dieser Effekt ist in Abhängigkeit von einem Hub der Ventilnadel einstellbar und daher an verschiedene Ausführungsformen von Brennstoffeinspritzventilen anpassbar.

Es ist ebenfalls von Vorteil, dass die Androsselung des Brennstoffeinspritzventils mittels eines dafür vorgesehenen Steuergeräts anschaltbar und wieder abschaltbar ist.

Von Vorteil ist es auch, dass statt einer einfachen Magnetspule eine Doppelspule benutzt werden kann, die wahlweise zum schnelleren öffnen und Schließen des Brennstoffeinspritzventils zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Zustands-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer

öffnungsphase und einer Schließphase eines Brennstoffeinspritzventils;

Fig. 2 ein Strom-Zeit-Diagramm des Stromes, wie er gemäß des erfindungsgemäßen

Verfahrens der Magnetspule aufgeprägt wird;

Fig. 3 ein Hub-Zeit-Diagramm der Ventilnadel gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 ein Einspritzmenge-Zeit Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzsystem bestehend aus einem

Brennstoffeinspritzventil und einem Steuergerät zum gezielten Einspritzen von Brennstoff und

Fig. 6 eine mögliche Spritzlochgeometrie der Düse des Brennstoffeinspritzventils;

Fig. 7 ein Ausschnitt VII des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils in Fig. 1, das den Unterschied zwischen einem Einzelstrahlkegelwinkel und einem

Gesamtstrahlkegelwinkel verdeutlicht.

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Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 7 beispielhaft beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Zustands-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum gezielten Einspritzen von Brennstoff mit einer öffiiungsphase 10 und einer Schließphase 11 eines Brennstoffeinspritzventils 2. Ein Steuergerät 9, das Bestandteil eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems 1 ist, legt in einem ersten Verfahrensschritt fest, dass für die öffnungsphase 10 und die Schließphase 11 des Brennstoffeinspritzventils 1 insgesamt eine

Zeitspanne t _ges 15 vorgesehen ist. Innerhalb dieser Zeitspanne t _ges 15, die sich mittels Summierung aus einer Zeitspanne t _a 16 und einer Zeitspanne t _s 17 ergibt, wird für das Brennstoffeinspritzventil 2 eine öffiiungsphase 10, die der Zeitspanne t _a 16 und dem auf einer Ordinate des Zustands-Zeit- Diagramms aufgetragenen Zustand "1" entspricht und eine Schließphase 11, die der Zeitspanne t _s 17 und dem auf einer Abszisse des Zustands-Zeit-Diagramms aufgetragenen Zustand "0" entspricht, festgelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum gezielten Einspritzen von Brennstoff mittels eines Brennstoffeinspritzsystems 1 umfasst, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Brennstoffeinspritzventil 2 mit einer Magnetspule 3, die mit einem von einer Rückstellfeder 4 beaufschlagten Anker 5 zusammenwirkt, der zusammen mit einer Ventilnadel 6 ein axial bewegliches Ventilteil bildet und ein Steuergerät 9 zum Ansteuern des Brennstoffeinspritzventils 2. An der Ventilnadel 6 ist ein Ventilschließkörper 7 vorgesehen, der mit einem Ventilsitzkörper 8 einen Dichtsitz bildet. Das mit dem Brennstoffeinspritzventil 2 verbundene Steuergerät 9 gibt in einem ersten Verfahrensschritt für das Brennstoffeinspritzventil 2 eine öffnungsphase 10 mit einem ersten Haltestrom 12 und in einem zweiten Verfahrensschritt eine nach der öffnungsphase 10 beginnende Schließphase 11 mit einem zweiten Haltestrom 13 vor.

Der zweite Verfahrensschritt ist eine gezielte Verlängerung einer Drosselphase des Brennstoffeinspritzventils 2 während des Zeitraums, der von dem Zeitpunkt t _a 16 und einem Abschaltzeitpunkt t _c 21 festgelegt wird. Während der gezielten Verlängerung der Drosselphase des Brennstoffeinspritzventils 2 erfolgt eine Aufweitung des eingespritzten Brennstoffstrahls 25,

d.h. ein Einzelstrahlkegelwinkel 39 des kegelförmigen einzelnen Brennstoffstrahls 25 wird vergrößert, wobei der Gesamtstrahlkegelwinkel 40 nahezu konstant bleibt. Dies ist in Figur V dargestellt.

In einem dritten Verfahrensschritt wird der Stromverlauf in der Magnetspule 3 während der Schließphase 11 des Brennstoffeinspritzventils 2 so festgelegt, dass das durch den zweiten Haltestrom 13 erzeugte Magnetfeld eine bestimmte Magnetkraft bewirkt, so dass dadurch die Ventilnadel 6 einen definierten von Null verschiedenen Hub 14 erfährt und diesen über eine definierte Zeitspanne, die kürzer als die Schließphase 11 ist, konstant beibehält. Dabei ist der durch den zweiten Haltestrom 13 hervorgerufene Hub 14 kleiner als der durch den ersten Haltestrom 12 hervorgerufene Hub 14.

Fig. 2 zeigt ein Strom-Zeit-Diagramm des Stromes, wie er gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels des Steuergerätes 9 der Magnetspule 3 aufgeprägt wird. In der öffnungsphase 10 des Brennstoffeinspritzventils 2 während der Zeitspanne t _b 18 dient in der Magnetspule 3 ein Vormagnetisierungsstrom 1^ _n 19 zur Vormagnetisierung. Anschließend steigt der Strom in der Magnetspule 3 bis zum Zeitpunkt t _m 20 auf den Wert I _103x 44 an, nachdem in der Magnetspule 3 der Vormagnetisierungsstrom 1^ _n 19 geflossen ist. Weiterhin zeigt Fig. 2 den Abfall des in der Magnetspule 3 fließenden Stromes von I _103x 44 auf den bis zum Ende der öffnungsphase 10 zeitlich konstanten ersten Haltestrom 13. Die Dauer des ersten Haltestroms 12 in der

öffhungsphase 10 ist ebenfalls vom Steuergerät 9 festgelegt. In einem zweiten Verfahrensschritt legt das Steuergerät 9 eine geringere Stromstärke des zweiten Haltestroms 13 als die des ersten Haltestroms 12 und einen Abschaltzeitpunkt t _c 21 innerhalb der Schließphase 11 des Brennstoffeinspritzventils 2 fest.

Fig. 3 zeigt ein Hub-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in einem dritten Verfahrensschritt innerhalb der Zeitspanne t _b 18 ein Hub 14 der Ventilnadel 6 auf Null festgelegt ist. Zu einem Zeitpunkt t _< j 22, der später erfolgt als t^ 20, ist der Hub 14 der Ventilnadel 6 auf einen bis zum Ende der öffnungsphase 10 zeitlich konstanten maximalen Hub 23 angestiegen. Nach dem Zeitpunkt t _ab 24 ist der Hub 14 der Ventilnadel 6 auf weniger als die Hälfte dieses maximalen Hubes 23 gesunken und bleibt bis zum Abschaltzeitpunkt t _c 21 in der Schließphase 11

zeitlich konstant. Ferner sind zumindest drei weitere, unterschiedliche Steigungen aufweisende Varianten eines Schließvorgangs 41, 42 und 43 für das Brennstoffeinspritzventil 2 anwendbar.

Fig. 4 zeigt ein idealisiertes Einspritzmenge-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Brennstoffeinspritzventil 2 gemäß des dritten Verfahrensschrittes sowohl in der

öffnungsphase 10 als auch in der Schließphase 11 eine Einspritzmenge an Brennstoff abgibt, die bis zum Abschaltzeitpunkt t _c 21 linear mit der Zeit ansteigt und nach dem Abschaltzeitpunkt t _c 21 bis zum Ende der Schließphase 11 zeitlich konstant Null ist, wobei bei kleinen Einspritzmengen, insbesondere während des öffnens und Schließens des Brennstoffeinspritzventils 2 die Einspritzmenge als Funktion der Einspritzzeit vom linearen Zusammenhang abweichen kann, wobei diese nichtlineare Abweichung im Steuergerät 9 durch entsprechende Kennlinien korrigiert wird.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzsystem 1 mit einem Brennstoffeinspritzventil 2 und einem Steuergerät 9 zum gezielten Einspritzen von Brennstoff.

Das Brennstoffeinspritzventil 2 umfasst eine Magnetspule 3, die auf einen Spulenträger 26 gewickelt ist. Der Spulenträger 26 ist in einem Ventilgehäuse 27 gekapselt.

Der Spulenträger 26 wird von einem als Innenpol dienenden Kern 29 durchgriffen, der rohrförmig ausgestaltet ist. Als Außenpol der Magnetspule 3 kann beispielsweise das Ventilgehäuse 27 dienen. Abströmseitig des Innenpols 29 ist ein Anker 5 angeordnet, der z. B. einstückig an einer Ventilnadel 6 ausgebildet ist.

Die Ventilnadel 6 steht vorzugsweise durch Schweißen in Wirkverbindung mit einem im

Ausführungsbeispiel kegelförmigen Ventilschließkörper 7, der mit einer Ventilsitzfläche 32 eines Ventilsitzkörpers 8 einen Dichtsitz bildet. Stromaufwärts des Dichtsitzes ist eine Drallscheibe 33 vorgesehen. In dem Ventilsitzkörper 8 ist wenigstens eine Abspritzöffnung 34 ausgebildet, aus der der Brennstoff in den nicht weiter dargestellten Brennraum eingespritzt wird.

Der Anker 5 ist im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 von einer Rückstellfeder 4 so beaufschlagt, dass das Brennstoffeinspritzventil 2 durch den Andruck des Ventilschließkörpers 7

auf den Ventilsitzkörper 8 geschlossen gehalten wird. Die Rückstellfeder 4 ist in einer Ausnehmung des Innenpols 29 angeordnet und wird über einen Flansch und durch eine Einstellhülse 38 auf Vorspannung gebracht. Der Brennstoff, der über eine zentrale Brennstoffzufuhr 35 zugeleitet wird, durchströmt das Brennstoffeinspritzventil 2 durch die Ausnehmung des Innenpols 29 und gelangt zum Dichtsitz und zur Abspritzöffnung 34.

Wird der Magnetspule 3 über das zum Steuergerät 9 führende Stromkabel 37 ein elektrischer Strom zugeführt, baut sich ein magnetisches Feld auf, das bei ausreichender Stärke den Anker 5 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 4 entgegen der Strömungsrichtung des Brennstoffs beaufschlagt. Dadurch wird ein zwischen dem Anker 5 und dem Innenpol 29 ausgebildeter

Arbeitsspalt 36 geschlossen. Durch die Bewegung des Ankers 5 wird auch die mit dem Anker 5 verbundene Ventilnadel 6 in Hubrichtung mitgenommen, so dass der Ventilschließkörper 7 vom Ventilsitzkörper 8 abhebt und Brennstoff zur Abspritzöffnung 34 geleitet wird.

Das Brennstoffeinspritzventil 2 wird geschlossen, sobald der die Magnetspule 3 erregende Strom abgeschaltet und das Magnetfeld soweit abgebaut ist, dass die Rückstellfeder 4 den Anker 5 vom Innenpol 29 abdrückt, wodurch sich die Ventilnadel 6 in Abströmrichtung bewegt und der Ventilschließkörper 7 auf dem Ventilsitzkörper 8 aufsetzt.

An das Brennstoffeinspritzventil 2 ist ein Steuergerät 9 angeschlossen. Steuergerät 9 und Brennstoffeinspritzventil 2 bilden das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzsystem 1 zum Einspritzen von Brennstoff in einen nicht weiter dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei das Brennstoffeinspritzventil 2 während der Schließphase 11 eine Androsselung erfährt.

Fig. 6 zeigt eine mögliche Spritzlochgeometrie, die einen großen Einfluss auf die Ausprägung des strahlaufweitenden Effekts hat, wobei ein großes Verhältnis des Stufendurchmessers D zu dem Spritzlochdurchmesser d von Vorteil ist und das Spritzloch konisch verlaufen kann.

In Fig. 7 ist der Ausschnitt VII aus Fig. 1 vergrößert dargestellt. Dadurch wird der Unterschied zwischen dem Einzelstrahlkegelwinkel und dem Gesamtstrahlkegelwinkel verdeutlicht.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere sind beliebige Kombinationen der verschiedenen Merkmale möglich.