DE10223077B4

DE10223077B4 - Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Niederdruckspeicher

Info

Publication number: DE10223077B4
Application number: DE10223077A
Authority: DE
Inventors: Helmut Schwegler; Martin Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-05-25
Also published as: DE10223077A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Direkt-Einspritzung, mit einer Vorförderpumpe (1) und mit einer Hochdruckpumpe (9), wobei die Vorförderpumpe (1) Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (5) zur Hochdruckpumpe (9) fördert, und wobei die Hochdruckpumpe (9) mindestens mittelbar ein oder mehrere Injektoren (13) mit Kraftstoff versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorförderpumpe (1) und Hochdruckpumpe (9) ein Druckspeicher (15) vorgesehen ist, und dass die Vorförderpumpe (1) in Abhängigkeit des im Druckspeicher (15) herrschenden Drucks getaktet betrieben wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit einer Vorförderpumpe und mit einer Hochdruckpumpe, wobei die Vorförderpumpe Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zur Hochdruckpumpe fördert, und wobei die Hochdruckpumpe mindestens mittelbar ein oder mehrere Einspritzventile mit Kraftstoff versorgt.

Solche Kraftstoffeinspritzsysteme sind beispielsweise aus der DE 198 18 421 A1 bekannt. Bei diesem Kraftstoffeinspritzsystem werden die Kraftstoffhochdruckerzeugung und die Mengenregelung im wesentlichen von der Hochdruckpumpe übernommen. Die elektrisch angetriebene Vorförderpumpe fördert Kraftstoff mit einem Druck von etwa 4 bis 6 bar zur Hochdruckpumpe.

Dabei ist die Fördermenge der elektrischen Vorförderpumpe so ausgelegt, dass sie bei maximalem Kraftstoffbedarf der Hochdruckpumpe oder unter ungünstigsten Umständen stets ausreichend Kraftstoff zur Kraftstoffpumpe fördert. Den überwiegenden Teil der Betriebsdauer ist die Fördermenge der Vorförderpumpe demzufolge sehr viel größer als der Kraftstoffbedarf der Hochdruckpumpe. Infolgedessen ist zwischen Druckseite der Vorförderpumpe und Saugseite der Hochdruckpumpe ein Druckregler vorgesehen, der den überschüssigen von der Vorförderpumpe geförderten Kraftstoff zurück in den Tank leitet.

Aus der FR 2775319 ist eine elektrisch angetriebene Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt, die im Kraftstofftank angeordnet ist und direkt den zur Einspritzurig erforderlichen Kraftstoffdruck bereitstellt. Die Mengenregelung dieser Hochdruckpumpe ist sehr aufwendig, da von der Güte der Druckregelung auch die Bemessung der eingespritzten Kraftstoffmenge abhängt. Außerdem wird durch eine einzige elektrisch angetriebene Hochdruckpumpe, die getaktet oder moduliert betrieben wird, das elektrische Bordnetz stark beansprucht.

Aus der EP 0 733 797 A2 ist zur Vermeidung dieser Nachteile vorgesehen, dass stromabwärts eines auf der Druckseite der Hochdruckpumpe angeordneten Duckreglers ein Reduzierregler eingesetzt wird. Sowohl der FR 27753319 als auch der EP 0 733 797 A2 ist gemeinsam, dass sie nur für Kraftstoffeinspritzsysteme geeignet sind, bei denen in das. Saugrohr der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Bei Saugrohreinspritzungen ist der erforderliche Hochdruck an den Einspritzventilen oder Injektoren viel geringer als bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen.

Aus der DE 197 10 299 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei der auf der Druckseite einer Kraftstoffeinspritzpumpe ein Druckspeicher vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung bereitzustellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung mit einer Vorförderpumpe und mit einer Hochdruckpumpe, wobei die Vorförderpumpe Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zur Hochdruckpumpe fördert und wobei die Hochdruckpumpe mindestens mittelbar ein oder mehrere Einspritzventile mit Kraftstoff versorgt, dadurch gelöst, dass zwischen Vorförderpumpe und Hochdruckpumpe ein Druckspeicher vorgesehen ist, und dass die Vorförderpumpe in Abhängigkeit des im Druckspeicher herrschenden Drucks getaktet betrieben wird.

Vorteile der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem werden dessen Hauptaufgaben – Förderung einer bedarfsgerechten Kraftstoffmenge und Bereitstellen eines gewünschten Einspritzdrucks – von der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe gemeinsam übernommen. Außerdem wird durch den Einsatz eines Druckspeichers auf der Druckseite der Vorförderpumpe und der Saugseite der Hochdruckpumpe der Energiebedarf der Vorförderpumpe minimiert, da die Vorförderpumpe nur ein Bruchteil der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine im Einsatz ist, um den Druckspeicher zu füllen. Außerdem kann wegen des Einsatzes eines Druckspeichers die Ansteuerung der Vorförderpumpe sehr einfach gehalten werden. Eine Druckregelung auf der Druckseite der Vorförderpumpe ist nicht erforderlich. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems erheblich und außerdem ist das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem sehr viel einfacher an verschiedene Brennkraftmaschinen adaptierbar.

Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens ist vorgesehen, dass zur Erfassung im Druckspeicher herrschenden Drucks ein Drucksensor oder ein Druckschalter vorgesehen ist. Mit Hilfe eines Drucksensors oder eines Druckschalters kann die Vorförderpumpe mit einer Zweipunktregelung getaktet betrieben werden. Dadurch wird die Betriebsdauer der Vorförderpumpe minimiert und im Druckspeicher steht immer ein ausreichender Kraftstoffdruck zur Verfügung.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der obere Druckgrenzwert im Druckspeicher 15 bis 20 bar beträgt. Dies bedeutet, dass die Vorförderpumpe etwa die Hälfte des für eine Benzindirekteinspritzung notwendigen Kraftstoffdrucks auf sehr einfache und effiziente Weise bereitstellt. Der Rest der erforderlichen Förderarbeit wird von der Hochdruckpumpe in Abhängigkeit der nachgefragten Kraftstoffmenge und des Betriebszustands der Brennkraftmaschine bereitgestellt. Dadurch, dass die Grundlast von der Vorförderpumpe übernommen wird, kann die Hochdruckpumpe kleiner ausgelegt werden, ihre Förderhöhe kann verringert werden und die Belastungen des elektrischen Bordnetzes, die sich aus dem Betrieb der Hochdruckpumpe ergeben, werden verringert. Dies gilt insbesondere, wenn die Hochdruckpumpe elektrisch, insbesondere mit variabler Drehzahl, angetrieben wird.

Zur Fördermengenregelung der Hochdruckpumpe kann auch vorgesehen sein, dass auf der Druckseite der Hochdruckpumpe ein Mengensteuerventil vorhanden ist, welches in Abhängigkeit des Drucks auf der Druckseite der Hochdruckpumpe angesteuert wird. Durch den Einsatz eines solchen Mengensteuerventils kann die Brennkraftmaschine außerdem sehr schnell von Volllast in den Leerlauf übergehen.

Um den Energiebedarf des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems weiter zu minimieren ist außerdem vorgesehen, dass das Mengensteuerventil die abgesteuerte Kraftstoffmenge in den Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems, d.h. auf die Saugseite der Hochdruckpumpe bzw. die Druckseite der Vorförderpumpe, leitet.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Es zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems schematisch dargestellt. Eine elektrisch angetriebene Vorförderpumpe 1 saugt über eine erste Kraftstoffleitung 3 Kraftstoff aus einem Tank 5 an und fördert den Kraftstoff in eine zweite Kraftstoffleitung 7. Die zweite Kraftstoffleitung 7 verbindet die Vorförderpumpe 1 mit einer Hochdruckpumpe 9. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Hochdruckpumpe 9 durch einen drehzahlgeregelten elektrischen Motor angetrieben. Die Hochdruckpumpe 9 fördert den nunmehr unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in eine dritte Kraftstoffleitung 11, welche den Kraftstoff zu Einspritzventilen oder Injektoren 13 fördert: In der dritten Kraftstoffleitung kann auch ein in der Figur nicht dargestellter Common-rail vorgesehen sein. An der zweiten Kraftstoffleitung 7, d.h. auf der Druckseite der Vorförderpumpe 1 und der Saugseite der Hochdruckpumpe 9, ist ein Niederdruckspeicher 15 vorgesehen.
Die Vorförderpumpe 1 fördert Kraftstoff zur Hochdruckpumpe 9 und in den Niederdruckspeicher 15 bis dieser ein bestimmtes Druckniveau, beispielsweise von 20 bar, erreicht hat. Sobald ein erster Drucksensor 17, welcher den Druck in der zweiten Kraftstoffleitung 7 und damit auch den Druck im Niederdruckspeicher 15 misst, das Erreichen des vorgesehenen Höchstdrucks im Niederdruckspeicher 15 feststellt, wird die Vorförderpumpe 1 abgeschaltet. Ein Rückschlagventil 19 verhindert, dass Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffleitung 7 in den Tank 5 abfließt.
Wenn die Vorförderpumpe 1 abgeschaltet ist, übernimmt der Niederdruckspeicher 15 die Kraftstoffversorgung der Hochdruckpumpe 9. Die Vorförderpumpe 1 bleibt so lange abgeschaltet, bis der erste Drucksensor 17 das Erreichen eines unteren Druckgrenzwerts feststellt und die Vorförderpumpe 1 wieder eingeschaltet wird. Anstelle des ersten Drucksensors 17 kann auch ein Druckschalter eingesetzt werden. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird als Niederdruckbereich der Teil des Kraftstoffeinspritzsystems angesehen, der zwischen Druckseite der Vorförderpumpe 1 und Saugseite der Hochdruckpumpe 9 angeordnet ist.
Um den Einspritzdruck und die Einspritzmenge zu regeln, ist der elektrische Antrieb der Hochdruckpumpe 9 als drehzahlgeregelter Antrieb ausgelegt. Somit können sowohl Einspritzmenge als auch Einspritzdruck in der dritten Kraftstoffleitung 11, bzw. an den Injektoren 13, feinfühlig und verlustarm eingeregelt werden.
Zusätzlich ist in der dritten Kraftstoffleitung 11 noch ein zweiter Drucksensor 21 vorgesehen, der den Druck in der dritten Kraftstoffleitung 11, der dem Einspritzdruck entspricht, misst. Wenn der zweite Drucksensor 21 einen zu hohen Druck in der dritten Kraftstoffleitung 11 erkennt, steuert er über nicht dargestellte Mittel ein Mengensteuerventil 23 an, welches in einer Bypassleitung 25 um die Hochdruckpumpe 9 angeordnet ist. Dadurch fließt Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich und infolgedessen sinkt der Druck im Hochdruckbereich ab. Sobald der Druck im Hochdruckbereich auf den gewünschten Wert abgesunken ist, wird das Mengensteuerventil 23 wieder geschlossen. Damit der Druck im Niederdruckkreis ein bestimmtes Niveau nicht übersteigen kann, ist aus Sicherheitsgründen zwischen Kraftstoffleitung 7 und Kraftstofftank 5 ein nicht dargestelltes Druckbegrenzungsventil vorgesehen.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem ist, dass die Niederdruckseite keinen mechanischen Druckregler benötigt und eine Rücklaufleitung entfallen kann. Außerdem läuft die Vorförderpumpe 1 nur sehr kurz, um den Niederdruckspeicher 15 zu füllen, so dass die Anforderungen an Lebensdauer und Fördermenge der Vorförderpumpe 1 geringer sind als bei herkömmlichen Vorförderpumpen. Die Steuerung der Vorförderpumpe 1 erfolgt durch eine einfache Zweipunktregelung.
Wenn sowohl die Vorförderpumpe als auch die Hochdruckpumpe elektrisch angetrieben werden, ist eine besonders flexible Einbausituation des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems gegeben. D.h. es müssen nahezu keine Anpassungen an die Brennkraftmaschine vorgenommen werden, und außerdem wird die Hochdruckpumpe 9 nicht mit den hohen Temperaturen der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Durch die Drehzahlregelung der Hochdruckpumpe 9 kann das Druckniveau im Hochdruckbereich einfach und effizient geregelt werden. Wenn die Regelgüte der Druckregelung im Hochdruckbereich nicht ausreichend gut sein sollte, kann durch das optional vorgesehene Mengensteuerventil 23 eine Feinregulierung des Drucks im Hochdruckbereich vorgenommen werden. In der Summe ergibt sich dadurch ein vereinfachtes und preisgünstigeres Regelkonzept auch für den Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems.
Schließlich verbessert sich auch das Kalt- und das Heißstartverhalten der Brennkraftmaschine, da schön die Vorförderpumpe einen Druck von 15 bis 20 bar bereitstellt, was der Bildung von Dampfblasen entgegenwirkt.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit Direkt-Einspritzung, mit einer Vorförderpumpe (1) und mit einer Hochdruckpumpe (9), wobei die Vorförderpumpe (1) Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (5) zur Hochdruckpumpe (9) fördert, und wobei die Hochdruckpumpe (9) mindestens mittelbar ein oder mehrere Injektoren (13) mit Kraftstoff versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorförderpumpe (1) und Hochdruckpumpe (9) ein Druckspeicher (15) vorgesehen ist, und dass die Vorförderpumpe (1) in Abhängigkeit des im Druckspeicher (15) herrschenden Drucks getaktet betrieben wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des im Druckspeicher (15) herrschenden Drucks ein erster Drucksensor (17) vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (1) von einem Druckschalter, der mit dem im Druckspeicher (15) herrschenden Druck beaufschlagt wird, ein- und ausgeschaltet wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (1) ausgeschaltet wird, wenn im Druckspeicher (15) ein Druck von 15- bis 20 bar herrscht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (1) und/oder die Hochdruckpumpe (9) elektrisch angetrieben wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (9) mit variabler Drehzahl angetrieben wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite (11) der Hochdruckpumpe (9) ein Mengensteuerventil (23) vorgesehen ist, und dass das Mengensteuerventil (23) in Abhängigkeit des Drucks auf der Druckseite (11) der Hochdruckpumpe (9) angesteuert wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (23) die abgesteuerte Kraftstoffmenge in den Niederdruckteil (7) des Kraftstoffeinspritzsystems leitet.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite (11) der Hochdruckpumpe (9) ein Common-Rail vorgesehen ist.