DE19738502A1 - System zur Hochdruckerzeugung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Hochdruckerzeugung wie es z. B. zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem eingesetzt werden kann, mit einer Hochdruckpumpe und mit einem Druckregelventil auf der Förderseite der Hochdruckpumpe, das bei Erreichen eines Schwelldrucks öffnet, so daß von der Hochdruckpumpe geförderte Menge über einen Rücklauf abgelassen wird.

Im Falle eines Systems zur Kraftstoffhochdruckerzeugung fördert eine vom Motor direkt angetriebene Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Motordrehzahl Kraftstoff und zwar unabhängig davon, wieviel Kraftstoff gerade vom Motor benötigt wird bzw. eingespritzt werden soll. Der nicht benötigte überschüssige Kraftstoff wird über das Druckregelventil über eine Rücklaufleitung in den Tank abgelassen.

Um den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, muß die Hochdruckpumpe so ausgelegt sein, daß sie auch unter ungünstigsten Bedingungen, also bei niedriger Drehzahl, hoher angeforderter Einspritzmenge, außergewöhnlich hohen oder tiefen Temperaturen den erwünschten Druck und den erwünschten Volumenstrom zur Verfügung stellen kann. Unter Normalbedingungen ist der Volumenstrom der Pumpe zu groß, d. h. die pro Zeiteinheit geförderte Kraftstoffmenge ist zu hoch. Wenn im Extremfall bei hohen Drehzahlen das "Gas" weggenommen wird und das Fahrzeug in Folge seiner kinetischen Energie im Schubbetrieb fährt, wird die gesamte Antriebsleistung der Hochdruckpumpe, die etwa 3 KW betragen kann, in Wärme umgesetzt. Hierdurch erhöht sich die Kraftstofftemperatur mit unter auf über 100°C. Dies bringt wiederum Probleme bei der Verwendung von aus Kunststoff hergestellten Kraftstoffrückleitungen oder einem aus Kunststoff bestehenden Tank mit sich. Desweiteren tritt eine Verschlechterung der elektrischen Daten von Injektoren und des Druckregelventils auf.

Mit der DE 195 49 108 A1 wurde bereits vorgeschlagen, die Fördermenge der Hochdruckpumpe durch Begrenzen der Zulaufmenge mittels eines zwischen einer Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe vorgesehenen Stromregelventils zu steuern. Eine Regelung der Fördermenge ist jedoch nur mit hohem Aufwand möglich; es wird etwa ein zusätzlicher Sensor zur Durchflußmengenmessung am Ausgang des Druckregelventils sowie ein Messeingang an einem Steuergerät benötigt.

Eine Fördermengenreduzierung durch ein Regelventil auf der Pumpeneingangsseite der Hochdruckpumpe ohne Verwendung eines Druckregelventils auf der Förderseite wäre zwar auch möglich, jedoch ist dann zur Druckregelung z. B. ein Drucksensor auf der Förderseite der Pumpe zwingend erforderlich. Außerdem ist eine Reduzierung des Drucks in einem an die Förderseite der Pumpe angeschlossenen Druckspeicher nur durch Mengenentnahme möglich (z. B. durch Einspritzen von Kraftstoff in den Motor). Eine schnelle Reduzierung des Drucks auf einen neuen niedrigeren Sollwert (z. B. bei schnellen Laständerungen) ist so nicht möglich.

Bei Verwendung eines Druckregelventils, das bei einem einstellbaren Schwelldruck öffnet, ist eine Druckregelung (im Rahmen der Fertigungstoleranzen des Druckregelventils) auch ohne zusätzliche Regelkreise (z. B. mit Drucksensor auf der Förderseite der Pumpe) möglich und damit ein Abstellen des Motors bei Ausfall dieses Sensors nicht erforderlich. Eine Druckreduzierung in einem auf der Förderseite der Hochdruckpumpe angeschlossenen Druckspeicher ist durch Einstellen eines niedrigeren Solldrucks am Druckregelventil problemlos möglich (das Druckregelventil öffnet dann selbsttätig weiter, bis der Solldruck erreicht ist).

Eine Fördermengenreduzierung durch Abschalten eines Pumpenelements führt zu hohen Druckschwankungen und stellt daher ebenfalls keinen gangbaren Weg dar.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den eingangs geschilderten Probleme entgegenzuwirken und ein System zur Hochdruckerzeugung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß im Normalbetrieb oder im Niederlastbetrieb die Fördermenge der Hochdruckpumpe auf einfache Weise reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rücklauf des Druckregelventils mit einer Sperr- oder Drosseleinrichtung derart zusammenwirkt, daß bei zunehmender abgelassener Menge durch das Druckregelventil die Fördermenge der Hochdruckpumpe reduziert wird.

Auf diese Weise wird eine selbsttätige Fördermengenregelung der Hochdruckpumpe realisiert, ohne daß es aufwendiger elektronisch gesteuerter Regelvorgänge bedarf.

Vorzugsweise ist die Sperreinrichtung auf der Ansaugseite der Hochdruckpumpe vorgesehen, so daß bei zunehmender Rücklaufmenge der Pumpenzulauf selbsttätig zunehmend durch die Sperreinrichtung geschlossen werden kann.

In einer ganz besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Fördermengenregelung dadurch erreicht, 'daß bei zunehmender Rücklaufmenge ein zunehmender Druck in einer Rücklaufleitung des Druckregelventils aufgebaut wird, welcher an die Sperreinrichtung gelegt ist und diese dahingehend betätigt, daß die Fördermenge der Hochdruckpumpe reduziert wird.

Wenn also bei hoher Motordrehzahl die Anforderung von Kraftstoff herabgesetzt wird (vom Gas gehen), so öffnet bei Erreichen eines Schwelldrucks das Druckregelventil auf der Förderseite der Hochdruckpumpe und der Druck in der Rücklaufleitung des Druckventils wird erhöht. Diese Druckerhöhung in der Rücklaufleitung bewirkt nun in der Absperreinrichtung, daß die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe in Abhängigkeit des Drucks in der Rücklaufleitung gedrosselt oder zunehmend geschlossen wird. Wird wiederum eine höhere Menge von Kraftstoff angefordert, so schließt das Druckregelventil, mit der Folge, daß in der Rücklaufleitung der Druck absinkt und dadurch die Absperreinrichtung die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe wieder zunehmend freigibt.

Die Sperreinrichtung zur Reduzierung der Fördermenge der Hochdruckpumpe ist in bevorzugter Weise in die Hochdruckpumpe integriert. Ebenso kann das Druckregelventil in die Hochdruckpumpe integriert sein.

Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße System zur Hochdruckerzeugung in besonders vorteilhafter Weise als System zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei einem vorzugsweise zeitgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine einsetzbar ist.

In ganz besonders vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße System bei einem Einspritzsystem eingesetzt werden, bei dem die Einspritzung des Kraftstoffs in die Zylinder durch je ein Einspritzventil erfolgt, wobei die Einspritzventile durch eine gemeinsame während des Betriebs unter hohem Druck stehende Kraftstoffversorgungseinrichtung in Form einer Leitung oder eines Hochdruckspeicherraums verbunden sind und bei dem die Einspritzung durch eine elektrisch betätigte ggf. hydraulisch unterstützte Einrichtung auslösbar ist (z. B. Common-Rail-Einspritzsystem)
Wenn zwischen einer Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe ein Sicherheitsventil angeordnet ist, welches bei Unterschreiten eines vorgebbaren Vordrucks die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe unterbricht, so ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Sperreinrichtung von dem Sicherheitsventil gebildet. Das Sicherheitsventil ist demnach so ausgebildet und mit der Rücklaufleitung, etwa über eine Stichleitung, so verbunden, daß eine Druckerhöhung in der Rücklaufleitung eine Reduzierung der Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe zur Folge hat.

In besonders einfacher und daher vorteilhafter Weise mündet die Rücklaufleitung in Weiterbildung der Erfindung auf einer Seite eines verschieblichen kolbenartigen Stellmittels der Absperreinrichtung, dessen Verschiebung ein zunehmendes Öffnen oder Schließen einer Kraftstoffzuführöffnung zur Hochdruckpumpe bewirkt.

Das verschiebliche kolbenartige Stellmittel ist daher in bevorzugter Weise in eine Endlage vorgespannt, so daß bei absinkendem Druck in der Rücklaufleitung das Stellmittel selbsttätig in eine die Kraftstoffzuführöffnung freigebende Richtung zurückgesetzt wird.

Wenn die Absperreinrichtung in bevorzugter Weise ein zweites verschiebliches kolbenartiges Stellmittel umfaßt, das einerseits vom Ausgang der Niederdruckpumpe und andererseits von einer gegen das erste verschiebliche kolbenartige Stellmittel abgestützten Feder beaufschlagt ist, so ist ein besonders einfaches und funktionsfähiges selbstregelndes System verwirklicht. Wenn die von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge zur Verbrennung verbraucht wird, so befindet sich das erste kolbenartige Stellmittel in seiner Endlage und bildet ein gehäusefestes Widerlager für die Feder. Das zweite kolbenartige Stellmittel wird durch die Federkraft derart vorgespannt, daß es oberhalb eines zum Betrieb der Hochdruckpumpe erforderlichen Schwelldrucks eine ungedrosselte Kraftstoffzufuhr zwischen der Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe zuläßt, indem eine Kraftstoffzuführöffnung zur Hochdruckpumpe vorzugsweise weitestgehend geöffnet ist. Wenn nun die Anforderung an Kraftstoff reduziert wird und in Folge das Druckregelventil auf der Förderseite der Hochdruckpumpe öffnet, so daß der Druck in der Rücklaufleitung steigt, so wird das erste verschiebliche kolbenartige Stellmittel aus seiner Endlage in Richtung auf das zweite verschiebliche Stellmittel bewegt. Hierbei wird die Feder zwischen den beiden kolbenartigen Stellmitteln weiter gespannt, was zu einer Veränderung des Kräftegleichgewichts am zweiten kolbenartigen Stellmittel führt, mit der Folge, daß dieses in eine die Kraftstoffzuführöffnung zur Hochdruckpumpe verschließende Richtung bewegt wird. Hierdurch wird aber der pro Zeit oder Umdrehung geförderte Volumenstrom durch die Hochdruckpumpe reduziert. Das System ist selbstregelnd.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen sowie der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Kraftstoffhochdruckerzeugung nach der Erfindung und

Fig. 2 eine weitere Darstellung des Systems nach Fig. 1 mit einer schematischen Darstellung der Absperreinrichtung.

Die Figuren zeigen ein Common-Rail-Einspritzsystem Von einem bspw. in einem Kraftfahrzeug mitgeführten Kraftstofftank 2 führt eine erste Ansaugleitung 4 zu einer Niederdruckpumpe 6, welche die Vorpumpe zu einer Hochdruckpumpe 8 bildet, mittels derer Kraftstoff unter einem Druck von bis zu 2000 bar in einen Hochdruckspeicherraum, das sog. Rail, gefördert wird. Zwischen der Niederdruckpumpe 6 und der Hochdruckpumpe 8 ist ein Sicherheitsventil 10 vorgesehen, das so ausgebildet ist, daß es die Kraftstoffzufuhr zur Kraftstoffhochdruckpumpe 8 öffnet, wenn der von der Niederdruckpumpe 6 gelieferte Vordruck oberhalb etwa 1 bar liegt. Sinkt dieser Vordruck unterhalb 1 bar, so sperrt das Sicherheitsventil 10 die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 8 ab. Auf der Förderseite 12 (Rail) der Hochdruckpumpe 8 ist ein Druckregelventil 14 vorgesehen, das oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Drucks auf der Förderseite 12 öffnet. Wenn das Druckregelventil 14 geöffnet ist, so wird vom Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine nicht benötigter bzw. nicht angeforderter Kraftstoff von der Hochdruckseite 12 über eine den Rücklauf 16 bildende und vom Druckregelventil 14 wegführende Rücklaufleitung 17 über eine Drosselöffnung 18 in der Rücklaufleitung 17 zum Kraftstofftank 2 zurückgeführt. Die Rücklaufleitung 17 kommuniziert in Strömungsrichtung vor der Drosselöffnung 18 mit dem Sicherheitsventil 10, und zwar derart, daß bei ansteigendem Druck in der Rücklaufleitung die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 8 zunehmend geschlossen wird. Hierdurch wird aber der auf die Förderseite 12 geförderte Volumenstrom durch die Hochdruckpumpe 8 reduziert. Über eine Zweigleitung 20 wird überdies ein geringfügiger Teil des Kraftstoffs von dem Sicherheitsventil 10 zur Schmierung der Hochdruckpumpe 8 abgeführt bzw. verwendet.

Aus der Darstellung nach Fig. 2 ist der Aufbau des Sicherheitsventils 10, das eine mit der Rücklaufleitung 17 kommunizierende und die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 8 regelnde Absperreinrichtung 22 bildet, in prinzipieller Weise dargestellt. Das Sicherheitsventil 10 bzw. die Absperreinrichtung 22 umfaßt einen ersten verschieblichen Kolben 24 und einen zweiten verschieblichen Kolben 26, zwischen denen eine Druckfeder 28 vorgesehen ist, welche die beiden Kolben 24, 26 in entgegengesetzte Richtungen in ihre jeweiligen Endlagen vorspannt.

Die von der Feder 28 abgewandte Seite des Kolbens 26 wird mit dem von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoff beaufschlagt. In dem Kolben 26 ist eine Drosselöffnung 30 vorgesehen, welche die Zulaufseite des Sicherheitsventils 10 mit dem Raum 30 zwischen den beiden Kolben 24, 26, in dem die Feder 28 angeordnet ist, verbindet. Von diesem Raum 30 führt die in Fig. 1 erwähnte Zweigleitung 20 zum Zwecke der Schmiermittelzuführung zur Hochdruckpumpe 8 weg.

In einem Zylinderraum 32, in dem die Kolben 24, 26 verschieblich angeordnet sind, führt eine Kraftstoffzuführleitung 34 radial zur Kolbenlängsrichtung weg zur Hochdruckpumpe 8. Der zweite Kolben 26 bildet eine Steuerkante 36 derart, daß je nach Stellung des Kolbens 26 in dem Zylinderraum 32 die Zuführleitung 34 ganz oder nur teilweise freigegeben und demgemäß die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe geöffnet oder gedrosselt ist.

In der in der Fig. 2 dargestellten Stellung befinden sich beide Kolben 24, 26 in ihrer jeweiligen Endlage. Wenn die Niederdruckpumpe 6 Kraftstoff fördert und demgemäß der Druck auf der Zulaufseite des Kolben 26 ansteigt, wird der Kolben 26 entgegen der Vorspannung der Feder 28 in der Fig. 2 nach rechts, also in Richtung auf den ersten Kolben 24 gedrückt, so daß die Steuerkante 36 die Kraftstoffzuführleitung 34 freigibt. Die Hochdruckpumpe 8 fördert nun Kraftstoff in das Rail.

Die von dem vorstehend bereits erwähnten Druckregelventil 14 weg führende Rücklaufleitung 17 mündet in der Absperreinrichtung 22 auf der von der Druckfeder 28 abgewandten Seite des ersten Kolbens 24.

Wird auf die Förderseite 12 mehr Kraftstoff als benötigt gefördert und steigt demgemäß der Druck über einen vorgegebenen Schwelldruck, so öffnet das Druckregelventil 14. In Folge der Drosselbohrung 18, die in Strömungsrichtung nach der Kommunikation mit dem ersten Kolben 24 angeordnet ist, steigt der Druck in der Rücklaufleitung 17. Hierdurch wird der erste Kolben 24 entgegen der Federkraft 28 in Richtung auf den zweiten Kolben 26 in der Fig. 2 nach links bewegt. Hierdurch ändert sich aber auch das Kräftegleichgewicht am zweiten Kolben 26. Die Kraft der Feder 28 nimmt zu und bewirkt, daß der zweite Kolben 26 in Richtung auf seine in der Fig. 2 dargestellte Endlage bewegt wird, wobei die Steuerkante 36 die Ausgangsöffnung der Zuführleitung 34 überfährt. Die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 8 wird zunehmend geschlossen. Hierdurch reduziert sich die Fördermenge der Hochdruckpumpe 8. Das System ist selbstregelnd. Wenn nach Schließen des Druckregelventils 14 der Druck in der Rücklaufleitung 17 wieder abnimmt, so wird der erste Kolben 24 wieder in die in der Fig. 2 dargestellte Endstellung bewegt und der zweite Kolben 26 wird sich wieder unter dem Vordruck der Niederdruckpumpe 6 in die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 8 freigebender Richtung verlagern.

Die Rücklaufmenge die im Gleichgewichtszustand durch das Druckregelventil 14, die Rücklaufleitung 17 in den Tank 2 "abgelassen" wird, läßt sich durch Verändern des Durchmessers der Drosselbohrung 18 einstellen. Durch die integrierte Regelung fördert die Hochdruckpumpe nur so viel Kraftstoff wie von der Brennkraftmaschine benötigt bzw. angefordert wird. Die Antriebsleistung der Pumpe und damit auch die Kraftstofftemperatur reduzieren sich auf ein Minimum.

Nach einem alternativen Erfindungsgedanken könnte die Rücklaufleitung mit einer Steuereinrichtung für den Exzenterhub der Hochdruckpumpe derart zusammenwirken, daß bei ansteigendem Druck in der Rücklaufleitung der Exzenterhub der Kolben in der Hochdruckpumpe herabgesetzt wird, damit die pro Zeit geförderte Menge Kraftstoff reduziert wird. Auch mit diesem Erfindungsgedanken läßt sich eine vorteilhafte selbsttätige Fördermengenregelung der Hochdruckpumpe erreichen.

Die beschriebene Art der Fördermengenregelung durch Begrenzen der Zulaufmenge zur Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Rücklaufmenge des auf der Förderseite der Hochdruckpumpe vorgesehenen Druckregelventils zum Tank läßt sich in baulich einfacher Weise in die Pumpe integrieren, da das Druckregelventil bei den meisten Hochdruckpumpen für Common- Rail-Einspritzsysteme bereits direkt an der Pumpe angebaut ist. Es bedarf lediglich einer geringfügigen Änderung des Sicherheitsventils bzw. der Absperreinrichtung und einer geringfügig modifizierten Leitungsführung.

Claims (14)

1. System zur Hochdruckerzeugung mit einer Hochdruckpumpe (8) und mit einem Druckregelventil (14) auf deren Förderseite, das bei Erreichen eines Schwelldrucks öffnet, so daß von der Hochdruckpumpe geförderte Menge über einen Rücklauf (16) abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf (16) des Druckregelventils (14) mit einer Sperreinrichtung (22) derart zusammenwirkt, daß bei zunehmender abgelassener Menge durch das Druckregelventil (14) die Fördermenge der Hochdruckpumpe (8) reduziert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtung (22) auf der Ansaugseite der Hochdruckpumpe (8) vorgesehen ist, und bei zunehmender Rücklaufmenge den Pumpenzulauf selbsttätig zunehmend schließt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunehmende Rücklaufmenge zu zunehmendem Druck im Rücklauf (16) des Druckregelventils (14) führt, der an die Sperreinrichtung (22) gelegt ist und diese derart betätigt, daß die Fördermenge der Hochdruckpumpe (8) reduziert wird.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtung (22) zur Reduktion der Fördermenge in die Hochdruckpumpe (8) integriert ist.

5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregelventil (14) in die Hochdruckpumpe (8) integriert ist.

6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzsystem zeitgesteuerten ist.

8. System nach Anspruch 7, wobei die Einspritzung des Kraftstoffs in die Zylinder durch je ein Einspritzventil erfolgt, wobei die Einspritzventile durch eine gemeinsame, während des Betriebes unter hohem Druck stehende Kraftstoffversorgungseinrichtung verbunden sind und die Einspritzung durch eine elektrisch betätigte Einrichtung insbesondere hydraulisch unterstützt ausgelöst ist.

9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Niederdruckpumpe (6) und der Hochdruckpumpe (8) Sicherheitsventil (10) angeordnet ist, welches bei Unterschreiten eines Vordrucks die Zufuhr zur Hochdruckpumpe (8) unterbricht, und, daß die Sperreinrichtung (22) von dem Sicherheitsventil (10) gebildet ist.

10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rücklaufleitung (17) auf einer Seite eines verschieblichen kolbenartigen Stellmittels (24) der Absperreinrichtung (22) mündet, dessen Verschiebung eine zunehmende Öffnung oder Schließung der Zufuhröffnung zur Hochdruckpumpe (8) bewirkt.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebliche kolbenartige Stellmittel (24) in eine Endlage vorgespannt ist.

12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinrichtung (22) ein zweites verschiebliches kolbenartiges Stellmittel (26) umfaßt, das einerseits vom Ausgang der Niederdruckpumpe (6) und andererseits von einer gegen das erste verschiebliche kolbenartige Stellmittel (24) abgestützten Feder (28) beaufschlagt ist.

13. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rücklaufleitung (17) in Strömungsrichtung nach der Absperreinrichtung (22) ein Drosselmittel (18) vorgesehen ist.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselmittel (18) einstellbar ist.