DE19938751A1

DE19938751A1 - Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Common-Rail-Einspritzanlage

Info

Publication number: DE19938751A1
Application number: DE19938751A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hummel; Christoph Klesse; Martin Werner; Eckbert Zander; Christian Taudt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 1999-08-16
Publication date: 2001-03-01
Also published as: EP1077327A3; EP1077327A2; DE50008303D1; EP1077327B1

Abstract

Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Common-Rail-Einspritzanlage, mit einer Vorförderpumpe (1) zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (3), einer stromabwärts hinter der Vorförderpumpe (1) angeordneten Hochdruckpumpe (4) zur Erzeugung des zur Speisung von mindestens einem Injektor erforderlichen Einspritzdrucks und einem zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (4) angeordneten steuerbaren Ventil (7) zur Steuerung des der Hochdruckpumpe (4) zugeführten Kraftstoffstroms, wobei das Ventil (7) zur Vermeidung von Drosseleffekten als 2/2-Wegeventil ausgebildet und zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung im wesentlichen übergangslos schaltbar ist.

Description

Bei herkömmlichen Common-Rail-Einspritzanlagen für Brenn kraftmaschinen wird der Kraftstoff zunächst von einer Vorför derpumpe über einen Kraftstoffilter aus dem Kraftstofftank gefördert und anschließend an eine Hochdruckpumpe weiterge leitet, die den zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdruck erzeugt, wobei die Hochdruckpumpe ausgangsseitig mit einem Druckspei cher (engl. Common Rail) verbunden ist, aus dem sämtliche In jektoren ihren Kraftstoff beziehen.

Zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher ist her kömmlicherweise ein Hochdruckregelventil angeordnet, das beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks einen Kraft stoffnebenstrom abzweigt und in den Kraftstofftank zurück führt, damit der Einspritzdruck wieder unter den Maximaldruck sinkt. Nachteilig daran ist, daß der am Hochdruckregelventil druckentspannte Kraftstoffstrom stark erhitzt ist, was ener gieökonomisch störend ist.

Es ist deshalb wünschenswert, die Fördermenge der Hochdruck pumpe so zu steuern, daß das Hochdruckregelventil möglichst wenig Kraftstoff abzweigen und in den Kraftstofftank zurück führen muß, um ein Überschreiten des Maximaldrucks zu verhin dern. Zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe ist deshalb bei herkömmlichen Einspritzanlagen ein stufenlos steuerbares Servoventil (Volumenstromregelventil) angeordnet, mit dem der Kraftstoffstrom zur Hochdruckpumpe und damit die Fördermenge der Hochdruckpumpe stufenlos gedrosselt werden kann.

Nachteilig daran ist jedoch, daß eine Drosselung zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe eine ausgeprägte Dreh zahlabhängigkeit aufweist, so daß das Servoventil in Abhän gigkeit von der Drehzahl nachgeregelt werden muß. Darüber hinaus erfordert die Drosselung einen größeren Vordruck der Vorförderpumpe, so daß eine relativ große Vorförderpumpe not wendig ist.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Ein spritzanlage zu schaffen, bei welcher zur Steuerung des Ein spritzdrucks möglichst wenig Kraftstoff vom Ausgang der Hoch druckpumpe zurückgeführt werden muß und darüber hinaus ein möglichst geringer Vordruck erforderlich ist.

Die Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Einspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die allgemeine technische Lehre ein, zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe anstelle eines stufenlos steuerbaren Servoventils ein 2/2-Wegeventil anzuordnen, das eine drosselfreie Steuerung des Kraft stoffstroms mit einem entsprechend niedrigen Vordruck ermög licht.

In einer Variante der Erfindung weist die Hochdruckpumpe meh rere Pumpzylinder auf, wobei zwischen dem 2/2-Wegeventil und der Hochdruckpumpe ein Verteilerelement angeordnet ist, das den von der Vorförderpumpe geförderten Kraftstoffstrom auf die einzelnen Pumpzylinder der Hochdruckpumpe verteilt.

In einer Ausführungsform dieser Variante besteht das Vertei lerelement aus einem Drehschieber, der fest mit der Antriebs welle verbunden ist und den Kraftstoffstrom drehzahlsynchron auf die einzelnen Pumpzylinder verteilt.

In einer anderen Variante der Erfindung besteht das Vertei lerelement dagegen aus mehreren schaltbaren Ventilen, die je weils einem der Pumpzylinder vorgeschaltet sind, wobei die Ventile vorzugsweise auch die Funktion der Einlaßventile der Pumpzylinder übernehmen, so daß vorteilhaft auf separate Ein laßventile verzichtet werden kann. Die Verwendung von mehre ren unabhängig von einander schaltbaren Ventilen in dem Ver teilerelement bietet auch den Vorteil, daß fertigungsbedingte Unterschiede der Förderleistung zwischen den einzelnen Pump zylindern durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile des Verteilerelements kompensiert werden können, so daß der von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffstrom vorteilhaft sehr gleichmäßig ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Einspritzanlage mit einem 2/2-Wegeventil zwi schen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe und einem Verteilerelement mit drei schaltbaren Ventilen zur Verteilung des Kraftstoffstroms auf die Pumpzylin der der Hochdruckpumpe sowie

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einspritzan lage mit einem mechanisch betriebenen Drehschieber zur Verteilung des Kraftstoffstroms auf die Pumpzy linder.

Die in Fig. 1 dargestellte Common-Rail-Einspritzanlage weist eine Vorförderpumpe 1 auf, die den Kraftstoff über einen Kraftstoffilter 2 aus einem Kraftstofftank 3 fördert und an eine Hochdruckpumpe 4 weiterleitet, die den zur Kraftstoffe inspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine erfor derlichen Einspritzdruck erzeugt. Die Hochdruckpumpe 4 ist hierbei als Radialkolbenpumpe mit drei Kolben und drei Pump zylindern 4.1, 4.2, 4.3 ausgeführt und wird über eine An triebswelle 5 angetrieben, die fest mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

Ausgangsseitig ist die Hochdruckpumpe 4 mit einem Druckspei cher 6 (engl. Common Rail) verbunden, aus dem vier Injektoren mit Kraftstoff versorgt werden, wobei die vier Injektoren zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.

Zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 4 ist zunächst ein 2/2-Wegeventil 7 angeordnet, das von einer elek tronischen Steuereinheit 8 (engl. ECU - Electronic Control Unit) zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlos senen Stellung im wesentlichen übergangslos schaltbar ist. Im Gegensatz zu den herkömmlicherweise verwendeten stufenlos steuerbaren Servoventilen bewirkt das 2/2-Wegeventil 7 also keine Drosselung zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hoch druckpumpe 4, so daß nur ein relativ niedriger Vordruck und eine entsprechend kleine Vorförderpumpe 1 erforderlich ist.

Es ist hierbei vorteilhaft, wenn die minimale Dauer eines Schaltzyklus des 2/2-Wegeventils 7 klein genug ist, damit das 2/2-Wegeventil 7 die Dauer der Saugperioden der einzelnen Pumpzylinder 4.1-4.3 beeinflussen kann. Unter dem Begriff Schaltzyklus ist hierbei der Zeitabstand zwischen dem Öffnen und Schließen des 2/2-Wegeventils 7 zu verstehen. Die mecha nische Ansteuerung des 2/2-Wegeventils 7 erfolgt deshalb vor zugsweise durch ein schnelles piezoelektrisches Stellglied 9, jedoch läßt sich auch ein entsprechend dimensioniertes elek tromagnetisches Stellglied verwenden.

Zwischen dem 2/2-Wegeventil 7 und der Hochdruckpumpe 4 ist ein Verteilerelement 10 angeordnet, das den von der Vorför derpumpe 1 geförderten Kraftstoffstrom auf die drei Pumpzy linder 4.1 bis 4.3 der Hochdruckpumpe 4 verteilt, wobei das Verteilerelement 10 aus drei schaltbaren Ventilen 10.1 bis 10.3 besteht, die jeweils einem der Pumpzylinder 4.1 bis 4.3 vorgeschaltet sind. Die Ventile 10.1 bis 10.3 sind hierbei gekoppelt schaltbar, so daß jeweils nur eines der Ventile 10.1 bis 10.3 öffnet, während die beiden anderen Ventile ge schlossen sind. Stattdessen besteht jedoch auch die Möglich keit, drei unabhängig voneinander schaltbare Ventile zu ver wenden.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 gleichzeitig als Einlaßven tile der Hochdruckpumpe 4 fungieren, so daß auf separate Ein laßventile verzichtet werden kann. Vorzugsweise sind die Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements ebenfalls als 2/2-Wegeventile ausgebildet, die zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung im wesentlichen übergangslos schaltbar sind. Alternativ können jedoch auch stufenlos steu erbare Servoventile für das Verteilerelement verwendet wer den. Die Ansteuerung der Ventile 10.1 bis 10.3 des Vertei lerelements 10 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eben falls durch die elektronische Steuereinheit 8, wie im folgen den eingehend beschrieben wird.

So ist die elektronische Steuereinheit 8 eingangsseitig mit einem Drehzahlmesser 11 verbunden, der die Drehzahl n der An triebswelle 5 mißt, so daß das 2/2-Wegeventil 7 und die Ven tile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Antriebswelle 5 angesteuert werden können.

Weiterhin ist die elektronische Steuereinheit 8 eingangssei tig mit einem Phasendetektor 12 verbunden, der den Drehwinkel ϕ der Antriebswelle 5 der Hochdruckpumpe 4 erfaßt, um eine phasenabhängige Steuerung des 2/2-Wegeventils 7 und der Ven tile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 zu ermöglichen.

Anstelle der Antriebswelle 5 der Hochdruckpumpe 4 kann der Drehzahlmesser 11 bzw. der Phasendetektor 12 auch mit der An triebswelle der Brennkraftmaschine oder mit einer anderen Welle verbunden sein, die eine eindeutige Phasenbeziehung zu der Antriebswelle 5 der Hochdruckpumpe 4 aufweist. In diesem Fall wird die Drehzahl bzw. die Phasenlage der Antriebswelle 5 der Hochdruckpumpe 4 aus den Meßwerten des Drehzahlmessers 11 und des Phasendetektors 12 errechnet.

Im folgenden wird zunächst der stationäre Zustand der Ein spritzanlage beschrieben, in dem der von der Hochdruckpumpe 4 geförderte Kraftstoffstrom gleich dem Kraftstoffverbrauch ist. In diesem Fall öffnet die Steuereinheit 8 das 2/2- Wegeventil 7, so daß der von der Vorförderpumpe 1 geförderte Kraftstoffstrom ungehindert zu der Hochdruckpumpe 4 gelangt.

Falls der Kraftstoffverbrauch nachläßt und der von der Vor förderpumpe 1 geförderte Kraftstoffstrom den Kraftstoffver brauch übersteigt, so schließt die Steuereinheit 8 das 2/2- Wegeventil 7 in vorgegebenen Zeitabständen T jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne ΔT, wodurch weniger Kraftstoff zu der Hochdruckpumpe 4 gelangt. Die Zeitabstände T und die Schließ dauer ΔT können hierbei variiert werden.

Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 8 auch die Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 an, wobei die Ansteue rung der Ventile 10.1 bis 10.3 so erfolgt, daß eventuelle fertigungsbedingte Unterschiede der Förderleistung zwischen den einzelnen Pumpzylindern 4.1 bis 4.3 kompensiert werden. Falls beispielsweise der Pumpzylinder 4.1 fertigungsbedingt eine kleinere Pumpleistung aufweist als die Pumpzylinder 4.2 und 4.3, so wird das zugehörige Ventil des Pumpzylinders 4.1 jeweils für eine längere Zeitspanne geöffnet, wodurch die Saugphase des Pumpzylinders 4.1 verlängert und die Pumplei stung entsprechend verbessert wird. Auf diese Weise lassen sich durch eine geeignete Ansteuerung der Ventile 10.1 bis 10.3 eine äußerst gleichmäßige Kraftstofförderung erreichen und Druckpulsationen im Druckspeicher 6 verringern.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weit gehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel überein, so daß im folgenden weitgehend dieselben Bezugszei chen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verweisen wird.

Der Unterschied gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Aus führungsbeispiel besteht im wesentlichen in der Ausführung des Verteilerelements 10, das hierbei aus einem Drehschieber besteht, der von der Antriebswelle 5 der Brennkraftmaschine angetrieben wird und den von der Vorförderpumpe 1 geförderten Kraftstoffstrom drehzahlsynchron und gleichmäßig auf die drei Pumpzylinder 4.1 bis 4.3 verteilt.

Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die nen lediglich der Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Prin zips, so daß die zugehörigen Figuren nur eine vereinfachte Darstellung einer Einspritzanlage zeigen. So kann stromab wärts der Hochdruckpumpe beispielsweise noch ein herkömmli ches Hochdruckregelventil angeordnet werden, das beim Über schreiten eine vorgegebenen Maximaldrucks - wie eingangs be schriebene - einen Teil des von der Hochdruckpumpe geförder ten Kraftstoffstroms abzeigt und in den Kraftstofftank 3 zu rückführt.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

1. Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Common-Rail-Einspritzanlage, mit
einer Vorförderpumpe (1) zur Förderung von Kraftstoff aus ei nem Kraftstofftank (3),
einer stromabwärts hinter der Vorförderpumpe (1) angeordneten Hochdruckpumpe (4) zur Erzeugung des zur Speisung von minde stens einem Injektor erforderlichen Einspritzdrucks und
einem zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (4) angeordneten steuerbaren Ventil (7) zur Steuerung des der Hochdruckpumpe (4) zugeführten Kraftstoffstroms,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ventil (7) zur Vermeidung von Drosseleffekten zwi schen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stel lung im wesentlichen übergangslos schaltbar ist.

2. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (7) als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist.

3. Einspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe (4) mehrere Pumpzylinder (4.1-4.3) aufweist, wobei zwischen dem Ventil (7) und der Hochdruckpum pe (4) ein Verteilerelement (10) angeordnet ist, das den von der Vorförderpumpe (1) geförderten Kraftstoffstrom auf die einzelnen Pumpzylinder (4.1-4.3) der Hochdruckpumpe (4) ver teilt.

4. Einspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerelement (10) aus mehreren schaltbaren Venti len (10.3-10.3) des Verteilerelements (10) besteht, die je weils einem der Pumpzylinder (4.1-4.3) der Hochdruckpumpe (4) stromaufwärts vorgeschaltet sind, um die einzelnen Pumpzylin der (4.1-4.3) mit Kraftstoff zu versorgen.

5. Einspritzanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (10.1-10.3) des Verteilerelements (10) die Einlaßventile der Pumpzylinder (4.1-4.3) der Hochdruckpumpe (4) sind.

6. Einspritzanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ventile (10.1-10.3) des Verteilerelements (10) unabhängig voneinander schaltbar sind, um fertigungsbe dingte Ungleichheiten der Förderleistung der einzelnen Pump zylinder (4.1-4.3) kompensieren zu können.

7. Einspritzanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Schaltzyklus der Ventile (10.1-10.3) des Verteilerelements (10) hinreichend kurz ist, um die Dauer der Saugphase der einzelnen Pumpzylinder (4.1-4.3) beeinflussen zu können.

8. Einspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Schaltzyklus des zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (4) angeordneten Ventils (7) hin reichend kurz ist, um den Kraftstoffstrom jeweils selektiv und zeitlich begrenzt während der Saugphase der einzelnen Pumpzylinder (4.1-4.3) freizugeben und dadurch fertigungsbe dingte Ungleichheiten der Förderleistung der einzelnen Pump zylinder (4.1-4.3) zu kompensieren.

9. Einspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerelement (10) ein Drehschieber ist.

10. Einspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (7) zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (4) und/oder die Ventile (10.1-10.3) des Ver teilerelements (10) eingangsseitig mit einer elektronischen Steuereinheit (8) verbunden sind.

11. Einspritzanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) ein Drehzahlmesser (11) vorgesehen ist, wobei der Drehzahlmesser (11) ausgangsseitig mit der elektronischen Steuereinheit (8) verbunden ist, die das Ventil (7) zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (4) und/oder die Ventile (10.1- 10.3) des Verteilerelements (10) drehzahlabhängig ansteuert.

12. Einspritzanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Phasenlage der Hochdruckpumpe (4) ein Phasendetektor (12) vorgesehen ist, wobei der Phasendetektor (12) ausgangsseitig mit der elektronischen Steuereinheit (8) verbunden ist, die das Ventil (7) zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (4) und/oder die Ventile (10.1- 10.3) des Verteilerelements (10) phasenabhängig ansteuert.

13. Einspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur mechanischen Ansteuerung des Ventils (7) ein piezo elektrisches Stellglied (9) vorgesehen ist, um einen kurzen Schaltzyklus zu ermöglichen.