DE19547877A1 - Kraftstoffhochdruckspeichersystem für ein in Brennkraftmaschinen eingesetztes Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents
Kraftstoffhochdruckspeichersystem für ein in Brennkraftmaschinen eingesetztes KraftstoffeinspritzsystemInfo
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Description
Die Erfindung geht von einem Kraftstoffhochdruckspeichersystem
für ein in Brennkraftmaschinen eingesetztes Kraftstoffein
spritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Bei einem derartigen Kraftstoffeinspritzsystem wird Kraftstoff
in zumindest einem zentralen Hochdruckspeicher unter einem
Druck weit über 10⁸ Pa gehalten. Aus dem Hochdruckspeicher
werden die Kraftstoffeinspritzventile direkt mit dem in die
Zylinder der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoff
versorgt. Bei betriebsbedingten Laständerungen müssen im Hoch
druckspeicher Druckänderungen bis zu 1,5*10⁸ Pa innerhalb
weniger Motorumdrehungen erzeugt werden können. Schwierig
gestaltet sich hierbei vor allem der Druckaufbau in kurzer
Zeit. Bei bekannten Einspritzsystemen wird dazu mit Hilfe
einer Hochdruckpumpe zusätzlicher Kraftstoff in den Hochdruck
speicher gepumpt. Die Hochdruckpumpe muß also neben der regu
lären Einspritzmenge und den üblichen Leckage- und Steuer
mengen eine weitere Zusatzmenge für den Druckaufbau im Hoch
druckspeicher liefern. Die Zusatzmenge, die das Einspritz
system in der Regel nur in den kurzen Start- und/oder Last
anstiegsphasen benötigt, liegt in der gleichen Größenordnung
wie die reguläre Einspritzmenge. D.h. die Hochdruckpumpe muß
für nahezu die doppelte Kraftstoffördermenge ausgelegt sein,
obwohl sie diese nur in einem Bruchteil der Gesamtbetriebszeit
braucht. Die Hochdruckpumpe ist somit für den Hauptanteil der
Gesamtbetriebszeit überdimensioniert.
Die Erfindung verfügt gegenüber dem bekannten Stand der Tech
nik über ein Kraftstoffhochdruckspeichersystem, bei dem an
einem Kraftstoffhauptspeicher ein Kraftstoffzusatzspeicher
hydraulisch angeschlossen ist. Dabei ist in der hydraulischen
Verbindung zwischen den beiden Hochdruckspeichern ein fremd
betätigtes, elektrisch gesteuertes Ventil angeordnet, über das
die Verbindung geöffnet oder geschlossen werden kann.
Die Kraftstoffhochdruckspeicher können hierzu als separate
Speicherbehälter vorliegen, die über einzelne Rohrleitungen
und das Ventil verbunden sind. Sie können auch als zwei Boh
rungen in einem Block ausgebildet sein, die nur über ein inte
griertes Ventil miteinander kommunizieren. Der Kraftstoff
zusatzspeicher kann dabei auch aus einem System von Bohrungen
bestehen. In beiden beispielhaft genannten Ausführungsvarian
ten wird der Kraftstoffzusatzspeicher vorzugsweise über den
Kraftstoffhauptspeicher gespeist.
Bei der Verwendung des Kraftstoffzusatzspeichers wird bei
Lastwechseln, die einen Druckanstieg im Kraftstoffhauptspei
cher erfordern, ein Teil der in diesen Speicher zu fördernden
Kraftstoffmenge aus dem Zusatzspeicher zur Verfügung ge
stellt. Aber eine Steuer- und Regeleinrichtung wird bei einem
derartigen Lastwechsel das hydraulisch zwischen den Kraft
stoffhochdruckspeichern liegende Ventil geöffnet, wodurch der
Druck im Kraftstoffhauptspeicher bei Bedarf schlagartig an
steigen kann. Auf diese Weise wird die Hochdruckpumpe erheb
lich entlastet. Obwohl sie auch den Kraftstoffzusatzspeicher
zu versorgen hat, kann sie bei gleichbleibender Leistung des
gesamten Kraftstoffeinspritzsystems kleiner ausgelegt werden.
Ein geringeres Gewicht und eine kleinere Antriebsleistung der
Hochdruckpumpe senkt neben einer Kostenersparnis den Kraft
stoffverbrauch und bei optimaler Unterbringung des Kraftstoff
zusatzspeichers sogar das Leistungsgewicht der Brennkraft
maschine.
Das zwischen den Kraftstoffhochdruckspeichern angeordnete Ven
til ist vorzugsweise mit einer elektromagnetischen Betäti
gungseinrichtung ausgestattet. Selbstverständlich kann die Be
tätigung auch elektromechanisch, piezoelektrisch, hydraulisch
oder pneumatisch erfolgen.
Beispielsweise bei einem elektrisch betätigten Ventil kann die
Ansteuerung pulsmoduliert bzw. getaktet erfolgen. Durch eine
Änderung von Pulsdauer oder Pulsfrequenz läßt sich ein nahezu
beliebiger Verlauf des Druckausgleichs zwischen den Kraft
stoffhochdruckspeichern wählen.
Das Ventil selbst gehört beispielsweise zur Gruppe der Sitz
ventile und ist somit u. a. als Kugel,- Kegel- oder Tellersitz
ventil gestaltet. Dabei werden die Ventilanschlüsse durch das
Schließelement bzw. den Abschlußkörper und den Ventilsitz ge
trennt oder verbunden.
Zusätzlich kann das Ventil als Sicherheitsventil konstruiert
sein, um im Kraftstoffzusatzspeicher einen unzulässigen Druck
anstieg, z. B. aufgrund von Temperaturerhöhung, zu verhindern.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausfüh
rungsform.
Fig. 1 zeigt einige wesentliche Teile eines Kraftstoffein
spritzsystems für Brennkraftmaschinen. Bei diesem System wird
der Kraftstoff zumindest mittels einer Hochdruckpumpe (3) aus
einem Kraftstoffvorratsbehälter (1) angesaugt und unter Hoch
druck in die Kraftstoffhochdruckspeicher (20) und (30) geför
dert. Der Kraftstoffhauptspeicher (20) ist über Einspritzlei
tungen (6) direkt mit einzelnen, elektromagnetisch betätigten
Kraftstoffeinspritzventilen (7) hydraulisch verbunden. Eine
Steuer- und Regeleinrichtung (10) gibt für jedes Einspritzven
til (7) u. a. den jeweiligen Einspritzzeitpunkt und die Ein
spritzdauer vor. Die Vorgaben sind abhängig vom jeweiligen
vorhandenen und/oder angestrebten Betriebszustand der Brenn
kraftmaschine. Die Steuer- und Regeleinrichtung (10) überwacht
hier den Kraftstoffdruck über einen am Kraftstoffhauptspei
cher (20) angeordneten Drucksensor (11). Der Kraftstoffdruck
wird mit betriebsbedingten Vorgaben verglichen und gegebenen
falls durch die Ansteuerung einer Druckstelleinrichtung (12)
verringert. Überschüssiger Kraftstoff gelangt über eine Ent
lastungsleitung (9) in den Tank (1) zurück.
Der Kraftstoffhauptspeicher (20) ist hydraulisch mit dem
Kraftstoffzusatzspeicher (30) verbunden. In der Verbindung
zwischen den Kraftstoffhochdruckspeichern ist zwischen zwei
Druckleitungen (21) und (31) ein Ventil (40) angeordnet. Das
Ventil (40) , das beispielsweise als Sitzventil ausgeführt ist,
hat eine mit dem Kraftstoffhauptspeicher (20) hydraulisch ge
koppelte Ventilkammer (41), in der ein Schließelement (43) in
Form einer Ventilkugel angeordnet ist. In Schließstellung
sitzt das Schließelement (43) auf einem Ventilsitz (42). Dort
wird es zum einem mit Hilfe einer Ventilfeder (44) und/oder
durch den in der Ventilkammer (41) vorherrschenden Kraftstoff
druck gehalten. Gegebenenfalls ist das Schließelement (43)
auch mit einem gegenüber der Ventilfeder (44) angeordneten
elektromagnetischen Betätigungselement (46) über dessen Betä
tigungsstift (47) mechanisch verbunden. Das Betätigungsele
ment (46), z. B. ein Proportionalmagnet, hebt bei einem Bestro
men das Schließelement (43) über den Betätigungsstift (47) von
seinem Ventilsitz (42) ab, wodurch zwischen der Ventilkam
mer (41) und der zum Kraftstoffzusatzspeicher (30) führenden
Druckleitung (31) eine Verbindung hergestellt wird. Die Be
stromung des Betätigungselements (46) wird im Ausführungsbei
spiel durch die Steuer- und Regeleinrichtung (10) vorgenommen.
Im stationären Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems werden
der Kraftstoffhauptspeicher (20) und der Kraftstoffzusatzspei
cher (30) bei geöffnetem Sitzventil (40) gemeinsam von der
Hochdruckpumpe (3) gespeist. An beiden Kraftstoffhochdruck
speichern liegt der gleiche Kraftstoffdruck an. Bei einem
Lastwechsel von einem hohen auf einen niedrigen Einspritzdruck
wird das Sitzventil (40) geschlossen, so daß im Kraftstoff
zusatzspeicher (30) der hohe Kraftstoffdruck erhalten bleibt.
Bei einem Lastwechsel von einem niedrigen auf einen hohen
Einspritzdruck wird das Sitzventil (40) geöffnet, wodurch
Kraftstoff aus dem Kraftstoffzusatzspeicher (30) in den Kraft
stoffhauptspeicher (20) strömt und dort den Kraftstoffdruck
anhebt. Der gleichzeitige Druckaufbau durch die Hochdruck
pumpe (3) wird durch die aus dem Kraftstoffzusatzspeicher (30)
zufließende Kraftstoffmenge entscheidend unterstützt, wodurch
sich die für den Druckaufbau notwendige Zeitspanne erheblich
verkürzt.
Das Sitzventil (40) wird in der Regel geschlossen, wenn in
beiden Kraftstoffhochdruckspeichern (20, 30) ein vorgegebener
Höchstdruck erreicht ist. Da dann vor und hinter dem Ventil
sitz (40) der gleiche Kraftstoffdruck ansteht, sind für den
Schließvorgang nur geringe Kräfte notwendig, die beispiels
weise durch die Ventilfeder (44) aufgebracht werden.
Um auch bei einem betriebsbedingten Absinken des Kraftstoff
drucks im Kraftstoffhauptspeicher (20) gegenüber dem Druck im
Kraftstoffzusatzspeicher (30) mit einer geringen Zuhaltekraft
auszukommen, werden die Wirkflächen des Schließelements (43)
entsprechend ausgelegt. Zusätzlich können das Schließele
ment (43) und der Ventilsitz (42) so gestaltet werden, daß
Druck- und Strömungskräfte den Öffnungsvorgang unterstützen.
Claims (5)
1. Kraftstoffhochdruckspeichersystem für ein in Brennkraft
maschinen eingesetztes Kraftstoffeinspritzsystem, in dem
Kraftstoff über eine Hochdruckpumpe (3) in mindestens einen
zentralen Kraftstoffhauptspeicher (20) gefördert wird, um ihn
von dort elektrisch gesteuerten Einspritzventilen (7)
zuzuführen, dadurch gekennzeichnet,
daß an den Kraftstoffhauptspeicher (20) ein Kraftstoffzusatz
speicher (30) hydraulisch angeschlossen ist,
wobei in der hydraulischen Verbindung (21, 31) zwischen den
Kraftstoffhochdruckspeichern (20, 30) ein fremdbetätigtes,
elektrisch gesteuertes Ventil (40) angeordnet ist.
2. Kraftstoffhochdruckspeichersystem gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kraftstoffzusatzspeicher (30) über den
Kraftstoffhauptspeicher (20) gespeist wird.
3. Kraftstoffhochdruckspeichersystem gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventil (40) elektrisch betätigt wird.
4. Kraftstoffhochdruckspeichersystem gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventil (40) getaktet betätigt wird.
5. Kraftstoffhochdruckspeichersystem gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventil (40) ein Sitzventil ist, dessen
Schließelement (43) in einer Ventilkammer (41) angeordnet ist
und über eine Druckfeder (44) an einem Ventilsitz (42) an
liegt, wobei in Schließrichtung gesehen der Kraftstoffhaupt
speicher (20) hinter dem Schließelement (43), also an der Ven
tilkammer (41), und der Kraftstoffzusatzspeicher (30) vor dem
Schließelement (43) angeschlossen ist.
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