DE102004027507A1

DE102004027507A1 - Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102004027507A1
Application number: DE102004027507A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Scheurer; Roger Busch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-22
Also published as: CN1961145A; WO2005119048A1; CN100467856C; JP2008501086A; US7574994B2; US20080149069A1; EP1756416A1

Abstract

Krafteinspritzsystem mit einem Hochdruckspeicher (10), in dem Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden kann, wobei wenigstens ein Einspritzventil (12) mit dem Hochdruckspeicher (10) verbindbar ist, über das der im Hochdruckspeicher (1) befindliche Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Eine Hochdruckpumpe (5) saugt Kraftstoff aus einem Leckölbereich (1), verdichtet diesen und führt ihn dem Hochdruckspeicher (10) zu, so dass dort bei Betrieb der Hochdruckpumpe (5) ein hoher Kraftstoffdruck aufgebaut wird. Zwischen dem Leckölbereich (1) und dem Hochdruckspeicher (10) ist eine Rücklaufleitung (22) mit einem Regelventil (20; 24; 24') ausgebildet, wobei das Regelventil (20; 24; 24') bei abgeschalteter Hochdruckpumpe (5) einen Kraftstofffluss vom Leckölbereich (1) in den Hochdruckspeicher (10) ermöglicht (Figur 1).

Description

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzsystem aus, wie es beispielsweise aus der Schrift DE 100 60 812 A1 bekannt ist und wie es vorzugsweise für Brennkraftmaschinen verwendet wird. Ein solches Kraftstoffeinspritzsystem weist einen Hochdruckspeicher auf in dem Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden kann. Mit dem Hochdruckspeicher ist wenigstens ein Einspritzventil verbunden, über das der im Hochdruckspeicher unter hohem Druck vorhandene Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Zur Erzeugung des Hochdrucks im Hochdruckspeicher ist eine Hochdruckpumpe vorhanden, die Kraftstoff aus einem Leckölbereich ansaugt und verdichtet dem Hochdruckspeicher zuführt. Beim Betrieb der Hochdruckpumpe wird also im Hochdruckspeicher ein Kraftstoffdruck aufgebaut, der für eine fein zerstäubte Kraftstoffeinspritzung notwendig ist.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine erwärmt sich der Kraftstoff im Hochdruckspeicher, so dass dort Temperaturen von über 50 °C herrschen können. Nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine wird auch die Hochdruckpumpe stillgelegt, so dass der im Hochdruckspeicher verbleibende Kraftstoff dort mit der Zeit abkühlt, bis er Umgebungstemperatur angenommen hat. Dadurch schrumpft der Kraftstoff im Hochdruckspeicher, was in etwa 1 % pro 10 °C ausmacht. Der Druck im Hochdruckspeicher sinkt entsprechend ab, bis das Volumen des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher kleiner ist als das Volumen des Hochdruckspeichers selbst. Dadurch kommt es zum Ausgasen von Luft aus dem Kraftstoff, und diese Luft füllt das freiwerdende Volumen im Hochdruckspeicher aus. Beim Neustart der Brennkraftmaschine muss die Luft durch die Hochdruckpumpe erst komprimiert werden, bevor der gewünschte hohe Kraftstoffdruck aufgebaut werden kann. Dieser Effekt macht sich durch einen verzögerten Druckaufbau bemerkbar, der bis zu zwei Sekunden betragen kann und damit für den Benutzer der Brennkraftmaschine, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug betrieben wird, deutlich merkbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf dass der Druckaufbau in einem Kraftstoffeinspritzsystem, das nach dem sogenannten Common-Rail-Prinzip arbeitet, ohne merkliche Verzögerung geschieht. Hierzu ist eine Rucklaufleitung zwischen dem Leckölbereich und dem Hochdruckspeicher ausgebildet, in der ein Regelventil ausgebildet ist. Das Regelventil arbeitet hierbei so, dass bei abgeschalteter Hochdruckpumpe Kraftstoff vom Leckölbereich in den Hochdruckspeicher fließen kann. Kühlt sich der Kraftstoff im Hochdruckspeicher nunmehr ab, so wird der durch die Schrumpfung des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher entstehende Hohlraum durch nachfließenden Kraftstoff aus dem Leckölbereich aufgefüllt, so dass der Hochdruckspeicher stets vollständig mit Kraftstoff gefüllt bleibt. Beim Wiederanlaufen der Brennkraftmaschine und damit anlaufender Hochdruckpumpe muss somit keine Luft komprimiert werden, sodass der Druck im Hochdruckspeicher sehr rasch ansteigt und für die Kraftstoffeinspritzung zur Verfügung steht.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist das Regelventil als Rückschlagventil ausgebildet, wobei das Ruckschlagventil die Kraftstoffleitung nur dann öffnet, wenn der Druck im Hochdruckspeicher kleiner oder gleich dem Druck im Leckölraum ist. Dadurch ist sichergestellt, dass aus dem Hochdruckspeicher kein Krafstoffdruck entweicht, solange die Brennkraftmaschine im Betrieb ist. Beim Abkühlen des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher bildet sich ein Unterdruck, durch den Kraftstoff aus dem Leckölbereich in den Hochdruckspeicher gesaugt wird, sodass dieser stets vollständig mit Kraftstoff gefüllt bleibt. Die Rucklaufleitung kann hierbei eine separate Leitung sein, die direkt vom Hochdruckspeicher in den Leckölraum führt. Es ist aber auch möglich, die Rücklaufleitung parallel zur Hochdruckpumpe vorzusehen, sodass die Ansauglei tung, über die die Hochdruckpumpe Kraftstoff aus dem Leckölbereich ansaugt, und die Hochdruckleitung, über die Kraftstoff unter hohem Druck dem Hochdruckspeicher zugeführt wird, direkt über die Rücklaufleitung miteinander verbunden sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist das Regelventil schaltbar ausgestaltet, wobei das Regelventil offen geschaltet wird, wenn die Hochdruckpumpe nicht arbeitet. Dadurch ist ein Kraftstofffluss sowohl vom Hochdruckspeicher in den Leckölraum, als auch vom Leckölraum mit den Hochdruckspeicher möglich. Dies führt zu einem raschen Druckausgleich zwischen Hochdruckspeicher und Leckölraum. Beim Abkühlen des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher bleibt dieser auch hier stets vollständig mit Kraftstoff gefüllt, wie oben bereits dargestellt. Das schaltbaren Regelventil dient beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine dazu, als Druckhalteventil den Druck im Hochdruckspeicher auf einem konstanten Wert zu halten, indem beim Überschreiten eines Solldrucks im Hochdruckspeicher Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher abgeleitet und über das Druckhalteventil dem Leckölbereich zugeführt wird.

Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung dargestellt. Es zeigt
1 die schematische Darstellung einer Einspritzvorrichtung,
2a in ebenfalls schematischer Darstellung den Hochdruckspeicher ohne Rückführung von Kraftstoff bei ausgeschalteter Hochdruckpumpe,
2b den zeitlichen Verlauf von Druck und Drehzahl der Brennkraftmaschine für diesen Fall,
3a und 3b zeigen in derselben Ansicht wie 2a bzw. 2b den Fall, bei dem der Hochdruckspeicher stets kraftstoffgefüllt ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem schematisch dargestellt, das mit einem so genannten Common-Rail-System arbeitet. In einem Leckölbereich 1 ist Kraftstoff bei Umgebungsdruck vorhanden, wobei der Leckölbereich 1 bei einem Fahrzeug üblicherweise dem Kraftstofftank entspricht. Vom Leckölbereich 1 führt eine Ansaugleitung 3 zu einer Hochdruckpumpe 5, in der Kraftstoff unter hohem Druck erzeugt werden kann. Der verdichtete und unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird durch die Hochdruckpumpe 5 über eine Hochdruckleitung 7 einem Hochdruckspeicher 10 zugeführt, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck vorgehalten werden kann. Mit dem Hochdruckspeicher 10 sind mehrere Kraftstoffeinspritzventile 12 verbunden, über die der Kraftstoff, der im Hochdruckspeicher 10 unter hohem Druck vorgehalten wird, in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Über entsprechende Regelvorrichtungen in der Hochdruckpumpe 5 ist im allgemeinen vorgesehen, dass nur so viel Kraftstoff dem Hochdruckspeicher 10 zugeführt wird, wie aus diesem zur Kraftstoffeinspritzung entnommen wird. Falls im Hochdruckspeicher 10 trotzdem ein zu hoher Druck entsteht, ist zur Begrenzung des Drucks ein Druckregelventil 20 vorgesehen, das in einer Absteuerleitung 15 vorgesehen ist, die den Hochdruckspeicher 10 mit dem Leckölbereich 1 verbindet. Das Druckregelventil 20 wird bei Überschreiten eines gewünschten Solldrucks im Hochdruckspeicher 10 geöffnet, so dass Kraftstoff in den Leckölbereich 1 abfließt und den Druck im Hochdruckspeicher 10 mindert. Wird der Solldruck wieder unterschritten, schließt das Druckregelventil 20 die Absteuerleitung 15 und stoppt so den weiteren Druckabfall.
In 2 ist schematisch der Hochdruckspeicher 10 dargestellt und die hydraulischen Verhältnisse, die sich dort bei der Abkühlung des Hochdruckdruckspeichers 10 bei den bisher bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen ergeben. Der Hochdruckspeicher 10 wird über die Hochdruckpumpe 5 mit Kraftstoff unter hohem Druck gefüllt. Nach Abschalten der Brennkraftmaschine fördert auch die Hochdruckpumpe 5 keinen Kraftstoff mehr in den Hochdruckspeicher 10. In 2 ist ein Ausgleichbehälter 30 vorgesehen, der mit dem Hochdruckspeicher 10 verbunden ist und dessen Verbindung mit dem Hochdruckspeicher 10 durch ein Ventil 27 unterbrochen werden kann. Ist das Ventil 27 nach Abschalten der Brennkraftmaschine geschlossen, so kann aus dem Ausgleichbehälter 30 kein Kraftstoff in den Hochdruckspeicher 10 nachfließenden. Durch das Abkühlen des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher 10 bildet sich damit ein Hohlraum, der mit aus dem Kraftstoff ausgasender Luft gefüllt wird und eine Luftblase 32 bildet. Beim Wiedereinschalten der Brennkraftmaschine und damit auch der Hochdruckpumpe 5 wird der Kraftstoff im Hochdruckspeicher 10 komprimiert. Durch die im Vergleich zum Kraftstoff hochkompressible Luftblase 32 verzögert sich jedoch der Druckaufbau im Hochdruckspeicher 10, wie in 2b dargestellt, die den Verlauf von Druck p und Drehzahl N einer Brennkraftmaschinen beim Wiedereinschalten zeigt. Zum Zeitpunkt t₀ wird die Hochdruckpumpe 15 in Betrieb gesetzt, wodurch die Drehzahl N der Brennkraftmaschine relativ rasch einen ersten Wert erreicht. Durch die Kompression der Luftblase 32 im Hochdruckspeicher 10 erfolgt der Druckaufbau erst mit einer Verzögerung Δt, die bei Pkw-Applikationen bis zu zwei Sekunden betragen kann, je nach Hochdruckvolumen, Förderleistung und Temperaturdifferenz. Wenn der Druck dem Hochdruckspeicher 10 einem gewissen Wert erreicht hat, sind höhere Drehzahlen der Brennkraftmaschine möglich.
3a zeigt dasselbe System wie 2a, jedoch bleibt hier das Ventil 27 nach dem Abschalten der Hochdruckpumpe 5 offen. Dadurch kann aus dem Ausgleichbehälter 30 Kraftstoff in den Hochdruckspeicher 10 nachfließenden, sodass der Hochdruckspeicher 10 stets mit Kraftstoff gefüllt bleibt. Beim Neustart der Brennkraftmaschine wird die Hochdruckpumpe 15 in Betrieb gesetzt, wobei das Ventil 27 geschlossen wird. Da Kraftstoff weitgehend inkompressibel ist, baut sich hier rasch ein hoher Druck im Hochdruckspeicher 10 auf. Entsprechend zeigt 3b, dass der Druck unmittelbar ab dem Zeitpunkt t₀ ansteigt und die Drehzahl N der Brennkraftmaschine bereits zu einem früheren Zeitpunkt einen höheren Wert annimmt. Das Fahrzeug kann somit ohne Verzögerung durch Komprimieren der Luftblasen im Hochdruckspeicher 10 in Gang gesetzt werden.
Der Ausgleichsbehälter 30 der 2a und 3a entspricht bei einer Brennkraftmaschine nach 1 dem Leckölbereich 1.
Zur technischen Realisierung sind in 1 verschiedene Möglichkeiten gezeigt. Zum einen kann eine Rücklaufleitung 22 vorgesehen sein, die vom Hochdruckspeicher 10 direkt in den Leckölbereich 1 führt. In der Rücklaufleitung 22 ist ein als Rückschlagventil ausgebildetes Regelventil 24 angeordnet, das einen Kraftstofffluss nur in Richtung des Hochdruckspeichers 10 ermöglicht. Sinkt der Druck im Hochdruckspeicher 10 durch Abkühlen des Kraftstoffs unter den Druck im Leckölbereich, d. h. unter den Umgebungsdruck, so wird Kraftstoff aus dem Leckölbereich 1 über das Rückschlagventil 24 und die Rücklaufleitung 22 in den Hochdruckspeicher 10 eingefüllt, sodass dieser stets vollständig mit Kraftstoff gefüllt bleibt.
In gleicher Weise arbeitet die Rücklaufleitung 22', die parallel zur Hochdruckpumpe 15 ausgebildet ist. In dieser Rücklaufleitung 22' ist ebenfalls ein Rückschlagventil 24' ausgebildet, das einen Kraftstofffluss nur in Richtung des Hochdruckspeichers 10 erlaubt. Die Rücklaufleitung 22' kann hier auch in die Hochdruckpumpe 5 integriert sein, so dass kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Um den Hochdruckspeicher 10 stets mit Kraftstoff zu befüllen kann auch das Druckregelventil 20 verwendet werden. Wie oben beschrieben wird das Druckregelventil 20 normalerweise dazu benutzt, den Druck im Hochdruckspeicher 10 zu begrenzen. Wird das Druckregelventil 20 jedoch nach Abschalten der Hochdruckpumpe 5 geöffnet, so fungiert die Absteuerleitung 15 als Rücklaufleitung 22. Dadurch wird zum einen der noch hohe Druck im Hochdruckspeicher 10 rasch in den Leckölbereich 1 abgebaut und zum anderen wird bei sinkendem Druck im Hochdruckspeicher 10 Kraftstoff aus dem Leckölbereich 1 angesaugt, so dass der Hochdruckspeicher 10 stets mit Kraftstoff gefüllt bleibt. Die dafür benötigte Menge ist sehr gering und beträgt in der Regel nur wenige cm³ über einige Stunden hinweg.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem, vorzugsweise für Brennkraftmaschinen, mit einem Hochdruckspeicher (10), in dem Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden kann, und mit wenigstens einem Einspritzventil (12), das mit dem Hochdruckspeicher (10) verbindbar ist und über das der im Hochdruckspeicher (1) befindliche Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, und mit einer Hochdruckpumpe (5), die Kraftstoff aus einem Leckölbereich (1) ansaugt und verdichtet dem Hochdruckspeicher (10) zuführt, so dass dort bei Betrieb der Hochdruckpumpe (5) ein hoher Kraftstoffdruck aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leckölbereich (1) und dem Hochdruckspeicher (10) eine Rücklaufleitung (22) mit einem Regelventil (20; 24; 24') ausgebildet ist, wobei das Regelventil (20; 24; 24') bei abgeschalteter Hochdruckpumpe (5) einen Kraftstofffluss vom Leckölbereich (1) in den Hochdruckspeicher (10) ermöglicht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, bei dem das Regelventil als Ruckschlagventil (24; 24') ausgebildet ist, wobei das Rückschlagventil (24; 24') die Rücklaufleitung (22) nur dann öffnet, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (10) kleiner oder gleich dem Druck im Leckölbereich (1) ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, bei dem die Rucklaufleitung (22) direkt vom Hochdruckspeicher (10) in den Leckölbereich (1) führt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, bei dem der Hochdruckpumpe (5) Kraftstoff über eine Ansaugleitung (3) zugeführt wird, wobei die Hochdruckpumpe (5) den verdichteten Kraftstoff über eine Hochdruckleitung (7) in den Hochdruckspeicher (10) leitet und die Rücklaufleitung (22) parallel zur Hochdruckpumpe (5) verläuft, so dass die Ansaugleitung (3) über die Rücklaufleitung (22) direkt mit der Hochdruckleitung (7) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, bei dem das Regelventil (20) schaltbar ausgestaltet ist und die Rücklaufleitung (22) bei abgeschalteter Hochdruckpumpe (5) ständig öffnet.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, bei dem das schaltbare Regelventil bei Betrieb der Hochdruckpumpe (5) als Druckregelventil (20) fungiert, welches in einer Absteuerleitung (15) angeordnet ist und diese bei nur dann öffnet, wenn der Druck im Hochdruckspeicher (10) einen bestimmten Solldruck überschreitet, wobei die Absteuerleitung (15) in ihrer Funktion der Rücklaufleitung (22) entspricht.