DE19721841A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine selbstzündende Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein mechanisch angetriebenes elektronisch gesteuertes Einspritzsystem dieser Art ist aus der EP 0 114 375 A2 bekannt. Dort umfaßt die Einspritzpumpe ein Pumpengehäuse und ein als Pumpenkolben ausgebildetes Pumpenelement. Der Pumpenkolben ist in bekannter Weise von einem bezüglich des Kurbelwinkels feststehenden Nocken und einem federbelasteten Stößel in einem Pumpenraum angetrieben und fördert während seiner Hubbewegung Kraftstoff durch einen Hochdruckkanal. Der Hochdruckkanal wird von einem elektromagnetischen Steuerventil beherrscht, das in Offenstellung den Hochdruckkanal mit einem Abströmkanal verbindet, während in seiner Schließstellung Kraftstoff durch den Hochdruckkanal zu einer Kraftstoffdüse gefördert wird. Das elektromagnetische Steuerventil wird von einer Einspritzsteuereinheit so angesteuert, daß durch das Schließen und Öffnen des Steuerventils Förderbeginn wie Förderende und somit auch die Einspritzdauer in Abhängigkeit der Kurbelstellung und weiterer Kenngrößen in bekannter Weise regelbar sind. Während des Einspritzvorgangs liegt der Geschwindigkeitsverlauf des Förderelements durch die konstruktiv vorgegebene Nockenkontur fest und der sich ergebende Einspritzdruck ist eine Funktion der Kurbelwellendrehzahl sowie der relativen Lage der Einspritzphase zur Winkellage des starr an die Kurbelstellung gekoppelten Einspritznockens. Eine qualitative Variation des Einspritzdrucks innerhalb des durch die angesteuerte Einspritzphase relevanten Kurbelwinkelbereichs ist dabei nicht möglich.

Bei herkömmlichen mechanisch angetriebenen Einspritzsystemen (DE 33 13 313 C2), deren Einspritzphase durch den Hub des Pumpenkolbens druckgesteuert festgelegt ist, ist der Pumpenkolben über einen Rollenstößel unter Zwischenschaltung einer Steuerrolle eines Schwinghebels von der Nockenwelle aus angetrieben. Durch Verstellen der Steuerrolle relativ zum Antriebsnocken und dessen Umlaufrichtung, wird die Nockenerhebungskurve und damit der Einspritzzeitpunkt bezogen auf die obere Totpunktstellung des Maschinenkolbens bzw. der Kurbelstellung verstellt. Förderbeginn und Förderende sind durch den Pumpenkolbenhub und das Überschreiten eines konstruktiv vorgegebenen Einspritzdruckgrenzwertes festgelegt und der Einspritzdruckverlauf während der Einspritzphase steht durch die Gestalt des Antriebsnockens fest.

Der im Patentanspruch 1 gegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Einspritzsystem für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen anzugeben, bei dem der Einspritzdruck unter Ausnützung der Fördercharakteristik einer mechanisch angetriebenen Kraftstoffeinspritzpumpe in weiten Grenzen unabhängig vom Verhalten der Brennkraftmaschine im Kennfeld einstellbar ist.

Dieses Problem wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale dadurch gelöst, daß die Winkellage des Antriebsnockens in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine relativ zur Kurbelstellung verstellbar ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem erzielte Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die geometrische Hubkurve des Förderelements bzw. des Einspritzpumpenkolbens relativ zum Einspritzzeitraum verschoben werden kann, um den jeweils an die Betriebsbedingungen des Motors, wie z. B. Drehzahl und/oder Last angepaßten optimalen Geschwindigkeitsverlauf des Förderelements und dadurch den sich ergebenden Einspritzdruck einzustellen. So kann mittels der erfindungsgemäßen Kombination einer frei steuerbaren Einspritzung und einem winkelverstellbaren Antrieb des Förderelements an einer Brennkraftmaschine die Einspritzung beispielsweise so gesteuert werden, daß bei niedrigen Motordrehzahlen im Bereich höherer Geschwindigkeiten des Förderelements eingespritzt wird. Unter Ausnützen der Fördercharakteristik einer mechanisch angetriebenen Kraftstoffpumpe ist es dadurch grundsätzlich möglich, für emissionsoptimierten Motorbetrieb die Einspritzung auf in Bezug zur oberen Totpunktstellung des Maschinenkolbens spätere Kurbelwinkel, für verbrauchsoptimierten Motorbetrieb dagegen nach früh zu verstellen und dabei jeweils den Einspritzdruck während der Einspritzphase in entsprechend gewünschter Weise zu modulieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 sieht vor, mittels einer Winkelverstelleinrichtung und einer herkömmlichen Nockenwelle sämtliche von der Nockenwelle getragenen Antriebsnocken gleichzeitig relativ zum Antrieb zu verstellen. Da bei dieser Ausführungsform auf eine herkömmliche Nockenwelle zurückgegriffen werden kann, ist eine derartige Winkelverstellung konstruktiv einfach, kostengünstig und zuverlässig. Eine vorteilhafte Ausgestaltung gemäß Anspruch 3, bei der die Einspritznocken in Umfangsrichtung relativ zur Nockenwelle verdrehbar sind, bietet die Möglichkeit, Nockenwellenantriebe bestehender Motorkonzepte zu übernehmen, wodurch konstruktive Veränderungen des mechanischen Einspritzpumpenantriebes auf die Nockenwellenbaugruppe beschränkt bleiben. Durch den Gegenstand des Anspruchs 3 ist ein vorteilhaftes Kraftstoffeinspritzsystem gekennzeichnet, das insbesondere bei Reihenkraftstoffeinspritzpumpen eine individuelle Winkelverstellung der Einspritzsteuernocken ermöglicht. Darüberhinaus kann der notwendige Einspritzdruck schnell an sich ändernde Betriebszustände der Brennkraftmaschine angepaßt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines mechanisch angetriebenen elektronisch gesteuerten Einspritzsystems, bei dem die Winkellage des Einspritznockens durch Verschieben eines Übertragungselementes auf dem Konturnocken verstellbar ist;

Fig. 2 zwei erfindungsgemäß verschobene Erhebungskurven des Antriebsnockens bezogen auf die in

Fig. 3 dargestellte Steuerzeiten des elektromagnetischen Steuerventils.

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Sie umfaßt eine Kraftstoffeinspritzpumpe 1 mit einem Pumpengehäuse 2 in dem ein Pumpenarbeitsraum 3 ausgebildet ist, welcher durch die Stirnseite eines Pumpenkolbens 4 zu einer Seite hin begrenzt ist. Der Pumpenkolben 4 ist im Pumpengehäuse 2 axial bewegbar eingesetzt und wird über ein Getriebe (nicht dargestellt) von der Kurbelwelle aus über einen Antriebsnocken 5 und einen federbelasteten Rollenstößel 6 in bekannter Weise angetrieben.

Der Pumpenarbeitsraum 3 ist in der tiefsten Stellung des Pumpenkolbens 4 über eine Saugleitung 18 mit einem hier nicht weiter dargestellten Kraftstoffversorgungssystem verbunden und wird durch den Aufwärtshub des Pumpenkolbens 4 in bekannter Weise wieder von dieser Saugleitung 18 getrennt.

Vom Pumpenarbeitsraum 3 führt ein Hochdruckkanal 8 über ein Druckausgleichsventil 7 und eine Einspritzleitung 9 zu einem Einspritzventil 10. Der Hochdruckkanal 8 wird von einem Magnetventil 11 beherrscht, dessen Ventilkörper 12 mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung 13 in Wirkverbindung steht und im Öffnungssinne von einer Druckfeder 14 belastet ist. In Offenstellung des Magnetventils 11 ist der Hochdruckkanal 8 über eine Bohrung 16 im Ventilkörper 12 mit einem Rücklauf 15 verbunden, wogegen das Magnetventil 11 in seiner Geschlossenstellung die Verbindung zum Rücklauf 15 schließt.

Das Magnetventil 11 wird zum Öffnen bzw. Schließen von einer Steuereinheit 17 angesteuert, wodurch während der Hochdruckphase Förderbeginn wie Förderende und somit auch die Einspritzdauer regelbar sind. Eingangsgrößen der Steuereinheit 17 sind Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, wie Drehzahl n, die Drehwinkelstellung α der Kurbelwelle, die von geeigneten Gebern (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, ein Signal für die Einspritzmenge mBR, ein Lastwechselsignal und insbesondere die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine. Ausgehend von diesen Betriebsgrößen wird die Einspritzphase in einem weiten Bereich unabhängig vom mechanischen Antrieb gesteuert.

Der mechanische Nockenantrieb der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe 1 sieht vor, den Pumpenkolben 4 über einen Rollenstößel 6 unter Zwischenschaltung eines Schwinghebels 20 von einer über Getrieberäder von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle (nicht dargestellt) bzw. der darauf festgelegten Antriebsnocken 5 zu steuern. Der Schwinghebel 20 steht mit einer oberen Druckfläche 21 mit der Rolle 22 des Rollenstößels 6 und mit einer drehbar an ihm gelagerten Steuerrolle 23 mit der Kontur des Antriebsnockens 5 in Arbeitskontakt. Die Steuerrolle 23 ist an einem Ende des Schwinghebels 20 drehbar gelagert. Das der Steuerrolle 23 gegenüberliegende Ende des Schwinghebels 22 ist auf einer Exzenterwelle 24 drehbar gelagert. Der Exzenterwelle 24 ist eine Winkelverstelleinrichtung 25 zugeordnet, mit der die Exzenterwelle 24 bei Bedarf verdreht und dadurch die Steuerrolle 23 relativ zu dem Antriebsnocken 5 verstellt werden kann. Die Winkelverstelleinrichtung 25 wird ebenfalls von der Steuereinheit 17 angesteuert. Dazu ist ein elektrischer oder hydraulischer Stellmotor der Winkelverstelleinrichtung 25 in einen Regelkreis der Steuereinheit 17 eingeschaltet, die durch ein Programm auf der Basis ihr fortlaufend übermittelter Istwerte hinsichtlich der Drehzahl, der Last oder anderer nicht betriebsabhängig ändernder Parameter der Brennkraftmaschine entsprechend feinfühlig über die Winkellage Δα des Antriebsnockens 5 die Nockenerhebungskurve 26, 27 relativ zum Einspritzzeitraum verstellt (Fig. 2).

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung arbeitet folgendermaßen:
Ausgangspunkt der Beschreibung ist die in Fig. 1 dargestellte Tiefstellung des Pumpenkolbens 4, in der der Pumpenarbeitsraum 3 über die Saugleitung 18 gefüllt wird und von der aus der Pumpenkolben 4 durch den Antriebsnocken 5 entsprechend der Gestalt des Antriebsnockens 5 über den Nockenantrieb angetrieben wird.

In Fig. 2 sind exemplarisch zwei qualitativ identische Nockenerhebungskurven 26, 27 über den Kurbelwellenwinkel α bzw. den Drehwinkel der Nockenwelle dargestellt. Beide Nockenerhebungskurven 26, 27 sind der Kontur des Nockens 5 zuzuordnen, wobei die Winkellage der Hubkurve 27 mit Hilfe der Winkelverstelleinrichtung 25 um den Winkel Δα relativ zur Nockenerhebungskurve 26 verstellt wurde. Die Winkellage Δα des Antriebsnockens kann dabei erfindungsgemäß in einem Winkelbereich von insgesamt bis zu 25° KW verstellt werden. Aufgrund des recktwinklig zur Pumpenkolbenlängsachse in Drehrichtung des Antriebnockens 5 verstellbaren Schwinghebels 20 wird die Nockenerhebungskurve im Bezug auf die obere Totpunktstellung OT des Maschinenkolbens (nicht dargestellt), bei einer Verstellung in Nockenwellendrehrichtung 18 in Richtung spätere Winkelgrade verschoben, während eine Verschiebung entgegen der Drehrichtung 10 der Nockenwelle zu einer Verschiebung der Nockenerhebungskurve 26 in Richtung frühe Kurbelwinkelgrade bewirkt.

Unabhängig von der Lage der Nockenerhebungskurve in Bezug auf die Kurbelstellung α ist bei Beginn des Pumpenhubes H des Pumpenkolbens 4 nach Überfahren der Ansaugleitung 18 das Magnetventil 11 zunächst geöffnet und Kraftstoff wird über die Bohrung 16 des Ventilkörpers 12 in den Rücklauf 15 gefördert. Ab einem Kurbelwinkelgrad α1 wird das Magnetventil 11 geschlossen, so daß der Pumpenkolben 4 Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 3 in den Hochdruckkanal 8, über das Druckausgleichsventil 7 und die Einspritzleitung 9 zur Einspritzdüse 10 fördert. Hierbei wird davon ausgegangen, daß der aufgebaute Einspritzdruck so groß ist, daß in jedem Fall der Öffnungsdruck des Gleichdruckventils 7 und des Einspritzventils 10 überschritten ist. Grundsätzlich entspricht der tatsächlich aufgebaute Einspritzdruck jedoch dem in erster Linie durch die Motordrehzahl und den Verlauf des während der Einspritzphase 19 überstrichenen Abschnitts der Nockenerhebungskurven 26, 27 vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf des Pumpenkolbens 4. Dieser Geschwindigkeitsverlauf kann, wie in Fig. 2 anhand der Nockenerhebungskurvenverläufe 26 und 27 gezeigt, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verstellung der Winkellage des Einspritznockens 5 realtiv zur Kurbelstellung α und damit auch zu der durch das Magnetventil 11 gesteuerten Einspritzphase 19 in einem Verstellbereich von insgesamt Δα = 25 KW verschoben werden. Diese Verschiebung Δα bewirkt, daß der Pumpenkolben 4 gemäß Verlauf 26 innerhalb der Einspritzphase 19 eine Hubstrecke 28 zurücklegt und dabei seinen Maximalwert Hmax überwindet, während innerhalb ein und desselben Einspritzfensters (α1 bis α2), beispielsweise auch die deutlich längere Hubstrecke 29 der Nockenerhebungskurve 27 für die Förderung von Kraftstoff ausgenutzt werden kann.

Bei entsprechender Steuerung können durch die relative Lage des Einspritzfensters Abschnitte der Nockenerhebungskurven 26 und 27 gezielt ausgewählt werden, um z. B in bekannter Weise für emissionsoptimierten Betrieb die Einspritzphase 19 nach spät, für verbrauchsoptimierten Motorbetrieb dagegen nach früh zu verstellen. Erfindungsgemäß sind dabei zusätzlich auch der Einspritzdruck und dessen Verlauf in Bezug zur Förder- bzw. Einspritzphase 19 über entsprechende Nockenwinkelverstellung Δα entweder der Förderphasenverstellung folgend oder aber innerhalb eines Kurbelwinkelbereichs von 25° KW beliebig und unabhängig von der Lage der Einspritzphase 19 verstellbar. Dabei ist es möglich, beispielsweise in Motorbetriebsbereichen mit niedriger Motordrehzahl die Einspritzphase 19 und die Winkellage Δα des Antriebsnockens 5 so zu steuern, daß in einem Nockenerhebungskurven-Bereich höherer Geschwindigkeit des Förderelements 4 eingespritzt wird, als bei konventionellen Einspritzsystemen. Der damit erreichte höhere Einspritzdruck verbessert die Gemischbildung und vermindert dadurch die Abgasschwärzung in diesen Drehzahlbereichen. Grundsätzlich erlaubt das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem eine Einspritzdruckverlaufsmodulation, die in weiten Kurbelwinkelbereichen die vorteilhafte Fördercharakteristik einer mechanisch angetriebenen Kraftstoffeinspritzpumpe einsetzt, um den Motorbetrieb den jeweiligen Anforderungen entsprechend optimal zu regeln.

Bezugszeichenliste

1

Kraftstoffeinspritzpumpe

2

Pumpengehäuse

3

Pumpenarbeitsraum

4

Pumpenkolben

5

Antriebsnocken

6

Rollenstößel

7

Druckausgleichsventil

8

Hochdruckkanal

9

Einspritzleitung

10

Einspritzventil

11

Magnetventil

12

Ventilkörper

13

elektromagnetische Stellvorrichtung

14

Druckfeder

15

Rücklauf

16

Bohrung

17

Steuereinheit

18

Drehrichtung

19

Einspritzphase

20

Schwinghebel

21

obere Druckfläche

22

Rolle

23

Steuerrolle

24

Exzenterwelle

25

Winkelverstelleinrichtung

26

Nockenerhebungskurve

27

Nockenerhebungskurve

28

Hubstrecke

29

Hubstrecke

Claims (4)

1. Kraftstoffeinspritzsystem für eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Einspritzpumpe (1), deren Pumpenelement (4) und Pumpengehäuse (2) einen Pumpenarbeitsraum (3) begrenzen, wobei das Pumpenelement (4) von einem Antriebsnocken (5) mindestens in Abhängigkeit der Kurbelstellung (α) antreibbar ist, mindestens einem zwischen dem Pumpenarbeitsraum (3) und einer Einspritzdüse (10) angeordneten elektromagnetischen Steuerventil (11), das mittels einer Einspritzsteuerung (17) frei ansteuerbar ist und Einspritzbeginn (FB) und Einspritzende (FE) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage des Antriebsnockens (5) relativ zur Kurbelstellung (α) in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine verstellbar ist.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (25) zur Verstellung der Nockenwelle und der von ihr getragenen Antriebsnocken (5) relativ zum Antrieb vorgesehen ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritznocken (5) in Umfangsrichtung relativ zur Nockenwelle verdrehbar ist.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Pumpenelement (4) und Antriebsnockens (5) ein Übertragungselement (23) angeordnet ist, welches relativ zur Drehrichtung (18) der Nockenwelle verschiebbar ist.