DE19739653A1 - Verfahren zum Erzeugen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff sowie System zur Kraftstoffhochdruckerzeugung - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff sowie System zur Kraftstoffhochdruckerzeugung

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen und Zuführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff zu einem Hochdruckspeicherraum eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, einer Brennkraftmaschine, wobei mittels einer Niederdruckpumpe als Vorpumpe Kraftstoff aus einem Tank gefördert und der Ansaugseite einer Hochdruckpumpe zugeführt wird und wobei ein Teil des von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoffs zur Schmierung der Hochdruckpumpe verwendet wird.
Das Fördervolumen oder die Förderleistung von Niederdruckpumpe und Hochdruckpumpe muß so ausgelegt sein, daß stets eine hinreichende unter Hochdruck stehende Kraftstoffmenge verfügbar ist. Da die Hochdruckpumpe aber üblicherweise in Abhängigkeit der Motordrehzahl angetrieben wird, ist die zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge gegenüber der angeforderten oder benötigten Kraftstoffmenge meist zu hoch, etwa dann, wenn der Fahrer eines Kraftfahrzeugs bei hoher Drehzahl "vom Gas geht" und sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet. Die von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge ist immer noch sehr hoch, sie wird aber von dem Einspritzsystem der Brennkraftmaschine nicht benötigt. Bei Erreichen eines Schwelldrucks wird solchenfalls üblicherweise ein auf der Hochdruckseite vorgesehenes Druckregelventil geöffnet, und es wird eine Verbindung zum Tank hergestellt. Der Kraftstoff wird daher im Kreis gefördert und erwärmt sich bei dieser hochdruckseitigen, sog. Rail-Druckregelung, sehr stark, was Gefahren mit sich bringt. Außerdem ist die Verwendung von Rückleitungen aus Kunststoff kritisch und der Motor-Gesamtwirkungsgrad verschlechtert sich bei der hohen Leistungsaufnahme durch die Hochdruckpumpe.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß die vorstehend genannten Nachteile nicht auftreten, daß also insbesondere eine Absenkung des hohen Temperaturniveaus im Rücklauf und Tank sowie eine Verbesserung des Motor-Gesamtwirkungsgrads erreicht wird. Desweiteren soll aber bei allen Betriebszuständen und Drehzahlen eine hinreichende und zuverlässige Schmierung der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gewährleistet sein.
Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fördermenge der Niederdruckpumpe oder der Förderdruck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe in Abhängigkeit der durch Meßwertaufnehmer und eine Steuereinrichtung bestimmten momentan benötigten Kraftstoffmenge gesteuert wird und daß vom Förderstrom der Niederdruckpumpe eine vom Druck auf der Förderseite im wesentlichen unabhängige konstante Schmierstrommenge abgezweigt wird, und ein verbleibender Reststrom der Ansaugseite der Hochdruckpumpe zugeführt wird.
Durch eine derartige Saugdrosselregelung der Hochdruckpumpe wird erreicht, daß die von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge stets der angeforderten bzw. benötigten Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine entspricht, so daß im Idealfall kein Kraftstoff im Kreis befördert wird. Es wird durch Meßwertaufnehmer, die Steuergrößen, wie zum Beispiel die Stellung des Gaspedals, erfassen, in einer Auswerte- und Steuereinrichtung die momentan benötigte Kraftstoffmenge ermittelt und demgemäß die Fördermenge der Niederdruckpumpe (Volumenstromsteuerung) oder der Förderdruck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe (Förderdrucksteuerung) vorgegeben. In besonders bevorzugter Weise werden diese Vorgaben auch geregelt. Dadurch, daß vom Förderstrom der Niederdruckpumpe eine vom Druck auf der Förderseite im wesentlichen unabhängige konstante Schmierstrommenge abgezweigt wird, beispielsweise in der Größenordnung von 30 l/h, wird erfindungsgemäß erreicht, daß auch bei der beschriebenen niederdruckseitigen Bedarfsregelung der Kraftstofförderung eine zuverlässige Schmierung der Hochdruckpumpe gewährleistet ist. Die der Hochdruckpumpe zugeführte Schmiermittelmenge ist dabei unabhängig von der Drehzahl der Hochdruckpumpe und wird mittels eines Stromregelventils abgezweigt, das so ausgebildet ist, daß im wesentlichen unabhängig vom Zulaufdruck eine konstante Schmiermittelmenge "durchgelassen" wird. Bei Änderungen des Zulaufdrucks zwischen 0 und 6 bar ändert sich die geförderte Schmiermittelmenge um weniger als 10%.
Wenn nach der ersten Variante der Erfindung die Fördermenge der Niederdruckpumpe gesteuert und in bevorzugter Weise geregelt wird (Volumenstromregelung), so kann dies durch die Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl der Niederdruckpumpe erreicht werden. In besonders vorteilhafter Weise wird die Drehzahl der Niederdruckpumpe mittels eines Drehzahlaufnehmers erfaßt und das Signal des Drehzahlaufnehmers an die Steuereinrichtung zurückgeführt, so daß die entsprechend des Volumenbedarfs einzustellende Drehzahl geregelt eingestellt wird.
Wenn nach der zweiten Variante der Erfindung der Förderdruck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe in Abhängigkeit der benötigten Kraftstoffmenge eingestellt bzw. geregelt wird (Förderdruckregelung), so kann dies bei Verwendung einer druckregelbaren Niederdruckpumpe dadurch erreicht werden, daß diese direkt von der Steuereinrichtung angesteuert wird. Der Förderdruck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe kann aber auch durch Ansteuern einer am Ausgang der Niederdruckpumpe vorgesehenen variablen Drosseleinrichtung, etwa durch Verschieben eines Drosselschiebers, durchgeführt werden. Es könnte aber auch ein getaktetes Magnetventil in einer Druckentlastungsleitung, welche die Förderseite der Niederdruckpumpe mit dem Tank verbindet, angesteuert werden, um den Druck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe auf dem gewünschten, von der Steuereinrichtung bestimmten Wert zu halten. Solchenfalls würde Kraftstoff im Niederdruckkreis kreisförmig gefördert werden, was jedoch nicht zu einer nachteiligen Leistungsaufnahme der Niederdruckpumpe bzw. Erwärmung des Kraftstoffs führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt desweiteren die Aufgabe zugrunde, ein System zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bereitzustellen, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 2 zur Durchführung der Volumenstromsteuerung bzw. -regelung und mit den Merkmalen des Anspruchs 5 zur Durchführung der Förderdrucksteuerung bzw. -regelung gelöst.
Durch Verwendung einer vorzugsweise drehzahlsteuerbaren und in ganz besonders bevorzugter Weise drehzahlregelbaren Niederdruckpumpe (Anspruch 3) kann ein der momentan benötigten Kraftstoffmenge entsprechender Volumenstrom bei der Niederdruckpumpe eingestellt werden, und das auf der Förderseite der Niederdruckpumpe vorgesehene Stromregelventil stellt eine konstante Schmiermittelversorgung der Hochdruckpumpe sicher.
Zur Vorgabe des Förderdrucks auf der Förderseite der Niederdruckpumpe kann eine druckregelbare Niederdruckpumpe eingesetzt werden (Anspruch 6) . Es erweist sich aber auch als vorteilhaft, wenn beispielsweise eine Zahnradpumpe mit einer nachgeschalteten variablen Drosseleinrichtung vorgesehen ist, welch letztere dann durch die Steuereinrichtung ansteuerbar ist (Anspruch 7). Solchenfalls sind in vorteilhafter Weise Drucksensoren vorgesehen, welche zur Ausbildung eines Druckregelkreises mit der Steuereinrichtung zusammenwirken.
Es wäre auch denkbar, daß von der Förderseite der Niederdruckpumpe eine Zweigleitung zum Tank zurückführt, die ein getaktetes Magnetventil aufweist, welches von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist (Anspruch 9).
Bei der vorstehend erläuterten Verwendung einer variablen Drosseleinrichtung oder einer zurückführenden Zweigleitung mit ansteuerbarem Ventil kann eine nichtregelbare Niederdruckförderpumpe eingesetzt werden, wobei die Druckregelung an nachgeschalteter Stelle durch die Drosseleinrichtung oder die Ansteuerung des Magnetventils erfolgt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen und der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kraftstoffhochdruckerzeugung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Nieder­ druck-Kreises des erfindungsgemäßen Systems zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Volumenstromsteuerung;
Fig. 2 die Fördermenge der Hochdruckpumpe bei der Volumenstromsteuerung bei unterschiedlichen Drosselgraden;
Fig. 3 die geförderte Schmiermittelmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hochdruckpumpe bei unterschiedlichen Drosselgraden;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Nieder­ druck-Kreises des erfindungsgemäßen Systems zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Förderdrucksteuerung;
Fig. 5 die Fördermenge der Hochdruckpumpe in Abhängigkeit vom Zulaufdruck auf der Ansaugseite bei verschiedenen Umdrehungen der Hochdruckpumpe;
Fig. 6 die Fördermenge der Hochdruckpumpe in Abhängigkeit von der Drehzahl bei verschiedenen Zulaufdrücken; und
Fig. 7 die geförderte Schmiermittelmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hochdruckpumpe bei unterschiedlichem Zulaufdruck.
Fig. 1 zeigt schematisch den Niederdruckkreis eines Systems zur Kraftstoffhochdruckerzeugung mit einer im Niederdruckkreis verwirklichten Bedarfsregelung für die Kraftstoffzumessung der Hochdruckpumpe. Von einem Kraftstofftank 2 führt eine Leitung 4 zur Ansaugseite einer Niederdruckpumpe 6. Die Förderseite 8 der Niederdruckpumpe 6 ist mit einem Stromregelventil 10 und parallel hierzu mit der Ansaugseite 12 einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 14 angedeuteten Hochdruckpumpe verbunden, deren Hochdruckseite 16 zum Hochdruckspeicherraum (Rail) eines nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems führt. Das Stromregelventil führt zum Schmierkreis 17 der Hochdruckpumpe 14.
Desweiteren ist eine mit einer Anzahl von Meßwertaufnehmern 18 zusammenwirkende Steuereinrichtung 20 vorgesehen, in welcher der momentane Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine bestimmt und dementsprechend ein Steuersignal erzeugt wird. Das Steuersignal wird als Steuersignal für die Drehzahl der als Elektrokraftstoffpumpe ausgebildeten Niederdruckpumpe 6 zu dieser geführt. Ein Drehzahlaufnehmer 22 liefert einen Meßwert zur Steuereinrichtung 20, der dort zur Regelung der Drehzahl und damit des Volumenstroms der Niederdruckpumpe 6 verarbeitet wird.
Von der von der Niederdruckpumpe 6 geförderten Kraftstoffmenge wird über das Stromregelventil 10 ein vom Zulaufdruck und der Drehzahl der Hochdruckpumpe im wesentlichen unabhängiger Schmiermittelstrom abgezweigt und über den Schmierkreis 17 in das Pumpeninnengehäuse 24 der Hochdruckpumpe 14 geleitet. Die Restmenge wird über die Ansaugseite 12 in den Saugraum 25 der Hochdruckpumpe 14 und von dort ins Rail gefördert. Der durch die Steuereinrichtung 20 entsprechend der angeforderten oder benötigten Kraftstoffmenge errechnete Volumenstrom der Niederdruckpumpe 6 wird von der drehzahlregelbaren Elektrokraftstoffpumpe gefördert.
Desweiteren ist ein Sicherheitsventil 26 dargestellt, welches die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 14 bei Unterschreiten eines vorbestimmten Drucks von etwa 1 bar unterbricht, so daß im Falle einer Leckage oder dergleichen, der Motor abgeschaltet wird.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die durch die Hochdruckpumpe 14 geförderte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hochdruckpumpe 14 bei verschiedenem Drosselgrad, wobei sich der Drosselgrad aus dem Quotient der von der Elektrokraftstoffpumpe bereitgestellten Überschußmenge QZ zum geometrischen Fördervolumen der Hochdruckpumpe QH ergibt (Drosselgrad = QZ/QH×100%), wobei unter der Überschußmenge RZ die durch die Niederdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge abzüglich der Schmiermittelmenge zu verstehen ist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines förderdruckgesteuerten Niederdruckkreises, bei dem die Niederdruckpumpe 6' von einer Zahnradpumpe mit einer nachgeschalteten Druckregelung gebildet ist. Zur Regelung des Drucks auf der Förderseite der Zahnradpumpe ist eine Zweigleitung 30 vorgesehen, welche zum Tank 2 zurückführt, wobei in der Zweigleitung 30 ein getaktetes Magnetventil 32 vorgesehen ist. Desweiteren ist ein Drucksensor 34 vorgesehen, der mit der Steuereinrichtung 20 zusammenwirkt. Das Ausgangssignal der Steuereinrichtung 20 ist in diesem Fall ein Steuersignal für das Magnetventil 32, welches in Abhängigkeit des Meßwerts des Drucksensors 34 einen vorbestimmten Druck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe 6' in Abhängigkeit der angeforderten Kraftstoffmenge steuert bzw. regelt.
In den Fig. 5 und 6 ist die Fördermenge der Hochdruckpumpe bei der Förderdruckregelung im Niederdruckkreis nach Fig. 4 in Abhängigkeit des Zulaufdrucks bei verschiedenen Drehzahlen bzw. in Abhängigkeit der Drehzahl bei verschiedenen Zulaufdrücken dargestellt. Fig. 7 zeigt die Schmiermittelmenge in Abhängigkeit der Drehzahl bei verschiedenen Zulaufdrücken; die Schmiermittelmenge ist im wesentlichen unabhängig von der Drehzahl der Hochdruckpumpe und dem Zulaufdruck. Es wird darauf hingewiesen, daß es sich bei den Darstellungen der Fördermengen bzw. Schmiermittelmengen um errechnete Größen handelt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erzeugen und Zuführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff zu einem Hochdruckspeicherraum eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, wobei mittels einer Niederdruckpumpe als Vorpumpe Kraftstoff aus einem Tank gefördert und der Ansaugseite einer Hochdruckpumpe zugeführt wird, und wobei ein Teil des von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoffs zur Schmierung der Hochdruckpumpe verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge der Niederdruckpumpe oder der Förderdruck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe in Abhängigkeit der durch Meßwertaufnehmer und eine Steuereinrichtung bestimmten momentan benötigten Kraftstoffmenge gesteuert wird und daß vom Förderstrom der Niederdruckpumpe eine vom Druck auf der Förderseite im wesentlichen unabhängige konstante Schmierstrommenge abgezweigt wird und ein verbleibender Reststrom der Ansaugseite der Hochdruckpumpe zugeführt wird.
2. System zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, einer Brennkraftmaschine, mit einer aus einem Tank (2) ansaugenden Niederdruckpumpe (6), einer von der Niederdruckpumpe (6) gespeisten und in einen Hochdruckspeicherraum fördernden Hochdruckpumpe (14) und mit einem den zu fördernden Kraftstoff als Schmiermittel verwendenden Schmierkreis für die Schmierung der Hochdruckpumpe (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckpumpe (6) volumenstromsteuerbar und von einer Steuereinrichtung (20) angesteuert ist, mit der ein der momentan benötigten Kraftstoffmenge entsprechender Volumenstrom bei der Niederdruckpumpe (6) einstellbar ist, und daß die Förderseite (8) der Niederdruckpumpe (6) mit einem zu dem Schmierkreis der Hochdruckpumpe führenden Stromregelventil (10) und parallel dazu mit der Ansaugseite (12) der Hochdruckpumpe (14) kommuniziert.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckpumpe (6) eine drehzahlsteuerbare Elektrokraftstoffpumpe ist.
4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen der drehzahlsteuerbaren Elektrokraftstoffpumpe zugeordneten Drehzahlaufnehmer (22), der mit der Steuereinrichtung (20) als Rückkopplung zusammenwirkt, so daß eine Drehzahlregelung der Elektrokraftstoffpumpe bewirkt wird.
5. System zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, einer Brennkraftmaschine, mit einer aus einem Tank (2) ansaugenden Niederdruckpumpe (6), einer von der Niederdruckpumpe (6) gespeisten und in einen Hochdruckspeicherraum fördernden Hochdruckpumpe (14) und mit einem den zu fördernden Kraftstoff als Schmiermittel verwendenden Schmierkreis für die Schmierung der Hochdruckpumpe (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruck auf der Förderseite der Niederdruckpumpe (6') in Abhängigkeit der momentan benötigten Kraftstoffmenge durch eine Steuereinrichtung (20) steuerbar ist, und daß die Förderseite der Niederdruckpumpe (6') mit einem zu dem Schmierkreis der Hochdruckpumpe (14) führenden Stromregelventil (10) und parallel dazu mit der Ansaugseite (12) der Hochdruckpumpe (14) kommuniziert.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckpumpe (6') druckregelbar und durch die Steuereinrichtung (20) ansteuerbar ist.
7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckpumpe (6') von einer Zahnradpumpe mit einer nachgeschalteten variablen Drosseleinrichtung gebildet ist, die durch die Steuereinrichtung (20) ansteuerbar ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete variable Drosseleinrichtung ein Drosselschieber ist.
9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete variable Drosseleinrichtung eine ein getaktetes und durch die Steuereinrichtung (20) ansteuerbares in einer zum Tank (2) zurückführenden Zweigleitung (30) vorgesehenes Magnetventil (32) ist.
10. System nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch ein Sicherheitsventil (26) auf der Förderseite der Niederdruckpumpe (6, 6'), welches bei Unterschreiten eines vorbestimmten Drucks die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe (14) unterbricht.
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