Titel

Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einer Hochdruckpumpe zum Zuführen 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 eine

Verwendung 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.

Diese Hochdruckpumpe ist in der Regel als eine Kolbenpumpe mit einer diskontinuierlichen Kraftstoffförderung gestaltet. In Abhängigkeit von der

Auslegung der Pumpe und der Hochdruck-Regelung werden in dem

Niederdruckbereich Druckpulsationen durch den Betrieb der Hochdruckpumpe angeregt, die die PFI-Einspritzung beeinflussen. Infolge der auftretenden Druckpulsationen variiert die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge; es kommt zu einer ungewünschten Gemischabweichung des einzuspritzenden Kraftstoffs.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einer Hochdruckpumpe zum Zuführen 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 in dem Kraftstoffeinspritzsystem eine Drossel zum Reduzieren von Druckpulsationen im Niederdruckbereich geschaltet ist.

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 auf vorzugsweise bis zu ca. 200 bar 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 im Niederdruckbereich eine Drossel angeordnet, die Druckpulsationen des Kraftstoffs reduziert, die infolge des Betriebs der

Hochdruckpumpe generiert werden.

Gemäß der Erfindung ist damit ein Kraftstoffeinspritzsystem geschaffen, das einen sehr einfachen Aufbau aufweist. Mittels der erfindungsgemäßen Drossel werden Druckschwankungen im Niederdruckbereich gedämpft, das heißt gering gehalten, wodurch Dosierungsfehler in der Menge des einzuspritzenden

Kraftstoffs in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine verringert werden.

Im Vergleich zu bekannten Systemen werden vorteilhafterweise

Druckpulsationen im Niederdruckbereich und damit auch an den Niederdruck-

Einspritzventilen gedämpft. Das in das Saugrohr einzuspritzende

Kraftstoffgemisch kann somit in der gewünschten Menge zur Verfügung gestellt werden. Die Niederdruckpumpe ist vorzugsweise als eine elektrisch angetriebene Pumpe und die Hochdruckpumpe insbesondere als eine mechanisch über eine

Nockenwelle angetriebene Pumpe gestaltet. Die Hochdruckpumpe verfügt üblicherweise über eine bedarfsgerechte Mengensteuerung mittels eines Mengensteuerventils (MSV). Durch das MSV wird die nicht benötigte Hochdruck- Kraftstoffmenge in das Niederdrucksystem zurückgeschoben.

Bei reinem PFI-Betrieb darf die Hochdruckpumpe beispielsweise keinen

Kraftstoff in den Hochdruckbereich fördern. Entsprechend wird bei jedem Hub der Hochdruckpumpe die gesamte angesaugte Menge an Kraftstoff

vorzugsweise wieder in die Ansaugleitung und damit zur so genannten

Druckseite der Niederdruckpumpe hin zurückgeschoben.

Dieses zumindest teilweise Zurückschieben des Kraftstoffs führt im

Niederdruckbereich bei Kraftstoffeinspritzsystemen gemäß dem Stand der Technik zu Druckpulsationen. Diese fallen, abhängig von der Motordrehzahl, der

Motorlast, der Leistungsführung und der Konfiguration der Hochdruckpumpe, unterschiedlich stark aus. Im Allgemeinen sind die Pulsationen umso stärker, je geringer die Hochdruck-Fördermenge ist, je niedriger die Motordrehzahl ist und je seltener die Hochdruckpumpe einen Förderhub durchführt. Die Zahl an

Förderhüben ist bei mechanischen Hochdruckpumpen beispielsweise abhängig von der Anzahl an Nocken an der Nockenwelle.

Bei alternativen, aber ebenfalls diskontinuierlich arbeitenden Hochdruck- Regelkonzepten ist der Effekt zwar abgeschwächt, tritt aber ebenfalls auf. Bei einer Druckpulsation führt die Einspritzung während eines Druckmaximums zu einer Mehrmenge, die Einspritzung während eines Druckminimums dagegen zu einer Mindermenge. Dies kann zu zylinderindividuellen Gemischfehlern mit Nachteilen bei Verbrauch und Emissionen führen. Es sind zwar diverse Ansätze zur Reduzierung dieses Einflusses, wie etwa besonders lange Zuleitungen zu den PFI-Einspritzventilen, eine modifizierte Hochdruckregelung sowie eine Variation der Nockenhöhe und damit des

Förderhubs der Hochdruckpumpe, bekannt. Ferner wurde in Betracht gezogen, die Hochdruckpumpe im reinen PFI-Betrieb mittels einer Kupplung abzuschalten, ein Drucksteuerventil zwischenzuschalten oder auch einen zusätzlichen

Druckspeicher im Niederdruckbereich vorzusehen. Darüber hinaus sind unkonventionelle Kraftstoffsysteme mit mindestens einer Rückleitung und/oder einer Hochdruckeinspritzung ins Saugrohr bekannt. Diese Lösungsmöglichkeiten verursachen jedoch einen deutlichen Mehraufwand und höhere Kosten im Vergleich zu der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung.

Kern der vorliegenden Erfindung ist hingegen die Verwendung einer Drossel, die im Niederdruckbereich integriert ist. Somit kann ein nahezu unverändertes Kraftstoffeinspritzsystem ohne Rücklaufleitung verwendet werden. Die Dämpfung der Druckpulsationen erfolgt dabei nicht nur im reinen PFI-Betrieb, sondern auch im DI-PFI-Mischbetrieb.

Es kann also eine exakte Mengen- und Druckregulierung an den Hochdruck- und/oder Niederdruck-Einspritzventilen eingestellt werden, die einem Hochdruckoder Niederdruckbetrieb oder auch einem kombinierten Betrieb angepasst ist. Ferner werden vorteilhafterweise keine weiteren zusätzlichen anzusteuernden Ventile oder Komponenten benötigt, wodurch gegenüber den

Kraftstoffeinspritzsystemen gemäß dem Stand der Technik Produktionskosten gesenkt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Kraftstoffeinspritzsystems ist die Drossel als eine Blende gestaltet.

Die Dimensionierung der Blende ist vorzugsweise dem maximalen

Kraftstoffdurchsatz der PFI-Einspritzung angepasst. Die im PFI-Betrieb einzuspritzende Kraftstoffmenge ist in der Regel geringer als der maximale gesamte Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors, da der Motor insbesondere bei Volllastbetrieb üblicherweise aufgrund der günstigeren Klopfeigenschaften bei einer Dl-Einspritzung im Wesentlichen im Dl-Betrieb betrieben wird. Ein Druckabfall über der Drossel ist somit auch bei kleinen Blendenquerschnitten im

Wesentlichen ohne Bedeutung.

Die Drossel ist vorteilhaft an einer Stelle mit einer maximalen

Volumenstrompulsation des Kraftstoffs geschaltet.

Die Drossel, die vorzugsweise in Form einer Blende gestaltet ist, ist

vorzugsweise nahe dem Ort maximaler Volumenstrompulsation und damit minimaler Druckpulsation positioniert. Dies ermöglicht eine gute Dämpfwirkung der Pulsationen, ohne dabei die Kraftstoffzufuhr zu stark zu drosseln. Es kommt vorteilhafterweise zu keinen wesentlichen Wrkungsgradverlusten. Ferner kann der Drosselquerschnitt breiter eingestellt werden. Der Druck im PFI-Bereich wird insbesondere gleichmäßig stark gedrosselt, wodurch Zumessungsfehler vermieden werden, falls kein Drucksensor zur Kontrolle vorgesehen ist. Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Kraftstoffeinspritzsystems ist die

Drossel in einer Zulaufleitung zur Hochdruckpumpe geschaltet.

Nahe der Hochdruckpumpe treten in der Regel die höchsten

Volumenstrompulsationen auf. Daher ist die Drossel gemäß dieser Weiterbildung des Kraftstoffeinspritzsystems bevorzugt nahe der Hochdruckpumpe angeordnet, insbesondere direkt in der Hochdruckpumpen-Zulaufleitung. Ferner ist die Drossel bevorzugt in der Zulaufleitung im Eingangsbereich zur Hochdruckpumpe geschaltet.

Die Drossel kann ferner direkt am Eingang zur Hochdruckpumpe positioniert sein.

Gemäß einer alternativen Weiterbildung des Kraftstoffeinspritzsystems ist die Drossel in einer von der Zulaufleitung zur Hochdruckpumpe abzweigenden Zulaufleitung zu den Niederdruck-Einspritzventilen geschaltet.

Das Kraftstoffeinspritzsystem weist eine Leitung auf, das heißt eine Zulaufleitung, die vom Tank bzw. von der Niederdruckpumpe direkt zur Hochdruckpumpe führt. In dieser Leitung ist eine Abzweigung vorgesehen, an der eine Zulaufleitung zu den Niederdruck-Einspritzventilen abzweigt. Die Drossel kann - alternativ zur Positionierung in der Zulaufleitung zur Hochdruckpumpe - auch in dieser Leitung, vorzugsweise nahe der Abzweigstelle, zwischengeschaltet sein. Diese Positionierung stellt ebenfalls eine Positionierung nahe der Hochdruckpumpe dar, an der hohe Volumenstrompulsationen auftreten.

In der Hochdruckpumpe zweigt vorteilhaft eine Zulaufleitung zu den Niederdruck- Einspritzventilen ab, in der die Drossel geschaltet ist. Bei einer derartigen Weiterbildung ist die Drossel, vorzugsweise in Form einer

Blende, bevorzugt in der Hochdruckpumpe integriert. Hierbei zweigt innerhalb der Hochdruckpumpe eine Zulaufleitung zu den Niederdruck-Einspritzventilen ab, in der die Drossel zwischengeschaltet ist. Diese alternative Ausführungsform wirkt sich bezüglich des Wärmehaushalts der Hochdruckpumpe vorteilhaft aus.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Kraftstoffeinspritzsystems entspricht die Anzahl an Förderhüben der Hochdruckpumpe pro einer

Nockenwellenumdrehung der Anzahl an Zylindern der Brennkraftmaschine.

Die Drossel kann in Kombination mit einer Kolbenpumpe betrieben werden, die ebenso viele Förderhübe pro Nockenwellenumdrehung zur Verfügung stellt, wie der Verbrennungsmotor Zylinder aufweist. Hierdurch werden vorteilhafterweise die PFI-Einspritzmengenunterschiede zwischen den einzelnen Zylindern gering gehalten. Es wird sichergestellt, dass sich die durch die Drossel bzw. Blende zwar reduzierte, aber dennoch im Niederdruck-Rail bemerkbare

Druckschwankung auf alle Zylinder gleich auswirkt. Jedes Einspritzventil wird zum Einspritzzeitpunkt mit einem Druckminimum oder einem Druckmaximum beaufschlagt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe ist ferner mit einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Benzinmotor, mit einem derartigen erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem gelöst, wobei entsprechende Vorteile, wie sie oben genannt sind, erzielt werden.

Schließlich ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen

Kraftstoffeinspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff sowohl in ein Saugrohr, als auch in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors geschaffen.

Mittels der Drossel des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems werden Druckschwankungen im Niederdruckbereich gedämpft, das heißt gering gehalten, wodurch Dosierungsfehler in der Menge des einzuspritzenden

Kraftstoffs, insbesondere beim Einspritzen in das Saugrohr der

Brennkraftmaschine, insbesondere des Benzinmotors, verringert werden.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild eines Ausführungsbeispiels eines

Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 das Detail II in Fig. 1 ,

Fig. 3 ein Schaubild eines ersten Ausführungsbeispiels eines

Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 ein Schaubild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines

Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 gemäß dem Stand der Technik 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 ist, 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 angeordnet ist, mittels der der Druck von ca. 5 bar aus der Leitung 16 auf bis zu ca. 200 bar angehoben werden kann. 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).

Wie in Fig. 2 im Detail zu erkennen ist, ist die Hochdruckpumpe 30 in der Leitung 28 mit einer Zylinder-Kolben-Anordnung 34 gestaltet, der in

Hauptströmungsrichtung ein Mengensteuerventil 36 und ein Druckdämpfer 38 vorgelagert sowie ein Druckbegrenzungsventil 40 nachgelagert sind. Das

Mengensteuerventil 36 dient dazu, den Druck im Hochdruckbereich 20 zu regeln. Insbesondere wird dabei im PFI-Betrieb, bei dem nur an den Niederdruck- Einspritzventilen 26 eingespritzt wird, mit dem Mengensteuerventil 36 der von der Hochdruckpumpe 30 geförderte Kraftstoff wieder in Richtung der Leitung 16 zurückgeführt. In den Fig. 3 und 4 sind erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsysteme 10 von Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Ottomotors, veranschaulicht, bei denen Kraftstoff in einen Hochdruckbereich 20 mit dort angeschlossenen

Hochdruck-Einspritzventilen 32 unter Hochdruck von bis zu ca. 200 bar und/oder in einen Niederdruckbereich 18 mit daran angeschlossenen Niederdruck-

Einspritzventilen 26 unter Niederdruck von ca. 5 bar gemäß den Fig. 1 und 2 gefördert werden kann. Das heißt, die in das Saugrohr und direkt in die Zylinder einzuspritzende Menge an Kraftstoff kann aufgeteilt oder von den Niederdruckoder Hochdruck-Einspritzventilen 26, 32 komplett eingespritzt werden.

Die Hochdruckpumpe 30 ist als eine Kolbenpumpe mit diskontinuierlicher Förderung gebildet und wird mechanisch über eine Nockenwelle angetrieben. Die Hochdruckpumpe 30 durchläuft genauso viele Förderhübe pro

Nockenwellenumdrehungen, wie der Verbrennungsmotor Zylinder aufweist. Hierdurch werden die PFI-Einspritzmengenunterschiede zwischen den einzelnen

Zylindern gering gehalten.

Die in Abhängigkeit von der Hochdruckpumpen-Auslegung und dem

Hochdruckregelkonzept angeregten Druckpulsationen im Niederdruckbereich 18 werden erfindungsgemäß mittels einer Drossel 42 reduziert, das heißt gedämpft. Hierdurch können Dosierungsfehler in der Menge des einzuspritzenden

Kraftstoffs in das Saugrohr weitestgehend vermieden werden.

Einspritzmengenfehler aufgrund von Druckschwankungen im PFI-Rail werden also gering gehalten. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist dabei einen sehr einfachen Aufbau auf und ist kostengünstig herzustellen.

Die Drossel 42 ist vorliegend in Form einer Blende 42 gestaltet. Die

Dimensionierung der Blende 42 richtet sich nach dem erforderlichen maximalen Kraftstoffdurchsatz über die PFI-Einspritzung. Dabei ist die Blende 42 nahe an einer Stelle mit maximaler Volumenstrompulsation und damit minimaler

Druckpulsation positioniert. Dies ermöglicht eine gute Dämpfung der Pulsationen, ohne die Kraftstoffzufuhr im Niederdruckbereich 18 signifikant zu drosseln. Es kommt zu keinen wesentlichen Wirkungsgradverlusten. Die Drossel 42 ist vorliegend nahe der Hochdruckpumpe 30 geschaltet, da dort in der Regel die höchsten Volumenstrompulsationen auftreten. Im Kraftstoffeinspritzsystem 10 gemäß Fig. 3 ist die Drossel 42 nahe einer Abzweigstelle 44 des Niederdruckbereichs 18 geschaltet, nämlich in der Leitung 24, die direkt zu den Niederdruck-Einspritzventilen 26 führt. Die Dämpfung der Druckpulsationen erfolgt nicht nur im reinen PFI-Betrieb, sondern auch im Dl- PFI-Mischbetrieb des Kraftstoffeinspritzsystems 10. Es werden keine

zusätzlichen anzusteuernden Ventile oder andere Komponenten benötigt.

Die Drossel 42 kann jedoch auch direkt in der Zulaufleitung 16 zur

Hochdruckpumpe 30 geschaltet sein, insbesondere im Bereich des

Hochdruckpumpeneingangs.

In den Fig. 3 und 4 sind ferner Drucksensoren 46, 48, 50 gezeigt, die zur

Regelung des Systems 10 dem Druckregler 22, dem Hochdruck-Rail 20 und dem Niederdruck-Rail 18 zugeordnet sind.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems 10. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel zweigt in der Hochdruckpumpe 30 die Zuführleitung 24 zu den Niederdruck-Einspritzventilen 26 ab. Vorliegend ist die Drossel 42 in der Hochdruckpumpe 30 integriert und in der Leitung 24 geschaltet. Hierdurch wird der Wärmehaushalt der

Hochruckpumpe 30 positiv beeinflusst.

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.