WO2012072346A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2012072346A1
WO2012072346A1 PCT/EP2011/068717 EP2011068717W WO2012072346A1 WO 2012072346 A1 WO2012072346 A1 WO 2012072346A1 EP 2011068717 W EP2011068717 W EP 2011068717W WO 2012072346 A1 WO2012072346 A1 WO 2012072346A1
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WO
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pressure
fuel
pump
injection system
fuel injection
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PCT/EP2011/068717
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English (en)
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Inventor
Andreas Roth
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/04—Injectors peculiar thereto
    • F02M69/042—Positioning of injectors with respect to engine, e.g. in the air intake conduit
    • F02M69/046—Positioning of injectors with respect to engine, e.g. in the air intake conduit for injecting into both the combustion chamber and the intake conduit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F02M63/0275—Arrangement of common rails
    • F02M63/0285—Arrangement of common rails having more than one common rail
    • F02M63/029—Arrangement of common rails having more than one common rail per cylinder bank, e.g. storing different fuels or fuels at different pressure levels per cylinder bank
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/46—Details, component parts or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus covered by groups F02M69/02 - F02M69/44
    • F02M69/462—Arrangement of fuel conduits, e.g. with valves for maintaining pressure in the pipes after the engine being shut-down
    • F02M69/465—Arrangement of fuel conduits, e.g. with valves for maintaining pressure in the pipes after the engine being shut-down of fuel rails

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for an internal combustion engine, in particular a gasoline engine, with a high-pressure pump for conveying fuel in a high-pressure region before at least one high-pressure injection valve under high pressure and a low pressure region for supplying
  • Fuel at low pressure before at least one low pressure injector Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine, in particular a gasoline engine, with such a fuel injection system and a method for operating such a fuel injection system, in particular a dual fuel injection system.
  • a fuel injection system or “dual-injection system” is understood to mean a fuel injection system that is suitable for combustion
  • liquid fuel in particular gasoline
  • PFI port fuel injection
  • DI direct injection
  • the injection systems have to generate the low pressure on a low pressure pump, which also provides the fuel for a high pressure pump at the same time.
  • High pressure pump then generates the high pressure for the high pressure area.
  • Fuel valves supplies. As a rule, this increased supply pressure is sufficient to start the internal combustion engine in the shortest possible time.
  • DE 10127516 A1 discloses a fuel system of an internal combustion engine comprising a fuel tank. Furthermore, at least one fuel pump is provided. With an outlet of the fuel pump is a fuel
  • DE 10361579 A1 discloses a device for generating a
  • Injection pressure is injected with the fuel in at least one combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the device further comprises a
  • Low-pressure pump which promotes fuel from a fuel supply with a pre-pressure
  • a first high pressure pump which promotes the pre-conveyed fuel with an increased pressure to an injection device.
  • the device is characterized by a second high-pressure pump which, at a start of the internal combustion engine, also conveys the fuel, which is delivered with admission pressure, to the injection device at an increased pressure.
  • a first fuel pump works to eliminate problems during the starting process and at high fuel temperature with increased delivery capacity.
  • DE 10223077 A1 discloses a fuel injection system with a prefeed pump and a high-pressure pump, wherein between the
  • a low-pressure accumulator is provided.
  • the running time of the prefeed pump can be reduced and thus the energy requirement of the fuel injection system can be reduced.
  • a fuel injection system for an internal combustion engine in particular a gasoline engine, is provided with a high-pressure pump for delivering fuel to a high-pressure region upstream of at least one high-pressure injection valve under high pressure and a low-pressure region for supplying low-pressure fuel to at least one low-pressure injection valve.
  • the high-pressure pump is driven or designed so that they only from an idle speed of the internal combustion engine
  • the fuel injection system includes a high pressure and a high pressure
  • Tank preferably by means of a low-pressure pump, is supplied.
  • the high pressure area is preceded by a high pressure pump, which increases the pressure of the fuel for the Dl range, namely for the high pressure injection. That is, the fuel passes through the low-pressure pump either to the low-pressure injectors and / or as pre-conveyed quantity
  • High pressure pump Preferably, in the main conveying direction of the fuel, a line from the low-pressure pump initially leads to a branch, from which one branch in each case to the high-pressure pump, that is to the high-pressure region, and a line to the low-pressure injection valves.
  • the high pressure pump is designed or controlled by means of a control unit such that the high pressure pump only from the
  • the high-pressure pump thus has a reduced delivery capacity at a lower speed.
  • An idling is understood to mean the operation of the internal combustion engine in which the engine does no work, that is, the engine is running without load. So that the engine keeps a certain engine-specific idling speed and does not come to a standstill, a small amount of a fuel-air mixture, the so-called idle gas is supplied during idling.
  • a fuel injection system which has a very simple structure and is inexpensive to manufacture.
  • the high-pressure pump is equipped with a significantly reduced range of functions. In particular, the possibility of a high-pressure start is dispensed with.
  • the high-pressure region which is preferably designed as a so-called high-pressure rail, is preferably a
  • an increase of the charge can take place with predominant direct injection.
  • double injection is preferably carried out to improve the so-called knock properties.
  • An uncontrolled combustion or auto-ignition of the fuel essentially becomes avoided. This leads to an under-consumption of fuel, so to a consumption advantage, as well as to a torque gain.
  • a so-called scavenging may preferably take place, with fresh and exhaust gases being mixed in a space between cylinder outlets and a turbocharger. This is preferably achieved by means of an overlap of discharge and inlet times of the gases. While an exhaust valve is still open, already opens a corresponding inlet valve, so that fresh gas flows into the combustion chamber of the cylinder. If the fresh gas mixes with the exhaust gases of the other cylinders, there is an increase in the oxygen content and thus a post-combustion of the gases. This effect is already at low engine speed, the exhaust gas volume and thus the speed of the
  • Turbocharger increased.
  • the afterburning of the exhaust gases with fresh air leads to improved exhaust gas values.
  • the charge pressure is increased as a result of the increase in the turbocharger speed at low engine speed and thus also the filling of the cylinder with fresh gas. This increases the efficiency of the combustion and thus the torque and the power of the engine.
  • the high-pressure pump is advantageously designed as a piston pump.
  • This piston pump is preferably compared to conventional ones
  • Piston pumps formed smaller, reducing costs in the production of
  • the high-pressure pump is designed as a rotor pump.
  • a rotor pump can also be used as an alternative to a piston pump.
  • the rotor pump delivers the fuel substantially uniformly.
  • the rotor pump which is preferably two gears and a Enclosed with inlet and outlet, is robust and inexpensive due to the simple structure.
  • pressure pulsations in the low pressure range can be damped by using a rotor pump as a high pressure pump.
  • the rotor pump is preferably designed as a planetary rotor pump.
  • the high pressure pump is driven or designed such that the pumped amount of fuel from the idle speed, the maximum fuel demand of
  • High-pressure pump reduced from idle speed of the engine to about one-time the required amount of fuel at full load operation of the engine. By contrast, no high-pressure injection is necessary below the idling speed.
  • the use of a rotor pump is particularly advantageous. There are advantageously reduced requirements for the
  • the high-pressure pump is driven or designed such that in
  • High pressure range a high pressure of less than 100 bar is set.
  • a mechanical pressure regulator is preferably present in the high pressure fuel system.
  • the regulator affects the amount of fuel delivered to the high pressure pump, or the regulator relieves the excess flow delivered by the high pressure pump back into the low pressure circuit, or the pressure regulator combines these two principles.
  • the pressure regulator in the fuel injection system in particular in
  • High-pressure region in the present case can be designed mechanically, since a constant pressure in the high-pressure region is sufficient.
  • Pressure regulator is particularly cost effective in procurement. A so-called pressure holding or integrating a pressure accumulator is not necessary. Furthermore, in particular a high-pressure sensor can be dispensed with, which furthermore leads to a cost reduction.
  • the output stage of the at least one high-pressure injection valve may be formed with or without booster.
  • the high-pressure injectors are preferably the
  • Fuel quantity requirement of the internal combustion engine adjusted for Dl operation of the engine in full load may be increased by a e.g. 10% PFI content should be reduced to prevent coking. This results in lower demands on the Zumess Colour.
  • the object of the invention is also achieved by means of an internal combustion engine, in particular a gasoline engine, with such a fuel injection system according to the invention, with corresponding advantages, as mentioned above, can be achieved.
  • the method comprises the following steps:
  • Fuel injection system is provided a method that makes the operation of the fuel injection system very cost-effective.
  • Fig. 1 is a diagram of an embodiment of a
  • Fuel injection system according to the invention.
  • Fig. 1 is a fuel injection system 10 according to the invention
  • the line 16 serves as a supply line to a low pressure region 18 and a high pressure region 20 of the
  • Fuel injection system 10 On the line 16, a pressure regulator 22 is provided, by means of which the pressure in the conduit 16 can be kept substantially constant.
  • the pressure regulator 22 thus serves as an overpressure protection, that is, it is adapted to limit the present in the line 16 pressure to a predetermined maximum pressure.
  • a line 24 leads directly to the low-pressure region 18, so that there prevails the above-mentioned, provided by the low-pressure pump 14 pressure of about 5 bar.
  • the low-pressure region 18, which is designed tubular as a so-called low-pressure rail four low-pressure injectors 26 are provided, of which the fuel, in this case gasoline, in a (not shown) intake manifold of an associated internal combustion engine can be injected (port fuel injection, PFI).
  • a line 28 wherein in this line 28, a high pressure pump 30 incl.
  • Pressure control is arranged by means of which the pressure of about 5 bar from the line 16 to preferably below 100 bar is raised and regulated.
  • the associated fuel is then at the high pressure region 20, the is also designed as a tubular pressure chamber or as a so-called high-pressure rail, injected at four high-pressure injectors 32 directly in (not shown) cylinder of the internal combustion engine. This is also called
  • Direct injection direct injection, DI
  • the low-pressure pump 14 is preferably designed as an electrically driven pump and the high-pressure pump 30 in particular as a mechanically driven by a camshaft pump.
  • the preferably integrated in the high-pressure pump 30 pressure control is usually carried out via a demand-based quantity control means of a quantity control valve (MSV).
  • MSV quantity control valve
  • the MSV shifts the unneeded high pressure fuel back into the low pressure system.
  • the pressure control can also be purely mechanical and, for example, adjust the amount of fuel supplied to the high-pressure pump or let the amount pumped too much through the high-pressure pump flow back into the low-pressure circuit or combine both principles.
  • the high pressure pump 30 may not deliver fuel into the high pressure region 20. Accordingly, at each stroke of the high-pressure pump 30, the total quantity of fuel sucked back is preferably pushed back into the intake line 16 and thus to the so-called pressure side of the low-pressure pump 14.
  • the high-pressure pump 30 is designed or controlled by a control unit such that it can only promote or promote the engine fuel requirement from the idling speed.
  • the possibility of a high-pressure start of the engine is dispensed with. So there is a reduced capacity, that is, a significantly reduced functionality of the
  • High-pressure pump 30 before The pump 30 promotes at a cranking speed, which is lower than the idle speed, no or not enough fuel to cover the engine needs. In these cases, the engine fuel requirement is completely covered by PFI injections.
  • the amount of fuel that can be conveyed by the high-pressure pump 30 from the idling speed is the maximum engine requirement Quantity at full load operation of the internal combustion engine.
  • the high-pressure rail is designed for a volume flow in normal operation without start.
  • the high-pressure pump 30 may therefore be formed as a piston pump 30 or as a rotor pump 30, such as a planetary rotor pump 30.
  • Piston pump 30 is used, it is designed smaller than in conventional fuel injection systems 10. These pump types have a simple construction in a small footprint and are also very cost-effective. During high-pressure injection, ie during Dl operation, the following operating modes are available, among others:
  • Catalyst heating may occur by means of a so-called homogeneous-split operation, thereby reducing emissions after engine start-up.
  • Exhaust gases are mixed in a space between cylinder outlets and a turbocharger.
  • an afterburning of the exhaust gases with fresh air leads to improved exhaust gas values.
  • the charge pressure is increased as a result of an increase in the turbocharger speed at low engine speed and thus also the filling of the cylinder with fresh gas. This increases the
  • a mechanical pressure regulator is interposed, which keeps the fuel pressure at a defined and constant level; on a high pressure sensor can be omitted.
  • the high pressure injectors 32 that is, the high pressure injector output stages, are adapted for high pressure operation at full load of the engine, and high pressure operation may be reduced by a 10% PFI ratio to prevent coking.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einer Hochdruckpumpe (30) zum Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckbereich (20) vor mindestens ein Hochdruck-Einspritzventil (32) unter Hochdruck und einem Niederdruckbereich (18) zum Zuführen von Kraftstoff unter Niederdruck vor mindestens ein Niederdruck-Einspritzventil (26) ist die Hochdruckpumpe (30) erfindungsgemäß derart ausgelegt bzw. angesteuert, dass sie erst ab der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine den Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine fördern kann bzw. fördert.

Description

Beschreibung
Titel
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einer Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckbereich vor mindestens ein Hochdruck- Einspritzventil unter Hochdruck und einem Niederdruckbereich zum Zuführen von
Kraftstoff unter Niederdruck vor mindestens ein Niederdruck-Einspritzventil. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einem derartigen Kraftstoffeinspritzsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines dualen Kraftstoffeinspritzsystems.
Unter einem Kraftstoffeinspritzsystem oder "Dual-Injection-System" ist ein Kraftstoffeinspritzsystem zu verstehen, das den für die Verbrennung
vorgesehenen, in der Regel flüssigen Kraftstoff, insbesondere Benzin, sowohl in ein Saugrohr eines zugehörigen Verbrennungsmotors (port fuel injection, PFI) als auch in dessen Brennraum (direct injection, DI) einbringen kann. In dem PFI- System liegt in der Regel ein Niederdruck vor und es wird daher vorliegend auch als Niederdruckbereich bezeichnet. Im Dl-System steht der Brennstoff hingegen unter Hochdruck, weshalb dieser Bereich des Kraftstoffeinspritzsystems auch als Hochdruckbereich bezeichnet wird. Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzsystem sind sowohl kurz vor einem Einlassventil für Frischluft einspritzende Niederdruck- Einspritzventile (PFI) als auch direkt in den Brennraum einspritzende Hochdruck- Einspritzventile (DI) verbaut. Die dabei zugeführte Menge an Brennstoff kann aufgeteilt oder von einem der beiden Typen von Einspritzventilen (DI oder PFI) komplett eingespritzt werden. Derartige Einspritzsysteme sind bei Benzin- bzw. Otto- Motoren bereits im
Serieneinsatz. Sie bringen diverse Vorteile mit sich, wobei insbesondere die Vorteile der beiden oben genannten Einspritzweisen je nach Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors kombiniert werden können. Die Einspritzsysteme weisen zum Erzeugen des Niederdrucks eine Niederdruckpumpe auf, die zugleich auch den Brennstoff für eine Hochdruckpumpe bereitstellt. Die
Hochdruckpumpe erzeugt dann den Hochdruck für den Hochdruckbereich.
Bei Kraftstoffversorgungsanlagen mit zwei in Reihe geschalteten Pumpen und direkt in den Brennraum einspritzenden Kraftstoffventilen gestaltet sich der
Startvorgang aufgrund einer geringen Fördermenge der zweiten Kraftstoffpumpe relativ lang. Gemäß DE 19539885 A1 wird vorgeschlagen, eine Ventileinrichtung vorzusehen, die dafür sorgt, dass während des Startvorgangs die erste
Kraftstoffpumpe den Kraftstoff mit erhöhtem Speisedruck zu den
Kraftstoffventilen liefert. In der Regel reicht dieser erhöhte Speisedruck aus, um die Brennkraftmaschine in kürzester Zeit zu starten.
DE 10127516 A1 offenbart ein Kraftstoff System einer Brennkraftmaschine, die einen Kraftstoffbehälter umfasst. Ferner ist mindestens eine Kraftstoffpumpe vorgesehen. Mit einem Auslass der Kraftstoffpumpe ist eine Kraftstoff-
Sammelleitung verbunden, und an diese ist wiederum mindestens eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung angeschlossen. Um das Anlassverhalten der
Brennkraftmaschine zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass eine zusätzliche, elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe vorhanden ist, deren Auslass direkt mit der Kraftstoff-Sammelleitung verbunden ist und welche einen erhöhten
Förderdruck bereitstellt.
DE 10361579 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
Einspritzdruckes, mit dem Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Die Vorrichtung umfasst ferner eine
Niederdruckpumpe, die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorrat mit einem Vordruck fördert, und eine erste Hochdruckpumpe, die den vorgeförderten Kraftstoff mit einem erhöhten Druck an eine Einspritzvorrichtung weiterfördert. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine zweite Hochdruckpumpe aus, die bei einem Start des Verbrennungsmotors den mit Vordruck geförderten Kraftstoff ebenfalls mit einem erhöhten Druck an die Einspritzvorrichtung weiterleitet. In DE 19818421 A1 wird vorgeschlagen, dass eine erste Kraftstoffpumpe zur Beseitigung von Problemen während des Startvorgangs sowie bei hoher Kraftstofftemperatur mit erhöhter Förderleistung arbeitet.
Schließlich offenbart DE 10223077 A1 ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Vorförderpumpe und einer Hochdruckpumpe, wobei zwischen der
Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe ein Niederdruckspeicher vorgesehen ist. Mittels des Niederdruckspeichers kann die Laufzeit der Vorförderpumpe verringert werden und somit der Energiebedarf des Kraftstoffeinspritzsystems verringert werden.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einer Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckbereich vor mindestens ein Hochdruck- Einspritzventil unter Hochdruck und einem Niederdruckbereich zum Zuführen von Kraftstoff unter Niederdruck vor mindestens ein Niederdruck-Einspritzventil geschaffen, wobei die Hochdruckpumpe derart angesteuert bzw. ausgelegt ist, dass sie erst ab einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine den
erforderlichen Kraftstoff fördert.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Hochdruck- und einen
Niederdruckbereich, denen über kraftstoffleitende Leitungen Kraftstoff aus einem
Tank, vorzugsweise mittels einer Niederdruckpumpe, zugeführt wird. Dem Hochdruckbereich ist eine Hochdruckpumpe vorgeschaltet, die den Druck des Kraftstoffs für den Dl-Bereich, nämlich für die Hochdruckeinspritzung erhöht. Das heißt, der Kraftstoff gelangt über die Niederdruckpumpe wahlweise zu den Niederdruck-Einspritzventilen und/oder als vorgeförderte Menge zur
Hochdruckpumpe. Vorzugsweise führt in Hauptförderrichtung des Kraftstoffs eine Leitung von der Niederdruckpumpe zunächst zu einer Abzweigung, von der je eine Leitung zur Hochdruckpumpe, also zum Hochdruckbereich, und eine Leitung zu den Niederdruck-Einspritzventilen abzweigen. Erfindungsgemäß ist die Hochdruckpumpe so ausgelegt bzw. wird mittels einer Steuereinheit derart angesteuert, dass die Hochdruckpumpe erst ab der
Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine den Kraftstoffbedarf der
Brennkraftmaschine fördern kann bzw. fördert. Die Hochdruckpumpe weist also eine reduzierte Förderleistung bei niedrigerer Drehzahl auf.
Unter einem Leerlauf ist der Betrieb des Verbrennungsmotors zu verstehen, bei dem der Motor keine Arbeit verrichtet, das heißt, der Motor läuft ohne Belastung. Damit der Motor eine bestimmte motorspezifische Leerlaufdrehzahl hält und nicht zum Stillstand kommt, wird während des Leerlaufs eine geringe Menge eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, das so genannte Standgas, zugeführt.
Gemäß der Erfindung ist ein Kraftstoffeinspritzsystem geschaffen, das einen sehr einfachen Aufbau aufweist und dabei kostengünstig herzustellen ist.
Es kann ferner eine Hochdruckpumpe mit einer geringeren Dimension und einfacherem Aufbau eingesetzt werden als bei herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzsystemen. Die Hochdruckpumpe ist mit einem deutlich reduzierten Funktionsumfang ausgestattet. Insbesondere wird auf die Möglichkeit eines Hochdruckstarts verzichtet. Der Hochdruckbereich, der vorzugsweise als ein so genanntes Hochdruck-Rail gestaltet ist, ist bevorzugt auf ein
Kraftstoffvolumen bei normalem Betrieb ohne Start ausgelegt.
Mittels des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems sind bei der
Direkteinspritzung diverse Betriebsarten möglich:
Unter anderem kann ein Katalysatorheizen mittels eines so genannten
Homogenen-Splitt-Betriebs erfolgen, wodurch Emissionen nach dem Start des Motors verringert werden.
Des Weiteren kann insbesondere im oberen Lastbereich des Motors eine Erhöhung der Füllung bei überwiegender Direkteinspritzung erfolgen.
Ferner erfolgt bevorzugt bei Volllastbetrieb des Motors eine Doppeleinspritzung zur Verbesserung der so genannten Klopfeigenschaften. Eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung des Kraftstoffes wird im Wesentlichen vermieden. Dies führt zu einem Minderverbrauch an Kraftstoff, also zu einem Verbrauchsvorteil, sowie zu einem Momentengewinn.
Schließlich kann bevorzugt ein so genanntes Scavenging erfolgen, wobei Frisch- und Abgase in einem Raum zwischen Zylinderauslässen und einem Turbolader vermischt werden. Dies wird bevorzugt mittels einer Überschneidung von Aus- und Einlasszeiten der Gase erreicht. Während ein Auslassventil noch geöffnet ist, öffnet bereits ein entsprechendes Einlassventil, so dass Frischgas in den Brennraum des Zylinders strömt. Wenn sich das Frischgas mit den Abgasen der anderen Zylinder vermischt, kommt es zu einer Erhöhung des Sauerstoffanteils und so zu einer Nachverbrennung der Gase. Durch diesen Effekt wird bereits bei geringer Motordrehzahl das Abgasvolumen und damit die Drehzahl des
Turboladers erhöht. Zum einen führt also die Nachverbrennung der Abgase mit Frischluft zu verbesserten Abgaswerten. Zum anderen wird infolge der Erhöhung der Turboladerdrehzahl bei niedriger Motordrehzahl der Ladedruck erhöht und damit auch die Füllung der Zylinder mit Frischgas. Dies erhöht die Effektivität der Verbrennung und damit das Drehmoment und die Leistung des Motors.
Die Hochdruckpumpe ist vorteilhaft als eine Kolbenpumpe gestaltet.
Diese Kolbenpumpe ist vorzugsweise im Vergleich zu herkömmlichen
Kolbenpumpen kleiner gebildet, wodurch Kosten in der Herstellung des
Kraftstoffeinspritzsystems gesenkt werden. Ferner kann der Bauraum, der für den Hochdruckbereich, insbesondere für die Hochdruckpumpe, benötigt wird, kleiner gestaltet sein. Dies führt zu einer insgesamt kleineren Bauweise des Kraftstoffeinspritzsystems.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist die Hochdruckpumpe als eine Rotorpumpe gestaltet.
Da die Hochdruckpumpe bei niedriger Anlassdrehzahl des Motors keinen Kraftstoff fördern muss, sondern erst bei der höheren Leerlaufdrehzahl des Motors, kann alternativ zu einer Kolbenpumpe auch eine Rotorpumpe Einsatz finden. Die Rotorpumpe fördert den Kraftstoff im Wesentlichen gleichmäßig. Die Rotorpumpe, die vorzugsweise im Wesentlichen zwei Zahnräder und ein Gehäuse mit Zu- und Ablauf umfasst, ist aufgrund des einfachen Aufbaus robust und preiswert.
Ferner können Druckpulsationen im Niederdruckbereich durch Verwendung einer Rotorpumpe als Hochdruckpumpe gedämpft werden.
Die Rotorpumpe ist bevorzugt als eine Planetenrotorpumpe gestaltet.
Eine solche Weiterbildung ist vorteilhafterweise sehr kompakt und führt zu einer Reduzierung des Bauraums sowie der Herstellungskosten des
Kraftstoff ei n s p ri tzsy ste m s .
Bei einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist die Hochdruckpumpe derart angesteuert bzw. ausgelegt, dass die geförderte Menge an Kraftstoff ab der Leerlaufdrehzahl den maximalen Kraftstoffbedarf der
Brennkraftmaschine, insbesondere des Benzinmotors, bei Volllastbetrieb nachfördern kann.
Bei einer derartigen Weiterbildung ist die maximale Fördermenge der
Hochdruckpumpe ab Leerlaufdrehzahl des Motors auf ca. das ein-fache der benötigten Kraftstoffmenge bei Volllastbetrieb des Motors reduziert. Unterhalb der Leerlaufdrehzahl ist hingegen keine Hochdruck-Einspritzung notwendig. Bei dieser Weiterbildung ist insbesondere der Einsatz einer Rotorpumpe von Vorteil. Es ergeben sich vorteilhafterweise reduzierte Anforderungen an die
Komponenten der Hochdruck-Einspritzung.
Bei einer weiteren Gestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist die Hochdruckpumpe derart angesteuert bzw. ausgelegt, dass im
Hochdruckbereich ein Hochdruck von unter 100 bar eingestellt ist.
Vorliegend ist es hinreichend, wenn ein konstanter Druck von vorzugsweise deutlich unter 100 bar eingestellt ist.
Im Hochdruckkraftstoffsystem ist bevorzugt ein mechanischer Druckregler vorhanden. Abhängig vom Druckniveau im Hochdruckkraftstoffsystem beeinflusst der Druckregler beispielsweise die der Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge oder der Druckregler lässt die durch die Hochdruckpumpe zu viel geförderte Menge wieder in den Niederdruckkreis abströmen, oder der Druckregler kombiniert diese beiden Prinzipien.
Der Druckregler im Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere im
Hochdruckbereich, kann vorliegend mechanisch gestaltet sein, da ein konstanter Druck im Hochdruckbereich hinreichend ist. Ein solcher mechanischer
Druckregler ist insbesondere kostengünstig in der Beschaffung. Ein so genanntes Druckhalten oder ein Integrieren eines Druckspeichers ist nicht notwendig. Ferner kann insbesondere auf einen Hochdrucksensor verzichtet werden, was weiterhin zu einer Kostenreduzierung führt.
Die Endstufe des mindestens einen Hochdruck-Einspritzventils kann mit oder ohne Booster gebildet sein.
Des Weiteren sind die Hochdruck-Einspritzventile bevorzugt dem
Kraftstoffmengenbedarf der Brennkraftmaschine bei Dl-Betrieb des Motors in der Volllast angepasst. Vorzugsweise kann die Dl-Einspritzmenge um einen z.B. 10 %igen PFI-Anteil zum Schutz vor Verkokung reduziert sein. Hierdurch ergeben sich geringere Anforderungen an den Zumessbereich.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist ferner mittels einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Benzinmotors, mit einem derartigen erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem gelöst, wobei entsprechende Vorteile, wie sie oben genannt sind, erzielt werden.
Schließlich ist ein Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine geschaffen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckbereich vor mindestens ein
Hochdruck-Einspritzventil unter Hochdruck mittels einer Hochdruckpumpe, und/oder
- Zuführen von Kraftstoff in einen Niederdruckbereich unter Niederdruck vor mindestens ein Niederdruck-Einspritzventil, wobei die Hochdruckpumpe derart angesteuert bzw. ausgelegt wird, dass sie erst bei einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine Kraftstoff fördert.
Mittels dieser Auslegung bzw. Steuerung des erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzsystems wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das das Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems sehr kostengünstig gestaltet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaubild eines Ausführungsbeispiels eines
Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 gemäß der Erfindung
veranschaulicht, bei dem aus einem Tank 12 mittels einer elektrischen
Kraftstoffpumpe (EKP) bzw. Niederdruckpumpe 14 flüssiger Kraftstoff mit ca. 5 bar Druck in eine Leitung 16 gefördert wird. Die Leitung 16 dient als Zuleitung zu einem Niederdruckbereich 18 und einem Hochdruckbereich 20 des
Kraftstoffeinspritzsystems 10. An der Leitung 16 ist ein Druckregler 22 vorgesehen, mittels dem der Druck in der Leitung 16 weitestgehend konstant gehalten werden kann. Der Druckregler 22 dient also als ein Überdruckschutz, das heißt, er ist dazu eingerichtet, den in der Leitung 16 vorliegenden Druck auf einen vorgegebenen Maximaldruck zu begrenzen.
Zum Niederdruckbereich 18 führt eine Leitung 24 direkt hin, so dass dort der oben genannte, von der Niederdruckpumpe 14 bereitgestellte Druck von ca. 5 bar vorherrscht. Am Niederdruckbereich 18, der rohrförmig als ein so genanntes Niederdruck-Rail gestaltet ist, sind vier Niederdruck-Einspritzventile 26 vorgesehen, von denen der Kraftstoff, vorliegend Benzin, in ein (nicht dargestelltes) Saugrohr eines zugehörigen Verbrennungsmotors eingespritzt werden kann (port fuel injection, PFI).
Zum Hochdruckbereich 20 führt eine Leitung 28, wobei in dieser Leitung 28 eine Hochdruckpumpe 30 inkl. Druckregelung angeordnet ist, mittels der der Druck von ca. 5 bar aus der Leitung 16 auf bevorzugt unter 100 bar angehoben und geregelt wird. Der zugehörige Kraftstoff wird dann am Hochdruckbereich 20, der ebenfalls als rohrförmige Druckkammer bzw. als so genanntes Hochdruck-Rail gestaltet ist, an vier Hochdruck-Einspritzventilen 32 direkt in (nicht dargestellte) Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt. Dies wird auch als
Direkteinspritzung bezeichnet (direct injection, DI).
Die Niederdruckpumpe 14 ist vorzugsweise als eine elektrisch angetriebene Pumpe und die Hochdruckpumpe 30 insbesondere als eine mechanisch über eine Nockenwelle angetriebene Pumpe gestaltet. Die vorzugsweise in der Hochdruckpumpe 30 integrierte Druckreglung erfolgt üblicherweise über eine bedarfsgerechte Mengensteuerung mittels eines Mengensteuerventils (MSV).
Durch das MSV wird die nicht benötigte Hochdruck-Kraftstoffmenge in das Niederdrucksystem zurückgeschoben. Die Druckregelung kann auch rein mechanisch ausgebildet sein und dazu beispielsweise die der Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge anpassen oder die durch die Hochdruckpumpe zu viel geförderte Menge wieder in den Niederdruckkreis abströmen lassen oder beiden Prinzipien kombinieren.
Bei reinem PFI-Betrieb darf die Hochdruckpumpe 30 beispielsweise keinen Kraftstoff in den Hochdruckbereich 20 fördern. Entsprechend wird bei jedem Hub der Hochdruckpumpe 30 die gesamte angesaugte Menge an Kraftstoff vorzugsweise wieder in die Ansaugleitung 16 und damit zur so genannten Druckseite der Niederdruckpumpe 14 hin zurückgeschoben.
Erfindungsgemäß wird die Hochdruckpumpe 30 so ausgelegt bzw. über eine Steuereinheit derart angesteuert, dass sie erst ab der Leerlaufdrehzahl den Motorkraftstoffbedarf fördern kann bzw. fördert. Auf die Möglichkeit eines Hochdruckstarts des Motors wird verzichtet. Es liegt also eine reduzierte Förderleistung, das heißt ein deutlich reduzierter Funktionsumfang der
Hochdruckpumpe 30 vor: Die Pumpe 30 fördert bei einer Anlassdrehzahl, die niedriger ist als die Leerlaufdrehzahl, keinen oder nicht genügend Kraftstoff, um den Motorbedarf abzudecken. In diesen Fällen wird der Motorkraftstoffbedarf komplett über PFI-Einspritzungen abgedeckt.
Insbesondere beträgt die durch die Hochdruckpumpe 30 förderbare Menge an Kraftstoff ab der Leerlaufdrehzahl dem maximalen Motorbedarfgeförderten Menge bei Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine. Das Hochdruck-Rail ist dabei auf einen Volumenstrom im Normalbetrieb ohne Start ausgelegt.
Die Hochdruckpumpe 30 kann daher als eine Kolbenpumpe 30 oder als eine Rotorpumpe 30, wie eine Planetenrotorpumpe 30, gebildet sein. Wenn eine
Kolbenpumpe 30 Einsatz findet, so ist sie kleiner gestaltet als bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen 10. Diese Pumpentypen weisen einen einfachen Aufbau bei geringem Platzbedarf auf und sind zudem sehr kostengünstig. Während der Hochdruck-Einspritzung, also während des Dl-Betriebs, stehen unter anderem folgende Betriebsarten zur Verfügung:
Es kann ein Katalysatorheizen mittels eines so genannten Homogenen-Splitt- Betriebs erfolgen, wodurch Emissionen nach dem Start des Motors verringert werden.
Des Weiteren kann insbesondere im oberen Lastbereich des Motors eine Erhöhung der Füllung bei überwiegender Direkteinspritzung erfolgen. Ferner erfolgt bei Volllastbetrieb des Motors eine Doppeleinspritzung zur
Verbesserung der so genannten Klopfeigenschaften. Eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung des Kraftstoffes wird im Wesentlichen vermieden. Schließlich kann ein so genanntes Scavenging erfolgen, wobei Frisch- und
Abgase in einem Raum zwischen Zylinderauslässen und einem Turbolader vermischt werden. Zum einen führt dabei eine Nachverbrennung der Abgase mit Frischluft zu verbesserten Abgaswerten. Zum anderen wird infolge einer Erhöhung der Turboladerdrehzahl bei niedriger Motordrehzahl der Ladedruck erhöht und damit auch die Füllung der Zylinder mit Frischgas. Dies erhöht die
Effektivität der Verbrennung und damit das Drehmoment und die Leistung des Motors.
Des Weiteren ist im Hochdruckbereich 20 ein mechanischer Druckregler zwischengeschaltet, der den Kraftstoffdruck auf einem definierten und konstanten Niveau hält; auf einen Hochdrucksensor kann verzichtet werden. Die Hochdruck-Einspritzventile 32, das heißt die Hochdruck-Einspritzventil- Endstufen, sind dem Hochdruckbetrieb bei Volllast des Motors angepasst, wobei der Hochdruckbetrieb um einen 10 %igen PFI-Anteil zum Schutz vor Verkoken reduziert sein kann.
Abschließend sei angemerkt, dass sämtlichen Merkmalen, die in den
Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den abhängigen Ansprüchen genannt sind, trotz des vorgenommenen formalen Rückbezugs auf einen oder mehrere bestimmte Ansprüche auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger
Schutz zukommen soll.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einer Hochdruckpumpe (30) zum Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckbereich (20) vor mindestens ein Hochdruck- Einspritzventil (32) unter Hochdruck und einem Niederdruckbereich (18) zum Zuführen von Kraftstoff unter Niederdruck vor mindestens ein Niederdruck- Einspritzventil (26),
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (30) derart ausgelegt bzw. angesteuert ist, dass sie erst ab einer motorspezifischen
Leerlaufdrehzahl den erforderlichen Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine fördern kann.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (30) als eine
Kolbenpumpe (30) gestaltet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (30) als eine
Rotorpumpe (30) gestaltet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpumpe (30) als eine
Planetenrotorpumpe (30) gestaltet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (30) derart ausgelegt bzw. angesteuert ist, dass der maximale Kraftstoffbedarf der
Brennkraftmaschine erst ab der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine durch die Hochdruckpumpe gefördert werden kann.
6. Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (30) derart angesteuert ist, dass im Hochdruckbereich (20) ein Hochdruck von unter 100 bar eingestellt ist.
7. Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckniveau im
Kraftstoffeinspritzsystem (10) durch einen mechanischen Druckregler einstellbar ist.
8. Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems (10) für eine
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten:
- Fördern von Kraftstoff in einen Hochdruckbereich (20) vor mindestens ein Hochdruck-Einspritzventil (32) unter Hochdruck mittels einer
Hochdruckpumpe (30), und/oder
- Zuführen von Kraftstoff in einen Niederdruckbereich (18) unter Niederdruck vor mindestens ein Niederdruck-Einspritzventil (26),
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (30) derart angesteuert wird, dass sie erst bei einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine Kraftstoff fördert.
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