DE10225148A1

DE10225148A1 - Einspritzeinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE10225148A1
Application number: DE2002125148
Authority: DE
Inventors: Michael Mennicken; Joachim Boltz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: DE10225148B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung mit einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil, wobei der Niederdruckteil den Niederdruckbereich einer Hochdruckpumpe (36) umfasst, und ein einzuspritzendes Fluid von einem Fluidbehälter (12) zu dem Niederdruckbereich gefördert wird, und wobei der Hochdruckteil den Hochdruckbereich der Hochdruckpumpe (36), einen Druckverstärker (54) zum Verstärken eines primären Druckes und eine Einspritzdüse (58) umfasst, zu der das Fluid zum Einspritzen in einen Brennraum eines Motors gefördert wird, wobei dem Druckverstärker (54) ein separates Ansteuerventil (50) zugeordnet ist, das zum Zurückfördern von Fluid in den Niederdruckteil im Schubbetrieb des Motors eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Einspritzeinrichtung.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einspritzeinrichtung mit einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil, wobei in dem Niederdruckteil ein einzuspritzendes Fluid von einem Fluidbehälter zu einem Niederdruckbereich einer Hochdruckpumpe gefördert wird, und das Fluid in dem Hochdruckteil von einem Hochdruckbereich der Hochdruckpumpe zu einem Druckverstärker zum Verstärken eines primären Druckes und einer Einspritzdüse gefördert wird. Die Erfindung betriff ferner eine Einspritzeinrichtung mit einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil, wobei der Niederdruckteil einen Niederdruckbereich einer Hochdruckpumpe umfasst, und ein einzuspritzendes Fluid von einem Fluidbehälter zu dem Niederdruckbereich gefördert wird, und wobei der Hochdruckteil einen Hochdruckbereich der Hochdruckpumpe, einen Druckverstärker zum Verstärken eines primären Druckes und eine Einspritzdüse umfasst, zu der das Fluid zum Einspritzen in einen Brennraum eines Motors gefördert wird.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung sind bekannt. Das genannte Verfahren wird insbesondere bei Speichereinspritzsystemen ("Common- Rail") eingesetzt. Bei der Speichereinspritzung sind Druckerzeugung und Einspritzung voneinander entkoppelt. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt und steht im so genannten Rail, dem Kraftstoffspeicher, für die Einspritzung bereit. Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden von einem elektronischen Steuergerät bestimmt und von einer Einspritzdüse (Injektor) an jedem Motorzylinder über ein angesteuertes Steuerventil, beispielsweise ein Magnetventil oder einen Piezoaktor umgesetzt.

Der Druck im Common Rail liegt bei gängigen Systemen im Bereich von etwa 1000 bis 2000 bar, wobei zunehmend höhere Drücke eingesetzt werden. Das derzeitige Druckniveau beträgt bei Pkw-Systemen 1350 bar, bei Nkw-Systemen 1400 bar. Bei Systemen der 2. Generation werden 1600 bar erreicht. Auch wenn bei neuen beziehungsweise zukünftigen Systemen andersartige Funktionsmechanismen denkbar sind, gilt bei gängigen Systemen, dass zum Öffnen der Einspritzdüse der Steuerraum der Düse durch die Betätigung des Steuerventils entlastet wird, wodurch ein verminderter Druck auf den Ventilsteuerkolben wirkt, so dass die Einspritzdüse im Ergebnis öffnet. Zum Schließen wird das Steuerventil in den Ausgangszustand gebracht. Der sich erneut ausbildende hohe Druck im Steuerraum der Einspritzdüse bewirkt dann ein Schließen des Ventilsteuerkolbens beziehungsweise der Düsennadel.

Das Common-Rail-Einspritzsystem weist darüber hinaus einen Niederdruckteil für die Niederdruckförderung des Kraftstoffs auf. Im Niederdruckteil wird Kraftstoff von einem Kraftstoffbehälter durch eine Vorförderpumpe und eine Zumesseinheit zum Niederdruckbereich einer Hochdruckpumpe gefördert.

Bei herkömmlichen Common-Rail-Einspritzsystemen muss im Niederdruckteil eine Nullförderdrossel eingebaut sein, um die minimale Fördermenge, die im Schubbetrieb durch die Zumesseinheit fließt, abzuführen. Hierdurch wird die Hochdruckpumpe nicht befüllt und liefert im Schubbetrieb keine Kraftstoffmenge in den Hochdruckspeicher. Da die Nullförderdrossel auch im normalem Betrieb geöffnet ist, kann ein stetiger Kraftstoffstrom über diese nicht verhindert werden. Dies bedeutet einen Wirkungsgradverlust aufgrund der geförderten aber nicht benötigten Menge.

Ein Ansatz dieses Problem zu lösen besteht darin, die Einspritzdüsen kurz zu bestromen, um mit der Absteuermenge ohne Öffnen der Einspritzdüse die minimale Fördermenge im Schubbetrieb aus dem Hochdruckspeicher abzuführen. Hierdurch kann zwar auf die Nullförderdrossel verzichtet werden, die Einspritzdüsen benötigen allerdings bei dieser Lösung einen vergleichsweise großen Steuerraum, was für die Einspritzdüsen-Dynamik und die Größe der Absteuermenge im normalem Betrieb als ungünstig zu bewerten ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Einspritzeinrichtung baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass im Schubbetrieb Fluid aus dem Druckverstärker in den Niederdruckteil zurückgefördert wird. Durch diese Vorgehensweise kann auf eine Nullförderdrossel im Niederdruckteil der Einspritzeinrichtung verzichtet werden, was zum einen den Konstruktions- und Fertigungsaufwand verringert und zum anderen erlaubt, den Wirkungsgrad sowohl des Niederdruckkreislaufes als auch des Hochdruckkreislaufes zu steigern. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt die Förderung von Fluid in den Hochdruckteil der Einspritzeinrichtung zu, gleicht sie aber durch Zurückführen einer Absteuermenge an Fluid aus dem Druckverstärker aus. Eine zusätzliche Nullförderdrossel im Niederdruckteil wird damit entbehrlich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Fluid durch die Ansteuerung eines separaten Ansteuerventils für den Druckverstärker zurückgefördert wird.

Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einspritzdüse während des Zurückförderns des Fluids im Schubbetrieb geschlossen gehalten. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass über die Einspritzdüse keine Menge an Fluid in den Brennraum eingebracht wird.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluid auch im Schubbetrieb von dem Niederdruckteil in den Hochdruckteil gefördert. Die sichere Abführung der in den Hochdruckbereich geförderten Fluidmenge wird durch die Zurückförderung von Fluid aus dem Druckverstärker gewährleistet.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluid vorteilhaft über eine Zumesseinheit der Hochdruckpumpe zugeführt, und die Zumesseinheit fördert auch im Schubbetrieb eine Durchflussmenge zu der Hochdruckpumpe. Auch hier ist die sichere Abführung durch die Zurückförderung von Fluid aus dem Druckverstärker gewährleistet.

In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise vorgesehen, dass die zu der Hochdruckpumpe geförderte Durchflussmenge im Schubbetrieb im Bereich von etwa 1% bis 5%, bevorzugt von etwa 2% bis 4% der Durchflussmenge bei Hochdruck liegt.

Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn die zu der Hochdruckpumpe geförderte Durchflussmenge im Schubbetrieb im Bereich von bis zu 20 l/h, insbesondere von bis zu 10 l/h liegt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der primäre Druck von einem Hochdruckspeicher (Common Rail) bereitgestellt. Dies gestattet es, die Vorteile eines Common-Rail-Systems mit der druckverstärkten Einspritzung zu kombinieren. Durch die Druckverstärkung können Emissionen und der Kraftstoffverbrauch weiter reduziert werden.

Mit besonderem Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass an einem Einlassventil an der Hochdruckpumpe ein niedriger Öffnungsdruck eingestellt wird. Insbesondere kann der Öffnungsdruck niedriger als bei herkömmlichen Gestaltungen gewählt werden, da dort die Einlassventile an der Hochdruckpumpe im Zusammenwirken mit der Nullförderdrossel so ausgelegt werden müssen, dass sie im Schubbetrieb gerade nicht öffnen und damit eine Befüllung der Hochdruckpumpe verhindern. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Befüllung im Schubbetrieb zugelassen wird, kann der Öffnungsdruck herabgesetzt werden. Dadurch wird in sämtlichen Betriebspunkten ein schnelleres und damit besseres Befüllen der Hochdruckpumpe erreicht. Darüber hinaus verbessert diese Maßnahme den Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe bei gleichzeitig reduzierten Anforderungen (Druck) an den Niederdruckkreis.

Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Einspritzeinrichtung gemäß Anspruch 10 dadurch auf, dass dem Druckverstärker ein separates Ansteuerventil zugeordnet ist, das zum Zurückfördern von Fluid im Schubbetrieb des Motors eingerichtet ist.

Das Ansteuerventil kann mit Vorteil durch ein Magnetventil oder einen Piezoaktor gebildet sein. Bevorzugt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allerdings, wenn das Ansteuerventil durch ein Magnetventil gebildet ist.

Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung eine Zumesseinheit vorgesehen, die so eingerichtet ist, dass sie der Hochdruckpumpe auch im Schubbetrieb eine Durchflussmenge an Fluid zuführt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der primäre Druck von einem Hochdruckspeicher (Common Rail) bereitgestellt. Wie dargestellt, können dann die Vorteile eines Common-Rail-Systems mit einem druckverstärkten Einspritzsystem kombiniert werden.

In einer bevorzugten Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung ist vorgesehen, dass die Hochdruckpumpe eine oder mehrere Einlassventil(e) mit einem niedrigen Öffnungsdruck aufweist, so dass die Hochdruckpumpe schneller und besser befüllt werden kann, was zu einem höheren Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für den Einsatz in druckübersetzten Systemen geeignet. Dabei können der Druckverstärker, das separate Ansteuerventil und die Einspritzdüse mit Vorteil als Teile eines modularen APCRS Einspritzsystems oder eines Inlinersystems ausgebildet sein.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch ein geeignetes Ansteuern des Druckverstärkers im Schubbetrieb auf eine Nullförderdrossel im Niederdruckteil der Einspritzeinrichtung verzichtet werden kann, da die Nullfördermenge als Absteuermenge des Druckverstärkers zurückgefördert werden kann.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Hydraulikplans von Nieder- und Hochdruckkreislauf einer erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Hydraulikplans von Nieder- und Hochdruckkreislauf einer allgemein mit 10 bezeichneten erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines selbst nicht dargestellten Motors, insbesondere eines Dieselmotors.
Nieder- und Hochdruckkreislauf sind dabei wie folgt aufgebaut: Eine Zahnradpumpe 24 saugt aus einem Tank 12 über eine Saugleitung 14, einen Vorfilter 16 und eine Handpumpe 18 (mit Zulaufventil 20 und Ablaufventil 22) Kraftstoff an. Die Zahnradpumpe 24 fördert in den Filter mit Wasserabscheider 28 hinein. Dabei sorgt das Ventil 26 für einen Druck unterhalb des Berstdrucks des Filters 28. Das Ventil 30 entlässt die von der Zahnradpumpe 24 zu viel geförderte Menge in den Rücklauf 60. Die Drossel 32 sorgt für eine Entlüftung des gesamten Kraftstoffkreislaufes.
Die Zumesseinheit 34 stellt der Hochdruckpumpe 36 die jeweils benötigte Menge an Kraftstoff zur Verfügung. Bei herkömmlichen Gestaltungen, bei denen eine Nullförderdrossel die Kraftstoffmenge, die die Zumesseinheit 34 auch im Schubbetrieb durchströmt, von dem Ausgang der Zumesseinheit 34 in den Rücklauf 60 abführt, müssen dabei die Zulaufventile 38 und 40 an der Hochdruckpumpe so ausgelegt werden, dass sie im Schubbetrieb gerade nicht öffnen und damit eine Befüllung der Hochdruckpumpe 36 verhindern. Die Durchflussmengen liegen dabei typischerweise im Bereich von bis zu 10 l/h pro Zumesseinheit. Dies entspricht einer Menge von 2-4% der maximal auf Hochdruck geförderten Menge. Da im Ausführungsbeispiel die Befüllung der Hochdruckpumpe 36 im Schubbetrieb zugelassen wird, kann der Öffnungsdruck der Zulaufventile 38 und 40 niedriger gewählt werden, wodurch in sämtlichen Betriebspunkten ein besseres Befüllen der Hochdruckpumpe 36 und damit ein verbesserter Pumpenwirkungsgrad erreicht wird.
Die geförderte Kraftstoffmenge wird über die Ventile 42 und 44 in den Kraftstoffspeicher ("Common Rail") 46 gefördert. Da im Ausführungsbeispiel keine Nullförderdrossel vorgesehen ist, wird auch im Schubbetrieb die genannte Kraftstoffmenge von bis zu 20 l/h pro Zumesseinheit in den Kraftstoffspeicher 46 gefördert. Die weitere Darstellung der Fig. 1 zeigt den Hydraulikplan exemplarisch nur für einen der vier Zylinder des Motors. Die Gestaltung für die restlichen Zylinder ist analog zu der gezeigten.
Die Förderung in den Kraftstoffspeicher 46 wird im Schubbetrieb nun durch gezieltes Ansteuern des Magnetventils 50 des Druckverstärkers 54 ausgeglichen. Das Bestromen des Magnetventils 50 ruft sowohl eine Absteuermenge am Magnetventil 50 als auch am Servoventil 52 hervor. Es wird nur das Magnetventil 50 und hierdurch das Servoventil 52 des Druckverstärkers 54 angesteuert, nicht aber das Magnetventil 56, das das hubgesteuerte Öffnen der Düsennadel der Einspritzdüse 58 bewirkt. Somit ist während des Schubbetriebs zu jedem Zeitpunkt sichergestellt, dass keine Kraftstoffmenge in den Brennraum eingebracht wird.
Da für jeden Zylinder ein Druckverstärker 54 zur Verfügung steht, könnten auch größere Kraftstoffmengen abgesteuert werden. Bei einer Drehzahl von 2000 U/min konnte etwa mit einem Druckverstärker je nach Druck und Ansteuerzeit einer Absteuermenge zwischen 6,5 und 15 l/h, bei Verwendung von vier Druckverstärkern eine Absteuermenge zwischen 25 und 55 l/h erzielt werden. Da die Absteuermenge bei ansonsten festgehaltenen Parametern linear mit der Drehzahl steigt, werden bei höheren Drehzahlen noch größere Absteuermengen erreicht.
Weiter wurde festgestellt, dass die durch die Ansteuerung des Magnetventils 50 eingebrachten Druckstörungen so klein sind, dass sie bis zur nächsten Einspritzung vollständig ausgedämpft werden.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Einspritzeinrichtung mit einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil, wobei in dem Niederdruckteil ein einzuspritzendes Fluid von einem Fluidbehälter (12) zu einem Niederdruckbereich einer Hochdruckpumpe (36) gefördert wird, und das Fluid in dem Hochdruckteil von einem Hochdruckbereich der Hochdruckpumpe (36) zu einem Druckverstärker (54) zum Verstärken eines primären Druckes und einer Einspritzdüse (58) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb Fluid aus dem Druckverstärker (54) in den Niederdruckteil zurückgefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch die Ansteuerung eines separaten Ansteuerventils (50) für den Druckverstärker (54) zurückgefördert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (58) während des Zurückförderns des Fluids im Schubbetrieb geschlossen gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid auch im Schubbetrieb vom Niederdruckteil in den Hochdruckteil gefördert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid über eine Zumesseinheit (34) der Hochdruckpumpe (36) zugeführt wird, und die Zumesseinheit (34) auch im Schubbetrieb eine Durchflussmenge zu der Hochdruckpumpe (36) fördert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der Hochdruckpumpe (36) geförderte Durchflussmenge im Schubbetrieb im Bereich von etwa 1% bis 5%, bevorzugt von etwa 2% bis 4% der Durchflussmenge bei Hochdruck liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der Hochdruckpumpe (36) geförderte Durchflussmenge im Schubbetrieb im Bereich von bis zu 20 l/h, insbesondere von bis zu 10 l/h liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Druck von einem Hochdruckspeicher (Common Rail) (46) bereitgestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Einlassventil (38, 40) an der Hochdruckpumpe (36) ein niedriger Öffnungsdruck eingestellt wird.

10. Einspritzeinrichtung mit einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil, wobei der Niederdruckteil einen Niederdruckbereich einer Hochdruckpumpe (36) umfasst, und ein einzuspritzendes Fluid von einem Fluidbehälter (12) zu dem Niederdruckbereich gefördert wird, und wobei der Hochdruckteil einen Hochdruckbereich der Hochdruckpumpe (36), einen Druckverstärker (54) zum Verstärken eines primären Druckes und eine Einspritzdüse (58) umfasst, zu der das Fluid zum Einspritzen in einen Brennraum eines Motors gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckverstärker (54) ein separates Ansteuerventil (50) zugeordnet ist, das zum Zurückfördern von Fluid in den Niederdruckteil im Schubbetrieb des Motors eingerichtet ist.

11. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Ansteuerventil durch ein Magnetventil (50) oder ein Piezoelement gebildet ist.

12. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zumesseinheit (34) vorgesehen ist, die so eingerichtet ist, dass sie der Hochdruckpumpe (36) auch im Schubbetrieb eine Durchflussmenge an Fluid zuführt.

13. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Druck von einem Hochdruckspeicher (Common Rail) (46) bereitgestellt wird.

14. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (36) eine oder mehrere Einlassventil(e) (38, 40) mit einem niedrigen Öffnungsdruck aufweist.

15. Einspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (54), das separates Ansteuerventil (50) und die Einspritzdüse (58) als Teile eines modularen APCRS Einspritzsystems oder eines Inlinersystems ausgebildet sind.