DE19646581A1 - Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzsystem nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen, durch die EP-B1-0 243 871 bekannten Kraftstoffeinspritzsy­ stem ist zur Druckversorgung des Kraftstoffhochdruckspei­ chers eine Reiheneinspritzpumpe vorgesehen, die drei Pumpen­ kolben mit entsprechenden Pumpenarbeitsräumen aufweist. Je­ der dieser Pumpenkolben fördert in den Kraftstoffhochdruck­ speicher in geregelter Menge, wobei die Kraftstoffeinspritz­ mengenhochdruckförderung durch jeweils ein von einer elektrischen Steuereinrichtung gesteuertes Magnetventil erfolgt, das in einer Entlastungsleitung des jeweiligen Pumpenarbeitsraumes angeordnet ist und mit dem Schließen die Phase der Hochdruckförderung bestimmt. Beim Saughub wird der jeweilige Pumpenarbeitsraum durch eine vom Kolben geführte Steuerkante mit einem Kraftstoffzulauf verbunden, so daß der Pumpenarbeitsraum im unteren Totpunkt gänzlich mit Kraftstoff gefüllt wird. Die Pumpenkolben werden dabei durch Mehrfachnocken angetrieben, derart, daß sie synchron zum jeweiligen Kraftstoffeinspritzpunkt der einzelnen Kraftstoffeinspritzventile ihre Hochdruckförderphase haben und somit ein etwa gleicher Druck in dem Kraftstoffhoch­ druckspeicher eingestellt werden kann. Mit Hilfe eines Drucksensors wird dieser Druck erfaßt und entsprechend einem Sollwert von der elektrischen Steuereinrichtung ein Steuersignal an die jeweiligen Magnetventile abgegeben.

Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß eine sehr aufwendige Steuerung für jedes Pumpenelement der Hochdruckpumpe erfor­ derlich ist. Eine Druckänderung im Hochdruckspeicher kann dabei lediglich immer dann vorgenommen werden, wenn eine Kraftstoffhochdruckeinspritzung erfolgt, so daß eine spon­ tane Änderung eines höheren Druckniveaus im Kraftstoffhoch­ druckspeicher nur verzögert durchgeführt werden kann. Um eine Druckänderung im Speicher zu erwirken kann der Druck nur während der Einspritzung ansteigen. Das ergibt einen un­ definierten Zustand des Speicherdrucks während der Einspritzung, so daß es schwierig wird, die richtige Ein­ spritzmenge als Summenwirkung von an einem bestimmten Zu­ meßquerschnitt anstehenden Druck und der Zeit zu bemessen.

Vorteile der Erfindung

Durch das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 ergibt sich der Vorteil, daß durch ein Zu- und Abschalten des zweiten der Pumpenelemente, das mit konstanter Hochdruckfördermenge betrieben wird, hier eine sehr einfache Regelung des Drucks im Kraftstoffhochdruckspeicher erzielt werden kann. Insbe­ sondere wird durch das Zuschalten des mit konstanter Hoch­ druckfördermenge arbeitenden Pumpenelements eine schnelle und spontane Drucksteigerung im Kraftstoffhochdruckspeicher erzielt, so daß schnell auf sich ändernde Betriebsbedingun­ gen reagiert wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, daß wenn das zweite der Pumpenelemente in einem zwischen den Kraft­ stoffeinspritzvorgängen der einzelnen Kraftstoffeinspritz­ ventile liegenden Zeitraum fördert bereits frühzeitig das Druckniveau von einem ersten Werte auf einen zweiten Werte verändert werden kann und dann dann mittels den mit varia­ bler Kraftstoffördermenge fördernden Pumpenelementen in den Betriebsbereich in dem die Einspritzungen erfolgen konstant gehalten wird. Somit wird ein stabiler Speicherdruck während der Einspritzung erzielt. Das zweite Pumpenelement wird zur Durchführung der Druckerhöhung nur einen relativ geringen Zeitanteil der Betriebsdauer der Kraftstoffeinspritzpumpe unter Arbeitsbedingungen betrieben und kann vorteilhaft auf eine kürzere Lebensdauer ausgelegt werden.

Des weiteren werden vorteilhaft Druckschwingungen im Hoch­ druckspeicher wohl gemäß der Lösung nach Patentanspruch 1, also auch nach der Lösung gemäß Patentanspruch 2 vermieden. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die synchron zur Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Antriebsnocken als Mehrfachnocken, insbesondere als Dreifachnocken ausgeführt werden, so daß eine Vielzahl von Hüben pro Umdrehung auch bei wenigen Pumpenelementen erzielbar sind.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine thematische Darstellung des Kraftstoffein­ spritzsystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Hochdruckpumpe mit einem mit variabler Fördermenge fördernden Pumpenelement und einem mit konstanter Fördermenge fördernden Pumpenelement,

Fig. 3 einen Variante der Ansteuerung der Hochdruckpumpe zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Druckverlaufs über die Zeiten der Einspritzung und Hochdruckförderung der Hoch­ druckpumpe,

Fig. 5 den Druckverlauf über die Zeit bei zwischen den ein­ zelnen Einspritzungen förderndem zweiten Pumpenelement.

Beschreibung

Ein Kraftstoffeinspritzsystem der erfindungsgemäßen Art weist eine Hochdruckpumpe 1 auf, die drehzahlsynchron zur zugehörigen Brennkraftmaschine angetrieben wird. Diese saugt aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 2 Kraftstoff an und för­ dert diesen über eine Kraftstoffhochdruckleitung 3, vorzugs­ weise gesteuert durch ein elektrisch gesteuertes Steuerven­ til, hier einem Magnetventil 4, und über ein in Förderrich­ tung öffnendes Rückschlagventil 5 in einen Kraftstoffhoch­ druckspeicher 6. Von diesen führen Kraftstoffleitungen 8 zu Kraftstoffeinspritzventilen 9 an der Brennkraftmaschine 10. Die von den Kraftstoffeinspritzventilen 9 an die Brenn­ kraftmaschine abgegebene Kraftstoffmenge wird dabei jeweils durch ein vorzugsweise elektrisch gesteuertes Ventil, im vorliegendem Ausführungsbeispiel einem Magnetventil 11 ge­ steuert. Die Ansteuerung dieser Ventile erfolgt durch ein elektrisches Steuergerät 14, das Signale von einem Drucksen­ sor 15 erhält, der den Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher erfaßt. Das elektrische Steuergerät erhält ferner Signale von einem Drehzahlaufnehmer, von einem OT-Geber und von sonstigen Parametern der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl­ wunsch und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und steuert entsprechend die Kraftstoffeinspritzventile 9 mit Hilfe der Magnetventile 11 nach Menge und Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff. Das elektrische Steuergerät steuert ferner das Magnetventil 4, das die Fördermenge der Hochdruckpumpe in den Kraftstoffspeicher steuert und mit dieser Steuerung den Druck im Kraftstoffspeicher auf dem gewünschten Wert hält.

Die in Fig. 1 nur symbolisch dargestellte Hochdruckpumpe mit Magnetventil 4 und Rückschlagventil 5 ist in Fig. 2 de­ taillierter dargestellt. Hier sind unter Weglassung eines Gehäuses zwei Pumpenelemente dargestellt: ein erstes Pum­ penelement 16 und ein zweites Pumpenelement 17. Jedes der Pumpenelemente weist einen Pumpenzylinder 19 auf, in dem ein Pumpenkolben 20, der von einem Antriebsnocken 22 angetrieben wird, gegen die Kraft einer Feder 21 bewegt wird. Die Pum­ penkolben schließen dabei in dem Zylinder 19 jeweils einen Arbeitsraum 23 ein, der über eine Kraftstoffdruckleitung, in der jeweils das in Förderrichtung öffnende Druckventil 5 an­ geordnet ist, mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 6 verbun­ den ist. Die Füllung des Pumpenarbeitsraums erfolgt jeweils über eine Füllbohrung 25, die im unteren Totpunkt des Pum­ penkolbens durch dessen Stirnkante 26 geöffnet wird, so daß Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 2 oder gegebenenfalls über eine Vorförderpumpe 24 in den Pumpenarbeitsraum 23 zu dessen vollständige Erfüllung gelangen kann. Beim anschlie­ ßenden Förderhub wird die Füllbohrung 25 durch den Pumpen­ kolben verschlossen und der im Pumpenarbeitsraum 23 vorhan­ dene Kraftstoff komprimiert. Dieser Vorgang führt dann zur Hochdruckförderung in den Kraftstoffhochdruckspeicher 6, wenn das in einer Entlastungsleitung 27 des Pumpenarbeits­ raumes 23 angeordnete Magnetventil 4 geschlossen ist. Diese Magnetventile 4 werden, wie schon oben gesagt, von dem elek­ trischen Steuergerät 14 so gesteuert, daß sich in dem Kraft­ stoffhochdruckspeicher 6 ein gewünschter Druck einstellt.

Erfindungsgemäß wird im vorliegenden, z. B. das erste Pum­ penelement 16 durch das Magnetventil so gesteuert, daß der Pumpenarbeitsraum 23 über einem bestimmten Pumpenkolbenför­ derhub geschlossen wird, so daß über diesen Hub eine Hoch­ druckförderung in den Hochdruckspeicher erfolgt. Mit Hilfe einer Bohrung 28 im die von der Stirnseite 26 des Pumpenkol­ bens ausgeht und zu einer umfangseitigen Steuernut 29 am Pumpenkolben führt, ist es möglich, einen maximalen Förder­ hub des Pumpenkolbens festzulegen, indem die Steuernut bei diesem maximalen Förderhub den Pumpenarbeitsraum mit der Füllbohrung 25 und damit zum Niederdruckraum verbindet. Die Hochdruckförderung wird dabei dann vorzugsweise durch ein Schließen des Magnetventils ab einem bestimmten Pumpenkol­ benhub eingeleitet und somit die Hochdruckfördermenge ge­ steuert.

Mit Hilfe des Magnetventils wird somit variabel der in den Kraftstoffhochdruckspeicher 6 geförderte Kraftstoff gesteu­ ert, wobei diese Förderung wiederum abhängig ist von dem An­ triebsnocken 22, der im vorliegenden Beispiel als Drei­ fachnocken ausgeführt ist und somit pro Umdrehung drei För­ derhübe des Pumpenkolbens 20 bewirken kann. Dieser Nocken wird drehzahlsynchron angetrieben, z. B. mit der Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, und ist so ausgelegt, daß jeweils dann ein Förderhub des Pumpenkolbens 20 des er­ sten Pumpenelements erfolgt, wenn eine Kraftstoffeinsprit­ zung über eines der Einspritzventile erforderlich ist.

In Fig. 4 ist in einem Diagramm schematisch dargestellt, zu welchen Zeitpunkten eine Einspritzung E erfolgt, zu welchen Zeitpunkten eine Förderung F des ersten Pumpenelements er­ folgt und welche Reaktion sich bei dem Druck im Kraftstoff­ hochdruckspeicher 6 mit dem Druckverlauf D einstellt. Man sieht, daß mit Beginn der Förderung, die insgesamt länger dauert, als die jeweilige Einspritzung und zu einem früheren Zeitpunkt als der Einspritzzeitpunkt beginnt, der Druck zu­ nächst ansteigt, der dann mit eintretender Einspritzung ab­ fällt und nach Ende der Einspritzung durch den Rest der Hochdruckförderung der Kraftstoffhochdruckpumpe wieder auf das ursprüngliche Niveau angehoben werden kann. Sind also die Kraftstoffhochdruckfördermengen F den Einspritzmengen angepaßt, so stellt sich insgesamt ein mittleres Druckni­ veau MD ein. In diesem Zustand wird das zweite Pumpenelement 17 zwar angetrieben, aber es erfolgt wegen des geöffneten Magnetventils 4 keine Hochdruckförderung in den Kraftstoff­ hochdruckspeicher. Der vom Pumpenkolben 20 bewegte Kraft­ stoff wird über das geöffnete Magnetventil in den Kraft­ stoffvorratsbehälter 2 zurückgefördert.

Soll nun aber ein höherer Einspritzdruck im Kraftstoffhoch­ druckspeicher eingestellt werden aufgrund bestimmter Be­ triebsbedingungen der Brennkraftmaschine, so wird das zweite Pumpenelement im Fördersinne in Betrieb genommen. Für diesen Fall wird dann das Magnetventil 4 des zweiten Pumpenelements 17 ganz geschlossen, so daß der Pumpenkolben 20 dieses Pum­ penelements mit jedem Förderhub die gleiche Hochdruckmenge in den Kraftstoffhochdruckspeicher fördert. Die Feinregelung des Druckes im Kraftstoffhochdruckspeicher wird dann durch Steuerung des Magnetventils 4 des ersten Pumpenelementes vorgenommen. Die Förderung kann dabei synchron zur Förderung des ersten Pumpenelements erfolgen, vorteilhaft jedoch wird diese Konstantmengenförderung zu Zeiten vorgenommen, zu de­ nen keine Einspritzung erfolgt. Der Fig. 5 ist zu entneh­ men, daß diese Hochdruckförderung FK zwischen den Förderan­ teilen F des ersten Pumpenelements liegt und somit auch zwi­ schen den einzelnen Einspritzungen durch die Kraftstoffein­ spritzventile. Dem Druckverlauf entnimmt man, daß mit Ein­ setzen der Förderung FK das Druckniveau von einem ersten Ni­ veau D1 auf ein zweites Niveau D2 angehoben wird. Über die Einspritzung bleibt dieses Niveau aufgrund der Förderung des ersten Pumpenelements erhalten. Dabei ist der in Fig. 5 wiedergegebene Kurvenverlauf mit Druckabnahme bei Mengenentnahme während der Einspritzung in Fig. 4 vernachlässigt worden.

Eine Abwandlung der Steuerung des zweiten Pumpenelements nach Ausführungsbeispiel Fig. 2 kann bei dem zweiten Pum­ penelement 17' nach Fig. 3 das Steuerventil als Steuerven­ til 4', hier wieder als Magnetventil ausgeführt, statt in einer separaten Entlastungsleitung nun auch im Zulauf von der Vorförderpumpe 24 zum Pumpenarbeitsraum 23 bzw. zur Füllbohrung 25 angeordnet sein. Die zuvor vorgesehenen Ent­ lastungsleitung kann entfallen. Zur zusätzlichen Hochdruck­ förderung durch das zweite Pumpenelement 17' wird nun das Steuerventil 4' geöffnet, damit eine vollständige Füllung des Pumpenarbeitsraumes 23 möglich wird. Zur Außerbetriebnahme des zweiten Pumpenelements wird das Steuerventil 4' ge­ schlossen. Auch hier dient ein konstanter Hub des Pumpenele­ ments 17' der Hochdruckförderung beim seinem Zuschalten. Er­ satzweise oder auch zusätzlich für das Aufsteuern der Ver­ bindung der Bohrung 28 mit der Füllbohrung 25 über die Steu­ ernut 29 kann auch eine über jeweils ein Rückschlagventil 30 herstellbare Verbindung zum Pumpenarbeitsraum 23 in der Saugphase vorgesehen werden. In diesem Fall wird eine Boh­ rung 28, wie sie bei Fig. 2 für eine Bereitstellung eines definierten Förderendehubes vorgesehen war, überflüssig.

Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, eine schnelle An­ hebung des Druckniveaus im Hochdruckspeicher zu erzielen, was insbesondere für bestimmte Betriebsfälle, wie Beschleu­ nigungen oder erhöhte Kraftstoffeinspritzungen während des Betriebs der Brennkraftmaschine erforderlich ist. Dies ge­ schieht in sehr einfacher Weise mit einem Minimum an elek­ trischem Steueraufwand und Einsatz von exakt und schnell schaltenden Ventilen. Das Magnetventil 4 des zweiten Ele­ ments kann im Gegensatz zu dem Magnetventil 4 des ersten Pumpenelements sehr einfach aufgebaut werden, da es keine Zeitsteuerfunktionen durchführen muß. Entsprechend kosten­ günstiger ist diese Lösung. Durch die Zwischenförderung FK kann sehr schnell auf Änderungswünsche bezüglich des Druck­ niveaus im Hochdruckspeicher reagiert werden, so daß die Re­ gelung exakt und schnell erfolgt. Statt der oben angegebenen Zahl von Pumpenelementen können natürlich auch mehrere Pum­ penelemente fördermengengeregelt betrieben werden und meh­ rere Pumpenelemente für eine konstante Fördermenge vorgese­ hen werden.

Claims (7)

1. Hochdruckpumpe (1), die Kraftstoff aus einem Vorratsbe­ hälter (2) in einen Kraftstoffhochdruckspeicher (6) fördert, aus dem der Kraftstoff über Kraftstoffleitungen (8) einzel­ nen Kraftstoffeinspritzventilen (9) zugeführt wird, durch die der Kraftstoff gesteuert durch ein elektrisches Steuer­ gerät (14) dosiert und zeitgesteuert an der Brennkraftma­ schine eingespritzt wird, wobei die Hochdruckpumpe (1) meh­ rere Pumpenelemente (16, 17) mit Pumpenkolben (20) aufweist, die von synchron zur Drehzahl der Brennkraftmaschine beweg­ ten Antriebsnocken (22) angetrieben werden und je einen Pum­ penarbeitsraum (23) in einem Pumpenzylinder (19) begrenzen, der beim Saughub der Pumpenkolben mit Kraftstoff versorgt wird und aus dem beim Förderhub der Pumpenkolben (20) Kraft­ stoff in durch je ein Steuerventil (4), insbesondere ein elektrisch gesteuertes Ventil, gesteuerter Menge in den Kraftstoffhochdruckspeicher (6) gefördert wird, und wenig­ sten ein erstes (16) der Pumpenelemente durch den Antriebs­ nocken (22) und das Steuerventil (4) so gesteuert wird, daß die Hochdruckförderung zeitsynchron mit der Kraftstoffein­ spritzung durch die Kraftstoffeinspritzventile (9) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites (17, 17') der Pum­ penelemente durch den Antriebsnocken (22) und ein Steuerven­ til (4, 4') so gesteuert wird, daß es mit konstanter Hoch­ druckfördermenge und in Abhängigkeit von Betriebsparametern, insbesondere in Abhängigkeit vom Druck im Kraftstoff­ hochdruckspeicher (6) zugeschaltet oder abgeschaltet wird.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zweite (17, 17') der Pumpenelemente in einem zwischen den Kraftstoffeinspritzvorgängen der einzel­ nen Kraftstoffeinspritzventile (9) liegenden Zeitraum för­ dert.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pumpenarbeitsräume (23) der ersten Pumpenelemente (16) beim Saughub der Pumpenkolben (20) ganz mit Kraftstoff gefüllt wird und die Fördermenge der Pumpenkolben (20) durch den Zeitraum des Geschlossenseins der in einer Entlastungsleitung (27) jeder der Pumpenarbeits­ räume (20) liegenden Steuerventile (4) bestimmt wird.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Pumpenelement (17, 17') der genannten Pumpenelemente mit konstanter Hochdruckfördermenge betrieben wird und die Hochdruckförderung über das Steuer­ ventil (4, 4') zu- oder abgeschaltet wird.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Steuerventil (4') eine Füllbohrung (25) zum Pumpenarbeitsraum (23) des zweiten Pumpenelements (17') steuert.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Steuerventil (4) eine Entlastungslei­ tung (27) des Pumpenarbeitsraums (23) des zweiten Pum­ penelements (17) steuert.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsnocken (22) ein Mehrfachnocken, insbesondere ein Dreifachnocken ist.