Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Anspruchs 1.
[0002] Eine solche Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist durch die DE 198 48 035 A1 bekannt.
Diese Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist eine Hochdruckpumpe auf, die für ein Common-Rail-Einspritzsystem
vorgesehen ist, bei dem durch die Hochdruckpumpe Kraftstoff unter Hochdruck in einen
Speicher gefördert wird. Mit dem Speicher sind an den Zylindern der Brennkraftmaschine
angeordnete Injektoren verbunden. Üblicherweise ist bei Common-Rail-Einspritzsystemen
eine Förderpumpe vorgesehen, durch die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter zur Hochdruckpumpe
gefördert wird. Die Hochdruckpumpe weist mehrere Pumpenelemente auf, mit jeweils einem
einen Arbeitsraum begrenzenden, in einer Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben. Es
ist ein in den Arbeitsraum öffnendes Saugventil vorgesehen, das beim Saughub des Pumpenkolbens
öffnet und durch das Kraftstoff in den Arbeitsraum einströmt. Das Saugventil weist
ein durch eine Schließfeder in einer Schließrichtung beaufschlagtes Ventilglied auf,
wobei sich die Schließfeder am Pumpenkolben abstützt. Zu Beginn des Saughubs des Kolbens
ist durch diesen die Schließfeder am stärksten komprimiert, so daß der Druck, bei
dem das Saugventil öffnet höher ist als während des Saughubs des Pumpenkolbens, während
dem die Schließfeder zunehmend entspannt wird. Unter bestimmten Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine, insbesondere im Schubbetrieb, soll durch die Hochdrückpumpe
kein Kraftstoff in den Speicher gefördert werden. Um dies sicherzustellen, wird der
Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils relativ hoch eingestellt, beispielsweise auf
mindestens 2 bar. Dies führt jedoch dazu, daß der Liefergrad der Hochdruckpumpe nicht
optimal ist.
Vorteile der Erfindung
[0003] Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der minimale Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils
sehr gering und dadurch der Liefergrad der Hochdruckpumpe verbessert ist.
[0004] In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung angegeben. Die Ausbildung gemäß
Anspruch 5 ermöglicht es, daß eine Nullförderung der Hochdruckpumpe bei geringem Öffnungsdifferenzdruck
des Saugventils erreicht werden kann, indem der Durchflußquerschnitt durch die Kraftstoffzumeßeinrichtung
vollständig verschlossen wird.
Zeichnung
[0005] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs in schematischer Darstellung mit
einer Hochdruckpumpe, Figur 2 einen in Figur 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der
Hochdruckpumpe in vergrößerter Darstellung mit einem Pumpenkolben in einem oberen
Totpunkt und Figur 3 den Ausschnitt II mit dem Pumpenkolben in einem unteren Totpunkt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0006] In Figur 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine beispielsweise
eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine selbstzündende
Brennkraftmaschine und weist einen oder mehrere Zylinder auf. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
weist eine Förderpumpe 10 auf, die beispielsweise in einem Kraftstoffvorratsbehälter
12 des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, jedoch auch außerhalb des Behälters 12 angeordnet
sein kann. Die Förderpumpe 10 kann einen elektrischen Antriebsmotor aufweisen und
saugt beispielsweise über ein Vorfilter 14 Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter
12 an. Die Förderpumpe 10 kann auch beispielsweise mechanisch durch die Brennkraftmaschine
angetrieben werden. Vom Auslass der Förderpumpe 10 führt eine Leitung 16 zu einer
Hochdruckpumpe 18. Zwischen der Förderpumpe 10 und der Hochdruckpumpe 18 ist in der
Leitung 16 ein Kraftstoffilter 20 angeordnet, das als Feinfilter ausgebildet ist und
das von dem durch die Förderpumpe 10 geförderten Kraftstoff durchströmt wird.
[0007] Die Hochdruckpumpe 18 weist beispielsweise mehrere Pumpenelemente 22 auf, die jeweils
einen in einer Zylinderbohrung 24 geführten Pumpenkolben 26 aufweisen, der über einen
Exzenterantrieb 28 in einer Hubbewegung angetrieben wird. Die Hochdruckpumpe 18 wird
vorzugsweise mechanisch durch die Brennkraftmaschine angetrieben. Der durch die Hochdruckpumpe
18 geförderte Kraftstoff wird über eine Leitung 30 einem Speicher 32 zugeführt. Jedes
Pumpenelement 22 weist einen vom Pumpenkolben 26 begrenzten Arbeitsraum 34 auf, in
den ein Zulauf von der Förderpumpe 10 her mündet und von dem ein Ablauf zum Speicher
32 abführt. Im Zulauf jedes Pumpenelements 22 ist ein in den Arbeitsraum 34 öffnendes
Saugventil 36 vorgesehen und im Ablauf jedes Pumpenelements 22 ist ein zum Speicher
32 hin öffnendes Druckventil 38 vorgesehen. Beim Saughub des Pumpenkolben 26, wenn
dieser sich radial nach innen bewegt, öffnet das jeweilige Saugventil 36 und in den
Arbeitsraum 34 strömt Kraftstoff von der Förderpumpe 10 ein, während das Druckventil
38 geschlossen ist. Beim Förderhub des Pumpenkolbens 26, wenn dieser sich radial nach
außen bewegt, öffnet das jeweilige Druckventil 38 und aus dem Arbeitsraum 34 strömt
Kraftstoff zum Speicher 32 hin ab, während das Saugventil 36 geschlossen ist.
[0008] Für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine ist ein Injektor 40 vorgesehen, durch den
Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders eingespritzt wird. Jeder Injektor 40 ist
über eine Leitung 42 mit dem Speicher 32 verbunden und die Öffnung des Injektors 40
zur Kraftstoffeinspritzung wird durch ein elektrisch angesteuertes Ventil 44 gesteuert,
das von einer elektronischen Steuereinrichtung 46 angesteuert wird. Von den Injektoren
40 kann ein Rücklauf 41 zum Kraftstoffvorratsbehälter 12 abführen für nicht eingespritzten
Kraftstoff.
[0009] Zur Steuerung und/oder Begrenzung des im Speicher 32 herrschenden Drucks kann ein
Druckventil 48 vorgesehen sein, das bei Überschreiten eines vorgegeben Drucks öffnet
und einen Rücklauf über eine Leitung 50 vom Speicher 32 in den Kraftstoffvorratsbehälter
12 freigibt. Am Speicher 32 ist außerdem ein Drucksensor 52 angeordnet, durch den
der Druck im Speicher 32 erfasst wird und der elektrisch mit der Steuereinrichtung
46 verbunden ist, der somit ein Signal für den im Speicher 32 herrschenden Druck zugeführt
wird. An der Hochdruckpumpe 18 kann ein Rücklauf 54 vorgesehen sein, über den beispielsweise
eine Leckmenge an Kraftstoff abfließen kann und der in die Leitung 50 münden kann.
[0010] In der Verbindung zwischen der Förderpumpe 10 und der Hochdruckpumpe 18 ist eine
Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 angeordnet, durch die ein Durchflußquerschnitt der Verbindung
zur Hochdruckpumpe 18 eingestellt wird. Die Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 wird durch
die Steuereinrichtung 46 angesteuert. Die Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 weist ein
Durchflußregelventil 62 auf und einen Aktor 64, der durch die Steuereinrichtung 46
angesteuert wird. Mittels des Durchflußregelventils 62 kann der Durchflußquerschnitt
der Verbindung zur Hochdruckpumpe 18 kontinuierlich verstellt werden zwischen Null
und einem maximalen Durchflußquerschnitt. Als Aktor 64 kann ein Elektromagnet oder
ein Piezoaktor verwendet werden, der jeweils durch die Steuereinrichtung 46 mit einer
definierten elektrischen Spannung versorgt wird und dabei das Durchflußregelventil
62 in eine definierte Stellung bringt, in der dieses einen definierten Durchflußquerschnitt
freigibt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere
im Schubbetrieb, darf durch die Hochdruckpumpe 18 kein Kraftstoff in den Speicher
32 gefördert werden. Hierzu wird durch die Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 der Durchflußquerschnitt
von der Förderpumpe 10 zur Hochdruckpumpe 18 vollständig verschlossen, so daß der
Hochdruckpumpe 18 kein Kraftstoff mehr zufließt.
[0011] Abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Drehzahl,
Last und anderen, wird durch die Steuereinrichtung 46 ein Solldruck im Speicher 32
vorgegeben. Durch den Drucksensor 52 erhält die Steuereinrichtung 46 ein Signal für
den Istdruck im Speicher 32. Der Druck im Speicher 32 ist abhängig von der durch die
Hochdruckpumpe 18 in den Speicher 32 geförderten Kraftstoffmenge. Die durch die Hochdruckpumpe
18 geförderte Kraftstoffmenge kann dadurch verändert werden, daß mittels der Kraftstoffzumeßeinrichtung
60 der Durchflußquerschnitt der Verbindung zur Förderpumpe 10 verändert wird. Die
Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 wird durch die Steuereinrichtung 46 derart angesteuert,
daß diese in der Verbindung zur Förderpumpe 10 einen Durchflußquerschnitt einstellt,
der so groß ist, daß die der Hochdruckpumpe 18 zufließende Kraftstoffmenge so groß
ist, daß die durch die Hochdruckpumpe 18 in den Speicher 32 geförderte Kraftstoffmenge
zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Solldrucks im Speicher 32 ausreicht. Wenn der
Istdruck im Speicher 32 geringer ist als der Solldruck, so wird durch die Hochdruckpumpe
18 eine zu geringe Kraftstoffmenge gefördert und durch die Steuereinrichtung wird
die Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 derart angesteuert, daß diese einen größeren Durchflußquerschnitt
in der Verbindung zur Förderpumpe 10 freigibt und somit die durch die Hochdruckpumpe
18 geförderte Kraftstoffmenge erhöht wird. Wenn der Istdruck im Speicher 32 höher
ist als der Solldruck, so wird durch die Hochdruckpumpe 18 eine zu große Kraftstoffmenge
gefördert und durch die Steuereinrichtung 46 wird die Kraftstoffzumeßeinrichtung 60
derart angesteuert, daß diese einen kleineren Durchflußquerschnitt in der Verbindung
zur Förderpumpe 10 freigibt und somit die durch die Hochdruckpumpe 18 geförderte Kraftstoffmenge
verringert wird.
[0012] Anhand der Figuren 2 und 3 wird nachfolgend das Saugventil 36 eines Pumpenelements
22 näher erläutert, wobei sämtliche Pumpenelemente 22 gleich ausgebildet sind. In
einem Gehäuseteil 70 der Hochdruckpumpe 18 ist ein Zulaufkanal 72 für den von der
Förderpumpe 10 geförderten Kraftstoff in den Arbeitsraum 34 ausgebildet. An der Mündung
des Zulaufkanals 72 in den Arbeitsraum 34 ist dem Arbeitsraum 34 zugewandt ein Ventilsitz
74 ausgebildet, der beispielsweise zumindest annähernd konisch ausgebildet ist. Das
Saugventil 36 weist ein Ventilglied 76 auf, das beispielsweise in Form einer Kugel
ausgebildet ist und das mit dem Ventilsitz 74 zur Steuerung der Verbindung des Zulaufkanals
72 mit dem Arbeitsraum 34 zusammenwirkt. Das Ventilglied 76 ist beispielsweise in
einem zum Pumpenkolben 26 hin angeordneten Trägerteil 78 aufgenommen. Das Saugventil
36 weist außerdem eine Schließfeder 80 auf, die beispielsweise als Schraubendruckfeder
ausgebildet ist und die zwischen dem Pumpenkolben 26 und dem Trägerteil 78 eingespannt
ist. Durch die Schließfeder 80 wird das Ventilglied 76 in Schließrichtung zum Ventilsitz
74 hin gedrückt. Das Ventilglied 76 wird außerdem durch den im Arbeitsraum 34 herrschenden
Druck in Schließrichtung beaufschlagt.
[0013] Der Pumpenkolben 26 weist an seinem dem Ventilglied 76 zugewandten Ende einen im
Durchmesser verkleinerten Fortsatz 82 auf, wobei am Übergang vom vollen Durchmesser
des Pumpenkolbens 26, an dem dieser in der Zylinderbohrung 24 dicht geführt ist, zum
Fortsatz 82 eine Ringschulter 84 gebildet ist, an der sich die Schließfeder 80 abstützt.
Die Schließfeder 80 umgibt den Fortsatz 82 und das Trägerteil 78 ist an den Fortsatz
82 anschließend angeordnet. Wenn sich der Pumpenkolben 26 in seinem oberen Totpunkt
befindet, das ist die Hubstellung, in der der Pumpenkolben 26 am nächsten zum Gehäuseteil
70 hin angeordnet ist, so ist zwischen dem Fortsatz 82 des Pumpenkolbens 26 und dem
Trägerteil 78 ein Abstand in Richtung der Längsachse 27 des Pumpenkolbens 26 vorhanden,
wenn sich das Ventilglied 76 in seiner Schließstellung befindet, in der es am Ventilsitz
74 anliegt. Es kann vorgesehen sein, daß das Stirnende des Fortsatzes 82 des Pumpenkolbens
26 einen Anschlag zur Begrenzung der Öffnungsbewegung des Ventilglieds 76 bildet,
indem das Trägerteil 78 am Fortsatz 82 zur Anlage kommt. Wenn sich der Pumpenkolben
26 wie in Figur 2 dargestellt in seinem oberen Totpunkt befindet, so ist die Schließfeder
80 des Saugventils 36 stark komprimiert und übt entsprechend eine hohe Kraft auf das
Ventilglied 76 aus, mit der dieses gegen den Ventilsitz 74 gedrückt wird. Der durch
die Schließfeder 80 und der durch den im Arbeitsraum 34 herrschenden Druck erzeugten
Kraft auf das Ventilglied 76 wirkt die durch den im Zulaufkanal 72 herrschenden Druck
auf das Ventilglied 76 erzeugte Kraft in Öffnungsrichtung entgegen. Wenn die durch
den im Zulaufkanal 72 herrschenden Druck auf das Ventilglied 76 erzeugte Kraft größer
ist als die durch die Schließfeder 80 und den im Arbeitsraum 34 herrschenden Druck
auf das Ventilglied 76 bewirkte Kraft, so bewegt sich das Ventilglied 76 gegen die
Kraft der Schließfeder 80 in Öffnungsrichtung und gibt die Mündung des Zulaufkanals
72 in den Arbeitsraum 34 frei. Der Druck, bei dem das Ventilglied 76 sich in Öffnungsrichtung
bewegt, wird als Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils 36 bezeichnet.
[0014] Beim Saughub bewegt sich der Pumpenkolben 26 von seinem oberen Totpunkt gemäß Figur
2 zu seinem unteren Totpunkt gemäß Figur 3. Beim Saughub des Pumpenkolbens 26 wird
die Schließfeder 80 zunehmend entspannt, so daß diese eine geringere Kraft in Schließrichtung
auf das Ventilglied 76 bewirkt und entsprechend der Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils
36 geringer wird. Wenn sich der Pumpenkolben 26 zu Beginn des Saughubs in seinem oberen
Totpunkt befindet, so ist der Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils 36 am höchsten
und wird nachfolgend als maximaler Öffnungsdifferenzdruck bezeichnet. Mit zunehmendem
Saughub des Pumpenkolbens 26 nimmt der Öffnungsdifferenzdruck ab, wobei sich in einem
Bereich des mittleren Saughubs, das ist eine mittlere Hubstellung des Pumpenkolbens
26 zwischen dessen oberem Totpunkt und dessen unterem Totpunkt, ein mittlerer Öffnungsdifferenzdruck
des Saugventils 36 ergibt. Wenn sich der Pumpenkolben 26 in seinem unteren Totpunkt
befindet, so ist der Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils 36 am geringsten und wird
nachfolgend als minimaler Öffnungsdifferenzdruck bezeichnet. Es ist vorgesehen, daß
der minimale Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils 36 weniger als 0,9 bar, vorzugsweise
höchstens 0,8 bar beträgt. Der mittlere Öffnungsdifferenzdruck und der maximale Öffnungsdifferenzdruck
des Saugventils 36 sind dann abhängig von der Federrate c der Schließfeder 80, das
ist die Änderung der durch diese erzeugten Kraft bezogen auf den Federweg, und vom
Hub des Pumpenkolbens 26 zwischen dessen oberem und unterem Totpunkt. Die Federrate
c der Schließfeder 80 kann einen kleinen Wert aufweisen, wobei sich die durch die
Schließfeder 80 ausgeübte Kraft auf das Ventilglied 76 jedoch über den relativ großen
Saughub des Pumpenkolbens 26 wesentlich ändert. Der mittlere Öffnungsdifferenzdruck
des Saugventils 36 ist größer als 0,9 bar. Das Verhältnis zwischen dem mittleren Öffnungsdifferenzdruck
und dem minimalen Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils 36 ist größer als 1 und beträgt
höchstens etwa 10.
[0015] Dadurch, daß sich der Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils 36 während des Saughubs
des Pumpenkolbens 26 verringert, wird ein sicheres Öffnen des Saugventils 36 auch
bei geringem Druck im Kraftstoffzulaufkanal 72 infolge eines durch die Kraftstoffzumeßeinrichtung
60 eingestellten kleinen Druchflußquerschnitts von der Förderpumpe 10 her erreicht.
Es wird hierbei auch sichergestellt, daß die Saugventile 36 sämtlicher Pumpenelemente
22 der Hochdruckpumpe 18 gleichmäßig öffnen und somit eine gleichmäßige Befüllung
der Arbeitsräume 34 sämtlicher Pumpenelemente 22 und somit eine gleichförmige Kraftstofförderung
durch die Hochdruckpumpe 18 erreicht. Durch Verwendung einer Schließfeder 80 mit geringer
Federrate c kann der Einfluß von Toleranzen der Bauteile der Hochdruckpumpe 18 auf
den Öffnungsdruck verringert werden und dadurch ebenfalls eine Verbesserung der gleichmäßigen
Kraftstofförderung durch sämtliche Pumpenelemente 22 erreicht werden. Außerdem kann
durch einen geringen mittleren und minimalen Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils
36 die Befüllung des Arbeitsraums 34 verbessert werden, da die beiden füllungsentscheidenden
Parameter, nämlich die füllungswirksame Druckdifferenz vor und nach dem Saugventil
36 und die Öffnungsdauer des Saugventils 36, bei geringem Öffnungsdifferenzdruck des
Saugventils 36 groß sind. Andererseits kann bei vorgegebener Füllung des Arbeitsraums
34 der Pumpenelemente 22 eine Förderpumpe 10 mit geringerer Förderleistung und entsprechend
schwächer dimensioniertem Antrieb verwendet werden, die dadurch kostengünstiger ist.
Dadurch, daß mittels der Kraftstoffzumeßeinrichtung 60 der Druchflußquerschnitt von
der Förderpumpe 10 her vollständig verschließbar ist, ist auch bei geringem Öffnungsdifferenzdruck
des Saugventils 36 eine Nullförderung der Hochdruckpumpe 18 sichergestellt.
1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe
(18), durch die Kraftstoff unter Hochdruck in einen Speicher (32) gefördert wird,
mit dem an den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren (40) verbunden
sind, mit einer Förderpumpe (10), durch die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter (12)
zur Hochdruckpumpe (18) gefördert wird, wobei die Hochdruckpumpe (18) wenigstens ein
Pumpenelement (22) aufweist mit einem einen Arbeitsraum (34) begrenzenden, in einer
Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben (26), und wobei der Arbeitsraum (34) eine Verbindung
mit der Druckseite der Förderpumpe (10) aufweist, in der ein zum Arbeitsraum (34)
hin öffnendes Saugventil (36) angeordnet ist, durch das beim Saughub des Pumpenkolbens
(26) Kraftstoff in den Arbeitsraum (34) einströmt, wobei das Saugventil (36) ein durch
eine Schließfeder (80) in einer Schließrichtung beaufschlagtes Ventilglied (76) aufweist,
wobei sich die Schließfeder (80) zumindest mittelbar am Pumpenkolben (26) abstützt
und wobei mit zunehmendem Saughub des Pumpenkolbens (26) die durch die Schließfeder
(80) auf das Ventilglied (76) ausgeübte Schließkraft geringer wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein minimaler Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils (36) weniger als 0,9 bar beträgt.
2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils (36) höchstens 0,8 bar beträgt.
3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Öffnungsdifferenzdruck des Saugventils (36) in einer Zwischenstellung
des Pumpenkolbens (26) im Bereich des halben Saughubs des Pumpenkolbens (26) wenigstens
0,9 bar beträgt.
4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von mittlerem Öffnungsdifferenzdruck zu minimalem Öffnungsdifferenzdruck
des Saugventils (36) größer als 1 ist und höchstens 10 beträgt.
5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Förderpumpe (10) und dem Saugventil (36) eine Kraftstoffzumeßeinrichtung
(60) angeordnet ist, durch die ein Durchflußquerschnitt für den zum Saugventil (36)
fließenden Kraftstoff eingestellt wird und durch die der Druchflußquerschnitt vollständig
verschließbar ist.
6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kraftstoffzumeßeinrichtung (60) der Durchflußquerschnitt derart eingestellt
wird, daß durch die Hochdruckpumpe (18) eine Kraftstoffmenge in den Speicher (32)
gefördert wird, die erforderlich ist, um im Speicher (32) einen vorgegebenen Druck
aufrechtzuerhalten.