DE4225803A1 - Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzpumpe gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen durch die DE-OS 22 46 056 bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe, bei der ein Pumpen­ kolben, der mit seiner Stirnfläche einen Pumpenarbeitsraum begrenzt, in einer Zylinderbüchse axial bewegt wird, ist die durch ihr Über­ fahren über eine in der Zylinderwand angeordnete Steueröffnung, den Einspritzbeginn steuernde Steuerkante an der Stirnseite des Pumpen­ kolbens, in dem den Nennlastbereich der zu versorgenden Brennkraft­ maschine steuernden Drehstellungsbereich des Pumpenkolbens zur Steueröffnung derart abgeschrägt, daß der Einspritzbeginn in diesem Bereich in Richtung späterer Beginn zurückverlegt ist. Dies ermöglicht neben der Optimierung des Einspritzbeginns für den Bereich großer Last einen hohen maximalen Verbrennungsdruck im Pumpenarbeitsraum auch in den übrigen Betriebspunkten, da diese nun unabhängig vom Nennlastbereich angepaßt werden können.

Es kann somit mit der bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe eine Erhöhung des maximalen Verbrennungsdruckes im gesamten Arbeitsbereich der Kraftstoffeinspritzpumpe erreicht werden, ohne dabei den maximal zulässigen Grenzwert für die mechanische Belast­ barkeit der Bauteile zu überschreiten.

Dabei müssen bei der Auslegung der bekannten Kraftstoffeinspritz­ pumpe für emissionsoptimierte Brennkraftmaschinen die Spritzbeginne jedoch so spät gelegt werden, daß im kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine im untersten Lastbereich, bzw. bei Nullast Weiß­ rauch auftritt, der die Schadstoffemission der zu versorgenden Brennkraftmaschine in diesem Betriebszustand erhöht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Ausgestaltung der den Förderbeginn und damit den Ein­ spritzbeginn steuernden Steuerkante des Pumpenkolbens mit vertieften Bereichen eine Frühverschiebung des Förderbeginns bei Null- bzw. geringer Last und in Abhängigkeit von der Temperatur vorgenommen wird, in dessen Folge Weißrauch in der Warmlaufphase der Brennkraft­ maschine vermieden werden kann, ohne dafür einen zusätzlichen, externen Spritzversteller benötigen zu müssen.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, gemäß Anspruch 4 durch die Ausgestaltung der Steuerkanten gemäß Patentanspruch 1, zwei Bereiche zu bilden, so daß für den Betriebsbereich der kalten Brennkraft­ maschine die mit geringer oder Nullast betrieben wird, ein Steuer­ bereich mit extremer Frühverstellung wirksam wird, während bei höherer Last oder Temperatur die Frühverstellung des Förderbeginns durch den anderen Steuerbereich ein geringeres Maß aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, das Maß der Frühverschiebung vor allem im Leerlaufbetrieb in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und der Last der Brennkraftmaschine zu variieren und somit für die verschiedenen Betriebsbereiche den optimalen Förderbeginn einzu­ stellen. Ein weiterer Vorteil wird dabei durch die Abgrenzung der Steuerkanten voneinander durch eine Längsnut erreicht, wodurch beide Steuerkantenbereiche exakt voneinander getrennt sind, was ein jeweiliges Zuordnen eines separaten Pumpenkennfeldes ermöglicht. Der schroffe Übergang von Steuerkante zu Steuerkante über achsparallele Kanten hat gemäß Anspruch 2 bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffein­ spritzpumpe zudem den Vorteil, daß die einzelnen Regellagen rasch durch Sprungfunktionen angesteuert werden, so daß eine genaue Zuordnung zu den einzelnen Regelbereichen möglich ist.

Ein weiterer Vorteil wird gemäß Anspruch 5 dadurch erzielt, daß das Umschalten zwischen den Steuerkantenbereichen und somit zwischen den Pumpenkennfeldern in Abhängigkeit von Temperatur und Last bei elektronisch geregelten Kraftstoffeinspritzpumpen über eine einfache Logik-Schaltung erfolgt, die zudem die im Regelkreislauf auftretende Hysterese berücksichtigt, was sowohl einen geringen Steuerungsauf­ wand als auch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Vorgabe der Grenzwerte zur Folge hat.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Kraft­ stoffeinspritzpumpe, die Fig. 2 eine Abwicklung des Pumpenkolbens, die die Ausbildung der Steuerkanten zeigt, die Fig. 3 ein Diagramm der Fördermenge über dem Regelweg der erfindungsgemäßen Kraftstoff­ einspritzpumpe, die Fig. 4 eine Schemadarstellung der elektronischen Ansteuerung des Regelwerkes durch eine Logik-Schaltung und die Fig. 5 eine Schemadarstellung der Logik-Schaltung aus der Fig. 4.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der in der Fig. 1 nur in ihrem erfindungswesentlichen Bereich dargestellten Kraftstoffeinspritzpumpe wird ein Pumpenkolben 1 von einem nicht dargestellten Nockenantrieb in einer Zylinderbohrung 3 einer in ein Pumpengehäuse eingesetzten Zylinderbüchse 5 axial hin- und herbewegt. Der Pumpenkolben 1 begrenzt dabei mit seiner dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite 7 einen Pumpenarbeitsraum 9 in der Zylinderbohrung 3, der während eines Teils des Kolbenhubs durch eine radiale Steueröffnung 11 mit einem kraftstoffgefüllten, die Zylinderbüchse 5 umgebenden Niederdruckraum verbunden ist. Die radiale Steueröffnung 11 bildet dabei mit ihrer Austrittskante in Richtung der Pumpenkolbenlängsachse jeweils eine obere Steuerkante 10 und eine untere Steuerkante 12 die mit dem Pumpenkolben 1 zusammenwirken. Der Pumpenkolben ist zum Zweck der Einspritz­ steuerung über eine ebenfalls nicht dargestellte Regelstange ver­ drehbar und weist auf seiner Mantelfläche eine mit der Steueröffnung 11 zusammenwirkende Steuerausnehmung 13 auf, die pumpenarbeitsraum­ seitig von einer schrägen Steuerkante 15 begrenzt wird und die über eine Längsnut 17 ständig mit dem Pumpenarbeitsraum 9 verbunden ist. Die durch den Übergang der Stirnseite 7 zur Mantelfläche des Pumpen­ kolbens 1 entstandene Kante bildet eine obere erste Steuerkante 19 am Pumpenkolben 1, die im Zusammenwirken mit der Steueröffnung 11 in der Zylinderbüchse 5 den Förderbeginn und somit auch den Einspritz­ beginn steuert.

Der Pumpenkolben 1 weist weiterhin erfindungsgemäß einen ersten und einen zweiten vertieften Bereich auf, mit einer zweiten Steuerkante 23 und einer dritten Steuerkante 25, die durch die Längsnut 17 von der ersten Steuerkante 19 getrennt sind. Wie in der in der Fig. 2 dargestellten Abwicklung des Pumpenkolbens 1 gezeigt ist, wird ein erster Bereich A durch den ebenen Verlauf der Stirnseite 7 mit der ersten Steuerkante 19 gebildet, die einen größten Abstand zum nockenantriebsseitigen Ende des Pumpenkolbens 1 aufweist. Der von dem Bereich A durch die Längsnut 17 getrennte zweite Bereich B ist gegenüber der Stirnseite 7 in Richtung Nockenantrieb zurückversetzt, wobei er eine erste Ausnehmung bildet, die durch die zweite Steuer­ kante 23 in Richtung Nockenantrieb begrenzt wird, und weist seiner­ seits noch einen weiteren zurückversetzten bzw. in Richtung Nocken­ antrieb vertieften Bereich C auf, der dort eine zweite Ausnehmung mit der dritten Steuerkante 25 bildet. Die Steuerkantenübergänge zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei als Absätze 21 ausge­ führt, so daß durch diese achsparallelen Übergange die einzelnen Regellagen durch Sprungfunktionen angesteuert werden und eine ein­ deutige Zuordnung des jeweiligen Bereiches möglich ist.

Den durch die Längsnut 17 voneinander getrennten Bereichen A und B werden verschiedene Pumpenkennfelder zugeordnet, die verschiedene Betriebsbereiche der zu versorgenden Brennkraftmaschine abdecken. So ist dem Bereich A ein Pumpenkennfeld 2 zugeordnet, das den Betrieb der kalten Brennkraftmaschine bei geringer oder Nullast steuert und dem Bereich B, der den Bereich C einschließt, der übrige Betriebs­ bereich der warmen, bzw. mit höherer Last betriebenen Brennkraft­ maschine.

Die Steigung der das Förderende und damit die Einspritzmenge steuernden schrägen Steuerkante 15 ist über ihre gesamte Erstreckung gleich, d. h. die größte Kraftstoffördermenge wird im Bereich C an dessen der Längsnut 17 abgewandten Ende erreicht, wobei diese Einstellung etwa dem Vollastbereich der zu versorgenden Brennkraft­ maschine zugeordnet ist.

Die Verstellung der Verdrehlage des Pumpenkolbens 1 relativ zur Zylinderbüchse 5 erfolgt wie bereits erwähnt durch die Regelstange und ein elektronisch angesteuertes Regelwerk, daß wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt eine einfache Logik-Schaltung enthält, die einzelne Betriebsgrößen der zu versorgenden Brennkraftmaschine, wie z. B. Temperatur und gewünschte Kraftstoffmengen, verarbeitet und die Bereiche bzw. Pumpenkennfelder ansteuert.

Dazu besteht die Schaltung, wie in der Fig. 4 dargestellt, aus einem Umschalter 31, der mit dem elektronischen Regelwerk für die Einspritzmengenregelung verbunden ist und der als Eingangs- bzw. Steuergrößen entweder mit einem ersten elektronischen Steuergerät 33, daß die Verstellung des Regelwerks in Abhängigkeit von der Dreh­ zahl und der geforderten Menge nach einem ersten Pumpenkennfeld (PKF 1) steuert oder mit einem zweiten elektronischen Steuergerät 35 verbindbar ist, das das Regelwerk in Abhängigkeit von der Drehzahl und der gewünschten Kraftstoffmenge nach einem zweiten Pumpenkenn­ feld ansteuert. Das Umschalten zwischen den beiden Steuergeräten 33, 35 erfolgt dabei durch ein in der Fig. 5 näher erläutertes, eine Logik-Schaltung verarbeitendes Steuergerät 37, das die Temperatur und die geforderte Kraftstoffmenge bzw. die gewünschte abzugebende Leistung als Eingangsgrößen mit festgelegten Grenzwerten vergleicht und daraus ein einfaches +/- Ausgangssignal formt.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe arbeitet folgender­ maßen.

Während des Saughubs des Pumpenkolbens 1 in Richtung unterer Tot­ punkt, strömt der Kraftstoff aus dem Niederdruckraum über die von der Stirnseite 7 des Pumpenkolbens 1 freigegebene Steueröffnung 11 in den Pumpenarbeitsraum 9. Beim anschließenden Förderhub in Richtung oberer Totpunkt strömt zunächst ein geringer Teil des im Pumpenarbeitsraum 7 befindlichen Kraftstoffes wieder über die Steueröffnung 11 zurück in den Niederdruckraum, bis die obere Steuerkante 19 die obere Steuerkante 10 der Steueröffnung 11 über­ fahren hat und der Pumpenkolben die Steueröffnung 11 mit seiner Mantelfläche verschließt. Im weiteren Verlauf des Pumpenkolbenhubs wird der im Pumpenarbeitsraum 9 befindliche Kraftstoff komprimiert, erreicht den Einspritzdruck und gelangt über eine nicht dargestellte Einspritzleitung und ein Einspritzventil zur Einspritzung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine. Mit Überfahren der schrägen Steuerkante 15 über die untere Steuerkante 12 der Steuer­ öffnung 11 wird die Verbindung zwischen dem unter Hochdruck stehen­ den Pumpenarbeitsraum 9 und dem Niederdruckraum aufgesteuert, so daß sich der Hochdruck im Pumpenarbeitsraum 9 entspannt und der Kraft­ stoff über die Steueröffnung 11 in den Niederdruckraum abströmt. Dabei sinkt der Druck im Einspritzsystem wieder unter den nötigen Einspritzdruck und das Einspritzventil schließt.

Der Zeitpunkt des Zu- und des Aufsteuerns der Steueröffnung 11 und damit der Beginn und die Dauer der Kraftstofförderung und die ein­ gespritzte Kraftstoffmenge sind durch das Verdrehen des Pumpen­ kolbens 1 steuerbar.

Dabei kann über die Einstellage des Bereiches A der ersten Steuer­ kante 19 des Pumpenkolbens 1 ein sehr früher Einspritzbeginn erreicht werden, wie er beim Betrieb der kalten Brennkraftmaschine mit geringer Last erforderlich ist, um die Bildung von Weißrauch zu vermeiden. (Pumpenkennfeld 2).

Da ein derart früher Förderbeginn beim Betreiben der betriebswarmen Brennkraftmaschine oder bei hoher Last, d. h. hoher Kraftstofförder­ menge, die Schadstoffbildung und hier vor allem die NOx-Emission stark ansteigen lassen würde, ist für diesen Betriebsbereich der Bereich B (Pumpenkennfeld 1) der Steuerkante 23 vorgesehen, bei dem der Einspritzbeginn durch das Zurückversetzen der Steuerkante 23 in Richtung spät verschoben ist. Um dabei eine exakte Trennung zwischen den Bereichen A und B zu haben, ist die Längsnut 17 zwischen diesen angeordnet, so daß sich die im in der Fig. 3 gezeigten Diagramm dargestellte Fördermengencharakteristik über dem Regelweg ergibt. Dabei ist ersichtlich, daß die Fördermenge Q mit einer Verstellung der Regelstange oder eines Regelwerkes (RW-Regelweg) in Richtung Vollast zunächst zunimmt, dann sehr kurz unterbrochen wird um dann wie bekannt weiter stetig anzusteigen. Die durch den Bereich C verursachte erneute Verstellung des Einspritz­ beginns in Richtung spät hat dabei keinen wesentlichen Einfluß auf die Fördermengencharakteristik, da die Steigung der schrägen Steuer­ kante 15 gegenüber dem Absatz relativ groß ist, so daß sich lediglich ein geringes Abknicken der Kennlinie ergibt.

Der durch eine zusätzliche Vertiefung entstandene Bereich C mit der Steuerkante 25 wird bei höherer bzw. Vollast eingestellt und bewirkt durch seinen nochmalig späteren Förderbeginn, der sich bis in den Bereich von und nach dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung erstrecken kann, eine Verminderung der Schadstoffbildung und auch hier vor allem der NOx-Emission.

Die Verstellung der Verdrehlage des Pumpenkolbens 1 relativ zur Zylinderbüchse 5 und damit die Einstellung eines der Bereiche der Steuerkanten 19, 23, 25 in Überdeckung mit der Steueröffnung 11 erfolgt im Ausführungsbeispiel über eine elektronische Ansteuerung des Antriebs der Regelstange, deren Aufbau in den Fig. 4 und 5 erläutert wird.

Dabei wird gemäß Fig. 4 davon ausgegangen, daß die Umschaltung zwischen den Pumpenkennfeldern 2 und 1 bzw. den Bereichen A und B in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, z. B. der Kühlwassertemperatur (T) und dem über das Gasgestänge geforder­ ten Kraftstoffmengensollwert (gewünschte Last) erfolgt. Das Pumpenkennfeld 2 (Steuergerät 35) steuert die Verstellbewegung bei kalter Brennkraftmaschine und niedriger Last, während das Pumpen­ kennfeld 1 (Steuergerät 33) im übrigen Betriebsbereich der Brenn­ kraftmaschine zur Anwendung kommt.

Das Blockschaltbild der Fig. 4 zeigt, daß über eine Logik-Schaltung (Steuergerät 37), die die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine und deren gewünschte Lastabgabe als Eingangsgrößen verarbeitet, das Umschalten zwischen den Pumpenkennfeldern erfolgt, wobei nach dem Einstellen eines der Pumpenkennfelder über den Drehzahlregler ein erneuter Vergleich zwischen der Ist-Drehzahl und der gewünschten Lastabgabe erfolgt, in dessen Ergebnis die Lageregelung der Verdreh­ lage des Pumpenkolbens vorgenommen wird.

In der Fig. 5 ist schematisch die Wirkungsweise der Logik-Schaltung des Steuergeräts 37, die hier als "und"-Schaltung arbeitet darge­ stellt. Dabei ist festgelegt, daß nach einem Vergleich der Eingangs­ werte Temperatur (T) und geforderte Last (ME) mit festgelegten Grenzwerten erst dann vom Pumpenkennfeld 1 auf das Pumpenkennfeld 2 umgeschaltet wird, wenn beide die Grenzwerte unterschreiten, so daß der Bereich A des Kennfeldes 2 mit seiner extremen Frühverstellung des Einspritzbeginnes nur bei niedriger Temperatur und geringer Last zur Anwendung kommt, während beim Überschreiten nur eines Eingangs­ wertes über den Grenzwert bereits auf das Pumpenkennfeld 1 zurück­ geschaltet wird.

Um dabei ein ständiges Umschalten in Grenzbereichen zu vermeiden, kann die Umschaltung wie in der Fig. 5 dargestellt Hysterese-abhängig erfolgen, wobei sowohl bei der Temperatur als auch der Last ein Grenzwertband mit oberer (T1, M1) und unterer Hysteresegrenze angegeben ist, in dem bei Veränderungen des Ist-Wertes keine Signale zur Verstellung nach außen gegeben werden und erst beim Überschreiten des oberen oder des unteren Grenzwertes und in Abhängigkeit vom Ausgangsbereich das entsprechende Signal (+/-) abgegeben wird. Dabei ist es alternativ möglich, die temperaturabhängige Umschaltung über eine Zeithysterese vorzunehmen, bei der die Umschaltung erst erfolgt, wenn ein bestimmter Temperaturwert eine bestimmte Zeit unter oder überschritten wird.

Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe ist es somit möglich, ohne externen Spritzversteller oder zusätzliche Bauteile eine Frühverschiebung bei Null- bzw. geringer Last als Funktion von Temperatur und Last vornehmen zu können und so die Bildung von Weiß­ rauch in diesem Betriebszustand der zu versorgenden Brennkraft­ maschine zu vermeiden.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Zylinderbohrung (3) einer Zylinderbüchse (5) axial hin- und hergehend angetriebenen und verdrehbaren Pumpenkolben (1), der mit seiner Stirnfläche (7) einen Pumpenarbeitsraum (9) begrenzt und auf seiner Mantelfläche eine mit dem Pumpenarbeitsraum (9) verbundene Steuerausnehmung (13) aufweist, die eine schräge Steuerkante (15) aufweist und mit einer von einem Niederdruckraum ausgehenden Steuer­ öffnung (11) in der Wand der Zylinderbüchse (5) zusammenwirkt, wobei eine Kante der pumpenarbeitsraumseitigen Stirnfläche (7) des Pumpen­ kolbens (1) zu dessen Mantelfläche eine weitere mit der Steuer­ öffnung (11) zusammenwirkende erste Steuerkante (19) bildet, die einen in Kolbenlängsrichtung zur Antriebsseite des Pumpenkolben (1) vertieften, eine zweite Steuerkante (23) bildenden Bereich (B) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerkante (23) umfangsseitig auf der einen Seite durch eine Längsnut (17) begrenzt ist und von dieser zweiten Steuerkante (23) ein zweiter, zur Antriebsseite des Pumpenkolbens (1) hin vertiefter Bereich (C) unter Bildung einer dritten Steuerkante (25) ausgeht.

2. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen der zweiten Steuerkante (23) und der dritten Steuerkante (25) durch achsparallele Kanten unter Bildung eines Absatzes (21) des zweiten vertieften Bereiches (C) erfolgt.

3. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Drehlage des Pumpenkolbens (1) relativ zur Zylinderbüchse (5) und damit das Wirksamwerden der einzelnen Steuerkanten (19, 23, 25) des Pumpenkolbens (1) an der Steueröffnung (11), in Abhängigkeit von der Last bzw. Fördermenge und der Betriebstemperatur der zu versorgenden Brennkraftmaschine erfolgt.

4. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Steuerkante (19) ein Pumpenkennfeld "2" für den Betrieb der kalten Brennkraftmaschine bei geringer oder Nullast und für die zweite und dritte Steuerkante (23, 25), die von der ersten Steuerkante (19) durch die Längsnut (17) getrennt sind, ein Pumpen­ kennfeld "1" für den übrigen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.

5. Kraftstoffeinspritzpumpe nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen den Kennfeldern 1 und 2 über eine Logik-Schaltung gesteuert wird, die die Temperatur der Brennkraftmaschine und die geforderte Kraftstoffmenge (Last) mit Berücksichtigung einer Umschaltverzögerung verarbeitet.

6. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung vom Pumpenkennfeld "1" auf das Pumpenkennfeld "2" über eine "und"-Schaltung erfolgt, bei der die Eingangsgrößen (Temperatur, Last) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreiten.

7. Kraftstoffeinspritzpumpe nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanten (19, 23, 25) in Radialebenen zur Pumpenkolbenachse liegen.