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

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.

Beschreibung

[0001] Bei herkömmlichen Common-Rail-Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff zunächst von einer Vorförderpumpe über einen Kraftstoffilter aus dem Kraftstofftank gefördert und anschließend an eine Hochdruckpumpe weitergeleitet, die den zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdruck erzeugt, wobei die Hochdruckpumpe ausgangsseitig mit einem Druckspeicher (engl. Common Rail) verbunden ist, aus dem sämtliche Injektoren ihren Kraftstoff beziehen.

[0002] Zwischen der Hochdruckpumpe und dem Druckspeicher ist herkömmlicherweise ein Hochdruckregelventil angeordnet, das beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks einen Kraftstoffnebenstrom abzweigt und in den Kraftstofftank zurückführt, damit der Einspritzdruck wieder unter den Maximaldruck sinkt. Nachteilig daran ist, daß der am Hochdruckregelventil druckentspannte Kraftstoffstrom stark erhitzt ist, was energieökonomisch störend ist.

[0003] Es ist deshalb wünschenswert, die Fördermenge der Hochdruckpumpe so zu steuern, daß das Hochdruckregelventil möglichst wenig Kraftstoff abzweigen und in den Kraftstofftank zurückführen muß, um ein Überschreiten des Maximaldrucks zu verhindern. 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.

[0004] Nachteilig daran ist jedoch, daß eine Drosselung zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe eine ausgeprägte Drehzahlabhängigkeit aufweist, so daß das Servoventil in Abhängigkeit von der Drehzahl nachgeregelt werden muß. Darüber hinaus erfordert die Drosselung einen größeren Vordruck der Vorförderpumpe, so daß eine relativ große Vorförderpumpe notwendig ist.

[0005] Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzanlage zu schaffen, bei welcher zur Steuerung des Einspritzdrucks möglichst wenig Kraftstoff vom Ausgang der Hochdruckpumpe zurückgeführt werden muß und darüber hinaus ein möglichst geringer Vordruck erforderlich ist.

[0006] Die Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Einspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

[0007] 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 Kraftstoffstroms mit einem entsprechend niedrigen Vordruck ermöglicht.

[0008] In einer Variante der Erfindung weist die Hochdruckpumpe mehrere 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.

[0009] In einer Ausführungsform dieser Variante besteht das Verteilerelement aus einem Drehschieber, der fest mit der Antriebswelle verbunden ist und den Kraftstoffstrom drehzahlsynchron auf die einzelnen Pumpzylinder verteilt.

[0010] In einer anderen Variante der Erfindung besteht das Verteilerelement dagegen aus mehreren schaltbaren Ventilen, die jeweils einem der Pumpzylinder vorgeschaltet sind, wobei die Ventile vorzugsweise auch die Funktion der Einlaßventile der Pumpzylinder übernehmen, so daß vorteilhaft auf separate Einlaßventile verzichtet werden kann. Die Verwendung von mehreren unabhängig von einander schaltbaren Ventilen in dem Verteilerelement bietet auch den Vorteil, daß fertigungsbedingte Unterschiede der Förderleistung zwischen den einzelnen Pumpzylindern durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile des Verteilerelements kompensiert werden können, so daß der von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffstrom vorteilhaft sehr gleichmäßig 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

als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Einspritzanlage mit einem 2/2-Wegeventil zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe und einem Verteilerelement mit drei schaltbaren Ventilen zur Verteilung des Kraftstoffstroms auf die Pumpzylinder der Hochdruckpumpe sowie

Figur 2

ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einspritzanlage mit einem mechanisch betriebenen Drehschieber zur Verteilung des Kraftstoffstroms auf die Pumpzylinder.

[0012] Die in Figur 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 Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdruck erzeugt. Die Hochdruckpumpe 4 ist hierbei als Radialkolbenpumpe mit drei Kolben und drei Pumpzylindern 4.1, 4.2, 4.3 ausgeführt und wird über eine Antriebswelle 5 angetrieben, die fest mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

[0013] Ausgangsseitig ist die Hochdruckpumpe 4 mit einem Druckspeicher 6 (engl. Common Rail) verbunden, aus dem vier Injektoren mit Kraftstoff versorgt werden, wobei die vier Injektoren zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.

[0014] Zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 4 ist zunächst ein 2/2-Wegeventil 7 angeordnet, das von einer elektronischen Steuereinheit 8 (engl. ECU - Electronic Control Unit) zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen 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 Hochdruckpumpe 4, so daß nur ein relativ niedriger Vordruck und eine entsprechend kleine Vorförderpumpe 1 erforderlich ist.

[0015] 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 mechanische Ansteuerung des 2/2-Wegeventils 7 erfolgt deshalb vorzugsweise durch ein schnelles piezoelektrisches Stellglied 9, jedoch läßt sich auch ein entsprechend dimensioniertes elektromagnetisches Stellglied verwenden.

[0016] Zwischen dem 2/2-Wegeventil 7 und der Hochdruckpumpe 4 ist ein Verteilerelement 10 angeordnet, das den von der Vorförderpumpe 1 geförderten Kraftstoffstrom auf die drei Pumpzylinder 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 geschlossen sind. Stattdessen besteht jedoch auch die Möglichkeit, drei unabhängig voneinander schaltbare Ventile zu verwenden.

[0017] Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 gleichzeitig als Einlaßventile der Hochdruckpumpe 4 fungieren, so daß auf separate Einlaßventile verzichtet werden kann. Vorzugszweise 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 steuerbare Servoventile für das Verteilerelement verwendet werden. Die Ansteuerung der Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls durch die elektronische Steuereinheit 8, wie im folgenden eingehend beschrieben wird.

[0018] So ist die elektronische Steuereinheit 8 eingangsseitig mit einem Drehzahlmesser 11 verbunden, der die Drehzahl n der Antriebswelle 5 mißt, so daß das 2/2-Wegeventil 7 und die Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Antriebswelle 5 angesteuert werden können.

[0019] Weiterhin ist die elektronische Steuereinheit 8 eingangsseitig 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 Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 zu ermöglichen.

[0020] Anstelle der Antriebswelle 5 der Hochdruckpumpe 4 kann der Drehzahlmesser 11 bzw. der Phasendetektor 12 auch mit der Antriebswelle 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.

[0021] Im folgenden wird zunächst der stationäre Zustand der Einspritzanlage 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.

[0022] Falls der Kraftstoffverbrauch nachläßt und der von der Vorförderpumpe 1 geförderte Kraftstoffstrom den Kraftstoffverbrauch 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 Schließdauer ΔT können hierbei variiert werden.

[0023] Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 8 auch die Ventile 10.1 bis 10.3 des Verteilerelements 10 an, wobei die Ansteuerung 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 Pumpleistung 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.

[0024] Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel überein, so daß im folgenden weitgehend dieselben Bezugszeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verweisen wird.

[0025] Der Unterschied gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel 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.

[0026] Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Prinzips, so daß die zugehörigen Figuren nur eine vereinfachte Darstellung einer Einspritzanlage zeigen. So kann stromabwärts der Hochdruckpumpe beispielsweise noch ein herkömmliches Hochdruckregelventil angeordnet werden, das beim Überschreiten eine vorgegebenen Maximaldrucks - wie eingangs beschriebene - einen Teil des von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstroms abzeigt und in den Kraftstofftank 3 zurückführt.

[0027] 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 gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Ansprüche

1. 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,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Ventil (7) zur Vermeidung von Drosseleffekten zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung 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 Hochdruckpumpe (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) verteilt.

4. Einspritzanlage nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Verteilerelement (10) aus mehreren schaltbaren Ventilen (10.3-10.3) des Verteilerelements (10) besteht, die jeweils einem der Pumpzylinder (4.1-4.3) der Hochdruckpumpe (4) stromaufwärts vorgeschaltet sind, um die einzelnen Pumpzylinder (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 fertigungsbedingte Ungleichheiten der Förderleistung der einzelnen Pumpzylinder (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) hinreichend kurz ist, um den Kraftstoffstrom jeweils selektiv und zeitlich begrenzt während der Saugphase der einzelnen Pumpzylinder (4.1-4.3) freizugeben und dadurch fertigungsbedingte Ungleichheiten der Förderleistung der einzelnen Pumpzylinder (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 Verteilerelements (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 piezoelektrisches Stellglied (9) vorgesehen ist, um einen kurzen Schaltzyklus zu ermöglichen.

Zeichnung