EP1767769A1 - Verfahren zum Reduzieren der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems - Google Patents

Verfahren zum Reduzieren der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems Download PDF

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EP1767769A1 EP05108844A EP05108844A EP1767769A1 EP 1767769 A1 EP1767769 A1 EP 1767769A1 EP 05108844 A EP05108844 A EP 05108844A EP 05108844 A EP05108844 A EP 05108844A EP 1767769 A1 EP1767769 A1 EP 1767769A1
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torque
common rail
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    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the overall load of the drive system of a common rail injection system of a diesel engine.
  • a common rail injection system has a low and a high pressure part.
  • the essential components of the high pressure part are a high pressure pump, a high pressure accumulator (rail), injectors, pressure control valves and high pressure fuel lines.
  • the high pressure prevailing in the rail of the injection system is generated by a high-pressure pump.
  • the injectors inject electrically controlled fuel into the combustion chamber of the engine. It is also conceivable, however, that the injectors inject the fuel mechanically controlled into the combustion chamber of the engine.
  • the high-pressure pump and the injectors are components that have been continuously improved in recent years. For example, the EP 0 844 385 B1 and EP 1 321 662 A1 with the design of injectors for a common rail injection system.
  • the high-pressure pump for generating pressure in the rail is driven by a clutch, gear, chain or toothed belt.
  • the high-pressure pump may be integrated either directly into the drive system of the diesel engine, so that it is driven by the crankshaft, or driven by its own system of the camshaft.
  • the crankshaft drives the high pressure pump and the camshaft usually via a toothed belt or chain.
  • Object of the present invention is to propose a method for reducing the overall load of the drive system of a common rail injection system of a diesel engine.
  • the object is achieved in that at least one parameter of a high pressure pump of the common rail injection system is selected such that the order of the torque excitation of the high pressure pump is equal to the order of the torque excitation at least one camshaft, and further that the angular position of the high pressure pump so in the drive system it is chosen to at least partially cancel out oscillations of the torque at the high pressure pump and oscillations of the torque at the camshaft.
  • the invention has the advantage that vibrations in the drive system, in particular of the chain or toothed belt, are also effectively reduced and, as a result, simpler and more cost-effective tensioning and guiding elements for the chain or the belt can be used. Finally, the robustness and reliability of the drive system, in particular the chain or the belt due to the reduced vibrations improved, which makes it possible to use simpler components here also due to the lower loads.
  • the transmission ratio of the high pressure pump of the common rail injection system can be chosen such that the order of the torque excitation of the high pressure pump is equal to the order of the torque excitation of at least one camshaft.
  • the number of piston strokes of the high pressure pump of the common rail injection system can be selected such that the order of the torque excitation of the high pressure pump is equal to the order of the torque excitation of at least one camshaft.
  • the number of pistons of the high pressure pump of the common rail injection system can be selected such that the order of the torque excitation of the high pressure pump is equal to the order of the torque excitation of at least one camshaft.
  • the angular position of the high-pressure pump is chosen in particular with respect to the angular position of the camshaft.
  • the invention can be used with a high-pressure pump integrated in the drive system of the diesel engine, but also with a high-pressure pump driven by the camshaft, for example in a diesel engine with DOHC (double overhead camshaft).
  • DOHC double overhead camshaft
  • FIG. 1 schematically shows a drive system of a common rail injection system (not shown) of a diesel engine which includes a crankshaft gear 10 of a diesel engine (not shown), a drive wheel 12 for a common rail injection system (not shown), a camshaft gear 14 of a (not shown) camshaft and a drive element, for example, a chain or a toothed belt 16 includes.
  • the torque of the crankshaft 10 is transmitted via the chain or the toothed belt 16 to the drive wheel 12 of the high pressure pump and the camshaft 14.
  • a gear ratio is determined in each case by a wheel diameter and is in the case of the drive wheel 12 for the high pressure pump 2: 3 and for the camshaft 14 1: 2.
  • the torque of the camshaft has a second order vibration characteristic that can also be adjusted for the torque of the high pressure pump drive wheel 12 by the number of pistons or the piston strokes of the pump or by the gear ratio of the drive wheel 12 ,
  • the chain or the toothed belt 16 can be tensioned by one or more engagement elements or tension rollers.
  • angular positions of all rotating drive components, ie the crankshaft 10, the drive wheel 12 of the high pressure pump and the camshaft 14 are matched, for example during assembly of the diesel engine, as indicated by the reference numerals 18, 20 and 22, which designate the angular position of the crankshaft sprocket 10, the drive wheel 12 of the high-pressure pump and the camshaft sprocket 14.
  • FIG. 2 now shows the torque curve on the camshaft (solid line 24) and the high-pressure pump (dot-dash line 26) in the upper diagram.
  • the camshaft has a gear ratio of 1: 2 and generates four torque oscillations over 360 ° cam angle and 720 ° crank angle using the example of a 4-cylinder in-line engine.
  • the high-pressure pump for example, generates four characteristic torque oscillations over 720 ° crank angle in the case of three piston strokes of the pump (per revolution) and the selected gear ratio of 2: 3.
  • the illustrated course is thus over two revolutions of the crankshaft and over one revolution of the camshaft.
  • the resulting total torque of Drive system shown (dashed line 28).
  • the angular positions of the high-pressure pump and its drive wheel and the camshaft or the camshaft are aligned according to the "worst case", ie such that the total torque abruptly alternating loads (from a positive to a negative torque) with amplitudes to about 21.3 Nm causes.
  • the torque oscillations on the camshaft gear and on the drive wheel of the high-pressure pump are superimposed “constructively”, ie the two torque oscillations are in phase, resulting in a very large overall load of the drive system due to the torque oscillation resulting from the superposition.
  • the method of the present invention is applicable not only to the in-line four-cylinder in-line engine but also to all internal combustion engines having a plurality of cylinders arranged in series, such as eight-cylinder in-line engines or V-type engines as well have cylinders arranged in series.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors. Mindestens ein Parameter einer Hochdruckpumpe (12) des Common-Rail-Einspritzsystems wird derart gewählt, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe (12) gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle (14) ist. Ferner wird die Winkelstellung der Hochdruckpumpe (12) derart im Antriebssystem gewählt, daß sich Oszillationen des Drehmoments an der Hochdruckpumpe (12) und Oszillationen des Drehmoments an der Nockenwelle (14) zumindest teilweise auslöschen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors.
  • Bei Common-Rail- oder Speicher-Einspritzsystemen sind die Hochdruckerzeugung und Kraftstoffeinspritzung voneinander getrennt. Aufgrund der Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung ergeben sich große Variationsmöglichkeiten der Einspritzdrücke und der Einspritzzeitpunkte. Ein Common-Rail-Einspritzsystem besitzt einen Nieder- und einen Hochdruckteil. Die wesentlichen Komponenten des Hochdruckteils sind eine Hochdruckpumpe, ein Hochdruckspeicher (Rail), Injektoren, Druckregelventile und Hochdruck-Kraftstoffleitungen. Der im Rail des Einspritzsystems vorherrschende hohe Druck wird von einer Hochdruckpumpe erzeugt. Die Injektoren injizieren elektrisch gesteuert den Kraftstoff in den Brennraum des Motors. Vorstellbar ist aber auch, daß die Injektoren den Kraftstoff mechanisch gesteuert in den Brennraum des Motors injizieren. Vor allem die Hochdruckpumpe und die Injektoren sind Komponenten, die in den letzten Jahren fortlaufend verbessert wurden. Beispielsweise befassen sich die EP 0 844 385 B1 und EP 1 321 662 A1 mit der Gestaltung von Einspritzdüsen für ein Common-Rail-Einspritzsystem.
  • Die Hochdruckpumpe zur Druckerzeugung im Rail wird über Kupplung, Zahnrad, Kette oder Zahnriemen angetrieben. Hierzu kann die Hochdruckpumpe entweder direkt in das Antriebssystem des Dieselmotors integriert sein, so daß sie von der Kurbelwelle angetrieben wird, oder auch durch ein eigenes System von der Nockenwelle angetrieben werden. Bei einer Integration in das Antriebssystem des Dieselmotors treibt die Kurbelwelle die Hochdruckpumpe und die Nockenwelle in der Regel über einen Zahnriemen oder Kette an.
  • Im Betrieb treten mehr oder weniger hohe Belastungen im Antrieb des Common-Rail-Einspritzsystems auf, die zu Schwingungen führen können, welche vor allem bei einem Riemen- oder Kettenantrieb unerwünscht sind. Die Belastungen und damit einhergehenden Schwingungen werden vor allem durch die Drehmomenterregung der Nockenwelle und der Hochdruckpumpe verursacht und bestimmen wesentlich die Zuverlässigkeit und Robustheit des Antriebssystems von Common-Rail-Einspritzsystemen. Die auftretenden Drehmomente führen zu einer zum Teil hohen Gesamtbelastung mit abrupten Lastwechseln des Antriebssystems, vor allem durch die einhergehenden Schwingungen, die zum Teil große Amplituden aufweisen.
  • Gerade bei in Serie gefertigten Einspritzsystemen schwanken die Belastungen jedoch stark und führen demnach zu einer hohen Varianz der Zuverlässigkeit und Robustheit des Antriebssystems für Einspritzsysteme. Grundsätzlich werden bei Riemen- oder Kettenantrieben Spannungs- und Führungselemente von Kette oder Zahnriemen für die größtmögliche Gesamtbelastung ausgelegt. Zudem müssen die Serviceintervalle für Antriebssysteme von Common-Rail-Einspritzsystemen nach dem "worst case" bemessen werden, bei dem die Gesamtbelastung im Antriebssystem eines Common-Rail-Einspritzsystems ein Maximum erreicht und die Komponenten des Systems am stärksten belastet sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Reduzieren der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors vorzuschlagen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens ein Parameter einer Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt wird, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist, und daß ferner die Winkelstellung der Hochdruckpumpe derart im Antriebssystem gewählt wird, daß sich Oszillationen des Drehmoments an der Hochdruckpumpe und Oszillationen des Drehmoments an der Nockenwelle zumindest teilweise auslöschen.
  • Bisher war eine ausgewählte Winkelstellung der Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems im Gegensatz zu Dieselmotoren mit Verteilereinspritzpumpen keine Bedingung für den Betrieb. Versuche haben jedoch gezeigt, daß das durch die Hochdruckpumpe erzeugte Drehmoment die Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems nicht unwesentlich beeinflußt. Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, daß durch eine ausgewählte Winkelstellung der Hochdruckpumpe, insbesondere eine gezielte Abstimmung der Winkelstellungen von Hochdruckpumpe und Nockenwelle zueinander zu wesentlich geringeren Belastungen des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems aufgrund der Drehmomenterregungen der Hochdruckpumpe und der Nockenwelle führen kann. Von daher fließt das von der Hochdruckpumpe erzeugte Drehmoment bei der Abstimmung vorteilhaft mit ein.
  • Die Erfindung hat vor allem den Vorteil, daß auch Schwingungen im Antriebssystem, insbesondere von Kette oder Zahnriemen wirksam verringert werden und dadurch einfachere und kostengünstigere Spannungs- sowie Führungselemente für die Kette bzw. den Riemen eingesetzt werden können. Schließlich werden auch die Robustheit und Zuverlässigkeit des Antriebssystems, insbesondere der Kette oder des Riemens aufgrund der reduzierten Schwingungen verbessert, was es ermöglicht, auch hier aufgrund der geringeren Belastungen einfachere Bauelemente zu verwenden.
  • Als Parameter kann insbesondere das Übersetzungsverhältnis der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt werden, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist.
  • Als Parameter kann auch die Anzahl der Kolbenhübe der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt werden, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist.
  • Als Parameter kann auch die Anzahl der Kolben der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt werden, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist.
  • Die Winkelstellung der Hochdruckpumpe wird insbesondere in Bezug auf die Winkelstellung der Nockenwelle gewählt.
  • Grundsätzlich kann die Erfindung mit einer in das Antriebssystem des Dieselmotors integrierten Hochdruckpumpe, aber auch mit einer von der Nockenwelle angetriebenen Hochdruckpumpe, beispielsweise in einem Dieselmotor mit DOHC (double overhead camshaft) eingesetzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch ein Antriebssystem eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors, bei dem Hochdruckpumpe und Nockenwelle von der Kurbelwelle des Motors angetrieben werden, und
    Fig. 2
    zwei Diagramme, in welchen der Drehmomentverlauf von Nockenwelle und Hochdruckpumpe eines Antriebssystems gemäß Fig. 1 einmal für eine "worst case" Winkelstellung und einmal für eine "best case" Winkelstellung von Kurbel-, Nockenwelle und Hochdruckpumpe dargestellt sind.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Antriebssystem eines (nicht gezeigten) Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors, welches ein Kurbelwellenrad 10 eines (nicht gezeigten) Dieselmotors, ein Antriebsrad 12 für eine (nicht gezeigte) Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems, ein Nockenwellenrad 14 einer (nicht dargestellten) Nockenwelle und ein Antriebselement beispielsweise eine Kette oder einen Zahnriemen 16 umfasst. Das Drehmoment des Kurbelwellenrads 10 wird über die Kette bzw. den Zahnriemen 16 auf das Antriebsrad 12 der Hochdruckpumpe und das Nockenwellenrad 14 übertragen.
  • Ein Übersetzungsverhältnis wird jeweils von einem Raddurchmesser bestimmt und beträgt im Fall des Antriebsrads 12 für die Hochdruckpumpe 2:3 und für das Nockenwellenrad 14 1:2. Im Falle eines 4-Zylinder Reihenmotors zum Beispiel hat das Drehmoment der Nockenwelle eine Schwingungscharakteristik in zweiter Ordnung, die auch für das Drehmoment des Antriebsrads 12 der Hochdruckpumpe durch die Anzahl der Kolben oder der Kolbenhübe der Pumpe oder durch das Übersetzungsverhältnis des Antriebsrads 12 eingestellt werden kann. Die Kette bzw. der Zahnriemen 16 kann durch ein oder mehrere Einrückelemente oder Spannrollen gespannt werden.
  • Um eine möglichst geringe Belastung aufgrund der oszillierenden Drehmomente des Antriebsrads 12 der Hochdruckpumpe und des Nockenwellenrads 14 zu erzielen, werden beispielsweise bei der Montage des Dieselmotors Winkelstellungen aller rotierender Antriebskomponenten, also des Kurbelwellenrads 10, des Antriebsrads 12 der Hochdruckpumpe und des Nockenwellenrads 14 aufeinander abgestimmt, wie durch die Bezugsziffern 18, 20 und 22 angedeutet ist, welche die Winkelstellung des Kurbelwellenrads 10, des Antriebsrads 12 der Hochdruckpumpe und des Nockenwellenrads 14 bezeichnen.
  • Fig. 2 zeigt nun im oberen Diagramm den Drehmomentverlauf an der Nockenwelle (durchgezogene Linie 24) und der Hochdruckpumpe (strich-punktierte Linie 26). Die Nockenwelle weist ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 auf und erzeugt am Beispiel eines 4-Zylinder Reihenmotors vier Drehmomentoszillationen über 360° Nockenwinkel bzw. 720° Kurbelwinkel. Die Hochdruckpumpe hingegen erzeugt beispielsweise bei drei Kolbenhüben der Pumpe (pro Umdrehung) sowie dem gewähltem Übersetzungsverhältnis von 2:3 auch vier charakteristische Drehmomentoszillationen über 720° Kurbelwinkel. Der dargestellte Verlauf geht somit über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle und über eine Umdrehung der Nockenwelle. Ferner ist im Diagramm das resultierende Gesamtdrehmoment des Antriebssystems dargestellt (gestrichelte Linie 28). Beim dargestellten exemplarischen Verlauf sind die Winkelstellungen der Hochdruckpumpe bzw. ihres Antriebsrads sowie der Nockenwelle bzw. des Nockenwellenrads gemäß dem "worst case" ausgerichtet, d.h. derart, daß das Gesamtdrehmoment abrupt abwechselnde Lasten (von einem positiven zu einem negativen Drehmoment) mit Amplituden bis etwa 21,3 Nm bewirkt. Im "worst case" überlagern sich die Drehmomentoszillationen am Nockenwellenrad und am Antriebsrad der Hochdruckpumpe "konstruktiv", d.h. die beiden Drehmomentoszillationen sind in Phase, wodurch sich eine sehr große Gesamtbelastung des Antriebssystems aufgrund der aus der Überlagerung resultierenden Drehmomentoszillation ergibt.
  • Im unteren Diagramm von Figur 2 ist wiederum der Drehmomentverlauf an der Nockenwelle (durchgezogene Linie 24) und der Hochdruckpumpe (strich-punktierte Linie 26) dargestellt, wobei nun die Winkelstellungen der Hochdruckpumpe bzw. des Antriebsrads davon und der Nockenwelle bzw. des Nockenwellenrads gemäß dem "best case" wie von der Erfindung vorgeschlagen ausgerichtet sind. Bei drei Kolbenhüben der Pumpe (pro Umdrehung) beispielsweise ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von 2:3. Hier sind nun die Drehmomentoszillationen am Nockenwellenrad und am Antriebsrad der Hochdruckpumpe zueinander in der Phase derart verschoben, daß sie sich zumindest teilweise auslöschen. Im Unterschied zum oberen Diagramm zeigt nun der Verlauf des Gesamtdrehmoments (gestrichelte Linie 28), daß eine "leicht pulsierende" Gesamtbelastung ohne abrupte Lastwechsel mit Amplituden bis etwa 13,9 Nm wirkt.
  • Insgesamt hat sich gezeigt, daß durch die Abstimmung der Winkeleinstellung nicht nur der Kurbel- und Nockenwelle sondern auch des Antriebsrads der Hochdruckpumpe bzw. der Hochdruckpumpe eine Verringerung der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors erzielen läßt. Versuche haben eine Verringerung um bis zu etwa 35 % ergeben, bei "weicheren" Lastwechseln der Gesamtbelastung.
  • Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei dem beispielhaft genannten Vier-Zylinder-Reihenmotor anwendbar, sondern natürlich auch bei allen Verbrennungsmotoren, die eine Vielzahl von in Reihe angeordneten Zylindern aufweisen, wie zum Beispiel Acht-Zylinder-Reihenmotoren oder V-Motoren, die ebenfalls in Reihe angeordnete Zylinder haben.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Reduzieren der Gesamtbelastung des Antriebssystems eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Dieselmotors,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mindestens ein Parameter einer Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt wird, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist, und die Winkelstellung der Hochdruckpumpe derart im Antriebssystem gewählt wird, daß sich Oszillationen des Drehmoments an der Hochdruckpumpe und Oszillationen des Drehmoments an der Nockenwelle zumindest teilweise auslöschen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Parameter das Übersetzungsverhältnis der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt wird, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Parameter die Anzahl der Kolbenhübe der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt wird, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Parameter die Anzahl der Kolben der Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems derart gewählt wird, daß die Ordnung der Drehmomenterregung der Hochdruckpumpe gleich der Ordnung der Drehmomenterregung mindestens einer Nockenwelle ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Winkelstellung der Hochdruckpumpe in Bezug auf die Winkelstellung der Nockenwelle gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Hochdruckpumpe in das Antriebssystem des Common-Rail-Einspritzsystems des Dieselmotors integriert ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Hochdruckpumpe von der Nockenwelle angetrieben wird.
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