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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen,
bestehend aus einem Niederdruck- und einem Hochdruckbereich, wobei
die dem Mengenbedarf der Brennkraftmaschine angepasste Kraftstoffmenge
niederdruckseitig geregelt wird, indem der Kraftstoff im Niederdruckbereich mit
einer Kraftstoffpumpe aus dem Kraftstoffbehälter gefördert und über einen Vorlaufkreislauf
zur Saugseite einer Hochdruckpumpe geführt wird und wobei überschüssiger Kraftstoff über eine
Rücklaufleitung zurück zum Kraftstoffbehälter strömt.
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Brennkraftmaschinen
mit Speichereinspritzsystemen sind in verschiedenartigen Ausführungen bekannt.
So beschreibt
DE 699
06 459 T2 ein Einspritzspeichersystem für Dieselmotoren mit einem ersten
Druckspeicher zum Speichern von Niederdruckkraftstoff und einem
zweiten Druckspeicher zum Speichern von Hochdruckkraftstoff. Die
beiden Druckspeicher stehen mit einer, unmittelbar dem Kraftstoffbehälter nachgeschalteten
Hochdruckpumpe in Wirkverbindung. Sobald der Zeitpunkt für den Einspritzstart
erreicht ist, wird zunächst
nur Niederdruckkraftstoff an die Einspritzdüse abgegeben. Nach Ablauf einer
vorbestimmten Zeitdauer nach Beginn dieser Niederdruckeinspritzung
wird ein Umschaltventil betätigt.
Nun wird Hochdruckkraftstoff an die Einspritzdüse abgegeben und mit einer
Einspritzrate eingespritzt, die höher ist als jene der Niederdruckeinspritzung. Überschüssiger Kraftstoff
kann über
eine Rücklaufleitung
zurück
zum Kraftstoffbehälter
geführt
werden. Die Kombination von Niederdruck- und Hochdruckeinspritzung
soll die Schadstoffemission und das Verbrennungsgeräusch reduzieren.
Problematisch ist jedoch, dass das Anheben des Kraftstoffdruckes – der üblicherweise
von wenigen bar auf das mehr als Hundertfache erhöht werden
muss – ausschließlich hochdruckseitig
erfolgt. Dies bewirkt sowohl einen erheblichen Energieaufwand als
auch eine starke mechanische Belastung der hierbei beaufschlagten
Baugruppen.
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Bei
Common-Rail-Einspritzsystemen ist das Kraftstoffsystem in einen
Niederdruck- und einen Hochdruckbereich unterteilt. Im Niederdruckbereich wird
der Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter mit einer Förderpumpe über einen
Kraftstofffilter zur Zahnradpumpe gefördert, welche den Kraftstoff
für die Hochdruckpumpe
bereitstellt. Im Hochdruckbereich wird mittels der Hochdruckpumpe
ein vom Steuergerät über Drucksensoren
und Druckregler geregelter Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher
(common rail) aufgebaut. Die Hochdruckpumpe sollte zur Vermeidung
von unnötigem
Energieverbrauch und unnötiger
Bauteilbelastung nur soviel Kraftstoff fördern, wie für den Betrieb
der Brennkraftmaschine im jeweils aktuellen Betriebspunkt tatsächlich notwendig
ist.
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Eine
diesbezügliche
technische Lösung
ist Gegenstand von
DE
44 01 083 A1 , die eine Kraftstoffeinspritzanlage in Common-Rail-Bauweise
betrifft mit einer Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter über eine
Niederdruckleitung zu einer Hochdruckpumpe fördert. Überschüssig geförderter Kraftstoff fließt über eine,
die Kraftstoffpumpe als Bypass umgehende Leitung zurück zum Kraftstoffbehälter. Hierbei
wird die in allen Lastbereichen dem Mengenbedarf der Brennkraftmaschine
angepasste Kraftstoffmenge niederdruckseitig geregelt und nicht
auf der ohnehin hoch beanspruchten Hochdruckseite. Von der Hochdruckseite
wird also lediglich der wirkliche Mengenbedarf aufgenommen und in
den Hochdruckspeicher geleitet. Ein derartiges Verfahren ist zweifelsfrei
vorteilhaft, weil sowohl Energieverluste als auch Bauteilbeanspruchungen
vermindert werden. Der Niederdruckleitung kann zwischen Kraftstoffpumpe
und Hochdruckpumpe ein Niederdruckspeicher oder ein Dämpfungsglied
zugeordnet werden, wobei die Druckschrift diesbezüglich jedoch
keine weiteren Angaben enthält.
Allerdings ist offensichtlich, dass diese Baugruppen primär als Schwingungsdämpfer konzipiert
sind und nicht als Kraftstoffvorrat. Demzufolge ist es fragwürdig, ob
mit den vorgeschlagenen Bauteilen tatsächlich in jedem Betriebspunkt
eine ausreichende Kraftstoffmenge für die Hochdruckpumpe bereitgestellt
werden kann.
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Im
Niederdruckkreislauf für
ein Speichereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine gemäß
DE 102 61 780 A1 wird
der Kraftstoff von einer Niederdruckpumpe über einen Filter aus dem Kraftstoffbehälter angesaugt.
Als Niederdruckpumpe ist eine kontinuierlich von der Brennkraftmaschine
angetriebene Zahnradpumpe geeignet. Ebenso kann anstelle einer solchen
Pumpe eine Elektrokraftstoffpumpe verwendet werden. Somit ist ein
Betrieb und folglich ein Druckaufbau bereits vor dem Motorstart
möglich. Unabhängig von
der Verwendung einer Niederdruckpumpe oder einer Elektrokraftstoffpumpe
wird die Kraftstoffmenge nach dem Passieren derselben an mehreren
Verzweigungen aufgeteilt, wobei eine Teilmenge über eine Zumesseinheit zum
Saugraum der Hochdruckpumpe gefördert
wird. Hingegen wird überschüssig geförderter
Kraftstoff über
einen Rücklauf
zurück
zum Kraftstoffbehälter
geführt.
Die Zumesseinheit wird von einem Steuergerät so angesteuert, dass lediglich
eine jeweils bedarfsabhängige Kraftstoffmenge
zur Hochdruckpumpe gelangt. Folglich wird von der Hochdruckpumpe
nur soviel Kraftstoff gefördert,
wie für
die Brennkraftmaschine im jeweils konkreten Betriebspunkt tatsächlich erforderlich
ist. Hierfür
ist allerdings ein erheblicher gerät- und verfahrenstechnischer Aufwand notwendig,
z.B. ist eine Aufspaltung der geförderten Kraftstoffmenge in
bis zu sieben Kraftstoffteilströme
vorgesehen.
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Aus
DE 100 26 373 A1 ist
eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanlage bekannt, die einen Kraftstoffbehälter, einen
mit diesem verbundenen Vorlaufkreislauf mit Vorlaufpumpe und eine
mit dem Vorlaufkreislauf verbundene Hochdruckpumpe aufweist. Zwischen
der Hochdruckpumpe und dem Vorlaufkreislauf ist ein zusätzlicher
Durchlaufbehälter angeordnet,
der vom Vorlaufkreislauf durchströmt und als Kraftstoffreservoir
für die
Hochdruckpumpe wirksam wird. Überschüssiger Kraftstoff
im Durchlaufbehälter
wird über
eine Rücklaufleitung
zurück zum
Kraftstoffbehälter
geführt.
Diese technische Lösung
hat sich grundsätzlich
bewährt,
um an der Saugseite der Hochdruckpumpe einen Vorlaufdruck innerhalb
eines relativ schmalen Druckfensters zu gewährleisten. Lediglich bei extremer
Kälte können Blasen
im Kraftstoff auftreten, die eventuell das Start- und Emissionsverhalten
der Brennkraftmaschine beeinträchtigen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Niederdruckbereich einer Kraftstoffeinspritzanlage
so zu gestalten, dass in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
blasenfreier Kraftstoff innerhalb eines vorgegebenen Druckfensters
an der Hochdruckpumpe verfügbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
indem im Niederdruckbereich zwischen der Vorlaufleitung und der Rücklaufleitung
eine Drosselverbindung ausgestaltet ist, die als definierte Absteuerleitung
zur Druckhaltung wirksam wird. Im weiteren Strömungsweg der Vorlaufleitung
ist ein Speicherbehälter
angeordnet. Eine gedrosselte Entlüftungsleitung im Speicherbehälter bewirkt
einen leichten Überdruck
vor der Hochdruckpumpe und sorgt gleichzeitig dafür, dass
weniger Kraftstoff durch den Kraftstofffilter fließt. Somit wird
mit einem einfachen und funktionsoptimalen Aufbau ein entlüftetes Niederdrucksystem
geschaffen, mit dem innerhalb eines vorgegebenen Druckfensters in
jedem Betriebspunkt blasenfreier Kraftstoff mit Konstantdruck an
der Saugseite der Hochdruckpumpe verfügbar ist.
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Der
Durchfluss durch den Filter wird ferner verringert, indem der Rücklauf von
der Hochdruckpumpe direkt in den Vorlauf zurückgeführt wird. Damit wird erreicht,
dass auch bei extremer Kälte
die Heizleistung im Filter ausreicht, um ein Versulzen des Kraftstoffes
zu verhindern. Schließlich
kann die vorliegende Konstruktion durch Ausgestaltung einer weiteren
Drosselverbindung zwischen der Vorlaufleitung und der Rücklaufleitung
und Zuordnung von Wechselschaltventilen für einen Betrieb mit alternativen
Kraftstoffen, insbesondere für
Biodiesel modifiziert werden. Diesbezügliche sowie weitere Ausgestaltungen
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche
und werden im Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
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2 die
in 1 dargestellte Ausführung mit zusätzlichen
Bauteilen für
den Betrieb mit Alternativkraftstoffen
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In 1 ist
eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen
dargestellt, die aus einem Niederdruck- und einem Hochdruckbereich
besteht. Die Strömungsrichtungen
in den Bauteilen der Einspritzanlage sind jeweils mit Pfeilen stilisiert.
Im Niederdruckbereich, der als Vorlaufkreislauf ausgestaltet ist,
wird der Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 1 mit einer Kraftstoffpumpe 2 gefördert. Die
Kraftstoffpumpe 2 ist vorzugsweise eine elektrische Pumpe und
innerhalb des Kraftstoffbehälters 1 angeordnet. Das
Fördervolumen
der Kraftstoffpumpe 2 wird üblicherweise durch deren fest
eingestellten Absteuerdruck begrenzt, vorzugsweise ca. 0,5 bar bis
0,6 bar. Über
eine Vorlaufleitung 3 wird der Kraftstoff zur Saugseite
einer Hochdruckpumpe 4 geführt. Überschüssiger Kraftstoff kann über eine
Rücklaufleitung 5 zurück zum Kraftstoffbehälter 1 strömen.
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Zwischen
der Vorlaufleitung 3 und der Rücklaufleitung 5 ist
eine erste Drosselverbindung 6 ausgestaltet. Im weiteren
Strömungsweg
der Vorlaufleitung 3 sind ein Kraftstofffilter 7 und
ein Speicherbehälter 8 angeordnet.
Der Kraftstofffilter 7 ist mit einer elektrischen Heizung
ausgestattet. Somit wird ein Zusetzen durch auskristallisierende
Paraffinpartikel bei niedrigen Außentemperaturen vermieden.
Der Speicherbehälter 8 weist
einen Entlüftungsanschluss auf,
der z.B. als gedrosselte Entlüftungsleitung 9 ausgestaltet
ist. Der Speicherbehälter 8 sollte
oberhalb der Hochdruckpumpe 4 installiert werden.
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Überschüssiger Kraftstoff
wird von den (nicht näher
dargestellten) Injektoren der Brennkraftmaschine 10 über eine
Leitung 11 in die Rücklaufleitung 5 geführt, in
deren Strömungsweg
ein Rückschlagventil 12 vorgesehen
ist. Der Kraftstoffrücklauf 13 von der
Hochdruckpumpe 4 mündet
hingegen direkt in die Vorlaufleitung 3.
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Bei
der Ausführung
gemäß 2 sind
sämtliche
Bauteile vorhanden, die auch in 1 dargestellt
sind. Zusätzlich
sind weitere Bauteile vorgesehen, mit denen die vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzanlage
für Alternativkraftstoffe
modifiziert werden kann. Hierfür
ist im Strömungsweg
nach dem Kraftstofffilter 7 zwischen der Vorlaufleitung 3 und
der Rücklaufleitung 5 eine
weitere Drosselverbindung 14 ausgestaltet. Weiterhin ist
der ersten Drosselverbindung 6 ein erstes Wechselschaltventil 15 und
der zweiten Drosselverbindung 14 ein zweites Wechselschaltventil 16 zugeordnet.
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Bei
Normalbetrieb, d.h., bei Nutzung von üblichem Dieselkraftstoff, ist
das Wechselschaltventil 15 offen und das Wechselschaltventil 16 geschlossen.
Somit wird relativ wenig Kraftstoff durch den Kraftstofffilter 7 gedrückt. Dies
hat im Winterbetrieb den Vorteil, dass die Heizleistung des beheizten Kraftstofffilters 7 ausreicht,
um den Kraftstoff innerhalb des Filters immer flüssig zu halten.
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Sofern
diese Kraftstoffeinspritzanlage für den Betrieb mit Biodiesel
genutzt werden soll, wird das Wechselschaltventil 15 geschlossen
und das Wechselschaltventil 16 geöffnet. Folglich wird der gesamte
Kraftstoff, den die als Vorförderpumpe
wirkende Kraftstoffpumpe 2 tiefem kann, durch den Kraftstofffilter 7 gedrückt. Dies
hat den Vorteil, dass bei Biodieselbetrieb keine unerwarteten Betriebsstörungen vor
Ablauf der festgelegten Filterwechselintervalle auftreten. Bekanntlich
unterscheiden sich die Wechselintervalle in Abhängigkeit des Kraftstoffs erheblich.
Während
beispielsweise für
Normaldiesel 90.000 km Fahrstrecke üblich sind, ist bei Biodiesel aufgrund
eines höheren
Verschmutzungsgrades und einer höheren
Viskosität
ein Filterwechsel bereits nach 30.000 km sinnvoll.
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- 1
- Kraftstoffbehälter
- 2
- Kraftstoffpumpe
- 3
- Vorlaufleitung
- 4
- Hochdruckpumpe
- 5
- Rücklaufleitung
- 6
- erste
Drosselverbindung
- 7
- Kraftstofffilter
- 8
- Speicherbehälter
- 9
- Entlüftungsleitung
mit Drossel
- 10
- Brennkraftmaschine
- 11
- Rücklaufleitung
(von den Injektoren)
- 12
- Rückschlagventil
- 13
- Kraftstoffrücklauf (von
Hochdruckpumpe)
- 14
- zweite
Drosselverbindung
- 15
- Wechselschaltventil
(in erster Drosselverbindung)
- 16
- Wechselschaltventil
(in zweiter Drosselverbindung)