DE102004048594A1

DE102004048594A1 - Kraftstoffsystem, für eine Brennkraftmaschine, sowie Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems

Info

Publication number: DE102004048594A1
Application number: DE200410048594
Authority: DE
Inventors: Helmut Rembold; Nestor Rodriguez-Amaya; Oliver Albrecht; Uwe Mueller; Ruediger Schnell; Bernd Schroeder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Ein Kraftstoffsystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12) umfasst eine Fluidpumpe (24) mit einem Einlassventil (22) und einem Auslassventil (26). Mit mindestens einer ersten Ventileinrichtung (62) kann eine zum Einlassventil (22) der Fluidpumpe (24) gelangende Kraftstoffmenge verändert werden. Es wird vorgeschlagen, dass eine zweite Ventileinrichtung (66) vorhanden ist, mit der ein stromabwärts vom Auslassventil (26) gelegener Hochdruckbereich (28) mit einem stromaufwärts vom Einlassventil (22) gelegenen Niederdruckbereich (20) verbunden werden kann, wobei die erste Ventileinrichtung (62) und die zweite Ventileinrichtung (66) eine gemeinsame Betätigungseinrichtung umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Die DE 102 36 314 A1 beschreibt allgemein ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, bei dem der Kraftstoff von einer Vorförderpumpe zu einer Hochdruckpumpe und von dort in eine Hochdruck-Kraftstoffrail gefördert wird. An diese sind mehrere Injektoren angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. An der Kraftstoffrail ist ein Druckbegrenzungsventil vorhanden, welches bei einem unzulässig hohen Druck öffnet und Kraftstoff aus der Kraftstoffrail in einen Bereich stromaufwärts von der Hochdruckpumpe ablässt.

Aus der DE 198 53 103 A1 ist ein Kraftstoffsystem mit einer Hochdruckpumpe bekannt. Stromaufwärts vom Einlass der Hochdruckpumpe ist eine Kraftstoffzumesseinheit angeordnet, die ein elektromagnetisch betätigtes Schieberventil umfasst. Mit diesem kann die der Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge beeinflusst werden.

Ferner ist aus der DE 196 12 413 A1 ein gattungsgemäßes Kraftstoffsystem bekannt.

Die vorliegenden Erfindung hat die Aufgabe, ein Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Betriebssicherheit des Kraftstoffsystems verbessert wird, bei gleichzeitig kompaktem Aufbau des Kraftstoffsystems.

Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung werden genau definierte Verhältnisse bei der Rückströmung vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich geschaffen, was eine definierte Absenkung des Drucks im Hochdruckbereich gestattet. Dabei wird die zweite Ventileinrichtung dann, wenn sie geschlossen ist, mit dem im Hochdruckbereich herrschenden hohen Druck beaufschlagt und somit sicher geschlossen.

Durch das Vorhandensein einer zweiten Ventileinrichtung, mit der ein stromabwärts vom Auslassventil gelegener Hochdruckbereich mit einem stromaufwärts vom Einlassventil gelegenen Niederdruckbereich verbunden werden kann, wird eine gewünschte Druckabsenkung im Hochdruckbereich ermöglicht. Vor allem dann, wenn das Kraftstoffsystem bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, welches im Schubbetrieb betrieben wird, wird hierdurch ein unerwünschter Anstieg des Drucks im Hochdruckbereich vermieden. Ein solcher könnte, ohne die zweite Ventileinrichtung, auftreten, da im Schubbetrieb die Injektoren keinen Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen, gleichzeitig jedoch aufgrund einer prinzipbedingt fast immer vorhandenen Leckage an der ersten Ventileinrichtung weiter eine bestimmte, wenn auch geringe Menge an Kraftstoff von der Fluidpumpe in den Hochdruckbereich gepumpt wird.

Durch die Ausgestaltung der beiden Ventileinrichtungen derart, dass sie eine gemeinsame Betätigungseinrichtung umfassen, wird dabei ein äußerst kompakter Aufbau des Kraftstoffsystems ermöglicht. Darüber hinaus werden Kosten gespart, da durch die einzige Betätigungseinrichtung für zwei bzw. drei unterschiedliche Ventileinrichtungen beispielsweise auch nur eine Zuleitung, eine Endstufe etc. erforderlich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Das in Anspruch 2 angegebene Kraftstoffsystem arbeitet besonders sicher, da die Ruhestellungen der zweiten und dritten Ventileinrichtung durch die vorgeschlagenen Vorspanneinrichtungen exakt definiert sind.

In Weiterbildung hierzu wird durch die im Anspruch 3 beanspruchte Konfiguration wiederum eine kompakte Bauweise des Kraftstoffsystems ermöglicht.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 hat den Vorteil, dass automatisch dann, wenn die erste Ventileinrichtung geschlossen ist, was üblicherweise nur im Schubbetrieb oder bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine der Fall ist (in diesem Fall könnte eine zusätzliche Ansteuerung erforderlich sein), die zweite und somit auch die dritte Ventileinrichtung geöffnet ist. Dies hat folgenden Grund: In den besagten Betriebssituationen wird von den Injektoren kein Kraftstoff eingespritzt, so dass durch die automatische Öffnung der zweiten und der dritten Ventileinrichtung der Druck im Hochdruckbereich niedrig gehalten wird. Somit können die Injektoren preiswerter bauen, da an sie geringere Anforderungen an die Leckagedichtigkeit gestellt werden können.

Darüber hinaus wird die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine erhöht, da zuverlässig verhindert wird, dass beispielsweise während eines Schubbetriebs oder bei abgeschalteter Brennkraftmaschine wegen eines hohen Drucks im Hochdruckbereich Kraftstoff aus den Injektoren ungewollt in die Brennräume der Brennkraftmaschine austritt. Die Verwendung eines Ventilschiebers bei der ersten und der zweiten Ventileinrichtung hat schließlich den Vorteil, dass nur eine vergleichsweise geringe Betätigungskraft erforderlich ist.

Bei derartigen Schieberventilen kann es jedoch auch bei geschlossenem Ventil prinzipbedingt zu einer Leckage vom Hochdruckbereich hin zum Niederdruckbereich hin kommen. Um dies zu vermeiden, sind die zusätzlichen Merkmale des Unteranspruchs 5 vorgesehen. Das dort beanspruchte Druckbegrenzungsventil hat einen Öffnungsdruck, welcher oberhalb des Systemdrucks für einen Hochdruckstart der Brennkraftmaschine ist und unterhalb des minimalen Betriebsdrucks im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine liegt. Auf diese Weise wird in den meisten Betriebssituationen der Brennkraftmaschine die Verbindung vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich zuverlässig unterbunden, so dass eine Leckage am Ventilschieber der zweiten Ventileinrichtung in diesen Betriebssituationen nicht auftreten kann. Dies erhöht insbesondere beim Starten der Brennkraftmaschine mit hohem Kraftstoffdruck den Liefergrad der Fluidpumpe.

Eine eine hohe Betriebssicherheit aufweisende alternative Ausführungsform ist im Unteranspruch 6 angegeben. Bei dieser Variante wird ein besonders hoher Liefergrad der Fluidpumpe erzielt, da eine ungewollte Leckage der zweiten Ventileinrichtung im Normalfall vollständig ausgeschlossen ist.

Durch die im Unteranspruch 7 angegebenen Weiterbildung wird die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems nochmals verbessert. Darüber hinaus wird die Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung beziehungsweise von deren Ventilschieber vereinfacht.

Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 8 werden die Herstellkosten des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems gesenkt, da die auch bei Proportionalmagneten vorhandene und üblicherweise als nachteilig angesehene Nichtlinearität im Bereich der Extremitäten der Magnetkennlinie bewusst ausgenutzt wird, um die für die Betätigung der zweiten Ventileinrichtung erforderliche Zusatzkraft aufzubringen. Somit kann auf einen zusätzlichen Magnetaktor, eine teurere oder zusätzliche Endstufe, etc. verzichtet werden.

Die Ausführungsform gemäß Anspruch 9 gestattet eine besonders kompakte Bauweise und verringert die Herstell- und Montagekosten.

Analog zum Anspruch 8 wird bei dem im Anspruch 10 angegebenen Verfahren eine kompakte und preiswerte Bauweise des Kraftstoffsystems ermöglicht.

Die auf das Ventilelement der zweiten Ventileinrichtung in Schließrichtung wirkende Kraft ist bei geöffneter Ventileinrichtung geringer als bei geschlossener Ventileinrichtung, insbesondere auch wegen der dritten Ventileinrichtung. Zum Offenhalten der zweiten Ventileinrichtung ist daher eine geringere Kraft erforderlich als zum eigentlichen Öffnungsvorgang. Dies wird bei dem in Anspruch 11 angegeben Verfahren ausgenutzt, indem nach dem Öffnen der zweiten Ventileinrichtung der Strom, mit dem der Magnetaktor angesteuert wird, gesenkt wird, was den Vorteil hat, dass die Reaktionszeit beim Schließen der zweiten Ventileinrichtung verkürzt wird. Bei dieser Ausgestaltung kann daher der Druck im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems besonders exakt und mit hoher Dynamik eingestellt bzw. geregelt werden.

Da der Druck im Hochdruckbereich im Betrieb einer Brennkraftmaschine üblicherweise je nach Betriebszustand und Betriebspunkt der Brennkraftmaschine variiert wird, ergeben sich entsprechend unterschiedliche Öffnungskräfte für die zweite Ventileinrichtung. Dem wird bei der in Anspruch 12 angegebenen Verfahrensvariante Rechnung getragen, welche also zu einer noch präziseren und eine hohe Dynamik aufweisenden Druckregelung führt.

Die angegebene Absenkung auf den zum Offenhalten der zweiten Ventileinrichtung erforderlichen Strom kann gemäß Anspruch 13 von einem im Hochdruckbereich erfassten Druckabfall abhängen, wie er beim Abströmen des Kraftstoffs aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich festgestellt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Strom tatsächlich erst dann abgesenkt wird, wenn die zweite Ventileinrichtung mit Sicherheit geöffnet hat. Möglich ist auch, alternativ oder zusätzlich die Stromabsenkung zeitgesteuert herbeizuführen.

Bei der in Anspruch 14 angegebenen Weiterbildung wird ebenfalls die Dynamik bei der Regelung des Drucks im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems verbessert. Die Vorteile des Anspruchs 13 gelten für den Anspruch 15 analog.

Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Ventileinrichtung;
2 eine detaillierte und teilweise im Schnitt gezeigte Darstellung der ersten, zweiten und dritten Ventileinrichtung von 1;
3 eine perspektivische Darstellung eines Ventilsitzes der dritten Ventileinrichtung von 1;
4 eine Darstellung ähnlich 1, wobei sich die erste Ventileinrichtung in einem anderen Betriebszustand befindet;
5 eine ähnliche Darstellung wie 3, wobei sich die zweite Ventileinrichtung in einer anderen Betriebsstellung befindet;
6 ein Diagramm, in dem ein Hub eines Ventilschiebers der ersten Ventileinrichtung von 1 und eine Magnetkraft für verschiedene Betriebszustände der ersten, zweiten und dritten Ventileinrichtung aufgetragen ist;
7 ein Diagramm, in dem ein Strom, mit dem eine Betätigungseinrichtung der ersten und der zweiten Ventileinrichtung angesteuert wird, über der Zeit aufgetragen ist;
8 ein Diagramm, in dem der Verlauf eines Drucks in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems von 1 über der Zeit dargestellt ist;
9 eine Darstellung ähnlich 1 eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems;
10 eine Darstellung ähnlich 1 eines nochmals anderen Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems;
11 eine teilweise geschnittene Darstellung der ersten und der zweiten Ventileinrichtung der 10.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 trägt ein Kraftstoffsystem insgesamt das Bezugszeichen 10. Es ist Teil einer Brennkraftmaschine 12, die beispielsweise in ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) eingebaut sein kann.
Das Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14, aus dem eine elektrisch angetriebene Vorförderpumpe 16 Kraftstoff über einen Filter 18 in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 20 fördert. Diese führt über eine Zumesseinheit 22, auf die weiter unten stärker im Detail eingegangen wird, zu einem Einlassventil 23 einer Hochdruckpumpe 24, welche über ein Auslassventil 26 in einen Hochdruckbereich 28 fördert, der unter anderem eine Kraftstoffrail 30 umfasst. An diese sind mehrere Injektoren 32 angeschlossen, die jeweils in ihnen direkt zugeordnete Brennräume 34 einspritzen. Der Druck im Hochdruckbereich 28 wird von einem Drucksensor 36 erfasst und von einem Druckbegrenzungsventil 38 begrenzt. Ein ähnliches Druckbegrenzungsventil 40 ist auch parallel zur Vorförderpumpe 16 vorhanden.
Der Aufbau der Zumesseinheit 22 wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf 2 im Detail erläutert: In einem Gehäuse 42 der Zumesseinheit 22 ist ein zylindrischer Innenraum 44 vorhanden, der über eine radiale Einlassöffnung 46 an seinem in 2 äußersten rechten Rand mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 20 ständig verbunden ist. In dem Innenraum 44 ist ein als zylindrisches Rohrstück ausgebildeter Ventilschieber 48 aufgenommen, dessen Länge um einen Betrag s_Z kleiner ist als die Länge des Innenraums 44. Der Ventilschieber 48 ist im Innenraum 44 im Gleitsitz aufgenommen. Er ist starr mit einem Proportionalmagnetaktor 50 verbunden, der über eine nicht gezeigte Endstufe von einer Steuer- und Regeleinrichtung 52 angesteuert wird. Diese erhält Signale unter anderem auch vom Drucksensor 36.
Der Ventilschieber 48 wird von einer Druckfeder 54, die sich zwischen einer in 2 auf der linken Seite angeordneten Stirnwand (ohne Bezugszeichen) des Ventilschiebers 48 und dem Gehäuse 42 abstützt, in den 1 und 2 nach links beaufschlagt. In etwa auf halber Höhe des Innenraums 44 ist im Gehäuse 42 eine radial verlaufende Auslassöffnung 56 vorhanden, die zum Einlassventil 23 der Hochdruckpumpe 24 führt. Die Auslassöffnung 56 geht von einer in der inneren Mantelfläche des Innenraums 44 vorhandenen Ringnut 58 aus.
In der radialen Begrenzungswand des Ventilschiebers 48 sind über den Umfang verteilt mehrere in der Draufsicht in etwa dreieckige Durchlässe 60 vorhanden (ggf. kann auch nur ein Durchlass vorgesehen sein). Diese befinden sich dann, wenn der Ventilschieber 48 in seiner in den 1 und 2 äußersten linken Stellung ist, genau auf Höhe der Ringnut 58. In axialer Richtung haben die Durchlässe 60 eine Höhe s_R. Bewegt sich der Ventilschieber 48 um diese Strecke in den 1 und 2 nach rechts, überdecken sich die Durchlässe 60 und die Ringnut 58 im Gehäuse 42 nicht mehr.
Der Ventilschieber 48, der Magnetaktor 50, der eine Betätigungseinrichtung für den Ventilschieber 48 darstellt, die Auslassöffnung 58 mit der Ringnut 58 und die Durchlässe 60 in dem Ventilschieber 48 sind Teil einer ersten Ventileinrichtung 62, mit der, abhängig von der Überdeckung der Durchlässe 60 mit der Ringnut 58, die zum Einlassventil 22 der Hochdruckpumpe 24 gelangende Kraftstoffmenge verändert werden kann.
Vom Innenraum 44 führt koaxial zum Ventilschieber 48 und zum Innenraum 44 eine Öffnung 64 zu einer zweiten Ventileinrichtung 66. Diese umfasst als Ventilelement eine Ventilkugel 68, die von einer Druckfeder 70 in Richtung zum Innenraum 44 gegen einen konischen Ventilsitz 72 gedrückt wird.
Die Ventilkugel 68 ist in einer Ventilkammer 74 angeordnet, an deren von der zweiten Ventileinrichtung 66 abgewandtem Ende eine dritte Ventileinrichtung 76 vorhanden ist. Falls es für die Funktion erforderlich ist, kann die Ventilkammer 74 so ausgeführt sein, dass die Ventilkugel 68 durch sie radial geführt ist. Die Ventileinrichtung 76 umfasst eine Ventilplatte 78, die von der Druckfeder 70 gegen eine Auflage 80 gedrückt wird (die Druckfeder 70 ist also zwischen der Ventilkugel 68 und der Ventilplatte 78 verspannt). Die Ventilplatte 78 liegt auf der Auflage 80 jedoch nicht fluiddicht auf. In der bei der Auflage 80 vorhandenen Stirnseite der Ventilkammer 74 ist eine Einlassöffnung 82 vorhanden, durch die die Ventilkammer 74 über eine Zweigleitung 84 mit dem Hochdruckbereich 28 verbunden ist.
Wenn die Ventilplatte 78 gegen die Beaufschlagung der Druckfeder 70 von der Auflage 80 abhebt, kann sie an einem kragenförmigen Ventilsitz 86 in Anlage gelangen. Dieser ist im Detail beispielhaft in 3 dargestellt. Man erkennt, dass in den kragenförmigen Ventilsitz 86 eine Kerbe 88 eingebracht ist, welche dann, wenn die Ventilplatte 78 am Ventilsitz 86 anliegt, eine definierte Drossel für die vom Hochdruckbereich 28 in die einen Niederdruckbereich bildende Niederdruck-Kraftstoffleitung 20 strömenden Kraftstoff darstellt.
Am Ventilschieber 48 der ersten Ventileinrichtung 62 ist ein zum Ventilschieber 48 koaxialer Stößel 90 angebracht, der zur zweiten Ventileinrichtung 66 hin zeigt. Wenn der Ventilschieber 48 in seiner in den 1 und 2 dargestellten äußersten linken Position ist, hat die Spitze des Stößels 90 von der Ventilkugel 68 der zweiten Ventileinrichtung 66 einen Abstand s_V.
Die Zumesseinheit 22 mit der ersten Ventileinrichtung 62, der zweiten Ventileinrichtung 66 und der dritten Ventileinrichtung 76 arbeitet folgendermaßen: In der Ausgangsposition der 1 und 2 ist der Proportionalmagnetaktor 50 stromlos. Somit wird der Ventilschieber 48 von der Druckfeder 54 in die in den 1 und 2 dargestellte äußerste linke Position gedrückt, in der die Durchlässe 60 im Ventilschieber 48 auf gleicher Höhe sind wie die Ringnut 58. Über die radiale Einlassöffnung 46, den Innenraum 44, die Durchlässe 60, die Ringnut 58 und die Auslassöffnung 56 kann somit eine maximale Kraftstoffmenge zum Einlassventil 23 der Hochdruckpumpe 24 gelangen. Diese arbeitet daher mit einer maximalen Förderleistung.
In der Zweigleitung 84 und in der Ventilkammer 74 herrscht der auch im Hochdruckbereich 28 vorhandene hohe Kraftstoffdruck, durch den die Ventilkugel 68 zuverlässig gegen den konischen Ventilsitz 72 gedrückt wird. Die zweite Ventileinrichtung 66 ist somit geschlossen. Da in der Ventilkammer 74 in etwa der gleiche Druck herrscht wie in der Zweigleitung 84, herrscht zu beiden Seiten der Ventilplatte 78 in etwa der gleiche Druck, so dass diese von der Druckfeder 70 gegen die Auflage 80 gedrückt werden kann.
Soll nun die Fördermenge der Hochdruckpumpe 24 reduziert werden, wird der Proportionalmagnetaktor 50 bestromt, wodurch sich der Ventilschieber 48, wie in 4 gezeigt, nach rechts bewegt (in dieser Figur sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur noch ausgewählte Komponenten und Bereiche mit Bezugszeichen versehen). Da es sich bei dem Magnetaktor 50 um einen Proportionalmagnetaktor handelt, ist die Kennlinie, wie aus 6 ersichtlich ist, bis zum Erreichen eines Stroms i_R linear. Die Eigenschaften des Proportionalmagnetaktors 50 und die geometrischen Abmessungen der Zumesseinheit 22 bzw. der ersten Ventileinrichtung 62 sind so gewählt, dass dann, wenn der Strom die Stärke i_R erreicht hat, die Auslassöffnung 56 gerade verschlossen ist und die Spitze des Stößels 90 von der Ventilkugel 68 einen Abstand s_V–s_R hat. Die erste Ventileinrichtung 62 ist also geschlossen. Kraftstoff kann von der radialen Einlassöffnung 46 zur Auslassöffnung 56 nur noch im Umfange der Spaltleckage zwischen Ventilschieber 48 und Gehäuse 42 gelangen. Die Fördermenge der Hochdruckpumpe 24 ist minimal.
Soll die Brennkraftmaschine 12 im Schubbetrieb arbeiten, wird von den Injektoren 32 kein Kraftstoff mehr in die Brennräume 34 eingespritzt. Da jedoch aufgrund der besagten Spaltleckage zwischen Ventilschieber 48 und Gehäuse 42 der ersten Ventileinrichtung 62 weiterhin eine geringe Kraftstoffmenge zur Hochdruckpumpe 24 gelangt, so dass deren Fördermenge nicht exakt null ist, steigt der Druck in der Kraftstoffrail 30, ohne Gegenmaßnahmen, langsam an. Dies ist aus dem Abschnitt A der Kurve in 8 ersichtlich.
Um nun den Druck in der Kraftstoffrail 30 definiert abzusenken, wird die zweite Ventileinrichtung 66 geöffnet. Dies erfolgt durch eine kurzzeitige Übererregung des Magnetaktors 50 (hierzu wird weiter unten im Detail eingegangen). Durch diese Übererregung wird die Ventilkugel 68 vom Stößel 90 gegen die Kraft der Druckfeder 70 und gegen die Kraft des in der Ventilkammer 74 herrschenden hohen Kraftstoffdrucks vom konischen Ventilsitz 72 abgehoben (vgl. 5). Hierdurch baut sich der Druck in der Ventilkammer 74 zwischen Ventilkugel 68 und der Ventilplatte 78 schlagartig ab, da der Kraftstoff aus der Ventilkammer 74 über die Öffnung 64 und den Innenraum 44 in den Niederdruckbereich 20 entweichen kann.
Aufgrund des Druckabfalls auf der der Ventilkammer 74 zugewandten Seite der Ventilplatte 78 der dritten Ventileinrichtung 76 hebt diese schlagartig von der Auflage 80 ab und kommt in Anlage an den Ventilsitz 86 (vgl. 5). Nach dem ersten schnellen Druckabfall in der Ventilkammer 74, welcher zu einer schnellen Druckabsenkung in einem gewissen Umfange im Hochdruckbereich 28 geführt hat, strömt der Kraftstoff nun aus dem Hochdruckbereich 28 über die Kerbe 88 im Sinne einer definierten Drossel ab. Damit er auch dann, wenn der Ventilschieber 48 an der rechten Begrenzungswand des Innenraums 44 in Anlage ist, über die radiale Einlassöffnung 46 in den Niederdruckbereich 20 abströmen kann, ist die in den 1 bis 5 rechte Begrenzung des Ventilschiebers 48 mit Nuten beziehungsweise einer Fase (ohne Bezugszeichen) versehen, um zu verhindern, dass die radiale Einlassöffnung 46 vollständig abgedeckt wird.
Wird vom Drucksensor 36 ein Druckabfall im Kraftstoffrail 30 erfasst (Abschnitt B der Kurve in 8), wird durch eine entsprechende Ansteuerung des Magnetaktors 50 der Ventilschieber 48 wieder so bewegt, dass die Ventilkugel 68 der zweiten Ventileinrichtung 66 wieder in Anlage an den konischen Ventilsitz 72 gelangt. Nun stellt sich wieder zu beiden Seiten der Ventilplatte 78 ein gleicher Druck ein, so dass diese von der Druckfeder 70 von dem Ventilsitz 86 abgehoben und gegen die Auflage 80 gedrückt werden kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Druckabbau über die durch die Kerbe 88 gebildete enge Drossel im Ventilsitz 86 immer nur kurzzeitig erfolgt, so dass ein Zusetzen durch Schmutz nicht erfolgen kann. Das schnelle Umschalten der dritten Ventileinrichtung 76 wird durch eine entsprechende Dimensionierung des Hubs der Ventilplatte 78 sichergestellt. Dabei wird darauf geachtet, dass die aus der Druckdifferenz an der Ventilplatte 78 der dritten Ventileinrichtung 76 resultierende Stellkraft deutlich größer ist als die Rückstellkraft der Druckfeder 70.
Nun wird erläutert, wie die zweite Ventileinrichtung 66 durch eine Übererregung des Proportionalmagnetaktors 50 betätigt werden kann:
Wie aus 6 ersichtlich ist, ist in dem für die Beeinflussung der zum Einlassventil 23 der Hochdruckpumpe 24 gelangenden Kraftstoffmenge erforderlichen Regelhubbereich s_R des Ventilschiebers 48 die Kennlinie des Magnetaktors 50 linear. Dies bedeutet, dass bei einem Strom i₀ die Magnetkraft F unabhängig vom Hub ist und den Betrag F_M0 hat (Bezugszeichen 92 in 6). Bei geschlossener erster Ventileinrichtung hat der Strom, mit dem der Magnetaktor 50 beaufschlagt wird, einen Wert i_R. Auch hier ist die Magnetkraft gerade noch unabhängig vom Weg und hat den Wert F_MR (Bezugszeichen 94 in 6). Die Gerade, welche die beiden Endpunkte dieses linearen Regelhubs s_R miteinander verbindet, entspricht der Kennlinie der Druckfeder 54.
Um nun die zum Öffnen der zweiten Ventileinrichtung 66 notwendige Überschusskraft nicht ausschließlich durch eine erhebliche Anhebung des Stromes i, mit dem der Magnetaktor 50 beaufschlagt wird, bereitstellen zu müssen, wird der Neutralhub s_n, welcher erforderlich ist, um die Spitze des Stößels 90 in Anlage an die Ventilkugel 68 zu bringen, und der anschließende Öffnungshub s_a in den nichtlinearen Kennlinienbereich des Proportionalmagnetaktors 50 gelegt, in dem die Magnetkraft F mit dem Hub s bei konstantem Strom i ansteigt. Um in diesen Bereich zu gelangen, wird zunächst der Strom vom Wert i_R ein wenig auf einen Wert i_R* angehoben (Bezugszeichen 96 in 6). Die zugehörige Magnetkraft F_MR* ist etwas größer als die Kraft der Druckfeder 54 und hat zur Folge, dass sich der Ventilschieber 48 in den 1 bis 5 etwas nach rechts bewegt. Der zugehörige Strom- und Raildruckverlauf über der Zeit ist aus den 7 und 8 ersichtlich.
Da jedoch in dem Bereich des Neutralhubs s_n (vergleiche 6) die Magnetkraft F über dem Hub s ansteigt, erhöht sich trotz konstantem Strom i, der einen Wert i_R* hat, die Magnetkraft auf einen Wert F_MR* (Bezugszeichen 98 in 6). Diese liegt jedoch noch unterhalb der Öffnungskraft der zweiten Ventileinrichtung 66. Zu deren Öffnung wird der Strom i nun nochmals auf einen Wert i₂ erhöht (Position 100 in 6), der so gewählt ist, dass die entsprechende Magnetkraft F gerade ausreicht, um die Ventilkugel 68 vom konischen Ventilsitz 72 abzuheben. Da jedoch nun die Magnetkraft F wieder über den Öffnungshub s_a nochmals ansteigt, gleichzeitig aber die in Schließrichtung der Ventilkugel 68 wirkenden hydraulischen Kräfte eher geringer werden, wird bei gleichbleibendem Strom i mit dem Wert i₂ die zweite Ventileinrichtung 66 vom Stößel 90 des Ventilschiebers 48 sicher geöffnet. Den maximalen Hub weist der Ventilschieber 48 in der Position 102 in 6 auf, bei einem Stromwert in Höhe von i₂.
Das Abströmen des Kraftstoffs führt, wie aus 8 ersichtlich ist, zu einem Druckabfall (Position B in 8), welcher, wie bereits oben erwähnt worden ist, vom Drucksensor 36 erkannt wird. Als Folge wird der Strom vom Wert i₂ auf einen Wert i₃ (Position 104 in 6) abgesenkt. Dies hat den Vorteil, dass zur Beendigung des Druckabbaus keine große Schalthysterese durchlaufen werden muss. Der Wert i₃ des Stroms wird so gewählt, dass die resultierende Magnetkraft größer als die Federkraft und die hydraulische Kraft ist, so dass gerade noch kein Rückstellen erfolgt. Die Einstellung kann zeitgesteuert oder über eine stromgeregelte Endstufe erfolgen.
Zur Beendigung des Druckabbaus wird der Strom i, immer noch bei maximalem Hub des Ventilschiebers 48, auf den Wert i₄ abgesenkt (Position 106). Bei diesem ist die Magnetkraft F des Magnetaktors 50 unterhalb der Federkraft (gestrichelte Linie in 6). Somit bewegt sich der Ventilschieber 48 in den 1 bis 5 wieder nach links um den Öffnungshub s_a von der Position 106 in die Position 108 in 6, wiederum aufgrund der Nichtlinearität der Kennlinie des Magnetaktors 50 in diesem Bereich. Sobald vom Drucksensor 30 ein Ende des Druckabsenkens (Ende des Bereichs B in 8) erfasst und der Steuer- und Regeleinrichtung 52 mitgeteilt wird, wird der Strom erhöht auf einen Wert i₅ (Position 110). Da jetzt die Ventilkugel 68 wieder mit dem im Hochdruckbereich 28 herrschenden hohen Druck gegen den konischen Ventilsitz 72 beaufschlagt wird, kann trotz dieses etwas erhöhten Wertes i₅ ein Öffnen der zweiten Ventileinrichtung 66 nicht stattfinden. Soll anschließend der Druck im Kraftstoffrail 30 wieder abgesenkt werden, wiederholt sich der Vorgang entsprechend. Soll jedoch von der Hochdruckpumpe 24 wieder Kraftstoff gefördert werden, wird der Strom noch weiter abgesenkt, bis er wieder in dem linearen Bereich zwischen i₀ und i_R liegt.
Da der Druck in der Kraftstoffrail 30 im Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine 12 üblicherweise nicht konstant sondern variabel ist, ergeben sich unterschiedliche Öffnungskräfte für die zweite Ventileinrichtung 66. Es ist daher möglich, den Wert i₂ des Stromes i, der letztlich zum Öffnen der zweiten Ventileinrichtung 66 führt, an die durch den Druck in der Kraftstoffrail 30 vorgegebenen Randbedingungen anzupassen, so dass immer ein sicheres Öffnen der zweiten Ventileinrichtung 66 gewährleistet ist. Die nichtlineare Kennlinie des Magnetaktors 50 ist im Bereich des Neutralhubs s_n so gewählt, dass bei minimalem Druck in der Kraftstoffrail 30 noch kein Öffnen der zweiten Ventileinrichtung 66 möglich ist. Gegebenenfalls kann der Stromwert über s_n noch abgesenkt werden.
Mit der beschriebenen Vorgehensweise lässt sich der Druck in der Kraftstoffrail 30 im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 12 mit hoher Dynamik regeln. Dasselbe gilt auch für den Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 12, wenn die Leckage zwischen dem Ventilschieber 48 und dem Gehäuse 42 der ersten Ventileinrichtung 62 im Bereich der von den Injektoren 32 in die Brennräume 34 eingespritzten Kraftstoffmenge liegt. Die angegebene Vorgehensweise kann auch bei solchen Hochdruckpumpen 24 eingesetzt werden, welche mehrere Zylinder beziehungsweise Pumpenelemente aufweisen, die alle über eine eigene Zumesseinheit versorgt werden.
Wie aus der strichpunktierten Linie mit dem Bezugszeichen 112 in 1 hervorgeht, können sämtliche Funktionselemente, also die Zumesseinheit 22 mit den drei Ventileinrichtungen 62, 66 und 76 sowie die Hochdruckpumpe 24 in einem einzigen Gehäuse integriert sein. Falls erforderlich, kann auch stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Zumesseinheit 22 noch ein Druckdämpfer zur Reduzierung von Druckpulsationen eingesetzt werden.
In 9 ist eine alternative Ausführungsform eines Kraftstoffsystems 10 gezeigt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen zu dem vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert.
Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die zweite Ventileinrichtung 66 keine Ventilkugel auf, sondern ist durch einen zusätzlichen Durchlass 68 im Ventilschieber 48 gebildet. Die erste Ventileinrichtung 62 und die zweite Ventileinrichtung 66 verwenden also einen gemeinsamen Ventilschieber 48.
Um zu verhindern, dass es durch eine Leckage zwischen dem Ventilschieber 48 und dem Gehäuse 42 zu einem dauernden, wenn auch geringen Kraftstoffstrom über die Zweigleitung 84 vom Hochdruckbereich 28 zum Niederdruckbereich 20 hin kommt, wird bei der in 10 dargestellten Ausführungsform zwischen der zweiten Ventileinrichtung 66 und der dritten Ventileinrichtung 76 ein Druckbegrenzungsventil 114 zwischengeschaltet. Dessen Öffnungsdruck liegt oberhalb des Systemdrucks für einen Hochdruckstart der Brennkraftmaschine 12 und unterhalb des minimalen Betriebsdrucks im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 12.
Eine nochmalige Variante für die zweite Ventileinrichtung 66 zeigt 11: Diese Variante kann beispielsweise anstelle des in den 1 bis 5 gezeigten Kugelventils eingesetzt werden und wird durch ein druckausgeglichenes Kolbenventil 66 mit einem federbeaufschlagten Ventilkolben 68 gebildet. Dessen Vorteil liegt wie bei jenen Ausführungsformen der 9 und 10 in der relativ niedrigen Betätigungskraft. Außerdem erlaubt diese Lösung, unabhängig vom Ventilschieber 48 der ersten Ventileinrichtung 62, eine Optimierung hinsichtlich Durchmesser und Führungsspiel an dem Ventilkolben 68. Dadurch lassen sich Leckageverluste reduzieren beziehungsweise, wie dargestellt, durch eine O-Ring-Dichtung 116 ganz vermeiden.

Claims

Kraftstoffsystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12), mit einer Fluidpumpe (24) mit einem Einlassventil (22) und einem Auslassventil (26), mit mindestens einer ersten Ventileinrichtung (62), mit der eine zum Einlassventil (22) der Fluidpumpe (24) gelangende Kraftstoffmenge verändert werden kann, mit mindestens einer zweiten Ventileinrichtung (66), mit der ein stromabwärts vom Auslassventil (26) gelegener Hochdruckbereich (28) mit einem Niederdruckbereich (20) verbunden werden kann, wobei die erste Ventileinrichtung (62) und die zweite Ventileinrichtung (66) eine gemeinsame Betätigungseinrichtung (50) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Ventileinrichtung (66) und dem Hochdruckbereich (28) eine dritte Ventileinrichtung (76) angeordnet ist, welche dann, wenn die zweite Ventileinrichtung (66) öffnet, derart schließt, dass die Strömung vom Hochdruckbereich (28) zum Niederdruckbereich (20) gedrosselt ist.
Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilelement (68) der zweiten Ventileinrichtung (66) durch eine Vorspanneinrichtung (70) in seine geschlossene Ruhestellung und ein Ventilelement (78) der dritten Ventileinrichtung (76) durch eine Vorspanneinrichtung (70) in seine geöffnete Ruhestellung beaufschlagt wird.
Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Vorspanneinrichtungen (70) die selben sind, indem eine Vorspanneinrichtung (70) zwischen den beiden Ventilelementen (68, 78) verspannt ist.
Kraftstoffsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventileinrichtung (62) und die zweite Ventileinrichtung (66) einen gemeinsamen Ventilschieber (48) umfassen, der in einem ersten Verstellbereich (s_R) bei geschlossener zweiter Ventileinrichtung (66) die erste Ventileinrichtung (62) gesteuert öffnet und schließt und in einem zweiten Verstellbereich (s_a) bewegbar ist, in welcher die erste Ventileinrichtung (62) geschlossen und die zweite Ventileinrichtung (66) geöffnet ist.
Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Ventileinrichtung (66) und dem Hochdruckbereich (28) ein Druckbegrenzungsventil (114) angeordnet ist, dessen Öffnungsdruck über einem Druck im Hochdruckbereich (28) bei einem Start der Brennkraftmaschine (12) und unterhalb eines minimalen Drucks im Hochdruckbereich (28) in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (12) liegt.
Kraftstoffsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventileinrichtung (62) einen Stößel (90) umfasst, der wenigstens zeitweise mit einem abragenden Ende bei geschlossener erster Ventileinrichtung (62) an einem federbelasteten Ventilelement (68), vorzugsweise einer Ventilkugel oder einem druckausgeglichenen Ventilelement, der zweiten Ventileinrichtung (66) angreift.
Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (90) dann, wenn die erste Ventileinrichtung (62) gerade geschlossen ist, vom Ventilelement (68) der zweiten Ventileinrichtung (66) noch um eine Neutralstrecke (s_u) beabstandet ist.
Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetkraft eines Proportionalmagnetaktors (50), der den Stößel (90) wenigstens mittelbar betätigt, über die Neutralstrecke (s_u) bei im Wesentlichem konstantem Strom ansteigt.
Kraftstoffsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventileinrichtung (66), die zweite Ventileinrichtung (76), und die Fluidpumpe (24) in ein gemeinsames Gehäuse (112) integriert sind.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetaktor (50), mit dem der Ventilschieber (48) mindestens der ersten Ventileinrichtung (66) betätigt wird, zum Öffnen der zweiten Ventileinrichtung (76) kurzzeitig übererregt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen der zweiten Ventileinrichtung (66) ein Strom, mit dem der Magnetaktor (50) angesteuert wird, auf einen solchen Wert (i₂) angehoben wird, dass die Magnetkraft mit Abstand oberhalb der maximalen Öffnungskraft der zweiten Ventileinrichtung (66) liegt, und dass der Strom anschließend auf einen Wert (i₃) abgesenkt wird, bei dem die zweite Ventileinrichtung (66) gerade noch geöffnet bleibt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (i₂), auf den der Strom zum Öffnen der zweiten Ventileinrichtung (66) angehoben wird, von einem Druck in dem Hochdruckbereich (28) abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabsenkung abhängig von einem erfassten Druckabfall in dem Hochdruckbereich (28) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schließen der zweiten Ventileinrichtung (66) ein Strom, mit dem der Magnetaktor (50) angesteuert wird, auf einen solchen Wert (i₄) abgesenkt wird, dass die Magnetkraft mit Abstand unterhalb der Schließkraft der zweiten Ventileinrichtung (66) liegt, und dass der Strom anschließend auf einen Wert (i₅) angehoben wird, bei dem die zweite Ventileinrichtung (66) gerade noch geschlossen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerhöhung von einem erfassten Konstantdruck in dem Hochdruckbereich (28) abhängt.