DE60122947T2 - Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses einer Hochdruckpumpe in einem Common-rail Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Durchsatzes einer Hochdruckpumpe in einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors, bei der die Hochdruckpumpe von der Art mit konstanter Verdrängung ist und durch eine Niederdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge und veränderlichem Druck mit Kraftstoff versorgt wird.
- Bekanntlich wird bei modernen Verbrennungsmotoren jeder Injektor durch ein gemeinsames Sammelrohr bzw. ein so genanntes "Common-Rail" mit Hochdruckkraftstoff versorgt, wobei das Common-Rail durch eine Hochdruckpumpe, normalerweise eine Kolbenpumpe, gespeist wird, die wiederum durch eine Niederdruckpumpe mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank versorgt wird.
- Die Niederdruckpumpe liefert normalerweise Kraftstoff mit einem Druck von etwa einigen Bar, während der Kraftstoff in der Verteilerleitung Drücke im Bereich von 1500 bar erreichen kann. Die Hochdruckpumpe wird normalerweise durch die Antriebswelle des Verbrennungsmotors über einen Antriebsriemen oder dergleichen (Zahnräder) in Gang gesetzt, während die Niederdruckpumpe durch einen eigenen Gleichstromelektromotor oder dergleichen (bürstenlose Motoren) in Gang gesetzt wird und damit eine Motorantriebspumpe bildet.
- Wegen der veränderlichen Betriebslast des Verbrennungsmotors müssen die beiden Pumpen dafür ausgelegt sein, die notwendige Kraftstoffzufuhr zu den Injektoren unter den schlimmstmöglichen Bedingungen – d.h. der Motor arbeitet unter Volllast und/oder mit hoher Drehzahl, wobei Kraftstoff entweicht – und bei jeder beliebigen Außentemperatur und jeder beliebigen Kraftstofftemperatur im Tank zu garantieren. Der durch jede Pumpe zugeführte überschüssige Kraftstoff wird über jeweilige Druckregelventile und Abflussleitungen in den Tank zurückgeleitet.
- Die Hochdruckpumpe zieht daher zu jeder Zeit die maximale Menge an Energie, die durch den Verbrennungsmotor geliefert werden muss. Infolge der Erwärmung des Kraftstoffs durch die aufgrund des Druckunterschieds auf dem Druckregelventil der Pumpe abgeführte Wärme wird der in den Tank ausgeleitete Kraftstoff im Allgemeinen den zu pumpenden Kraftstoff erwärmen, der daher flüssiger wird, so dass z.B. zwischen den Kolben und Zylindern mehr Kraftstoff entweicht und damit der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe verringert wird.
- Es sind verschiedene Arten von Vorrichtungen zum Steuern des Durchsatzes von Hochdruckpumpen in Common-Rail-Einspritzsystemen bekannt. Bei einer bekannten Art wird der Durchsatz reguliert, indem der Kolbenhub, z.B. der Ansaughub, verändert wird, um die Verdrängung der Pumpe mechanisch zu verändern. Die Mechanismen, mit denen der Hub verändert wird, sind jedoch hoch komplex und teuer in der Herstellung; und während des Verdichtungshubs führt die Verringerung im Ansaughub der Kolben dazu, dass der Antriebsnocken gegen die Kolben schlägt, was zu einer häufigen Störung bzw. Schädigung der Pumpe führt.
- Außerdem sind Vorrichtungen zum Steuern des Durchsatzes von Hochdruckpumpen mit konstanter Verdrängung bekannt, die die Regulierung der Kraftstoffzufuhr zu der Pumpe ermöglichen. Bei einer bekannten Art erfolgt dies über ein Regelventil, das an der Förderseite der Niederdruckpumpe angebracht ist, um den Strömungsquerschnitt für den Kraftstoff einzustellen.
- Bekannte Steuervorrichtungen dieser Art haben den Nachteil, dass sie teuer in der Herstellung und unzuverlässig sind; und sowohl die Membranen als auch das Ventil verursachen zusätzliche Kosten sowohl bei der Herstellung als auch bei Funktionsprüfungen während des Betriebs. Darüber hinaus können solche Vorrichtungen, vor allem bei der Leerlaufdrehzahl des Motors, keine gleichmäßige Kraftstoffzufuhr zu allen Kolben der Hochdruckpumpe sicherstellen, was zu einem unausgeglichenen Betrieb und einem raschen Verschleiß der Pumpe führt.
- Aus dem Dokument
DE 196 52 831 ist eine Hochdruckpumpe bekannt, bei der drei Pumpelemente über entsprechende Ansaugleitungen und einen gemeinsamen Kraftstoffverteiler, die sich im Pumpenkörper befinden, mit der motorbetriebenen Pumpe verbunden sind. - Aus dem Dokument
DE 196 18 932 ist außerdem eine weitere Vorrichtung zum Steuern des Durchsatzes einer Hochdruckpumpe von der Art mit konstanter Verdrängung bekannt, bei der sich in einem Kanal zwischen einer motorbetriebenen Niederdruckpumpe und der Hochdruckpumpe ein Choke befindet und ein Drucksensor dem Choke nachgeschaltet ist. Die motorbetriebene Pumpe wird durch einen Controller gesteuert, der wiederum durch den Drucksensor und durch das herkömmliche elektronische Steuergerät in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors gesteuert wird. - Wenn lediglich eine kleine Kraftstoffmenge benötigt ist, kann dies bei einer Hochdruckpumpe, die mehr als ein Pumpelement aufweist, dazu führen, dass die Kraftstoffzufuhr aus einer gemeinsamen Einlassleitung zu dem einzelnen Pumpelement unausgeglichen erfolgt.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Steuern des Durchsatzes einer Hochdruckpumpe mit mehr als einem pumpenden Element bereitzustellen, die einen hohen Wirkungsgrad und ein hohes Maß an Zuverlässigkeit gewährleistet und die Beseitigung der oben genannten, mit bekannten Vorrichtungen normalerweise verbundenen Nachteile ermöglicht.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern des Durchsatzes einer Hochdruckpumpe in einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, bei der eine motorbetriebene Niederdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge und veränderlichem Druck mit einer Förderleitung versehen ist, wobei die Hochdruckpumpe mit einer Anzahl von Pumpelementen von der Art mit konstanter Verdrängung versehen ist, die mit einer entsprechenden Anzahl von Ansaugleitungen verbunden sind, wobei die Förderleitung über einen Kraftstoffverteiler mit den Ansaugleitungen verbunden ist, wobei sich die Ansaugleitungen und der Verteiler im Inneren der Hochdruckpumpe befinden, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Chokes, die sich in der Hochdruckpumpe an einer entsprechenden der Ansaugleitungen stromabwärts von dem Verteiler befinden, wobei die motorbetriebene Pumpe in Abhängigkeit von Signalen, die den Betriebszustand des Motors anzeigen, durch ein elektronisches Steuergerät (
31 ) gesteuert wird, um den Kraftstoffdruck stromaufwärts von den Chokes zwischen einem vorbestimmten Höchstwert und einem vorbestimmten Mindestwert zu verändern und die Kraftstoffaufnahme durch die Pumpelemente in einem vorbestimmten Bereich zu regulieren. - Eine bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
-
1 ein Diagramm eines Common-Rail-Einspritzsystems mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Durchsatzes einer Hochdruckpumpe; -
2 ein Diagramm einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems; -
3 eine graphische Darstellung einer Veränderung im Durchsatz der Niederdruckpumpe. - Das Bezugszeichen
1 in1 bezeichnet insgesamt ein Common-Rail-Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors2 , z.B. eines Dieselmotors, mit einer Anzahl von Zylindern3 und einer Antriebswelle4 , die in1 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. Das Einspritzsystem1 umfasst eine Anzahl von elektromagnetischen Injektoren5 , die zu den Zylindern3 gehören und dazu dienen, Hochdruckkraftstoff in diese einzuspritzen. - Injektoren
5 sind mit einem die Verteilerleitung bildenden Behälter6 verbunden, dem über eine Förderleitung8 durch eine mechanische Hochdruckpumpe7 mit konstanter Verdrängung Hochdruckkraftstoff zugeführt wird. Die Hochdruckpumpe7 wird wiederum durch eine Niederdruckpumpe11 gespeist, die durch einen Gleichstromelektromotor angetrieben wird und daher im Folgenden als motorbetriebene Pumpe bezeichnet wird. Eine Förderleitung12 der motorbetriebenen Pumpe11 und ein Kraftstofffilter13 befinden sich zwischen der motorbetriebenen Pumpe11 und der Hochdruckpumpe7 . - Die motorbetriebene Pumpe
11 ist mit einem normalen Kraftstofftank15 durch eine bei14 schematisch angedeutete Leitung verbunden. Tatsächlich ist die motorbetriebene Pumpe11 in den Kraftstoff in dem Tank15 eingetaucht, in dem eine Abflussleitung16 endet, um den durch die motorbetriebene Pumpe11 durch ein Überdruckventil17 ausgeleiteten überschüssigen Kraftstoff abzuführen. - Mit Hilfe der bei
20 schematisch angedeuteten Schmierleitungen schmiert ein Teil des Kraftstoffs in der Förderleitung12 die Mechanismen der Hochdruckpumpe7 und wird in die Abflussleitung16 ausgeleitet. Ein gemäß der später folgenden Beschreibung gesteuerter Druckregler19 ist zwischen der Förderleitung8 und der Abflussleitung16 vorgesehen, um auch jeden überschüssigen Kraftstoff in die Abflussleitung16 auszuleiten, die auch den überschüssigen Kraftstoff der Injektoren5 und, über ein druckbegrenzendes Sicherheitsventil21 , jeden in der Verteilerleitung6 angesammelten überschüssigen Kraftstoff bei einem Ausfall des Druckregelsystems abführt. - Die Hochdruckpumpe
7 umfasst eine Anzahl von Pumpelementen, die jeweils durch einen Kolben22 gebildet werden, der sich in einem jeweiligen Zylinder23 vor und zurück bewegt. Zum Beispiel kann die Pumpe7 von bekannter Art mit drei radialen Zylindern23 (2 ) sein, die jeweils über eine jeweilige Ansaugleitung24 und ein jeweiliges Rückschlagventil25 mit einem Verteiler26 in Verbindung stehen, der mit der Förderleitung12 der motorbetriebenen Pumpe11 in Verbindung steht und normalerweise durch eine Ringnut zwischen zwei Teilen des Körpers der Pumpe7 gebildet wird. - Jeder Zylinder
23 hat ein Druckventil27 , durch das er der Förderleitung8 und der Verteilerleitung6 Hochdruckkraftstoff zuführt. Die Kolben22 werden durch einen gemeinsamen Nocken28 betätigt, der an einer Welle29 angebracht ist, die auf bekannte Weise mit Hilfe von Getriebe- und/oder Untersetzungszahnrädern oder dergleichen (Riemen) durch die Antriebswelle4 in Drehung versetzt wird (1 ). - Der Kraftstoff im Tank
15 hat Atmosphärendruck. Im tatsächlichen Gebrauch komprimiert die motorbetriebene Pumpe11 den Kraftstoff auf einen niedrigen Druck von z.B. etwa 2–5 bar; und die Hochdruckpumpe7 komprimiert den Kraftstoff, um den Kraftstoff in der Verteilerleitung6 auf einen Druck von etwa 1500 bar zu bringen. - Die Injektoren
5 werden durch ein elektronisches Steuergerät31 gesteuert, das durch den üblichen zentralen Mikroprozessor als den Motor2 steuerndes Steuergerät gebildet werden kann. Das Steuergerät31 empfängt Signale, welche die Betriebszustände des Motors2 anzeigen – wie zum Beispiel die von einem Sensor33 erfasste Stellung des Fahrpedals32 ; die von einem Sensor34 einer Schallscheibe36 auf der Antriebswelle4 erfasste Drehzahl des Motors2 ; den von einem Drucksensor37 erfassten Druck des Kraftstoffs in der Verteilerleitung6 ; etc. – und steuert durch Verarbeitung der eingehenden Signale nach einem vorgegebenen Programm den Zeitpunkt und die Dauer der Betätigung der einzelnen Injektoren5 sowie den Druckregler19 . - Gemäß der Erfindung umfasst die Steuervorrichtung einen Choke
41 auf der Saugseite der Hochdruckpumpe7 ; und Mittel zum Steuern der motorbetriebenen Pumpe11 , um den Kraftstoffdruck stromaufwärts von dem Choke41 zwischen einem vorbestimmten Höchst- und Mindestwert zu regulieren, um die Kraftstoffaufnahme durch die Hochdruckpumpe7 in einem vorbestimmten Bereich zu regulieren. - Insbesondere befindet sich der Choke
41 an der Förderleitung12 , am Einlass der Hochdruckpumpe7 , aber stromabwärts von der Abzweigstelle der Schmierleitungen20 . Die Mittel zum Steuern der motorbetriebenen Pumpe11 umfassen ein Steuergerät31 , das in Abhängigkeit von den oben genannten Signalen den Druck des durch die motorbetriebene Pumpe11 zugeführten Kraftstoffs steuert, um den Kraftstoffstrom über die Leitung12 zu der Hochdruckpumpe7 zu regulieren. Die Hochdruckpumpe7 arbeitet somit genauso wie eine Pumpe mit veränderlicher Fördermenge, ohne Überdruck und im Wesentlichen ohne überschüssigen Kraftstoff, der in den Tank15 ausgeleitet wird. - Der Druck des durch die motorbetriebene Pumpe
11 zugeführten Kraftstoffs wird so reguliert, dass am Einlass der Hochdruckpumpe7 ein im Wesentlichen konstanter Kraftstoffdruck aufrechterhalten wird. Dazu liefert das Steuergerät31 der motorbetriebenen Pumpe11 über eine Leitung38 ein Signal zum Steuern des Versorgungsstroms des Elektromotors und damit zum direkten Regulieren des Drucks des der Hochdruckpumpe7 zugeführten Kraftstoffs. - Alternativ kann das Steuergerät
31 der motorbetriebenen Pumpe11 ein Signal zum Steuern der Versorgungsspannung der motorbetriebenen Pumpe11 zuführen – was bekanntlich leichter ist – und damit den Kraftstoffstrom zu der Hochdruckpumpe7 und daher den Druck stromaufwärts von dem Choke41 regulieren. - Da der Durchsatz der Hochdruckpumpe
7 während des Betriebs des Motors2 in einem weiten Bereich, z.B. von 1 bis 10, reguliert werden muss, muss auch die motorbetriebene Niederdruckpumpe11 entsprechend reguliert werden. Um den Einstellbereich der motorbetriebenen Pumpe11 zu verkleinern, wurden ein vorbestimmter maximaler Kraftstoffdurchsatz zu der Hochdruckpumpe7 und ein minimaler Kraftstoffdurchsatz gleich einem vorbestimmten Bruchteil des maximalen Durchsatzes festgelegt. Der maximale Kraftstoffdurchsatz wird vorteilhafterweise im Bereich von 80 Litern/Stunde eingestellt, und der minimale Kraftstoffdurchsatz ist gleich der Hälfte des Maximalwerts, d.h. etwa 40 Liter/Stunde. - Darüber hinaus ist auf der Saugseite der Hochdruckpumpe
7 , stromaufwärts von oder im Inneren der Pumpe, ein Choke41 vorgesehen, der so konstruiert ist, dass ein Druckanstieg stromaufwärts von dem Choke41 selbst erforderlich ist, um den Kraftstoffstrom zu der Hochdruckpumpe7 zu verändern. Insbesondere kann sich der Choke41 an der Förderleitung12 der motorbetriebenen Pumpe11 zwischen dem Filter13 und der Hochdruckpumpe7 befinden. - Neben einer Veränderung im Durchsatz in dem oben genannten Bereich hat sich gezeigt, dass sich der Absolutdruck stromaufwärts von dem Choke
41 direkt proportional zum Durchsatz verändert, wie in3 gezeigt. Insbesondere liegt der absolute Kraftstoffförderdruck im Bereich zwischen einem Maximalwert, wenn der Kraftstoffdurchsatz am größten ist, und einem Minimalwert, wenn der Kraftstoffdurchsatz am kleinsten ist. Eine genaue Prüfung zeigt, dass der Durchmesser des Chokes41 so gewählt werden kann, dass ein Absolutdruck von 2,5 bar für einen Kraftstoffdurchsatz von 80 Litern/Stunde erforderlich ist und ein Absolutdruck von 0,6 bar für einen minimalen Kraftstoffdurchsatz von 40 Litern/Stunde. - Der Absolutdruck des Kraftstoffs in Leitung
12 wird durch einen Drucksensor39 ermittelt, der an der Leitung12 stromaufwärts von dem Choke41 angebracht ist, und durch das Steuergerät31 überwacht, so dass die motorbetriebene Pumpe11 durch das Gerät31 einfach durch Rückkopplung gesteuert werden kann. - Anhand der obigen Werte für den Durchsatz und den entsprechenden Absolutdruck ergibt sich aus Berechnungen und bekannten Tests (nicht näher beschrieben), dass der Ansaugdruck der Hochdruckpumpe mit einem Durchmesser der Leitung
12 von 3 mm oder mehr und einem Durchmesser des Chokes41 von ungefähr 0,9 mm im Bereich von einigen Bar (2–3 bar) gehalten werden kann. - Im Falle einer Hochdruckpumpe
7 (2 ) mit drei Zylindern23 , kann die Kraftstoffzufuhr zu den einzelnen Zylindern23 unausgeglichen sein, wenn nur eine geringe Menge Kraftstoff erforderlich ist. Bei einer Variante der Erfindung ist daher, im Gegensatz zu einem Choke41 an der Leitung12 stromabwärts von dem Verteiler26 , die Leitung24 jedes Zylinders mit einem Choke42 versehen (2 ), um die gleichmäßige Versorgung jedes Zylinders23 mit einem konstanten Förderdruck sicherzustellen, indem der Kraftstoffdurchsatz durch Verändern des Förderdruckes der motorbetriebenen Pumpe11 wie bereits beschrieben verändert wird. - Die Vorteile der Steuervorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen werden aus der vorstehenden Beschreibung deutlich. Insbesondere wird der Durchsatz der Hochdruckpumpe verändert, indem einfach an der Niederdruckpumpe gearbeitet wird, wobei praktisch keine zusätzlichen Mechanismen erforderlich sind, und indem einfach die Stromzufuhr des Elektromotors der Niederdruckpumpe reguliert wird. Darüber hinaus wird der Einstellbereich der motorbetriebenen Pumpe
11 durch den Choke41 oder die Chokes42 verkleinert. - An der hierin beschriebenen Steuervorrichtung können ganz klar Änderungen vorgenommen werden, ohne jedoch vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung zum Steuern des Einspritzsystems durch ein elektronisches Steuergerät geregelt werden, das von der den Motor steuernden Zentraleinheit getrennt ist; auf den Druckregler
19 der Hochdruckpumpe7 kann verzichtet werden; und die Hochdruckpumpe kann von einer anderen Art sein als die in2 gezeigte.
Claims (7)
- Vorrichtung zum Steuern des Durchsatzes einer Hochdruckpumpe in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors (
2 ), bei der eine motorbetriebene Niederdruckpumpe (11 ) mit veränderlicher Fördermenge und veränderlichem Druck mit einer Förderleitung (12 ) versehen ist, wobei die Hochdruckpumpe (7 ) mit einer Anzahl von Pumpelementen (22 ,23 ) von der Art mit konstanter Verdrängung versehen ist, die mit einer entsprechenden Anzahl von Ansaugleitungen (24 ) verbunden sind, wobei die Förderleitung (12 ) über einen Kraftstoffverteiler (26 ) mit den Ansaugleitungen (24 ) verbunden ist, wobei sich die Ansaugleitungen (24 ) und der Verteiler (26 ) im Inneren der Hochdruckpumpe (7 ) befinden, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Chokes (42 ), die sich in der Hochdruckpumpe (7 ) an einer entsprechenden der Ansaugleitungen (24 ) stromabwärts von dem Verteiler (26 ) befinden, wobei die motorbetriebene Pumpe (11 ) in Abhängigkeit von Signalen, die den Betriebszustand des Motors anzeigen, durch ein elektronisches Steuergerät (31 ) gesteuert wird, um den Kraftstoffdruck stromaufwärts von den Chokes (42 ) zwischen einem vorbestimmten Höchstwert und einem vorbestimmten Mindestwert zu verändern und die Kraftstoffaufnahme durch die Pumpelemente (22 ,23 ) in einem vorbestimmten Bereich zu regulieren. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Steuergerät (
31 ) außerdem Signale von einem ersten Sensor (37 ) empfängt, der den Kraftstoffdruck in dem Common-Rail (6 ) erfasst, wobei das elektronische Steuergerät (31 ) die Leistung der motorbetriebenen Pumpe (11 ) steuert, um den Kraftstoffdruck stromaufwärts von den Chokes (42 ) zu regulieren, wobei die Chokes (42 ) einen solchen Durchmesser haben, dass die Kraftstoffaufnahme durch die Hochdruckpumpe (7 ) in dem vorbestimmten Bereich reguliert wird. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
31 ) den Speisestrom oder die Speisespannung der motorbetriebenen Pumpe steuert, um den Kraftstoffstrom zu den Chokes (42 ) zu verändern und so den Kraftstoffdruck stromaufwärts von den Chokes (42 ) zu verändern. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Chokes (
42 ) stromaufwärts von der Hochdruckpumpe (7 ) oder im Inneren der Hochdruckpumpe (7 ) befinden. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
31 ) außerdem Signale von einem zweiten Sensor (39 ) empfängt, der den Kraftstoffdruck stromaufwärts von den Chokes (42 ) erfasst, wobei das elektronische Steuergerät (31 ) die Leistung der motorbetriebenen Pumpe (11 ) steuert, um den Kraftstoffdruck stromaufwärts von den Chokes (42 ) durch Rückkoppelung zwischen einem vorbestimmten Höchstwert und einem vorbestimmten Mindestwert zu regulieren. - Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der eine Förderleitung (
12 ) mit einem Kraftstofffilter (13 ) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Chokes (42 ) und der zweite Sensor (39 ) an der Förderleitung (12 ) zwischen dem Filter (13 ) und der Hochdruckpumpe (7 ) befinden. - Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Förderleitung (
12 ) mit einem Verzweigungspunkt für eine Schmierleitung (20 ) der Hochdruckpumpe (7 ) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Chokes (42 ) und der zweite Sensor (39 ) an der Förderleitung (12 ) zwischen dem Verzweigungspunkt und der Hochdruckpumpe (7 ) befinden.
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