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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 197 31 994
A1 ist ein Kraftstoffsystem bekannt, welches eine Vorförderpumpe
umfasst, die den Kraftstoff aus einem Tank fördert. Von der Vorförderpumpe
gelangt der Kraftstoff über
eine als Zumesseinheit bezeichnete Einstelleinrichtung zu einer
Hochdruck-Kraftstoffpumpe, die den Kraftstoff verdichtet und einen
Kraftstoffspeicher ("Rail") speist. An diesen
sind mehrere Kraftstoffinjektoren angeschlossen. Der Druck im Kraftstoffspeicher
wird unter anderem mittels eines Druckregelventils eingestellt.
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Die
Zumesseinheit wird ebenso wie das Druckregelventil von einem Steuergerät angesteuert. Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffsystem zu schaffen,
welches mit einem preiswerteren Steuergerät betrieben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Vorteile der
Erfindung
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Indem
die Stellung der Einstellrichtung direkt oder indirekt vom Absteuerventil
beeinflusst wird, kann auf eine direkte Ansteuerung der Einstelleinrichtung
vom Steuergerät
her verzichtet werden. Damit entfallen die entsprechenden Steckkontakte, auch
eine entsprechende Endstufe für
die Ansteuerung der Einstelleinrichtung ist nicht mehr erforderlich.
Auch die ansonsten im Steuergerät
für die
Ansteuerung der Einstelleinrichtung erforderlichen Softwarebausteine
samt Laufzeitanforderung zur Ansteuerung der Endstufen sind nicht
mehr erforderlich. Auch die für
den Betrieb des Steuergeräts
erforderliche Energie ist geringer, und das gesamte Steuergerät wird durch
den Wegfall von Bauteilen insgesamt robuster.
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Dennoch
muss auf die Vorteile der Einstellung der Förderleistung der Kraftstoffpumpe
mittels einer stromaufwärts
von der Kraftstoffpumpe angeordneten Einstelleinrichtung nicht verzichtet
werden. Möglich
wird dies, weil erfindungsgemäß erkannt wurde,
dass die Funktion des Absteuerventils und der Einstelleinrichtung
in gewisser Weise gekoppelt werden können. Wird nämlich vom
Absteuerventil Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher abgesteuert, bedeutet
dies, dass die Kraftstoffpumpe zu viel Kraftstoff fördert, die
Einstelleinrichtung also in Schließrichtung bewegt werden muss.
Wird dagegen kein Kraftstoff vom Absteuerventil abgesteuert, kann
die Einstelleinrichtung vollständig
geöffnet
sein. Erfindungsgemäß wird dieser
funktionale Zusammenhang nicht mehr über den Umweg des Steuergeräts, sondern
direkt zwischen Absteuerventil beziehungsweise dem von diesem abgesteuerten
Kraftstoffstrom und der Einstelleinrichtung hergestellt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Stellung der Einstelleinrichtung hydraulisch
beeinflusst wird, denn dann kann auf die bei einer elektrischen Ansteuerung
der Einstelleinrichtung erforderlichen Komponenten verzichtet werden.
Dies steigert nochmals die Robustheit des gesamten Systems, ermöglicht eine
konstruktiv besonders einfache Einstelleinrichtung und somit die
Einsparung von Kosten, und spart Bauraum.
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Eine
erste konkrete Ausgestaltung einer solchen hydraulischen Beeinflussungsmöglichkeit
besteht darin, dass die Einstelleinrichtung einen Steuerkolben mit
einer ersten Stirnfläche
aufweist, die gegen eine Vorspannkraft mit dem in einer Absteuerleitung
herrschenden Druck beaufschlagt wird. Dabei wird davon ausgegangen,
dass dann, wenn das Absteuerventil geöffnet ist und Kraftstoff durch
die Absteuerleitung abgesteuert wird, der Druck zumindest in einem
Bereich der Absteuerleitung höher
ist als bei geschlossenem Absteuerventil. Diese Druckänderung
kann für
die Erzeugung einer auf den Steuerkolben wirkenden variablen Steuerkraft
genutzt werden. Ein solches Kraftstoffsystem baut besonders einfach, da
auch die entsprechende Einstelleinrichtung sehr einfach hergestellt
werden kann.
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Eine
besonders feinfühlige
Steuerung der Einstelleinrichtung kann realisiert werden, wenn ein beidseitig
wirkender Steuerkolben benutzt wird. Konkret bedeutet dies, dass
zum Erzeugen mindestens eines Teils der Vorspannkraft eine zweite,
zu der ersten Stirnfläche
entgegengesetzte Stirnfläche
des Steuerkolbens hydraulisch mit einem stromabwärts von einer Strömungsdrossel
gelegenen Bereich der Absteuerleitung verbunden ist, und dass die
erste Stirnfläche
mit einem stromaufwärts
von der Strömungsdrossel
gelegenen Bereich der Absteuerleitung verbunden ist. Auf diese Weise
wird dann, wenn Kraftstoff durch die Absteuerleitung abströmt, eine Druckdifferenz über die
Strömungsdrossel
hinweg erzeugt, die in Form unterschiedlicher hydraulischer Kräfte an den
beiden entgegengesetzt wirkenden Stirnflächen des Steuerkolbens wirkt
und somit eine sichere Bewegung des Steuerkolbens ermöglicht.
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Ist
die erste Stirnfläche
größer als
die zweite Stirnfläche,
wird die Druckdifferenz in eine noch größere Kraftdifferenz übersetzt,
was zu einer nochmals sichereren Betätigung des Steuerkolbens führt. Fließt kein
Kraftstoff in der Absteuerleitung, wird der Steuerkolben dagegen
durch die dennoch vorhandene Kraftdifferenz in eine gewünschte Endlage
beaufschlagt.
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Dies
kann noch dadurch unterstützt
oder ersetzt werden, dass an einer zweiten Stirnfläche des Steuerkolbens
eine Feder angreift, die den Steuerkolben in eine gewünschte Ruhestellung,
normalerweise die vollständig
geöffnete
Ruhestellung, beaufschlagt. Dies besonders dann, wenn der Druck
in der Absteuerleitung höchstens
einem bestimmten Druck entspricht.
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Eine
Zumesseinrichtung ohne Kraftsprung und mit hoher Einstellgenauigkeit
kann realisiert werden, wenn diese ein Schieberventil aufweist.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Kraftstoffsystem mit einer hydraulisch gesteuerten Einstelleinrichtung;
und
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2 eine
stärker
detaillierte Schnittskizze der Einstelleinrichtung von 1.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
Kraftstoffsystem trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es
dient zur Versorgung einer Brennkraftmaschine 12, die in 1 jedoch
nur schematisch durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist.
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Das
Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14,
aus dem eine üblicherweise
elektrisch angetriebene Vorförderpumpe 16 den
Kraftstoff in einen Abschnitt 18a einer Niederdruckleitung 18 fördert. Der
Abschnitt 18a führt
zu einer Einstelleinrichtung 20, die auch als "Zumesseinheit" bezeichnet wird
und auf die weiter unten noch stärker
im Detail eingegangen wird.
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Von
der Einstelleinrichtung 20 führt ein Abschnitt 18b der
Niederdruckleitung 18 zu einer mechanisch von der Brennkraftmaschine 12 angetriebenen
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22.
Diese verdichtet den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn über eine
Hochdruckleitung 24 in einen Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26,
der auch als "Rail" bezeichnet wird.
An diesen sind mehrere Injektoren 28 angeschlossen, die
den Kraftstoff in nicht dargestellte Brennräume der Brennkraftmaschine 12 einspritzen.
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An
den Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26 ist ein Absteuerventil 30 angeschlossen,
von dem eine Absteuerleitung 32 zum Kraftstoffbehälter 14 zurückführt. In
der Absteuerleitung 32 ist eine Strömungsdrossel 34 angeordnet.
Jener Abschnitt der Absteuerleitung 32, der stromaufwärts von
der Strömungsdrossel 34 gelegen
ist, ist mit 32a bezeichnet, jener Abschnitt, der stromabwärts von
der Strömungsdrossel 34 angeordnet
ist, mit 32b. Der stromaufwärts von der Strömungsdrossel 34 gelegene
Abschnitt 32a der Absteuerleitung 32 ist mittels
einer gestrichelt dargestellten hydraulischen Steuerleitung 36 mit
der Einstelleinrichtung 20 verbunden. Eine Steuerleitung 38 verbindet
den stromabwärts
von der Strömungsdrossel 34 gelegenen
Bereich 32b der Absteuerleitung 32 ebenfalls mit
der Einstelleinrichtung 20.
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Der
Betrieb des Kraftstoffsystems 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 40 gesteuert beziehungsweise
geregelt. Diese wird allgemein auch einfach als "Steuergerät" bezeichnet. Das Steuergerät 40 erhält Signale
von einem Drucksensor 42, welcher den Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26 erfasst.
Abhängig
von den Signalen des Drucksensors 42 steuert das Steuergerät 40 unter
anderem das Absteuerventil 30 an.
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Der
prinzipielle Aufbau der Einstelleinrichtung 20 wird nun
unter Bezugnahme auf 2 erläutert: In einem Gehäuse 44 ist
ein Steuerkolben 46 im Wesentlichen fluiddicht und gleitend
geführt.
Der Steuerkolben 46 ist als Stufenkolben ausgeführt, mit einem
Abschnitt 48 mit größerem Durchmesser
und einem Abschnitt 50 mit kleinerem Durchmesser. In dem
Abschnitt 50 des Steuerkolbens 46 mit kleinerem
Durchmesser ist eine quer zur Längsachse
des Steuerkolbens 46 verlaufende Querbohrung 52 vorhanden.
Der im Bereich der Querbohrung 52 den Abschnitt 50 des
Steuerkolbens 46 umgebende Bereich des Gehäuses 44 wird
von einem Kanal 54 durchsetzt, der auf der einen Seite
des Steuerkolbens 46 mit dem Abschnitt 18b der
Niederdruckleitung 18 und auf der anderen Seite des Steuerkolbens 46 mit
der Hochdruckleitung 24 verbunden ist. Der Steuerkolben 46 mit
der Querbohrung 52 bildet im Zusammenspiel mit dem Kanal 54 also
ein Schieberventil.
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Der
Abschnitt 48 des Steuerkolbens 46 wird von einer
ersten Stirnfläche 56,
der Abschnitt 50 von einer zweiten Stirnfläche 58 begrenzt.
Die erste Stirnfläche 56 ist
also größer als
die zweite Stirnfläche 58. Der
Raum, der von der Stirnfläche 56 begrenzt
wird, bildet die Steuerleitung 36, die zum Abschnitt 32a der Absteuerleitung 32 führt. Der
stromabwärts
von der Strömungsdrossel 34 gelegene
Abschnitt 32b der Absteuerleitung 32 ist über die
als Stichkanal ausgebildet Steuerleitung 38 mit einem Federraum 62 verbunden,
der unter anderem von der zweiten Stirnfläche 58 des Steuerkolbens 46 begrenzt
wird. In dem Federraum 62 ist eine Druckfeder 64 angeordnet,
die an der zweiten Stirnfläche 58 des
Steuerkolbens 46 angreift und diesen zum Abschnitt 32a der
Absteuerleitung 32 beziehungsweise in eine Stellung, in
welcher die Querbohrung 52 mit dem Kanal 54 im
Wesentlichen fluchtet, hin beaufschlagt.
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Das
Kraftstoffsystem 10 mit der Einstelleinrichtung 20 arbeitet
folgendermaßen:
Kurz vor dem Starten der Brennkraftmaschine 12 fördert die
mechanische Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 noch
keinen Kraftstoff in den Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26, so dass
der Druck in diesem noch vergleichsweise niedrig ist. Folglich ist
das Absteuerventil 30 geschlossen, es strömt kein
Kraftstoff über
die Absteuerleitung 32 ab. Damit herrscht zu beiden Seiten
der Strömungsdrossel 34 in
den Abschnitten 32a und 32b der gleiche Druck,
der folglich über
die Steuerleitungen 36 und 38 auch an den beiden
Stirnflächen 56 und 58 des
Steuerkolbens 46 wirkt.
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Da
die erste Stirnfläche 56 größer ist
als die zweite Stirnfläche 58,
ergibt sich an sich eine in Schließrichtung (in 2 nach
rechts) der Einstelleinrichtung 20 wirkende Kraftresultierende.
Die Druckfeder 64 ist jedoch so ausgelegt, dass deren auf
den Steuerkolben 46 in Öffnungsrichtung
wirkende Kraft größer ist
als besagte Kraftresultierende, so dass der Steuerkolben 46 vor
dem Starten der Brennkraftmaschine 12 in seiner geöffneten
Endstellung ist. Somit kann von der Vorförderpumpe 16 eine
maximale Kraftstoffmenge zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gefördert werden,
was einen schnellen Druckaufbau beim Starten der Brennkraftmaschine 12 begünstigt.
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Auch
im Betrieb der Brennkraftmaschine 12, bei fördernder
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22, liegt dieser Zustand vor,
wenn der vom Drucksensor 42 erfasst Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26 einen
Grenzwert nicht überschreitet
und somit das Absteuerventil 30 geschlossen bleibt. Steigt
jedoch der Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26 über diesen
Grenzwert oder übersteigt
er mehr als zulässig einen
bestimmten Sollwert, öffnet
das Absteuerventil 30, so dass Kraftstoff über das
Absteuerventil 30 und die Absteuerleitung 32 zum
Kraftstoffbehälter 14 zurück abgesteuert
wird.
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Nun
bildet sich über
die Strömungsdrossel 34 hinweg
eine Druckdifferenz: Stromaufwärts
von der Strömungsdrossel 34 im
Bereich 32a herrscht ein höherer Druck als druckabwärts von
der Strömungsdrossel 34 im
Bereich 32b. Entsprechend wirken an den Stirnflächen 56 und 58 ebenfalls
unterschiedliche Drücke,
die nun dazu führen,
dass die in Schließrichtung
des Steuerkolbens 46 wirkende Kraftresultierende die in Öffnungsrichtung
wirkenden Kräfte übersteigt,
so dass der Steuerkolben 46 in Schließrichtung (in 2 nach
rechts) bewegt wird.
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Hierdurch
wird die Überdeckung
der Querbohrung 52 mit dem Kanal 54 geringer,
so dass nur noch eine geringere Kraftstoffmenge von der Vorförderpumpe 16 zur
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gelangt.
Folglich fördert
die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 auch
weniger Kraftstoff in den Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26,
so dass auch die zum Erreichen beziehungsweise Erhalten eines bestimmten
Druckniveaus vom Absteuerventil 30 abzusteuernde Kraftstoffmenge
sinkt. Damit wird auch die Druckdifferenz über die Strömungsdrossel 34 wieder
kleiner, so dass sich die Einstelleinrichtung 20 wieder
etwas öffnet. Auf
diese Weise ergibt sich am Ende ein Gleichgewichtszustand, bei dem
die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 mit minimalem Energieaufwand
arbeitet.