DE10108202A1

DE10108202A1 - Speichereinspritzsystem (Common Rail) für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10108202A1
Application number: DE2001108202
Authority: DE
Inventors: Andreas Pfaeffle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-08-22

Abstract

Ein Speichereinspritzsystem (Common Rail) für Brennkraftmaschinen, mit mengengeregelter Hochdruckpumpe (12) und einem den Volumenstrom und damit den Raildruck regelnden Steuergerät, weist ein steuerbares, mechanisch/hydraulisches Druckabbauventil (27, 28, 29) zur Entnahme minimaler Kraftstoffmengen aus dem Rail (13) zum Zwecke des Druckabbaus im System auf, derart, dass der gewünschte Systemdruck nicht unterschritten wird. DOLLAR A Hierbei besteht das mechanisch/hydraulische Druckabbauventil (27, 28, 29) aus zwei über eine zwischengeschaltete Drosselbohrung (33) in Wirkverbindung miteinander stehenden Ventileinheiten (27, 28), derart, dass die Drosselbohrung (33) an ihrem einen, einer ersten Ventileinheit (27) zugewandten Ende einen ersten Ventilsitz (35) für die erste Ventileinheit (27) und an ihrem anderen, einer zweiten Ventileinheit (28) zugewandten Ende einen zweiten Ventilsitz (34) für die zweite Ventileinheit (28) bildet. Ein mit dem zweiten Ventilsitz (34) zusammenwirkendes Dichtelement (40) der zweiten Ventileinheit (28) ist bei geöffneter erster Ventileinheit (27) über die Drosselbohrung (33) und gegen Federwiderstand (42) durch den Raildruck beaufschlagt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Speichereinspritzsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Einspritzsysteme sind bekannt. Zum diesbezüglichen allgemeinen Stand der Technik wird beispielsweise auf die deutsche Veröffentlichung "Diesel-Speichereinspritzsystem Common-Rail, technische Unterrichtung Bosch Nr. 1987722054; KH/VDT-0997-DE" verwiesen.

In Common-Rail-Systemen mit mengengeregelter Hochdruckpumpe (sogenannte CP3-Systeme), die nicht über ein hochdruckseitiges Druckregelventil zur Senkung des Systemdrucks verfügen, ist ein Druckabbau im Rail nur über Einspritz-, Steuermenge und Leckage möglich. Dies führt dazu, dass bei Änderung der Führungsgröße (z. B. bei Übergang des Betriebszustands der Brennkraftmaschine in Schubbetrieb) ein zu hoher Raildruck ansteht, der nur sehr langsam abgebaut werden kann. Bei einem speziellen Betriebszustand erhöht nämlich das Steuer gerät, in Erwartung eines Betriebszustands, der einen hohen Raildruck verlangt, den Raildruck, ohne dass dies für den sich anschließend ergebenden tatsächlichen Betriebszustand nötig ist. Infolgedessen kommt es bei Übernahme des Leerlauf reglers oder bei einem Mengenwunsch zu einer Einspritzung mit zu hohem Druck, was wiederum zu einer "harten Verbrennung", dem sogenannten Nageln, sowie zu einem möglichen Abstellen des Motors aufgrund unzulässiger Regelabweichung führt.

Ein weiterer Nachteil der im Vorstehenden geschilderten Lösung ist darin zu sehen, dass eine Einhaltung der Emissionsgrenzwerte nicht mit Sicherheit gewährleistet werden kann.

Durch die - nicht vorveröffentlichte - DE. . . (R.39 985) ist es bekannt, in Common- Rail-Systemen mit mengengeregelter Hochdruckpumpe ein magnetventilge steuertes Druckabbauventil vorzusehen, das jedoch naturgemäß eine elektrische Ansteuerung erfordert.

Auch ein mechanisch/hydraulisches Druckabbauventil ist im Prinzip bereits bekannt. Es wird diesbezüglich die DE. . . (EM 97/3178) genannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, technisch einfacher und wirksamer als dies mit den oben geschilderten bekannten Lösungen der Fall ist, den Druckabbau im Rail zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Einspritzsystem der eingangs bezeichneten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße, als zusätzlicher Verbraucher im Rail eingebaute Druckabbauventil wird vorteilhafterweise das Startverhalten und die Mengenbilanz des Systems nicht verändert. Überdies wird im Leerlauf-Betriebszustand der Brenn kraftmaschine der Systembedarf der Fördermenge der Hochdruckpumpe erhöht, was die Gleichförderung der Hochdruckpumpe erleichtert: Durch Öffnen des Druck abbauventils unterhalb des Leerlauf-Raildruckes kann nämlich ein erhöhter Leerlauf-Mengenbedarf an Kraftstoff durch die Hochdruckpumpe eingestellt werden, wodurch Gleichförderprobleme der Hochdruckpumpe verhindert werden können.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine elektrische Ansteuerung nicht notwendig ist und eine separate Endstufe im Spargang-Betriebszustand der Brennkraftmaschine entfallen kann.

Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Druckabbauventil eine raum sparende Bauweise und damit eine Integration in der Hochdruckpumpe.

Durch geeignete Einstellung der Drosselkennlinie, der Kolbenflächen und der Federkräfte des erfindungsgemäßen Druckabbauventils lassen sich kundenindi viduelle Applikationsmöglichkeiten schaffen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung sind im Einzelnen aus den Patentansprüchen 2-13 ersichtlich.

Zeichnung

Zur Veranschaulichung und näheren Erläuterung der Erfindung dienen Aus führungsbeispiele, die nachstehend detailliert beschrieben sind. Es zeigt:

Fig. 1 - in Blockschaltbild-Darstellung - eine Ausführungsform eines Speicher-Einspritzsystems unter Verwendung eines (nur schematisch dargestellten) Druckabbauventils, und

Fig. 2 - in gegenüber der natürlichen Größe vergrößerter Darstellung - eine Ausführungsform eines mechanisch/hydraulischen Druck abbauventils, im vertikalen Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 bezeichnet 10 ein Kraftstoff-Reservoir, 11 ein Filter und 12 eine hinsicht lich der Kraftstoff-Fördermenge verstellbare Hochdruckpumpe (sogenannte CP3- Pumpe). Mit 13 ist ein Kraftstoff-Speicher (sogenanntes Rail) beziffert, der vier Injektoren 14-17 einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) speist.

Die Hochdruckpumpe 12 fördert durch eine Niederdruckleitung 18 über das Filter 11 Kraftstoff, der - durch die Pumpe 12 auf Hochdruck gebracht - über eine Hoch druckleitung 19 dem Rail 13 zugeführt wird. Der unter Hochdruck stehende Kraft stoff gelangt durch die Injektoren 14-17 in die Brennräume der zugeordneten Zylinder der Brennkraftmaschine.

Die Besonderheit besteht darin, dass außer den vier Injektoren 14-17 noch ein weiterer Verbraucher des im Rail 13 gespeicherten Kraftstoffes vorgesehen ist. Es handelt sich um ein - in Fig. 1 nur schematisch dargestelltes - mechanisch/ hydraulisches Druckabbauventil 20, dessen Gehäuse 21 in Rechteckform ge strichelt angedeutet ist. Fig. 1 zeigt das Druckabbauventil 20 in seiner Öffnungs stellung, in der es von einer vergleichsweise kleinen, unter Raildruck stehenden Kraftstoffmenge durchströmt wird, die dem Druckabbauventil 20 über eine Leitung 22 zugeführt wird. Das Druckabbauventil 20 hat die Funktion, in bestimmten speziellen und kurzzeitigen Betriebszuständen der Brennkraft maschine, z. B. bei Gasstößen im Schubbetrieb oder im Leerlauf, den hierfür zu hohen Raildruck rasch herunterzusteuern. Die hierfür dem Rail 13 über die Leitung 22 entnommene geringe Kraftstoffmenge wird deshalb auch als Absteuermenge bezeichnet. Sie gelangt im Anschluß an das Druckabbauventil 20 in eine zum Kraftstoff-Reservoir 10 führende unter Niederdruck stehende Rücklaufleitung 23. Für die erforderliche Druckreduzierung sorgt eine Drossel 24, die somit einen wesentlichen Bestandteil des Druckabbauventils 20 darstellt. In die Rücklaufleitung 23 und damit in das Kraftstoff-Reservoir 10 gelangt des Weiteren - über eine Kühlmengenrücklaufleitung 25 - ein Teil der von der Hochdruckpumpe 12 geförderten Kraftstoffmenge, der Kühlzwecken dient, ferner - über eine Injektoren- Rückleitung 26 - der von den Injektoren 14-17 nicht benötigte Kraftstoff sowie die Leckagemenge des gesamten Systems.

Fig. 2 zeigt eine spezielle, bevorzugte Ausführungsform des - in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten - Druckabbauventils 20. Das Druckabbauventil nach Fig. 2 setzt sich zusammen aus einer ersten Ventileinheit 27 und einer zweiten Ventileinheit 28. Zwischen den beiden Ventileinheiten 27, 28 und jeweils beab standet gegenüber denselben ist eine insgesamt mit 29 bezeichnete Drossel angeordnet, die aus einem Drosselgehäuse 30 und einem in einer Axialbohrung 31 des Drosselgehäuses 30 eingepressten Drosselelement 32 besteht. Das Drosselelement 32 weist eine durchgehende Drosselbohrung 33 mit konischen Erweiterungen 34, 35 an ihren beiden Enden auf.

Die zweite Ventileinheit 28 besteht im Wesentlichen aus einem zweiten Ventilge häuse 36 mit Axialbohrung 37 und einem in der Axialbohrung 37 verschieblich an geordneten, rückseitig federbeaufschlagten zweiten Ventilkolben 38. An seinem der Drossel 29 zugewandten einen Ende 39 ist der zweite Ventilkolben 38 kegel förmig ausgebildet und beaufschlagt mit der Kegelspitze ein kugelförmiges Dicht element 40, das mit der konischen Erweiterung 34 der Drosselbohrung 33 zusammenwirkt. Die konische Erweiterung 34 der Drosselbohrung 33 bildet also damit einen zweiten Ventilsitz für die zweite Ventileinheit 28.

Rückseitig weist der zweite Ventilkolben 38 eine Vertiefung 41 auf, in die eine zweite Druckfeder 42 eingreift. Mit ihrem rückwärtigen Ende stützt sich die zweite Druckfeder 42 an einer Einstellschraube 43 ab, die in ein Innengewinde 44 des zweiten Ventilgehäuses 36 eingeschraubt ist. Durch die Druckfeder 42 wird der zweite Ventilkolben 38 in Pfeilrichtung 45, also in Richtung des zweiten Ventil sitzes 34 druckbeaufschlagt.

Die bereits erwähnte erste Ventileinheit 27 besitzt ein erstes Ventilgehäuse 46 und einen ersten Ventilkolben 47, der in einer Axialbohrung 48 verschieblich ange ordnet ist. Die Verschieblichkeit des ersten Ventilkolbens 47 ist rückseitig durch einen ringförmigen Anschlag 49 begrenzt. An seinem vorderseitigen, der Drossel 29 zugewandten Ende ist der erste Ventilkolben 47 durch einen Absatz 50 stufen förmig in ein zapfenförmiges Dichtelement 51 verjüngt, das mit seinem konischen Ende 52 mit der konischen Drosselbohrungserweiterung 35 kooperiert, die somit also einen ersten Ventilsitz für die erste Ventileinheit 27 bildet.

An dem Absatz 50 des ersten Ventilkolbens 47 liegt eine erste Druckfeder 53 an, die den ersten Ventilkolben 47 in Pfeilrichtung 45 beaufschlagt. Hierbei stützt sie sich rückwärtig an der Drossel 29 ab.

An seiner rückseitigen Stirnfläche 54 wird der erste Ventilkolben 47 in Pfeilrichtung 55 vom Raildruck beaufschlagt. Zugleich wird die (vordere) Absatzfläche 50 des ersten Ventilkolbens 47 - durch radiale Zuführungen 56, 57 - ebenfalls mit Raildruck beaufschlagt. Es handelt sich hierbei aber nur um mengenmäßig geringfügige Ent nahmen aus dem Rail (13, Fig. 1).

Überwiegen die auf die Absatzfläche 50 des ersten Ventilkolbens 47 in Pfeil richtung 45 wirkenden Kräfte der ersten Druckfeder 47 einerseits und des bei 56, 57 eingeleitenden Raildrucks andererseits, so öffnet die erste Ventileinheit 27. Die bei 56, 57 zugeführte (geringe) Kraftstoffmenge kann nun über den ersten Ventilsitz 35 in die Drosselbohrung 33 eintreten und diese - sofern die zweite Ventileinheit 28 ebenfalls geöffnet ist - in Pfeilrichtung 55 durchströmen. Die zweite Ventileinheit 28 öffnet, wenn der das kugelförmige Dichtelement 40 beaufschlagende Druck der über die geöffnete erste Ventileinheit 27 in die Drosselbohrung 33 eingetretenen Kraftstoffmenge größer ist als der durch die zweite Druckfeder 42, den zweiten Ventilkolben 38 und den Durchmesser des kugelförmigen Dichtelements 40 eingestellte Öffnungsdruck der zweiten Ventil einheit 28. Wichtig ist hierbei, dass der eingestellte Öffnungsdruck der zweiten Ventileinheit 28 oberhalb des Mindestdrucks für die Einspritzung gewählt wird, um das Startverhalten der Brennkraftmaschinen nicht zu beeinträchtigen. Diese Forderung kann durch die Einstellschraube 43 ist einfacher Weise erfüllt werden. Dadurch lässt sich leicht feststellen, ob der Öffnungsdruck über oder unter dem Leerlaufdruck sein soll (Gleichförderproblematik der Hochdruckpumpe 12, siehe Fig. 1). Die zweite Ventileinheit 28 bleibt geöffnet, so lange der an der Kugel 40 wirkende Raildruck größer als die entgegenwirkende Federkraft (42) ist.

Um die notwendige Pumpenfördermenge im Bereich der Volllast kleiner zu halten, muß ab ca. 800 bar Raildruck das gesamte Druckabbauventil geschlossen werden, damit es keinen Einfluss auf die Mengenbilanz des Systems hat. Diese Forderung wird durch die erste Ventileinheit 27 realisiert: Durch das Flächenverhältnis des ersten Ventilkolbens 47 an seiner Vorder- und Rückseite sowie durch die Kraft der ersten Druckfeder 53 wird der Schließdruck der ersten Ventileinheit 27 und damit des gesamten Druckabbauventils 27, 28, 29 bestimmt.

Eine weitere Besonderheit des Druckabbauventils 27, 28, 29 nach Fig. 2 besteht darin, dass durch den sich in Folge des axialen Abstandes zwischen zweiter Ventileinheit 28 und Drossel 29 ergebenden radialen Spalt - bei 58 - eine gewisse Kraftstoffmenge (aus der durchgehenden Rücklaufleitung 25, Fig. 1, durch die z. B. die Schmiermenge der Hochdruckpumpe 12 geführt wird) zu Kühlzwecken der Kugel 40 zugeführt wird. Bei 59 verlässt dann diese Kühlmenge, zusammen mit der Absteuermenge (bei geöffneter zweiter Ventileinheit 28), das Druckabbauventil und kann anschließend in die Rücklaufleitung 23 (Fig. 1) eingeleitet werden.

Claims

1. Speichereinspritzsystem (Common Rail) für Brennkraftmaschinen, mit mengen geregelter Hochdruckpumpe (12), einem den Volumenstrom und damit den Raildruck regelnden Steuergerät und einem steuerbaren mechanisch/ hydraulischen Druckabbauventil (27, 28, 29), zur Entnahme minimaler Kraftstoff mengen aus dem Rail (13) zum Zwecke des Druckabbaus im System, derart, dass der gewünschte Systemdruck nicht unterschritten wird, dadurch gekenn zeichnet, dass das mechanisch/hydraulische Druckabbauventil (27, 28, 29) aus zwei über eine zwischengeschaltete Drosselbohrung (33) in Wirkverbindung miteinander stehenden Ventileinheiten (27, 28) besteht, derart, dass die Drossel bohrung (33) an ihrem einen, einer ersten Ventileinheit (27) zugewandten Ende einen ersten Ventilsitz (35) für die erste Ventileinheit (27) und an ihrem anderen, einer zweiten Ventileinheit (28) zugewandten Ende einen zweiten Ventilsitz (34) für die zweite Ventileinheit (28) bildet, und dass ein mit dem zweiten Ventilsitz (34) zusammenwirkendes Dichtelement (40) der zweiten Ventileinheit (28) bei geöffneter erster Ventileinheit (27) über die Drosselbohrung (33) und gegen Federwiderstand (42) durch den Raildruck beaufschlagt ist.

2. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselbohrung (33) zur Bildung der beiden Ventilsitze (34, 35) an ihren beiden Enden jeweils eine konische Erweiterung (34 bzw. 35) aufweist.

3. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselbohrung (33), einschließlich der beiden Ventilsitze (34, 35), in einem separaten Drosselelement (32) eingearbeitet ist, das in einer Bohrung (31) eines Drosselgehäuses (30) befestigt, vorzugsweise eingepresst, ist.

4. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtelement der zweiten Ventileinheit (28) eine Kugel (40) dient, die mit einem rückseitig durch eine zweite Druckfeder (42) beaufschlagten zweiten Ventilkolben (38) in Wirkverbindung steht, derart, dass das Dichtelement (40) durch die zweite Druckfeder (42) über den zweiten Ventilkolben (38) - entgegen dem Raildruck - in Schließstellung gedrückt wird.

5. Speichereinspritzsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventileinheit (27) einen rückseitig (in Schließrichtung) durch den Raildruck (55) und vorderseitig (in Öffnungsrichtung 45) durch eine erste Druckfeder (53) beaufschlagten ersten Ventilkolben (47) aufweist.

6. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventilkolben (47, 38) der beiden Ventileinheiten (27, 28) jeweils in einem gesonderten Ventilgehäuse (46 bzw. 36) in zueinander koaxialen Bohrungen (48 bzw. 37) verschieblich angeordnet sind.

7. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Ventilkolben (47) vorderseitig durch einen Absatz (50) stufen förmig in ein zapfenförmiges Dichtelement (51) verjüngt, welches mit seinem konischen Ende (52) mit dem ersten Ventilsitz (35) kooperiert, und dass die erste Druckfeder (53) das zapfenförmige Dichtelement (51) umgibt und sich (vorderseitig) an dem Absatz (50) des ersten Ventilkolbens (47) abstützt.

8. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselgehäuse (30) zwischen den beiden Ventilgehäusen (46, 36) der beiden Ventileinheiten (27, 28) angeordnet ist und dass sich die erste Druckfeder (53) (rückseitig) an dem Drosselgehäuse (30) abstützt.

9. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselgehäuse (30) und das Ventilgehäuse (36) der zweiten Ventileinheit (28) axial beabstandet sind und dass dadurch entstandene radiale Spalte (58 bzw. 59) zum einen zur Zu- und Abführung von der Hochdruckpumpe (12) zu Kühlzwecken entnommenem Kraftstoff und zum anderen zur Absteuerung einer minimalen Kraftstoffmenge aus dem Rail (13) dienen.

10. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselgehäuse (30) und das Ventilgehäuse (46) der ersten Ventileinheit (27) axial beabstandet sind und dass ein dadurch entstandener radialer Spalt zur Zu führung (56, 57) von dem Rail (13) entnommenem Kraftstoff zur Drosselbohrung (33) dient.

11. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die der ersten Ventileinheit (27) durch den radialen Spalt (56, 57) zugeführte Kraftstoff menge gleichzeitig zur Druckbeaufschlagung des Absatzes (50) am ersten Ventil kolben (47) - hierbei die Federkraft der ersten Druckfeder (53) unterstützend - dient.

12. Speichereinspritzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie der ersten Druckfeder (53) und die Fläche des Absatzes (50) am ersten Ventilkolben (47) so ausgelegt und aufeinander abgestimmt sind, dass sich die erste Ventileinheit (27) bei einem Raildruck von mindestens (ca.) 800 bar in Schließstellung befindet und nur bei Raildrücken unterhalb dieses Wertes geöffnet ist.

13. Speichereinspritzsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die den zweiten Ventilkolben (38) beauf schlagende zweite Druckfeder (42) rückseitig an einer in das zweite Ventilgehäuse (36) eingeschraubten Einstellschraube (43) abstützt, die zur Verstellung der Federvorspannung und damit zur Einstellung des Öffnungsdrucks der zweiten Ventileinheit (28) dient.