DE19900562C2 - Common-Rail-System - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-System mit einer geregelten Vorförderpumpe, die aus einen Kraftstofftank einen Kraftstoffstrom zu einer Hochdruckpumpe fördert. DOLLAR A Um das Regelverhalten zu verbessern, wird der Kraftstoffstrom mit Hilfe einer Ventileinrichtung in einen Schmierstrom und einen Hochdruckförderstrom aufgeteilt, der mit Hochdruck beaufschlagt in einen Hochdruckspeicher gefördert wird, dass die Vorförderpumpe eine im Wesentlichen lineare Förderkennlinie (1) mit einer bestimmten Steigung aufweist, und dass die Ventileinrichtung für den Schmierstrom ein Ventil umfasst, dessen Förderkennlinie (2) zunächst in einem ersten Abschnitt (I) mit der Drehzahl der Vorförderpumpe mit der gleichen Steigung wie die Förderkennlinie (1) der Vorförderpumpe ansteigt, dann in einem zweiten Abschnitt (II) im Wesentlichen linear mit einer geringeren Steigung als die Förderkennlinie (I) der Vorförderpumpe ansteigt und in einem dritten Abschnitt (III) schließlich wieder abfällt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-System mit einer geregelten Vorförderpumpe, die aus einem Kraftstofftank einen Kraftstoffstrom zu einer Hochdruckpumpe fördert.

Um den Wirkungsgrad von Common-Rail-Systemen zu verbessern, ist es erforderlich, im Druckspeicher (Rail) ein Gleichgewicht zwischen zuströmendem und abströmendem Kraftstoffstrom herzustellen. Das wird mit einer Bedarfsmengenregelung angestrebt. Ein derartiges Common- Rail-System ist bspw. in der nicht vorveröffentlichten DE 197 39 653 beschrieben. Um den Schmierstrom konstant zu halten, wird ein Stromregelventil verwendet.

Der Antrieb der Hochdruckpumpe erfolgt über den Motor. Somit ist die Drehzahl der Hochdruckpumpe abhängig von der Motordrehzahl. Bei Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass das bekannte Stromregelventil zwar im oberen Drehzahlbereich ein gutes Regelverhalten aufweist, aber nicht im unteren Drehzahlbereich.

Die DE 197 35 938 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail- System. Dabei wird ein Sollwert für einen Druck in einem Druckspeicher vorgegeben und mit einem Istwert verglichen. Ausgehend von diesem Vergleich gibt ein Regler eine Größe zur Bildung eines Ansteuersignals für einen Steller vor. Die Regelstrecke ist linearisiert, wobei der Regler einen Druckaufbaumengendurchsatz vorgibt, der zum Druckaufbau erforderlich ist.

Die DE 34 38 015 A1 betrifft eine Pumpe mit konstantem Fördervolumen. In der Saugleitung der Pumpe sind hintereinander eine Blende und eine verstellbare Drossel angeordnet, deren kleinster Durchflussquerschnitt kleiner ist als der Durchflussquerschnitt der Blende. Die Drossel wird vom Druck in der Förderleitung mit Hilfe eines druckbeaufschlagten Stellzylinders verstellt, der über ein Wegeventil angesteuert ist, das ebenfalls vom Druck in der Förderleitung entgegen der Kraft einer Reglerfeder verstellbar ist. Dadurch wird erreicht, dass die Leistungsaufnahme der Pumpe bei Überschreiten des Maximaldrucks abgesenkt wird.

Die DE 195 48 278 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail- System. Der Kraftstoff wird von wenigstens einer Pumpe von einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich gefördert. Ein Drucksensor erfasst den Kraftstoff im Hochdruckbereich. Es ist wenigstens ein erstes und ein zweites Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoffdrucks im Hochdruckbereich vorgesehen.

Die DE 197 00 738 C1 betrifft ein Verfahren zur Regelung der Einspritzmengen von Injektoren, die in einem Common- Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine fluidisch mit einer gemeinsamen Druckleitung verbunden sind. Eine Kraftstoffpumpe stellt in der Druckleitung Kraftstoff unter statischem Nenndruck bereit. Den Injektoren werden Steuersignale zur Freigabe und zum Schließen mit individuellen Einspritzdauern zum Erreichen jeweils gleicher Einspritzmengen von einer Reglereinheit zugeführt. Bei unterschiedlichen Durchsätzen der einzelnen Injektoren werden jeweils gleiche Einspritzmengen von der Reglereinheit durch Veränderung der jeweiligen Einspritzdauer unter Zugrundelegung eines Messsignals erreicht. Das Messsignal wird von einer in die Druckleitung eingesetzten Druckmessvorrichtung erzeugt.

Die DE 196 12 412 A1 beschreibt eine Regelung für den Hochdruck in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Dieselbrennkraftmaschine. Mit der Regelung wird der Druck in einer gemeinsamen, von einer Hochdruckpumpe gespeisten Hochdruckleitung, an die einzelne Verbraucher angeschlossen sind, entsprechend der momentanen Druckfluidanforderung eingeregelt. Der Hochdruckpumpe ist zur Anpassung des Drucks in der gemeinsamen Hochdruckleitung an den Druckfluidbedarf der Verbraucher eine Fluidfördermengenbegrenzungseinrichtung zugeordnet. Die Fluidfördermengenbegrenzungseinrichtung hat zumindest ein Stellelement das mittels eines die momentane Druckfluidversorgungssituation wiedergebenden Stellsignals veränderbar ist. Zur Vermeidung einer aufwendigen Drucksensorik und zur gleichzeitigen Verbesserung des Ansprechsverhaltens der Regelung wird das Stellsignal vom Fluidmengendurchsatz in der Ablaufleitung eines Druckbegrenzungsventils abgeleitet, das an die gemeinsame Hochdruckleitung angeschlossen ist. Über dieses Stellsignal wird der Vorförderdruck bzw. die der Hochdruckpumpe zur Verfügung stehende Vorfördermenge im Sinne einer Einregelung des Drucks in der gemeinsamen Hochdruckleitung (Common-Rail) beeinflusst. In der DE 196 12 412 A1 geht es also um die Beschreibung einer Vorsteuerung der Fördermenge der Hochdruckpumpe über die Beeinflussung des Vorförderdrucks dieser Hochdruckpumpe über die abgesteuerte Hochdruckmenge des Hochdruckregelventils.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Common-Rail-System gemäß dem Oberbegriff des neuen Patentanspruchs 1 mit einer besseren Schmierung und einem besseren Regelverhalten, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes im Sinne der Aufgabenstellung.

Durch die Aufteilung des zu der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstroms in einen Schmierstrom und einen Hochdruckförderstrom wird eine ausreichende Schmierung der Hochdruckpumpe im Betrieb gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der hydraulischen Kennlinie des Ventils wird eine stabile Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher gewährleistet. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, im kritischen Bereich von Leerlauf und Teillast, wird die Fördermenge der drehzahlgeregelten Vorförderpumpe besser aufgeteilt als bei herkömmlichen Einspritzsystemen.

Im ersten Abschnitt wird praktisch der gesamte, von der Vorförderpumpe gelieferte Kraftstoffstrom als Schmierstrom abgezweigt. Im zweiten Abschnitt nimmt der Hochdruckförderstrom langsam zu. Im dritten Abschnitt fällt der Schmierstrom auf ein Minimum ab, das eine ausreichende Schmierung gewährleistet. Dadurch wird die Fördermengencharakteristik bei kleinen Motordrehzahlen erheblich verbessert.

Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schmierstrom-Ventil einen zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Ventilstellung variablen Durchflussquerschnitt aufweist, der in der geöffneten Stellung so groß ist, dass ein ausreichend großer Schmierstrom durchtreten kann, und der in Abhängigkeit vom Vordruck abnimmt, sobald das Ventil anfängt zu schließen. Durch den in Abhängigkeit des von der Vorförderpumpe gelieferten Vordrucks variablen Durchflussquerschnitt wird erreicht, dass der Schmierstrom zunächst ansteigt und dann wieder abfällt.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schmierstrom-Ventil einen Ventilkörper mit einer Durchgangsbohrung umfasst, in der ein durch eine Feder vorgespannter Ventilkolben hin- und herbewegbar ist. Dieses Ventil ist besonders einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Mit zunehmendem Kolbenhub nimmt die Durchtrittsfläche ab. Das Regelverhalten des Schmierstromventils kann über die Größe der Federkonstanten beeinflusst werden.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben die Form eines Hohlzylinders aufweist, der in der geschlossenen Ventilstellung an einem Ende eines Zapfens anliegt, in dem eine Längsbohrung angebracht ist, die konzentrisch zu dem Ventilkolben angeordnet ist, und der in der geöffneten Ventilstellung von dem einen Ende des Zapfens beabstandet ist, wobei in dem Zapfen eine Querbohrung angebracht ist, die mit der Längsbohrung und in der geöffneten Ventilstellung auch mit dem Innenraum des Ventilkolbens in Verbindung steht. Durch die Verwendung dieses Schmierstromventils kann das bekannte Stromregelventil entfallen. In Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Schmierstromventil wurde ein erheblich verbessertes Regelverhalten bei niedrigen Motordrehzahlen festgestellt.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Längsbohrung in dem Zapfen kleiner ist als der Innendurchmesser des Ventilkolbens. Die Längsbohrung des Zapfens wirkt in der geschlossenen Ventilstellung als Drossel.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Auftragung verschiedener Förderkennlinien über der Drehzahl; und

Fig. 2 ein Schmierstromventil gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist in einem Koordinatensystem in der Form von Kennlinien 1 und 2 die Menge über der Drehzahl aufgetragen. Die Kennlinie 1 zeigt das Förderverhalten der Vorförderpumpe über der Drehzahl. Die Kennlinie 2 stellt den durch das Schmierventil geförderten Schmierstrom über der Drehzahl dar.

Wie man in Fig. 1 sieht, verläuft die Kennlinie 1 linear. Das heißt, je größer die Drehzahl der Vorförderpumpe ist, desto mehr Kraftstoff wird gefördert. Die Kennlinie 2 verläuft in Abschnitten I, II und III ebenfalls linear, aber mit unterschiedlichen Steigungen. In dem Abschnitt I hat die Kennlinie 2 die gleiche Steigung wie die Kennlinie 1 der Vorförderpumpe. Das bedeutet, im Abschnitt I wird die gesamte von der Vorförderpumpe gelieferte Kraftstoffmenge zur Schmierung verwendet. In dem Abschnitt II hat die Kennlinie 2 eine etwas geringere Steigung als die Kennlinie 1. Das heißt, in dem Abschnitt II wird in zunehmendem Maße Kraftstoff zu der Hochdruckpumpe geliefert und dort mit Hochdruck beaufschlagt. In dem Abschnitt III fällt die Kennlinie 2 leicht ab. Das heißt, mit zunehmender Drehzahl sinkt der Schmierstrom auf einen Mindestwert ab. Dieser Mindestwert ist so gewählt, dass eine ausreichende Schmierung der Hochdruckpumpe gewährleistet ist. Im Abschnitt III nimmt die zu der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge mit der Drehzahl stärker zu als in dem Abschnitt II.

In Fig. 2 ist die Ansicht eines Längsschnitts durch ein Schmierstromventil gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Schmierstromventil hat einen länglichen Ventilkörper 4, in dem eine Durchgangsbohrung 5 angebracht ist. In der Durchgangsbohrung 5 ist ein Ventilkolben 6 verschiebbar aufgenommen. Der Ventilkolben 6 hat die Form eines Hohlzylinders.

In das in Fig. 2 rechts befindliche Ende des Ventilkörpers 4 ist ein Zapfen 7 bündig eingepresst. Der Zapfen 7 hat im Wesentlichen die Form eines Zylinders mit einer umlaufenden Stufe 8. Die Stufe 8 bildet eine Anlagefläche für eine Einstellscheibe 9. Die Einstellscheibe 9 wiederum bildet einen Anschlag für eine Feder 10. Darüber hinaus ist in dem Zapfen 7 im Bereich der Feder 10 eine Querbohrung 11 angebracht. Die Querbohrung 11 steht in Verbindung mit einer Längsbohrung 12 in dem Zapfen 7. Die Längsbohrung 12 weist an ihrem zu dem Ventilkolben 6 gerichteten Ende einen Bereich 13 mit vermindertem Durchmesser auf. Der Bereich 13 dient als Drossel.

An dem zu dem Kolben 6 hin gerichteten Ende des Zapfens 7 ist ein Ventilsitz 15 ausgebildet. Wenn Kraftstoff in Richtung des Pfeils 16 durch die Durchgangsbohrung 5 strömt, wird der Ventilkolben 6 gegen die Feder 10 gedrückt. Solange die auf den Ventilkolben 6 wirkende Druckkraft kleiner als die Kraft der Feder 10 ist, befindet sich der Ventilkolben 6 in einer geöffneten Stellung. In der geöffneten Stellung kann Kraftstoff an dem Ventilsitz 15 vorbei über die Querbohrung 11 in die Längsbohrung 12 des Zapfens 7 gelangen. Gleichzeitig kann Kraftstoff durch die Drossel 13 in die Längsbohrung 12 des Zapfens 7 gelangen.

Sobald die auf den Ventilkolben 6 wirkende Druckkraft größer wird als die Kraft der Feder 10, beginnt sich der Durchtrittsquerschnitt zwischen dem Ventilkolben 6 und dem Ventilsitz 15 zu verändern. Der Durchtrittsquerschnitt verändert sich so lange, bis der Ventilkolben 6 an dem Ventilsitz 15 zur Anlage kommt. Ab diesem Zeitpunkt gelangt der Kraftstoff nur noch durch die Drossel 13 in die Längsbohrung 12 des Zapfens 7.

Durch einen Sicherungsring 14, der an dem dem Zapfen 7 gegenüberliegenden Ende der Durchgangsbohrung 5 in dem Ventilkörper 4 eingesetzt ist, wird ein Herausrutschen des Kolbens aus der Durchgangsbohrung 5 verhindert. Der Sicherungsring 14 bildet gleichzeitig einen Anschlag für den Ventilkolben 6.

Claims (5)

1. Common-Rail-System mit einer geregelten Vorförderpumpe, die aus einem Kraftstofftank einen Kraftstoffstrom zu einer Hochdruckpumpe fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffstrom mit Hilfe einer Ventileinrichtung in einen Schmierstrom und einen Hochdruckförderstrom aufgeteilt wird, der mit Hochdruck beaufschlagt in einen Hochdruckspeicher gefördert wird, dass die Vorförderpumpe eine im Wesentlichen lineare Förderkennlinie (I) mit einer bestimmten Steigung aufweist, und dass die Ventileinrichtung für den Schmierstrom ein Ventil umfasst, dessen Förderkennlinie (2) zunächst in einem ersten Abschnitt (I) mit der Drehzahl der Vorförderpumpe mit der gleichen Steigung wie die Förderkennlinie (I) der Vorförderpumpe ansteigt, dann in einem zweiten Abschnitt (II) im Wesentlichen linear mit einer geringeren Steigung als die Förderkennlinie (I) der Vorförderpumpe ansteigt und in einem dritten Abschnitt (III) schließlich wieder abfällt.

2. Common-Rail-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmierstrom-Ventil einen zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Ventilstellung variablen Durchflussquerschnitt aufweist, der in der geöffneten Stellung so groß ist, dass ein ausreichend großer Schmierstrom durchtreten kann und der in Abhängigkeit vom Vordruck abnimmt, sobald das Ventil anfängt zu schließen.

3. Common-Rail-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmierstrom-Ventil einen Ventilkörper (4) mit einer Durchgangsbohrung (5) umfasst, in der ein durch eine Feder (10) vorgespannter Ventilkolben (6) hin- und herbewegbar ist.

4. Common-Rail-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) die Form eines Hohlzylinders aufweist, der in der geschlossenen Ventilstellung an einem Ende eines Zapfens (7) anliegt, in dem eine Längsbohrung (12) angebracht ist, die konzentrisch zu dem Ventilkolben (6) angeordnet ist, und der in der geöffneten Ventilstellung von dem einen Ende des Zapfens (7) beabstandet ist, wobei in dem Zapfen (7) eine Querbohrung (11) angebracht ist, die mit der Längsbohrung (12) und in der geöffneten Ventilstellung auch mit dem Innenraum des Ventilkolbens (6) in Verbindung steht.

5. Common-Rail-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Längsbohrung (12) in dem Zapfen (7) kleiner ist als der Innendurchmesser des Ventilkolbens (6).