DE10017060A1 - Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem vorgeschlagen, das eine Anhebung des Druckniveaus im mittleren Drehzahlbereich bezogen auf einen vorgegebenen, maximal zulässigen Einspritzdruck gestattet, ohne dass im oberen Drehzahlbereich dieser maximal zulässige Einspritzdruck überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Die­ sel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritz­ system gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Mit Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystemen arbeitende Diesel- Brennkraftmaschinen sind aus der Praxis bekannt und erlauben infolge der zylinderindividuellen Zuordnung jeweils einer aus Pumpe, Leitung und Düse bestehenden Einspritzeinheit mit übli­ cherweise von der Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrie­ bener, düsennaher Anordnung der Pumpe kurze, drucksteife Lei­ tungswege und damit auch sehr hohe Einspritzdrücke bis weit in den Bereich über 1000 bar. Dies bei einer Auslegung, bei der drehzahlabhängig die höchsten Einspritzdrücke beim Lastpunkt Nenndrehzahl/Volllast auftreten, auf den die hierfür maßgebli­ chen konstruktiven Parameter des Systems, wie Nockengeschwin­ digkeit, Kolbendurchmesser der Pumpe und Strömungsquerschnitt der Einspritzdüse abgestimmt sind. Mit sinkenden Drehzahlen und Motorlasten werden deutlich niedrigere Einspritzdrücke er­ reicht, wobei über der Drehzahl ein im Groben dreiecksförmiger Druckverlauf mit gegen den Höchstdruck flacher ansteigender Flanke gegeben ist.

Pumpen für derartige Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsysteme sind auch aus der WO 97/01 031 bekannt und es ist bei dieser bekann­ ten Pumpenkonstruktion der Pumpe druckseitig ein Steuerventil zugeordnet, das eine Verformung der Druckverlaufskurve im Sinne eines Absenken des Pumpendruckes durch Öffnen gegen die Nieder­ druckseite ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe- Leitung-Düse-Einspritzsystem aufzuzeigen, das eine Reduzierung der Ruß- bzw. Partikelemission der Diesel-Brennkraftmaschine insbesondere im mittleren und unteren Drehzahl- und Lastbereich ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird hierzu der drehzahlabhängige Druckverlauf im mittleren und unteren Drehzahl- und Lastbereich in seinem Niveau angehoben, und zwar dadurch, dass die Auslegung des Systemes auf einen theoretischen Lastpunkt erfolgt, der ober­ halb des Lastpunktes Nenndrehzahl/Volllast mit zugehörigem ma­ ximal zulässigen Einspritzdruck liegt, womit eine im Niveau insgesamt angehobene Druckverlaufskurve erreicht wird, die im Bereich kritischer Werte, d. h. bei bzw. vor Überschreiten des maximal zulässigen Einspritzdruckes durch Öffnen des Steuerven­ tiles abgesenkt wird. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird eine verhältnismäßig große Flexibilität in der Festlegung der Druckverlaufskurve erreicht, ohne in die Mechanik des Systems verstärkend eingreifen zu müssen, da die mit der Auslegung auf ein höheres Druckniveau an sich verbundenen Nachteile, auch des höheren Leistungsbedarfes, nicht zum Tragen kommen. Denn in den unteren Drehzahlbereichen ist die Druckanhebung gewünscht und mechanisch unkritisch, und im kritischen oberen Bereich wird, durch die Kurzschlussverbindung zur Niederdruckseite, die Mög­ lichkeit der Druckanhebung nicht genutzt, so dass, von Pumpver­ lusten abgesehen, auch kein merklich erhöhter Leistungsbedarf anfällt.

Im Rahmen der Erfindung kann in den Druckverlauf im Sinne einer Druckverlaufsabsenkung schon vor Erreichen des dem maximal zulässigen Einspritzdruck entsprechenden Druckes eingegriffen werden, falls eine Anhebung der Druckverlaufkurve nur im unte­ ren Bereich gewünscht wird.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystems für eine Diesel- Brennkraftmaschine, die nicht weiter dargestellt ist,

Fig. 2 und 3 die Funktion erläuternde Prinzipdarstellungen des Ein­ spritzsystems, wobei das der Pumpe druckseitig nach­ geordnete Steuerventil in Fig. 2 in seiner federbe­ lasteten Öffnungsstellung und Fig. 3 in seiner mag­ netkraftbetätigten Schließstellung veranschaulicht ist,

Fig. 4 und 5 Diagramme, in denen über dem Nockenwinkel für eine un­ tere und eine im Bereich darüber liegende, obere Drehzahl die Nockengeschwindigkeit, der Magnethub des Steuerventils und der Förderdruck der Pumpe als Lei­ tungsdruck aufgetragen ist, wobei für die höhere Drehzahl der Druckaufbau im längsmittleren Bereich der ansteigenden Flanke der Druckkurve reduziert ist und

Fig. 6 und 7 den Fig. 4 und 5 entsprechende Darstellungen, wo­ bei für die höhere Drehzahl der durch die Druckkurve veranschaulichte Druckaufbau im Scheitelbereich der Druckkurve reduziert ist.

Fig. 1 zeigt eine Schemadarstellung eines Pumpe-Leitung-Düse- Einspritzsystems für Diesel-Brennkraftmaschinen, wobei die Pum­ pe mit 1, die Leitung mit 2 und die Düse mit 3 bezeichnet sind und Pumpe 1, Leitung 2 und Düse 3 jeweils eine einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnete Einspritzeinheit bilden, de­ ren Pumpe 1 üblicherweise als Steckpumpe im Zylinderkopf oder zylinderkopfnahen Bereich der nicht weiter dargestellten Brenn­ kraftmaschine angeordnet und über den Nocken 4 einer Nockenwel­ le 5 beaufschlagt ist, die bevorzugt auch die Funktion einer Steuernockenwelle für Gaswechselelemente der Brennkraftmaschine übernimmt. Die Düse 3 mündet in nicht näher dargestellter Weise auf den Brennraum eines Zylinders aus.

Ein derartiges Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem ist üblicher­ weise auf den Lastpunkt Nenndrehzahl/Volllast der Brennkraftma­ schine ausgelegt. Die hier auftretenden Einspritzdrücke ent­ sprechen etwa dem maximal zulässigen Einspritzdruck. Da der Einspritzdruck drehzahlabhängig ist, ergeben sich bei niedrige­ ren Drehzahlen entsprechend geringere Einspritzdrücke. Diese können sich auf die Kraftstoffzerstäubung nachteilig auswirken.

Um dem zu begegnen, wird das Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem bezüglich seiner die Einspritzkriterien bestimmenden Größen, so insbesondere Nockengeschwindigkeit, Kolbendurchmesser der Pumpe und Strömungsquerschnitt der Düse auf einen theoretischen Last­ punkt ausgelegt, bei dem sich Einspritzdrücke ergäben, die den maximal zulässigen Einspritzdruck des Systemes überschreiten. Dadurch lässt sich ein Druckverlauf über der Drehzahl realisie­ ren, der gegenüber dem auf den Lastpunkt Nenndrehzahl/Volllast ausgerichteten Druckverlauf im Niveau angehoben ist und somit in dem Bereich, in dem von diesem angehobenen Druckverlauf Gebrauch gemacht wird, auch höhere Einspritzdrücke zur Folge hat. Hiervon wird im Rahmen der Erfindung im unteren und mitt­ leren Drehzahlbereich Gebrauch gemacht, nicht aber im oberen Drehzahlbereich, in dem die theoretische Auslegung auf einen Lastpunkt, der oberhalb des maximal zulässigen Einspritzdruckes liegt, zu unlässig hohen Förder- und Einspritzdrücken führen würde. Dementsprechend wird für diesen kritischen Lastbereich der drehzahlabhängige Druckverlauf im Niveau zurückgenommen, dadurch dass der Förderdruck der Pumpe über einen Bypass zur Niederdruckseite gesteuert zurückgenommen wird. Der Bypass ist steuerbar ausgeführt und bevorzugt durch ein Steuerventil ge­ bildet, das als Magnetventil ausgestaltet ist. Den diesbezügli­ chen Aufbau des Einspritzsystemes zeigen die Fig. 2 und 3, wo­ bei auch hier Pumpe, Leitung und Düse wiederum mit 1, 2 und 3 generell bezeichnet sind.

Die Pumpe 1 ist über ihren Rollenstößel 6 angetrieben, der mit dem Nocken 4 der Nockenwelle 5 zusammenwirkt und dem eine Schiebeführung 10 zugeordnet ist, die in nicht näher darge­ stellter Weise gegenüber dem schematisch angedeuteten Pumpenge­ häuse 8 geführt und gegen dieses über eine Feder 7 nachgiebig abgestützt ist. Die Schiebeführung 10 beaufschlagt den Pumpen­ kolben 9, der im Gehäuse 8 geführt ist. Der Pumpenkolben 9 grenzt einen Druckraum 11 ab, der an die Leitung 2 angeschlos­ sen ist, wobei der Übergangsbereich auf die Leitung 2 durch ei­ nen Leitungsabschnitt 12 gebildet ist, in dem das Steuerventil 13 angeordnet ist.

Das Steuerventil 13 ist in üblicher Weise als Magnetventil aus­ gebildet und weist einen Schaftteil 14 auf, der quer zum Lei­ tungsabschnitt 12 verläuft und in einem Gehäuseteil 15 des Steuerschiebers 13 geführt ist, der den Leitungsabschnitt 12 schneidet. Das Schaftteil 14 grenzt gegenüber dem Gehäuseteil 15 im Überdeckungsbereich zum Leitungsabschnitt 12 einen Ring­ raum 22 ab, der in Richtung auf den mit der Magnetspule 16 zu­ sammenwirkenden Anker 17 durch einen kolbenartigen Führungsab­ schnitt 21 des Schaftteiles 14 geschlossen ist und der in Ge­ genrichtung über einen vom Schaftteil 14 getragenen Ventilkopf 18 absperrbar ist.

Bei geöffnetem Steuerventil 13 gibt der Ventilkopf 18 die Verbindung auf eine im Niederdrucksystem der Kraftstoffversorgung liegende Kammer 19 frei, so dass, geöffnetes Steuerventil 18 vorausgesetzt, die Pumpe im Rahmen des Saughubes bei zurücklau­ fendem Kolben 9 Kraftstoff aufnehmen und bei in Verdichtungs­ richtung bewegtem Kolben 9 Kraftstoff auf das Niederdrucksystem zurückschieben kann.

Auf die in Fig. 2 gezeigte Öffnungsstellung ist der Schaftteil 14 mit dem Ventilkopf 18 über die Feder 20 belastet, bei Erre­ gung der Magnetspule 16 und dadurch in Richtung auf die Magnet­ spule 16 versetztem Anker 22 ist das Steuerventil 13, wie in Fig. 3 veranschaulicht, geschlossen. Entsprechend der Bestro­ mung der Magnetspule 16 lassen sich auch Zwischenstellung zwi­ schen voll geöffnet und voll geschlossen anfahren, so dass der jeweilige Leitungsdruck, und korrespondierend die Fördermenge und auch der Einspritzzeitpunkt modifiziert werden können. Die Einspritzung bei geschlossenem Steuerventil 13 ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Steuerventile des in Fig. 2 und 3 veranschaulichten Prinzipes sind, in Verbindung mit einer Steckpumpe, beispielsweise der WO 97/01 031 mit weiteren Einzelheiten zu entnehmen.

Die erfindungsgemäß angestrebte Erhöhung des Niveaus des Druck­ verlaufes über der Drehzahl ohne parallel laufende Anhebung des maximal zulässigen Einspritzdruckes wird nachfolgend anhand der Fig. 4 bis 7 erläutert, wobei Fig. 4 und 5 einerseits und Fig. 6 und 7 andererseits bei einander entsprechenden Darstellungs­ formen Lösungsvarianten veranschaulichen.

In Fig. 4, und analog hierzu in Fig. 6 sind über dem Nockenwin­ kel - je Pumpenhub - die Nockengeschwindigkeit und der Magnet­ hub des Steuerventiles aufgetragen, letzterer ausgehend vom voll geöffneten Steuerventil gemäß Fig. 2 mit Magnethub 0. In Fig. 5, und analog hierzu in Fig. 7 ist über dem Nockenwinkel der Förderdruck der Pumpe als Leitungsdruck Pumpe abgetragen, in Beziehung zum maximal zulässigen Einspritzdruck. Nockenge­ schwindigkeit, Magnethub und Leitungsdruck Pumpe sind bezogen auf eine vorgegebene untere bis mittlere Drehzahl von etwa 1100 U/min jeweils in Volllinien abgetragen, für eine höhere Dreh­ zahl, nämlich eine der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine etwa entsprechende Drehzahl von 1800 U/min in Strich-Punkt-Linien. Das entsprechende Einspritzvolumen macht für die niedrigere Drehzahl in etwa die Hälfte des Volumens bei der höheren Dreh­ zahl aus. Bezogen auf die niedrige Drehzahl sind in den Fig. 4 und 5 die Nockengeschwindigkeit über dem Nockenwinkel mit 23, der Magnethub mit 24 und der Leitungsdruck Pumpe mit 25 be­ zeichnet, bezogen auf die höhere Drehzahl die Nockengeschwin­ digkeit mit 26, der Magnethub mit 27 und der Leitungsdruck Pum­ pe mit 28.

Ausgangspunkt für die Darstellung gemäß Fig. 4 und 5 ist der geöffnete Zustand des Steuerventils gemäß Fig. 2. Durch Anre­ gung der Magnetspule 16 wird das Steuerventil 13 geschlossen (Fig. 3). Dies führt, entsprechend dem Verlauf der Nockenge­ schwindigkeit, zu einer Druckkurve wie in Fig. 5 gezeigt.

Diese Verhältnisse liegen für die niedrige und die hohe Dreh­ zahl, wie der Vergleich der Kurven 23 bis 25 und 26 und 28 zeigt, etwa gleich.

In Verbindung mit der höheren Drehzahl und den durch die geo­ metrisch-mechanische Auslegung bedingten Vorgaben würde einer Nockengeschwindigkeit 26 bei einem Magnethub 27, der in seinem Verlauf dem Magnethub 24 entsprechend etwa rechteckige Kontur aufweisen würde, ein Leitungsdruck Pumpe anfallen, der gegen­ über jenem mit 28 in Fig. 5 gezeigten über die Strich-Punkt- Linie 29 hinaus gehen würde, wobei mit dieser Strich-Punkt- Linie 29 der maximale zulässige Einspritzdruck angedeutet ist. Um dies zu vermeiden, ist der Magnethub 27, ausgehend von der geschlossenen Lage des Steuerventiles bei voll erregter Magnet­ spule 16, über dem Nockenwinkel kurzzeitig zurückgenommen, und damit das Steuerventil 13 im Bereich der auflaufenden Druckkur­ ve 28 kurzzeitig insbesondere teilweise geöffnet, wobei das Ab­ fallen des Magneten und die Zurücknahme des Magnethubes (Mag­ nethubeinbruch) bei 30 in Fig. 4 angedeutet sind. Die kurzzei­ tige Öffnung führt, wie Fig. 5 bei 31 veranschaulicht, zu einer Verringerung des Druckaufbaus bzw. einem verzögerten Druckauf­ bau über dem Nockenwinkel, mit der Folge, dass die Druckspitze abgesenkt wird und der kritische Einspritzdruck, durch 29 ver­ anschaulicht, nicht überschritten wird.

In den zu Fig. 4 und 5 analogen Darstellungen gemäß Fig. 6 und 7 sind, bezogen auf das niedrigere Drehzahlniveau, die Nocken­ geschwindigkeit mit 32, der Magnethub mit 33 und der Leitungs­ druck Pumpe mit 34 bezeichnet, bezogen auf das höhere Drehzahl­ niveau mit 35, 36 und 37. Der grundsätzliche Verlauf der jewei­ ligen Kurven entspricht dem in Fig. 4 und S. was auch für die Erregungszeit der Magnetspule 16 gilt, wobei in Abweichung zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 und 5 die Magneterregung nun­ mehr nicht zu Beginn der Schließphase reduziert ist, mit der Folge eines entsprechend verringerten Magnethubes und eines da­ durch bedingten teilweisen Öffnen des Steuerventiles, sondern zum Ende der Erregungsphase. Veranschaulicht ist dies bei 38 in Fig. 6. Die entsprechende, teilweise Öffnung des Steuerventiles 13 führt in der Endphase des Druckhubes, wie in Fig. 7 veran­ schaulicht, zu einer Reduktion des Leitungsdruckes Pumpe, so dass dessen Maximum den maximal zulässigen Einspritzdruck 39 nicht überschreitet. Andererseits führt aber diese Vorgehens­ weise, wie ein Vergleich der Fig. 5 und 7 zeigt, zu einem stei­ leren Druckaufbau, so dass sich eine fülligerer Verlauf für die Kurve 37, im Vergleich zur Kurve 28, ergibt.

Insgesamt ermöglicht das angesprochene Vorgehen mit einer Aus­ legung auf einen theoretischen Lastpunkt, der oberhalb eines dem vorgegebenen, maximal zulässigen Einspritzdruck entspre­ chenden Lastpunktes Nenndrehzahl/Volllast liegt, eine Anhebung des Förderdruckes im unteren, insbesondere aber im mittleren Drehzahl- und Lastbereich, so dass sich günstige Auswirkungen auf die Ruß- bzw. Partikelemission in diesen besonders kriti­ schen Bereichen ergibt.

Mit der Erfindung wird somit ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Ein­ spritzsystem vorgeschlagen, das eine Anhebung des Druckniveaus im mittleren Drehzahlbereich bezogen auf einen vorgegebenen, maximal zulässigen Einspritzdruck gestattet, ohne dass im obe­ ren Drehzahlbereich dieser maximal zulässige Einspritzdruck ü­ berschritten wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem, das auf einen maximal zulässigen Einspritzdruck ausgelegt ist und bei dem die jewei­ lige, zylinderindividuell vorgesehene, nockengetriebene Pumpe, bei je Pumpenhub über dem Nockenwinkel dreiecksförmiger Druck­ kurve, in ihrem Fördervolumen über der Drehzahl einen gegen ei­ nen Auslegungspunkt ansteigenden Druckverlauf aufweist, der ü­ ber ein in einer Verbindung zur Niederdruckseite liegendes Steuerventil beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dem (theoretischen) Auslegepunkt der Pumpe entspre­ chende Förderdruck über einem dem maximal zulässigen Einspritz­ druck entsprechenden Förderdruck liegt und dass der auf den (theoretischen) Auslegepunkt ausgerichtete, diesem entsprechen­ de Druckverlauf über der Drehzahl nach oben auf einen dem maxi­ mal zulässigen Einspritzdruck des Systemes entsprechenden För­ derdruck begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf über der Drehzahl in seinem Niveau vor Erreichen des zum maximal zulässigen Einspritzdruck korrespon­ dierenden Förderdruck abgesenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf über der Drehzahl anschließend an den mittleren Drehzahlbereich in seinem Niveau abgesenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf über der Drehzahl bei Erreichen des dem maximal zulässigen Einspritzdruck des Systemes entsprechenden Förderdruck auf ein diesen entsprechendes oder darunter liegen­ des Druckniveau begrenzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau je Pumpenhub im Bereich der ansteigenden Flanke der Druckkurve reduziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau je Pumpenhub im längsmittleren Bereich der ansteigenden Flanke der Druckkurve reduziert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau je Pumpenhub im Scheitelbereich der Druck­ kurve reduziert wird.