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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zur Druck-/Strömungsregelung
in einem Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors, mit
einem Speichervolumen druckbeaufschlagten Kraftstoffs, das von einer
Hochdruckpumpe entlang eines Auslassrohres gefördert wird, um die Steuerung
des Systems zu optimieren.
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Es
ist bekannt, dass bei modernen Verbrennungsmaschinen die Hochdruckpumpe
Kraftstoff an eine gemeinsame Kraftstoffleitung mit einem vorbestimmten
Kraftstoffspeichervolumen liefert, um eine Anzahl von den Motorzylindern
zugeordneten Einspritzeinrichtungen zu versorgen. Um den Kraftstoff korrekt
zu zerstäuben,
muss er unter maximalen Lastbedingungen auf einen sehr hohen Druck
von ungefähr
1600 bar gebracht werden; und der erforderliche Kraftstoffdruck
in der gemeinsamen Kraftstoffleitung wird üblicherweise durch eine elektronische
Steuereinheit in Abhängigkeit
von den Motorbetriebszuständen
definiert.
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Es
sind Einspritzsysteme bekannt, bei denen ein Ablass-Magnetventil,
das direkt mit der gemeinsamen Kraftstoffleitung verbunden ist,
durch die Steuereinheit geöffnet
wird, wenn der tatsächliche Druck
in der gemeinsamen Kraftstoffleitung höher als erforderlich ist, um
den überschüssigen Kraftstoff
in den Kraftstofftank abzuleiten. Bei einer plötzlichen Verringerung des durch
die Betriebszustände
des Motors erforderlichen Kraftstoffdrucks, beispielsweise bei einem
Anhalten des Fahrzeugs unmittelbar nach einer Fahrt mit hoher Motordrehzahl,
ist das Ablass-Magnetventil nicht in der Lage, den Kraftstoffdruck
in der gemeinsamen Kraftstoffleitung schnell genug anzupassen, so
dass der Motor mit Kraftstoff versorgt wird, dessen Druck höher als
erforderlich ist, wodurch die Emissionsgeräusche verstärkt werden.
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Es
sind ferner Druckregelvorrichtungen bekannt, die ein Umgehungsmagnetventil
aufweisen, das an dem Auslassrohr der Pumpe angebracht ist, und
das durch die Steuereinheit gesteuert wird, um den kürzlich gepumpten
Kraftstoff direkt in den Tank abzulassen, bevor dieser die gemeinsame
Kraftstoffleitung erreicht. Gemäß dem Dokument
EP 1219828 A2 weist
eine derartige Vorrichtung ferner gegebenenfalls von der Steuereinheit
gesteuerte Ventileinrichtungen auf, um den überschüssigen Kraftstoff in der gemeinsamen
Kraftstoffleitung bei einer plötzlichen
Verringerung des erforderlichen Kraftstoffdrucks direkt in den Tank
zu leiten.
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Da
die Strömung
der Hochdruckpumpe normalerweise von der Drehzahl der Antriebswelle
abhängt,
ist in den genannten Fällen
die Pumpe normalerweise so aufgebaut, dass sie die maximale Strömung und
den maximalen Druck liefert, die in den verschiedenen Betriebszuständen des
Motors erforderlich sind. Infolgedessen ist in bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise
bei maximaler Drehzahl, jedoch minimaler vom Motor geforderter Kraftstoffströmung, die
Pumpenströmung übermäßig und der überschüssige Kraftstoff
wird über
das Magnetventil der gemeinsamen Kraftstoffleitung oder das Umgehungsmagnetventil
einfach in den Tank abgeleitet. Bekannte Regelvorrichtungen haben
daher den Nachteil, einen Teil der Kompressionsarbeit der Hochdruckpumpe
in Form von Wärme
abzuleiten.
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Das
Dokument US 2002/092505 A1 beschreibt eine Kraftstoffversorgungsvorrichtung
mit einer Niederdruckpumpe, die über
eine Niederdruckleitung Kraftstoff an eine Hochdruckpumpe liefert,
welche mit hohem Druck beaufschlagten Kraftstoff an eine herkömmliche
gemeinsame Kraftstoffleitung liefert. Letztere ist mit einem Druckregelventil
versehen, um den überschüssigen Kraftstoff
durch eine Rücklaufleitung
zu einem Tank abzuleiten. Die Rücklaufleitung
ist mit einem Absperrventil verbunden, das mit einem Druckregelventil
in Reihe geschaltet ist, um den überschüssigen Kraftstoff
von der Niederdruckleitung an den Tank abzuleiten.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
Optimieren der Druckregelung eines Speichervolumens zu schaffen
und so die Effizienz des Systems zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer Regelvorrichtung zur Druck-/Strömungsregelung
in einem Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors gelöst, bei
der ein Speichervolumen druckbeaufschlagten Kraftstoffs von einer
Hochdruckpumpe entlang eines Auslassrohres gefördert wird, und wobei der erforderliche
Kraftstoffdruck des Speichervolumens durch eine Steuereinheit in
Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen des Motors definiert wird; wobei die
Regelvorrichtung ein Magnetventil aufweist, das von der Steuereinheit
gesteuert ist, um den von der Pumpe gepumpten überschüssigen Kraftstoff in einen
Tank abzulassen; dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil ein
Umgehungsmagnetventil ist, das in das Auslassrohr eingesetzt ist, wobei
eine Ventileinrichtung zwischen dem Umgehungsmagnetventil und dem
Speichervolumen vorgesehen ist, um den überschüssigen Kraftstoff schnell aus
dem Speichervolumen zu dem Umgehungsmagnetventil hin abzulassen,
wenn die Steuereinheit mindestens eine starke Verringerung des erforderlichen
Kraftstoffdrucks des Speichervolumens definiert, wobei die Ventileinrichtung
ein erstes Rückschlagventil
aufweist, um das Strömen
von Kraftstoff von der Pumpe zu der gemeinsamen Kraftstoffleitung zu
ermöglichen,
solange der tatsächliche
Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Kraftstoffleitung niedriger als
derjenige in dem Auslassrohr ist, und ein zweites Rückschlagventil
aufweist, das im Verlauf eines Rohres angeordnet ist, das an einem
stromaufwärts
des ersten Rückschlagventils
gelegenen ersten Punkt und an einem stromabwärts des ersten Rückschlagventils
gelegenen zweiten Punkt mit dem Auslassrohr verbunden ist, wobei
das zweite Rückschlagventil
das Ablassen des überschüssigen Kraftstoffs
aus der gemeinsamen Kraftstoffleitung zu dem Auslassrohr ermöglicht.
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Beim
Regeln des Drucks/der Strömung
ermöglicht
diese Ventileinrichtung somit eine Kraftstoffströmung von dem Speichervolumen
zu dem Umgehungs magnetventil solange die Druckdifferenz auf einer
Seite der Ventileinrichtung einen vorbestimmten Wert übersteigt.
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Beim
Regeln des Drucks/der Strömung
wird daher nur ein Teil des in dem Speichervolumen befindlichen
Kraftstoffs in den Tank abgelassen, so dass nicht die gesamte von
der Pumpe auf den Kraftstoff aufgebrachte Arbeit in Form von Wärme abgeleitet
wird.
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Ein
bevorzugtes, nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel unter Bezugnahme auf
die zugehörige Zeichnung
beschrieben, welche ein Diagramm eines Kraftstoffeinspritzsystems
eines Verbrennungsmotors zeigt, das eine erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung
für druckbeaufschlagten
Kraftstoff aufweist.
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Das
Bezugszeichen 1 in der zugehörigen Zeichnung bezeichnet
als Ganzes ein Kraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung
in einem Verbrennungsmotor 2, beispielsweise einem Viertakt-Dieselmotor.
Der Motor 2 weist eine Anzahl von beispielsweise vier Zylindern 3 auf,
die mit jeweiligen (nicht dargestellten) Kolben zusammenwirken, die
zum Drehen einer Antriebswelle 4 betreibbar sind.
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Das
Einspritzsystem 1 umfasst eine Anzahl von elektrischen
Einspritzeinrichtrungen 5, die den Zylindern 3 zugeordnet
sind und mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff in diese einspritzen.
Die Einspritzeinrichtungen 5 sind mit einem Speichervolumen
verbunden, das ein vorbestimmtes Volumen für eine oder mehrere Einspritzeinrichtungen 5 hat.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Speichervolumen durch eine herkömmliche gemeinsame Kraftstoffleitung 6 definiert,
mit welcher die Einspritzeinrichtungen 5 sämtlich verbunden
sind.
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Der
gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 wird über ein Auslassrohr 8 mit
hohem Druck beaufschlagter Kraftstoff durch eine insgesamt mit 7 bezeichnete
Hochdruckpumpe zugeführt.
Die Hochdruckpumpe 7 wird ihrerseits über ein Ein lassrohr 10 der
Pumpe 7 von einer Niederdruckpumpe versorgt, beispielsweise
eine motorgetriebene Pumpe 9. Die motorgetriebene Pumpe 9 ist üblicherweise
in dem Kraftstofftank 11 aufgenommen, mit dem ein Ablassrohr 12 zum
Ablassen überschüssigen Kraftstoffs
aus dem Einspritzsystem 1 und zum Leiten des abgelassenen
Kraftstoffs von den Einspritzeinrichtungen 5 in den Tank 11 verbunden
ist.
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Um
den Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 zu
regeln, ist ferner ein Umgehungsmagnetventil 14 zwischen
der Hochdruckpumpe 7 und der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 angeordnet,
um über
ein entsprechendes Ablassrohr 13 jeglichen Kraftstoff in
den Tank 11 zu leiten, der über das normalerweise von den
Einspritzeinrichtungen 5 hinaus angesaugte Maß gepumpt
wurde, um so den erforderlichen Druck in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 aufrecht
zu erhalten.
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Der
Kraftstoff im Tank 11 weist Atmosphärendruck auf. Im tatsächlichen
Gebrauch komprimiert die motorgetriebene Pumpe 9 den Niederdruck
aufweisenden Kraftstoff auf beispielsweise ungefähr 2–5 bar; die Hochdruckpumpe 7 komprimiert den über das Einlassrohr 10 eingehenden
Kraftstoff, um mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff mit beispielsweise ungefähr 1600
bar über
das Hochdruckrohr 8 an die gemeinsame Kraftstoffleitung 6 zu
liefern; und jede Einspritzeinrichtung 5 spritzt unter
Steuerung durch eine elektronische Steuereinheit 16, die
durch die übliche
Mikroprozessorsteuereinheit des Motors 2 gebildet sein
kann, in einen jeweiligen Zylinder 3 eine Menge an Kraftstoff
ein, die zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert liegt.
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Die
Steuereinheit 16 empfängt
Signale, welche die von entsprechenden nicht dargestellten Sensoren
erkannten Betriebszustände
des Motors 2, beispielsweise die Gaspedalposition und die
Drehzahl der Antriebswelle 4, sowie den von einem Drucksensor 17 erkannten
Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 angeben.
Durch Verarbeiten der eingehenden Signale mittels eines geeigneten
Programms steuert die Steuereinheit 16 den Zeitpunkt und
die Dauer der Aktivierung jeder Einspritzeinrichtung 5 sowie
das Öffnen
und das Schließen
des Magnetventils 14.
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Die
Hochdruckpumpe 7 weist ein oder mehrere hin und her gehende
Pumpelemente 18 auf, die jeweils durch einen Zylinder 19 mit
einer Kompressionskammer 20 gebildet sind, in welchem ein
Kolben 21 gleitet. Jede Kompressionskammer 20 ist
mit dem Einlassrohr 10 über
ein Einlassventil 25 und mit dem Auslassrohr 8 über ein
Auslassventil 30 verbunden.
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Der
Kolben 21 wird mittels exzentrischer Nockeneinrichtungen 22,
die an einer die Pumpe 7 treibenden Welle 23 vorgesehen
sind, vor und zurück bewegt,
um einen Ansaughub und einen Kompressions- oder Auslasshub durchzuführen. Bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind zwei koaxiale, entgegengesetzte Pumpelemente 18 vorgesehen und
von einem einzelnen exzentrischen Nocken 22 betrieben.
Die Welle 23 ist mit der Antriebswelle 4 durch
eine Übertragungsvorrichtung 26 verbunden, so
dass bei dem dargestellten Beispiel die Vorrichtung 26 bei
jedem Einspritzvorgang der Einspritzeinrichtungen 5 in
jeweilige Zylinder 3 des Motors 2 einen Kompressionshub
eines Kolbens 21 steuert.
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Erfindungsgemäß weist
das Kraftstoffeinspritzsystem 1 eine Vorrichtung zum Regeln
des Drucks in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 und, zusätzlich zu
dem Umgehungsmagnetventil 14, ferner Ventileinrichtungen
auf, die als Ganzes mit 31 bezeichnet sind. Die Ventileinrichtungen 31 befinden sich
zwischen dem Umgehungsmagnetventil 14 und der gemeinsamen
Kraftstoffleitung 6 und Bewirken das schnelle Ableiten
von überschüssigem Kraftstoff von
der gemeinsame Kraftstoffleitung 6 in das Auslassrohr 8 an
dem Umgehungsmagnetventil 14. Insbesondere bewirken die
Ventileinrichtungen 31 das Ableiten von überschüssigem Kraftstoff
von der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 in das Auslassrohr 8 zwischen
der Pumpe 7 und dem Umgehungsmagnetventil 14,
wenn die Steuereinheit 16 eine bestimmte starke Verringerung
des in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 erforderlichen
Kraftstoffdrucks definiert, und sie umfassen Einweg- oder Rückschlagventile, wie
Kugelventile 32 und 33, die entgegengesetzt gerichtet
sind und parallel zueinander angebracht sind, das heißt, sie
sind antiparallel angeordnet. Genauer gesagt ermöglicht ein erstes Rückschlagventil 32 des Paares
eine Kraftstoffströmung
von der Pumpe 7 zu der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 solange
der tatsächliche
Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 niedriger
als derjenige in dem Auslassrohr 8 der Pumpe 7 ist;
und ein zweites Rückschlagventil 33 des
Paares ist im Verlauf eines Rohres 34 angeordnet, das mit
dem Auslassrohr 8 an einer Stelle 35 stromaufwärts des
ersten Rückschlagventils 32 und
an einer Stelle 36 stromabwärts des Rückschlagventils 32 verbunden
ist.
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Das
Rückschlagventil 33 ermöglicht das
Ablassen von Kraftstoff aus der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 an
das Umgehungsmagnetventil 14, so dass die beiden Rückschlagventile 32, 33 antiparallel verbunden
sind. Beide Rückschlagventile 32, 33 sind vorzugsweise
vom Kugeltyp und im wesentlichen gleich, mit der Ausnahme, dass
das zweite Rückschlagventil 33 eine
zusätzliche
Feder 37 aufweist, deren Kraft einer vorbestimmten Druckverringerung oder
dem Schwellenwert Δp
entspricht. Die Feder 37 ermöglicht es dem Ventil 33 nur
dann zu öffnen,
wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen Kraftstoffdruck in
der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 und der durch das Umgehungsmagnetventil 14 in
dem Auslassrohr 8 der Pumpe 7 bestimmte Druck
am Auslass der beiden Auslassventile 30 den Schwellenwert Δp übersteigt.
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Der
Schwellenwert Δp
kann vorzugsweise auf den Bereich von 1000 bar eingestellt sein.
Eine derartige Druckverringerung kann auftreten, wenn der Motor 2,
nachdem er über
eine bestimmte Zeit mit hoher Last betrieben wurde, plötzlich mit
geringer Last, beispielsweise im Leerlauf, betrieben wird, so dass
die Steuereinheit 16 in diesem Fall einen niedrigen Kraftstoffdruck
in der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 als am günstigsten
für den
Betrieb des Motors 2 definiert, d.h. für das Steuern der Einspritzeinrichtungen 5,
und das Ventil 33 öffnet,
um den Druck schnell auf den definierten Wert zu verringern. Der Kraftstoffverbrauch
und Abgasschadstoffe werden so stark verringert und, da nicht der
gesamte druckbeaufschlagte Kraftstoff in den Atmosphärendruck aufweisenden
Tank 11 abgelassen wird, wird die von der Pumpe 7 bereits
geleistete Arbeit nicht abgeleitet oder in Wärme umgewandelt.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftstoffregelvorrichtung
gegenüber
bekannter Technologie ist aus der vorangehenden Beschreibung deutlich ersichtlich.
Insbesondere bei einem plötzlichen
Abfall des optimalen Drucks wie er durch die Betriebsbedingungen
des Motors 2 definiert ist, kann der Kraftstoffdruck in
der gemeinsamen Kraftstoffleitung 6 schnell angepasst werden,
ohne dass die bereits geleistete Pumparbeit abgeleitet wird, wodurch
der Energieverbrauch verringert wird.
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An
der hier beschriebenen Regelvorrichtung können Veränderungen vorgenommen werden,
ohne jedoch den Rahmen der zugehörigen
Ansprüche
zu verlassen. Beispielsweise kann die Übertragungsvorrichtung 26 entfallen,
und die Welle 23 der Hochdruckpumpe 7 kann mit
einer Drehzahl betrieben werden, die von derjenigen der Antriebswelle 4 unabhängig ist;
die Hochdruckpumpe 7 kann durch zwei parallele kann durch
zwei parallele, anstatt koaxiale Pumpelemente 18 gebildet
sein; die Pumpe 7 kann eine andere Zahl als zwei Pumpelemente
aufweisen; und die Ventileinrichtung 31, das Umgehungsmagnetventil 14 und
das Auslassrohr 8 können
in dem Körper
der Hochdruckpumpe 7 integriert sein.