DE19612412A1 - Regelung für ein Druckfluid-Versorgungssystem, insbesondere für den Hochdruck in einem Kraftstoff-Einspritzsystem - Google Patents
Regelung für ein Druckfluid-Versorgungssystem, insbesondere für den Hochdruck in einem Kraftstoff-EinspritzsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Regelung für ein Druck
fluid-Versorgungssystem, insbesondere für den Hochdruck in
einem Kraftstoff-Einspritzsystem beispielsweise für eine
Dieselbrennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Eine Regelung dieser Art ist beispielsweise aus dem Do
kument EP 0 299 337 A2 bekannt geworden. Hier findet als
Fluidfördermengen-Begrenzungseinrichtung eine in der Saug
leitung der Hochdruckpumpe liegende Saugdrossel Anwendung,
die entsprechend dem Druckfluidbedarf der Verbraucher so
eingestellt wird, daß die Hochdruckpumpe nur die tatsäch
lich benötigte Druckfluidmenge in die gemeinsame Hochdruck
leitung, d. h. die Common-Rail fördert. Man spricht in die
sem bekannten Fall von einer Saugdruckregelung, die wie
folgt arbeitet:
In der gemeinsamen Hochdruckleitung, d. h. der Common-
Rail, ist ein Drucksensor vorgesehen, dessen Drucksignal
auf eine in der Regel elektronisch arbeitende Steuereinheit
gegeben und dort mit einem von den Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine festgelegten Sollwert verglichen wird.
Entsprechend der Regeldifferenz wird ein Stellsignal abge
geben, das die Saugdrossel so lange verstellt, bis der
Soll-Druckwert in der Common-Rail erreicht wird.
Mit der bekannten Saugdrosselregelung ist somit eine
verhältnismäßig aufwendige Drucksensorik und eine entspre
chende Elektronik verbunden, die - wie sich herausgestellt
hat - für bestimmte Anwendungsbereiche dennoch ein unzurei
chendes Ansprechverhalten und eine zu geringe Regelge
schwindigkeit hat. Diese mangelnde Dynamik zeigt sich im
bekannten Fall insbesondere dann, wenn der Druck in der
Common-Rail extrem schnell abgebaut werden muß. In diesem
Fall kann zwar das Saugdrosselventil schnell geschlossen
werden, der Hochdruckbereich, d. h. die Common-Rail-Leitung
kann jedoch nur als Folge von Leckagemengen bzw. Restein
spritzmengen entlastet werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Regelung für ein Druckfluid-Versorgungssystem, insbesondere
für den Hochdruck in einem Kraftstoff-Einspritzsystem bei
spielsweise für eine Dieselbrennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die sich bei
Vermeidung einer aufwendigen Drucksensorik durch eine ver
besserte Regelungsdynamik insbesondere beim Zurückfahren
des Drucks in der Common-Rail auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan
spruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird der Druck in der gemeinsamen Hoch
druckleitung, d. h. der Common-Rail über ein Hochdruck-
Druckbegrenzungsventil, vorzugsweise in der Ausgestaltung
als elektrisch angesteuertes Druckbegrenzungsventil abgesi
chert. Das Stellsignal zur Beaufschlagung des Stellelements
der Fluidfördermengen-Begrenzungseinrichtung wird von einer
physikalischen Größe abgeleitet, die sich entsprechend dem
Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung des vorzugsweise
einstellbaren Druckbegrenzungsventils verändert. Dieses
Stellsignal wirkt ebenso wie das Stellsignal der Drucksen
sorik im Stand der Technik im Sinne einer Verringerung der
Regelabweichung, jedoch mit dem besonderen Vorteil, daß die
Regelstrecke wesentlich kürzer gehalten werden kann. Es ge
lingt somit allein mit dem einstellbaren Druckbegrenzungs
ventil, das vorzugsweise als Proportional-Druckventil aus
gebildet wird, den Druck in der Common-Rail zu kontrollie
ren und durch das abgeleitete Stellsignal in der Ablauflei
tung die von der Hochdruckpumpe in die Common-Rail gespei
ste Druckfluid- bzw. Kraftstoff-Überschußmenge so zu be
grenzen, daß die energetischen Verluste möglichst klein ge
halten werden.
Der besondere Vorteil der Regelung liegt dabei in der
höheren Dynamik, da das Zurückregeln der Pumpe gleichzeitig
mit der Aufsteuerung des Druckbegrenzungsventils erfolgt.
Mit anderen Worten, der Druckabbau in der Common-Rail wird
nicht mehr nur als Folge von abströmenden Leckagemengen
bzw. Resteinspritzmengen durchgeführt, sondern aktiv durch
das einstellbare Druckbegrenzungsventil. Dabei ergibt sich
gleichzeitig eine höhere Sicherheit für den Fall, daß in
der Common-Rail Probleme auftreten sollten, beispielsweise
beim Auftreten eines Notfalls am System wie z. B. beim Klem
men einer Einspritzdüsennadel oder einem ähnlichen Vorfall.
Wenn in einem solchen Fall das Druckbegrenzungsventil auf
gesteuert wird, läßt sich durch die abströmende Fluidmenge
ein entsprechendes Stellsignal vorzugsweise in der geeigne
ten Verstärkung erzeugen, so daß die Hochdruckpumpe schlag
artig auf ein minimales Fördervolumen zurückgefahren wird.
Gefahrensituationen können somit mit der erfindungsgemäßen
Regelung ebenfalls sehr schnell entschärft werden. Auf der
anderen Seite sind Druckaufbauzeiten erzielbar, die mit Sy
stemen mit Saugdruckregelungen ohne weiteres vergleichbar
sind.
Es hat sich gezeigt, daß mit einem einstellbaren Druck
begrenzungsventil, insbesondere in der Ausgestaltung als
elektrisch angesteuertes Druckbegrenzungsventil ein sehr
gutes Ansprechverhalten der Regelung realisierbar ist, weil
an einem solchen Druckbegrenzungsventil ein direkter Kraft
vergleich zwischen Druck- und Magnetkraft vorgenommen wird.
Durch eine geeignete Anpassung des Stellsignals des Druck
begrenzungsventils an die Öffnungscharakteristik und/oder
an die Erzeugung des Stellsignals läßt sich das Verhalten
der Regelung optimieren, um so beispielsweise eine von der
Hochdruckpumpe geförderte Fluid-Überschußmenge auf einem
vernachlässigbar kleinen Wert zu halten.
Vorteilhafterweise ist das Druckbegrenzungsventil als
Proportional-Regelventil ausgeführt. Ersatzweise kann je
doch auch mit Hilfe einer entsprechenden Elektronik eine
nicht proportionale Kennlinie des Drucks zum Steuerstrom
korrigiert werden, wobei dann auch ein Druckbegrenzungsven
til mit nicht linearer Charakteristik verwendet werden
kann.
Das erfindungsgemäße Regelungsprinzip läßt sich mit
verschiedensten Stellsignalen verwirklichen. Eine besonders
einfache Art der Regelung ergibt sich jedoch dann, wenn das
Stellsignal von einem Staudruck stromauf einer Staudrossel
in der Ablaufleitung abgeleitet ist, was Gegenstand des An
spruchs 2 ist. Mit dieser Weiterbildung läßt sich die Dyna
mik der Regelung auf einem sehr hohem Niveau halten, weil
sich über den Staudruck das Stellsignal mit guter und an
paßbarer Verstärkung auf die Fluidfördermengen-Begrenzungs
einrichtung geben läßt.
Die Regelung eignet sich darüber hinaus für verschie
denste Ausgestaltungen der Fluidfördermengen-Begrenzungs
einrichtung. Eine erste Variante ist Gegenstand der Ansprü
che 5 bis 10. Wenn die Saugdrosseleinrichtung eine der An
zahl der Verdränger der Hochdruckpumpe entsprechende Zahl
von Saugventilen aufweist, läßt sich die Fördermenge der
Pumpe an den Bedarf des Einspritzsystems leicht anpassen.
Dabei ist es grundsätzlich möglich, die einzelnen Saugven
tile gleichzeitig anzudrosseln. Mit der sequentiellen An
steuerung der Saugventile gemäß Anspruch 8 ergeben sich zu
sätzliche Möglichkeiten der Feinanpassung an den aktuellen
Fördermengenbedarf für die Common-Rail.
Eine weitere Variante für die Ausgestaltung der Fluid
fördermengen-Begrenzungseinrichtung ist Gegenstand der An
sprüche 11 bis 15. Hier kann das Stellsignal, beispielswei
se der Staudruck stromauf einer Staudrossel in der Ablauf
leitung dazu herangezogen werden, einen Verdränger oder
mehrere Verdränger einzeln wegzuschalten. Dies kann durch
ein einzelnes Schaltventil geschehen, das unmittelbar den
Zulauf zum entsprechenden Verdränger sperrt, oder aber
durch ein Betätigungselement, das über einen Stößel direkt
auf einen Schließkörper des Saugventils des betreffenden
Verdrängers einwirkt und diesen Schließkörper permanent of
fenhält, so daß dieser Verdränger keine Verdrängungslei
stung mehr erbringt. Auch bei dieser Variante können die
einzelnen Stellelemente sequentiell auf das Stellsignal an
sprechen, wodurch sich insbesondere beim Pumpen mit einer
Vielzahl von Verdrängerkolben ein größerer Spielraum für
die genaue Einstellung des Verdrängungsvolumens ergibt.
Die Fluidmengenförder-Begrenzungseinrichtung kann auch
dadurch bereitgestellt werden, daß eine die Hochdruckpumpe
speisende Vorförderpumpe entsprechend verstellt wird, was
Gegenstand der Ansprüche 16 und 17 ist.
Die Weiterbildung der Regelung nach Anspruch 18 hat den
besonderen Vorteil, daß die einstellbare Ablaufblende bei
einfachem Aufbau zusätzlich die Funktion eines Sicherheits
ventils übernehmen kann, mit dem für den Fall, daß der
Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung zu groß werden
sollte eine schnelle Druckentlastung der Common-Rail si
chergestellt werden kann. Diese Variante ist insbesondere
dann von besonderem Vorteil, wenn das Stellsignal vom Stau
druck stromauf einer Staudrossel in der Ablaufleitung abge
leitet ist. In diesem Fall ist gemäß Anspruch 20 lediglich
am Steuerkolben der Ablaufblende eine zusätzliche Steuer
kante vorzusehen, über die die Ablaufleitung des Druckbe
grenzungsventils weitgehend frei von einer Drosselung kurz
fristig in einen Niederdruckbereich entlastbar ist.
Wenn im Bypass zu einer Vorförderpumpe ein Sicherheits
ventil angeordnet wird, zu dem eine Blende parallel ge
schaltet ist, ergibt sich eine vorteilhafte Beeinflussung
der Regelung der Vorförderpumpe in Abhängigkeit von der
Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dies eröffnet die Möglich
keit einer feineren Druckregelung insbesondere in Verbin
dung mit der Fluidfördermengen-Begrenzungseinrichtung nach
den Ansprüchen 18 bis 20. Insbesondere in Kombination mit
der Regelung nach den Ansprüchen 18 bis 20, d. h. in Kombi
nation mit einer staudruckgesteuerten Ablaufblende ergibt
sich eine spürbare Verbesserung der Regelungsgenauigkeit.
Das die momentane Druckversorgungssituation in der ge
meinsamen Hochdruckleitung (Common-Rail) wiedergebende
Stellsignal kann dem Staudruck unmittelbar entsprechen; es
ist jedoch gleichermaßen möglich, dieses Stellsignal mit
tels eines Niederdrucksensors in der Ablaufleitung zu ge
winnen. Das Sensorsignal wird dann entsprechend ausgewer
tet, um entsprechende Verstellelemente auf der Saugseite
der Pumpe oder entsprechende einzelne Regelelemente bzw.
Stellelemente an den Verdrängern der Pumpe zu bedienen. Ein
derartiger Niederdrucksensor ist preisgünstiger und weniger
sensibler als ein Drucksensor für die Common-Rail und läßt
sich gleichsam effektiv für eine Regelung des Systems mit
hoher Dynamik einsetzen.
Wenn das Stellsignal von der Temperatur in der Ablauf
leitung abgeleitet ist, kann das Stellsignal mittels eines
Dehnstoffthermostats gewonnen werden, d. h. mittels eines
Thermofühlers mit einem Wachselement. Der Hub des Eingangs
gliedes des Thermofühlers kann als Stellgröße zur Beein
flussung des Saugdrosselventils bzw. anderer Stellelemente
zur Veränderung des Fluidfördervolumens herangezogen wer
den. In diesem Fall ist keine Staudrossel nötig.
Das Stellsignal kann schließlich von einer Bewegungs
größe, beispielsweise vom Hub des Druckbegrenzungsventils
abgeleitet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand
der übrigen Unteransprüche.
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen
mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Hydraulikschaltkreis zur Regelung ei
nes Druckfluid-Versorgungssystems insbesondere für den
Hochdruck in einem Kraftstoff-Einspritzsystem beispielswei
se für eine Dieselbrennkraftmaschine mit der Druck in der
von einer Hochdruckpumpe gespeisten Common-Rail entspre
chend der momentanen Druckfluidanforderung regelbar ist,
mit einer ersten Ausführungsform einer Druckfluidmengen-Be
grenzungseinrichtung und einer ersten Ausgestaltung für die
Ableitung eines die momentane Druckfluid-Versorgungssitua
tion in der Common-Rail wiedergebenden Stellsignals;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild zur Veran
schaulichung einer weiteren Variante der Stellsignalverar
beitung zur Verstellung der Fluidfördermengen-Begrenzungs
einrichtung;
Fig. 3 in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstel
lung ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung einer weiteren
Variante für die Gewinnung eines Stellsignals, das die mo
mentane Druckfluid-Versorgungssituation in der Common-Rail
wiedergibt;
Fig. 4 anhand eines schematischen Schnitts durch
die Hochdruckpumpe eines weitere Ausführungsform der Stell
signalverarbeitung zur Regelung des Drucks in der Common-
Rail;
Fig. 5 in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstel
lung eine weitere Variante der Stellsignalverarbeitung; und
Fig. 6 in einer der in Fig. 1 und 5 entsprechen
den Darstellung eine weitere Variante des Regelkreises für
den Hochdruck in der Common-Rail mit einer abgewandelten
Ausführungsform zur Gewinnung des Stellsignals zur Beein
flussung der Fluidfördermenge.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 eine Hochdruck
pumpe bezeichnet, die beispielsweise als Radialkolbenpumpe
ausgebildet und in der Lage ist, extrem hohe Drücke in ei
ner Hochdruckleitung 12 aufzubauen, die zu der sogenannten
"Common-Rail" eines Kraftstoff-Einspritzsystems führt. Die
Hochdruckpumpe 10 ist ähnlich einer Radialjetpumpe aufge
baut, d. h., sie ist in der Lage, bei gleichbleibendem Hub
und in Anhängigkeit von der Druckfluidversorgung eine ver
änderliche Förderleistung zu erbringen. Die Hochdruckpumpe
wird versorgt von einer Vorförderpumpe 14, d. h. einer Nie
derdruckpumpe, die Druckfluid, d. h. Kraftstoff aus einem
Tank 16 ansaugt. Die Vorförderpumpe 14 ist mittels eines
Druckbegrenzungsventils (5 Bar Ventil) 18 abgesichert. Die
entsprechende, über die Vorförderpumpe 14 führende Rück
laufleitung zum Tank ist mit 20 bezeichnet. Um den Druck in
der Common-Rail, an die nicht näher dargestellt einzelne
Verbraucher, insbesondere Einspritzdüsen der Brennkraftma
schine angeschlossen sind, entsprechend der momentanen
Druckfluidanforderung, d. h. in Abhängigkeit von den Be
triebsparametern des Systems, d. h. der Dieselbrennkraftma
schine einzuriegeln, ist der Hochdruckpumpe 10 eine Fluid
fördermengen Begrenzungseinrichtung zugeordnet, die bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 von einem Saugdrosselventil 22
gebildet ist. Der Saugdrosselventilkörper ist gegen die
Kraft einer Feder 24 zur stetigen Verstellung eines Saug
drosselquerschnitts von einem Stellsignal in einer Leitung
26 beaufschlagt, und zwar derart, daß das Stellsignal die
momentane Druckfluidversorgungssituation in der gemeinsamen
Hochdruckleitung 12 bzw. in der Common-Rail CR wiedergibt.
Mit anderen Worten, das Stellsignal in der Leitung 26 be
aufschlagt das Saugdrosselventil 22 derart, daß die Förder
menge der Hochdruckpumpe 10 gerade so groß gehalten wird,
daß sich in der Common-Rail der gewünschte, den gerade vor
liegenden Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ent
sprechende Druck einstellt. Die Besonderheit der Schaltung
gemäß Fig. 1 besteht in der besonderen Art und Weise der
Gewinnung des Stellsignals in der Leitung 26:
An die gemeinsame Hochdruckleitung 12 ist eine Ablauf
leitung 28 angeschlossen, die drei Abschnitte, nämlich die
Abschnitte 28A, 28B und 28C. In dieser Ablaufleitung ist
ein vorzugsweise einstellbares Druckbegrenzungsventil 30
angeordnet, das vorzugsweise als elektrisch angesteuertes
Druckbegrenzungsventil ausgeführt ist. Die elektrische An
steuerung erfolgt in Abhängigkeit von Betriebsparametern
des zu versorgenden Systems, d. h. im vorliegenden Fall der
Brennkraftmaschine. Das Druckbegrenzungsventil liegt zwi
schen den Leitungsabschnitten 28A und 28B. Zwischen den
Leitungsabschnitten 28B und 28C liegt eine Staudrossel 32,
mit der das Stellsignal in der Leitung 26 erzeugbar ist.
Die Leitung 26 ist an die Ablaufleitung 28 stromauf der
Staudrossel 32 angeschlossen. Damit ergibt sich, daß das
Stellsignal, d. h. der Druck in der Signalleitung 26 von ei
ner physikalischen Größe abgeleitet ist, die sich entspre
chend dem Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung 28 des
Druckbegrenzungsventils 30 verändert. Das Stellsignal in
der Signalleitung 26 wirkt über das Saugdrosselventil 22
derart auf die Hochdruckpumpe 10 ein, daß das Saugdrossel
ventil den Querschnitt auf der Saugseite der Pumpe in Ab
hängigkeit vom anliegenden Staudruck vor der Drossel 32 im
Kraftvergleich zu einer Feder mehr oder weniger stark öff
net, wodurch es möglich ist, den Druck in der Leitung 12
und damit in der Common-Rail allein über das Druckbegren
zungsventil 30, das vorzugsweise als Proportionaldruckven
til ausgebildet ist, mittels des anfallenden Mengenüber
schusses der Hochdruckpumpe gegenüber dem Einspritzmengen
bedarf so zu kontrollieren, daß immer nur eine minimale
Überschußmenge gefördert wird. Diese Überschußmenge wird
über das Hochdruckregelventil, d. h. das Druckregelventil 30
abgespritzt und erzeugt stromauf der Staudrossel 32 einen
Soll-Staudruck der das Stellsignal für die Fluidfördermen
gen-Begrenzungseinrichtung liefert.
Mit diesem Regelungssystem ergibt sich eine hohe Dyna
mik, die insbesondere beim Rückregeln des Drucks in der
Common-Rail besondere Vorzüge hat. Herkömmliche Saugdros
selpumpen, die darüber hinaus mit einer aufwendigen Druck
sensorik in der Common-Rail arbeiten, haben das Problem,
daß der Hochdruckbereich trotz schnellen Abschwellens der
Pumpe nicht schnell genug entlastet wird und daß sich der
Druckabbau nur als Folge von Leckagemengen bzw. Restein
spritzmengen einstellt. Dem gegenüber kann das Hochdruck-
Begrenzungsventil den Druck in der Common-Rail bei Bedarf
sehr schnell abbauen. Dabei wird eine große Überschußmenge
über das Druckbegrenzungsventil geleitet und somit ein ho
her Staudruck an der Staudrossel erzeugt, der zu einem sehr
schnellen Schließen des Saugdrosselventils vor der Pumpe
führt und damit die Fördermenge der Pumpe schlagartig auf
Null setzt. Dabei kann das vorzugsweise einstellbare Druck
begrenzungsventil, das gemäß einer vorteilhaften Ausgestal
tung als Proportional-Druckbegrenzungsventil ausgestaltet
ist, gleichzeitig dazu genutzt werden, den Druck in der
Common-Rail im Bedarfsfall, d. h. bei auftreten von Problem
situationen im Einspritzsystem, schlagartig abzubauen. In
diesem Fall ist es von Vorteil, die Staudrossel 32 mit ei
nem Sicherheitsventil 34 zu überbrücken, das beispielsweise
als vorgespanntes Rückschlagventil ausgebildet ist. Das Si
cherheitsventil ist somit zwischen die Signalleitung 26 und
den Abschnitt 28C der Ablaufleitung 28 geschaltet.
Die vorstehend beschriebene Regelung ist somit ohne ei
ne aufwendige Drucksensorik in der Common-Rail in der Lage,
die Energieseite derart optimal zu handhaben, daß mehr oder
weniger nur die Menge in den Hochdrucktrakt gefördert
wird, die effektiv als Einspritzmengenbedarf erforderlich
ist. Dies führt dazu, daß auch keine unnötig große Über
schußmenge unzulässig hohe Wärmemengen in den Kraftstoff
tank einbringt, so daß aufwendige Kühleinrichtungen ent
behrlich sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist als Fluidför
dermengen-Begrenzungseinrichtung ein Saugdrosselventil 22
vorgesehen, dessen Stellelement unmittelbar vom Leitungs
druck in der Signalleitung 26 beaufschlagt ist. Es ist je
doch gleichermaßen möglich, im Ventilkörper des Saugdros
selventils mit einem umgewandelten Signal zu beaufschlagen.
Diese Variante ist in Fig. 2 angedeutet. Hier sind ver
gleichbare Elemente des Regelkreises mit ähnlichen Bezugs
zeichen für diejenigen Bauteile versehen, die den Komponen
ten der Fig. 1 entsprechen, wobei lediglich eine "1" vor
angestellt ist.
Von der Ausgangsseite 128B des Druckbegrenzungsventils
130 zweigt die Signaldruckleitung 126, in die ein Nieder
drucksensor 136 eingegliedert ist, dessen Ausgangssignal in
einem elektrischen Schaltkreis 138 so verarbeitet wird, daß
das Ausgangssignal unmittelbar auf das Stellteil 140 des
Saugdrosselventils 122 gegeben werden kann. Über den
Schaltkreis 138 kann mit einfachen Mitteln Einfluß auf die
Regelcharakteristik des Systems genommen werden. Selbst
diese Ausführungsform ist wirtschaftlich herstellbar als
die Regelung des Standes der Technik, da der Niederdruck
sensor preisgünstiger als eine Hochdruck-Sensorik ist.
In Fig. 2 ist mit gestrichelten Linien eine Sicher
heitsventilanordnung 134 bezeichnet, die ähnlich dem Si
cherheitsventil 34 gemäß Fig. 1 aufgebaut ist.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich
von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß
das die Fluidfördermengen-Begrenzungseinrichtung beauf
schlagende Stellsignal auf andere Weise gewonnen wird. Das
Stellsignal verändert sich nach wie vor entsprechend dem
Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung 228, in der wie
derum ein einstellbares Druckbegrenzungsventil 230 angeord
net ist. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch das Saug
drosselventil 222 mittels eines Thermofühlers 242 angesteu
ert. Das Stellelement 244 des Thermofühlers 242 wird auch
hier in Abhängigkeit von der Abspritzmengen des Druckbe
grenzungsventils in dem Sinne bewegt, daß das Saugdrossel
ventil die Versorgungsmenge der Hochdruckpumpe derart ver
ändert, daß nur die zur Einhaltung des Solldrucks in der
Common-Rail erforderliche Fluidmenge bereitgestellt und ge
fördert wird.
Bei dem Thermofühler 242 handelt es sich um ein an sich
bekanntes Dehnstoffelement, das von dem abströmenden Kraft
stoff in der Leitung 228B umströmt wird. Zu diesem Zweck
ist die Metalldose 246 zur Ausbildung eines Ringraums 247
in einem Gehäuse 248 aufgenommen, aus dem der Arbeitskolben
(Stellelement) 244 ragt. Die Dehnstoffkammer ist mit 249
bezeichnet und unterliegt in Abhängigkeit von der abge
spritzten Kraftstoffmenge Temperaturschwankungen, wodurch
das Stellelement 244 mehr oder weniger weit aus Metalldose
246 ausgefahren wird.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele haben ge
meinsam, daß das Stellsignal auf eine zentrale Fluidförder
mengenbegrenzungseinrichtung in Form einer Saugdrossel der
art einwirkt, daß das Versorgungsvolumen für die Hochdruck
pumpe verändert wird. Demgegenüber wird bei der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 4 das Stellsignal dazu genutzt, die
Verdichtungsleistung der Hochdruckpumpe zu verändern. Auch
bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind für Bauteile, die
den Komponenten der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
entsprechen, ähnliche Bezugszeichen verwendet, denen jedoch
eine "3" vorangestellt ist. Die Hochdruckpumpe 310 ist als
Radialkolbenpumpe mit beispielsweise 3 bis 5 Radialkolben
352 ausgebildet, die über eine Exzenterwelle 353 gesteuert
sind. Kraftstoff wird über die Vorförderpumpe 314 der Hoch
druckpumpe 310 zugeführt, und zwar über ein federvorge
spanntes Rückschlagventil 354 zu einer Verdrängerkammer
355. Das Rückschlagventil 354 d. h. genauer gesagt der Ven
tilkörper des Rückschlagventils 354 ist mittels eines Na
delteils 356 eines Stellkolbens 357 aufsteuerbar und kann
in der Offenstellung gehalten werden, wodurch der Verdich
tungskolben 352 quasi abgeschaltet wird. Der Stellkolben
357 ist mittels einer Feder 358 in eine Richtung vorge
spannt, in der das Nadelteil 356 zurückgezogen ist und das
Rückschlagventil 354 in Funktion bleibt. Auf der anderen
Seite der Feder 358 ist eine Signaldruckkammer 359 ausge
bildet, die an die Signaldruckleitung 326 angeschlossen
ist. In Übereinstimmung mit den vorher beschriebenen Aus
führungsformen, zweigt die Signaldruckleitung 326 von der
Ablaufleitung 328B stromauf einer Staudrossel 332 ab, d. h.
zwischen der Staudrossel 332 und dem elektrisch einstellba
ren Druckbegrenzungsventil 330. Wenn somit der Druck in der
Hochdruckleitung 312 zu hoch wird, wird eine entsprechende
Kraftstoffmenge über das Druckbegrenzungsventil 330 abge
spritzt, in der Signalleitung 326 baut sich ein Signaldruck
auf, der durch Verschiebung des Kolbens 357 und des Nadel
teils 356 das Ventil 354 in Offenstellung hält, so daß der
Verdrängerkolben 352 abgeschaltet wird. Bei der Ausfüh
rungsform nach Fig. 4 ist jedem einzelnen Verdrängerkolben
352 ein separates Stellelement 356, 357 zugeordnet, so daß
die Verdrängerkolben 352 einzeln zu- bzw. abgeschaltet wer
den können. Dabei kann die Abschaltung auch gestaffelt,
d. h. sequentiell erfolgen. Der Erfindungsgedanke wird je
doch nicht verlassen, wenn die einzelnen Stellelement syn
chron betätigt werden, so daß die Verdrängerkolben gleich
zeitig zu- und abschaltbar sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die Regelung
in einer Modifikation dargestellt, bei der das Stellsignal
auf eine abgewandelte Weise zur Begrenzung der Fluidförder
menge benutzt wird. Diese Ausführungsform entspricht weit
gehend derjenigen gemäß Fig. 1, so daß auf eine nähere Be
schreibung der übereinstimmenden Komponenten hier verzich
tet werden kann. Es werden für vergleichbare Komponenten
Bezugszeichen verwendet, denen eine "4" vorangestellt ist.
Bei dieser Ausführungsform wird das Stellsignal in der
Leitung 426 auf ein Stellteil 462 einer verstellbaren Vor
förderpumpe 460 gegeben, die beispielsweise im Bereich bis
zu 5 Bar verstellbar ist. Diese verstellbare Vorförderpumpe
kann durch eine vorgeschaltete zusätzliche Niederdruckpumpe
464 gespeist werden. Die Funktionsweise ist ansonsten ver
gleichbar mit derjenigen der Ausführungsform nach Fig. 1.
Schließlich wird anhand der Fig. 6 noch eine weitere
Ausführungsform der Regelung beschrieben die sich durch ei
ne besonders einfache Integration eines Sicherheitsventils
in die Fluidfördermengen-Begrenzungseinrichtung auszeich
net. Auch bei dieser Ausgestaltung sind für die Komponen
ten, die den Elementen der zuvor beschriebenen Ausführungs
beispiele entsprechen, ähnliche Bezugszeichen verwendet,
denen eine "5" vorangestellt ist.
Auch hier wird eine Hochdruckpumpe 510 von einer Vor
förderpumpe 514 gespeist. An die Hochdruckleitung 512 ist
ein vorzugsweise proportional verstellbares Druckbegren
zungsventil 530 angeschlossen. Das Druckbegrenzungsventil
liegt in der Ablaufleitung 528, in der auch eine Staudros
sel 532 eingebaut ist. Der Druck im Leitungsabschnitt 528
wird auch hier als Stellsignaldruck zur Veränderung der
Fluidfördermenge genutzt, und zwar in folgender Art und
Weise:
Der Druck am Eingang der Hochdruckpumpe 510 wirkt durch
Veränderung des Strömungsquerschnitts zwischen einem Druck
ausgang 566 der Vorförderpumpe 514 und einer Tankleitung
568. Zu diesem Zweck ist zwischen den Druckausgang 566 und
der Tankleitung 568 eine verstellbare Ablaufblende 570 ge
schaltet, die einen Steuerkolben 572 hat, welcher in
Schließrichtung von der Kraft einer Feder 574 und in Öff
nungsrichtung vom Stau- bzw. vom Signaldruck in der Leitung
528B beaufschlagt ist. Die Drosselsteuerkante der verstell
baren Ablaufblende 570 sind mit 575 und 576 bezeichnet. Der
Federraum ist über eine Düse 578 druckentlastet.
Mit dem Bezugszeichen 580 ist eine zusätzliche Steuer
kante bezeichnet, über die der Druck in der Signaldrucklei
tung 528B durch Öffnung einer Verbindung zur Tankleitung
568 abbaubar ist, wodurch die verstellbare Ablaufblende 570
ein Sicherheits- und Schnellablaßventil ausbildet.
In weiterer Abweichung von den zuvor beschriebenen Aus
führungsbeispielen befindet sich im Bypass zur Vorförder
pumpe 514 ein Sicherheitsventil 582 in Form eines Rück
schlagventils mit federbeaufschlagtem Schließkörper, zu dem
eine Blende 584 parallel geschaltet ist. Durch die Blende
584 ergibt sich eine Anpassung der Steuercharakteristik an
die Drehzahl der Vorförderpumpe und damit der Brennkraftma
schine. Dies wirkt sich dahin aus, daß eine feinere Druck
regelung erzielbar ist, als dies mit einer staudruckgere
gelten Ablaufblende 570 allein der Fall wäre.
Selbstverständlich sind Abweichungen von den zuvor be
schriebenen Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Grund
gedanken der Erfindung zu verlassen. So ist es beispiels
weise abweichend von den Ausführungsformen der Fig. 1
bis 3 möglich, anstelle eines zentralen Saugdrosselventils
22, 122 bzw. 222 mit einer Anordnung zu arbeiten, bei der
jedem Verdrängerkolben der Hochdruckpumpe ein separates We
geventil zugeordnet ist, wobei dann der Ventilschieber die
ses Wegeventils stufenlos in Abhängigkeit vom Staudruck
derart verschoben wird, daß die einzelnen Verdränger durch
den Staudruck und die entsprechenden Ventilschieber gedros
selt werden. Die Verdränger können dabei gleichzeitig ange
drosselt werden. Es kann jedoch auch gleichermaßen eine se
quentielle Androsselung nacheinander erfolgen, in dem bei
spielsweise die rückstellenden Federkräfte an den einzelnen
Schieberelementen unterschiedlich ausgelegt werden.
Die Erfindung schafft somit eine Regelung für ein
Druckfluid-Versorgungssystem, insbesondere für den Hoch
druck in einem Kraftstoff-Einspritzsystem beispielsweise
für eine Dieselbrennkraftmaschine, mit der Druck in einer
gemeinsamen, von einer Hochdruckpumpe gespeisten Hochdruck
leitung, d. h. in der Common-Rail, an die einzelne Verbrau
cher angeschlossen sind, entsprechend der momentanen Druck
fluidanforderung eingeregelt wird. Der Hochdruckpumpe ist
zur Anpassung des Drucks in der gemeinsamen Hochdrucklei
tung an den Druckfluidbedarf der Verbraucher, d. h. der Ein
spritzdüsen, eine Fluidfördermengen-Begrenzungseinrichtung
zugeordnet, die zumindest ein Stellelement hat, das mittels
eines die momentane Druckfluidversorgungssituation in der
Common-Rail wiedergebenden Stellsignals veränderbar ist.
Zur Vermeidung einer aufwendigen Drucksensorik in der Com
mon-Rail und zur gleichzeitigen Verbesserung des Ansprech
verhaltens der Regelung insbesondere beim Zurückregeln des
Hochdrucks in der Common-Rail wird das Stellsignal vom
Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung eines Druckbe
grenzungsventils abgeleitet, das an die Common-Rail ange
schlossen ist. Über dieses Stellsignal wird der Vorförder
druck bzw. die der Hochdruckpumpe zur Verfügung stehende
Vorfördermenge im Sinne einer Einregelung des Drucks in der
Common-Rail beeinflußt.
Claims (29)
1. Regelung für ein Druckfluid-Versorgungssystem, insbe
sondere für den Hochdruck in einem Kraftstoff-Ein
spritzsystem beispielsweise für eine Dieselbrennkraft
maschine, mit der der Druck in einer gemeinsamen, von
einer Hockdruckpumpe gespeisten Hochdruckleitung (12;
312; 412; 512), an die einzelne Verbraucher, insbeson
dere Einspritzdüsen angeschlossen sind, entsprechend
der momentanen Druckfluidanforderung in Abhängigkeit
von Betriebsparametern des Systems, insbesondere der
Dieselbrennkraftmaschine eingeregelt wird, wobei der
Hockdruckpumpe (10; 310; 410; 510) zur Anpassung des
Drucks in der gemeinsamen Hochdruckleitung an den
Druckfluidbedarf der Verbraucher eine Fluidfördermen
genbegrenzungseinrichtung zugeordnet ist, die zumin
dest ein Stellelement hat, welches mittels eines die
momentane Druckfluidversorgungssituation in der ge
meinsamen Hochdruckleitung wiedergebenden Stellsignals
(P28B) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellsignal von einer physikalischen Größe abge
leitet ist, die sich entsprechend dem Fluidmengen
durchsatz in der Ablaufleitung (28; 128; 228; 328;
428; 528) eines an die gemeinsame Hochdruckleitung
(12; 212; 312; 412; 512) angeschlossenen, vorzugsweise
einstellbaren Druckbegrenzungsventils (30; 130; 230;
330; 430; 530) verändert.
2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellsignal von einem Staudruck stromauf einer
Staudrossel (32; 132; 332; 432; 532) in der Ablauf
leitung abgeleitet ist.
3. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellsignal von der Temperatur in der Ablauf
leitung (228) abgeleitet ist.
4. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellsignal von einer Bewegungsgröße des Druckbe
grenzungsventils abgeleitet ist.
5. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fluidfördermengenbegrenzungs
einrichtung von einer Saugdrosseleinrichtung (22; 122;
222) gebildet ist, die der Hockdruckpumpe (10; 110;
210) vorgeschaltet ist.
6. Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Saugdrosseleinrichtung (22; 122; 222) eine einzige
Saugdrossel aufweist, die im Zulauf der Hockdruckpumpe
(10; 110; 210) liegt.
7. Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Saugdrosseleinrichtung eine der Anzahl der Ver
dränger der Hockdruckpumpe entsprechende Zahl von
Saugventilen aufweist, die in der jeweiligen Zulauf
leitung des Verdrängers der Hockdruckpumpe (10; 110;
210) liegen.
8. Regelung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Saugventile sequentiell ansteuerbar sind.
9. Regelung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Saugdrosseleinrichtung zumindest
ein Saugdrosselventil (22; 122; 222) mit einem Ventil
körper aufweist, der mittels des Stellsignals gegen
eine Rückstellkraft (24) verschiebbar ist.
10. Regelung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Saugdrosselventil (22; 122; 222) von einem stetig
verstellbaren Wegeventil gebildet ist.
11. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fluidfördermengenbegrenzungs
einrichtung zumindest ein Stellelement (536; 637) auf
weist, mit dem die Verdichtungsleistung der Hockdruck
pumpe (510) veränderbar ist.
12. Regelung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
jedem Verdränger (352) der Hockdruckpumpe (310) ein
Stellelement (356, 357) zugeordnet ist.
13. Regelung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Stellelemente (356, 357) sequentiell auf
das Stellsignal (P326) ansprechen.
14. Regelung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stellelement (356, 357) einen
Kolbenkörper (357) aufweist, der mittels des Stell
signals (P326) gegen eine Rückstellkraft (Feder 358)
verschiebbar ist.
15. Regelung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellelement (356) auf den Schließkörper eines
Rückschlagventils (354) einer Verdrängerkammer (355)
der Hockdruckpumpe (310) einwirkt.
16. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fluidfördermengenbegrenzungs
einrichtung von einer verstellbaren Vorförderpumpe
(460) gebildet ist.
17. Regelung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
das Hubvolumen mittels des Stellsignals veränderbar
ist.
18. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fluidfördermengenbegrenzungs
einrichtung von einer einstellbaren Ablaufblende (570)
in einer vom Druckausgang (566) einer Vorförderpumpe
(514) zu einem Niederdruckbereich (T, 568) führenden
Zweigleitung (586) gebildet ist.
19. Regelung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ablaufblende einen Steuerkolben (572) hat, der in
Schließrichtung der Ablaufblende von einer Druckfeder
(574) und in Öffnungsrichtung von einer dem Stell
signal entsprechenden Kraft (P528B) beaufschlagt ist.
20. Regelung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der Steuerkolben (572) eine zusätzliche Steuerkante
(580) hat, über die die Ablaufleitung (528) des Druck
begrenzungsventils (530) weitgehend frei von einer
Drosselung kurzfristig in einen Niederdruckbereich (T,
568) entlastbar ist.
21. Regelung insbesondere nach einem der Ansprüche 18 bis
20, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass zur Vorför
derpumpe (514) ein Druckabsicherungsventil (582) ange
ordnet ist, dem eine Blende (584) parallelgeschaltet
ist.
22. Regelung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
das Druckabsicherungsventil von einem vorgespannten
Rückschlagventil (582) gebildet ist.
23. Regelung nach einem der Ansprüche 2 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck in der Ablaufleitung
(528B) mittels eines Sicherheitsventils (34; 134; 234;
434; 570) begrenzbar ist.
24. Regelung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß
das Sicherheitsventil von einem vorgespannten Rück
schlagventil (34; 134; 234; 434) gebildet ist, über
das bei einer schnellen Druckentlastung der gemein
samen Hochdruckleitung (common rail) eine gesteigerte
Druckfluidmenge abströmen kann.
25. Regelung nach einem der Ansprüche 2 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stellsignal dem Staudruck ent
spricht.
26. Regelung nach einem der Ansprüche 2 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stellsignal mittels eines
Niederdrucksensors (136) in der Ablaufleitung (128B)
gewonnen wird.
27. Regelung nach einem der Ansprüche 3 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stellsignal mittels eines
Dehnstoffthermostats (242) gewonnen wird, das in die
Ablaufleitung (228B) eingegliedert ist.
28. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hockdruckpumpe (10; 310; 410;
510) von einer Radialjetpumpe gebildet ist.
29. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil von ei
nem Proportional-Regelventil (30; 130; 230; 330; 430;
530) gebildet ist.
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