Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Anspruchs 1.
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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 Hochdruckpumpe 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
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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.
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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
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs in schematischer Darstellung mit einer
Hochdruckpumpe, Fig. 2 einen in Fig. 1 mit II bezeichneten
Ausschnitt der Hochdruckpumpe in vergrößerter Darstellung
mit einem Pumpenkolben in einem oberen Totpunkt und Fig. 3
den Ausschnitt II mit dem Pumpenkolben in einem unteren
Totpunkt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In Fig. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie
beispielsweise Drehzahl, Last und anderen, wird durch die
Steuereinrichtung 46 ein Solldruck im Speicher 32vorgegeben. 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.
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Anhand der Fig. 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.
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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 74anliegt. 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 Fig. 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.
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Beim Saughub bewegt sich der Pumpenkolben 26 von seinem
oberen Totpunkt gemäß Fig. 2 zu seinem unteren Totpunkt
gemäß Fig. 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.
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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.