DE10257134A1

DE10257134A1 - Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes im Kraftstoff-Hochdruckspeicher eines Speichereinspritzsystems

Info

Publication number: DE10257134A1
Application number: DE2002157134
Authority: DE
Inventors: Math Lemoure
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-06-24
Also published as: WO2004053325A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher eines Speichereinspritzsystems eines Verbrennungsmotors vorgestellt, die einen Drucksensor, eine Hochdruckpumpe und eine Zumesseinheit aufweist. Die Zumesseinheit besitzt eine Durchflusskennlinie. Der Drucksensor stellt ein Signal bereit, das den Druck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher angibt, und die Zumesseinheit begrenzt die von der Hochdruckpumpe an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher gelieferte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors, indem sie die Kraftstoffmenge beschränkt, die an die Hochdruckpumpe geliefert wird. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Durchflusskennlinie bei einem Durchfluss, der dem Leerlaufbedarf des Verbrennungsmotors entspricht, einen so flachen Verlauf aufweist, dass im ungestörten Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors auftretende Veränderungen des Drucksensorsignals nicht zu einer Unterbrechung der von der Hochdruckpumpe gelieferten Kraftstoffmenge führen. Weiter wird eine Zumesseinheit mit einer solchen Kennlinie vorgestellt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher eines Speichereinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, mit einem Drucksensor, einer Hochdruckpumpe und einer Zumesseinheit, die eine Durchflusskennlinie aufweist, wobei der Drucksensor ein Signal bereitstellt, dass den Druck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher angibt, und die Zumesseinheit die von der Hochdruckpumpe an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher gelieferte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors begrenzt, indem die Zumesseinheit die Kraftstoffmenge beschränkt, die an die Hochdruckpumpe geliefert wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Zumessung von Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher eines Speichereinspritzsystems eines Verbrennungsmotors mit einem Drucksensor, wobei die Vorrichtung eine Zumesseinheit bildet, die eine Durchflusskennlinie aufweist, der Drucksensor ein Signal bereitstellt, das den Druck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher angibt, und die Zumesseinheit die von der Hochdruckpumpe an den Kraftstoffhochdruckspeicher gelieferte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors begrenzt, in dem Sie die Kraftstoffmenge beschränkt, die an die Hochdruckpumpe geliefert wird.
Derartige Vorrichtungen werden bei Common-Rail-Einspritzsystemen für Diesel-Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung in Serie verwendet.

Dabei entspricht das Common-Rail einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher, aus dem mehrere Einspritzdüsen oder Injektoren mit Kraftstoff versorgt werden. Der Kraftstoff-Hochdruck pflanzt sich über Hochdruckleitungen zu den Injektoren fort und wird über elektrische Betätigung eines Stellgliedes im Injektor auf Einspritzöffnungen im Injektor freigegeben. Der Kraftstoff-Hochdruck im Common-Rail wird von einer Hochdruckpumpe erzeugt, die über eine Niederdruckpumpe und vorgeschaltete Kraftstofffilter mit Kraftstoff aus einem Tank versorgt wird.

Der Druck im Common-Rail wird über einen Drucksensor erfasst und in einem Steuergerät mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Bei Abweichungen des IST-Wertes von dem Sollwert wird die von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge hochdruckseitig und/oder niederdruckseitig begrenzt. Zur hochdruckseitigen Begrenzung ist es bekannt, ein am Common-Rail angeordnetes Druckregelventil anzusteuern, das bei zu hohem Raildruck den von der Hochdruckpumpe gelieferten überschüssigen Kraftstoff über eine Leckageleitung zum Kraftstofftank leitet.

Auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe wird bei bekannten Systemen eine zwischen der Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe angeordnete Zumesseinheit verwendet, die die von der Niederdruckpumpe an die Saugseite der Hochdruckpumpe gelieferte Kraftstoffmenge begrenzt. Diese saugseitige Begrenzung besitzt den Vorteil, dass lediglich diejenige Kraftstoffmenge über die Hochdruckpumpe gefördert wird, die vom Verbrennungsmotor in seinem aktuellen Betriebspunkt benötigt wird, wobei Einspritzdruck, Einspritzmenge und Leckagemengen eine Rolle spielen. Dadurch wird keine unnötige Verdichtungsenergie verbraucht. Mit anderen Worten: Es wird keine Energie verbraucht, um den Druck einer Kraftstoff-Überschussmenge, die vom Verbrennungsmotor nicht benötigt wird, auf Raildruckniveau zu heben. Dadurch wird die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe verringert, was zu einem möglichst effizienten Betrieb des Verbrennungsmotors beiträgt.

Andererseits kann es in der kalten Jahreszeit erwünscht sein, den Kraftstoff zu erwärmen, um eine temperaturbedingte Ausscheidung von Paraffin aus dem Kraftstoff zu verhindern. In diesem Fall fördert die Hochdruckpumpe mit dem maximalen Fördervolumen Kraftstoff in das Common Rail. Über das oben genannte Druckregelventil am Common Rail wird die im aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors nicht benötigte und damit überschüssige Kraftstoffmenge abgeleitet. Die erhöhte Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe hat einen Energieeintrag in den Kraftstoff zur Folge, der den Kraftstoff erwärmt, was der Ausscheidung entgegenwirkt. Mit anderen Worten: In diesem Fall wird die Hochdruckpumpe nicht saugseitig, sondern hochdruckseitig durch das oben genannte Druckregelventil am Common-Rail gedrosselt. Das Anheben des Kraftstoffdruckniveaus durch die Hochdruckpumpe hat einen Energieeintrag in den Kraftstoff zur Folge, der sich in dem Kreis aus Tank, Niederdruckpumpe, Hochdruckpumpe, Druckregelventil und Tank in einer gewünschten Erwärmung des Kraftstoffs im Tank abbildet.

Bei Systemen, die sowohl über eine steuer- und/oder regelbare Zumesseinheit zwischen Niederdruckpumpe und Hochdruckpumpe als auch über ein hochdruckseitig angeordnetes Druckregelventil verfügen, kann daher zwischen einer hochdruckseitigen Begrenzung durch das Druckregelventil und einer niederdruckseitigen Begrenzung durch die Zumesseinheit umgeschaltet werden.

Im Leerlauf besitzt ein Verbrennungsmotor bekanntlich einen vergleichsweise geringen Kraftstoffbedarf. Aus diesem Grund ist die von der Hochdruckpumpe an das Common-Rail als Kraftstoff-Hochdruckspeicher zu liefernde Kraftstoffmenge vergleichsweise gering. Bei einer saugseitigen Begrenzung der Fördermenge der Hochdruckpumpe durch eine geregelte Zumesseinheit sind im Leerlauf des Verbrennungsmotors unerwünschte Schwankungen des Druckes im Kraftstoff-Hochdruckspeicher beobachtet worden. Diese Druckschwankungen traten erst oberhalb einer bestimmten Betriebsstundenzahl, die bei Kraftfahrzeugen einer Kilomterlaufleistung von etwa 10.000 km entspricht, auf. Ihre Amplitude betrug etwa +/- 20 bar bei einem Raildruckniveau in der Größenordnung von etwa 300 bar. Diese Druckschwankungen können durch alterungsabhängige und/oder fertigungsabhängige Streuungen der verwendeten Systemkomponenten verursacht und/oder verstärkt werden.

Insbesondere alterungsbedingte Streuungen können sich mit zunehmender Kilometerlaufleistung weiter verändern, so dass eine weitere Vergrößerung solcher Druckschwankungen bis zu einer Größenordnung, in der sie möglicherweise für einen Fahrer spürbar werden, möglich erscheint.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors beobachteten Druckschwankungen im Kraftstoff-Hochdruckspeicher zu verhindern, ohne dabei Einbußen in der Effizienz des Verbrennungsmotorbetriebs hervorzurufen. Eine solche Einbuße würde sich beispielsweise daraus ergeben, dass im Leerlauf des Verbrennungsmotors bewusst eine größere Menge an Kraftstoff an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher geliefert wird, als über die Injektoren in Verbrennungsräume des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Die überschüssige Kraftstoffmenge könnte über das oben genannte Druckregelventil zum Tank abgeleitet werden. Neben einer Wirkungsgradeinbuße würde dieses Vorgehen aber ein Druckregelventil zwischen Hochdruckpumpe und Kraftstoff-Hochdruckspeicher zwingend erfordern. Die Aufgabe der Erfindung besteht jedoch auch darin, die beobachteten Raildruckschwankungen auch bei Systemen ohne hochdruckseitiges Druckregelventil zu verhindern.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Durchflusskennlinie bei einem Durchfluss, der dem Leerlaufbedarf des Verbrennungsmotors entspricht, einen so flachen Verlauf aufweist, das im ungestörten Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors auftretende Änderungen des Drucksensorsignals nicht zu einer Unterbrechung der von der Hochdruckpumpe gelieferten Kraftstoffmenge führen.

Ferner wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Zumessung von Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Durchflusskennlinie bei einem Durchfluss, der dem Leerlaufbedarf des Verbrennungsmotors entspricht, einen so flachen Verlauf aufweist, dass im ungestörten Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors auftretende Änderungen des Drucksensorsignals nicht zu einer Unterbrechung der von der Hochdruckpumpe gelieferten Kraftstoffmenge führen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die beobachteten unerwünschten Raildruckschwankungen durch Unterbrechungen der Lieferung von Kraftstoff von der Hochdruckpumpe an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher verursacht werden. Als Hochdruckpumpen für Speichereinspritzsysteme werden üblicherweise Radialkolbenpumpen verwendet. Diese Radialkolbenpumpen weisen saugseitig Ventile auf, die erst oberhalb eines vorbestimmten Öffnungsdruckes öffnen.

Bei einer zu starken Androsselung der Hochdruckpumpe durch die Zumesseinheit kann es dazu kommen, dass diese Ventile nicht öffnen, die Hochdruckpumpe daher keinen Kraftstoff ansaugt und daher auch hochdruckseitig keinen Kraftstoff liefert. Dies führt zu einem Absinken des Raildruckes, das vom Drucksensor registriert wird und eine Verringerung der Androsselung durch die Zumesseinheit auslöst. Dadurch wird der Öffnungsdruck der Ventile an der Saugseite der Hochdruckpumpe wieder überschritten und die Hochdruckpumpe beginnt wieder zu fördern. Dadurch steigt der Druck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher wieder an, was über den Drucksensor registriert wird und zu einer verstärkten Androsselung der Hochdruckpumpe durch die Zumesseinheit führt.

Die periodische Wiederholung dieses Zyklusses führt zu den beobachteten unerwünschten Raildruckschwankungen. Die erfindungsgemäß flach ausgestaltete Durchflusskennlinie der Zumesseinheit bewirkt, dass sich die Androsselung auf der Saugseite der Hochdruckpumpe feiner, gleichmäßiger und mit geringerer Schwankungsbreite regulieren lässt. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Unterschreiten der Öffnungsdrücke der Ventile an der Saugseite der Hochdruckpumpe vermieden werden. Als Folge werden Unterbrechungen der Förderung der Hochdruckpumpe vermieden, was einen zugehörigen Abfall des Raildrucks vermeidet. Bereits dadurch kommt es zu weniger stark ausgeprägten Gegenreaktionen der Zumesseinheit, so dass sich insgesamt eine gleichmäßigere Androsselung der Saugseite der Hochdruckpumpe einstellt. Diese vorteilhaften Wirkungen werden ohne Einbußen beim Wirkungsgrad des Hochdruckpumpenbetriebes, also inbesondere ohne eine Vergrößerung einer von der Hochdruckpumpe bereitgestellten Überschussmenge an Kraftstoff, erreicht.

Im Endeffekt wird dadurch die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, vollkommen gelöst.

Es ist bevorzugt, dass die Zumesseinheit einen Durchflussquerschnitt aufweist, der die an die Hochdruckpumpe gelieferte Kraftstoffmenge mitbestimmt und der in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors variabel ist.

Durch diese Ausgestaltung wird ein variabler Durchflussquerschnitt zur Androsselung der Hochdruckpumpe verwendet. Ein variabler Durchflussquerschnitt ist, beispielsweise im Vergleich zum digitalen Öffnen und/oder Schließen eines konstanten Durchflussquerschnittes, besonders gut für eine gleichmäßige Drosselung geeignet. Grundsätzlich wird die Zumesseinheit in Abhängigkeit vom Fahrverhalten- und Druckkennfeld gesteuert oder geregelt, dass die zur Hochdruckpumpe gelieferte Kraftstoffmenge begrenzt wird. Über den Drucksensor wird der aktuelle Druck im Rail gemessen und mit dem Solldruck vergleichen. Entsprechend dem Vergleichsergebnis wird über die Zumesseinheit die an die Hochdruckpumpe zu liefernde Kraftstoffmenge variiert.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Durchflussquerschritt durch den freien Querschnitt einer Öffnung in einer Wandung eines Zylinders bestimmt wird, wobei die Öffnung durch einen in dem Zylinder beweglichen Steuerkolben ganz oder teilweise abdeckbar ist, so dass sich der freie Querschnitt mit der Position des Steuerkolbens im Zylinder ändert.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sich die Position eines Steuerkolbens, der in einem Zylinder beweglich ist, stetig und genau variieren lässt, so dass sich als Folge eine stetige und genaue Variation des freien Querschnitts, der den Durchflussquerschnitt bestimmt, einstellt.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Steuerkolben hohl ausgeführt ist, und eine Öffnung aufweist, so dass der freie Querschnitt durch eine Überdeckung der Öffnung in der Wandung des Zylinders und der Öffnung in dem Steuerkolben definiert ist.

Diese Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, dass die Veränderung des Durchflussquerschnitts in Abhängigkeit von der Position des Steuerkolbens durch eine geänderte Größe und Form der Öffnung im Steuerkolben beeinflussbar ist. Dies ermöglicht die Realisierung verschiedener Durchflusskennlinien und Durchflussmengen einer Zumesseinheit durch Verwendung verschiedener Steuerkolben. Dadurch wird die Verwendung von Standardkomponenten einer Zumesseinheit für eine Vielzahl von Hochdruckpumpen und Verbrennungsmotoren möglich, wobei die Standardzumesseinheit lediglich durch Verwendung eines entsprechenden Steuerkolbens an einen bestimmten Hochdruckpumpentyp und/oder Verbrennungsmotortyp angepasst werden muss.

Es ist weiter bevorzugt, dass das elektromagnetische Stellelement eine Spule und einen in der Spule beweglichen Anker aufweist und dass die Auslenkung des Ankers aus einer Ruhelage proportional zu einem durch die Spule fließenden elektrischen Strom erfolgt.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sich die Position des Steuerkolbens durch eine technisch leicht beherrschbare Änderung eines Spulenstroms steuern lässt. Anstelle einer reinen Proportionalität kommt selbstverständlich auch eine anders geartete Abhängigkeit der Ankerauslenkung vom Spulenstrom in Frage.

Es ist weiter bevorzugt, dass ein Tastverhältnis des durch die Spule fließenden elektrischen Stroms in Abhängigkeit vom Signal des Stromsensors variiert wird.

Diese Ausgestaltung liefert den weiteren besonderen Vorteil, dass der Mittelwert der mit dem Tastverhältnis schwankenden Stromstärke eine mittlere Steuerkolbenposition einstellt und dass, bei angepasster Wahl der Tastverhältnis-Frequenz, die Schwankung der Stromstärke zusätzlich als Dither-Signal wirkt, dass den Steuerkolben in eine schnelle Oszillation geringer Amplitude um seine Mittellage herum versetzt. Dadurch wird das Entstehen einer Haftreibung verhindert und das Losbrechmoment des Steuerkolbens bei einer gewünschten Veränderung seiner Position verringert.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Querschnitt im stromlosen Zustand ganz geöffnet ist.

Diese Ausgestaltung bewirkt vorteilhafterweise, dass der Durchflussquerschnitt im Fehlerfall ganz geöffnet ist, was eine unerwünschte Androsselung der Hochdruckpumpe verhindert und damit die Verfügbarkeit des Common Rail Systems sicherstellt. Eine solche unerwünschte Androsselung könnte sonst dazu führen, dass die Fördermenge der Hochdruckpumpe stark beschränkt wird, was zu Leistungseinbußen des Verbrennungsmotors oder zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs führen könnte.

Es ist weiter bevorzugt, dass der flache Verlauf der Kennlinie dadurch erzeugt wird, dass Bewegungen des Steuerkolbens im ungestörten Leerlauf des Verbrennungsmotors zu kleineren Querschnittsänderungen führen als beim Betrieb des Verbrennungsmotors außerhalb des Leerlaufs.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass auch bei einer Standardzumesseinheit, bei der sich der Steuerkolben mit dem Anker proportional zu einer Spulenstromstärke bewegt, unterschiedlich flache, nicht-lineare und nichtproportionale Kennlinienverläufe durch die Form der Öffnungen im Zylinder und/oder Steuerkolben erzeugen lassen. Auch dadurch wird die Verwendung von Standardkomponenten einer Zumesseinheit zur Verwendung bei verschiedenen Hochdruckpumpen und Verbrennungsmotoren ermöglicht.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Konturen der Öffnung im Steuerkolben so festgelegt sind, dass sich ein nichtlinearer Verlauf der Kennlinie ergibt.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sich der Verlauf der Kennlinie durch die Konstruktion des Steuerkolbens, d.h. durch den Verlauf der Konturen der Öffnung im Steuerkolben, festlegen lässt, so dass die entsprechende Konstruktion verschiedener Steuerkolben einer Anpassung einer Standardzumesseinheit an verschiedene Hochdruckpumpen und/oder Verbrennungsmotoren erlaubt.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Zumesseinheit modular aufgebaut ist, wobei verschiedene Steuerkolben mit dem übrigen Bestandteilen der Zumesseinheit kombiniert werden können und wobei sich die verschiedenen Steuerkolben durch verschiedene Formen und Größen der Öffnung im Steuerkolben unterscheiden.

Durch diese Ausgestaltung wird die Zahl der Teile, die zur Herstellung von Zumesseinheiten für verschiedene Hochdruckpumpen und/oder Verbrennungsmotoren verwendet werden müssen, verringert, wodurch sich eine vereinfachte und kostengünstigere Fertigung und Vorratshaltung ergibt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 das technische Umfeld, in dem die Erfindung ihre Wirkung entfaltet;
2 die Funktion einiger Komponenten aus 1 in der Form eines Ersatzschaltbildes;
3 ein Ausführungsbeispiel einer Zumesseinheit 32;
4 eine Durchflusskennlinie Q(I);
5 Kennlinienverläufe bei einer ersten Ausgestaltung einer Öffnung im Steuerkolben der Zumesseinheit; und
6 Verläufe von Kennlinien bei einer zweiten Ausgestaltung der Öffnung im Steuerkolben.
Beschreibung
Die Ziffer 10 in der 1 bezeichnet einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common-Rail), aus dem Injektoren 12 mit unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff versorgt werden. Die Injektoren 12 werden durch elektrische Einspritzimpulsbreiten-Signale, die von einem Steuergerät 14 ausgegeben werden, geöffnet, so dass Kraftstoff in die nicht dargestellten Brennräume eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Die Einspritzimpulsbreiten werden im Steuergerät 14 unter Rückgriff auf im Steuergerät 14 abgelegte Steuerprogramme und Daten unter Verwendung verschiedener Eingangssignale gebildet. Wesentliche Eingangssignale sind das Signal eines Fahrerwunschgebers 16 und das Signal eines Drehzahlgebers 18, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors angibt. Die Ziffer 20 steht stellvertretend für weitere Signalgeber, beispielsweise Luftmassengeber, Temperaturgeber, Fahrgeschwindigkeitsgeber, etc., die im Steuergerät 14 verarbeitet werden.
Der Kraftstoff wird zunächst aus einem Kraftstofftank 22 durch eine Zahnradpumpe 24 über einen Vorfilter 26 und einen Hauptfilter 28 zu einer Hochdruckpumpe 30 gefördert. Üblicherweise ist die Zahnradpumpe 24 an der Hochdruckpumpe 30 angeflanscht, so dass sich beide Pumpen durch eine gemeinsame Welle 31 vom Verbrennungsmotor antreiben lassen. Alternativ zur Zahnradpumpe 24 könnte auch eine Elektrokraftstoffpumpe die Niederdruck-Kraftstoffförderung vom Tank 22 zur Hochdruckpumpe 30 übernehmen.
Über interne Versorgungskanäle fließt der von der Zahnradpumpe 24 mit Niederdruck geförderte Kraftstoff (Druck im Tank 22 plus etwa 3,5 bis 6,0 bar) an die Zumesseinheit 32, die der Hochdruckpumpe 30 strömungsmäßig vorgeschaltet ist. Die Zumesseinheit 32 drosselt die Kraftstoffmenge, die an die Saugseite der Hochdruckpumpe 30 strömt, in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal an, das vom Steuergerät 14 bereitgestellt wird: Die saugseitig in die Hochdruckpumpe 30 gelieferte Kraftstoffmenge wird von der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 30 parallel an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10 und an ein Druckregelventil 34 geliefert, das ebenfalls vom Steuergerät 14 gesteuert/geregelt wird.
Bei geöffnetem Druckregelventil 34 fließt der von der Hochdruckpumpe 30 geförderte Kraftstoff über das Druckregelventil 34 zum Tank 22 zurück. Darüber hinaus weisen die Injektoren eine Leckagemenge auf, die ebenfalls an den Tank zurückgeführt werden muss. Bei geschlossenem Druckregelventil 34 fließt der von der Hochdruckpumpe 30 geförderte Kraftstoff dagegen in den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10 und erhöht den Kraftstoffdruck innerhalb des Kraftstoff-Hochdruckspeichers 10. Dieser Druck wird von einem Drucksensor 36 registriert, der ein entsprechendes Signal an das Steuergerät 14 liefert. Wie bereits eingangs erwähnt, steuert das Steuergerät 14 in der Folge die Zumesseinheit 32 und/oder das Druckregelventil 34 so an, dass sich im Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10 der gewünschte Kraftstoffdruck einstellt.
2 verdeutlicht durch die sequentielle Anordnung der Zahnradpumpe 24, die allgemeiner als Niederdruckpumpe 24 bezeichnet werden kann, der Zumesseinheit 32 und der Hochdruckpumpe 30, zunächst den Kraftstofffluss zwischen Hauptfilter 28 und Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10. Wie bereits beschrieben, drosselt die Zumesseinheit 32 den von der Niederdruckpumpe 24 bereitgestellten Kraftstoffstrom an der Saugseite der Hochdruckpumpe 30. In der Darstellung der 2 ist die Hochdruckpumpe 30 eine Radialkolbenpumpe mit drei Pumpenelementen 38, die jeweils einen Pumpenkolben 42 aufweisen, der in einem Pumpzylinder 40 beweglich geführt und durch eine exzentrische Antriebswelle 31 betätigt wird.
Durch periodisches Betätigen der Pumpenkolben 40 saugt die Hochdruckpumpe 30 Kraftstoff von ihrer Saugseite 50 über Niederdruckventile 44 in Pumpenzylinder 42 und fördert den Kraftstoff unter hohem Druck über Hochdruckventile 46 an die Hochdruckseite 54 der Hochdruckpumpe 30 und anschließend an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10 und das Druckregelventil 34. 2 zeigt noch eine sog. Null-Förderdrossel 52, über die Kraftstoff von der Saugseite 50, der nicht von den Pumpenelementen 38 der Hochdruckpumpe 30 angesaugt wird, zum Eingang der Niederdruckpumpe 24 oder auch zum Tank 22 zurückströmen kann.
Bei starker Androsselung durch die Zumesseinheit 32 kann es passieren, dass der Kraftstoffdruck auf der Saugseite 50 der Hochdruckpumpe 30 durch über die Null-Förderdrossel 52 abfließenden Kraftstoff unter den Öffnungsdruck der Niederdruckventile 44 fällt. Die Niederdruckventile 44 öffnen dann nicht, was zur Folge hat, dass die Pumpenelemente 38 keinen Kraftstoff von der Saugseite 50 der Hochdruckpumpe 30 ansaugen und daher auch keinen Kraftstoff unter Hochdruck an die Hochdruckseite 54 der Hochdruckförderpumpe 30 liefern.
Wie bereits weiter oben kurz skizziert, kann dies zu einem Absinken des Kraftstoffdruckes in Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10 führen, der über den Drucksensor 36 und das Steuergerät 14 zu einer gegenläufigen Öffnung der Zumesseinheit 32 führt. Bei vergleichsweise steiler Kennlinie der Zumesseinheit 32 bewirkt dies einen schnellen Anstieg der von der Hochdruckpumpe 30 geförderten Kraftstoffmenge, was einen Anstieg des Drucks im Kraftstoff-Hochdruckspeicher 10 bewirkt. Die daraus bei ungünstig zusammenwirkenden Systemtoleranzen resultierende periodische Druckschwingung im Kraftstoff-Hochdruckspeicher wird durch eine im kritischen Förderbereich flach verlaufende Kennlinie der Zumesseinheit 32 verhindert. Der kritische Förderbereich ist insbesondere der Leerlauf des Verbrennungsmotors, weil in diesem Betriebszustand des Verbrennungsmotors der Kraftstoffbedarf sehr gering ist, was zu einer starken Androsselung durch die Zumesseinheit 32 mit den beschriebenen Wirkungen führen kann.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Zumesseinheit 32. Die Zumesseinheit 32 weist ein Kunststoffgehäuse 56 auf, in das elektrische Anschlüsse 58 eingegossen sind. Das Kunststoffgehäuse 56 ist mit einem magnetischen Topf 64 verbunden, in dem eine Spule 62 durch eine Halterung 63 gehalten wird. In der Spule 62 ist ein Anker 60 beweglich geführt. Der Anker 60 erstreckt sich durch einen magnetischen Kern 66, der mit dem magnetischen Topf 64 verbunden ist. Der magnetische Kern 66 weist einen hohlen Zylinder 69 auf, in dem ein hohler Steuerkolben 68 beweglich geführt ist.
Der Steuerkolben 68 wird durch den Anker 60 gegen die Rückstellkraft einer Feder 70 betätigt. Der Zylinder 69 im magnetischen Kern 66 weist Öffnungen 74 auf, über die eine Ringnut 76 in der Mantelfläche des Zylinders 69 mit Kraftstoff von der Niederdruckpumpe 24 versorgt wird. Der Kraftstoff in der Ringnut 76 umspült den Steuerkolben 68 und fließt, wenn sich eine Öffnung im Steuerkolben 68 wenigstens teilweise mit der Ringnut 76 oder den Öffnungen 74 in der Mantelfläche des Zylinders 69 deckt, durch die Öffnung 72 und das Innere des hohlen Steuerkolbens 68 durch den nach unten offenen Zylinder 69 zur Hochdruckpumpe 30.
4 zeigt schematisch eine mögliche Kennlinie des Durchflusses Q über dem Spulenstrom I der Zumesseinheit 32. Diese Kennlinie entspricht, wie sich unmittelbar aus der Darstellung der 4 ergibt, einer stromlos offenen Zumesseinheit 32, wie sie bevorzugt verwendet wird.
5 zeigt rechts oben eine erste Ausgestaltung des Steuerkolbens 68 mit resultierenden Kennlinien 82, 84. Der nicht lineare, gekrümmte Verlauf der Kennlinien 82, 84 ergibt sich als Folge der trapez- oder dreieckförmigen Ausgestaltung der Öffnung 72 im Steuerkolben 68.
Im Gegensatz dazu zeigt 6 stückweise lineare Verläufe von Kennlinien 78, 80, wie sie sich bei der Verwendung des in der 6 rechts oben schematisch im Schnitt dargestellten Steuerkolbens 68 ergeben. Der Steuerkolben 68 nach der 6 zeichnet sich durch eine Schlitzgeometrie aus, bei der ein oberer schmaler Schlitz stufenförmig in einen unteren breiteren Schlitz übergeht. Der obere schmale Schlitz ist dem flacher verlaufenden Keil der Kennlinie der 6, also dem gemeinsamen rechts verlaufenden Kennlinienast in der 6, zugeordnet. Der größere Öffnungsquerschnitt (breiterer Schlitz) entspricht den linken Ästen der Kennlinien 78, 80, die vergleichsweise steil verlaufen.
Die unterschiedliche Steigung der beiden Kennlinien 78, 80 entspricht unterschiedlich breiten unteren Schlitzen der Öffnung 72 im Steuerkolben 68. Beiden Kennlinien 78, 80 ist der rechts verlaufende flache Kennlinienteil gemeinsam. Ansonsten unterscheiden sich die Kennlinien 78, 80 durch die maximale Durchflussmenge, die bei der Kennlinie 80 wesentlich höher liegt, als bei der Kennlinie 78. Die Kennlinie 80 ist daher einem Einspritzsystem zugeordnet, das für einen größeren Kraftstoffbedarf ausgelegt ist. Analoge Betrachtungen gelten für die beiden Kennlinien 82, 84 in der 5.

Claims

Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (10) eines Speichereinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, mit einem Drucksensor (36), einer Hochdruckpumpe (30) und einer Zumesseinheit (32), die eine Durchflusskennlinie (78, 80; 82, 84) aufweist, wobei – der Drucksensor (36) ein Signal bereitstellt, das den Druck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher (10) angibt, und – die Zumesseinheit (32) die von der Hochdruckpumpe (30) an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher (10) gelieferte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors (36) begrenzt, indem die Zumesseinheit (32) die Kraftstoffmenge beschränkt, die an die Hochdruckpumpe (30) geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Durchflusskennlinie (78, 80; 82, 84) bei einem Durchfluss, der dem Leerlaufbedarf des Verbrennungsmotors entspricht, einen so flachen Verlauf aufweist, dass im ungestörten Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors auftretende Änderungen des Drucksensorsignals nicht zu einer Unterbrechung der von der Hochdruckpumpe (30) gelieferten Kraftstoffmenge führen.
Vorrichtung zur Zumessung von Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe (30) zur Aufrechterhaltung eines Solldruckes in einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher (10) eines Speichereinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, mit einem Drucksensor (36), wobei – die Vorrichtung eine Zumesseinheit (32) bildet, die eine Durchflusskennlinie (78, 80; 82, 84) aufweist, – der Drucksensor (36) ein Signal bereitstellt, das den Druck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher (10) angibt, und – die Zumesseinheit (32) die von der Hochdruckpumpe (30) an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher (10) gelieferte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors (36) begrenzt, indem sie die Kraftstoffmenge beschränkt, die an die Hochdruckpumpe (30) geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Durchflusskennlinie (78, 80; 82, 84) bei einem Durchfluss, der dem Leerlaufbedarf des Verbrennungsmotors entspricht, einen so flachen Verlauf aufweist, dass im ungestörten Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors auftretende Änderungen des Drucksensorsignals nicht zu einer Unterbrechung der von der Hochdruckpumpe (30) gelieferten Kraftstoffmenge führen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumesseinheit (32) einen Durchflussquerschnitt aufweist, der die an die Hochdruckpumpe (30) gelieferte Kraftstoffmenge mitbestimmt und der in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors (36) variabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt durch den freien Querschnitt einer Öffnung (74, 76) in einer Wandung eines Zylinders (69) bestimmt wird, wobei die Öffnung (74, 76) durch einen in dem Zylinder (69) beweglichen Steuerkolben (68) ganz oder teilweise abdeckbar ist, so dass sich der freie Querschnitt mit der Position des Steuerkolbens (68) im Zylinder (69) ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (68) hohl ausgeführt ist und eine Öffnung (72) aufweist, so dass der freie Querschnitt durch eine Überdeckung der Öffnung (74, 76) in der Wandung des Zylinders (69) und der Öffnung (72) in dem Steuerkolben (68) definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumesseinheit (32) ein elektromagnetisches Stellelement (60, 62) aufweist, mit dem die Position des Steuerkolbens (68) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Stellelement (60, 62) eine Spule (62) und einen in der Spule (62) beweglichen Anker (60) aufweist, und dass die Auslenkung des Ankers (60) aus einer Ruhelage proportional zu einem durch die Spule (62) fließenden elektrischen Strom erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tastverhältnis des durch die Spule (62) fließenden elektrischen Stroms in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors (36) variiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt im stromlosen Zustand ganz geöffnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Verlauf der Kennlinie (78, 80; 82, 84) dadurch erzeugt wird, dass Bewegungen des Steuerkolbens (68) im ungestörten Leerlauf des Verbrennungsmotors zu kleineren Querschnittsänderungen führen als beim Betrieb des Verbrennungsmotors außerhalb des Leerlaufs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Öffnung (72) im Steuerkolben (68) so festgelegt sind, dass sich ein nichtlinearer Verlauf der Kennlinie (78, 80; 82, 84) ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumesseinheit (32) modular aufgebaut ist, wobei verschiedene Steuerkolben (68), mit den übrigen Bestandteilen der Zumesseinheit (32) kombiniert werden können, und wobei sich die verschiedenen Steuerkolben (68) durch verschiedene Formen und Größen der Öffnung (72) im Steuerkolben (68) unterscheiden.