WO2004061293A1 - Kraftstoffeinspritzanlage - Google Patents

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Gerhard Eser
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    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine, comprising a high-pressure pump that pumps fuel from an upstream fuel delivery device into a high-pressure storage container, the amount of fuel supplied by the fuel delivery device to the high-pressure pump being controllable by means of a controllable inlet throttle valve.
  • an inlet throttle valve designed as a solenoid valve or other electrically controllable device, with which the delivery rate of the high-pressure pump can be regulated depending on the current fuel requirement.
  • the aim of this measure is to always have an adequate pressure in the rail and, on the other hand, to avoid unnecessary pumping of the high-pressure pump.
  • the commonly used intake throttle valves show considerable hysteresis at low flow rates. This means that the volume flow through them is not only dependent on the current flowing through the valve coil, but also on the control history. For a given coil current, the flow rate is z. B. greater if the current just drops from a higher to a lower level (i.e.
  • the invention is based on the generic device in that a leakage opening is arranged on the outlet side of the inlet throttle valve, via which fuel for increasing the flow volume through the inlet throttle valve can be directed to a point of the system located on the inlet side of the inlet throttle valve, at least in the case of low flow volume through the Inlet throttle valve even at a pressure in the high-pressure container that is greater than a predetermined lowest working pressure.
  • This measure is based on the idea of always keeping the volume flow through the inlet throttle valve above the range in which the hysteresis of the valve plays an important role. However, this increased flow rate must not lead to excessive filling of the fuel rail and therefore excessive pressure therein.
  • the lowest working pressure is largely determined by the characteristics of the injectors to be used. It is predefined so that a maximum fuel mass to be injected can be injected through the valve within a predefined maximum time period, which is predefined by the respective cylinder segment time period.
  • the leakage opening can be opened or closed by means of a leakage valve. This makes it possible to control the leakage depending on the current demand situation.
  • a control would be favorable which opens the leakage valve in cases of low fuel consumption in order to increase the low flow through the inlet throttle valve, but closes the leakage valve in cases of high fuel consumption in order to be able to use the delivery capacity of the system as efficiently as possible and without leakage losses.
  • the leakage opening is arranged on the high-pressure side of the high-pressure pump.
  • the advantage outweighs the fact that the amount of leakage from this measure differs from the current one Pressure conditions in which the rail can be made dependent.
  • a leakage valve it can thus be controlled without a special pressure sensor and corresponding control circuit arranged separately from the leakage valve.
  • the quantity of fuel derived through the leakage opening is returned to the system at a location hydraulically located between the fuel delivery system and the inlet throttle valve.
  • the flow through the inlet throttle valve is thus increased in the desired manner, but the delivery rate of the low-pressure delivery device does not have to be increased accordingly. This leads to savings in energy consumption and in the design of the components.
  • the leakage valve can be actuated as a function of the pressure prevailing in the storage container.
  • the pressure in the rail is the quantity that has to be optimized in order to achieve the best possible engine performance.
  • the pressure in the rail is also a measure of the amount of fuel currently required. If there is too little pressure in the rail, for example, this is an indication that the flow rate in the rail has to be increased.
  • the leakage opening is closed in order to use the delivery capacity of the system as efficiently as possible and to achieve a rapid increase in pressure.
  • a trigger pressure is defined below which the leakage valve is closed and above which it is open. This is preferably the same as the pressure in the reservoir when the engine is idling, or is slightly lower. This makes it possible to efficiently design a starting process before the pressure in the rail is below the target pressure. In contrast, when the engine is idling or at low engine speeds, where the engine's fuel consumption is particularly low, the hydraulic short circuit according to the invention must be ensured.
  • This functionality can be achieved particularly simply and inexpensively by the leakage valve being an automatically operating, mechanical pressure relief valve. This can be adjusted by the design of its components so that the behavior described above or another desired behavior is guaranteed. Of course, it is also possible to use an electrically controllable valve instead.
  • FIG. 1 shows a hydraulic block diagram of the fuel injection system 10 according to the invention in a particularly preferred embodiment.
  • the fuel is conveyed from the tank of a motor vehicle to the high-pressure fuel pump 13 by a low-pressure supply device (not shown).
  • the interface between the low-pressure and high-pressure system forms a controllable inlet throttle valve 12, which, for. B. as a solenoid valve can be guided and is usually closed when de-energized, but this is not necessarily the case.
  • the high pressure pump 13 delivers fuel into a fuel rail 14, i. H. a high-pressure fuel reservoir, which in turn opens into injectors 15.
  • the injectors 15 can e.g. B. be designed as controllable solenoid valves that inject a defined amount of fuel at a certain time into a combustion chamber of the engine, not shown, with the high pressure built up in the fuel rail 14.
  • the leakage valve 17 provided according to a preferred embodiment of the invention can be installed in addition to the known safety valve 16. As shown in FIG. 1, it is expediently designed as an automatically acting mechanical pressure relief valve. Its triggering pressure corresponds to the lowest setpoint pressure which, as intended, can prevail in the fuel rail 14 when the engine is running, or is slightly below it. It therefore acts in an opposite pressure range compared to the known safety valve 16.
  • the leakage valve 17 connects a connection point which is at the pressure level of the rail with a second connection point which is immediately in front of the inlet throttle valve 12.
  • the low-pressure delivery device (not shown in more detail in FIG. 1) is thus not additionally burdened by the amount of leakage, the flow rate However, the amount increased by the inlet throttle valve 12 to such an extent that its hysteresis behavior is reliably suppressed or at least reduced to a tolerable level.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Hochdruckpumpe (13), die Kraftstoff von einer vorgeschalteten Kraftstoffför-dereinrichtung in einen Hochdruck-Vorratsbehälter (14) pumpt, wobei die von der Kraftstofffördereinrichtung der Hochdruck-pumpe (13) zugeführte Kraftstoffmenge mittels eines steuerba-ren Einlassdrosselventils (12) regelbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ausgangsseitig des Einlass-drosselventils (12) eine Leckageöffnung angeordnet ist, über welche Kraftstoff zur Erhöhung des Durchflussvolumens durch das Einlassdrosselventil (12) zu einer eingangsseitig des Einlassdrosselventils (12) liegenden Stelle der Anlage leit-bar ist.

Description

Beschreibung
Kraftstoffeinspritzanlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Hochdruckpumpe, die Kraftstoff von einer vorgeschalteten Kraftstoff örderein- richtung in einen Hochdruck-Vorratsbehälter pumpt, wobei die von der Kraftstofffördereinrichtung der Hochdruckpumpe zuge- führte Kraf stoffmenge mittels eines steuerbaren Einlassdrosselventils regelbar ist.
Derartige Vorrichtungen finden vielfach Anwendung bei modernen Motoren von Kraftfahrzeugen, insbesondere bei sog. Com- mon-Rail-Diesel- oder Benzin-Direkteinspritzmotoren. Dubbel , Taschenbuch für den Maschinenbau,. 20. Aufl . , 2001 , S . P71 offenbart den klassischen Aufbau solcher Einspritzanlagen. Der Kraftstoff wird über eine Niederdruck-Kraftstofffördervor- richtung an eine Hochdruckpumpe gefördert, die ihn in einen Hochdruck-Vorratsbehälter (Rail) pumpt. Das Rail ist mit Injektoren verbunden, über die der Kraftstoff in die Brennkammern des Motors eingespritzt wird. Bei den Injektoren kann es sich beispielsweise um elektrisch ansteuerbare Einspritzventile handeln, die von einer Steuerungsvorrichtung in Bezug auf Öffnungszeitpunkt, -dauer und Einspritzmenge angesteuert werden.
Als Schnittstelle zwischen der Niederdruck-Fördervorrichtung und der Hochdruckpumpe ist in der Regel ein als Magnetventil oder andere elektrisch ansteuerbare Vorrichtung ausgeführtes Einlassdrosselventil vorgesehen, mit dem die Fördermenge der Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von dem aktuellen Kraftstoffbedarf reguliert werden kann. Ziel dieser Maßnahme ist es, in dem Rail stets einen angemessenen Druck vorliegen zu haben und andererseits unnötige Pumpleistung der Hochdruckpumpe zu vermeiden. Allerdings zeigen die üblicherweise verwendeten Einlassdrosselventile bei geringen Durchflussmengen eine erhebliche Hysterese. Das bedeutet, der Volumenstrom durch sie hindurch ist nicht nur abhängig von dem die Ventilspule durchfließen- den Strom, sondern auch von der Ansteuerungs-Vorgeschichte . So ist bei gegebenem Spulenstrom die Durchflussmenge z. B. größer, wenn der Strom gerade von einem höheren auf ein niedrigeres Niveau absinkt (also etwa bei Reduktion des Schubes des Motors) , als wenn der Strom gerade von einem niedrigeren auf ein höheres Niveau ansteigt (also etwa bei der Beschleunigung des Fahrzeugs) . Diese Hysterese uss durch aufwendige Anpassung des Steuerprogramms ausgeglichen werden, was zusätzliche Kosten verursacht und aufgrund der zunehmenden Komplexität des Gesamtsystems zu erhöhter Fehleranfälligkeit führt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzanlage zur Verfügung zu stellen, durch die die genannten Probleme des Standes der Technik überwunden werden, wobei insbesondere der Einfluss des Hystereseverhaltens des Einlassdrosselventils reduziert werden soll.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung da- durch auf, dass ausgangsseitig des Einlassdrosselventils eine Leckageöffnung angeordnet ist, über welche Kraftstoff zur Erhöhung des Durchflussvolumens durch das Einlassdrosselventil zu einer eingangsseitig des Einlassdrosselventils liegenden Stelle der Anlage leitbar ist und zwar zumindest bei geringen Durchflussvolumen durch das Einlassdrosselventil auch bei einem Druck in dem Hochdruckbehälter, der größer ist als ein vorgegebener niedrigster Arbeitsdruck. Dieser Maßnahme liegt die Idee zugrunde, den Volumenstrom durch das Einlassdrosselventil stets oberhalb desjenigen Bereichs zu halten, in dem die Hysterese des Ventils eine we- sentliche Rolle spielt. Dieser vermehrte Durchfluss darf jedoch nicht zu einer übermäßigen Befüllung des Kraftstoffrails und damit zu einem übermäßigen Druck darin führen. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen hydraulischen Kurzschlusskreislauf für einen Teil des geförderten Kraftstoffs zu schaffen, so dass zwar die Durchflussmenge durch das Einlassdrosselventil erhöht wird, in dem Kraftstoffrail jedoch nach wie vor die für eine optimale Ansteuerung des Motors erforderlichen Mengen- und Druckverhältnisse herrschen. Der niedrigste Arbeitdruck ist dabei maßgeblich durch die Kennlinien der jeweils einzusetzenden Einspritzventile bestimmt. Er ist dabei so vorgegeben, dass eine maximal einzuspritzende Kraftstoffmasse durch das Ventil innerhalb einer vorgegebenen maximalen Zeitdauer eingespritzt werden kann, die durch die jeweilige Zylindersegmentzeitdauer vorgegeben ist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Leckageöffnung mittels eines Leckageventils geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Hierdurch bietet sich nämlich die Möglichkeit, die Leckage in Abhängigkeit von der aktuellen Bedarfssituation zu steuern. Insbesondere wäre eine Steuerung günstig, die in Fällen geringen Kraftstoffbedarfs das Leckageventil öffnet, um den geringen Durchfluss durch das Einlassdrosselventil zu erhöhen, jedoch in Fällen hohen Kraftstoffbedarfs das Leckageventil schließt, um die Förderleistung der Anlage möglichst effizient und ohne Leckageverluste nutzen zu können.
Insbesondere zur Erreichung dieses Ziels kann es günstig sein, wenn die Leckageöffnung hochdruckseitig der Hochdruckpumpe angeordnet ist. Damit wird zwar auch die Hochdruckpumpe von einer größeren Kraftstoffmenge durchsetzt, was zusätzliche Pumpleistung erfordert. Es überwiegt jedoch der Vorteil, dass die Leckagemenge durch diese Maßnahme von den aktuellen Druckverhältnissen in dem Rail abhängig gemacht werden kann. Insbesondere bei Verwendung eines Leckageventils kann dessen Ansteuerung so ohne einen besonderen, getrennt von dem Leckageventil angeordneten Drucksensor und entsprechenden Regel- kreis erfolgen.
Zur Steigerung der Fördereffizienz kann bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die durch die Leckageöffnung abgeleitete Kraftstoffmenge an einer hydraulisch zwischen der Kraftstoffförderanlage und dem Einlassdrosselventil gelegenen Stelle der Anlage wieder zugeführt wird. Damit wird der Durchfluss durch dass Einlassdrosselventil zwar in der gewünschten Weise gesteigert, die Förderleistung der Niederdruck-Fördervorrichtung muss jedoch nicht entsprechend erhöht werden. Dies führt zu Einsparungen beim Energieverbrauch sowie bei der Auslegung der Komponenten.
Wie bereits angedeutet, kann bei einer vorteilhaften Weiter- bildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Leckageventil in Abhängigkeit von dem in dem Vorratsbehälter herrschenden Druck betätigbar ist. Der Druck in dem Rail ist nämlich diejenige Größe, die zur Erzielung der bestmöglichen Motorleistung zu optimieren ist. Auch ist der Druck in dem Rail in vielen Fällen ein Maß für die aktuell benötigte Kraftstoffmenge. Liegt etwa in dem Rail ein zu geringer Druck an, ist dies ein Anzeichen dafür, dass die Fördermenge in das Rail gesteigert werden muss. In diesen Fällen ist es günstig, wenn die Leckageöffnung verschlossen wird, um die Förderleistung der Anlage möglichst effizient zu nutzen und einen schnellen Druckanstieg zu erreichen. Ist der Solldruck dagegen erreicht, kann die Hysteresevermeidung Vorrang haben, so dass das Leckageventil geöffnet und der Durchfluss durch das Einlassdrosselventil über den hysteresebehafteten Bereich ge- steigert werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Auslösedruck definiert ist, unterhalb dessen das Leckageventil geschlossen und oberhalb dessen es geöffnet ist. Dieser stimmt vorzugsweise mit dem im Leerlauf des Motors im Vorratsbehälter herrschen- den Druck überein oder liegt geringfügig darunter. Damit kann ein Startvorgang, vor dem der Druck in dem Rail unterhalb des Solldrucks liegt, effizient gestaltet werden. Im Leerlauf o- der bei geringen Drehzahlen des Motors dagegen, wo der Kraftstoffbedarf des Motors besonders niedrig ist, muss der erfin- dungsgemäße hydraulische Kurzschluss gewährleistet sein.
Besonders einfach und kostengünstig lässt sich diese Funktionalität dadurch erreichen, dass das Leckageventil ein selbsttätig arbeitendes, mechanisches Überdruckventil ist. Dieses kann durch die Auslegung seiner Komponenten so eingestellt werden, dass das oben beschriebene oder ein anderes gewünschtes Verhalten gewährleistet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, statt dessen ein elektrisch ansteuerbares Ventil zu verwenden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1: ein hydraulisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einspritzanlage.
Fig. 1 stellt ein hydraulisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage 10 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform dar. Der Kraftstoff wird gemäß dem Pfeil 11 von einer nicht näher dargestellten Niederdruck- Zuführungsvorrichtung aus dem Tank eines Kraftfahrzeugs zu der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 13 gefördert. Schnittstelle zwischen Niederdruck- und Hochdruckanlage bildet ein regelbares Einlassdrosselventil 12, das z. B. als Magnetventil aus- geführt sein kann und in der Regel in stromlosem Zustand geschlossen ist, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss.
Die Hochdruckpumpe 13 fördert Kraftstoff in ein Kraftstoff- rail 14, d. h. einen Hochdruck-Kraftstoffvorratsbehälter, der seinerseits in Injektoren 15 mündet. Die Injektoren 15 können z. B. als steuerbare Magnetventile ausgeführt sein, die mit dem im Kraftstoffrail 14 aufgebauten Hochdruck eine definierte Menge Kraftstoffs zu einem bestimmten Zeitpunkt in eine Brennkammer des nicht näher dargestellten Motors einspritzen.
Bei bekannten Einspritzanlagen ist ein als Block 16 dargestelltes Sicherheits-Überdruckventil vorhanden, das jedoch 'mit dem nachfolgend näher beschriebenen, erfindungsgemäßen Leckageventil 17 nicht zu vergleichen ist. Das bekannte Sicherheitsventil 16 öffnet nur im Notfall, wenn z. B. aufgrund eines Defektes der Anlage oder einer ihrer Komponenten der Druck in dem Rail über ein kritisches Niveau hinausgeht, um dessen Beschädigung zu verhindern.
Das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehene Leckageventil 17 kann zusätzlich zu dem bekannten Sicherheitsventil 16 eingebaut sein. Es ist günstigerweise, wie in Fig. 1 dargestellt, als selbsttätig wirkendes, mecha- nisches Überdruckventil ausgeführt. Sein Auslösedruck entspricht dem niedrigsten Solldruck, der bei laufendem Motor bestimmungsgemäß in dem Kraftstoffrail 14 herrschen kann oder liegt geringfügig darunter. Es wirkt also im Vergleich zu dem bekannten Sicherheitsventil 16 in einem entgegengesetzten Druckbereich.
Das erfindungsgemäße Leckageventil 17 verbindet einen auf dem Druckniveau des Rails liegenden Anschlusspunkt mit einem zweiten Anschlusspunkt, der unmittelbar vor dem Eingang des Einlassdrosselventils 12 liegt. Damit wird die in Fig. 1 nicht näher dargestellte Niederdruck-Fördervorrichtung durch die Leckagemenge nicht zusätzlich belastet, die Durchfluss- menge durch das Einlassdrosselventil 12 jedoch so weit angehoben, dass dessen Hystereseverhalten zuverlässig unterdrückt oder zumindest auf ein tolerierbares Maß reduziert wird.
Natürlich handelt es sich bei dem in der Figur gezeigten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich um eine exemplarische Illustration einer besonders vorteilhaften Ausführungsform. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind vielfältige Abwandlungen denkbar.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Hochdruckpumpe (13) , die Kraftstoff von einer vorgeschalteten Kraftstofffördereinrichtung in einen Hochdruck-Vorratsbehälter (14) pumpt, wobei die von der Kraftstofffördereinrichtung der Hochdruckpumpe (13) zugeführte Kraftstoffmenge mittels eines steuerbaren Einlassdrosselventils (12) regelbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ausgangsseitig des Einlassdrosselventils (12) eine Leckageöffnung angeordnet ist, über welche Kraftstoff zur Erhöhung des Durchflussvolumens durch das Einlassdrosselventil (12) zu einer eingangsseitig des Einlassdrosselventils (12) liegenden Stelle der Anlage leitbar ist und zwar zumindest bei geringen Durchflussvolumen durch das Einlassdrosselventil (12) auch bei einem Druck in dem Hochdruck-Vorratsbehälter (14), der größer ist als ein vorgegebener niedrigster Arbeitsdruck.
2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leckageöffnung hochdruckseitig der Hochdruckpumpe (13) angeordnet ist.
3. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die durch die Leckageöffnung abgeleitete Kraftstoffmenge an einer hydraulisch zwischen der Kraftstoffförderanlage und dem Einlassdrosselventil (12) gelegenen Stelle der Anlage wieder zugeführt wird.
4. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der vorangehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leckageöffnung mittels eines Leckageventils (17) geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
5. Kraftstoffeinspritzanlage nach den Ansprüchen 2 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Leckageventil (17) in Abhängigkeit von dem in dem Vorratsbehälter (14) herrschenden Druck betätigbar ist.
6. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Auslösedruck, unterhalb dessen das Leckageventil (17) geschlossen und oberhalb dessen es geöffnet ist, mit dem im Leerlauf des Motors im Vorratsbehälter (14) herrschenden Druck übereinstimmt oder geringfügig darunter liegt.
7. Kraftstoffeinspritzanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Leckageventil (17) ein selbsttätig arbeitendes, mechanisches Überdruckventil ist.
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