DE19933198A1 - Verfahren zur Druckregelung an einer Einspritzvorrichtung für flüssige Kraftstoffe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckregelung an einer Einspritzeinrichtung für flüssige Kraftstoffe, insbesondere einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung an einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der aus einem Kraftstofftank der Kraftstoff mittels einer Vorpumpe über die Förderleitung und eine Hochdruckpumpe in einen Druckspeicherraum gefördert wird, der mit wenigstens einer Einspritzdüse in Verbindung steht, wobei der Druck im Druckspeicherraum über ein steuerbares Druckhalteventil geregelt wird und die Kraftstoffzuflußmenge zur Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Durchflußmenge durch das Druckhalteventil (8) in der Weise geregelt wird, daß bei einem Ansteigen der durch eine Abströmleitung des Druckhalteventils abgeführte Durchflußmenge die Zuflußmenge zur Hochdruckpumpe vermindert wird.

Description

Einspritzeinrichtungen für flüssige Kraftstoffe, insbesondere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen an einer Kolbenbrennkraftma­ schine sind so ausgebildet, daß der Kraftstoff über eine Hochdruckpumpe in einen Druckspeicherraum gefördert wird, aus dem dann durch Öffnen der Einspritzventile der Kraftstoff mit einem vorgegebenen praktisch konstanten Druck in den jeweili­ gen Brennraum eingeführt werden kann.

Um nun den Druck des Kraftstoffs im Druckspeicher entspre­ chend den Anforderungen an vorgebbare Drücke regeln zu kön­ nen, wurde bisher dem Druckspeicher ein Druckhalteventil zu­ geordnet, dessen Schließkraft durch eine Feder einerseits und einen in seiner Bestromung steuerbaren Elektromagneten ande­ rerseits aufgebracht wurde. Durch Verstellen des Magnetstro­ mes läßt sich ein entsprechender Druck im Druckspeicherraum im wesentlichen konstant einstellen. Mit diesem bekannten Sy­ stem ist eine schnelle, stabile und präzise Druckregelung möglich. Die Druckregelung erfolgt im wesentlichen auf mecha­ nischem Weg durch das Druckhalteventil. Ein zusätzlicher, elektronischer Regelkreis, der auf den Elektromagneten des Druckhalteventils einwirkt, ist nur erforderlich, um die von mechanischen Regler verbleibenden Regelabweichungen auszu­ gleichen. Von der Hochdruckpumpe verursachte Druckstöße wer­ den vom Druckhalteventil gedämpft, wobei über das Druckhalte­ ventil auch ein schneller Abbau des Drucks im Druckspeicher möglich ist.

Der Nachteil dieses bekannten Systems besteht darin, daß die Hochdruckpumpe immer die maximale Fördermenge fördert, so daß der von der Kolbenbrennkraftmaschine nicht abgenommene Kraft­ stoff über das Druckhalteventil zum Kraftstofftank zurück­ fließt. Hieraus resultieren nicht nur Leistungsverluste, son­ dern aufgrund der Reibung ist auch eine spürbare Erwärmung des in den Kraftstofftank zurückfließenden Kraftstoffs fest­ zustellen, so daß dies bei einem Betrieb einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine über längere Zeit bei geringer Tankfüllung zu einer spürbaren Aufheizung des Tankinhaltes führt.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde zur Druckregelung zwi­ schen einer Vorpumpe und der Hochdruckpumpe ein elektrisch verstellbares Mengendosierventil vorgesehen. Dieses Mengendo­ sierventil wurde von einem elektronischen Regler angesteuert, der den Stellwert aus Kennfeldern und der gemessenen Regelab­ weichung des Drucks ermittelt. Der Vorteil dieses Systems be­ steht darin, daß nur die gerade benötigte Kraftstoffmenge un­ ter Hochdruck gesetzt wird. Der Nachteil dieses Systems be­ steht jedoch in einer sehr aufwendigen Technik. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Hochdruckpumpe eine "Totzeit" in der Regelstrecke darstellt. Die elektronische Druckrege­ lung muß daher entsprechend träge abgestimmt sein, um Schwingneigungen des Systems zu vermeiden. Diese Ausführungs­ form kann somit auf schnelle Druckschwankungen nicht reagie­ ren. Der Druck im Druckspeicher kann nur über Injektor- Leckagen und durch Abführung des Kraftstoffs über die Ein­ spritzventile abgebaut werden. Damit ist ein zusätzliches Si­ cherheitsventil erforderlich.

Eine Kombination dieser beiden Varianten ist zwar möglich, jedoch mit einem erheblichen Herstellungs- und Kostenauswand verbunden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, daß bei geringem Herstellungs- und Kostenaufwand die Nachteile der vorbekannten Systeme vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Druckregelung an einer Einspritzeinrichtung für flüssige Kraftstoffe, insbesondere an einer Kraftstoffeinspritzein­ richtung für eine Kolbenbrennkraftmaschine, bei dem aus einem Kraftstofftank der Kraftstoff mit einer Vorpumpe über eine Förderleitung und eine Hochdruckpumpe in einen Druckspeicher­ raum gefördert wird, der mit Einspritzdüsen in Verbindung steht, wobei der Druck im Druckspeicherraum über ein steuer­ bares Druckhalteventil geregelt wird und die Kraftstoffzu­ flußmenge zur Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Durch­ flußmenge durch das Druckhalteventil in der Weise geregelt wird, daß bei einem Ansteigen der durch eine Abströmleitung geführten Durchflußmenge die Zufuhr zur Hochdruckpumpe ver­ mindert wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist eine schnelle stabile und präzise Druckregelung möglich. Es wird nur ge­ ringfügig mehr Kraftstoff als zum Betrieb benötigt unter Druck gesetzt. Auch ein schneller Druckabbau ist möglich, wo­ bei der Bauaufwand nur geringfügig größer ist als bei einer mengengeregelten Pumpe. Zweckmäßigerweise wird die Zuflußmen­ ge zur Hochdruckpumpe durch Veränderung des freien Strömungs­ querschnitts in der Förderleitung zur Hochdruckpumpe in Ab­ hängigkeit von der Durchflußmenge des Druckhalteventils gere­ gelt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Durch­ flußmenge des Druckhalteventils durch Erfassung der Druckdif­ ferenz vor und hinter einer in der Abströmleitung angeordne­ ten Meßblende erfolgt. Mit Hilfe dieser Druckerfassung ist es möglich, beispielsweise ein in der Kraftstoffzuflußleitung zur Hochdruckpumpe angeordnetes Regelventil druckabhängig zu betätigen, durch das der freie Strömungsquerschnitt in der Förderleitung zur Hochdruckpumpe bei ansteigender Durchfluß­ menge vermindert und bei abnehmender Durchflußmenge geöffnet wird.

Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen eine Anordnung zur Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere an einer Kolben­ brennkraftmaschine, deren Einspritzdüsen druckseitig mit ei­ nem zentralen Druckspeicherraum verbunden sind, der über eine Hochdruckpumpe, eine Förderleitung und eine Vorpumpe mit ei­ nem Kraftstofftank in Verbindung steht, wobei der Hochdruck­ pumpe druckseitig ein steuerbares Druckhalteventil zugeordnet ist, das über eine Abströmleitung mit dem Kraftstofftank ver­ bunden ist, wobei ferner in der Förderleitung zur Hochdruck­ pumpe ein Regelventil angeordnet ist, das mit einem in der Abströmleitung hinter dem Druckhalteventil angeordneten Mit­ tel zur Erfassung der Durchflußmenge in Verbindung steht, wo­ bei das Regelventil so ausgelegt ist, daß bei einem Anstieg der Durchflußmenge in der Abströmleitung der Zufluß zur Hoch­ druckpumpe vermindert wird. Bei einer hohen Mengenabnahme durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung sinkt der Durchfluß durch das Druckhalteventil gegen Null ab, so daß das Regel­ ventil vollständig öffnet und damit die Kraftstoffpumpe mit der maximal vorgesehenen Leistung den Kraftstoff im Druck­ speicherraum unter Hochdruck zu halten vermag. Sinkt die Men­ genabnahme ab, dann steigt entsprechend der Beaufschlagung des Druckhalteventils die über die Abströmleitung abfließende Kraftstoffmenge an. Hierdurch wird dann das Steuerventil in Schließrichtung bewegt, so daß die der Hochdruckpumpe ansaug­ seitig zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge so lange ver­ mindert wird, bis hier eine vorgebbare geringe Restdurchfluß­ menge durch das Druckhalteventil abströmt. Damit ist gewähr­ leistet, daß immer nur eine geringfügig größere Menge durch die Hochdruckpumpe gefördert werden muß, als dies für den Be­ darf der Kraftstoffeinspritzung notwendig ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Regelventil als Schieberventil ausgebildet ist und einen Steuerschieber aufweist, daß das Mittel zur Erfassung der Durchflußmenge durch eine in der Abströmleitung angeord­ nete Meßblende gebildet wird, daß vor der Meßblende eine hochdruckseitige Zweigleitung abzweigt, die den Steuerschie­ ber in Schließrichtung beaufschlagt und daß hinter der Meß­ blende eine niederdruckseitige Zweigleitung abzweigt, die den Steuerschieber in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Durch diese Ausgestaltung ist durch eine einfache Meßblende eine Erfas­ sung der Durchflußmenge in der Abströmleitung hinter dem Druckhalteventil möglich, die eine entsprechende Verstellung des Steuerschiebers in Abhängigkeit von der Druckdifferenz vor und nach der Meßblende ermöglicht. Im Betrieb stellt sich damit sehr schnell ein Gleichgewichtszustand ein. Der Steuer­ schieber ist zweckmäßig mit einer in Öffnungsrichtung wirken­ den Rückstellfeder verbunden, so daß bei einem Ansinken der Durchflußmenge eine zuverlässige Verschiebung des Steuer­ schiebers in Öffnungsrichtung möglich ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Schieberventil hochdruckseitig mit der Niederdruckseite der Abströmleitung verbunden ist und eine Abströmöffnung auf­ weist, die bei Überschreiten einer vorgegebenen oberen Druck­ grenze über den Steuerschieber geöffnet wird. Damit wirkt bei einer sehr hohen Durchflußmenge durch das Druckhalteventil der Steuerschieber selbst als Sicherheitsventil für den hoch­ druckseitigen Bereich.

Diese Sicherung kann in einer anderen Ausgestaltung der Er­ findung auch dadurch bewirkt werden, daß die hochdruckseitige Steuerleitung über eine Abflußleitung mit dem Kraftstofftank verbunden ist und daß in der Abflußleitung ein Grenzdruckven­ til angeordnet wird.

Die Erfindung wird anhand eines Fließbildes einer Kraftstoff­ einspritzeinrichtung für eine Kolbenbrennkraftmaschine näher erläutert.

Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung besteht im wesentlichen aus mehreren Kraftstoffeinspritzdüsen 1, die mit den zugehö­ rigen Zylindern der Kolbenbrennkraftmaschine verbunden sind. Die Kraftstoffeinspritzdüsen stehen über eine Verteilungslei­ tung 2 mit einem Druckraum 3 in Verbindung, in dem über eine Hochdruckpumpe 4 ein Druck in der Größenordnung von 1.000 bis 1.500 bar und auch darüber aufrechterhalten wird. Der Hoch­ druckpumpe 4 wird über eine Förderleitung 5 und eine Vorpumpe 6 der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 7 zugeführt.

Der Druckraum 3 ist mit einer Abströmleitung 9 zum Kraft­ stofftank 7 versehen, in der ein steuerbares Druckhalteventil 8 angeordnet ist. Auch die Kraftstoffeinspritzdüsen 1 sind über eine Rücklaufleitung 10 mit dem Kraftstofftank 7 verbun­ den.

Bei ungeregelter Hochdruckpumpe 4 würden die von den Kraft­ stoffeinspritzdüsen 1 nicht abgenommenen Kraftstoffmengen über das steuerbare Druckhalteventil 8 und die Abströmleitung 9 in den Kraftstofftank 7 zurückfließen. Da es sich hier je nach Lastfall um verhältnismäßig große Kraftstoffmengen han­ deln kann, die sich beim Durchgang durch das Druckhalteventil 8 entsprechend aufheizen würden, ist in der Förderleitung 5 als Regelventil ein Schieberventil 11 mit einem Steuerschie­ ber 12 vorgesehen, durch das in Abhängigkeit von der durch das Druckhalteventil 8 abströmenden Durchflußmenge die über die Förderleitung 5 zur Hochdruckpumpe 4 geförderte Kraft­ stoffmenge in der Weise verändert wird, daß bei einer erhöh­ ten Durchflußmenge in der Abströmleitung 9 die Durchflußmenge in der Förderleitung 5 vermindert wird und umgekehrt. Um dies zu erreichen, ist in der Abströmleitung 9 eine Meßblende 13 vorgesehen. Von der Abströmleitung 9 zweigt hochdruckseitig vor der Meßblende 13 eine Zweigleitung 14 ab, die den Steuer­ schieber 12 in Schließrichtung beaufschlagt. Ferner zweigt hinter der Meßblende 13 eine niederdruckseitige Zweigleitung 15 ab, die den Steuerschieber 12 in Öffnungsrichtung beauf­ schlagt. Der Steuerschieber 12 ist ferner über eine Rück­ stellfeder 16 abgestützt, die auf den Steuerschieber 12 in Öffnungsrichtung einwirkt.

Wie aus der schematischen Zeichnung ersichtlich, weist der Steuerschieber 12 eine Steuerkante 17 auf, die dem zwischen Vorpumpe 6 und Schieberventil 11 zugeordneten Teil 5.1 der Förderleitung zugeordnet ist.

Wird der gesamte Mengenstrom der Hochdruckpumpe über die Kraftstoffeinspritzdüsen 1 abgenommen, dann erfolgt praktisch kein Durchfluß durch das Druckhalteventil 8, so daß der mit der hochdruckseitigen Zweigleitung 14 in Verbindung stehende Druckraum 14.1 des Regelventils praktisch drucklos ist und dementsprechend der Steuerschieber 12 über die Rückstellfeder 16 vollständig geöffnet ist.

Wird die Kraftstoffabnahme über die Kraftstoffeinspritzdüsen 1 reduziert, dann strömt bei gleichbleibender Förderleistung der Hochdruckpumpe 4 über das Druckhalteventil eine entspre­ chende ansteigende Kraftstoffmenge ab. Hierbei baut sich vor der Meßblende 13 ein entsprechend ansteigender Druck auf, der im Bereich von beispielsweise bis zu 10 bar liegen kann. Hin­ ter der Meßblende ist der Kraftstoffdruck entsprechend gerin­ ger. Infolge der Druckdifferenz wird über die Zweigleitung 14 der Hochdruckraum 14.1 des Regelventils 12 mit entsprechend hohem Druck beaufschlagt, während auf dem Niederdruckraum 15.1 ein entsprechend geringerer Druck ansteht, so daß gegen die Kraft der Rückstellfeder 16 der Steuerschieber 12 in Schieberrichtung (Pfeil 12.1) verschoben wird. Hierbei wird die der Steuerkante 17 zugeordnete Zuströmöffnung 18 am Re­ gelventil proportional zur Druckdifferenz geschlossen und so­ mit die der Hochdruckpumpe 4 zuströmende Kraftstoffmenge ent­ sprechend reduziert, so daß nach Erreichen eines Gleichge­ wichtszustandes der Hochdruckpumpe praktisch nur geringfügig mehr Kraftstoff zuströmt, als von den Einspritzdüsen 1 abge­ nommen wird. Der Mengenüberschuß dient zum Aufbau einer men­ genproportionalen Druckdifferenz zur Ansteuerung des Steuer­ schiebers. Um etwaige Schwingungen des Steuerschiebers zu vermeiden, kann eine zusätzliche, hier nicht näher darge­ stellte Dämpfung vorgesehen sein.

Damit der Druck hinter dem Druckhalteventil 8 nicht zu hoch wird, was beispielsweise bei einer Belastung des Druckspei­ chers 3 eintreten kann, weist das Regelventil 11 eine Ab­ strömöffnung 19 auf, der am Steuerschieber 12 eine entspre­ chende Steuerkante 20 zugeordnet ist, so daß bei vollständig geschlossenem Steuerventil die Abströmöffnung 19 geöffnet wird und somit der Druck zur Niederdruckseite der Abströmlei­ tung 9 hin abgebaut werden kann. Der Steuerschieber 12 wirkt für diesen Betriebsfall dann gleichzeitig als Sicherheitsven­ til.

Es ist aber auch möglich, wie in der Zeichnung strichpunk­ tiert eingezeichnet, die hochdruckseitige Zweigleitung 14 über eine Abflußleitung 21 mit der Abströmleitung 9 zu ver­ binden und in diese Abflußleitung ein entsprechendes Sicher­ heitsventil 22 anzuordnen.

Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf den beschriebenen Einsatzfall beschränkt. Das Verfahren ist anwendbar für alle Einsatzfälle, bei denen flüssige Kraftstoffe oder flüssige Brennstoffe in einem Druckraum unter hohem Druck vorgehalten werden müssen, aus dem sie dann nach Bedarf abgezogen werden. So ist das Verfahren beispielsweise auch bei einem Heizöl­ brenner mit Hochdruckzerstäubung anwendbar.

Claims (9)

1. Verfahren zur Druckregelung an einer Einspritzeinrichtung für flüssige Kraftstoffe, insbesondere einer Kraftstoffein­ spritzeinrichtung an einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der aus einem Kraftstofftank der Kraftstoff mittels einer Vorpum­ pe über die Förderleitung und eine Hochdruckpumpe in einen Druckspeicherraum gefördert wird, der mit wenigstens einer Einspritzdüse in Verbindung steht, wobei der Druck im Druck­ speicherraum über ein steuerbares Druckhalteventil geregelt wird und die Kraftstoffzuflußmenge zur Hochdruckpumpe in Ab­ hängigkeit von der Durchflußmenge durch das Druckhalteventil (8) in der Weise geregelt wird, daß bei einem Ansteigen der durch eine Abströmleitung des Druckhalteventils abgeführte Durchflußmenge die Zuflußmenge zur Hochdruckpumpe vermindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuflußmenge zur Hochdruckpumpe durch Veränderung des freien Strömungsquerschnitts in der Förderleitung zur Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Durchflußmenge des Druckhalteventils geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Durchflußmenge des Druckhalteventils durch Erfassung der Druckdifferenz vor und hinter einer in der Abströmleitung angeordneten Meßblende erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Veränderung der Zuflußmenge zur Hoch­ druckpumpe über einen in der Förderleitung angeordneten, den Strömungsquerschnitt verändernden Steuerschieber erfolgt, der an einer Seite mit dem Flüssigkeitsdruck vor der Meßblende und an der anderen Seite mit Flüssigkeitsdruck hinter der Meßblende beaufschlagt wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 an einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere an einer Kolbenbrennkraftmaschine, deren Ein­ spritzdüsen (1) druckseitig mit einem zentralen Druckspei­ cherraum (3) verbunden sind, der über eine Hochdruckpumpe (4), eine Förderleitung (5) und eine Vorpumpe (6) mit einem Kraftstofftank (7) in Verbindung steht, wobei der Hochdruck­ pumpe (4) druckseitig ein steuerbares Druckhalteventil (8) zugeordnet ist, das über eine Abströmleitung (9) mit dem Kraftstofftank (7) verbunden ist, wobei ferner in der Förder­ leitung (5) zur Hochdruckpumpe (4) ein Regelventil (11) ange­ ordnet ist, das mit einem in der Abströmleitung (9) hinter dem Druckhalteventil (8) angeordneten Mittel (13) zur Erfas­ sung der Durchflußmenge in Verbindung steht, wobei das Regel­ ventil (11) so ausgelegt ist, daß bei einem Anstieg der Durchflußmenge in der. Abströmleitung (9) der Zufluß zur Hoch­ druckpumpe (4) vermindert wird und umgekehrt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil als Schieberventil (11) ausgebildet ist und einen Steuerschieber (12) aufweist, daß das Mittel (13) zur Erfas­ sung der Durchflußmenge durch eine in der Abströmleitung (9) angeordnete Meßblende gebildet wird, daß vor der Meßblende eine hochdruckseitige Zweigleitung (14) abzweigt, die den Steuerschieber (12) in Schließrichtung beaufschlagt und daß hinter der Meßblende eine niederdruckseitige Zweigleitung (15) abzweigt, die den Steuerschieber (12) in Öffnungsrich­ tung beaufschlagt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (12) über eine Rückstellfeder (16) in Öff­ nungsrichtung beaufschlagt wird.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schieberventil (11) hochdruckseitig mit der Niederdruckseite der Abströmleitung (9) verbunden ist und eine Abströmöffnung (19) aufweist, die bei Überschreiten ei­ ner vorgegebenen oberen Druckgrenze über den Steuerschieber (12) geöffnet wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die hochdruckseitige Zweigleitung (14) über eine Abflußleitung (21) mit dem Kraftstofftank (7) verbunden ist und daß in der Abflußleitung (21) ein Grenzdruckventil (22) angeordnet ist.