WO2012089511A1 - Druckregelanordnung eines kraftstoffeinspritzsystems mit einem druckseitig von einer pumpe angeordneten ventil - Google Patents
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- F02M2200/28—Details of throttles in fuel-injection apparatus
Definitions
- the invention relates to a pressure regulating arrangement of a pump-operated fuel injection system for an internal combustion engine, with a valve arranged on the pressure side of the pump for discharging fuel under pressure from the pressure side of the pump to the suction side of the pump. Furthermore, the invention relates to a fuel injection system with such a pressure regulating arrangement.
- the pressure is generated by means of a pump, a so-called high-pressure pump, which is mechanically driven by the internal combustion engine or engine in known fuel injection systems.
- An electromechanical, in particular electromagnetic, quantity control valve controls the quantity of fuel delivered by the pump per unit of time into a high-pressure region, a so-called rail. Together with a high pressure signal measured by a high-pressure sensor, an engine control unit thus regulates the pressure in the high-pressure range to the desired level by means of the quantity control valve.
- the control of injection valves on the internal combustion engine takes place on the basis of the measured pressure signal.
- a pressure regulating arrangement of a fuel injection system operated by a pump for an internal combustion engine having a valve for discharging fuel arranged on the pressure side of the pump under pressure from the pressure side or high pressure side of the pump to the suction side or low pressure side of the pump.
- a variable throttle On the suction side of the pump, a variable throttle is provided with a variable throttle effect, which serves to throttle the amount of fuel supplied to the pump.
- a purely self-sufficient pressure regulation is created on the pump of a fuel injection system via purely mechanical components.
- electrical, electrohydraulic or electronic components can be dispensed with.
- the invention combines two pressure control methods, namely the method of pressure control by means of the valve from the pressure range to the suction region of the pump and the method of suction throttling the pump.
- the suction throttling is preferably carried out by means of a proportional valve, which opens and closes in proportion to the applied pressure.
- the advantages of the solution according to the invention are particularly low system costs, in particular due to the elimination of otherwise required electromagnetic components.
- particularly preferred is no electromechanical quantity control valve, as is the case with known fuel injection systems.
- the energy requirement for the fuel injection according to the invention and thus the fuel consumption of the entire system due to the lack of electrical components is lower.
- the valve is advantageously functionally coupled to the variable throttle.
- the functional coupling of the valve with the variable throttle not only the pressure regulation but also the suction throttling of the pump takes place as a function of the pressure from the high-pressure region.
- the pressure from the high pressure area thus controls the valve and the variable throttle and their throttle effect.
- valve and variable throttle are preferably realized mechanically.
- the pressure or overpressure generated by the pump is advantageously applied to the valve. This means that the valve opens in particular from a certain overpressure.
- the mechanically coupled variable throttle is also adjusted.
- the pressure thus acts on the variable throttle and adjusts it.
- the valve is preferably realized as a slide valve. It advantageously captures pressure peaks coming from the high pressure area. The control with the variable throttle is thereby smoothed.
- a pressure damper function is integrated in the pressure control arrangement and it can be achieved a better control quality.
- the valve, the constant throttle and the variable throttle are preferably combined in an assembly, in particular in the pump itself.
- the conduction paths can be kept very short, which improves the dynamics of the system and at the same time saves costs.
- the weight is also reduced as compared with conventional systems.
- the assembly is easier and cheaper.
- valve and the variable throttle are realized with a single closure body.
- the valve and the variable throttle are preferably combined in one unit.
- the function of the valve and the variable throttle are then integrated into a single hydraulically controlled valve unit, in particular a proportional valve unit.
- the valve unit is designed as a piston slide valve with two control slots or control slide pairs on an associated cylinder, the function of the valve and the variable throttle being designed here in each case with a control slot.
- the closure body is preferably a piston which is resiliently biased against the pressure coming from the direction of the pump or high-pressure pump.
- the piston is in the cylinder accordingly depending on the height of the
- the closure body preferably completely covers either a first control slot or a second control slot on the cylinder.
- the control slots which take over the function of the valve and the variable throttle, are arranged offset on the cylinder of the spool valve in the axial direction. 5
- the closure body is thus preferably designed such that it can completely close only one of the two control slots, or - depending on the embodiment - at most partially covers both control slots.
- the opening movement simultaneously closes the control slot which maps the variable throttle.
- the piston closes the control slot that forms the valve and at the same time opens the second control slot, which forms the variable throttle.
- An important aspect of the design according to the invention is advantageous in that the throttle effect of the variable throttle can be varied by the pressure generated by the pump.
- the change in the throttling effect is preferably carried out in such a way that, as the pressure increases, the control slot forming the variable throttle is further closed.
- the pressure regulating arrangement designed in accordance with the invention can advantageously also be developed to have an accumulator function.
- the closure body and the control slots are designed and arranged such that the volume which releases the closure body in its movement from its rest position to reach a control slot, 0 can absorb the amount of fuel at least one cold start injection.
- the closure body moves back in the direction of its stop and replaces this amount of fuel, even if the pump has not nachge felicitt.
- the fuel pressure drops only insignificantly, depending on the spring design.
- fuel is stored in the pressure control arrangement, which is elastically stored by the spring force and the specially selected low spring rate.
- the geometries (diameter and stroke of the closure body, spring rate) of the pressure control arrangement are designed so that the storage volume is sufficient to store at least one cold start injection quantity.
- the invention is in contrast to known methods for mechanical / hydraulic pressure control. These methods are firstly the so-called (pure) pressure relief via a pressure regulating valve and secondly the so-called (pure) suction throttling.
- the pressure relief via a pressure control valve takes place when exceeding a predetermined pressure level.
- the pressure rises in principle with the amount to be eliminated. Due to the coupling of the pump speed and thus the flow rate to the engine speed, therefore, the pressure increases with the speed and falls with increasing load on the engine.
- this concept is in need of improvement, since the delivery rate of the pump is not reduced as needed and therefore higher drive performance (fuel consumption) and higher heat development is expected, especially at high speeds and low engine load (fuel cut).
- the quality of the control also has a negative effect, especially in the case of pumps with discontinuous rather full delivery in a short time large quantities must be diverted and therefore high-pressure pulsations can be stimulated.
- the supply to the pump is throttled, the higher the pressure level, so as to prevent further increase of the pressure by further pumping the pump.
- the high-pressure level is used to actuate the Saugdrosselung, relatively large forces occur on the associated variable throttle, which cause high restoring forces in the design of the throttle and therefore also lead to large return means (usually springs).
- the control quality is due to the existing dead times due to the volumes between the suction throttle and the pump, in principle, less good than the system of a pressure regulator with pressure control valve.
- the solution according to the invention makes it possible to design such fuel injection systems more cost-effectively with the same or almost the same function and to avoid the disadvantages mentioned.
- the function of said pressure control valve and the suction throttling can be combined.
- FIG. 2 shows a longitudinal section of a pressure-regulating arrangement according to the invention designed as a structural unit
- Fig. 3 is a longitudinal section of the assembly of FIG. 2 and their positioning in a high-pressure pump
- FIG. 4 shows the assembly of FIG. 3 in an enlarged view
- a fuel injection system 10 is shown with a pump 12.
- the region on the suction side of the pump 12 is referred to as the low-pressure region and the region on the pressure-side of the pump 12 as the high-pressure region.
- fuel is pumped from a tank 14 through an electric fuel pump 16 at a pressure of about 5 bar through a fuel filter 18 to a line 20.
- a pressure relief valve 22 may direct fuel from the fuel pump 16 back into the tank 14. On line 16, a low pressure damper 24 is arranged.
- the fuel delivery rate of the pump 12 is regulated by a quantity control valve 26.
- the pump 12 generates a pressure of up to about 200 bar, with which the fuel is conveyed through a Raildrossel 44 in a rail 28. This high pressure defines the already mentioned high-pressure region on the pressure side of the pump 12. From the rail 28, the fuel can be injected via injection valves 30 into an internal combustion engine 32.
- a possible overpressure of the pump 12 is derived from the high pressure area in the pump 12.
- a return line 34 which leads back into the delivery chamber of the pump 12.
- a check valve 36 mounted on the pressure side of the pump 12 forms the outlet valve of the pump 12 and prevents fuel from flowing in the opposite direction to its delivery direction.
- Another, arranged in the return line 34 check valve 38 ensures that only fuel is returned under pressure in the pump 12.
- the amount of fuel delivered by the pump 12 can be metered by the quantity control valve 26, so that the pump 12 ideally generates the setpoint control pressure.
- the pumped amount of fuel is regulated by means of a comparatively complex electromechanical system.
- a high pressure sensor 40 measures the pressure applied there.
- a controller 42 receives the information regarding the rail pressure from the high pressure sensor 40 and processes it.
- the quantity control valve 26 is activated.
- the quantity control valve 26 regulates the fuel delivery rate of the pump 12 due to the fuel pressure occurring and measured in the rail 24.
- a structural unit 72 is shown with an embodiment of the invention.
- the assembly 72 comprises an inner housing 74 on which a control slot 76, a control slot 78 and an inlet bore 80 are formed as a valve.
- the control slots 76, 78 and the inlet bore 80 are openings in the inner housing 74 which allow fuel flow into or out of the inner housing 74.
- the shape of the openings of the control slots 76, 78 preferably deviates from a rectangular or circular shape.
- the shape is preferably substantially triangular with not curved inside legs, whereby the characteristic for the pressure regulating arrangement is favorably influenced.
- the inner housing 74 designed as a piston or spool closure body 84 is slidably mounted.
- the closure body 84 is urged by a plunger 82 with respect to FIG. 2 to the left.
- the plunger 82 is formed with an intermediate portion 86 and a main portion 88. In this case, the diameter of the intermediate region 86 acting as a tappet tip or push rod is smaller than that of the closure body 84.
- the inner housing 74 is designed stepped and adapted in particular with its inner diameter to the diameter of the closure body 84. In this way, the closure body 84, the control slot 76 and / or the
- the closure body 84 can close both control slots 76, 78 at the same time.
- any overlapping or purely serial triggering of the suction throttling with the pressure relief can be achieved.
- the control quality can be optimally adjusted.
- the closure body 84 and the intermediate region 86 are made in two parts. By a convex, so an outwardly arched execution of the end of the
- the closure body 84 is biased in the inner housing 74 via the plunger 82 with a spring 90 frontally against an opposite return opening 92.
- the spring geometry of the spring 90 is dimensioned so that the transverse force minimized to the spring and thus buckling of the spring 90 is prevented.
- a seal 94 is formed in the form of a seat seal.
- a flow chamber 96 is formed in the inner housing, which is initially connected to the two control slots 76, 78, and the inlet bore 80. Depending on the respective displacement of the closure body 84 in the inner housing 74, this flow space 96 can be increased or reduced voluminously.
- the control slot 76 is connected by a parallel line 98 with the flow space 96 or the parallel line 98 can be considered as part of the flow space 96.
- FIG. 2 shows in simplified form a coupling of a pump 100, which may be driven electrically or, as is preferred, mechanically driven.
- a pump 100 With the pump 100 fuel is passed under high pressure through a pressure line 102 to a rail 104.
- the fuel Via a branch 106 in the pressure line 102, the fuel also reaches the return opening 92. Since the closure body 84 is biased against the return opening 92, initially no fuel flows into the inner housing 74. However, if the pressure which the pump 100 generates becomes too high , So this generates overpressure, the pressure force is higher than the counter-pressure force of
- the closure body 84 releases the return opening 92 and fuel can flow into the inner housing 74.
- the inflowing fuel is stored in the inner housing 74 (pressure accumulator function the arrangement).
- the closure body 84 releases the control slot 78 during this time.
- fuel conveyed by a fuel pump 108, flows via the inlet bore 80, a flow chamber 96 and the control slot 78 into a suction line 110, which leads to the pump 100.
- the closure body 84 If the pressure rises above a defined target pressure, the closure body 84 successively closes the control slot 78 and opens the control slot 76. Through the control slot 76 the fuel flows through a parallel line 98 into the flow space 96, where it mixes with the fuel from the low pressure range lo and led to the pump 100.
- control slot 76 performs the function of a valve or a pressure control valve for pressure control and the control slot 78, the function of a variable throttle or a suction throttle 15.
- the closure body 84 and the control slots 76, 78 are furthermore preferably
- the pressure control valve according to the invention prevents a possible, too large pressure drop by the fuel storage function, especially for large injection quantities in the cold start.
- the geometries (diameter and stroke of the closure body 84, spring rate of the spring 90) of the pressure regulating arrangement are designed so that the storage volume is sufficient to store at least one cold start injection quantity.
- Fig. 3 the assembly 72 of Fig. 2 in an integrative construction with the pump 100 is shown.
- the pump 100 is positioned below the assembly 72 in a common housing.
- FIG. 4 shows an enlarged detail of FIG. 3.
- the course of the fuel flow is shown here.
- the fuel flow from the fuel pump 108, through the inlet bore 80 into the flow chamber 96, and from there again through the control slot 78 in the direction of the pump 100 shown (suction pressure, low pressure region).
- the fuel flow is shown with a solid arrow line, which is first performed by the pump 100 to the rail 104 (high-pressure area).
- a positive pressure is passed through the branch 106 to the return opening 92 and displaces the closure body 84.
- the return opening 92 is opened and the fuel continues to the control slot 76, and from there through the parallel line 98 to the flow space 96.
- the recirculated fuel unites with the from the inlet of the fuel pump 108. If the pressure drops below the setpoint control pressure again, then the closure body 84 shifts to the left with respect to the figure and opens the control slot 78 for suction throttling and closes the control slot 76 for pressure control. Or, in other words, as soon as the force of the spring 90 is sufficient to push the closure body 84 back against the decreasing force of the overpressure.
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Abstract
Bei einer Druckregelanordnung eines mit einer Pumpe (12, 100) betriebenen Kraftstoffeinspritzsystems für einen Verbrennungsmotor (32), mit einem druckseitig von der Pumpe (12, 100) angeordnetem Ventil (76) zum Abführen von Kraftstoff unter Druck von der Druckseite der Pumpe (12, 100) zur Saugseite der Pumpe (12, 100), ist saugseitig von der Pumpe (12, 100) eine variable Drossel (78) mit einer veränderbaren Drosselwirkung vorgesehen, zum Drosseln der der Pumpe (12, 100) zugeführten Kraftstoffmenge.
Description
Beschreibung
Titel
Druckregelanordnung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem druckseitig von einer Pumpe angeordneten Ventil
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Druckregelanordnung eines mit einer Pumpe betriebenen Kraftstoffeinspritzsystems für einen Verbrennungsmotor, mit einem druckseitig von der Pumpe angeordnetem Ventil zum Abführen von Kraftstoff unter Druck von der Druckseite der Pumpe zur Saugseite der Pumpe. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer derartigen Druckregelanordnung.
Heutige Kraftstoffeinspritzsysteme von Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Ottomotoren, arbeiten als so genannte Direkt- Einspritzung mit Einspritzdrücken von bis zu 200 bar. Der Druck wird mittels einer Pumpe, einer so genannten Hochdruckpumpe, erzeugt, die bei bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen mechanisch vom Verbrennungsmotor bzw. Motor angetrieben wird. Ein elektromechanisches, insbesondere elektromagnetisches Mengensteuerventil steuert die von der Pumpe pro Zeiteinheit in einen Hochdruckbereich, ein so genanntes Rail, geförderte Kraftstoffmenge. Zusammen mit einem von einem Hochdrucksensor gemessenen Hochdrucksignal regelt ein Motor-Steuergerät so mittels des Mengensteuerventils den Druck im Hochdruckbereich auf das gewünschte Niveau. Die Ansteuerung von Einspritzventilen am Verbrennungsmotor erfolgt auf Basis des gemessenen Drucksignals.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist eine Druckregelanordnung eines mit einer Pumpe betriebenen Kraftstoffeinspritzsystems für einen Verbrennungsmotor geschaffen, mit einem druckseitig von der Pumpe angeordneten Ventil zum Abführen von Kraftstoff
unter Druck von der Druckseite bzw. Hochdruckseite der Pumpe zur Saugseite bzw. Niederdruckseite der Pumpe. Saugseitig von der Pumpe ist eine variable Drossel mit einer veränderbaren Drosselwirkung vorgesehen, die zum Drosseln der der Pumpe zugeführten Kraftstoffmenge dient.
Erfindungsgemäß ist eine rein autarke Druckregelung an der Pumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems über rein mechanische Bauelemente geschaffen. Auf elektrische, elektrohydraulische oder elektronische Bauteile kann hingegen verzichtet werden. Die Erfindung kombiniert dabei zwei Druckregelmethoden, nämlich die Methode einer Druckabsteuerung mittels des Ventils vom Druckbereich zum Saugbereich der Pumpe und die Methode einer Saugdrosselung der Pumpe. Die Saugdrosselung erfolgt vorzugsweise mittels eines Proportionalventils, welches sich proportional zum anliegenden Druck öffnet und schließt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen in besonders geringen Systemkosten, insbesondere aufgrund des Entfalls von sonst erforderlichen elektromagnetischen Komponenten. So ist besonders bevorzugt kein elektromechani- sches Mengensteuerventil, wie es bei bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen vorhanden ist, erforderlich. Ferner ist der Energiebedarf für die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzung und damit der Kraftstoffverbrauch des Gesamtsystems aufgrund der fehlenden elektrischen Komponenten geringer.
Das Ventil ist dabei vorteilhaft mit der variablen Drossel funktional gekoppelt. Mit der funktionalen Koppelung des Ventils mit der variablen Drossel erfolgt nicht nur die Druckabregelung sondern auch die Saugdrosselung der Pumpe in Abhängigkeit des Drucks aus dem Hochdruckbereich. Der Druck aus dem Hochdruckbereich steuert also das Ventil sowie die variable Drossel und deren Drosselwirkung.
Die funktionale Koppelung von Ventil und variabler Drossel ist vorzugsweise mechanisch realisiert. Für die mechanische Kopplung ist vorteilhaft der von der Pumpe erzeugte Druck bzw. Überdruck am Ventil angelegt. Dies bedeutet, dass sich das Ventil insbesondere ab einem bestimmten Überdruck öffnet. Mit der Öffnungsbewegung des Ventils wird auch die mechanisch gekoppelte, variable Drossel verstellt. Durch die derartige mechanisch Kopplung von Ventil und Drossel wirkt der Druck also auf die variable Drossel und verstellt diese.
Das Ventil ist vorzugsweise als Schieberventil realisiert. Es fängt vorteilhaft aus dem Hochdruckbereich kommende Druckspitzen ab. Die Regelung mit der variablen Drossel wird dadurch geglättet. Somit ist eine Druckdämpferfunktion in der Druckregelanordnung integriert und es kann eine bessere Regelgüte erreicht werden.
Das Ventil, die Konstantdrossel und die variable Drossel sind vorzugsweise in einer Baueinheit, insbesondere in der Pumpe selbst, integriert zusammengefasst. Eine solche Integration dieser Teilfunktionen der erfindungsgemäßen Lösung in nur einer Baugruppe, vorzugsweise in der Pumpe bzw. Hochdruckpumpe, bringt eine Platzersparnis mit sich. Die Leitungswege können besonders kurz gehalten werden, was die Dynamik des Systems verbessert und zugleich Kosten spart. Ferner wird das Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Systemen dadurch e- benfalls reduziert. Schließlich wird auch die Montage einfacher und kostengünstiger.
Für eine mechanische Kopplung des Ventils mit der variablen Drossel sind vorzugsweise das Ventil und die variable Drossel mit einem einzigen Verschluss- körper realisiert. Hierbei werden bevorzugt das Ventil und die variable Drossel in einer Baueinheit zusammengefasst. Die Funktion des Ventils und der variablen Drossel sind dann in eine einzige hydraulisch gesteuerte Ventileinheit, insbesondere eine Proportionalventil-Einheit, integriert. Vorteilhafterweise ist die Ventileinheit als Kolbenschieberventil mit zwei Steuerschlitzen bzw. Steuerschi itzpaa- ren an einem zugehörigen Zylinder gestaltet, wobei die Funktion des Ventils und der variablen Drossel hier mit jeweils einem Steuerschlitz ausgebildet ist.
Der Verschlusskörper ist vorzugsweise ein Kolben, der gegen den aus Richtung der Pumpe bzw. Hochdruckpumpe kommenden Druck federnd vorgespannt ist. Der Kolben wird im Zylinder entsprechend in Abhängigkeit von der Höhe des
Drucks der Hochdruckpumpe bewegt. Dadurch können je nach Lage des Kolbens die Steuerschlitze geöffnet oder verschlossen werden. Auf diese Weise ist die Funktion als variable Drossel und als Ventil auf kleinstem Bauraum mit nur wenigen Bauteilen bereitgestellt.
Der Verschlusskörper überdeckt vorzugsweise entweder einen ersten Steuerschlitz oder einen zweiten Steuerschlitz am Zylinder vollständig. Die Steuerschlitze, die hier die Funktion des Ventils und der variablen Drossel übernehmen, sind am Zylinder des Kolbenschieberventils in axialer Richtung versetzt angeordnet. 5 Der Verschlusskörper ist vorzugsweise also derart gestaltet, dass er nur einen der beiden Steuerschlitze vollständig verschließen kann, oder - je nach Ausführungsform - allenfalls beide Steuerschlitze teilweise überdeckt. Damit wird aufgrund von Überdruck an der Druckseite der Pumpe der Verschlusskörper so verschoben, dass jener Steuerschlitz, der das Ventil bildet, sich öffnet. Mit der Öff- o nungsbewegung wird gleichzeitig jener Steuerschlitz geschlossen, der die variable Drossel abbildet. Bei nachlassendem Überdruck wird der Kolben den Steuerschlitz, der das Ventil bildet, wieder verschließen und dabei gleichzeitig den zweiten Steuerschlitz, der die variable Drossel bildet, öffnen. 5 Ein wichtiger Aspekt der erfindungsgemäßen Gestaltung liegt vorteilhaft darin, dass die Drosselwirkung der variablen Drossel durch den von der Pumpe erzeugten Druck veränderbar ist. Die Veränderung der Drosselwirkung erfolgt vorzugsweise derart, dass bei größer werdendem Druck der die veränderbare Drossel bildende Steuerschlitz weiter verschlossen wird. Mit der damit verkleinerten o Durchtrittsfläche an der variablen Drossel wird die der Hochdruckpumpe des
Kraftstoffeinspritzsystems pro Zeiteinheit zugeführte Kraftstoffmenge verringert. Die Pumpe kann weniger Kraftstoff ansaugen, eine unnötige Vollförderung der Hochdruckpumpe wird vermieden. 5 Die derart erfindungsgemäß gestaltete Druckregelanordnung kann vorteilhaft auch dazu weitergebildet sein, dass sie eine Druckspeicherfunktion aufweist. Dazu sind vorzugsweise der Verschlusskörper und die Steuerschlitze derart gestaltet und angeordnet, dass das Volumen, welches der Verschlusskörper bei seiner Bewegung aus seiner Ruhelage bis zum Erreichen eines Steuerschlitzes freigibt, 0 die Kraftstoffmenge mindestens einer Kaltstarteinspritzung aufnehmen kann. Die derartige Gestaltung realisiert einen axialen Leerweg des Verschlusskörpers im Druckregelventil zwischen einem Verschlusskörperanschlag in dessen Ruhelage und dem Beginn der Steueröffnung zur Druckabsteuerung. Während bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen insbesondere bei kleinem Raiivolumina,5 aufgrund der sehr großen im Kaltstart (z.B. bei - 30 °C) erforderlichen Einspritzmenge und dem bei Kälte zugenommenen E-Modul des Kraftstoffs, der Raildruck
stark einbrechen würde, verhindert die derartige erfindungsgemäße Druckregelanordnung einen zu großen Druckeinbruch durch deren Kraftstoffspeicherfunktion. Die Speicherung des Kraftstoffs ist insbesondere bei Kaltstarteinspritzung und noch geringer Pumpendrehzahl von Vorteil und macht das erfindungsgemäße System unabhängig von elektrischen Endstufen zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks beim Motorabstellen, insbesondere bei Start/Stopp-Systemen. Erfolgt im Kaltstart bei niedriger Pumpendrehzahl nach dem Druckaufbau eine
Kraftstoffeinspritzung, so bewegt sich der Verschlusskörper zurück in Richtung seines Anschlags und ersetzt diese Kraftstoffmenge, auch wenn die Pumpe noch nicht nachgefördert hat. Der Kraftstoffdruck sinkt dadurch nur unwesentlich ab, abhängig von der Federauslegung. Nach dem Motorstart und Anlaufen der Pum- pe wird Kraftstoff in der Druckregelanordnung eingelagert, der durch die Federkraft und der speziell niedrig gewählten Federrate elastisch gespeichert ist. Die Geometrien (Durchmesser und Hub des Verschlusskörpers, Federrate) der Druckregelanordnung sind so ausgelegt, dass das Speichervolumen ausreicht, um mindestens eine Kaltstarteinspritzmenge einzulagern.
Die Erfindung steht im Gegensatz zu bekannten Verfahren zur mechanischen/hydraulischen Druckregelung. Diese Verfahren sind erstens die so genannte (reine) Druckabsteuerung über ein Druckregelventil und zweitens die so genannte (reine) Saugdrosselung.
Die Druckabsteuerung über ein Druckregelventil erfolgt bei Überschreitung eines vorgegebenen Druckniveaus. Bei diesem Konzept steigt der Druck prinzipbedingt mit der abzusteuernden Menge. Aufgrund der Kopplung der Pumpendrehzahl und somit der Fördermenge an die Motor-Drehzahl steigt daher der Druck mit der Drehzahl und fällt mit am Verbrennungsmotor steigender Last. Energetisch ist dieses Konzept verbesserungswürdig, da die Fördermenge der Pumpe nicht bedarfsgerecht reduziert wird und daher mit höheren Antriebsleistungen (Kraftstoffverbrauch) und höherer Wärmeentwicklung zu rechnen ist, insbesondere bei hohen Drehzahlen und geringer Motorlast (Schubabschaltung). Auf die Regelgüte wirkt sich auch negativ aus, dass insbesondere bei Pumpen mit diskontinuierli-
eher Vollförderung in kurzer Zeit große Mengen abgesteuert werden müssen und daher Hochdruck-Pulsationen angeregt werden können.
Bei der Saugdrosselung wird die Zufuhr zur Pumpe gedrosselt, je höher das Druckniveau ist, um somit ein weiteres Ansteigen des Drucks durch die weitere Förderung der Pumpe zu verhindern. Da das Hochdruckniveau zur Betätigung der Saugdrosselung verwendet wird, treten relativ große Kräfte an der zugehörigen variablen Drossel auf, die bei der Auslegung der Drossel hohe Rückstellkräfte bedingen und daher auch zu großen Rückstellmitteln (in der Regel Federn) führen. Die Regelqualität ist aufgrund der vorhandenen Totzeiten, bedingt durch das Volumina zwischen der Saugdrossel und der Pumpe, im System prinzipbedingt weniger gut als die einer Druckreglung mit Druckregelventil.
Die erfindungsgemäße Lösung schafft es derartige Kraftstoffeinspritzsysteme bei gleicher oder nahezu gleicher Funktion kostengünstiger zu gestalten und die genannten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere kann mit der Erfindung die Funktion des genannten Druckregelventils und der Saugdrosselung kombiniert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Druckregelung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Längsschnitt einer als Baueinheit gestalteten erfindungsgemäßen Druckregelanordnung,
Fig. 3 einen Längsschnitt der Baueinheit gemäß Fig. 2 sowie deren Positionierung in einer Hochdruckpumpe
Fig. 4 die Baueinheit gemäß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung und
Fig. 5 einen hydraulischen Schaltplan der Baueinheit gemäß Fig. 2 bis 4.
In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 mit einer Pumpe 12 dargestellt. Bei derartigen Kraftstoffeinspritzsystemen wird der Bereich saugseitig der Pumpe 12 als Niederdruckbereich und der Bereich druckseitig der Pumpe 12 als Hochdruckbereich bezeichnet.
Im Niederdruckbereich wird von einem Tank 14 Kraftstoff durch eine elektrische Kraftstoffpumpe 16 mit einem Druck von ca. 5 bar durch einen Kraftstofffilter 18 zu einer Leitung 20 gepumpt.
Ein Überdruckventil 22 kann Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe 16 zurück in den Tank 14 leiten. An der Leitung 16 ist ein Niederdruckdämpfer 24 angeordnet.
In der Leitung 20 wird durch ein Mengensteuerventil 26 die Kraftstofffördermenge der Pumpe 12 reguliert. Die Pumpe 12 erzeugt einen Druck von bis zu ca. 200 bar, mit dem der Kraftstoff durch eine Raildrossel 44 in ein Rail 28 gefördert wird. Dieser hohe Druck definiert den bereits erwähnten Hochdruckbereich druckseitig der Pumpe 12. Vom Rail 28 kann der Kraftstoff über Einspritzventile 30 in einen Verbrennungsmotor 32 eingespritzt werden.
Im Fehlerfall oder bei einer Drucküberschreitung im so genannten Hot-Soak wird ein möglicher Überdruck der Pumpe 12 vom Hochdruckbereich in die Pumpe 12 abgeleitet. Dazu zweigt druckseitig von der Pumpe 12 aus dem Hochdruckbereich eine Rückführungsleitung 34 ab, die in den Förderraum der Pumpe 12 zurückführt. Ein druckseitig von der Pumpe 12 angebrachtes Rückschlagventil 36 bildet das Auslassventil der Pumpe 12 und verhindert, dass Kraftstoff entgegengesetzt zu deren Förderrichtung fließen kann. Ein weiteres, in der Rückführungsleitung 34 angeordnetes Rückschlagventil 38 stellt sicher, dass nur Kraftstoff unter Überdruck in die Pumpe 12 zurückgeführt wird.
Zusätzlich kann wie erwähnt im Niederdruckbereich die von der Pumpe 12 geförderte Kraftstoffmenge durch das Mengensteuerventil 26 dosiert werden, so dass die Pumpe 12 idealerweise den Sollregeldruck erzeugt. Reguliert wird die geförderte Menge an Kraftstoff über ein vergleichsweise komplexes elektromechani- sches System. Am Rail 28 misst ein Hochdrucksensor 40 den dort anliegenden Druck. Ein Steuergerät 42 erhält die Information bezüglich des Raildrucks vom Hochdrucksensor 40 und verarbeitet diese. Entsprechend der Programmierung des Steuergeräts 42 wird das Mengensteuerventil 26 angesteuert. So reguliert das Mengensteuerventil 26 die Kraftstofffördermenge der Pumpe 12 aufgrund des im Rail 24 auftretenden und gemessenen Kraftstoffdrucks.
In Fig. 2 ist eine Baueinheit 72 mit einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Baueinheit 72 umfasst ein Innengehäuse 74, an dem als Ventil ein Steuerschlitz 76, ein Steuerschlitz 78 und eine Zulaufbohrung 80 ausgebildet sind. Die Steuerschlitze 76, 78 und die Zulaufbohrung 80 sind Öffnungen im Innengehäuse 74, die einen Kraftstoffdurchfluss in das oder aus dem Innengehäuse 74 heraus ermöglichen. Die Formgestaltung der Öffnungen der Steuerschlitze 76, 78 weicht vorzugsweise von einer Rechteck- oder Kreisform ab. Die Form ist vorzugsweise im Wesentlichen dreieckig mit nicht innen gewölbten Schenkeln, wodurch die Kennlinie für die Druckregelanordnung vorteilhaft beeinflusst wird.
Im Innengehäuse 74 ist ein als Kolben bzw. Steuerkolben gestalteter Verschlusskörper 84 verschiebbar gelagert. Der Verschlusskörper 84 wird von einem Stößel 82 bezogen auf Fig. 2 nach links gedrängt. Der Stößel 82 ist mit einem Zwischenbereich 86 und einem Hauptbereich 88 gebildet. Dabei ist der Durch- messer des als Stößelspitze bzw. Stößelstange wirkenden Zwischenbereichs 86 kleiner als der des Verschlusskörpers 84.
Das Innengehäuse 74 ist gestuft ausgestaltet und insbesondere mit seinem Innendurchmesser an den Durchmesser des Verschlusskörpers 84 angepasst. Auf diese Weise kann der Verschlusskörper 84 den Steuerschlitz 76 und/oder den
Steuerschlitz 78 ganz oder teilweise fluiddicht abdichtend verschließen.
Da die beiden Steuerschlitze 76, 78 nicht auf einer gemeinsamen Ebene liegen, sondern in axialer Richtung des Innengehäuses 74 versetzt sind, kann der Ver- schlusskörper 84 beide Steuerschlitze 76, 78 gleichzeitig verschließen. Mittels einer Wahl des Abstands der Steuerschlitze 76, 78 und der Länge des Verschlusskörpers 84 kann eine beliebige Überlappung bzw. eine rein serielle Auslösung der Saugdrosselung mit der Druckabsteuerung erreicht werden. Damit kann die Regelgüte optimal abgestimmt werden.
Um Hystereseffekte durch Reibung der bewegten Teile zu vermeiden, sind wie erläutert der Verschlusskörper 84 und der Zwischenbereich 86 zweiteilig ausgeführt. Durch eine ballige, also eine nach außen gewölbte Ausführung des Endes des
Zwischenbereichs 86 hin zum Verschlusskörper 84 wird die Übertragung einer
Querkraft, die die Reibung zwischen Verschlusskörper 84 und dem Innengehäuse 74 erhöhen würde, verhindert. Durch eine genaue Paarung des Verschlusskörpers 84 und des zugehörigen Bereichs des Innengehäuses 74, in dem der Verschlusskörper 84 geführt wird, wird die Leckage gering gehalten.
Der Verschlusskörper 84 ist im Innengehäuse 74 über den Stößel 82 mit einer Feder 90 stirnseitig gegen eine gegenüberliegende Rückführungsöffnung 92 vorgespannt. Die Federgeometrie der Feder 90 ist so dimensioniert, dass die Querkraft an der Feder minimiert und damit ein Ausknicken der Feder 90 verhindert ist. An der Rückführungsöffnung 92 ist eine Dichtung 94 in Form einer Sitzdichtung ausgebildet.
Ferner ist im Innengehäuse ein Durchflussraum 96 ausgeformt, der zunächst mit den beiden Steuerschlitzen 76, 78, sowie der Zulaufbohrung 80 verbunden ist. Abhängig von der jeweiligen Verschiebung des Verschlusskörpers 84 im Innengehäuse 74 kann dieser Durchflussraum 96 voluminös vergrößert oder verkleinert werden. Zusätzlich ist der Steuerschlitz 76 durch eine Parallelleitung 98 mit dem Durchflussraum 96 verbunden bzw. kann die Parallelleitung 98 als Teil des Durchflussraums 96 angesehen werden.
In Fig. 2 ist eine Ankopplung einer Pumpe 100 vereinfacht dargestellt, diese kann elektrisch oder wie vorliegend bevorzugt mechanisch angetrieben sein. Mit der Pumpe 100 wird Kraftstoff unter Hochdruck durch eine Druckleitung 102 zu einem Rail 104 geführt.
Über eine Abzweigung 106 in der Druckleitung 102 gelangt der Kraftstoff auch zur Rückführungsöffnung 92. Da der Verschlusskörper 84 gegen die Rückführungsöffnung 92 vorgespannt ist, fließt zunächst kein Kraftstoff in das Innengehäuse 74. Falls aber der Druck, den die Pumpe 100 erzeugt, zu hoch wird, diese also Überdruck erzeugt, dessen Druckkraft höher ist als die Gegendruckkraft der
Feder 90, so wird der Verschlusskörper 84 bezogen auf Fig. 2 nach rechts (zurückgedrängt. Der Verschlusskörper 84 gibt somit die Rückführungsöffnung 92 frei und Kraftstoff kann in das Innengehäuse 74 einströmen. Der eingeströmte Kraftstoff wird dabei in dem Innengehäuse 74 gespeichert (Druckspeicherfunkti- on der Anordnung).
Zusätzlich gibt der Verschlusskörper 84 während dieser Zeit den Steuerschlitz 78 frei. Dadurch fließt Kraftstoff, gefördert von einer Kraftstoffpumpe 108, über die Zulaufbohrung 80, einen Durchflussraum 96 und den Steuerschlitz 78 in eine Saugleitung 1 10, die zur Pumpe 100 führt.
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Steigt der Druck über einen definierten Solldruck an, verschließt der Verschlusskörper 84 sukzessive den Steuerschlitz 78 und öffnet den Steuerschlitz 76. Durch den Steuerschlitz 76 strömt der Kraftstoff durch eine Parallelleitung 98 in den Durchflussraum 96, wo er sich mit dem Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich l o vermischt und zur Pumpe 100 geführt wird.
Mit anderen Worten übernimmt in diesem Ausführungsbeispiel der Steuerschlitz 76 die Funktion eines Ventils bzw. eines Druckregelventils zur Druckabsteuerung und der Steuerschlitz 78 die Funktion einer variablen Drossel bzw. einer Saug- 15 drossel.
Ab einer bestimmten zurückgeführten Kraftstoffmenge vom Hochdruckbereich sinkt der dort herrschende Überdruck wieder, so dass die Federkraft wieder größer wird, als die gegen die Feder 90 wirkende Druckkraft. Somit bewegt sich der 2 o Verschlusskörper 84 auf die Rückführungsöffnung 92 zu und verschließt diese letztendlich. Die Dichtung 94 verringert eine mögliche Leckage in diesem Bereich.
Der Verschlusskörper 84 und die Steuerschlitze 76,78 sind ferner bevorzugt der-
25 art gestaltet und angeordnet, dass das Volumen, welches der Verschlusskörper
84 bei seiner Bewegung aus seiner Ruhelage an der Rückführungsöffnung 92 bis zum Erreichen eines Steuerschlitzes 76, 78 freigibt, die Kraftstoffmenge mindestens einer Kaltstarteinspritzung aufnehmen kann. Die derartige Gestaltung realisiert einen axialen Leerweg des Verschlusskörper 84 im Innengehäuse 74 zwi-
30 sehen einem Verschlusskörperanschlag in dessen Ruhelage und dem Beginn eines Steuerschlitzes 76, 78 zur Druckabsteuerung bzw. Saugdrosselung. Damit verhindert das erfindungsgemäße Druckregelventil einen möglichen, zu großen Druckeinbruch durch dessen Kraftstoffspeicherfunktion, insbesondere bei großen Einspritzmengen im Kaltstart.
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Die Geometrien (Durchmesser und Hub des Verschlusskörpers 84, Federrate der Feder 90) der Druckregelanordnung sind so ausgelegt, dass das Speichervolumen ausreicht, um mindestens eine Kaltstarteinspritzmenge einzulagern.
In Fig. 3 ist die Baueinheit 72 aus Fig. 2 in einer integrativen Bauweise mit der Pumpe 100 gezeigt. Die Pumpe 100 ist hier unterhalb der Baueinheit 72 in einem gemeinsamen Gehäuse positioniert. Durch eine derartige Gestaltung sind kurze Leitungswege möglich. Folglich wird hierbei das Gewicht und auch das Volumen der Druckregelanordnung besonders gering und die Regelgüte durch eine Reduzierung von Totzeiten verbessert.
Die Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 3. Insbesondere ist hier der Verlauf des Kraftstoffflusses dargestellt. Mit einer gestrichelten Pfeillinie ist der Kraftstofffluss von der Kraftstoffpumpe 108, durch die Zulaufbohrung 80 in den Durchflussraum 96, und von dort wiederum durch den Steuerschlitz 78 in Richtung Pumpe 100 dargestellt (Ansaugdruck, Niederdruckbereich). Im Weiteren ist mit einer durchgezogenen Pfeillinie der Kraftstofffluss dargestellt, der zunächst von der Pumpe 100 zum Rail 104 geführt wird (Hochdruckbereich). Ein Überdruck wird durch die Abzweigung 106 zur Rückführungsöffnung 92 geleitet und verschiebt den Verschlusskörper 84. Die Rückführungsöffnung 92 wird geöffnet und der Kraftstoff fließt weiter zum Steuerschlitz 76, und von dort durch die Parallelleitung 98 zum Durchflussraum 96. Im Durchflussraum 96 vereint sich der zurückgeführte Kraftstoff mit dem aus dem Zulauf der Kraftstoffpumpe 108. Sinkt der Druck wieder unter den Sollregeldruck, so verschiebt sich der Verschlusskörper 84 bezogen auf die Fig. nach links und öffnet den Steuerschlitz 78 zur Saugdrosselung und verschließt den Steuerschlitz 76 zur Druckabregelung. Oder, mit anderen Worten, sobald die Kraft der Feder 90 ausreicht um den Verschlusskörper 84 gegen die geringer werdende Kraft des Überdrucks zurück zu schieben.
In Fig. 5 ist diese Funktion mit den zugehörigen Bauteilen nochmals vereinfacht dargestellt.
Claims
Druckregelanordnung eines mit einer Pumpe (12, 100) betriebenen Kraftstoffeinspritzsystems für einen Verbrennungsmotor (32), mit einem druckseitig von der Pumpe (12, 100) angeordneten Ventil (76) zum Abführen von Kraftstoff unter Druck von der Druckseite der Pumpe (12, 100) zur Saugseite der Pumpe (12, 100),
dadurch gekennzeichnet, dass saugseitig von der Pumpe (12, 100) eine variable Drossel (78) mit einer veränderbaren Drosselwirkung vorgesehen ist, zum Drosseln der der Pumpe (12, 100) zugeführten Kraftstoffmenge.
Druckregelanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (76) mit der variablen Drossel (78) funktional gekoppelt, insbesondere mechanisch gekoppelt ist.
Druckregelanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (76) und die variable Drossel (78) in einer Baueinheit, insbesondere in der Pumpe (12, 100), integriert zusam- mengefasst sind.
Druckregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Ventils (76) und die der variablen Drossel (78) mit einem einzigen Verschlusskörper (84) realisiert sind.
Druckregelanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Steuerschlitz (76, 78) vorgesehen sind, von denen in verschiedenen Stellungen des Verschlusskörpers (84) entweder der erste Steuerschlitz (76) oder der zweite Steuerschlitz (78) vollständig verschlossen ist.
6. Druckregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselwirkung der variablen Drossel (78)
durch den von der Pumpe (12, 100) erzeugten Druck veränderbar ist.
7. Druckregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass in diese eine Druckspeicherfunktion integriert ist.
8. Druckregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass in diese eine Druckdämpferfunktion integriert ist.
9. Pumpenbetriebenes Kraftstoffeinspritzsystem (10) mit einer Druckregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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