Titel

Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einem Hochdruck-Rail in einem

Hochdruck-Bereich zum Zuführen von Kraftstoff vor mindestens ein Hochdruck- Einspritzventil unter Hochdruck. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Kraftstoffeinspritzsystems.

Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme weisen direkt in einen Brennraum einspritzende Hochdruck-Einspritzventile (DI) auf. Sie sind einem so genannten Hochdruck-Rail zugeordnet.

Die Kraftstoffeinspritzsysteme weisen eine Niederdruckpumpe auf, die den Brennstoff für eine Hochdruckpumpe bereitstellt. Die Hochdruckpumpe erzeugt dann den Hochdruck für den Hochdruckbereich. Die Dl-Einspritzung erfolgt mit Einspritzdrücken von ca. 40 bar bis ca. 200 bar.

Die Hochdruckpumpe ist in der Regel als eine Kolbenpumpe mit einer diskontinuierlichen Kraftstoffförderung gestaltet. Die Kolbenpumpe wird mechanisch vom Verbrennungsmotor angetrieben. In Abhängigkeit von der Auslegung der Pumpe und der Hochdruck-Regelung werden vor allem im Hochdruck-Rail Druckpulsationen durch den Betrieb der Hochdruckpumpe sowie durch die Einspritzung angeregt.

Der für die Einspritzung und Gemischaufbereitung relevante Druck im

Hochdruck-Rail unterliegt somit systembedingt Druckschwankungen. Zum einen führt jede Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum zu einem Druckeinbruch im Rail und eine Nachförderung des Kraftstoffs mittels der

Kolbenpumpe zu einem Druckanstieg; es werden also Druckschwingungen

angeregt.

Um zu starke Druckschwankungen zu vermeiden, wird das Hochdruck-Rail in der Regel hinreichend groß dimensioniert, so dass es als Dämpfer bzw. Speicher dient.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Benzinmotor, mit einem Hochdruck-Rail in einem

Hochdruckbereich zum Zuführen von Kraftstoff vor mindestens ein Hochdruck- Einspritzventil unter Hochdruck geschaffen, wobei im Hochdruckbereich außerhalb des Hochdruck-Rails zumindest ein Volumenspeicher vorgesehen bzw. geschaltet ist.

Erfindungsgemäß ist in dem Hochdruckbereich, und zwar außerhalb des Hochdruck- Rails, zumindest ein Volumenspeicher geschaltet. Hierdurch kann insbesondere das Innenvolumen des Hochdruck-Rails, vorliegend auch als das Rail-Volumen bezeichnet, mit geringeren Dimensionen gebildet, also kleiner gestaltet sein. Ferner kann der Volumenspeicher als separates Bauteil bauraumoptimiert getrennt vom Hochdruck-Rail verbaut werden. Für den Volumenspeicher können andere Werkstoffe als für das Hochdruck-Rail gewählt werden. Auch wirkt sich eine Ausdehnung des Hochdruck- Rails bei Druck- und/oder Temperatur-Belastung nicht negativ auf den

Volumenspeicher aus. Der separate Volumenspeicher kann als Gleichteil für verschiedene Typen von Hochdruck-Rails genutzt werden.

Eine Sicherstellung, dass nicht zu hohe Druckpulsationen im Hochdruck-Rail auftreten, ist erfindungsgemäß mittels des zum Hochdruck-Rail zusätzlich geschalteten

Volumenspeichers trotzdem gegeben. Dieser Volumenspeicher ist kraftstoffleitend mit dem Hochdruck-Rail verbunden. Der Volumenspeicher reduziert bzw. dämpft die durch die Einspritzung sowie durch die Nachförderung der Hochdruckpumpe induzierten Druckpulsationen im Hochdruckbereich, insbesondere im Hochdruck-Rail. Hierdurch wird die Belastung, die auf das Hochdruck-Rail einwirkt, verringert. Das Hochdruck-Rail kann insbesondere mit einem geringeren Durchmesser gebildet sein, wodurch eine geringere Rail-Belastung durch den Kraftstoff druck auftritt.

Das Hochdruck-Rail kann somit vorteilhafterweise geringere Wandstärken aufweisen oder es können kostengünstige Materialien Einsatz finden, die bei einem größeren Rail-Volumen den Druckbelastungen nicht Stand halten würden. Hierdurch können die Produktionskosten gesenkt werden.

Darüber hinaus wird infolge der Verwendung des erfindungsgemäßen

Volumenspeichers eine geringere Kraftstoffmenge benötigt, um einen gewünschten Systemdruck aufzubauen. Dies führt insbesondere zu schnelleren Druckaufbauzeiten im Startfall.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Kraftstoffeinspritzsystems ist der Volumenspeicher als ein Druckspeicher

gestaltet.

Gemäß dieser Weiterbildung findet ein Druckspeicher Einsatz, der vorzugsweise direkt am Hochdruck-Rail angeschlossen ist. In diesem Druckspeicher wird der Kraftstoff elastisch gespeichert.

Der Druckspeicher kann beispielsweise bei einem rohrförmigen Hochdruck-Rail einen Abschluss an einer der beiden Seiten des Rails ersetzen, das heißt eine seitliche Begrenzung bilden. Die kraftstoffleitende Verbindung zwischen dem Rail und dem Druckspeicher weist bevorzugt eine geringe Drosselwirkung auf, um einen Druckeinbruch im Rail ohne zeitliche Verzögerung kompensieren zu

können. Das heißt, der Druckspeicher stellt dem Rail bei einem Druckeinbruch schnell Kraftstoff zur Verfügung.

Der Druckspeicher ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass das

Speichervolumen hinreichend groß ist, um mindestens eine so genannte

Kaltstarteinspritzmenge an Kraftstoff speichern und bei einem Kaltstart zur

Verfügung stellen zu können. Der Druckspeicher wirkt sowohl bei einer

Kaltstarteinspritzung als auch bei einer geringer dimensionierten Einspritzung sowie bei der Kraftstoffnachförderung mittels der Hochdruckpumpe als

Druckpulsationsdämpfer. Der Druckspeicher kann in einer vorteilhaften Weiterbildung als ein

Kolbenspeicher gestaltet sein. Es können jedoch auch Membranspeicher oder ein Faltenbalg Einsatz finden.

Im Falle eines Kolbenfederspeichers wird die elastische Speicherung des Kraftstoffs mittels einer Feder und im Falle eines Gasmembranspeichers mittels eines Gases erzielt. Gemäß einer alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Kraftstoffeinspritzsystems ist der Volumenspeicher als ein den Kraftstoff aufnehmender Hohlraum gestaltet.

Eine Elastizität bei der Speicherung des Kraftstoffs wird gemäß dieser

Weiterbildung mittels einer Kompressibilität des Kraftstoffs bereitgestellt. Die kraftstoffleitende Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Hochdruck-Rail weist vorzugsweise eine geringe Drosselwirkung auf, so dass ein guter

Kraftstoffaustausch zwischen dem Hohlraum und dem Hochdruck-Rail zur Verfügung gestellt ist.

Das insgesamt zur Verfügung gestellte Volumen, bestehend aus dem

Hochdruck-Rail und dem Hohlraum, entspricht bevorzugt dem Railvolumen eines Hochdruck-Rails gemäß dem Stand der Technik. Durch die geringere

Dimensionierung des Railvolumens werden auf die Wandung des Rails geringere Belastungen einwirken. Das Rail kann daher aus kostengünstigeren Materialen gebildet sein.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist der Volumenspeicher dem Hochdruck- Rail nachgeschaltet.

Vorzugsweise ist ein Druckspeicher dem Hochdruck-Rail nachgeschaltet, und zwar in der Art, dass der Druckspeicher eine Seitenwand des Hochdruck-Rails zumindest teilweise ersetzt. Dabei soll bevorzugt eine geringe Drosselwirkung in einem Übergangsbereich zwischen Hochdruck-Rail und Druckspeicher vorliegen. Gemäß einer noch weiteren Weiterbildung ist der Volumenspeicher in eine Zuleitung zum Hochdruck-Rail geschaltet.

Vorzugsweise ist in die Zuleitung zum Hochdruck-Rail ein den Kraftstoff aufnehmender Hohlraum geschaltet, das heißt dieser Hohlraum ist dem

Hochdruck-Rail vorgeschaltet. Weiterhin kann gemäß dieser Ausführungsform zusätzlich ein Druckspeicher dem Hochdruck-Rail nachgeschaltet sein, das heißt in diesem Fall weist das Kraftstoffeinspritzsystem zwei Volumenspeicher auf, nämlich einen Hohlraum und einen Druckspeicher.

Weiterhin kann vorteilhafterweise einem Volumenspeicher, der in der Zuleitung zum Hochdruck-Rail geschaltet ist, eine Drossel vor- und/oder nachgeschaltet sein.

Vorzugsweise ist gemäß dieser Weiterbildung der Volumenspeicher als ein den Kraftstoff aufnehmender Hohlraum gestaltet. Diesem Hohlraum ist insbesondere eine Drossel vor- und nachgeschaltet. Die dem Hohlraum nachgeschaltete Drossel ist im Eingangsbereich des Hochdruck-Rails angeordnet und weist eine geringe Drosselwirkung auf, wodurch ein guter Kraftstoffaustausch zwischen dem Hohlraum und dem Hochdruck-Rail ermöglicht ist.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist das Kraftstoffeinspritzsystem eine mechanische Hochdruck-Regeleinrichtung im Hochdruckbereich auf.

Im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems ist bevorzugt ein

mechanischer Druckregler, also eine hydromechanische Druckregeleinrichtung, zwischengeschaltet. Ein solcher mechanischer Druckregler ersetzt ein

Mengensteuerventil nach dem Stand der Technik und ist insbesondere kostengünstig in der Beschaffung. Ferner kann gegebenenfalls auf einen Hochdrucksensor verzichtet werden, was weiterhin zu einer Kostenreduzierung führt.

Bei einem Kraftstoffeinspritzsystem mit einer mechanischen Druckregelung und einem wenig variierendem Druckniveau kann ein schneller Druckaufbau im Startfall gewährleistet werden. Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist das mindestens eine Hochdruck- Einspritzventil elektronisch ansteuerbar gestaltet.

Gemäß dieser Weiterbildung ist die Einspritzung elektronisch gesteuert und ist vorzugsweise mit einer mechanischen Druckregelung kombiniert. Die

Ansteuerung der Einspritzventile erfolgt insbesondere mit Hilfe eines modellierten Drucks, der ohne Hochdrucksensor berechnet wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe ist ferner mittels einer Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems zum direkten

Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors gelöst, wobei entsprechende Vorteile, wie sie oben genannt sind, erzielt werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaubild eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Schaubild eines ersten Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems,

Fig. 3 den vergrößerten Ausschnitt III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, und

Fig. 5 ein Diagramm, das den Druckverlauf unter Änderung der

Kraftstoffmenge im Hochdruck-Rail gemäß des erfindungsgemäßen

Kraftstoffeinspritzsystems sowie gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht.

In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 eines Ottomotors 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. In der Leitung 16 ist ein Filter 18 zwischengeschaltet. Die Leitung 16 dient als Zuleitung zu 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.

In der Leitung 16, die zum Hochdruckbereich 20 führt, ist eine Hochdruckpumpe 24 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 als rohrförmige Druckkammer bzw. als so genanntes Hochdruck-Rail 25 gestaltet ist, an vier Hochdruck-Einspritzventilen 26 direkt in (nicht dargestellte) Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt. Dies wird auch als Direkteinspritzung bezeichnet (direct injection, DI). In die Leitung 16, im Eingangsbereich zum Hochdruck-Rail 25, ist eine Drossel 27 geschaltet.

Die Hochdruckpumpe 24 in der Leitung 16 ist mit einer Zylinder-Kolben- Anordnung, also als eine Kolbenpumpe mit diskontinuierlicher Förderung, gestaltet, die mechanisch über eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird.

Der Hochdruckpumpe 24 sind in Hauptströmungsrichtung ein

Mengensteuerventil 28 und ein Niederdruckdämpfer 30 vorgelagert sowie ein Druckbegrenzungsventil 32 und ein dazu parallel geschaltetes Rückschlagventil 34 nachgelagert. Das Mengensteuerventil 28 dient dazu, den Druck im

Hochdruckbereich 20 zu regeln. Insbesondere wird dabei der von der

Hochdruckpumpe 24 angesaugte Kraftstoff geregelt.

Zusammen mit einem mittels eines elektrischen Hochdrucksensors 36 gemessenen Druck im Hochdruck-Rail 25 regelt ein Motor-Steuergerät 38 den Druck des Kraftstoffs auf ein gewünschtes Niveau. Hierzu wird in Abhängigkeit des im Hochdruck-Rail 25 vorliegenden Drucks das Mengensteuerventil 28 über das Motor-Steuergerät 38 elektrisch angesteuert. Über das Mengensteuerventil 28 wird sodann die Fördermenge der Hochdruckpumpe 24 gesteuert. Die Ansteuerung der Hochdruck-Einspritzventile 26 erfolgt ebenfalls auf Basis eines ermittelten Hochdrucksignals.

Der für die Einspritzung und die Kraftstoff-Gemischaufbereitung relevante Druck im Hochdruck-Rail 25 unterliegt systembedingt Druckschwankungen. Zum einen führt jede Einspritzung zu einem Druckeinbruch und die Nachförderung an Kraftstoff mittels der Hochdruckpumpe 24 regt Druckschwingungen an. Daher ist das Volumen des Hochdruck-Rails 25 hinreichend groß dimensioniert, dass nicht zu starke Druckschwankungen auftreten. Das Volumen des Hochdruck-Rails 25 dient als Dämpfer bzw. Speicher.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem 10 gemäß Fig. 1. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem 10 weist eine hydromechanische Druckregelung auf, das heißt, an die Hochdruckpumpe 24 ist eine mechanische Hochdruck-Regeleinrichtung 40 gekoppelt. Aufgrund der Verwendung einer hydromechanischen Druckregelung kann der Hochdrucksensor 36, das Mengensteuerventil 28 sowie entsprechende

Endstufen des Motor-Steuergeräts 38 entfallen, wodurch Produktionskosten gesenkt werden. Die Hochdruck-Einspritzventile 26 sind elektrisch gesteuert. Die Ansteuerung der Hochdruck-Einspritzventile 26 wird mit Hilfe eines modellierten Drucks - ohne Verwendung von Hochdrucksensoren 36 - berechnet.

In den Hochdruckbereich 20, außerhalb des Hochdruck-Rails 25, ist ein

Volumenspeicher 42 geschaltet (vgl. auch Fig. 3). Dieser Volumenspeicher 42 ist als ein Druckspeicher, vorliegend in Form eines Kolbenspeichers, gestaltet und stellt für das Hochdruck-Rail 25 ein zusätzliches Kraftstoff-Aufnahmevolumen zur Verfügung. Das Hochdruck-Rail 25 weist ein geringeres Rail-Volumen auf als ein vergleichbares

Hochdruck-Rail 25 gemäß Fig. 1.

Der Druckspeicher 42 ist am Hochdruck-Rail 25 angekoppelt, das heißt diesem nachgeschaltet, und bildet einen Abschluss des einen Rail-Endes 44. Die

kraftstoffleitende Verbindung 46 zwischen dem Hochdruck-Rail 25 und dem

Druckspeicher 42 weist lediglich eine geringe Drosselwirkung auf, so dass ein

Druckeinbruch im Hochdruck-Rail 25 schnell durch ein Nachfördern von Kraftstoff aus dem Druckspeicher 42 kompensiert werden kann. Das Speichervolumen des

Druckspeichers 42 ist hinreichend groß dimensioniert, dass mindestens eine

Kaltstarteinspritzmenge an Kraftstoff eingelagert werden kann.

Der Druckspeicher 42 dient dazu, Kraftstoff elastisch zu speichern. Diese elastische Speicherung wird durch eine durch ein Ein- und Ausströmen des Kraftstoffs elastisch verschiebbare Kolben-Feder-Anordnung 47 zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise können Druckpulsationen, die insbesondere im Hochdruck-Rail 25 auftreten, gedämpft werden, wodurch das Hochdruck-Rail 25 weniger belastet wird. Weiterhin treten geringere Druckbelastungen aufgrund eines kleineren Durchmessers des Hochdruck- Rails 25 auf.

Infolge der reduzierten Druckschwankungen innerhalb des Rails 25 ist dieses mit einer geringeren Wandstärke gebildet oder besteht aus einem kostengünstigen Material, das bei herkömmlichen Rails mit größeren Dimensionen den Druckschwankungen nicht Stand halten würde.

In Fig. 4 ist der Volumenspeicher 42 als ein den Kraftstoff aufnehmender Hohlraum 42 gestaltet. Die Elastizität bei der Speicherung des Kraftstoffs wird hier über die

Kompressibilität des Kraftstoffs bereitgestellt.

Der Hohlraum ist in der Leitung 16, das heißt in der Zuleitung zum Hochdruck-Rail 25 in dessen Eingangsbereich geschaltet. Dem Hohlraum sind eine erste Drossel 48 vor- und eine zweite Drossel 27 nachgeschaltet. Die zweite Drossel 27 weist eine geringe Drosselwirkung auf, so dass ein guter, das heißt schneller Kraftstofffluss zwischen dem Hohlraum und dem Hochdruck-Rail 25 gewährleistet ist. Das Gesamtvolumen, bestehend aus dem Volumen des Hohlraums und dem des Hochdruck-Rails 25, entspricht dem Rail-Volumen eines herkömmlichen Hochdruck-Rails 25. Somit weist das Hochdruck-Rail gemäß Fig. 4 eine geringere Dimension auf als das Hochdruck- Rail 25 gemäß Fig. 1. Es ist mit einer geringeren Wandstärke und/oder aus

kostengünstigeren Materialien gefertigt.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit zwei Achsen, wobei auf der vertikalen y-Achse ein im Hochdruck-Rail 25 vorliegender Kraftstoffdruck und auf der horizontalen x-Achse ein Kraftstoffmengenzuwachs im Hochdruck-Rail 25 aufgetragen ist.

Eine erste Linie 50 bezieht sich auf ein Hochdruck-Rail 25 gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 und eine zweite Linie 52 auf ein Hochdruck-Rail 25 mit einem zugeschalteten Druckspeicher 42.

Bei einem Hochdruck-Rail 25 gemäß dem Stand der Technik (vgl. Linie 50) legen das Rail-Volumen und die Kompressibilität des Kraftstoffs die Abhängigkeit des Drucks von der Kraftstoffmenge im Rail fest. Die Linie 50 ist (vereinfacht) eine Gerade mit einer bestimmten Steigung. Ein kleineres Rail-Volumen mit einem zugeschalteten Druckspeicher 42 führen gemäß Linie 52 zu einer zunächst steiler verlaufenden Geraden (vereinfacht) (vgl. erster Abschnitt 54 der Linie 52). Bei einer Überschreitung eines bestimmten Druckniveaus, welches mittels einer Rückstellkraft einer in dem Druckspeicher 42 eingebauten Rückstellfeder bzw. eines in dem Druckspeicher 42 eingeschlossenen Gasvolumens festgelegt ist, knickt die Linie 52 ab und verläuft flacher als die Linie 50 gemäß dem Stand der Technik (vgl. zweiter Abschnitt 56 der Linie 52). Die Steigung der Geraden wird ab diesem bestimmten Druckniveau im Wesentlichen durch eine Auslegung des Druckspeichers 42 bestimmt und nur in einem geringen Maß durch das Rail-Volumen und die Kompressibilität des Kraftstoffs.

Ausgehend von einem Druckwert 58, der sich im Bereich des zweiten Abschnitts 56 der Linie 52 befindet, ist ein Druckabfall 60 infolge einer Einspritzung einer bestimmten Kraftstoffmenge im Falle eines kleineren Hochdruck-Rails 25 mit einem zugeschalteten Druckspeicher 42 geringer (vgl. Linie 52) als ein Druckabfall 62 gemäß Linie 50. Dies führt zu geringeren Druckpulsationen und einer reduzierten Belastung des Hochdruck- Rails 25. Gleichzeitig wird gemäß Abschnitt 56 der Linie 52 eine geringere

Kraftstoffmenge benötigt, um wieder einen bestimmten Systemdruck aufzubauen.

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.