DE19910976B4

DE19910976B4 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, mit mehrstufiger Hochdruckpumpe und zwei Druckspeichern

Info

Publication number: DE19910976B4
Application number: DE19910976A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Mahr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-03-13
Also published as: KR20010043468A; EP1080307A1; DE19910976A1; JP2002539373A; US6415767B1; WO2000055497A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei unterschiedlichen, hohen Einspritzdrücken,
mit einem von einer ersten Pumpe (3) gespeisten ersten Druckspeicher (4) für den tieferen Einspritzdruck und mit einem von einer zweiten Pumpe (6) gespeisten zweiten Druckspeicher (7) für den höheren Einspritzdruck,
wobei beide Druckspeicher (4, 7) jeweils für eine Kraftstoffeinspritzung leitungsmäßig mit den Injektoren (10) der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Pumpe (6) eingangsseitig mit dem ersten Druckspeicher (4) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem ist beispielsweise durch die WO 98/09068 A1 bekanntgeworden.
Die Verwendung von Kraftstoffeinspritzsystemen mit Druckspeichern ist bei Dieselmotoren bzw. bei der Benzindirekteinspritzung bekannt. Diese Systeme arbeiten mit einer Hochdruckpumpe und teilweise mit einer Vorförderpumpe (Druck bis ca. 10 bar). Es sind auch Systeme mit Saugdrosselregelung bekannt.
Bei den Injektoren für die Einspritzung des Dieselkraftstoffes wird derzeit zwischen hub- und druckgesteuerten Systemen unterschieden. Bei einem druckgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem wird durch den im Düsenraum eines Injektors herrschenden Kraftstoffdruck ein Ventilkörper (z.B. eine Düsennadel) gegen die Wirkung einer Schließkraft auf gesteuert und so eine Düsenöffnung für eine Einspritzung des Kraftstoffes freigegeben. Bei einem hubgesteuerten Kraftstoffeinspritzsystem erfolgen das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung mit Hilfe eines Ventilkörpers aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens zweier Kraftstoffdrücke in dem Düsenraum und in einem Steuerraum. Der Druck, mit dem Kraftstoff aus dem Düsenraum in den Zylinder austritt, wird als Einspritzdruck bezeichnet, während unter einem Systemdruck der Druck verstanden wird, unter dem Kraftstoff im Einspritzsystem zur Verfügung steht bzw. bevorratet ist. Bei den Injektoren gibt es weiterhin Einspritzdüsen mit variablem Spritzlochquerschnitt (Variodüse) bzw. 2-stufigem Düsennadelhub.
Bei dem aus der WO 98/09068 A1 bekannten hubgesteuerten Einspritzsystem wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank auf zwei unterschiedliche hohe Systemdrücke jeweils mit tels einer Pumpe verdichtet und jeweils in einen Druckspeicher gefördert. Über eine Ventilsteuerung kann entweder der höhere oder tiefere Systemdruck für eine Einspritzung in den Düsenraum eines Injektors geleitet werden.
Aus der EP 0 711 914 A1 ist weiterhin ein druckgesteuertes Einspritzsystem bekannt, bei dem mit Hilfe einer Hochdruckpumpe Kraftstoff auf einen ersten hohen Systemdruck von etwa 1200 bar komprimiert und in einem ersten Druckspeicher gespeichert wird. Weiterhin wird der unter Hochdruck stehende Kraftstoff auch in einen zweiten Druckspeicher gefördert, in welchem durch Regelung seiner Kraftstoffzufuhr mittels eines 2/2-Wegventils ein zweiter hoher Systemdruck von ca. 400 bar aufrechterhalten wird. Über eine Ventilsteuereinheit wird dann entweder der tiefere oder höhere Systemdruck in den Düsenraum eines Injektors geleitet. Dort wird durch den Druck ein federbelasteter Ventilkörper von seinem Ventilsitz abgehoben, so daß Kraftstoff aus der Düsenöffnung austreten kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem weist zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Druckerzeugung die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Möglichkeit, zwei Drücke bzw. zwei Pumpstufen zur Verfügung zu haben, kann der tiefere Systemdruck (erste Hochdruckstufe) zum Abdichten gegenüber der Leckagemenge der zweiten Druckstufe (höherer Systemdruck) verwen det werden. Beide Pumpen sind vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht.
Der Druck der ersten Hochdruckstufe (z.B. ca. 200 bar) kann z.B. verwendet werden, um eine hydraulische Ventilverstellung der Einlaß- bzw. Auslaßventile, eine Verstellung der Nockenwellenzuordnung, eine Betätigung von Motorbremssystemen usw. zu ermöglichen. Weiterhin kann mit dem Druck der ersten Hochdruckstufe eine Voreinspritzung und/ oder eine Nacheinspritzung realisiert werden.
Für bestimmte Anwendungen, z.B. bei Ottomotoren, kann eine hydraulische Übersetzung von Schmieröl in Kraftstoff oder umgekehrt erfolgen (wahlweise in der ersten bzw. zweiten Hochdruckstufe). Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Druck der ersten Hochdruckstufe zur Steuerung des Öffnungsquerschnittes bzw. zur Ansteuerung von Einspritzdüsen (Steuerdruck) hub- oder druckgesteuert zu verwenden. Die Steuerung des Hubes kann sehr einfach über Druck/Weg erfolgen (Federkraft) oder über einen festen Anschlag. Die Drücke können über piezoelektrische oder Magnetventile geschaltet werden, wobei der Steuerdruck für alle Zylinder zentral über ein Ventil oder lokal über mehrere Ventile geschaltet werden kann. Für die Ansteuerung der Einspritzdüsen eignet sich ggf. auch deren Leckölleitung. Mit diesem Steuerdruck der ersten Hochdruckstufe kann z.B. auch eine Variodüse angesteuert werden. Das System ist geeignet für Otto- und Dieselmotoren.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystems ermöglicht außerdem:

– einen besseren Wirkungsgrad im Vergleich zu Systemen mit nur einer Hochdruckpumpe bzw. -stufe.
– eine bessere Abdichtung der Pumpe gegen höhere Drücke.
– eine Steuerung von am Motor vorhandenen Systemen wie z.B, von Ein- bzw. Auslaßorganen über das Kraftstoffsystem.
– eine kompakte Bauweise. Piezoelektrische oder Magnetventile können an dem bzw. an den Druckspeichern vorgesehen werden und brauchen nicht im Zylinderkopf direkt in bzw. am Düsenhalter angeordnet zu werden.
– eine Ansteuerung von Einspritzdüsen druck- oder hubgesteuert sowie auch stufenlos oder über einen Hubanschlag, und zwar unabhängig vom Einspritzdruck.
– eine geringe elektrische Leistung für die Betätigung von piezoelektrischen oder Magnetventilen, da geringe Steuerdrücke und geringe Wege möglich sind.
– eine modulare Bauweise.
– daß das System frei in der Wahl des Einspritzbeginns ist. Daher sind Vor- und Nacheinspritzung möglich.
– die Verwendung des Drucks der ersten Hochdruckstufe für eine Vor- und/oder Nacheinspritzung. Durch den geringeren Einspritzdruck werden eine Rußbildung und eine Ölverdünnung weitgehend vermieden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems eines Vierzylindermotors sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
1a ein Ausführungsbeispiel mit einer zentralen Ventileinheit zur Ansteuerung der Injektoren mit dem tieferen Systemdruck und mit einer Leckageleitung für die Ventileinheit;
1b ein der 1a entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich für jeden Injektor eine Ventileinheit für den höheren Systemdruck vorgesehen ist;
2a ein Ausführungsbeispiel mit einer zentralen Ventileinheit zur Ansteuerung der Injektoren mit dem tieferen Systemdruck und mit einer gemeinsamen Leckageleitung für alle Injektoren;
2b ein der 2a entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich mit dem tieferem Systemdruck weitere Steuereinheiten hydraulisch angesteuert werden;
2c ein der 2a entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich für jeden Injektor eine Ventileinheit für den höheren Systemdruck vorgesehen ist;
3a ein Ausführungsbeispiel mit jeweils einer Ventileinheit für jeden Injektor zur Ansteuerung mit dem tieferen Systemdruck und mit einer gemeinsamen Leckageleitung für alle Ventileinheiten;
3b ein der 3a entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem die gemeinsame Leckageleitung für die Injektoren vorgesehen ist; und
3c ein der 3a entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich für jeden Injektor eine Ventileinheit für den höheren Systemdruck vorgesehen ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei jedem der in den Figuren dargestellten Einspritzsysteme wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 1 über einen Filter 2 mittels einer ersten Hochdruckpumpe 3 auf einen Systemdruck von z.B. 200 bar verdichtet und in einen ersten Druckspeicher 4 (z.B. ein Rail) gefördert (erste Hochdruckstufe). Die Leckage der ersten Hochdruckpumpe 3 wird über eine Leitung 5 in den Kraftstofftank 1 rückgeführt.
In einer weiteren Verdichterstufe wird der Kraftstoff aus dem ersten Druckspeicher 4 mittels einer zweiten Hochdruckpumpe 6 auf den gewünschten Einspritzdruck von z.B. 2000 bar (evtl. mit weiterer Saugdrosselregelung) weiter verdichtet und in einen zweiten Druckspeicher 7 (z.B. ein Rail) gefördert (zweite Hochdruckstufe). Für beide Pumpen eignen sich Reihenpumpen, Verteilerpumpen, Membranpumpen usw., wobei die erste Hochdruckstufe natürlich mindestens die komplette Vollastmenge fördern können muß. Die Leckage der zweiten Hochdruckpumpe 6 wird über eine Leitung 8 in den ersten Druckspeicher 4 rückgeführt.
Die den Kraftstoff in die einzelnen Zylinder einspritzenden vier Injektoren 10 sind für eine Einspritzung mit dem höheren Systemdruck mit dem zweiten Druckspeicher 7 und für eine Einspritzung mit dem tieferen Systemdruck mit dem ersten Druckspeicher 4 leitungsmaßig verbunden.
Im Ausführungsbeispiel der 1a wird der Kraftstoff aus dem zweiten Druckspeicher 7 über eine gemeinsame Hochdruckleitung 9 allen Injektoren 10 zugeleitet. Auch der Kraftstoff aus dem ersten Druckspeicher 4 wird, zentral von einer Ventileinheit 11 gesteuert, über eine gemeinsame Hochdruckleitung 12 allen Injektoren 10 zugeleitet. Die Leckage der zentralen Ventileinheit 11 wird über eine Leitung 13 in den Kraftstofftank 1 rückgeführt. Das Ausführungsbeispiel nach 1b unterscheidet sich von dem der 1a dadurch, daß die Injektoren 10 über separate Hochdruckleitungen 109 mit dem Druckspeicher 7 verbunden sind. Über je eine (lokale) Ventileinheit 14 in jeder Hochdruckleitung 109 kann die Einspritzung für jeden Zylinder einzeln gesteuert werden.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach 1a ist in 2a für eine Abfuhr von Leckage die gemeinsame Leitung 15 nicht mit der zentralen Ventileinheit 11, sondern mit den Injektoren 10 verbunden. Der Druck der ersten Hochdruckstufe kann z.B. auch verwendet werden, um eine hydraulische Ventilverstellung der Einlaß- bzw. Auslaßventile, eine Verstellung der Nockenwellenzuordnung, eine Betätigung von Motorbremssystemen usw. zu ermöglichen. Dazu ist bei dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Druckspeicher 4 zusätzlich über eine Leitung 16 über Ventileinheiten 17 mit einer oder mehreren hydraulischen Steuereinheiten (nicht gezeigt) des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden. Das Ausführungsbeispiel nach 2c unterscheidet sich von dem der 2a dadurch, daß die Injektoren 10 über separate Hochdruckleitungen 109 mit dem Druckspeicher 7 verbunden sind. Über je eine (lokale) Ventileinheit 14 in jeder Hochdruckleitung 109 kann die Einspritzung für jeden Zylinder einzeln gesteuert werden.
Die 3a bis 3c zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen der Kraftstoff aus dem ersten Druckspeicher 4 auf die einzelnen Injektoren 10 nicht zentral über eine einzige Ventileinheit, sondern separat über Leitungen 112 mit je einer Ventileinheit 111 für jeden Injektor 10 zugemessen wird. Während im Ausführungsbeispiel nach 3a für all diese Ventileinheiten 111 zur Ableitung von Leckage in Richtung zum Kraftstofftank eine gemeinsame Leitung 113 vorgesehen ist, ist in 3b für die Injektoren 10 eine ebenfalls zum Kraftstofftank 1 führende gemeinsame Leitung 15 vorgesehen. Schließlich zeigt 3c noch ein Einspritzsystem, bei dem zusätzlich für jeden Injektor 10 jeweils eine eigene Hochdruckleitung 109 und eine Ventileinheit 14 für den höheren Systemdruck vorgesehen ist.
Die Ventile 11, 111, 14 können als piezoelektrische oder Magnetventile ausgeführt sein.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens zwei unterschiedlichen, hohen Einspritzdrücken, mit einem von einer ersten Pumpe (3) gespeisten ersten Druckspeicher (4) für den tieferen Einspritzdruck und mit einem von einer zweiten Pumpe (6) gespeisten zweiten Druckspeicher (7) für den höheren Einspritzdruck, wobei beide Druckspeicher (4, 7) jeweils für eine Kraftstoffeinspritzung leitungsmäßig mit den Injektoren (10) der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Pumpe (6) eingangsseitig mit dem ersten Druckspeicher (4) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Leckage der ersten Pumpe (3) eine auf niederes Druckniveau, insbesondere zum Kraftstofftank (1), führende Leckageleitung (5) vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Leckage der zweiten Pumpe (6) eine zum ersten Druckspeicher (4) führende Leckageleitung (8) vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Injektoren (10) mit dem ersten Druckspeicher (4) über eine zentrale Ventileinheit (11) oder jeweils über lokale Ventileinheiten (111) verbunden sind.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Leckage der zentralen Ventileinheit (11) bzw. der lokalen Ventileinheiten (111) eine auf niederes Druckniveau, insbesondere zum Kraftstofftank (1), führende Leckageleitung (13; 113) vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Leckage der einzelnen Injektoren (10) eine auf niederes Druckniveau, insbesondere zum Kraftstofftank (1), führende Leckageleitung (15) vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druckspeicher (4) über eine oder mehrere Ventileinheiten (17) mit mindestens einer hydraulischen Steuereinheit des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pumpen (3, 6) in einem gemeinsamen Gehäuse zu zwei Pumpstufen zusammengefaßt sind.