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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Druckregelanordnung eines Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Pumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich, bei der eine Druckregeleinrichtung zum Regeln des Drucks im Hochdruckbereicht vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Pumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich, mindestens einem elektronischen Einspritzventil und einer derartigen Druckregelanordnung.
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Heutige Kraftstoffversorgungssysteme von Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Ottomotoren, arbeiten als so genannte Direkteinspritzung (DI) mit Einspritzdrücken von bis zu 200 bar. Der Druck wird mittels einer Pumpe, die als so genannte Hochdruck- bzw. Einspritzpumpe gestaltet ist, erzeugt.
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Die Pumpe wird bei bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen in der Regel mechanisch vom Verbrennungsmotor angetrieben. Ein elektromechanisches Mengensteuerventil steuert die von der Einspritzpumpe pro Zeiteinheit in einen Hochdruckbereich, ein so genanntes Rail, geförderte Kraftstoffmenge.
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Eine solche Pumpe fördert bei tiefen Umgebungstemperaturen, wie sie insbesondere bei einem Kaltstart vorliegen, aufgrund der niedrigen Startdrehzahlen pro Zeiteinheit weniger Kraftstoff und muss daher größer ausgelegt werden, als es für die sonstigen Betriebszustände der Brennkraftmaschine erforderlich wäre.
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Am Rail sind als elektronische Einspritzeinrichtung elektromagnetische Einspritzventile angeschlossen, mittels denen der Kraftstoff unter Hochdruck am zugehörigen Motor eingespritzt wird.
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Zusammen mit einem Hochdrucksensor und dem elektromechanischen Mengensteuerventil regelt ein Motor-Steuergerät den Druck im Hochdruckbereich auf das gewünschte Niveau. Die Ansteuerung der Einspritzventile erfolgt dabei auf der Basis des mit dem Hochdrucksensor am Rail gemessenen Drucksignals.
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Aus
DE 44 462 77 B4 ist ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einer elektrischen Kraftstoffpumpe, deren Förderleistung abhängig von Betriebsgrößen steuer- oder regelbar ist, und mit einem Kraftstoffzumesssystem mit Einspritzventilen. Der Kraftstoffdruck und die Kraftstoff-Durchflussmenge werden ausgehend von einer Spannung und eines Stroms der elektrischen Kraftstoffpumpe von einer Elektronik ermittelt.
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Es bestehen derzeit Bestrebungen solche Kraftstoffversorgungssysteme bei gleicher oder nahezu gleicher Funktion kostengünstiger zu gestalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung ist eine Druckregelanordnung eines Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Pumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich geschaffen, bei der eine Druckregeleinrichtung zum Regeln des Drucks im Hochdruckbereich vorgesehen ist. Es ist ferner eine zweite Druckregeleinrichtung vorgesehen, mittels der der Druck im Hochdruckbereich während einer Startphase der Brennkraftmaschine auf einen gegenüber der ersten Druckregeleinrichtung verminderten Druck regelbar ist.
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Bei der derart erfindungsgemäß ausgestalteten Druckregelanordnung weist die erste Druckregeleinrichtung einen vordefinierten Öffnungsdruck auf, auf den sie den Druck im Hochdruckbereich regelt. Dieser Druck wird hier als erster Öffnungsdruck bezeichnet und wird derart hoch gewählt, dass er unter allen Betriebsbedingungen einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Während des Startvorgangs wird der Druck sukzessive aufgebaut. Ist kein Drucksensor verbaut, kann die Einspritzzeit der Injektion nur ungenau bestimmt werden, was zu einer Gemischabweichung und damit zu Startproblemen des Motors führen kann.
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Wegen der Einfachheit der verwendeten ersten Druckregeleinrichtung kann es auch sein, dass diese einen vergleichsweise großen Regelspielraum aufweist und insbesondere im Hinblick auf eine sich verändernde Temperatursituation an der Brennkraftmaschine gewisse Regelabweichungen aufweist. Daraus könnten insbesondere im abgasrelevanten Bereich unzulässige Abweichungen in der Einspritzmenge resultieren.
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Um ohne Drucksensor einen definierten Systemdruck zu erreichen, muss bei derzeit bereitgestellten Kraftstoffversorgungssystemen der geregelte Druck im Hochdruckbereich während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine über dem Öffnungsdruck der ersten Druckregeleinrichtung liegen.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Überlegung zugrunde, dass es wegen des hohen ersten Öffnungsdrucks beim Startvorgang der Brennkraftmaschine vergleichsweise lange dauert, bis dieser vergleichsweise hohe Druck im Hochdruckbereich sicher erreicht ist. Sicherheit darüber besteht erst dann, wenn ein Überströmen der ersten Druckregeleinrichtung erreicht ist.
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Die Zeit für den Druckaufbau beim Startvorgang kann nicht einfach verkürzt werden, weit rein zeitabhängig nicht sichergestellt werden kann, dass ein ausreichend hoher Druck erreicht wird.
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Unter bestimmten Umständen kann es ferner vorkommen, dass die zugehörige Pumpe unter Kaltstartbedingungen den erforderlichen Druck zum Überströmen der ersten Druckregeleinrichtung überhaupt nicht bereitstellen bzw. erreichen kann.
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Die Erfindung sieht zur Lösung dieser Problemstellung eine weitere Druckregeleinrichtung vor, mittels der im Hochdruckbereich während der Startphase der Brennkraftmaschine auf einen gegenüber der ersten Druckregeleinrichtung verminderten Druck geregelt werden kann. Der Öffnungsdruck der zweiten Druckregeleinrichtung liegt also unter dem Öffnungsdruck der ersten Druckregeleinrichtung. Dieser Druck wird damit sicher auf einen vorbestimmten Wert eingeregelt und führt ferner dazu, dass die Bedingungen für das Starten der Brennkraftmaschine früher erreicht werden. Mit anderen Worten wird dadurch ein definierter Systemdruck bei Anlassdrehzahl früher erreicht.
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Die zweite Druckregeleinrichtung ist dabei bevorzugt mit einem Rückschlagventil bzw. Druckbegrenzungsventil gebildet. Damit ist eine besonders einfache und kostengünstige Lösung möglich.
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Alternativ ist die zweite Druckregeleinrichtung mit einem Schieberventil gebildet, bei dem insbesondere ein Schieber von dem im Hochdruckbereich herrschenden Druck gegen ein Federelement gedrängt ist. Mit einer derartigen Einrichtung ist eine besonders präzise Regelung des zweiten, erfindungsgemäßen Druckniveaus möglich.
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Die zweite Druckregeleinrichtung ist ferner vorzugsweise mit einer Drossel gebildet, die insbesondere dem Rückschlagventil oder dem Schieberventil vorgeschaltet ist. Die Drossel wirkt erst ab einem bestimmten Druck im Hochdruckbereich und verhindert dann ein übermäßiges Abströmen von Kraftstoff unter Hochdruck durch die restliche zweite Druckregeleinrichtung, insbesondere durch das Druckbegrenzungsventil oder das Schieberventil.
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Die Drossel ist dabei bevorzugt so ausgelegt, dass sie erst bei Überschreiten der Anlasserdrehzahl der Brennkraftmaschine wirkt. Im höheren Drehzahlbereich kommt es mit einer derartigen Drossel nur zu einem geringen Abströmen von Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich und damit verbunden zu einer geringfügigen Systemdruckreduzierung. Dies ist aber akzeptabel, da die Pumpe ohnehin für den Kaltstart ausgelegt sein muss und im höheren Drehzahlbereich, insbesondere bei Volllast, daher überdimensioniert ist. Daher ist auch eine Verringerung des Liefergrads der Pumpe oberhalb der Leerlaufdrehzahl akzeptabel.
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Um zu Vermeiden, dass die zweite Druckregeleinrichtung und insbesondere das Rückschlagventil oder das Schaltventil oberhalb der Leerlaufdrehzahl einen Einfluss auf den Systemdruck im Hochdruckbereich hat, kann alternativ zu einer Drossel auch ein Schaltventil vorgesehen sein, mittels dem die restliche zweite Druckregeleinrichtung wahlweise vom Hochdruckbereich fluiddicht abgekoppelt werden kann.
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Zur Realisierung der erfindungsgemäß angestrebten Funktion ist die zweite Druckregelanordnung vorzugsweise zur ersten Druckregelanordnung und insbesondere auch zur Pumpe parallel geschaltet. Auf diese Weise ist eine einfache, kostengünstig, in einem Gehäuse, insbesondere im zugehörigen Pumpengehäuse, zu realisierende hydraulische Schaltung geschaffen.
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Die erste Druckregeleinrichtung und/oder die zweite Druckregeleinrichtung sind bevorzugt hydromechanisch geregelt. Es bedarf mit einer derartigen hydromechanischen Regelung keinerlei elektrischer oder elektronischer Regelungskomponenten. Entsprechend ist das System klein, kostengünstig und es entfällt auch eine sonst notwendige Verkabelung von dessen Komponenten.
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Die Erfindung sieht entsprechend ferner ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Pumpe zum Fördern von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich, mindestens einem elektronischen Einspritzventil und einer derartigen Druckregelanordnung vor.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffversorgungssystems gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines der Erfindung zugrunde liegenden Kraftstoffversorgungssystems,
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3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems und
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4 ein Diagramm, das den Systemdruck im Hochdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems gemäß 3 über der zugehörigen Motordrehzahl darstellt.
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In 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem bzw. Kraftstoffversorgungssystem 10 eines Ottomotors gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht, bei dem aus einem Tank 12 mittels einer elektrischen Kraftstoffpumpe (EKP) bzw. Niederdruckpumpe 14 flüssiger Kraftstoff mit ca. 5 bar Druck in eine einen Niederdruckbereich bildende Leitung 16 gefördert wird. in der Leitung 16 ist ein Filter 18 zwischengeschaltet. Die Leitung 16 dient als Zuleitung zu einem. Hochdruckbereich 20 des Kraftstoffeinspritzsystems 10. An der Leitung 16 ist ein Druckregler 22 vorgesehen, mittels dem der Druck in der Leitung 16 weitestgehend konstant gehalten werden kann.
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Im Niederdruckbereich liegt der oben genannte, von der Niederdruckpumpe 14 bereitgestellte Druck von beispielsweise ca. 5 bar vor. Am Niederdruckbereich, der optional rohrförmig als ein so genanntes Niederdruck-Rail gestaltet sein kann, können Niederdruck-Einspritzventile vorgesehen sein, von denen der Kraftstoff, vorliegend Benzin, in ein Saugrohr eines zugehörigen Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann (port fuel injection, PFI).
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In der Leitung 16, die zum Hochdruckbereich 20 führt, ist eine Pumpe 24 in Form einer Hochdruckpumpe angeordnet, mittels der der Druck von ca. 5 bar aus der Leitung 16 auf bis zu ca. 200 bar angehoben werden kann. Der zugehörige Kraftstoff wird dann am Hochdruckbereich 20, der ebenfalls als rohrförmige Druckkammer bzw. als so genanntes Hochdruck-Rail 25 gestaltet ist, an vier Hochdruck-Einspritzventilen 26 direkt in (nicht dargestellte) Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt. Dies wird auch als Direkteinspritzung bezeichnet (direct injection, DI). In die Leitung 16, im Eingangsbereich zum Hochdruck-Rail 25, ist eine Drossel 27 geschaltet.
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Die Pumpe 24 in der Leitung 16 ist mit einer Zylinder-Kolben-Anordnung, also als eine Kolbenpumpe mit diskontinuierlicher Förderung, gestaltet, die mechanisch über eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird.
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Der Pumpe 24 sind in Hauptströmungsrichtung ein Mengensteuerventil 28 und ein Niederdruckdämpfer 30 vorgelagert sowie ein Druckbegrenzungsventil 32 und ein dazu parallel geschaltetes Rückschlagventil 34 nachgelagert. Das Mengensteuerventil 28 dient dazu, den Druck im Hochdruckbereich 20 zu regeln.
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Insbesondere wird dabei die Menge des von der Pumpe 24 pro Zeiteinheit angesaugten Kraftstoffs geregelt.
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Zusammen mit einem mittels eines elektrischen Hochdrucksensors 36 im Hochdruck-Rail 25 gemessenen Drucksignals regelt ein Motor-Steuergerät 38 den Druck des Kraftstoffs auf ein gewünschtes Niveau. Hierzu wird in Abhängigkeit des im Hochdruck-Rail 25 vorliegenden Drucks das Mengensteuerventil 28 über das Motor-Steuergerät 38 elektrisch angesteuert. Über das Mengensteuerventil 28 wird sodann die Fördermenge der Pumpe 24 gesteuert. Die Ansteuerung der Hochdruck-Einspritzventile 26 erfolgt ebenfalls auf Basis eines ermittelten Hochdrucksignals.
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2 veranschaulicht demgegenüber das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems 10. Dieses weist eine rein hydromechanische Druckregelung auf. Aufgrund der Verwendung dieser hydromechanischen Druckregelung können der gemäß 1 früher erforderliche Hochdrucksensor 26, das Mengensteuerventil 28 sowie die Endstufe für das Mengensteuerventil 28 im Motor-Steuergerät 38 und die Software-Funktion zur Raildruckregelung entfallen, wodurch Produktionskosten gesenkt werden.
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Dazu ist zu der Pumpe 24 in einer Leitung 40 eine hydromechanische Druckregeleinrichtung 42 parallel geschaltet. Die Druckregeleinrichtung 42 ist mit einem Schieberventil 44 gestaltet, das über eine von der Leitung 40 abzweigende Leitung 46 mit dem im Hochdruckbereich 20 herrschenden Hochdruck vorgespannt und auf diese Weise hydromechanisch betätigbar ist. Die Ansteuerung der Pumpe 24 und auch der Einspritzventile 26 erfolgt insbesondere mit Hilfe eines modellierten Drucks, der ohne einen Hochdrucksensor 36 basierend auf einem Druckmodell berechnet wird. Dem Druckmodell dienen dabei Messgrößen wie die Drehzahl der Pumpe 24 sowie die Einspritzzeit, Lambda und der Einfluss der Lambda-Regelung als indirekte Eingangsgrößen, um auf den Druck im Hochdruckbereich 20 zurückzuschließen.
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Die Druckregeleinrichtung 42 ist damit vergleichsweise einfach aufgebaut und entsprechend kostengünstig.
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Das Schieberventil 44 weist einen vordefinierten, so genannten ersten Öffnungsdruck auf, auf den es den Druck im Hochdruckbereich 20 begrenzt. Dieser Druck ist derart hoch gewählt, dass er unter allen Betriebsbedingungen einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht. Der erste Öffnungsdruck ist dabei ausreichend hoch gewählt, um auch Regelabweichungen unter Volllast kompensieren zu können.
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Bei einem Startvorgang des mit dem Kraftstoffversorgungssystem 10 versorgten Verbrennungsmotors bzw. Brennkraftmaschine führt dieser vergleichsweise hohe erste Öffnungsdruck jedoch dazu, dass es vergleichsweise lange dauert, bis dieser hohe Druck im Hochdruckbereich erreicht ist. Das Erreichen kann nämlich nur dadurch an den indirekten Messgrößen an der Pumpe 24 erkannt werden, wenn die Druckregeleinrichtung 42 überströmt wird und sich ein hinreichend konstanter Druck im Hochdruckbereich einstellt. Der Startvorgang der Brennkraftmaschine dauert damit vergleichsweise lange.
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Eine zeitliche Festlegung für den Startvorgang, um diesen abzukürzen, reicht hingegen nicht aus, weil rein zeitabhängig nicht sichergestellt werden kann, dass ein ausreichend hoher Druck im Hochdruckbereich 20 erreicht wird. Unter Kaltstartbedingungen kann es sogar vorkommen, dass die Pumpe 24 den erforderlichen Druck zum Überströmen überhaupt nicht bereitstellen kann.
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Daher ist, wie in 3 veranschaulicht, vorzugsweise eine weitere, zweite hydromechanische Druckregeleinrichtung 48 vorgesehen, mittels der im Hochdruckbereich 20 während der Startphase der Brennkraftmaschine auf einen gegenüber der ersten Druckregeleinrichtung 42 verminderten Druck geregelt werden kann. Die Druckregeleinrichtung 48 ist dazu mit einer Drossel 50 und einem Druckbegrenzungsventil 52 gestaltet, die in einer Leitung 54 parallel zur Pumpe 24 geschaltet sind. Dabei wird beim Abströmen von Kraftstoff ausgehend vom Hochdruckbereich 20 durch die Leitung 54 zunächst die Drossel 50 und nachfolgend das Druckbegrenzungsventil 52 durchströmt. Die Leitung 54 führt den Kraftstoff damit zurück zur Niederdruckseite bzw. Leitung 16.
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Bei einer nicht dargestellten Variante der Druckregeleinrichtung 48 ist diese mit einer Drossel 50 und einem Schieberventil gebildet, bei dem insbesondere ein Schieber von dem im Hochdruckbereich 20 herrschenden Druck gegen ein Federelement gedrängt ist.
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Der Öffnungsdruck der zweiten Druckregeleinrichtung 48 mit deren Druckbegrenzungsventil 52 liegt also unter dem der ersten Druckregeleinrichtung 42. Während der Startphase bzw. der Phase des Druckaufbaus im Hochdruckbereich 20 steigt damit der Druck im Hochdruckbereich 20 zunächst kontinuierlich an, bis die zweite Druckregeleinrichtung 48 überströmt wird und damit den Druck auf einen vorbestimmten Mindestwert einregelt. Zugleich werden die Bedingungen für das Starten der Brennkraftmaschine erreicht. Das Überströmen der zweiten Druckregeleinrichtung 48 zeichnet sich in den indirekten Messgrößen an der Pumpe 24 ab und kann dadurch in dem Druckmodell erkannt werden. Es wird so also ein definierter Systemdruck bei Anlassdrehzahl früher erkannt und entsprechend eine Verkürzung der Anlasszeit erreicht Die Drossel 50 kommt erst mit steigendem Druck immer mehr zur Geltung bzw. wirkt erst ab einem bestimmten, höheren Druck und verhindert dann ein übermäßiges Abströmen von Kraftstoff durch das Druckbegrenzungsventil 52.
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Bei höherem Druck läuft die Brennkraftmaschine und damit die Pumpe 24 mit höherer Drehzahl. Die Pumpe 24 stellt entsprechend eine erheblich höhere Förderleitung zur Verfügung. Es kommt zwar auch dann an der Drossel 50 zu einem gewissen Abströmen von Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 20 in den Niederdruckbereich und damit verbunden zu einer geringfügigen Systemdruckreduzierung, dies ist aber akzeptabel, da die Pumpe 24 ohnehin für den Kaltstart ausgefegt und im höheren Drehzahlbereich, insbesondere bei Volllast, etwas überdimensioniert ist.
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In der 4 ist der mit den beiden Druckregeleinrichtungen 42 und 48 im Hochdruckbereich 20 erzielte Druckverlauf auf der Vertikalachse über der auf der Horizontalachse angetragenen Motordrehzahl veranschaulicht. Der Druck entwickelt sich im Hochdruckbereich 20 gemäß einer Kurve 56. Sobald dabei die zweite Druckregeleinrichtung 48 seinen Öffnungsdruck 58 von vorliegend z. B. 30 bar erreicht hat, kann dies an der Pumpe 24 erkannt und das Signal zur Einspritzfreigabe erteilt werden.
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Der Verbrennungsmotor startet dann ab einem Punkt 60 bei einer Drehzahl von vorliegend maximal 250 Umdrehungen pro Minute. An einem Punkt 62 hat der Verbrennungsmotor seine Leerlaufdrehzahl von vorliegend ca. 800 Umdrehungen pro Minute erreicht. Ab diesem Bereich regelt dann die erste Druckregeleinrichtung 42 mit einem Öffnungsdruck 64 den Systemdruck unter Fahrbetrieb auf vorliegend z. B. 80 bar. Über dem Druckbereich von 80 bar liegt noch ein Sicherheitsbereich 66, in dem das Druckbegrenzungsventil 32 einen Begrenzungsdruck im Notlauf sicherstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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