[0001] Die Erfindung betrifft eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Herkömmliche Common-Rail-Einspritzanlagen für Dieselmotoren weisen üblicherweise
eine Vorförderpumpe auf, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank fördert und an eine
Hochdruckpumpe weiterleitet, die den zur Einspritzung des Kraftstoffes in die Brennräume
des Dieselmotors erforderlichen hohen Einspritzdruck erzeugt. Ausgangsseitig ist die
Hochdruckpumpe mit einem Druckspeicher (englisch: common rail) verbunden, aus dem
mehrere Injektoren den einzuspritzenden Kraftstoff beziehen.
[0003] Zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher ist weiterhin ein Hochdruckregelventil
angeordnet, das beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks einen Kraftstoffnebenstrom
abzweigt und in den Kraftstofftank zurückführt, bis der Kraftstoffdruck wieder auf
den vorgegebenen Maximaldruck gesunken ist. Nachteilig an dieser Art der Druckregelung
an der Ausgangsseite der Hochdruckpumpe ist jedoch, daß der über das Hochdruckregelventil
in den Kraftstofftank zurückgeführte Kraftstoff zuvor verdichtet wurde und deshalb
sehr heiß ist, und daß der energetische Wirkungsgrad ungünstig ist.
[0004] Es besteht deshalb das Bestreben, der Hochdruckpumpe nur soviel Kraftstoff zuzuführen,
wie die Hochdruckpumpe bei der jeweiligen Drehzahl tatsächlich benötigt. Es ist weiterhin
bekannt, zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe ein Volumenstromregelventil
anzuordnen, das als Servoventil mit einem stufenlos einstellbaren Drosselquerschnitt
ausgebildet ist, wobei der Drosselquerschnitt des Volumenstromregelventils von einer
elektronischen Steuereinheit so eingestellt wird, daß die Hochdruckpumpe nur soviel
Kraftstoff erhält, wie der tatsächlichen Förderleistung der Hochdruckpumpe bei der
jeweiligen Drehzahl entspricht. Nachteilig an dieser Art der Drucksteuerung ist jedoch,
daß ein relativ hoher Vordruck von der Vorförderpumpe bereitgestellt werden muß, damit
die Hochdruckpumpe bei jeder Drehzahl mit dem ihrer Förderleistung entsprechenden
Kraftstoff versorgt werden kann.
[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die mit einem möglichst geringen Vordruck
der Vorförderpumpe auskommt.
[0006] Die Aufgabe wird - ausgehend von der vorstehend beschriebenen bekannten Einspritzanlage
- gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
[0007] Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, den der Hochdruckpumpe zuzuführenden
Kraftstoffstrom nicht mehr - wie bisher - nach der maximalen Förderleistung der Hochdruckpumpe
bei der jeweiligen Drehzahl zu bemessen, sondern an dem tatsächlichen Kraftstoffbedarf
der Einspritzanlage bei der jeweiligen Drehzahl auszurichten.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Volumenstromregelventil in Verbindung
mit der Vorförderpumpe so ausgelegt ist, daß der Kraftstoffstrom durch das Volumenstromregelventil
in der geöffneten Stellung des Volumenstromregelventils im wesentlichen gleich dem
maximalen Kraftstoffbedarf der Einspritzanlage ist, um eine überschüssige Kraftstoffzuführung
zu der Hochdruckpumpe zu vermeiden.
[0009] Eine Möglichkeit hierzu besteht in der Verwendung einer kleineren Vorförderpumpe
mit einem niedrigeren Vordruck, wobei der von der Vorförderpumpe erzeugte Vordruck
so bemessen ist, daß der Kraftstoffstrom durch das Volumenstromregelventil in der
geöffneten Stellung des Volumenstromregelventils im wesentlichen gleich dem maximalen
Kraftstoffbedarf der Einspritzanlage ist.
[0010] Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Volumenstromregelventil zu verwenden,
das in der geöffneten Stellung einen verringerten Drosselquerschnitt aufweist, wobei
der Drosselquerschnitt in der geöffneten Stellung des Volumenstromregelventils so
bemessen ist, daß der Kraftstoffstrom durch das Volumenstromregelventil in der geöffneten
Stellung im wesentlichen gleich dem maximalen Kraftstoffbedarf der Einspritzanlage
ist.
[0011] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- Figur 1
- eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine sowie
- Figur 2
- ein Kennlinienfeld der Einspritzanlage.
[0012] Die in Figur 1 schematisch dargestellte Einspritzanlage dient zur Kraftstoffversorgung
eines Vierzylinder-Dieselmotors, wobei der Dieselmotor zur Vereinfachung nicht dargestellt
ist. Zur Kraftstofförderung weist die dargestellte Einspritzanlage zunächst eine elektrisch
betriebene Vorförderpumpe 1 auf, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2 abpumpt
und an eine Hochdruckpumpe 3 weiterleitet, die den zur Einspritzung von Kraftstoff
in die Brennräume des Dieselmotors erforderlichen Einspritzdruck erzeugt. Die Hochdruckpumpe
3 ist als Radialkolbenpumpe mit drei Zylindern angeordnet, jedoch sind auch andere
Ausführungsformen der Hochdruckpumpe 3 denkbar. Ausgangsseitig ist die Hochdruckpumpe
3 mit einem Druckspeicher 4 (englisch: common rail) verbunden, aus dem vier Injekten
5.1 bis 5.4 den einzuspritzenden Kraftstoff beziehen. Die Injektoren 5.1 bis 5.4 werden
beispielsweise von einer elektronischen Steuereinheit 9 (ECU) angesteuert.
[0013] Zur Drucksteuerung weist die dargestellte Einspritzanlage zunächst ein Vordruckregelventil
6 auf, das parallel zu der Vorförderpumpe 1 geschaltet ist und beim Überschreiten
eines vorgegebenen maximalen Vordrucks einen Teil des von der Vorförderpumpe 1 geförderten
Kraftstoffstroms an die Ansaugseite der Vorförderpumpe 1 zurückführt, wobei das Vordruckregelventil
6 als Differenzdruckventil ausgebildet ist und somit ohne externe Steuerung arbeitet.
[0014] Weiterhin weist die Einspritzanlage zur Drucksteuerung ein Hochdruckregelventil 7
auf, das zwischen der Hochdruckpumpe 3 und dem Druckspeicher 4 angeordnet ist und
einen Teil des von der Hochdruckpumpe 3 geförderten Kraftstoffstroms in den Kraftstofftank
2 zurückführen kann. Die mechanische Ansteuerung des Hochdruckregelventils 7 erfolgt
durch ein elektromagnetisches Stellglied 8, das mit der elektronischen Steuereinheit
9 (ECU - Electronic Control Unit) verbunden ist, wobei die elektronische Steuereinheit
9 die Steuerung der gesamten Einspritzanlage übernimmt und hierzu als Eingangsgrößen
unter anderem die Drehzahl der Brennkraftmaschine, den Phasenwinkel der Antriebswelle
der Hochdruckpumpe 3 und andere Systemgrößen erhält.
[0015] Zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 3 zweigt eine Spülleitung 10
ab, die ausgangsseitig mit dem Gehäuse der Hochdruckpumpe 3 verbunden ist, um die
Hochdruckpumpe 3 während des normalen Betriebs mit Kraftstoff zu spülen, was eine
Kühlung und Schmierung der Hochdruckpumpe 3 bewirkt. Anschließend verläßt der über
die Spülleitung 10 zugeführte Kraftstoff wieder die Hochdruckpumpe 3 und wird über
eine Rückführleitung 11 in den Kraftstofftank 2 zurückgeführt.
[0016] Problematisch an der Spülung der Hochdruckpumpe 3 mit Kraftstoff ist bekanntermaßen
die Tatsache, daß der über die Spülleitung 10 abgezweigte Kraftstoffstrom den Druckaufbau
während des Anlaßvorganges der Brennkraftmaschine verzögert, so daß diese relativ
schlecht anspringt. In der Spülleitung 10 ist deshalb ein Rückschlagventil 12 angeordnet,
das erst öffnet, wenn die Vorförderpumpe 1 einen Druck aufgebaut hat, der zum Betrieb
der Hochdruckpumpe 3 ausreicht. Weiterhin ist in der Spülleitung 10 eine Drossel 13
angeordnet, die beim normalen Betrieb der Einspritzanlage den über die Spülleitung
10 abzweigenden Kraftstoffstrom begrenzt.
[0017] Schließlich ist zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 3 ein Volumenstromregelventil
14 angeordnet, das mechanisch von einem elektromagnetischen Stellglied 15 angetrieben
wird, wobei das elektromagnetische Stellglied 15 durch die elektronische Steuereinheit
9 angesteuert wird. Das Volumenstromregelventil 14 ermöglicht eine stufenlose Einstellung
des Drosselquerschnitts zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 3, um
den der Hochdruckpumpe 3 zugeführten Kraftstoffstrom an die jeweilige Förderleistung
der Hochdruckpumpe 3 anzupassen. Die niederdruckseitige Regelung durch das Volumenstromregelventil
ist gegenüber der hochdruckseitigen Druckregelung durch das Hochdruckregelventil 7
vorteilhaft, da eine hochdruckseitige Rückführung von verdichtetem und erhitztem Kraftstoff
energieökonomisch nachteilig ist.
[0018] Wichtig ist hierbei, daß sich das Volumenstromregelventil 14 durch die elektronische
Steuereinheit 9 von einer geöffneten Stellung in eine mindestens teilweise geschlossene
Stellung steuern läßt, wobei der Drosselquerschnitt des Volumenstromregelventils 14
in dessen geöffneten Stellung im wesentlichen so groß ist, daß der maximale Kraftstoffbedarf
der Einspritzanlage durch das Volumenstromregelventil 14 fließen kann. Der maximale
Durchfluß durch das Volumenstromregelventil 14 wird also im Gegensatz zu der eingangs
beschriebenen bekannten Einspritzanlage nicht nach der maximalen Förderleistung der
Hochdruckpumpe 3 bemessen, sondern an dem maximalen Kraftstoffbedarf der Einspritzanlage
ausgerichtet.
[0019] Zur Erläuterung dieses Zusammenhangs wird im folgenden auf Figur 2 verwiesen, in
der die Förderleistung Q der Hochdruckpumpe 3 in Abhängigkeit der Drehzahl n der Brennkraftmaschine
dargestellt ist. Die theoretische Förderleistung der Hochdruckpumpe 3 ist in einer
ersten Kennlinie 16 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine aufgeführt.
Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß die theoretische Förderleistung der Hochdruckpumpe
3 mit der Drehzahl n linear zunimmt.
[0020] Weiterhin ist aus dem in Figur 2 dargestellten Diagramm die Durchflußkennlinie VCV
altmax des Volumenstromregelventils 14 bei einer herkömmlichen Einspritzanlage dargestellt,
wobei diese Kennlinie den Kraftstoffdurchfluß durch das Volumenstromregelventil 14
in dessen geöffneter Stellung wiedergibt. Es ist erkennbar, daß die Durchflußkennlinie
des Volumenstromregelventils 14 bei einer herkömmlichen Einspritzanlage an der Förderleistung
der Hochdruckpumpe 3 bei Nenndrehzahl n ausgerichtet ist.
[0021] Weiterhin zeigt das Diagramm eine Kennlinie 17, die den tatsächlichen Kraftstoffbedarf
der Einspritzanlage in Abhängigkeit von der Drehzahl n wiedergibt. Der Kraftstoffbedarf
der Einspritzanlage ist bei Nenndrehzahl n
NENN maximal (MAX). Es ist ersichtlich, daß das Volumenstromregelventil 14 bei einer herkömmlichen
Einspritzanlage erheblich abdrosseln muß, damit eine überschüssige Kraftstoffzuführung
zu der Hochdruckpumpe 3 vermieden wird, beispielsweise Drosseln von VCV
altmax auf MAX bei Nenndrehzahl n
NENN.
[0022] Schließlich zeigt das Diagramm eine Kennlinie VCV
neumax, die den Kraftstoffdurchfluß durch das Volumenstromregelventil 14 bei einer erfindungsgemäßen
Einspritzanlage im geöffneten Zustand des Volumenstromregelventils 14 wiedergibt.
Hierbei ist ersichtlich, daß der Kraftstoffdurchfluß durch das Volumenstromregelventil
14 im geöffneten Zustand des Volumenstromregelventils 14 gleich dem maximalen Kraftstoffverbrauch
MAX der Einspritzanlage ist, so daß eine überschüssige Kraftstoffzuführung zu der
Hochdruckpumpe 3 mit der Notwendigkeit einer hochdruckseitigen Abregelung durch das
Hochdruckregelventil 7 vermieden wird.
[0023] Durch Anpassen des maximalen Querschnitts des Volumenstromregelventils 14 an den
maximalen Kraftstoffverbrauch MAX kann der von der Vorförderpumpe 1 erzeugte Vordruck
geringer gewählt werden. Vorzugsweise beträgt der der von der Vorförderpumpe 1 erzeugte
Vordruck weniger als 4 bar, so daß vorteilhaft auch elektrisch angetriebene Vorförderpumpen
eingesetzt werdenk können.
[0024] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen
bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar,
welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
1. Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit
einer Vorförderpumpe (1) zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (2),
einer der Vorförderpumpe (1) stromabwärts nachgeordneten Hochdruckpumpe (3) zur Erzeugung
des für Einspritzung des Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine erforderlichen
Einspritzdrucks,
einem zwischen der Vorförderpumpe (1) und der Hochdruckpumpe (3) angeordneten Volumenstromregelventil
(14) zur Steuerung des der Hochdruckpumpe (3) zugeführten Kraftstoffstroms, wobei
das Volumenstromregelventil (14) zwischen einer geöffneten Stellung und einer mindestens
teilweise geschlossenen Stellung steuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Volumenstromregelventil (14) in Verbindung mit der Vorförderpumpe (1) so ausgelegt
ist, daß der Kraftstoffstrom durch das Volumenstromregelventil (14) in der geöffneten
Stellung des Volumenstromregelventils (14) im wesentlichen gleich dem maximalen Kraftstoffbedarf
der Einspritzanlage ist.
2. Einspritzanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorförderpumpe (1) elektrisch betrieben ist.
3. Einspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der von der Vorförderpumpe (1) erzeugte Vordruck kleiner als 4 bar ist.
4. Einspritzanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drosselquerschnitt des Volumenstromregelventils (14) in der geöffneten Stellung
einstellbar ist, um eine Anpassung an den maximalen Kraftstoffbedarf oder an den von
der Vorförderpumpe (1) erzeugten Vordruck zu ermöglichen.