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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine
mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Mit
Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystemen arbeitende
Diesel-Brennkraftmaschinen
sind aus der Praxis bekannt und erlauben infolge der zylinderindividuellen
Zuordnung jeweils einer aus Pumpe, Leitung und Düse bestehenden Einspritzeinheit
mit üblicherweise
von der Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetriebener, düsennaher
Anordnung der Pumpe kurze, drucksteife Leitungswege und damit auch
sehr hohe Einspritzdrücke
bis weit in den Bereich über
1000 bar. Dies bei einer Auslegung, bei der drehzahlabhängig die
höchsten
Einspritzdrücke beim
Lastpunkt Nenndrehzahl/Volllast auftreten, auf den die hierfür maßgeblichen
konstruktiven Parameter des Systems, wie Nockengeschwindigkeit,
Kolbendurchmesser der Pumpe und Strömungsquerschnitt der Einspritzdüse abgestimmt
sind. Mit sinkenden Drehzahlen und Motorlasten werden deutlich niedrigere
Einspritzdrücke
erreicht, wobei über
der Drehzahl ein im Groben dreiecksförmiger Druckverlauf mit gegen
den Höchstdruck
flacher ansteigender Flanke gegeben ist.
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Pumpen
für derartige
Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsysteme
sind auch aus der WO 97/01 031 A1 bekannt und es ist bei dieser
bekannten Pumpenkonstruktion der Pumpe druckseitig ein Steuerventil
zugeordnet, das eine Verformung der Druckverlaufskurve im Sinne eines
Absenken des Pumpendruckes durch Öffnen gegen die Niederdruckseite
ermöglicht.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
38 01 929 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine
mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem
bekannt, bei dem der insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl veränderliche
Anstieg des Einspritzdruckes zur drehzahlabhängigen Veränderung des Einspritzbeginns
genutzt wird.
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Konstruktiv
ist hierzu ein mit dem Pumpenarbeitsraum einer Stempelpumpe verbundenes,
einen Bypass zur Niederdruckseite in Abhängigkeit vom Druck im Pumpenarbeitsraum
steuerndes Ventil vorgesehen. Dieses umfasst zwei federnd gegeneinander
abgestützte,
einen Ventilraum begrenzende Kolben, deren dem Pumpenarbeitsraum
zugewandter Kolben eine diesen mit den Ventilraum verbindende Drosselbohrung
enthält.
Der Ventilraum steht mit der Niederdruckseite in Verbindung und
die Drosselbohrung wird in Abhängigkeit
vom Druck im Pumpenarbeitsraum durch Zusammenfahren der beiden Kolben
abgesperrt, wobei in der Folge bei weiterem Druckanstieg beide Kolben
gemeinsam so weit verschoben werden können, dass eine gegebenenfalls ungedrosselte
Verbindung des Pumpenarbeitsraumes zur Niederdruckseite freigegeben
wird.
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Die
Verbindung des Pumpenarbeitsraumes zur Niederdruckseite über die
auf den Ventilraum ausmündende
Drosselbohrung hat verfahrensmäßig zur
Folge, dass der Druckaufbau im Pumpenarbeitsraum drehzahlabhängig veränderlich
ist, da bei niedrigen Drehzahlen und entsprechend zeitlich verlängerten
Arbeitshüben
mehr Zeit zum Abströmen
von Kraftstoff über
die Drosselbohrung zur Verfügung steht
als bei hohen Drehzahlen und zeitlich entsprechend kürzeren Arbeitshüben. Ist
die Drosselbohrung durch Zusammenfahren der Kolben, d. h. durch Erreichen
eines entspre chenden Arbeitsdruckes im Pumpenarbeitsraum abgesperrt,
so ergibt sich unabhängig
von der Drehzahl eine Absteuerung des Druckaufbaus durch Öffnen der
Bypass-Verbindung bei Überschreiten
eines vorgegebenen Grenzdruckes.
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Im
Hinblick auf die Verwirklichung unterschiedlicher Einspritzzeitpunkte
und Einspritzmengen wird somit eine drehzahlabhängige Spreizung der Druckverlaufskurven über dem
Kurbelwinkel bzw. dem Nockenwinkel vorgenommen, wobei die Absteuerung
durch Öffnen
der Bypass-Verbindung unabhängig
von der Drehzahl jeweils bei Erreichen des Pumpengrenzdruckes erfolgt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem aufzuzeigen,
das eine Reduzierung der Ruß- bzw.
Partikelemission der Diesel-Brennkraftmaschine insbesondere im mittleren
und unteren Drehzahl- und Lastbereich ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird hierzu
der drehzahlabhängige
Druckverlauf im mittleren und unteren Drehzahl- und Lastbereich
in seinem Niveau angehoben, und zwar dadurch, dass die Auslegung
des Systemes auf einen theoretischen Lastpunkt erfolgt, der oberhalb
des Lastpunktes Nenndrehzahl/Volllast mit zugehörigem maximal zulässigen Einspritzdruck liegt,
womit eine im Niveau insgesamt angehobene Druckverlaufskurve erreicht
wird, die im Bereich kritischer Werte, d. h. bei bzw. vor Überschreiten
des maximal zulässigen
Einspritzdruckes durch Öffnen
des Steuerventiles abgesenkt wird. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird
eine verhältnismäßig große Flexibilität in der
Festlegung der Druckverlaufskurve erreicht, ohne in die Mechanik
des Systems verstärkend
eingreifen zu müssen,
da die mit der Auslegung auf ein höheres Druckniveau an sich verbundenen Nachteile,
auch des höheren
Leistungsbedarfes, nicht zum Tragen kommen. Denn in den unteren Drehzahlbereichen
ist die Druckanhebung gewünscht
und mechanisch unkritisch, und im kritischen oberen Bereich wird,
durch die Kurzschlussverbindung zur Niederdruckseite, die Möglichkeit
der Druckanhebung nicht genutzt, so dass, von Pumpverlusten abgesehen,
auch kein merklich erhöhter Leistungsbedarf
anfällt.
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Im
Rahmen der Erfindung kann in den Druckverlauf im Sinne einer Druckverlaufsabsenkung schon
vor Erreichen des dem maximal zu lässigen Einspritzdruck entsprechenden
Druckes eingegriffen werden, falls eine Anhebung der Druckverlauf
kurve nur im unteren Bereich gewünscht
wird.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner
wird die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystems
für eine
Diesel-Brennkraftmaschine,
die nicht weiter dargestellt ist,
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2 und 3 die
Funktion erläuternde Prinzipdarstellungen
des Ein spritzsystems, wobei das der Pumpe druckseitig nachgeordnete
Steuerventil in 2 in seiner federbelasteten Öffnungsstellung
und 3 in seiner magnetkraftbetätigten Schließstellung
veranschaulicht ist,
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4 und 5 Diagramme,
in denen über dem
Nockenwinkel für
eine un tere und eine im Bereich darüber liegende, obere Drehzahl
die Nockengeschwindigkeit, der Magnethub des Steuerventils und der
Förderdruck
der Pumpe als Leitungsdruck aufgetragen ist, wobei für die höhere Drehzahl
der Druckaufbau im längsmittleren
Bereich der ansteigenden Flanke der Druckkurve reduziert ist und
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6 und 7 den 4 und 5 entsprechende
Darstellungen, wo bei für
die höhere Drehzahl
der durch die Druckkurve veranschaulichte Druckaufbau im Scheitelbereich
der Druckkurve reduziert ist.
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1 zeigt
eine Schemadarstellung eines Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystems für Diesel-Brennkraftmaschinen,
wobei die Pumpe mit 1, die Leitung mit 2 und die
Düse mit 3 bezeichnet
sind und Pumpe 1, Leitung 2 und Düse 3 jeweils
eine einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnete Einspritzeinheit
bilden, deren Pumpe 1 üblicherweise
als Steckpumpe im Zylinderkopf oder zylinderkopfnahen Bereich der
nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet und über den
Nocken 4 einer Nockenwelle 5 beaufschlagt ist,
die bevorzugt auch die Funktion einer Steuernockenwelle für Gaswechselelemente
der Brennkraftmaschine übernimmt.
Die Düse 3 mündet in
nicht näher
dargestellter Weise auf den Brennraum eines Zylinders aus.
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Ein
derartiges Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem
ist üblicherweise
auf den Lastpunkt Nenndrehzahl/Volllast der Brennkraftmaschine ausgelegt.
Die hier auftretenden Einspritzdrücke entsprechen etwa dem maximal
zulässigen
Einspritzdruck. Da der Einspritzdruck drehzahlabhängig ist, ergeben
sich bei niedrigeren Drehzahlen entsprechend geringere Einspritzdrücke. Diese
können
sich auf die Kraftstoffzerstäubung
nachteilig auswirken.
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Um
dem zu begegnen, wird das Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem bezüglich seiner
die Einspritzkriterien bestimmenden Größen, so insbesondere Nockengeschwindigkeit,
Kolbendurchmesser der Pumpe und Strömungsquerschnitt der Düse auf einen
theoretischen Lastpunkt ausgelegt, bei dem sich Einspritzdrücke ergäben, die
den maximal zulässigen
Einspritzdruck des Systemes überschreiten. Dadurch
lässt sich
ein Druckverlauf über
der Drehzahl realisieren, der gegenüber dem auf den Lastpunkt Nenndrehzahl/Volllast
ausgerichteten Druckverlauf im Niveau angehoben ist und somit in
dem Bereich, in dem von diesem angehobenen Druckverlauf Gebrauch
gemacht wird, auch höhere
Einspritzdrücke
zur Folge hat. Hiervon wird im Rahmen der Erfindung im unteren und
mittleren Drehzahlbereich Gebrauch gemacht, nicht aber im oberen
Drehzahlbereich, in dem die theoretische Auslegung auf einen Lastpunkt,
der oberhalb des maximal zulässigen
Einspritzdruckes liegt, zu unlässig
hohen Förder-
und Einspritzdrücken
führen
würde.
Dementsprechend wird für
diesen kritischen Lastbereich der drehzahlabhängige Druckverlauf im Niveau
zurückgenommen,
dadurch dass der Förderdruck
der Pumpe über einen
Bypass zur Niederdruckseite gesteuert zurückgenommen wird. Der Bypass
ist steuerbar ausgeführt und
bevorzugt durch ein Steuerventil gebildet, das als Magnetventil
ausgestaltet ist. Den diesbezüglichen
Aufbau des Einspritzsystemes zeigen die 2 und 3,
wobei auch hier Pumpe, Leitung und Düse wiederum mit 1, 2 und 3 generell
bezeichnet sind.
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Die
Pumpe 1 ist über
ihren Rollenstößel 6 angetrieben,
der mit dem Nocken 4 der Nockenwelle 5 zusammenwirkt
und dem eine Schiebeführung 10 zugeordnet
ist, die in nicht näher
dargestellter Weise gegenüber
dem schematisch angedeuteten Pumpengehäuse 8 geführt und
gegen dieses über
eine Feder 7 nachgiebig abgestützt ist. Die Schiebeführung 10 beaufschlagt
den Pumpenkolben 9, der im Gehäuse 8 geführt ist.
Der Pumpenkolben 9 grenzt einen Druckraum 11 ab,
der an die Leitung 2 angeschlossen ist, wobei der Übergangsbereich
auf die Leitung 2 durch einen Leitungsabschnitt 12 gebildet ist,
in dem das Steuerventil, 13 angeordnet ist.
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Das
Steuerventil 13 ist in üblicher
Weise als Magnetventil ausgebildet und weist einen Schaftteil 14 auf,
der quer zum Leitungsabschnitt 12 verläuft und in einem Gehäuseteil 15 des
Steuerventils 13 geführt
ist, der den Leitungsabschnitt 12 schneidet. Das Schaftteil 14 grenzt
gegenüber
dem Gehäuseteil 15 im Überdeckungsbereich
zum Leitungsabschnitt 12 einen Ringraum 22 ab,
der in Richtung auf den mit der Magnetspule 16 zusammenwirkenden
Anker 17 durch einen kolbenartigen Führungsabschnitt 21 des Schaftteiles 14 geschlossen
ist und der in Gegenrichtung über
einen vom Schaftteil 14 getragenen Ventilkopf 18 absperrbar
ist.
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Bei
geöffnetem
Steuerventil 13 gibt der Ventilkopf 18 die Ver bindung
auf eine im Niederdrucksystem der Kraftstoffversorgung liegende
Kammer 19 frei, so dass die Pumpe im Rahmen des Saughubes bei
zurücklaufendem
Kolben 9 Kraftstoff aufnehmen und bei in Verdichtungsrichtung
bewegtem Kolben 9 Kraftstoff auf das Niederdrucksystem
zurückschieben
kann.
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Auf
die in 2 gezeigte Öffnungsstellung ist
der Schaftteil 14 mit dem Ventilkopf 18 über die Feder 20 belastet,
bei Erregung der Magnetspule 16 und dadurch in Richtung
auf die Magnetspule 16 versetztem Anker 17 ist
das Steuerventil 13, wie in 3 veranschaulicht,
geschlossen. Entsprechend der Bestromung der Magnetspule 16 lassen
sich auch Zwischenstellungen zwischen voll geöffnet und voll geschlossen
anfahren, so dass der jeweilige Leitungsdruck, und korrespondierend
die Fördermenge und
auch der Einspritzzeitpunkt modifiziert werden können. Die Einspritzung bei
geschlossenem Steuerventil 13 ist in 3 veranschaulicht.
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Steuerventile
des in 2 und 3 veranschaulichten Prinzipes
sind, in Verbindung mit einer Steckpumpe, beispielsweise der WO
97/01 031 A1 mit weiteren Einzelheiten zu entnehmen.
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Die
erfindungsgemäß angestrebte
Erhöhung des
Niveaus des Druckverlaufes über
der Drehzahl ohne parallel laufende Anhebung des maximal zulässigen Einspritzdruckes
wird nachfolgend anhand der 4 bis 7 erläutert, wobei 4 und 5 einerseits
und 6 und 7 andererseits bei einander
entsprechenden Darstellungsformen Lösungsvarianten veranschaulichen.
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In 4,
und analog hierzu in 6 sind über dem Nockenwinkel – je Pumpenhub – die Nockengeschwindigkeit
und der Magnethub des Steuerventiles aufgetragen, letzterer ausgehend
vom voll geöffneten
Steuerventil gemäß 2 mit
Magnethub 0. In 5, und analog hierzu in 7 ist über dem Nockenwinkel
der Förderdruck
der Pumpe als Leitungsdruck Pumpe abgetragen, in Beziehung zum maximal
zulässigen
Einspritzdruck. Nockengeschwindigkeit, Magnethub und Leitungsdruck
Pumpe sind bezogen auf eine vorgegebene untere bis mittlere Drehzahl
von etwa 1100 U/min jeweils in Volllinien abgetragen, für eine höhere Drehzahl,
nämlich
eine der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine etwa entsprechende
Drehzahl von 1800 U/min in Punkt-Linien. Das entsprechende Einspritzvolumen
macht für die
niedrigere Drehzahl in etwa die Hälfte des Volumens bei der höheren Drehzahl
aus. Bezogen auf die niedrige Drehzahl sind in den 4 und 5 die Nockengeschwindigkeit über dem
Nockenwinkel mit 23, der Magnethub mit 24 und
der Leitungsdruck Pumpe mit 25 bezeichnet, bezogen auf
die höhere Drehzahl
die Nockengeschwindigkeit mit 26, der Magnethub mit 27 und
der Leitungsdruck Pumpe mit 28.
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Ausgangspunkt
für die
Darstellung gemäß 4 und 5 ist
der geöffnete
Zustand des Steuerventils gemäß 2.
Durch Anregung der Magnetspule 16 wird das Steuerventil 13 geschlossen (3).
Dies führt,
entsprechend dem Verlauf der Nockengeschwindigkeit, zu einer Druckkurve
wie in 5 gezeigt.
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Diese
Verhältnisse
liegen für
die niedrige und die hohe Drehzahl, wie der Vergleich der Kurven 23 bis 25 und 26 und 28 zeigt,
etwa gleich.
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In
Verbindung mit der höheren
Drehzahl und den durch die geometrisch-mechanische Auslegung bedingten
Vorgaben würde
einer Nockengeschwindigkeit 26 bei einem Magnethub 27,
der in seinem Verlauf dem Magnethub 24 entsprechend etwa
rechteckige Kontur aufweisen würde,
ein Leitungsdruck Pumpe anfallen, der gegenüber jenem mit 28 in 5 gezeigten über die
Punkt-Linie 29 hinaus
gehen würde,
wobei mit dieser Punkt- Linie 29 der
maximale zulässige
Einspritzdruck angedeutet ist. Um dies zu vermeiden, ist der Magnethub 27,
ausgehend von der geschlossenen Lage des Steuerventiles bei voll
erregter Magnetspule 16, über dem Nockenwinkel kurzzeitig
zurückgenommen,
und damit das Steuerventil 13 im Bereich der auflaufenden
Druckkurve 28 kurzzeitig insbesondere teilweise geöffnet, wobei das
Abfallen des Magneten und die Zurücknahme des Magnethubes (Magnethubeinbruch)
bei 30 in 4 angedeutet sind. Die kurzzeitige Öffnung führt, wie 5 bei 31 veranschaulicht,
zu einer Verringerung des Druckaufbaus bzw. einem verzögerten Druckaufbau über dem
Nockenwinkel, mit der Folge, dass die Druckspitze abgesenkt wird
und der kritische Einspritzdruck, durch 29 veranschaulicht,
nicht überschritten
wird.
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In
den zu 4 und 5 analogen Darstellungen gemäß 6 und 7 sind,
bezogen auf das niedrigere Drehzahlniveau, die Nockengeschwindigkeit
mit 32, der Magnethub mit 33 und der Leitungsdruck
Pumpe mit 34 bezeichnet, bezogen auf das höhere Drehzahlniveau
mit 35, 36 und 37. Der grundsätzliche
Verlauf der jeweiligen Kurven entspricht dem in 4 und 5,
was auch für
die Erregungszeit der Magnetspule 16 gilt, wobei in Abweichung
zum Ausführungsbeispiel
gemäß 4 und 5 die
Magneterregung nunmehr nicht zu Beginn der Schließphase reduziert
ist, mit der Folge eines entsprechend verringerten Magnethubes und
eines dadurch bedingten teilweisen Öffnen des Steuerventiles, sondern
zum Ende der Erregungsphase. Veranschaulicht ist dies bei 38 in 6.
Die entsprechende, teilweise Öffnung
des Steuerventiles 13 führt
in der Endphase des Druckhubes, wie in 7 veranschaulicht,
zu einer Reduktion des Leitungsdruckes Pumpe, so dass dessen Maximum
den maximal zulässigen
Einspritzdruck 39 nicht überschreitet. Andererseits
führt aber
diese Vorgehensweise, wie ein Vergleich der 5 und 7 zeigt,
zu einem steileren Druckaufbau, so dass sich eine fülligerer
Verlauf für
die Kurve 37, im Vergleich zur Kurve 28, ergibt.
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Insgesamt
ermöglicht
das angesprochene Vorgehen mit einer Auslegung auf einen theoretischen
Lastpunkt, der oberhalb eines dem vorgegebenen, maximal zulässigen Einspritzdruck
entsprechenden Lastpunktes Nenndrehzahl/Volllast liegt, eine Anhebung
des Förderdruckes
im unteren, insbesondere aber im mittleren Drehzahl- und Lastbereich, so
dass sich günstige
Auswirkungen auf die Ruß- bzw.
Partikelemission in diesen besonders kritischen Bereichen ergibt.
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Mit
der Erfindung wird somit ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine
mit einem Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystem
vorgeschlagen, das eine Anhebung des Druckniveaus im mittleren Drehzahlbereich
bezogen auf einen vorgegebenen, maximal zulässigen Einspritzdruck gestattet,
ohne dass im oberen Drehzahlbereich dieser maximal zulässige Einspritzdruck überschritten
wird.