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Hintergrund der Erfindung
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzungssystem
zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit druckbeaufschlagtem
Kraftstoff, wie beispielsweise eines Dieselmotors.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein
Beispiel dieser Art von Kraftstoffeinspritzsystem wird offen gelegt
in JP-A-2001-295685. Bei diesem System wird Kraftstoff aus einem
Kraftstofftank über
eine Förderpumpe
in eine Kraftstoffzulieferpumpe eingespeist, welche den Kraftstoff
mit Druck beaufschlägt.
Der mit Druck beaufschlagte Kraftstoff wird zu einer Common-Rail
geliefert, in welcher er gesammelt wird. Der mit Druck beaufschlagte
Kraftstoff wird über
einen Injektor in einen Zylinder einer Dieselverbrennungskraftmaschine
injiziert. Einspritzzeitpunkt und Kraftstoffmenge, welche in den
Zylinder eingespritzt wird, wird von einer elektronischen Steuereinheit
geregelt. Folgendes Problem ergibt sich in solch einem konventionellen
System. Die Kraftstoffmenge, welche von der Förderpumpe angesaugt wird, während des
Leerlaufs und während
einer niedrigen Belastung, ist klein. Entsprechend ist auch eine
Fließgeschwindigkeit des
Kraftstoffs klein und Luft aus dem Kraftstofftank, zusammen mit
dem Kraftstoff, wird angesaugt und sammelt sich allmählich im
Kraftstofffilter, welcher zwischen Kraftstofftank und Förderpumpe
angeschlossen ist. Nachdem sich eine bestimmte Menge Luft im Kraftstofffilter
angesammelt hat, wird die angesammelte Luft auf einmal in die Förderpumpe
gesaugt. Wenn eine große
Menge Luft zu einer Zeit in die Förderpumpe gesaugt wird, kann
kein Kraftstoff, welche die Common-Rail versorgen soll, angesaugt
werden. Daher fällt
der Kraftstoffdruck in der Common-Rail und eine Kraftstoffversorgung zur
Verbrennungskraftmaschine ist zeitweise unterbrochen. Falls das
passiert, wird die Maschine abgewürgt.
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Überblick über die
Erfindung
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Die
Erfindung wurde gemacht in Bezug auf das oben genannte Problem und
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Commom-Rail-Kraftstoffeinspritzungssystem
zu bieten, bei welcher eine Ansammlung einer großen Menge Luft im Kraftstofffilter
verhindert wird. Das Kraftstoffeinspritzungssystem hat eine Förderpumpe,
um Kraftstoff aus einem Kraftstofftank anzusaugen, eine Druckbeaufschlagungspumpe,
um den von der Förderpumpe
gelieferten Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen, eine Common-Rail,
zur Ansammlung druckbeaufschlagten Kraftstoffs bei konstantem Druck,
und einen Injektor, zur Einspritzung von druckbeaufschlagten Kraftstoff in
einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine. Ein Betrieb des
Systems wird elektronisch von einer elektronischen Steuereinheit
gesteuert. Um das Problem zu vermeiden, wovon konventionelle Systeme betroffen
sind, dass sich Luft im Kraftstofffilter bei niedriger Maschinengeschwindigkeit
oder Maschinenbelastung (wie zum Beispiel im Leerlauf) ansammelt,
wird ein Entlastungsventil in die Common-Rail eingebaut. Das Entlastungsventil
ist geöffnet,
wenn die Maschine im Leerlauf ist, um den Druck in der Common-Rail
zu senken und die Kraftstoffmenge, welche von der Förderpumpe
angesaugt wird, zu vergrößern. Die
von der Förderpumpe
angesaugte Kraftstoffmenge wird oberhalb eines benötigten Niveaus
gehalten, was der Förderpumpe
ermöglicht
allmählich
Luft aus dem Kraftstofftank zusammen mit Kraftstoff anzusaugen.
Dementsprechend wird verhindert, dass eine große Menge angesammelter Luft zu
einer Zeit in die Förderpumpe
gesaugt wird. Als Ergebnis kann die Common-Rail beständig mit
Kraftstoff von der Förderpumpe
versorgt werden. Das Entlastungsventil wird nur in periodischen
Intervallen geöffnet,
in welchen kein Kraftstoff von Injektor eingespritzt wird, um einen
Einspritzdruckabfall durch ein Öffnen
des Entlastungsventils zu verhindern. Andere Aufgaben und Eigenschaften
der Erfindung werden leichter ersichtlich zum besseren Verständnis der nachstehend
beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform
mit Verweis auf folgende Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches eine komplette Anordnung eines Commom-Rail-Kraftstoffeinspritzungssystems
zeigt, entsprechend der Erfindung;
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2 ist
ein Schaubild, welches das Verhältnis
der Kraftstoffmengen an unterschiedlichen Orten des Systems zeigt;
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3 ist
ein Kurvenblatt, welches das Verhältnis zeigt zwischen Drehzahl
einer Maschine und der Kraftstoffmenge, die von einer Förderpumpe
angesaugt wird; und
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4 ist
ein zeitliches Ablaufdiagramm, welches zeigt, wann ein Entlastungsventil
geöffnet
wird, um den hohen Druck in einer Common-Rail zu entlasten.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird mit Verweis auf begleitende Zeichnungen beschrieben.
Zuerst, Bezug nehmend auf 1, wird eine
komplette Anordnung eines Common-Rail-Einspritzsystems 1 der
Erfindung beschrieben. Das Kraftstoffeinspritzungssystem 1 ist
zum Beispiel angewandt auf eine Dieselverbrennungskraftmaschine, welche
in einem Automobil verbaut ist. Das System hat eine Common-Rail 2,
in welcher druckbeaufschlagter Kraftstoff gespeichert ist; einen
Injektor 3, welcher druckbeaufschlagten Kraftstoff, geliefert
aus der Common-Rail 2, in einen Zylinder einer Maschine einspritzt;
eine Kraftstoffzulieferpumpe 4, um die Common-Rail 2 mit
druckbeaufschlagtem Kraftstoff zu beliefern; eine elektronische
Steuereinheit (ECU) 5 für
elektronisches Steuern des Betriebs des Systems; und andere dazugehörige Komponenten.
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Die
Common-Rail 2 speichert druckbeaufschlagten Kraftstoff
mit einem berechneten Zieldruck (Leitungszieldruck), basierend auf
einer Drehzahl der Maschine Ne und einer Maschinenlast Le (entsprechend
eines Öffnungsgrades
eines Gaspedals). Die Common-Rail 2 ist durch ein Entlastungsventil 6 mit einer Rücklaufleitung 8 verbunden,
welche zu einem Kraftstofftank 7 führt. Wenn das Entlastungsventil 6 geöffnet ist,
kehrt der druckbeaufschlagte Kraftstoff zurück in den Kraftstofftank 7.
Das Entlastungsventil 6 ist ein elektromagnetisches Ventil,
gesteuert von der ECU 5. Die abgegebene Strommenge, welche den
Elektromagneten des Entlastungsventils 6 versorgt, wird
im Betrieb von der ECU 5 gesteuert, sodass ein Öffnungsgrad
des Entlastungsventils 6 gesteuert wird entsprechend der
Strommenge. Das Entlastungsventil 6 wird durch eine Vorspannkraft
einer Feder geschlossen, wenn kein Strom geliefert wird.
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Der
Injektor 3 hat ein elektromagnetisches Ventil, gesteuert
von der ECU 5. Die Kraftstoffmenge, welche von dem Injektor
eingespritzt wird, und die zeitliche Einspritzsteuerung werden gesteuert
durch Steuern des elektromagnetischen Ventils. Ein Teil des Kraftstoffs,
welcher dem Injektor 3 geliefert wird, wird nicht eingespritzt
und über
eine Leckleitung 9, verbunden mit der Rücklaufleitung 8, zugeführt.
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Die
Kraftstoffzulieferpumpe 4 ist aufgebaut aus einer Nockenwelle 10,
angetrieben von der Maschine, einer Förderpumpe 11, welche
Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 7 ansaugt, einem Kolben 13,
angeordnet in einem Zylinder 12 und wechselseitig von der
Nockenwelle 10 angetrieben, und anderen dazugehörigen Komponenten.
Die Nockenwelle 10 ist drehbar von Lagern 14 in
einem Pumpengehäuse
gelagert. Eine Nocke 15 ist in der Nockenwelle 10 ausgeformt
und ein Nockenring 16 ist verbunden mit der Nocke 15 mittels
einer Metallhülse,
sodass der Nockenring 16 relativ zur Nocke 15 rotiert.
Wenn die Nockenwelle 10 rotiert, dann wird der Kolben 13 in
Kontakt mit der äußeren Oberfläche (16a)
des Nockenrings 16 wechselseitig in dem Zylinder 12 angetrieben.
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Die
Förderpumpe 11 kann
zum Beispiel bestehen aus einer bekannten Trochoidpumpe. Die Förderpumpe 11 ist
angetrieben von der Nockenwelle 10 und saugt den Kraftstoff
aus dem Kraftstofftank 7 durch einen Filter 17 und
eine Saugleitung 40 an. Der durch die Förderpumpe 11 angesaugte
Kraftstoff wird in zwei Richtungen geliefert. Ein Teil des Kraftstoffs
wird in eine Druckkammer 19 in dem Zylinder 12 durch
eine Einspeiseleitung 18, ein Regelventil 22 und
ein Einwegventil 23 eingespeist. Der andere Teil des Kraftstoffs
wird zu einer Nockenkammer 21 durch eine Schmierungsleitung 20 geliefert.
Das Regelventil 22 wird von der ECU 5 gesteuert,
um die Kraftstoffmenge zu regeln, welche in die Druckkammer gefördert wird.
Das Einwegventil 23 erlaubt nur einen Kraftstofffluss von
der Förderpumpe 11 zu
der Druckkammer 19. Eine Zirkulationsleitung 24 mit
einem Einwegventil 25 ist zur Schmierungsleitung 20 verbunden.
Wenn ein Druck in der Förderpumpe
ein vorbestimmtes Niveau übersteigt,
dann öffnet
sich das Einwegventil 25 und der Kraftstoff wird zur Förderpumpe 11 weitergeleitet.
Der Kolben ist gleitend im Zylinder 12 angeordnet, welcher
in dem Pumpengehäuse
ausgeformt ist. Ein Kolbenkopf 13a ist mit einem Ende des
Kolbens 13 verbunden, welcher gleitend die äußere Oberfläche 16a des
Nockenrings 16 berührt.
Der Kolben 13 wird wechselseitig im Zylinder 12 angetrieben,
entsprechend der Rotation der Nockenwelle 10. Die Druckkammer 19 ist
am anderen Ende des Kolbens 13 ausgeformt. Die Kapazität der Druckkammer 19 ändert sich
entsprechend der reziproken Bewegung des Kolbens 13. Wenn
die Kapazität
der Druckkammer 19 steigt, dann wird Kraftstoff, geliefert
von der Förderpumpe 11,
in die Druckkammer 19 eingeführt. Wenn die Kapazität der Druckkammer 19 sinkt,
dann wird der darin enthaltene Kraftstoff mit Druck beaufschlagt
und versorgt die Common-Rail 2 über eine Versorgungsleitung 27.
Ein Einwegventil 28, welches Kraftstofffluss nur von der Kraftstoffzulieferpumpe 4 zur
Common-Rail 2 erlaubt, ist in der Versorgungsleitung 27 bereitgestellt.
Die Nockenkammer 21, die die Nockenwelle 10 enthält, an welche
der Nockenring 16 gekoppelt ist, ist in dem Pumpengehäuse ausgeformt.
Ein Teil des Kraftstoffs, welcher von der Förderpumpe 11 geliefert
wird, beliefert die Nockenkammer 21, sodass die Nocke 15 und der
Nockenring 16, gekoppelt an die Nocke 15, von dem
Kraftstoff geschmiert werden. Überlaufender Kraftstoff
von der Nockenkammer 21 kehrt zurück in den Kraftstofftank 7 durch
eine Leitung 29 und die Rücklaufleitung 8.
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Die
ECU 5 steuert den Betrieb des Regelventils 22,
des Injektors 3 und des Entlastungsventils 6,
entsprechend eines vorinstallierten Programms und basierend auf
einer Drehzahl Ne der Maschine, Maschinenlast Le (Öffnungsgrad
eines Gaspedals) und Druck in der Common-Rail 2. Da die
elektronische Steuerung des Regelventils 22 und des Injektors 3 bekannt
sind, wird solch eine Steuerung nicht mehr beschrieben. Die Steuerung
des Entlastungsventils 6 wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Die Kraftstoffmenge, angesaugt von der Förderpumpe 11, ist
klein, wenn eine Drehzahl Ne der Maschine niedrig ist oder die Maschinenlast
Le niedrig ist. Entsprechend ist die Fließgeschwindigkeit des Kraftstoffs
nicht hoch genug, um allmählich
Luft, enthalten in dem Kraftstofftank 7, in die Förderpumpe 11 anzusaugen.
Deshalb kann sich eine große
Luftmenge im Kraftstofffilter 17 ansammeln und diese angesammelte
Luft kann plötzlich
auf einmal in die Förderpumpe 11 gesaugt
werden. Falls dies auftritt, wird die Förderpumpe 11 unfähig, Kraftstoff
in die Common-Rail 2 einzuspeisen. Der Druck in der Common-Rail 2 wird
fallen und Kraftstoff wird nicht in ausreichender Menge vom Injektor 3 eingespritzt.
Das kann dazu führen,
dass eine Maschine abgewürgt
wird. Wenn die Fließgeschwindigkeit
des Kraftstoffs (Kraftstoffmenge, welche von der Förderpumpe 11 angesaugt wird)
auf einem bestimmten Niveau gehalten wird, dann wird Luft aus dem
Kraftstofftank 7 allmählich
in die Förderpumpe 11 angesaugt
und eine große
Luftmenge wird nicht im Kraftstofffilter 17 angesammelt. Deshalb
tritt das Phänomen,
dass eine große
Luftmenge plötzlich
in die Förderpumpe 11 angesaugt wird,
nicht auf. Mit anderen Worten, wenn die Fließgeschwindigkeit des Kraftstoffs
(Kraftstoffmenge) über
einem bestimmten Niveau gehalten wird, dann ermöglicht das der Förderpumpe 11 allmählich die Luft
zusammen mit Kraftstoff anzusaugen, dann tritt das oben beschriebene
Problem nicht auf. Eine Menge angesaugten Kraftstoffs, um das ermöglichende Niveau
der Kraftstofffließgeschwindigkeit
zu realisieren, wird bezeichnet als „erforderliche Ansaugmenge".
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Wie
in 2 gezeigt, ist die Menge des von der Förderpumpe 11 angesaugten
Kraftstoffs (Ansaugmenge) eine Summe einer Menge an Kraftstoff, welche
von der Förderpumpe 11 geliefert
wird (Einspeisungsmenge), und der Menge an Kraftstoff, welche zurückläuft in den
Kraftstofftank 7 (Rücklaufmenge)
durch die Rücklaufleitung 8.
Die Ansaugmenge hängt
hauptsächlich
ab von der Einspeisungsmenge. Wenn das Entlastungsventil 6 geschlossen
ist, dann ist die Einspeisungsmenge eine Summe einer Menge an Kraftstoff,
welche von dem Injektor 3 eingespritzt wird (Einspritzmenge),
und einer Menge an Kraftstoff, welche von dem Injektor 3 ausläuft oder überläuft (Leckmenge).
Auf der anderen Hand, wenn das Entlastungsventil 6 geöffnet ist,
dann wird eine Menge an Kraftstoff, welche aus der Common-Rail 2 heraus fließt (Entlastungsmenge)
zu diesen Mengen hinzu addiert, das heißt, die Ansaugmenge ist eine
Summe der Einspritzmenge, der Leckmenge und der Entlastungsmenge.
Deshalb kann durch Öffnen
des Entlastungsventils 6 die Einspeisungsmenge gesteigert werden,
dadurch auch die Ansaugmenge.
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Die
Einspritzmenge und die Entlastungsmenge werden von der ECU 5 berechnet,
basierend auf einer Drehzahl Ne der Maschine, eines Kraftstoffdruckes
Pc in der Common-Rail 2 und einer Maschinenlast Le (Öffnungsgrads
des Gaspedals). Wie in 3 gezeigt, um die erforderliche
Ansaugmenge zu realisieren, wenn die Drehzahl Ne der Maschine oder die
Maschinenlast Le niedriger ist als ein vorbestimmtes Niveau, öffnet die
ECU 5 das Entlastungsventil 6 bis die Ansaugmenge
die erforderliche Menge erreicht. Jedoch wie gezeigt in 4,
wird das Entlastungsventil 6 mit Unterbrechungen nur in
periodischen Intervallen (INT) geöffnet, in welchen kein Kraftstoff
von dem Injektor 3 eingespritzt wird. In dieser Art und
Weise kann das Entlastungsventil 6 geöffnet werden ohne den Injektionsdruck
nachteilig zu beeinflussen.
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Das
oben beschriebene Einspritzsystem arbeitet auf folgende Art und
Weise. Kraftstoff in dem Kraftstofftank 7 wird von der
Förderpumpe 11 angesaugt
und in die Druckkammer 19 eingespeist. Wenn der Kolben 13 die
Druckkammer 19 vergrößert, wird der
Kraftstoff in die Druckkammer 19 eingespeist. Wenn der
Kolben sich aufwärts
bewegt, wird der Kraftstoff in der Druckkammer 19 mit Druck
beaufschlagt. Der druckbeaufschlagte Kraftstoff wird an die Common-Rail 2 durch
das Einwegventil 28 geliefert und somit wird der druckbeaufschlagte
Kraftstoff mit einem vorbestimmten Druck in der Common-Rail 2 gesammelt.
Der druckbeaufschlagte Kraftstoff in der Common-Rail 2 wird
an den Injektor 3 geliefert, welcher Kraftstoff in den
Zylinder der Maschine einspritzt unter Steuerung der ECU 5.
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Wenn
die Maschine sich im Leerlauf befindet, dann wird das Entlastungsventil,
gesteuert von der ECU 5, geöffnet. Der druckbeaufschlagte
Kraftstoff in der Common-Rail 2 fließt aus und kehrt zurück zum Kraftstofftank 7 durch
die Rücklaufleitung 8. Dies
erhöht
die Einspeisungsmenge der Förderpumpe 11,
resultierend in einer Erhöhung
der Ansaugmenge. Das Entlastungsventil 6 ist geöffnet, bis
die Ansaugmenge die erforderliche Ansaugmenge erreicht, um der Förderpumpe 11 ein
allmähliches
Ansaugen der Luft zusammen mit dem Kraftstoff zu ermöglichen.
In dieser Art und Weise wird vermieden, dass Luft sich im Kraftstofffilter 17 ansammelt
oder zurückbehalten
wird und dass eine große
Menge zurückbehaltener
Luft zu einer Zeit in die Förderpumpe 11 angesaugt
wird. Daher kann die Förderpumpe 11 beständig die
Common-Rail 2 mit Kraftstoff versorgen, um den Kraftstoffdruck
in der Common-Rail 2 auf einem konstanten Niveau aufrechtzuerhalten.
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Das
Entlastungsventil 6 wird nur in periodischen Intervallen
(INT) (Verweis auf 4) geöffnet, in welchen kein Kraftstoff
aus dem Injektor 3 eingespritzt wird. Deshalb, selbst wenn
der Kraftstoffdruck in der Common-Rail 2 vorübergehend
durch Öffnen des
Entlastungsventils 6 sinkt, ist der Druck bis zur nächsten Einspritzung
wiederhergestellt. Demzufolge werden Einspritzdruck und eingespritzte
Kraftstoffmenge nicht nachteilig beeinflusst durch ein Öffnen des
Entlastungsventils 6.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform ist
das Entlastungsventil 6 geöffnet, wenn die Maschine im
Leerlauf ist. Jedoch ist es auch möglich, das Entlastungsventil 6 zu öffnen, wenn
die Maschinengeschwindigkeit Ne niedrig ist, selbst wenn die Maschinenlast
Le relativ hoch ist, und wenn die Maschinenlast Le niedrig ist,
selbst wenn die Maschinengeschwindigkeit Ne relativ hoch ist. Mit
anderen Worten, das Entlastungsventil 6 kann gesteuert
werden sich zu öffnen,
wenn die Möglichkeit
besteht, dass Luft sich im Filter 17 sammelt und eine große Menge
angesammelter Luft zur gleichen Zeit angesaugt werden wird. Es ist
auch möglich
das Entlastungsventil 6 zu steuern, nicht abhängig von
der Maschinengeschwindigkeit Ne oder der Maschinenlast Le, sodass
die Ansaugmenge der Förderpumpe 11 immer über der
erforderlichen Ansaugmenge gehalten wird. In diesem Fall kann das
Entlastungsventil 6 geregelt werden durch Rückeinspeisung
der Ansaugmenge oder die Fließgeschwindigkeit
des angesaugten Kraftstoffs. Während
diese Erfindung gezeigt und beschrieben wurde mit Bezug auf vorangegangene bevorzugte
Ausführungsform,
ist für
den Fachmann ersichtlich, dass Änderungen
in Gestaltung und Detail gemacht werden können ohne von dem Rahmen der
Erfindung abzuweichen, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert sind.