DE102013220780A1

DE102013220780A1 - Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102013220780A1
Application number: DE201310220780
Authority: DE
Inventors: Thomas Schmidbauer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN105164395B; EP2946099A1; CN105164395A; DE102013220780B4; WO2015055326A1; JP2016515676A; US20160222906A1; US9970381B2; KR20150119442A

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzsystem (10) umfasst eine Steuereinheit (140), die das Einspritzen eines Kraftstoffs Zylinder eines Motors derart steuert, dass während eines Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors in jeweils einen der Zylinder ein Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs eingespritzt wird. Die Steuereinheit steuert dazu ein Ein- und/oder Auslassventil (120, 130) derart an, dass während aufeinanderfolgender Pumpenhübe (PH) einer Hochdruckpumpe (100) während mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen (A1, A2) ein unterschiedliches Hochdruckvolumen des Kraftstoffs pro Pumpenhub (PH) in einen Druckspeicher (110) gefördert wird. Das pro Arbeitszyklus (A1, A2) erzeugte Hochdruckvolumen entspricht dem pro Arbeitszyklus aus dem Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumen (EV1, EV2), das während jedes der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2) konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem.
Bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem kann der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt werden. Die Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung erfolgt durch einen Druckspeicher (Rail). Zur Druckerzeugung ist eine Hochdruckpumpe (HDP) vorgesehen, die den Kraftstoff in den Druckspeicher fördert. Die Hochdruckpumpe kann über einen Kraftstoffzulaufkanal mit einem Tank und über einen Kraftstoffablaufkanal mit dem Druckspeicher verbunden sein. Die Hochdruckpumpe verdichtet den aus dem Kraftstoffzulaufkanal zugeführten Kraftstoff und erzeugt in einem Pumpenarbeitsraum ein Hochdruckvolumen des Kraftstoffs, das an den Druckspeicher abgegeben wird. Beim Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder wird aus dem Druckspeicher ein Einspritzvolumen des Kraftstoffs entnommen.
Im Kraftstoffzulaufkanal ist vor der Hochdruckpumpe ein Einlassventil angeordnet. Im Kraftstoffablaufkanal ist nach der Hochdruckpumpe ein Auslassventil vorgesehen. Neben passiven Ventilen, die in Abhängigkeit von einem Druck öffnen oder schließen, können das Ein- und Auslassventil jeweils als ein aktives Ventil ausgebildet sein. Herkömmliche aktive Ventile haben den Zweck, den tatsächlich zur Hochdruckerzeugung verfügbaren Volumenstrom derart zu regeln, dass weder Überschuss noch Mangel an einem Hochdruckvolumen-Strom entsteht. Der Volumenstrom am Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe zeigt entsprechend der Fördereigenschaften einer Kolbenpumpe hubfrequenzabhängige Schwingungen. Des Weiteren entstehen durch das periodische Öffnen und Schließen des Einlassventils Geräusche, deren Frequenz eine Funktion der Drehzahl einer Antriebswelle der Hochdruckpumpe ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einspritzsynchrone Pumpenförderung zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Schaltgeräusche, die beim periodischen Öffnen und Schließen des Ein- und/oder Auslassventils auftreten, weitestgehend zu minimieren.
Eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer einspritzsynchronen Pumpenförderung einer Hochdruckpumpe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe mit einem Pumpenarbeitsraum und einem Pumpenkolben zum Verdichten eines Kraftstoffs in dem Pumpenarbeitsraum, einen Druckspeicher zum Bereitstellen des Kraftstoffs zum Einspritzen in Zylinder eines Motors, ein Einlassventil zum Einlassen des Kraftstoffs in die Hochdruckpumpe und ein Auslassventil zum Auslassen des Kraftstoffs aus der Hochdruckpumpe. Des Weiteren weist das Kraftstoffeinspritzsystem eine Steuereinheit zur Steuerung des Einspritzens des Kraftstoffs in die Zylinder und zur Steuerung von mindestens einem des Einlassventils und des Auslassventils auf. Die Hochdruckpumpe ist über das Auslassventil mit dem Druckspeicher gekoppelt. Die Steuereinheit steuert das Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder derart, dass während eines Arbeitszyklus des Motors ein Einspritzvolumen des Kraftstoffs aus dem Druckspeicher entnommen und in jeweils einem der Zylinder eingespritzt wird. Die Hochdruckpumpe ist dazu ausgebildet, während des Arbeitszyklus des Motors ein Hochdruckvolumen des Kraftstoffs in den Druckspeicher zu fördern. Des Weiteren ist die Hochdruckpumpe derart ausgebildet, dass der Pumpenkolben während eines Pumpenhubs eine vollständige Auf- und Abwärtsbewegung in den Pumpenarbeitsraum vollführt. Die Steuereinheit steuert das mindestens eine des Einlassventils und des Auslassventils derart an, dass das während des Arbeitszyklus des Motors von der Hochdruckpumpe erzeugte Hochdruckvolumen des Kraftstoffs dem während des Arbeitszyklus aus dem Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumen des Kraftstoffs entspricht und das während aufeinanderfolgender Pumpenhübe während mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen ein unterschiedliches Hochdruckvolumen des Kraftstoffs pro Pumpenhub in den Druckspeicher gefördert wird. Die Steuereinheit steuert das Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder derart, dass das aus dem Druckspeicher entnommene Einspritzvolumen während jedes dieser aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen konstant ist.
Das angegebene Kraftstoffeinspritzsystem ermöglicht eine einspritzsynchrone Pumpenförderung. Das bedeutet, dass das von der Hochdruckpumpe in jedem Arbeitszyklus dem Druckspeicher zugeführte Hochdruckvolumen des Kraftstoffs dem Volumen des Kraftstoffs entspricht, das dem Druckspeicher als Einspritzvolumen zum Einspritzen in einen Zylinder während des Arbeitszyklus entnommen wird. Somit kann das Hochdruckvolumen des Kraftstoffs in jedem Arbeitszyklus des Motors von der Hochdruckpumpe bedarfsgerecht erzeugt werden.
Dazu wird die Funktionalität des Einlassventils, beispielsweise eines digitalen Einlassventils, über die reine Volumenstromeinstellung hinaus erweitert. Die Funktionalität des Auslassventils, beispielsweise eines digitalen Auslassventils, wird über die reine Hochdruckregelung hinaus erweitert. Dadurch kann die Hochdruckpumpe beispielsweise an einem 3-Zylinder-Motor trotz eines 1:1-Antriebs zwischen Kurbelwelle und Antriebswelle und nicht natürlicher Synchronisierung derart betrieben werden, dass eine ausreichend genaue Einspritzmenge erzielt werden kann, wodurch alternative Übersetzungsverhältnisse als Pumpenantrieb möglich sind. Die Hochdruckpumpe kann beispielsweise anstelle von der Nockenwelle mit einem Verhältnis von Motordrehzahl zu Pumpenwellendrehzahl = 2:1 durch andere vorhandene Antriebswellen unterschiedlicher, nicht synchroner Drehzahlen betrieben werden. Durch Anwendung solcher "nicht synchroner" höherer Drehzahlen, beispielsweise mit einem Verhältnis von Motordrehzahl zu Pumpenwellendrehzahl = 1:1 an einem 3-Zylinder-Motor, können Drehmomentspitzen verringert werden.
Des Weiteren können die aktiven Pumpenventile durch geeignete Variation von deren Öffnungs- und Schließzeitpunkten aktiv zur Modellierung des beim Öffnen und Schließen emittierten Schalls benutzt werden, ohne dass die bedarfsgerechte resultierende Hochdruckfördermenge an Kraftstoff geändert wird.
Ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in Zylinder eines Motors, mit dem sich eine einspritzsynchrone Pumpenförderung einer Hochdruckpumpe realisieren lässt, ist im Patentanspruch 6 angegeben. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Hochdruckpumpe mit einem Pumpenarbeitsraum und einem Pumpenkolben zum Verdichten eines Kraftstoffs in dem Pumoenarbeitsraum, ein Druckspeicher zum Bereitstellen des Kraftstoffs zum Einspritzen in die Zylinder des Motors, ein Einlassventil zum Einlassen des Kraftstoffs in die Hochdruckpumpe und ein Auslassventil zum Auslassen des Kraftstoffs aus der Hochdruckpumpe bereitgestellt. Während eines Arbeitszyklus des Motors wird in der Hochdruckpumpe ein Hochdruckvolumen des Kraftstoffs erzeugt. Während des Arbeitszyklus des Motors wird des Weiteren das Hochdruckvolumen des Kraftstoffs von der Hochdruckpumpe in den Druckspeicher befördert. Ferner wird während des Arbeitszyklus des Motors ein Einspritzvolumen des Kraftstoffs in einen der Zylinder eingespritzt. Das während des Arbeitszyklus von der Hochdruckpumpe erzeugte Hochdruckvolumen des Kraftstoffs entspricht dem während des Arbeitszyklus aus dem Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumen des Kraftstoffs. Des Weiteren wird während aufeinanderfolgender Pumpenhübe während mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen ein unterschiedliches Hochdruckvolumen des Kraftstoffs pro Pumpenhub in den Druckspeicher gefördert. Das aus dem Druckspeicher entnommene Einspritzvolumen ist hingegen während jedes der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen konstant.
Im Folgenden wird ein Kraftstoffeinspritzsystem angegeben, bei dem eine beim Öffnen und/oder Schließen des Einlassventils und/oder des Auslassventils auftretende Schallemission reduziert ist. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem eine Hochdruckpumpe zum Verdichten eines Kraftstoffs, einen Druckspeicher zum Bereitstellen des Kraftstoffs zum Einspritzen in Zylinder eines Motors, ein Einlassventil zum Einlassen des Kraftstoffs in die Hochdruckpumpe und ein Auslassventil zum Auslassen des Kraftstoffs aus der Hochdruckpumpe. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst des Weiteren eine Steuereinheit zur Steuerung des Einspritzens des Kraftstoffs in die Zylinder und zur Steuerung von mindestens einem des Einlassventils und des Auslassventils. Die Hochdruckpumpe ist über das Auslassventil mit dem Druckspeicher gekoppelt. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das mindestens eine des Einlassventils und des Auslassventils derart anzusteuern, dass Zeiten zwischen einem ersten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils und des Auslassventils und einem zweiten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils und des Auslassventils unterschiedlich sind, so dass eine beim Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils und des Auslassventils auftretende Schallemission deutlich abgesenkt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzsystems ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Zeiten zwischen einem ersten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils und des Auslassventils und einem zweiten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils und des Auslassventils derart einzustellen, dass eine beim Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils und des Auslassventils entstehende Schallemission unter einem Grenzwert liegt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzsystems,
2 eine bedarfsgerechte Hochdruck-Volumenerzeugung pro Arbeitszyklus einer Hochdruckpumpe beim Betrieb an einer Antriebswelle,
3 keine bedarfsgerechte Hochdruck-Volumenerzeugung pro Arbeitszyklus beim Betrieb einer Hochdruckpumpe an einer Antriebswelle,
4 eine bedarfsgerechte Hochdruck-Volumenerzeugung pro Arbeitszyklus beim Betrieb einer Hochdruckpumpe an einer Antriebswelle,
5 ein bedarfsgerecht erzeugtes Hochdruck-Volumen beim Betrieb einer Hochdruckpumpe an einer Antriebswelle mit reduzierter Schallemission beim Öffnen und Schließen eines Ein- und Auslassventils.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzsystems 10, das beispielsweise als ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem ausgebildet sein kann. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe 100 mit einem Pumpenarbeitsraum 101 zum Verdichten eines Kraftstoffs. Die Hochdruckpumpe weist einen Pumpenkolben 102 auf, der mittels einer Feder an einem Stößel abgestützt ist. Der Stößel ist in einer Stößelführung beweglich angeordnet. Zum Verdichten des Kraftstoffs in dem Pumpenarbeitsraum führt der Pumpenkolben während jedes Pumpenhubs in dem Pumpenarbeitsraum 101 eine vollständige Auf- und Abwärtsbewegung aus. Zum Bewegen des Pumpenkolbens ist der Stößel an eine Antriebswelle gekoppelt. Die Antriebswelle kann einen oder mehrere Nocken aufweisen, an denen der Stößel über eine Rolle anliegt. Bei einer Rotation der Antriebswelle wird die Rotationsbewegung der Welle über den Stößel in eine Hubbewegung des Kolbens überführt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 weist des Weiteren einen Druckspeicher 110 zum Bereitstellen des Kraftstoffs zum Einspritzen in Zylinder eines Motors auf. Zum Einlassen des Kraftstoffs in die Hochdruckpumpe 100 ist ein Einlassventil 120 in einem Kraftstoffzulaufkanal 150 vorgesehen. Der Kraftstoffzulaufkanal ist mit einem Tank 160 verbunden. In einem Kraftstoffablaufkanal 170 ist ein Auslassventil 130 zum Auslassen des Kraftstoffs aus der Hochdruckpumpe 100 vorgesehen. Die Hochdruckpumpe 100 ist über das Auslassventil 130 und den Kraftstoffablaufkanal 170 mit dem Druckspeicher 110 gekoppelt.
Mit dem Hochdruckspeicher 110 sind ein oder vorzugsweise mehrere an den Zylindern einer Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren 180 verbunden, durch die Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Der Druckspeicher 110 ist über ein Druckausgleichsventil 190 und eine Kraftstoffrückführleitung mit dem Tank 160 gekoppelt. Falls der Druck im Druckspeicher 110 zu hoch wird, kann somit Kraftstoff in den Tank 160 rückgeführt werden.
2 zeigt eine bedarfsgerechte Hochdruck-Volumenerzeugung des Kraftstoffs durch die Hochdruckpumpe 100. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Hochdruckpumpe an einer Antriebswelle mit 3-fach-Nocken mit 2:1-Übersetzung angetrieben und ist an einen 3-Zylinder-4-Takt-Verbrennungsmotor angeschlossen. Im ersten Diagramm der 2 ist ein Einspritzvolumen EV des Kraftstoffs beziehungsweise das Hochdruckvolumen, das aus dem Druckspeicher entnommen wird, über Grad-Kurbelwinkel (°KW) der Antriebswelle aufgetragen. Das Einspritzvolumen EV ist als rechteckige Fläche dargestellt. Ein erste Arbeitszyklus beziehungsweise Arbeitstakt A1 des Motors reicht von 0 °KW bis 240 °KW. Am Ende des ersten Arbeitszyklus A1 wird das Einspritzvolumen EV1 zum Einspritzen in den ersten Zylinder aus dem Druckspeicher 110 entnommen. Der zweite Arbeitszyklus beziehungsweise Arbeitstakt A2 des Motors reicht von 240 °KW bis 480 °KW. Am Ende des zweiten Arbeitszyklus A2 wird ein weiteres Einspritzvolumen EV2 zum Einspritzen in den zweiten Zylinder aus dem Druckspeicher 110 entnommen. Der dritte Arbeitszyklus/Arbeitstakt A3 des Motors reicht von 480 °KW bis 720 °KW. Am Ende des dritten Arbeitstakts A3 wird das Einspritzvolumen EV3 dem Druckspeicher entnommen und in einen dritten Zylinder des Motors eingespritzt.
Im zweiten Diagramm der 2 ist ein Pumpenhub PH der Hochdruckpumpe, der jeweils eine Saugphase SP und eine Druckphase DP aufweist, dargestellt. Im dritten Diagramm ist das während jedes Arbeitszyklus von der Hochdruckpumpe erzeugte Hochdruckvolumen des Kraftstoffs über °KW aufgetragen. Am Ende des ersten Arbeitszyklus A1 stellt die Hochdruckpumpe das Hochdruckvolumen HD1 bereit. Am Ende des zweiten Arbeitszyklus A2 stellt die Hochdruckpumpe das Hochdruckvolumen HD2 zur Förderung in den Druckspeicher bereit. Am Ende des dritten Arbeitszyklus A3 des Motors stellt die Hochdruckpumpe 100 das Hochdruckvolumen HD3 zur Förderung in den Druckspeicher 110 bereit.
Bei dem in 2 dargestellten Beispiel eines 3-Zylinder-4-Takt-Verbrennungsmotors bedeuten zwei Umdrehungen an der Kurbelwelle am 3-Zylinder-Motor drei Arbeitszyklen beziehungsweise Arbeitstakte. Alle 240 °KW wird ein Einspritzvolumen EV1, EV2 und EV3 in einen der Zylinder eingespritzt. Wie anhand von 2 deutlich wird, steht dem Einspritzvorgang synchron ein Förderhub der Hochdruckpumpe gegenüber, so dass das erzeugte Hochdruckvolumen HD1, HD2 und HD3 dem aus dem Hochdruckspeicher 110 entnommenen Einspritzvolumen EV1, EV2 und EV3 entspricht. Die Hochdruck-Volumenerzeugung und die Hochdruck-Volumenabgabe erfolgt zu gleichen Zeiten, wodurch in dem Kraftstoffeinspritzsystem eine bedarfsgerechte Hochdruck-Volumenerzeugung pro Arbeitszyklus sichergestellt ist.
Bei dem in 2 dargestellten Beispiel ist die Übersetzung der Antriebswelle der Hochdruckpumpe sowie die Anzahl der Nocken an der Antriebswelle derart ausgeführt, dass die Pumpenfrequenz der Frequenz der Haupteinspritzung entspricht. So lange die Pumpe durch die Nockenwelle und damit mit halber Kurbelwellendrehzahl betrieben wird, das heißt mit einer Übersetzung Motor zur Welle = 2:1, entspricht die Anzahl der Nocken der Zylinderzahl eines im 4-Takt Verfahren betriebenen Verbrennungsmotors. Wenn jedoch die Hochdruckpumpe durch eine andere Antriebswelle, beispielsweise eine Welle mit 1:1 Übersetzung betrieben wird, beispielsweise durch eine Ausgleichswelle, ist bei einem 3-Zylinder 4-Takt Verbrennungsmotor die herkömmliche Synchronisierung zwischen dem von der Hochdruckpumpe erzeugten Hochdruckvolumen und dem dem Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumen nicht mehr möglich.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Hochdruckpumpe nicht mit einer Antriebswelle mit 2:1 Übersetzung sondern mit einer Antriebswelle mit 2-fach Nocken und 1:1 Übersetzung betrieben. In 3 ist im ersten Diagramm der Pumpenhub PH einer Hochdruckpumpe über °KW aufgetragen. Im zweiten Diagramm ist das von der Hochdruckpumpe pro Arbeitszyklus von 240 °KW erzeugte Hochdruckvolumen des Kraftstoffs dargestellt. Das Hochdruckvolumen wird von der Hochdruckpumpe in jedem der drei Arbeitszyklen A1, A2 und A3 während der Druckphase der Pumpe erzeugt. Die Hochdruckpumpe beziehungsweise die Ein- und Auslassventile sind derart eingestellt, dass am Ende der drei Arbeitszyklen A1, A2 und A3 die Summe des in den jeweiligen Druckphasen erzeugten Hochdruckvolumens des am Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumens entspricht, da gefordert ist, dass die Volumenbilanz über die Summe aller Arbeitstakte insgesamt gleich bleiben soll.
Wie anhand von 3 deutlich wird, treten beim Betrieb der Hochdruckpumpe an einer Antriebswelle mit 2-fach Nocken und 1:1 Übersetzung während der drei Arbeitszyklen insgesamt vier Pumpenhübe auf, denen nur drei Einspritzereignisse gegenüberstehen. Da am Ende der drei Arbeitszyklen die Volumenbilanz zwischen dem von der Pumpe erzeugten Hochdruckvolumen und dem während aller Arbeitszyklen insgesamt abgegebenen Einspritzvolumen gleich bleiben soll, ist das pro Pumpenhub erzeugte Hochdruckvolumen bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kleiner als bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform wird während der ersten beiden Arbeitstakte A1 und A2 zwischen 0 und 240 °KW und 240 und 480 °KW jeweils zu wenig Hochdruckvolumen von der Hochdruckpumpe erzeugt. Somit wird von der Hochdruckpumpe 100 während jedes der beiden Arbeitstakte A1 und A2 im Vergleich zu dem aus dem Druckspeicher 110 entnommenen Einspritzvolumen zu wenig Kraftstoffvolumen in den Druckspeicher hinein befördert, sodass der Druck im Druckspeicher 110 fallen wird.
In den dritten Arbeitszyklus A3 fallen zwei Pumpenhübe, denen nur ein Einspritzereignis gegenübersteht. Da zu viel Hochdruckvolumen an Kraftstoff von der Hochdruckpumpe in den Druckspeicher befördert wird, steigt der Druck im Druckspeicher an. An dem in 3 dargestellten Beispiel eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Hochdruckpumpe, die an einer Antriebswelle mit 2-fach Nocken mit 1:1 Übersetzung betrieben wird, wird deutlich, dass keine bedarfsgerechte Hochdruck-Volumenerzeugung pro Arbeitszyklus möglich ist.
Gemäß der Erfindung wird die Funktionsweise des Einlassventils 120 und/oder des Auslassventils 130 erweitert, um so eine synchrone Förderung von Hochdruckvolumen an Kraftstoff in den Druckspeicher und Entnahme von Einspritzvolumen aus dem Druckspeicher zu ermöglichen. Dadurch kann eine einspritzsynchrone Pumpenförderung erzielt werden. Die erfindungsgemäße Hochdruck-Volumenerzeugung des Kraftstoffs durch die Hochdruckpumpe ist in 4 dargestellt.
Zur Erzielung einer einspritzsynchronen Pumpenförderung steuert die Steuereinheit 140 das Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder derart, dass während eines Arbeitszyklus A1, A2, A3 des Motors in jeweils einen der Zylinder ein Einspritzvolumen des Kraftstoffs eingespritzt wird. Die Hochdruckpumpe 100 ist dazu ausgebildet, während des Arbeitszyklus des Motors, beispielsweise während eines Arbeitszyklus von 240 °KW, ein Hochdruckvolumen des Kraftstoffs in den Druckspeicher 110 zu fördern. Die Steuereinheit 140 steuert das mindestens eine des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 derart an, dass das während des Arbeitszyklus A1, A2, A3 von der Hochdruckpumpe 100 erzeuget Hochdruckvolumen des Kraftstoffs dem während desselben Arbeitszyklus A1, A2, A3 aus dem Druckspeicher 110 entnommenen Einspritzvolumen des Kraftstoffs entspricht.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform erfolgt pro 180 °KW jeweils ein vollständiger Pumpenhub PH. Die Steuereinheit steuert das mindestens eine des Ein- und Auslassventils derart an, dass während aufeinanderfolgender Pumpenhübe PH während mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen A1, A2 beziehungsweise A2, A3 ein unterschiedliches Hochdruckvolumen des Kraftstoffs pro Pumpenhub PH in den Druckspeicher 110 gefördert wird. Das dabei pro Arbeitszyklus A1, A2 und A3 erzeugte Hochdruckvolumen entspricht dem pro Arbeitszyklus aus dem Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumen. Die Steuereinheit 140 steuert das Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder derart, dass das aus dem Druckspeicher 110 entnommene Einspritzvolumen EV1, EV2, EV3 während jedes der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen A1, A2, A3 konstant ist.
Die Steuereinheit 140 steuert das mindestens eine des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 derart an, dass das während aufeinander folgender Arbeitszyklen des Motors von der Hochdruckpumpe 100 jeweils erzeugte Hochdruckvolumen des Kraftstoffs dem während jedem der aufeinander folgenden Arbeitszyklen aus dem Druckspeicher 110 entnommenen Einspritzvolumen des Kraftstoffs entspricht.
Die Steuereinheit 140 steuert das mindestens eine des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 derart an, dass das mindestens eine des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 während der aufeinander folgenden Arbeitszyklen A1, A2 und A3 des Motors zu verschiedenen Zeiten während der aufeinander folgenden Arbeitszyklen A1, A2 und A3 geöffnet und geschlossen wird.
Mit einer derartigen Ausgestaltung eines Kraftstoffeinspritzsystems kann mittels einer an einer Antriebswelle mit 2-fach Nocken und 1:1 Übersetzung angetriebenen Hochdruckpumpe pro Arbeitszyklus des Motors ein bedarfsgerechtes Hochdruckvolumen an Kraftstoff erzeugt werden. Während des ersten und zweiten Arbeitszyklus A1 und A2 wird beispielsweise durch das aktive Einlassventil 120 verschieden erzeugtes Hochdruckvolumen an Kraftstoff pro Pumpenhub von der Hochdruckpumpe bereitgestellt.
Im ersten Arbeitszyklus A1 zwischen 0 und 240 °KW wird das aktive Einlassventil 120 von der Steuereinheit 140 derart angesteuert, dass mit einem Pumpenhub mehr Hochdruckvolumen an Kraftstoff als in dem in 3 gezeigten ersten Arbeitszyklus A1 erzeugt wird. Im zweiten Arbeitszyklus A2 fallen zwei Pumpenhübe zusammen. Das aktive Einlassventil 120 wird von der Steuereinheit 140 derart gesteuert, dass während beider Pumpenhübe jeweils ein relativ geringes Hochdruckvolumen von der Hochdruckpumpe bereitgestellt wird. Das gesamte während des Arbeitszyklus A2 bereitgestellte Hochdruckvolumen entspricht jedoch dem währen dem Arbeitszyklus A2 dem Druckspeicher entnommenen Einspritzvolumen EV2. Im dritten Arbeitszyklus A3 wird das aktive Einlassventil 120 derart gesteuert, dass zunächst zu viel Hochdruckvolumen erzeugt würde. Jedoch wird während der Saugphase der Hochdruckpumpe im dritten Arbeitszyklus A3 nicht benötigtes Hochdruckvolumen an Kraftstoff energetisch neutral zurückgefördert.
Im dritten Arbeitszyklus A3 wird somit die Kombination des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 dazu genutzt, um ein einspritzsynchrones Förderverhalten der Pumpe 100 zu erreichen. Während jedes der drei Arbeitszyklen A1, A2 und A3 entspricht das von der Hochdruckpumpe erzeugte Hochdruckvolumen an Kraftstoff dem während dieses Arbeitszyklus dem Druckspeicher 110 entnommenen Einspritzvolumen zum Einspritzen in die einzelnen Zylinder.
Durch individuelle Änderung der tatsächlichen Pumpenförderung pro Hub ist es zwar nicht vollständig, jedoch sehr viel besser möglich, ein einspritzsynchrones Förderverhalten der Hochdruckpumpe nachzustellen, indem das erforderliche Hochdruckvolumen an Kraftstoff pro Arbeitsspiel beziehungsweise Arbeitszyklus bedarfsgerecht erzeugt wird. Durch entsprechende Steuerung des Ein- und/oder Auslassventils 120, 130 können einzelne Pumpenhübe nicht zur Förderung genutzt werden (selektive Hubabschaltung) und/oder die einzelnen Pumpenhübe können individuell pro Hub in ihrer Förderdauer verändert, das heißt verlängert oder verkürzt werden, um mehr oder weniger Hochdruckfördervolumen während der einzelnen Hübe zu erzeugen, wobei es nicht darum geht, sich dem dynamisch veränderndem Verbrauch anzupassen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffeinspritzsystems, bei dem eine Hochdruckpumpe an einer Antriebswelle mit 2-fach Nocken mit 1:1 Übersetzung betrieben wird. Neben der bedarfsgerechten Hochdruck-Volumenerzeugung pro Arbeitszyklus werden die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Einlassventils 120 und/oder des Auslassventils 130 derart variiert, dass der durch das Öffnen und Schließen der Ventile tatsächlich emittierte wahrnehmbare Schall auf ein verträgliches Maß reduziert wird, ohne dass die Volumenstrombilanz maßgeblich beeinflusst wird. Die schallgenerierenden Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Einlass- und/oder Auslassventils 120, 130 werden verschoben, um eine bestimmte Öffnungs- und Schließfrequenz der Ventile, die zu störenden Geräuschen führen kann, zu vermeiden oder die Geräuschentwicklung zumindest angenehmer zu machen. Die Abstände zwischen den Öffnungs- und Schließzeitpunkten der Ventile können unterschiedlich groß sein. Durch geeignetes Einstellen der Abstände zwischen den Öffnungs- und Schließzeitpunkten der Ventile kann die Schallemission verändert werden, sodass der wahrnehmbare Schall zu einer Frequenz hin verschoben wird, die angenehmer erscheint oder der Schallpegel kleiner wird.
Die Steuereinheit 140 ist bei dieser Ausführungsform dazu ausgebildet, das mindestens eine des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 derart anzusteuern, dass Zeiten zwischen einem ersten aufeinander folgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 und einem zweiten aufeinander folgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 unterschiedlich sind. Die Steuereinheit 140 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Zeiten zwischen einem ersten aufeinander folgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 und einem zweiten aufeinander folgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 derart einzustellen, dass eine beim Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils 120 und des Auslassventils 130 entstehende Schallemission unter einem Grenzwert liegt.
Die tatsächlich wahrnehmbare Schallemission kann beispielsweise positiv beeinflusst werden, indem einzelne Fördersequenzen zeitlich versetzt, verkürzt oder verlängert werden. Beispielsweise können durch eine geeignete Phasenverschiebung einzelne Schallwellen unterdrückt beziehungsweise ausgelöscht werden, um damit den tatsächlich emittierten, wahrnehmbaren Schall zu reduzieren oder günstig zu modulieren. Zur Modulierung des emittierten Schalls werden die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der aktiven Pumpenventile verändert, ohne dass die bedarfsgerechte resultierende Hochdruckfördermenge geändert wird.
Bezugszeichenliste

10: Kraftstoffeinspritzsystems
100: Hochdruckpumpe
110: Druckspeicher
120: Einlassventil
130: Auslassventil
140: Steuereinheit
150: Kraftstoffzulaufkanal
160: Tank
170: Kraftstoffablaufkanal
180: Injektor
190: Druckausgleichsventil
EV: Einspritzvolumen
PH: Pumpenhub
HD: Hochdruckvolumen
A: Arbeitszyklus/Arbeitstakt

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem, umfassend: – eine Hochdruckpumpe (100) mit einem Pumpenarbeitsraum (101) und einem Pumpenkolben (102) zum Verdichten eines Kraftstoffs in dem Pumpenarbeitsraum (101), – einen Druckspeicher (110) zum Bereitstellen des Kraftstoff zum Einspritzen in Zylinder eines Motors, – ein Einlassventil (120) zum Einlassen des Kraftstoffs in die Hochdruckpumpe (100), – ein Auslassventil (130) zum Auslassen des Kraftstoffs aus der Hochdruckpumpe (100), – eine Steuereinheit (140) zur Steuerung des Einspritzens des Kraftstoffs in die Zylinder und zur Steuerung von mindestens einem des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130), – wobei die Hochdruckpumpe (100) über das Auslassventil (130) mit dem Druckspeicher (110) gekoppelt ist, – wobei die Steuereinheit (140) das Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder derart steuert, dass während eines Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors ein Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs aus dem Druckspeicher (110) entnommen und in jeweils einen der Zylinder eingespritzt wird, – wobei die Hochdruckpumpe (100) dazu ausgebildet ist, während des Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors ein Hochdruckvolumen (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs in den Druckspeicher (110) zu fördern, – wobei die Hochdruckpumpe (100) derart augebildet ist, dass der Pumpenkolben (100) während eines Pumpenhubs eine vollständige Auf- und Abwärtsbewegung in dem Pumpenarbeitsraum (101) vollführt, – wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, das mindestens eine des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) derart anzusteuern, dass das während des Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors von der Hochdruckpumpe (100) erzeugte Hochdruckvolumen (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs dem während des Arbeitszyklus aus dem Druckspeicher (110) entnommenen Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs entspricht und während aufeinanderfolgender Pumpenhübe während mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen (A1, A2) ein unterschiedliches Hochdruckvolumen (HD1, HD2) des Kraftstoffs pro Pumpenhub (PH) in den Druckspeicher (110) gefördert wird, – wobei die Steuereinheit (140) das Einspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder derart steuert, dass das aus dem Druckspeicher (110) entnommene Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) während jedes der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) konstant ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, das mindestens eine des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) derart anzusteuern, dass das während der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) des Motors von der Hochdruckpumpe (100) jeweils erzeugte Hochdruckvolumen (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs dem während jedem der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) des Motors aus dem Druckspeicher (110) entnommenen Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs entspricht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, das mindestens eine des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) derart anzusteuern, dass das mindestens eine des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) während der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) des Motors zu verschiedenen Zeiten geöffnet und geschlossen wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, das mindestens eine des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) derart anzusteuern, dass Zeiten zwischen einem ersten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) und einem zweiten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) unterschiedlich sind.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, die Zeiten zwischen einem ersten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) und einem zweiten aufeinanderfolgenden Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) derart einzustellen, dass eine beim Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) entstehende Schallemission unter einem Grenzwert liegt.
Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in Zylinder eines Motors, umfassend: – Bereitstellen einer Hochdruckpumpe (100) mit einem Pumpenarbeitsraum (101) und einem Pumpenkolben (102) zum Verdichten eines Kraftstoffs in dem Pumpenarbeitsraum (101), eines Druckspeichers (110) zum Bereitstellen des Kraftstoff zum Einspritzen in die Zylinder des Motors, eines Einlassventils (120) zum Einlassen des Kraftstoffs in die Hochdruckpumpe (100) und eines Auslassventils (130) zum Auslassen des Kraftstoffs aus der Hochdruckpumpe (100), – Erzeugen eines Hochdruckvolumens (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs in der Hochdruckpumpe während eines Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors, – Fördern des Hochdruckvolumens (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs von der Hochdruckpumpe (100) in den Druckspeicher (110) während des Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors, – Einspritzen eines Einspritzvolumens (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs während des Arbeitszyklus (A1, A2, A3) des Motors in einen der Zylinder, – wobei das während des Arbeitszyklus (A1, A2, A3) von der Hochdruckpumpe (100) erzeugte Hochdruckvolumen (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs dem während des Arbeitszyklus (A1, A2, A3) aus dem Druckspeicher (110) entnommenen Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs entspricht, – wobei während aufeinanderfolgender Pumpenhübe während mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen (A1, A2) ein unterschiedliches Hochdruckvolumen (HD1, HD2) des Kraftstoffs pro Pumpenhub (PH) in den Druckspeicher (110) gefördert wird, – wobei das aus dem Druckspeicher (110) entnommene Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) während jedes der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das während aufeinanderfolgender Arbeitszyklen (A1, A2, A3) von der Hochdruckpumpe (100) jeweils erzeugte Hochdruckvolumen (HD1, HD2, HD3) des Kraftstoffs dem während jedem der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) aus dem Druckspeicher (110) entnommenen Einspritzvolumen (EV1, EV2, EV3) des Kraftstoffs entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) während der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) des Motors zu verschiedenen Zeiten während der aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen (A1, A2, A3) des Motors geöffnet und geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Zeiten zwischen einem ersten aufeinanderfolgendem Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) und einem zweiten aufeinanderfolgendem Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zeiten zwischen einem ersten aufeinanderfolgendem Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) und einem zweiten aufeinanderfolgendem Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) derart eingestellt werden, dass eine beim Öffnen und/oder Schließen des mindestens einen des Einlassventils (120) und des Auslassventils (130) entstehende Schallemission unter einem Grenzwert liegt.