DE102005061362B3

DE102005061362B3 - Drucksteuerventil und Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Drucksteuerventil

Info

Publication number: DE102005061362B3
Application number: DE200510061362
Authority: DE
Inventors: Bernhard Arnold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2025-12-22

Abstract

Drucksteuerventil (20), mit einem Ventilgehäuse (50), das einen Fluideingang (58) und einen Fluidausgang (60) aufweist. Der Fluideingang (58) ist zum Beaufschlagen eines Fluids mit einem Eingangsdruck (p1) und der Fluidausgang (60) zum Beaufschlagen eines Fluids mit einem Ausgangsdruck (p2) vorgesehen, und der Eingangsdruck (p1) ist höher als der Ausgangsdruck (p2). Das Drucksteuerventil (20) hat weiter einen hydraulisch zwischen dem Fluideingang (58) und dem Fluidausgang (60) angeordneten, einen Dichtsitz (56) aufweisenden Dichtkörper (54), eine in dem Dichtkörper (54) angeordnete Dichtkörperbohrung (55), durch die der Fluideingang (58) hydraulisch mit dem Fluidausgang (60) koppelbar ist, einen dem Dichtsitz (56) zugeordneten Schließkörper (72), der in einer Schließposition einen Fluidfluss durch die Dichtkörperbohrung (55) verhindert und ansonsten den Fluidfluss freigibt, und einen ansteuerbaren Aktuator (62). Der Schließkörper (72) ist auf einer dem Fluideingang (58) hydraulisch zugewandten Seite des Dichtkörpers (54), der Aktuator (62) auf einer dem Schließkörper (72) abgewandten Seite des Dichtkörpers (54) angeordnet. Der Schließkörper (72) ist mittels eines Kopplungselements (70) mit dem Aktuator (62) koppelbar, und der Schließkörper (72) und der Aktuator (62) sind so angeordnet, dass sich der Schließkörper (72) in einem nicht angesteuerten Zustand des Aktuators (62) in seiner Schließposition befindet und durch ein Ansteuern des Aktuators ist eine auf den ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Drucksteuerventil, eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage.
Zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, kommen Einspritzanlagen zum Einsatz, die in den letzten Jahren immer mehr als sogenannte Common-Rail-Anlagen ausgeführt sind. Bei diesen werden die in den Brennräumen angeordneten Injektoren aus einem gemeinsamen Kraftstoffspeicher, dem Common-Rail, mit Kraftstoff versorgt. Der einzuspritzende Kraftstoff kann dabei im Kraftstoffspeicher unter einem Druck von bis zu 2000 bar vorliegen.
Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise verschiedene Pumpen auf, mittels derer Kraftstoff gefördert wird, um in Brennräume der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Derartige Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen stellen hohe Anforderungen an die Genauigkeit des zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdrucks.
Dies ist besonders wichtig, da immer strengere Gesetzesvorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, erlassen werden. Diese machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. So ist beispielsweise die Bildung von Ruß stark abhängig von der Aufbereitung des Luft-/Kraftstoffgemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Dabei ist es vorteilhaft für die Senkung der Schadstoffemissionen, wenn der Kraftstoff sehr präzise in den Zylinder eingespritzt werden kann.
Drucksteuerventile können zur Steuerung eines Drucks des Kraftstoffspeichers eingesetzt werden. Für eine Einspritzung werden die Einspritzventile in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine so gesteuert, dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher über die Einspritzventile in die Brennräume gespritzt wird. Für eine optimale Verbrennung ist eine Anpassung des Drucks im Kraftstoffspeicher an verschiedene Betriebsparameter notwendig. Dazu erfasst ein Steuergerät über einen Drucksensor, der mit dem Kraftstoffspeicher in Verbindung steht, den im Kraftstoffspeicher vorliegenden Kraftstoffdruck und kann den Druck im Kraftstoffspeicher durch eine Öffnung des Drucksteuerventils so verändern, dass eine optimale Einspritzung erreicht werden kann.
Die Zeitdauer für die Inbetriebnahme von Einspritzanlagen nach dem Common-Rail-Prinzip wird u. a. bestimmt durch die Drehbeschleunigung des Starters, den Zeitaufwand zum Aufbau eines geeigneten Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher und die Freigabeprozedur für die Einspritzung.

Aus der DE 103 30 779 A1 ist ein elektromagnetisches Ventil bekannt, welches aufweist einen Kolbenzusammenbau mit einem Kolben, einer Wicklung zum Antrieb des Kolbens, einen fixierten Kern, der in einer Richtung angeordnet ist, in welcher der Kolben versetzt wird, um den Kolbenzusammenbau in eine zurückversetzte Position nach der elektrischen Energieversor gung der Wicklung anzuziehen, um dabei den Kolben an der Position zu halten, ein Federelement, welches im komprimierten Zustand zwischen dem Kolben und dem fixierten Kern angeordnet ist, um den Kolbenzusammenbau in eine vorgerückte Position federnd zu drängen, und ein Zwischenstück aufweist, das zwischen dem Kolben und dem fixierten Kern vorgesehen ist.

In der DE 102 36 314 A1 ist eine Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen offenbart, mit einer Niederdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff zu einer Saugseite einer Kraftstoffhochdruckpumpe, bei der nach dem Stillsetzen der Brennkraftmaschine ein Druckausgleich zwischen der Saugseite und einer Druckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe hergestellt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drucksteuerventil und eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der in einfacher Weise ein rascher Aufbau des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher bei einem einfachen Aufbau der Einspritzanlage ermöglicht wird. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben ei ner Einspritzanlage zu schaffen, das in einfacher Weise einen raschen Druckaufbau im Kraftstoffspeicher ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Drucksteuerventil, mit einem Ventilgehäuse, das einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweist, wobei der Fluideingang zum Beaufschlagen eines Fluids mit einem Eingangsdruck und der Fluidausgang zum Beaufschlagen eines Fluids mit einem Ausgangsdruck vorgesehen ist, und der Eingangsdruck höher ist als der Ausgangsdruck. Das Drucksteuerventil weist weiter auf einen hydraulisch zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang angeordneten, einen Dichtsitz aufweisenden Dichtkörper, eine in dem Dichtkörper angeordnete Dichtkörperbohrung, durch die der Fluideingang hydraulisch mit dem Fluidausgang koppelbar ist, einen dem Dichtsitz zugeordneten Schließkörper, der in einer Schließposition einen Fluidfluß durch die Dichtkörperbohrung verhindert und ansonsten den Fluidfluß freigibt und einen ansteuerbaren Aktuator. Der Schließkörper ist auf einer dem Fluideingang hydraulisch zugewandten Seite des Dichtkörpers, der Aktuator auf einer dem Schließkörper abgewandten Seite des Dichtkörpers angeordnet. Der Schließkörper ist mittels eines Kopplungselements mit dem Aktuator koppelbar. Der Schließkörper und der Aktuator sind so angeordnet, dass sich der Schließkörper in einem nicht angesteuerten Zustand des Aktuators in seiner Schließposition befindet und durch eine Ansteuerung des Aktuators eine auf den Schließkörper einwirkende Kraft veränderbar ist.

Dies ist besonders vorteilhaft, da das Drucksteuerventil in nicht angesteuertem Zustand geschlossen ist und eigensicher druckhaltend bezüglich des am Fluideingang anliegenden Eingangsdrucks ist. Damit ist das Drucksteuerventil für eine eigensichere Druckhaltung in einer angeschlossenen hydraulischen Anlage einsetzbar.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kopplungselement wenigstens teilweise in der Dichtkörperbohrung angeordnet. Die Dichtkörperbohrung hat in diesem Fall eine Doppelfunktion als Fluidkanal und als Führung für das Kopplungselement.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kopplungselement stabförmig ausgebildet. Damit kann eine einfache und sehr stabile Ausführung des Verbindungselements erreicht werden.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kopplungselement einstückig mit dem Schließkörper ausgebildet. In diesem Fall kann darauf verzichtet werden, an den Schließkörper eine Sicherungseinrichtung zu schaffen, damit dieser den Fluideingang nicht verlassen und verloren gehen kann.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Aktuator eine Aktuatorstange auf und das Kopplungsstück ist einstückig mit dem Aktuator ausgebildet. Es wird so ermöglicht, dass das Kopplungselement eine gute Führung in der Dichtkörperbohrung aufweisen kann.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Dichtsitz konusförmig und der Schließkörper kugelförmig ausgebildet. Damit werden eine gute Führung des Schließkörpers im Dichtsitz und eine zuverlässige Abdichtung der Dichtkörperbohrung ermöglicht. Darüber hinaus stellen kugelförmige Schließkörper eine besonders kostengünstige Ausführungsform für einen Schließkörper dar.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Fluideingang ein Käfig angeordnet, in dem der Schließkörper aufnehmbar ist. Es ist so möglich, den Bewegungsbereich des Schließkörpers zu begrenzen.

Gemäß eines zweiten Aspekts umfasst die Erfindung eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einem Drucksteuerventil, mit einem Fluid, das ein Kraftstoff ist, einer Vorförderpumpe zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank, und einer stromabwärts der Vorförderpumpe angeordneten Hochdruckpumpe zur Förderung des Kraftstoffs in mindestens einen Injektor, und einem hydraulischen Hochdruckvolumen, das stromabwärts der Hochdruckpumpe und stromaufwärts des mindestens einen Injektors ausgebildet ist. Der Fluideingang des Drucksteuerventils ist hydraulisch mit dem Hochdruckvolumen gekoppelt.

Damit ist es möglich, dass die Zeit für den Druckaufbau des Kraftstoffs nach einem Start der Brennkraftmaschine in dem einen Injektor sehr klein sein oder ganz entfallen kann. Durch die so erreichbare frühere Einspritzung kann die Startzeit für eine Brennkraftmaschine sehr kurz werden. Weiter ist es möglich, klein dimensionierte Hochdruckpumpen zu verwenden, da nur noch eine geringe Förderleistung für den Aufbau des Drucks in dem Hochdruckvolumen und in dem Injektor erforderlich ist. Dies kann zu einer kostengünstigen Ausführung der Hochdruckpumpe führen.

Gemäß eines dritten Aspekts umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage zum Einspritzen von Kraftstoff in eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine, wobei die Einspritzanlage aufweist eine Vorförderpumpe zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank, eine stromabwärts der Vorförderpumpe angeordnete Hochdruckpumpe zur Förderung des Kraftstoffs in mindestens einen Injektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in einen Zylinder der Brennkraftmaschine, ein hydraulisch zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe angeordnetes Volumenstromsteuerventil, mit dem der Kraftstofffluss von der Vorförderpumpe in die Hochdruckpumpe einstellbar ist, ein hydraulisches Hochdruckvolumen, das stromabwärts der Hochdruckpumpe und stromaufwärts des mindestens einen Injektor ausgebildet ist, und einen Sensor zum Ermitteln des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckvolumen. Das Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage umfasst folgende Schritte: in einer Endphase des Betriebs der Einspritzanlage druckdichtes Verschließen des Hochdruckvolumens, in einer Stillstandsphase des Betriebs mit der Einspritzanlage Stillstehen der Hochdruckpumpe, in einer Startphase des Betriebs der Einspritzanlage bis zum Unterschreiten eines Schwellwerts des von dem Sensor ermittelten Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckvolumen Einstellen des Volumenstromsteuerventils derart, dass der Kraftstofffluss von der Vorförderpumpe in die Hochdruckpumpe unterbunden ist, in einer Normalphase des Betriebs der Einspritzanlage Ansteuern des Volumenstromsteuerventils im Sinne eines Einstellens eines Sollwerts des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckvolumen.

Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da durch das dichte Verschließen des Hochdruckvolumens in der Endphase des Betriebs der Einspritzanlage ein relativ hoher Kraftstoff druck in dem Hochdruckvolumen bestehen kann. Dieser vergleichsweise hohe Kraftstoffdruck im Hochdruckvolumen wird bei der Inbetriebnahme der Einspritzanlage in der Startphase des Betriebs der Einspritzanlage dazu genutzt, Einspritzungen von Kraftstoff in Zylinder der Brennkraftmaschine vorzunehmen, ohne dass dabei die Hochdruckpumpe aktiviert werden muss. Nachdem der von dem Sensor ermittelte Kraftstoffdruck in dem Hochdruckvolumen einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, kann in die Normalphase des Betriebs der Einspritzanlage geschaltet werden. Auf diese Weise kann die Fördermenge der Hochdruckpumpe sehr rasch zum Einspritzen des Kraftstoffs durch den Injektor in einen Zylinder zur Verfügung stehen, wodurch eine geringere Startzeit der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild in einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
2 eine Schnittansicht eines Drucksteuerventils, und
3 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Einspritzanlage der Brennkraftmaschine.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die in der 1 dargestellte Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine weist einen Kraftstofftank 10 auf, aus dem mittels einer Vorförderpumpe 12 Kraftstoff gefördert wird.
Die Vorförderpumpe 12 ist ausgangsseitig mit einem Vordrucksteuerventil 28 hydraulisch gekoppelt, durch das bei Überschreiten einer vorgegebenen Kraftstoffdrucks an der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 12 ein Teil des von der Vorförderpumpe 12 geförderten Kraftstoffs zur Ansaugseite der Vorförderpumpe 12 zurückgeführt werden kann. Dadurch kann der Kraftstoffdruck an der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 12 begrenzt werden.
Stromabwärts der Vorförderpumpe 12 ist eine Hochdruckpumpe 14 zur Förderung des Kraftstoffs in einen Kraftstoffspeicher 16 angeordnet. Ausgangsseitig der Hochdruckpumpe 14 ist ein Rückschlagventil 15 angeordnet, mit dem ein Zurückfließen von Kraftstoff vom Kraftstoffspeicher 16 in die Hochdruckpumpe 14 unterbunden werden kann. Die Vorförderpumpe 12 und die Hochdruckpumpe 14 können mit einer Antriebswelle 17, die mit einer Motorwelle der Brennkraftmaschine fest gekoppelt sein kann, mechanisch angetrieben werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine elektrisch betriebene Vorförderpumpe einzusetzen, wodurch eine Steuerung der Förderleistung der Vorförderpumpe 12 unabhängig von der Förderleistung weiterer Pumpen möglich ist.
Der Kraftstoffspeicher 16 ist mit der Hochdruckpumpe 14 über eine Kraftstoffspeicherzuleitung 44 hydraulisch gekoppelt. Die Hochdruckpumpe 14 kann vorzugsweise als Radialkolbenpumpe oder als Reihenkolbenpumpe mit mehreren Zylindern ausgebildet sein, wie sie zum Einsatz in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt sind.
Der Kraftstoffspeicher 16 ist über Leitungen mit einem Injektor 18 oder mehreren Injektoren 18 hydraulisch gekoppelt. Je dem der Injektoren 18 ist ein Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet und jeder Injektor 18 kann so angesteuert werden, dass Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Durch die Hochdruckpumpe 14 kann Kraftstoff, der mittels der Injektoren 18 in Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, einen relativ hohen Einspritzdruck erreichen.
Überschüssiger Kraftstoff kann von den Injektoren 18 über eine Injektorrücklaufleitung 46 zum Kraftstofftank 10 geführt werden.
Zwischen der Vorförderpumpe 12 und der Hochdruckpumpe 14 ist ein Volumenstromsteuerventil 22 angeordnet, mit dem der Kraftstofffluss von der Vorförderpumpe 12 in die Hochdruckpumpe 14 einstellbar ist. Mittels eines Drucksensors 48, durch den der Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffspeicher 16 bestimmt werden kann, so wie gegebenenfalls in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen kann das Volumenstromsteuerventil 22 so angesteuert werden, dass eine niederdruckseitige Steuerung des der Hochdruckpumpe 14 zugeführten Kraftstoffstroms möglich ist.
Die Hochdruckpumpe 14 ist mittels einer stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigenden Leitung 42 mit einem Drucksteuerventil 20 gekoppelt, das beispielsweise abhängig von dem vom Drucksensor 48 ermittelten Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 16 angesteuert werden kann. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Kraftstoffdrucks in dem Kraftstoffspeicher 16 kann das Drucksteuerventil 20 öffnen und einen Teil des von der Hochdruckpumpe 14 geförderten Kraftstoffs über die stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspei chers 16 abzweigende Leitung 42 an den Kraftstofftank 10 zurückführen.
Zum Schutz der in der Einspritzanlage angeordneten Aggregate, insbesondere der Pumpen 12, 14 und der Steuerventile 20, 22 sind an geeigneten Stellen Filter 36, 38 angeordnet. So ist zum Schutz der Vorförderpumpe 12 hydraulisch zwischen dem Kraftstofftank 10 und der Vorförderpumpe 12 ein erster Filter 36 vorgesehen. Des Weiteren ist zum Schutz des Volumenstromsteuerventils 22 und der Hochdruckpumpe 14 hydraulisch vor dem Volumenstromsteuerventil 22 ein zweiter Filter 38 angeordnet.
Das Drucksteuerventil 20 ist in der stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigende Leitung 42 angeordnet, die ausgangsseitig mit der Injektorrücklaufleitung 46 das mindestens an einen Injektors 18 gekoppelt ist. Die stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigende Leitung 42 und die Injektorrücklaufleitung 46 von den Injektoren 18 sind vorzugsweise zum Kraftstofftank 10 zurückgeführt.
Stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Drucksteuerventils 20 und der Injektoren 18 ist ein hydraulisches Hochdruckvolumen 40 ausgebildet, das u. a. die Kraftstoffspeicherzuleitung 44, den Kraftstoffspeicher 16, die zwischen dem Kraftstoffspeicher 16 und den Injektoren 18 ausgebildeten Leitungen und die von der Kraftstoffspeicherzuleitung 44 abzweigende Leitung 42 stromaufwärts des Drucksteuerventils 20 umfasst.
Das Hochdruckvolumen 40 ist so ausgebildet, dass es unter Druck gehalten wird, indem beim Abstellen der Einspritzanlage das Drucksteuerventil 20 geschlossen wird und indem leckagefreie Injektoren 18 verwendet werden. Damit kann erreicht werden, dass bei Wiederinbetriebnahme der Einspritzanlage die ersten Einspritzvorgänge in die Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen, indem der in dem Hochdruckvolumen 40 unter Druck vorliegende Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen 40 in die Zylinder eingespritzt wird und so der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckvolumen 40 abgebaut wird. Es ist so möglich, dass auf eine Inbetriebnahme der Hochdruckpumpe 14 während der ersten Einspritzungen verzichtet werden kann. Die Druckaufbauzeit in der Startphase der Einspritzanlage kann entfallen, die ersten Einspritzungen können früher erfolgen, so dass eine kürzere Startzeit für die Brennkraftmaschine möglich ist. Da der Aufwand für den Druckaufbau im Hochdruckvolumen 40 reduziert werden kann, kann auch eine kleiner dimensionierte Hochdruckpumpe 14 verwendet werden. Damit kann die Hochdruckpumpe 40 auch kostengünstig ausgeführt werden.
Im Folgenden soll kurz die Funktion der Einspritzanlage beschrieben werden:
Die Vorförderpumpe 12 fördert Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 10, wobei Verunreinigungen im ersten Filter 36 zwischen dem Kraftstofftank 10 und der Vorförderpumpe 12 zurückgehalten werden können. Der Druck am Ausgang der Vorförderpumpe 12 wird durch das Vordrucksteuerventil 28 eingestellt. Der Kraftstoff gelangt dann über einen zweiten Filter 38 zu dem Volumenstromsteuerventil 22. Durch das Volumenstromsteuerventil 22 wird der Hochdruckpumpe 14 soviel Kraftstoff zur Verfügung gestellt, wie vom Kraftstoffspeicher 16 benötigt wird. Mittels der Hochdruckpumpe 14 wird der Kraftstoff über die Kraftstoffspeicherzuleitung 44 an den Kraftstoffspeicher 16 geliefert. Der Druck, der im Kraftstoffspeicher 16 herrscht wird von dem Drucksensor 48 erfasst. Für eine Einspritzung werden die Injektoren 18 geöffnet, so dass Kraftstoff annähernd mit dem Druck, der im Kraftstoffspeicher 16 vorliegt, über die Injektoren 18 in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
Ist der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 16 zu niedrig, so werden das Volumenstromsteuerventil 22 und das Drucksteuerventil 20 so gesteuert, dass von der Hochdruckpumpe 14 mehr Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 16 gefördert wird als über die Injektoren 18 aus dem Kraftstoffspeicher 16 entnommen wird. Bei einem zu niedrigen Druck kann das Drucksteuerventil 20 schließen, so dass kein Kraftstoff über das Drucksteuerventil 20 aus dem Kraftstoffspeicher 16 abfließt.
Liegt jedoch ein zu hoher Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 16 vor, so kann das Drucksteuerventil 20 öffnen, sodass Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 16 über die stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigende Leitung 42 zum Kraftstofftank 10 zurückgeführt werden kann. Als Folge sinkt der Druck im Kraftstoffspeicher 16.
In 2 ist der Aufbau des Drucksteuerventils 20 detailliert dargestellt. Das Drucksteuerventil 20 hat ein Ventilgehäuse 50 mit einer Ventilgehäuseausnehmung 52. In der Ventilgehäuseausnehmung 52 sind ein Fluideingang 58 und ein Fluidausgang 60 angeordnet. Der Fluideingang 58 kann beispielsweise an das Hochdruckvolumen 40 der Einspritzanlage der 1 angeschlossen sein. Hydraulisch zwischen dem Fluideingang 58 und dem Fluidausgang 60 ist ein Dichtkörper 54 mit einem Dichtsitz 56 angeordnet. Der Dichtsitz 56 ist konisch ausgebildet. Der Dichtkörper 54 weist eine Dichtkörperbohrung 55 auf, die eine hydraulische Verbindung zwischen dem Fluideingang 58 und dem Fluidausgang 60 herstellen kann.
Das Drucksteuerventil 20 weist weiter einen Aktuator 62 auf, mit einem Aktuatorgehäuse 80, in dem eine Magnetspule 64 zur Bewegung eines Magnetankers 66 angeordnet ist, an den eine Aktuatorstange 68 gekoppelt ist. In dem Aktuatorgehäuse 80 ist weiter eine elektrische Anschlussbuchse 76 angeordnet, an die eine elektrische Spannung zur Ansteuerung der Magnetspule 64 angelegt werden kann.
Auf einer dem Fluideingang 58 hydraulisch zugewandten Seite des Dichtkörpers 54 ist ein Schließkörper 72 angeordnet. Der Schließkörper 72 ist in einer bevorzugten Ausführungsform als Kugel ausgebildet. Dies stellt eine besonders kostengünstige Ausführung des Schließkörpers dar. Außerdem kann eine gute Führung des Schließkörpers 72 in dem konischen Dichtsitz 56 und damit eine zuverlässige Abdichtung der Dichtkörperbohrung 55 zwischen dem Fluideingang 58 und dem Fluidausgang 60 ermöglicht werden.
Der auf einer dem Schließkörper 72 abgewandten Seite des Dichtkörpers 54 angeordnete Aktuator 62 ist mittels eines Kopplungselements 70 mit dem Schließkörper 72 koppelbar. Das Kopplungselement 70 ist dabei bevorzugt wenigstens teilweise in der Dichtkörperbohrung 55 angeordnet. Damit hat die Dichtkörperbohrung 55 eine Doppelfunktion als Fluidkanal und als Führung für das Kopplungselement 70. Das Kopplungselement 70 ist in der hier dargestellten Ausführungsform bevorzugt stabförmig ausgebildet. Damit ist eine einfache und stabile Ausführung des Kopplungselements 70 möglich. Das Kopplungselement 70 ist bevorzugt einstückig mit der Aktuatorstange 68 ausgebildet, was eine gute Führung des Kopplungselements 70 in der Dichtkörperbohrung 55 ermöglicht. Das Kopplungselement 70 kann jedoch auch als eigenes Bauelement ausgeführt sein.
In dem Fluideingang 58 ist vorzugsweise ein Käfig 78 angeordnet, in dem der Schließkörper 72 aufnehmbar ist. Damit ist es möglich, die Bewegung des Schließkörpers 72 auf einen Teilbereich des Fluideingangs 58 zu begrenzen und ein Herausfallen des Schließkörpers 72 aus dem Drucksteuerventil 20 zu verhindern.
In einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform kann der Schließkörper 72 auch einstückig mit dem Kopplungselement 70 und der Aktuatorstange 68 ausgebildet sein. In diesem Fall kann auf den Käfig 78 verzichtet werden, da der Schließkörper 72 unverlierbar fest mit der Aktuatorstange 68 gekoppelt ist und von dieser an einem Herausfallen aus dem Drucksteuerventil 20 gehindert ist.
In dem Aktuator 62 ist ein Federelement 74 angeordnet, das mit dem dem Ventilgehäuse 50 abgewandten Bereich des Aktuatorgehäuses 80 gekoppelt ist und das in der dargestellten Ausführungsform als Zugfeder ausgebildet ist. Damit wird erreicht, dass sich die Aktuatorstange 68 und das Kopplungselement 70 in einem nicht angesteuerten Zustand des Aktuators 62 in einer Position befinden, durch die der Schließkörper 72 an den Dichtsitz 56 angedrückt werden kann und damit eine hydraulische Verbindung zwischen dem Fluideingang 58 und dem Fluidausgang 60 durch die Dichtkörperbohrung 55 unterbunden werden kann. Damit der Schließkörper 72 vom Dichtsitz 56 abheben kann, muss der Aktuator so angesteuert werden, dass auf die Aktuatorstange 68 und das Kopplungselement 70 eine Kraft ausgeübt werden kann, die größer ist als die Summe der Federkraft der Zugfeder 74 und der Druckkraft eines Eingangsdrucks FUP_1 am Fluideingang 58. Als Folge davon kann der Schließkörper 72 vom Dichtsitz 56 abheben und den Kraftstofffluss vom Fluideingang 58 durch die Dichtkörperbohrung 55 zum Fluidausgang 60 frei geben.
In einer weiteren (nicht dargestellten) bevorzugten Ausführungsform des Drucksteuerventils ist der Aktuator 62 ein Piezoaktuator. Mit Piezoaktuatoren ist es möglich, große Hubkräfte bei kleinem Hubweg zu übertragen.
Im Folgenden soll das Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage zum Einspritzen von Kraftstoff in eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine detailliert dargestellt werden. Dabei wird auf die bereits beschriebene Einspritzanlage, wie sie in 1 dargestellt ist, Bezug genommen. Es kann jedoch auch jede andere Einspritzanlage, mit der die entsprechenden Verfahrensschritte durchgeführt werden können, eingesetzt werden.
Im Weiteren wird auf die 3 Bezug genommen, die ein Flussdiagramm für das Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage zeigt.
In einem Schritt S10 wird das Verfahren gestartet und es werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.
In einer Stillstandsphase des Betriebs der Einspritzanlage (S11) steht die Hochdruckpumpe 14 still und der Kraftstofffluss durch die Hochdruckpumpe ist unterbunden (MFF_HPP = 0). Die Injektoren 18 sind geschlossen und der Kraftstofffluss durch die Injektoren ist unterbunden (MFF_IV = 0). Das Drucksteuerventil 20 ist ebenfalls geschlossen, das heißt, der Schließkörper 72 des Drucksteuerventils 20 liegt am Dichtsitz 56 an und unterbindet so den Kraftstofffluss durch das Drucksteuerventil (MFF_PCV = 0) vom Fluideingang 58 zum Fluidausgang 60. Der Fluideingang 58 ist an das Hochdruckvolumen 40 hydraulisch gekoppelt, so dass am Fluideingang 58 ein Eingangsdruck FUP_1 anliegen kann, der vorzugsweise zwischen 200 und 500 bar liegen kann. Da das Rückschlagventil 15 der Hochdruckpumpe 14 sowie die geschlossenen Injektoren 18 einen Kraftstofffluß aus dem Hochdruckvolumen 40 heraus verhindern können, kann der Eingangsdruck FUP_1 am Fluideingang 58 im Wesentlichen über einen längeren Zeitraum während der Stillstandsphase des Betriebs der Einspritzanlage erhalten bleiben.
In einer Startphase des Betriebs der Einspritzanlage (S12) wird das Volumenstromsteuerventil 22 so eingestellt, dass der Kraftstofffluss durch das Volumenstromsteuerventil 22 von der Vorförderpumpe 12 in die Hochdruckpumpe 14 unterbunden ist (MFF_VCV = 0). Des Weiteren bleibt das Drucksteuerventil 20 geschlossen d.h. es kann kein Kraftstoff durch das Drucksteuerventil aus dem Hochdruckvolumen 40 in den Kraftstofftank 10 abfließen (MFF_PCV = 0). Bedingt durch das geschlossene Volumenstromsteuerventil 22 kann die Hochdruckpumpe 14 keinen Kraftstoff fördern (MFF_HPP = 0). Durch die in dem Hochdruckvolumen 40 vorliegenden Druck FUP_1 ist es möglich, Kraftstoff in die entsprechenden Zylinder der Brennkraftanlage einzuspritzen, wenn bei einer Anforderung einer Kraftstoffeinspritzung REQ_INJ an die Injektoren 18 diese geöffnet werden.
Im Folgenden (S13) wird geprüft, ob der am Drucksensor 48 des Kraftstoffspeichers 16 gemessene Kraftstoffdruck FUP oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts FUP_THD des Kraftstoffdrucks liegt. Solange der Kraftstoffdruck FUP größer als der Schwellwerts FUP_THD des Kraftstoffdrucks ist, können weiter Einspritzungen aus den Injektoren in die Zylinder der Brennkraftmaschine vorgenommen werden, ohne die Hochdruckpumpe 14 in Betrieb zu nehmen. Dies heißt, dass die Startphase des Betriebs der Einspritzanlage (S12) fortgeführt wird.
Unterschreitet der Kraftstoffdruck FUP den Schwellwert FUP_THD des Kraftstoffdrucks, so erfolgt der Betrieb in der Normalphase des Betriebs der Einspritzanlage (S14). Hierbei wird in bekannter Weise das Volumenstromsteuerventil 22 und das Drucksteuerventil 20 so eingestellt, dass ein Sollwert des Kraftstoffdrucks FUP_SP im Kraftstoffspeicher 16 am Drucksensor 48 erreicht wird. Der Kraftstofffluss MFF_VCV durch das Volumenstromsteuerventil 22, der Kraftstofffluss MFF_HPP durch die Hochdruckpumpe 14 und der Kraftstofffluss MFF_PCV durch das Drucksteuerventil 20 sind also abhängig vom Sollwert FUP_SP des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffspeicher 16. Der Kraftstofffluss MFF_IV durch die Injektoren 18 ist abhängig von der Anforderung REQ_INJ der Brennkraftmaschine.
In einer Endphase (S15) des Betriebs der Einspritzanlage werden die Injektoren 18 und das Drucksteuerventil 20 geschlossen. Dies bedeutet, dass der Kraftstofffluss MFF_IV durch die Injektoren und der Kraftstofffluss MFF_PCV durch das Drucksteuerventil gleich 0 sind. Damit wird ein Kraftstoffdruck FUP_1 in dem Hochdruckvolumen 40 hergestellt, der auch am Fluideingang 58 des Drucksteuerventils 20 anliegt. Es ist möglich, den Kraftstoffdruck im Hochdruckvolumen 40 durch Schließen des Drucksteuerventils 20 und der Injektoren 18 bei gleichzeitigem Außerbetriebnehmen der Hochdruckpumpe 14 zu erreichen oder aber die Hochdruckpumpe 14 nach Schließen der Injektoren 18 und des Drucksteuerventils 20 noch kurz nachlaufen zu lassen, um einen gewünschten Kraftstoffdruck im Hochdruckvolumen für die nächste Startphase des Betriebs der Einspritzanlage bereit zu stellen.

Claims

Drucksteuerventil (20), mit – einem Ventilgehäuse (50), das einen Fluideingang (58) und einen Fluidausgang (60) aufweist, wobei der Fluideingang (58) zum Beaufschlagen eines Fluid mit einem Eingangsdruck (FUP_1) und der Fluidausgang (60) zum Beaufschlagen eines Fluid mit einem Ausgangsdruck (FUP_2) vorgesehen ist, und der Eingangsdruck (FUP_1) höher ist als der Ausgangsdruck (FUP_2), – einem hydraulisch zwischen dem Fluideingang (58) und dem Fluidausgang (60) angeordneten, einen Dichtsitz (56) aufweisenden Dichtkörper (54), – einer in dem Dichtkörper (54) angeordneten Dichtkörperbohrung (55), durch die der Fluideingang (58) hydraulisch mit dem Fluidausgang (60) koppelbar ist, – einem dem Dichtsitz (56) zugeordneten Schließkörper (72), der in einer Schließposition einen Fluidfluss durch die Dichtkörperbohrung (55) verhindert und ansonsten den Fluidfluss freigibt, und – einem ansteuerbaren Aktuator (62), wobei der Schließkörper (72) auf einer dem Fluideingang (58) hydraulisch zugewandten Seite des Dichtkörpers (54), der Aktuator (62) auf einer dem Schließkörper (72) abgewandten Seite des Dichtkörpers (54) angeordnet ist, und der Schließkörper (72) mittels eines Kopplungselements (70) mit dem Aktuator (62) koppelbar ist, und der Schließkörper (72) und der Aktuator (62) so angeordnet sind, dass sich der Schließkörper (72) in einem nicht angesteuerten Zustand des Aktuators (62) in seiner Schließposition befindet und durch ein Ansteuern des Aktuators eine auf den Schließkörper (72) einwirkende Kraft veränderbar ist.
Drucksteuerventil (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (70) wenigstens teilweise in der Dichtkörperbohrung (55) angeordnet ist.
Drucksteuerventil (20) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (70) stabförmig ausgebildet ist.
Drucksteuerventil (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (70) einstückig mit dem Schließkörper (72) ausgebildet ist.
Drucksteuerventil (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine Aktuatorstange (68) aufweist und das Kopplungselement (70) einstückig mit der Aktuatorstange (68) ausgebildet ist.
Drucksteuerventil (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (56) konusförmig und der Schließkörper (72) kugelförmig ausgebildet ist.
Drucksteuerventil (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fluideingang (58) ein Käfig (78) angeordnet ist, in dem der Schließkörper (72) aufnehmbar ist.
Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit – einem Drucksteuerventil (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Kraftstoff ist, – einer Vorförderpumpe (12) zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank (10), und – einer stromabwärts der Vorförderpumpe (12) angeordneten Hochdruckpumpe (14) zur Förderung des Kraftstoffs in mindestens einen Injektor (18), und – einem hydraulischen Hochdruckvolumen (40), das stromabwärts der Hochdruckpumpe (14) und stromaufwärts des mindestens einen Injektors (18) ausgebildet ist, wobei der Fluideingang (58) des Drucksteuerventils (20) hydraulisch mit dem Hochdruckvolumen (40) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Einspritzanlage zum Einspritzen von Kraftstoff in eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine, wobei die Einspritzanlage aufweist – eine Vorförderpumpe (12) zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank (10), – eine stromabwärts der Vorförderpumpe (12) angeordnete Hochdruckpumpe (14) zur Förderung des Kraftstoffs in mindestens einen Injektor (18) zum Einspritzen des Kraftstoffs in einen Zylinder der Brennkraftanlage, – ein hydraulisch zwischen der Vorförderpumpe (12) und der Hochdruckpumpe (14) angeordnetes Volumenstromsteuerventil (22), mit dem der Kraftstofffluss von der Vorförderpumpe (12) in die Hochdruckpumpe (14) einstellbar ist, – ein hydraulisches Hochdruckvolumen (40), das stromabwärts der Hochdruckpumpe (14) und stromaufwärts des mindestens einen Injektors (18) ausgebildet ist, und – einen Sensor zum Ermitteln des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckvolumen (40), mit den folgenden Schritten: – in einer Endphase des Betriebs der Einspritzanlage druckdichtes Verschließen des Hochdruckvolumens (40), – in einer Stillstandsphase des Betriebs der Einspritzanlage Stillstehen der Hochdruckpumpe (14), – in einer Startphase des Betriebs der Einspritzanlage bis zum Unterschreiten eines Schwellwerts (FUP_THD) des von dem Sensor ermittelten Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckvolumen (40) Einstellen des Volumenstromsteuerventils (22) derart, dass der Kraftstofffluss von der Vorförderpumpe (12) in die Hochdruckpumpe (14) unterbunden ist, – in einer Normalphase des Betriebs der Einspritzanlage Ansteuern des Volumenstromsteuerventils (22) im Sinne eines Einstellens eines Sollwerts (FUP_SP) des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckvolumen (40).