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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage
für Brennkraftmaschinen
mit einer Hochdruckpumpe und mit einem Steuergerät, wobei die Hochdruckpumpe
von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und wobei die Hochdruckpumpe
Kraftstoff in einen Common-Rail fördert.
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Bei sog. Common-Rail-Kraftstoffeinspritzanlagen
sind die Erzeugung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs in
der Hochdruckpumpe und die Einspritzung dieses Kraftstoffs in die
Brennräume der
Brennkraftmaschine zeitlich entkoppelt. Als Zwischenspeicher für den unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff dient der sog. Common-Rail.
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Dabei muss die Förderleistung der Hochdruckpumpe
so bemessen sein, dass in allen Betriebszuständen die eingespritzte Kraftstoffmenge von
der Hochdruckpumpe mit dem gewünschten Solldruck
bereitgestellt wird. Dies führt
bei der nach dem Stand der Technik vorhandenen starren Kopplung
der Drehzahl der Hochdruckpumpe mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine
zu einer erheblichen Überdimensionierung
der Hochdruckpumpe für die
meisten Betriebszustände.
Die Fördermengenregelung
der Hochdruckpumpe erfolgt nach dem Stand der Technik durch Druckregelventile
im Common-Rai1, welche Teile des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs
entspannen und in einen Kraftstoffrücklauf ableiten, oder durch
eine Zumesseinheit, welche die von der Hochdruckpumpe angesaugte
Kraftstoffmenge in Abhängigkeit
des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine begrenzt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
für Brennkraftmaschinen
mit einer Hochdruckpumpe und einem Steuergerät, wobei die Hochdruckpumpe
von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und wobei die Hochdruckpumpe
Kraftstoff in ein Common-Rail fördert,
ist ein Getriebe vorgesehen, welches vom Steuergerät angesteuert
wird und über
welches die Drehzahl der Hochdruckpumpe von der Drehzahl der Brennkraftmaschine
entkoppelt werden kann.
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Durch das erfindungsgemäße Getriebe
kann auf eine saugseitige oder hochdruckseitige Fördermengenregelung
der Hochdruckpumpe verzichtet werden, da die Drehzahl der Hochdruckpumpe
stets so gewählt
wird, dass die erforderliche Kraftstoffmenge gefördert wird. Dadurch ergeben
sich erhebliche Vereinfachungen auf der hydraulischen Seite der Kraftstoffeinspritzanlage
und bei der Regelung der Kraftstoffeinspritzanlage. Diese Einsparungen
kompensieren zu einem guten Teil die zusätzlichen Aufwendungen für das erfindungsgemäße Getriebe.
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Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Getriebe
beim Start der Brennkraftmaschine, wenn diese vorn Anlasser angetrieben
wird, die Drehzahl der Hochdruckpumpe erhöht werden, so dass ein rascher
Druckaufbau im Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage stattfindet.
Dieser rasche Druckaufbau ermöglicht
die Einspritzung einer genau bestimmten Kraftstoffmenge mit einer
guten Zerstäubung,
was das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine beim Start deutlich
verbessert. Außerdem
kann bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine, wenn ein rascher
Druckaufbau im Common-Rail gefordert wird, durch Ändern des Übersetzungsverhältnisses
zwischen Brennkraftmaschine und Hochdruckpumpe die Drehzahl der
Hochdruckpumpe angehoben und somit der Druckaufbau im Common-Rail
beschleunigt werden. Dadurch verbessert sich das Ansprechverhalten
der Brennkraftmaschine.
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Da die Fördermengenregelung der Hochdruckpumpe über die
Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgt, sinkt die durchschnittliche
Drehzahl der Hochdruckpumpe gegenüber einer starren Koppelung
zwischen Nockenwelle und Hochdruckpumpe deutlich ab, was der Lebensdauer
der Hochdruckpumpe zugute kommt. Außerdem wird wegen des besseren
Pumpenwirkungsgrads der Kraftstoff nicht so stark aufgeheizt, was
die Emissionen flüchtiger Bestandteile
des Kraftstoffs verringert.
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Schließlich kann die Hochdruckpumpe
kleiner dimensioniert werden, da in den anteilsmäßig sehr selten vorkommenden
Betriebszuständen
mit einer extrem hohen Einspritzmenge die Pumpendrehzahl kurzzeitig
erhöht
werden kann.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn als Getriebe eine stufenloses Getriebe (CVT-Getriebe), insbesondere
ein Laschenkettengetriebe, ein Kugelscheibengetriebe, ein Extroid-Getriebe
oder ein Riemengetriebe eingesetzt wird. Bei allen diesen stufenlosen
Getrieben können
die o. g. Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
realisiert werden.
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Alternativ ist es auch möglich, ein
automatisch schaltbares Stufengetriebe einzusetzen. Diese Variante
ermöglicht
es, lediglich feste Übersetzungsverhältnisse
zwischen Nockenwelle und Hochdruckpumpe einstellen. Auch mit dieser
Variante der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
lassen sich die o. g. Vorteile in nennenswertem Umfang realisieren.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung,
deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage,
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2 eine
stark vereinfachte Darstellung eines Laschenkettengetriebes,
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3 eine
stark vereinfachte Darstellung eines Kugelscheibengetriebes und
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4 eine
vereinfachte Darstellung eines Extroid-Getriebes.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
schematisch dargestellt. Aus einem Tank 1 fördert eine
nicht dargestellte elektrische Kraftstoffpumpe Kraftstoff über eine
Niederdruckleitung 3 zu einer Hochdruckpumpe 5.
In der Hochdruckpumpe 5 wird der Kraftstoff unter Druck
gesetzt und über
eine Hochdruckleitung 7 in einen Common-Rail 9 gefördert. An
den Common-Rail sind mehrere Injektoren 11 angeschlossen, über welche
Kraftstoff in die nicht dargestellten Brennräume der Brennkraftmaschine
eingespritzt werden kann. Ein Druckbegrenzungsventil 13 sorgt
dafür,
dass im Common-Rail und damit im gesamten Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage
keine unzulässig
hohen Drücke
auftreten können.
Wenn im Common-Rail 9 der
zulässige
Höchstdruck überschritten
wird, öffnet
das Druckbegrenzungsventil 13 eine Verbindung zu einem
drucklosen Kraftstoffrücklauf 15,
der in den Tank 1 mündet.
Im Common-Rail 9 ist ein Drucksensor 17 angeordnet, welcher über eine
Signalleitung 19 mit einem Steuergerät 21 verbunden ist.
Die Injektoren 11 werden ebenfalls vom Steuergerät 21 über nicht
dargestellte Signalleitungen angesteuert.
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Angetrieben wird die Hochdruckpumpe 5 von einer
Nockenwelle 23 der Brennkraftmaschine. Alternativ kann
die Hochdruckpumpe 5 auch von einer Ausgleichswelle (nicht
dargestellt) oder der Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine
angetrieben werden. Zwischen Nockenwelle 23 und Hochdruckpumpe 5 ist
ein stufenloses Getriebe, nachfolgend als CVT-Getriebe 25 bezeichnet,
angeordnet. Durch das CVT-Getriebe 25 kann die Drehzahl
der Hochdruckpumpe 5 von der Drehzahl der Nockenwelle 23 entkoppelt
werden. Dies ist bspw. beim Start der Brennkraftmaschine von Vorteil.
Beim Start der Brennkraftmaschine dreht sich die Nockenwelle nur
mit einer sehr geringen Geschwindigkeit, während die Hochdruckpumpe 5 eine
hohe Drehzahl haben sollte, damit der Druckaufbau im Common-Rail 9 schnell
erfolgt.
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In diesem Fall wird das CVT-Getriebe 25 so eingestellt,
dass eine Übersetzung
der Nockenwellendrehzahl hin zu höheren Drehzahlen erfolgt. Wenn die
Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl im unteren Teillastbereich
betrieben wird, genügt
es, wenn die Drehzahl der Hochdruckpumpe 5 relativ zur
Drehzahl der Nockenwelle 23 verringert wird. In diesem Betriebszustand
kann das CVT-Getriebe 25 als Untersetzungsgetriebe betrieben
werden.
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Außerdem ergibt sich durch die
erfindungsgemäße Entkoppelung
der Drehzahlen der Hochdruckpumpe 5 und der Brennkraftmaschine
bzw. der Nockenwelle 23 eine vereinfachte Druck- und Fördermengenregelung
der Hochdruckpumpe 5. Dazu wird die Hochdruckpumpe 5 mit
einer solchen Drehzahl angetrieben, dass sie genau die erforderliche Kraftstoffmenge
in den Common-Rail 9 fördert
und außerdem
der Druck im Common-Rail 9 dem Soll-Druck, welcher vom
Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt, entspricht. Eine Zumesseinheit
auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 5 oder ein Druckregelventil
im Common-Rail 9 ist damit nicht mehr erforderlich. Durch
dieses Regelkonzept wird der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe 5 verbessert,
die Kraftstofferwärmung
verringert und, wegen der durchschnittlichen niedrigeren Drehzahl
der Hochdruckpumpe 5, deren Lebensdauer verlängert. Außerdem kann
die Hochdruckpumpe 5 kleiner dimensioniert werden.
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In den 2–4 werden exemplarisch drei Ausführungsbeispiele
stufenloser CVT-Getriebe 25 dargestellt und nachfolgend
kurz erläutert.
In 2 ist ein erstes
Ausführungsbeispiel
eines CVT-Getriebes 25 schematisch in zwei Schaltstellungen
dargestellt. Das CVT-Getriebe 25 gemäß 2 besitzt, wie alle CVT-Getriebe 25,
eine Eingangswelle 27 und eine Ausgangswelle 29.
Auf der Eingangswelle 27 ist eine erste verstellbare Kegelscheibe 31 drehfest montiert.
Auf der Ausgangswelle 29 ist eine zweite verstellbare Kegelscheibe 33 ebenfalls
drehfest montiert. Verbunden werden die erste Kegelscheibe 31 und
die zweite Kegelscheibe 33 über eine Laschenkette 35.
Durch die Laschenkette 35 wird eine Drehbewegung der Eingangswelle 27 auf
die Ausgangswelle 29 übertragen.
Je nachdem, wie die erste Kegelscheibe 31 und die zweite
Kegelscheibe 33 eingestellt sind, ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangswelle 27 und
Ausgangswelle 29. In der 2a ist
ein erstes Übersetzungsverhältnis dargestellt.
Das Übersetzungsverhältnis i
errechnet sich aus dem Verhältnis
der wirksamen Radien R1 und R2. i = R1/R2
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In der 2b ist
das gleiche CVT-Getriebe 25 mit anders eingestelltem Übersetzungsverhältnis i dargestellt.
Das gegenüber 2a geänderte Übersetzungsverhältnis ergibt
sich dadurch, dass die Radien R1 und R2 andere Werte haben. Erreicht wird dies
durch Verstellen der ersten Kegelscheibe 31 und der zweiten
Kegelscheibe 32. Die Verstellmöglichkeiten der ersten Kegelscheibe 31 sind
durch einen Doppelpfeil 37 angedeutet. Die Verstellmöglichkeiten der
zweiten Kegelscheibe 33 sind durch einen Doppelpfeil 39 angedeutet.
Wenn anstelle einer auf Druck beanspruchten Laschenkette 35 ein
Keilriemen eingesetzt wird, entspricht das in 2 dargestellte CVT-Getriebe 25 einem
herkömmlichen
stufenlos verstellbaren Riemengetriebe.
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In 3 ist
ein als Kugelscheibengetriebe 41 ausgeführtes CVT-Getriebe im Schnitt
stark vereinfacht dargestellt. An der Eingangswelle 27 ist
eine erste Scheibe 43 angebracht. An der versetzt zur Eingangswelle 27 angeordneten
Ausgangswelle 29 ist eine zweite Scheibe 45 drehfest
angebracht. Zwischen der ersten Scheibe 43 und der zweiten
Scheibe 45 sind Kugeln 47 vorhanden, die von einem
Käfig 49 gehalten
werden. Durch den Käfig 49 können die Kugeln 47 in
radialer Richtung verschoben werden.
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Der axiale Abstand zwischen der ersten Scheibe 43 und
der zweiten Scheibe 45 ist so gewählt, dass die Kugeln zwischen
der ersten Scheibe 43 und der zweiten Scheibe 45 eingeklemmt
sind und somit ein Drehmoment von der ersten Scheibe 43 auf die
zweite Scheibe 45 übertragen
können.
Je nach der Position des Käfigs 49 bzw.
der Kugeln 47 kann das Übersetzungsverhältnis zwischen
Eingangswelle 27 und Ausgangswelle 29 eingestellt
werden.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
CVT-Getriebes, nämlich ein
Extroid-Getriebe 51 stark vereinfacht dargestellt. Auf
der Eingangswelle 27 ist eine gekrümmte Antriebsscheibe 53 angeordnet.
An der Ausgangswelle 29 ist eine ebenfalls gekrümmte Abtriebsscheibe 55 befestigt.
Die Eingangswelle 27 und die Ausgangswelle 29 sind
bei dem Extroid-Getriebe 51 koaxial zueinander angeordnet.
Die Drehbewegung der Antriebsscheibe 53 wird über zwei
Rollen 57 auf die Abtriebsscheibe 55 übertragen.
Die Drehbewegung der Rollen 57 ist durch Pfeile 59 angedeutet.
Dabei führen
die Rollen 57 eine Drehbewegung um eine Drehachse 61 aus. Je
nachdem, wo die Rollen 57 auf der Antriebsscheibe 53 und
der Abtriebsscheibe 55 aufliegen, ändert sich das Übersetzungsverhältnis des
Extroid-Getriebes 51. In 4a ist
die Berührung
zwischen Rolle 57 und Antriebsscheibe 53 relativ
nahe an der Drehachse der Eingangswelle 27. Der Abstand
zwischen Drehachse und Berührpunkt
ist in 4a mit R1 bezeichnet.
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Der Berührpunkt zwischen Abtriebsscheibe 55 und
Rolle 57 ist in 4a mit
R2 gekennzeichnet. Aus dem Verhältnis von
R1 zu R2 lässt sich
das aktuelle Übersetzungsverhältnis i
des Extroid-Getriebes 51 berechnen.
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In 4b ist
eine andere Einstellung des gleichen Extroid-Getriebes 51 dargestellt.
Bei dieser Einstellung ist der Radius R1 sehr
viel größer als
der Radius R2, was ein entsprechend geändertes Übersetzungsverhältnis zur
Folge hat.