DE102005062548A1

DE102005062548A1 - Common-Rail-Kraftstoffsystem

Info

Publication number: DE102005062548A1
Application number: DE102005062548A
Authority: DE
Inventors: Martin Kessler; Stephan Tafel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-05
Also published as: EP1826396A1; ATE439516T1; EP1826396B1; DE502006004505D1

Abstract

Ein Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) umfasst eine Kraftstoffpumpe (16), die wenigstens zeitweise Kraftstoff in ein Rail (20) fördert. Ferner umfasst das Kraftstoffsystem (10) Injektoren (22), durch die wenigstens zeitweise Kraftstoff aus dem Rail (20) abströmt. Es wird vorgeschlagen, dass das Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) eine Ventileinrichtung (30) umfasst, die mit dem Rail (20) verbunden ist und abhängig von einem berechneten oder erfassten Druck im Rail (20) derartig angesteuert wird, das hochfrequente Druckschwingungen des im Rail (20) gespeicherten Kraftstoffs vermindert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-Kraftstoffsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Kraftstoffsystems nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs.

Vom Markt her bekannt sind Common-Rail-Kraftstoffsysteme, bei denen der Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter über eine elektrische Vorförderpumpe zu einer mechanisch angetriebenen Hochdruckpumpe gefördert wird. Diese verdichtet den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn weiter in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher, der auch als "Common-Rail" bezeichnet wird. An diesen sind mehrere Injektoren angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume einspritzen.

Die Einspritzvorgänge durch die einzelnen Injektoren sind impulsartig. Durch dieses nur sehr kurzzeitige Abströmen von Kraftstoff aus dem Rail über die Injektoren kann es im Rail zu erheblichen Druckschwankungen beziehungsweise Druckschwingungen kommen. Diese Druckschwingungen setzen sich auch in solche Bereiche des Common-Rail-Kraftstoffsystem fort, die unmittelbar an das Rail angeschlossen sind, beispielsweise bis zu anderen Injektoren. Mit anderen Worten: Die Betätigung eines Injektors führt zu einer Druckschwingung im Rail, die die Zumessgenauigkeit der anderen Injektoren beeinflusst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Common-Rail-Kraftstoffsystem zu schaffen, in dessen Hochdruckbereich, insbesondere in dessen Rail, ein möglichst konstanter Druck herrscht. Dies soll mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand realisiert werden können.

Offenbarung der Erfindung

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Common-Rail-Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Kraftstoffsystems mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere wichtige Merkmale der Erfindung finden sich in der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei können die Merkmale alleine oder in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein, ohne dass an der entsprechenden Stelle darauf hingewiesen wird.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ventileinrichtung, die mit dem Rail verbunden ist, wird Einfluss auf den dynamischen Druck im Rail genommen, indem das Zuströmen und/oder das Abströmen von Kraftstoff aus dem Rail beeinflusst wird. Die Ventileinrichtung wird zu diesem Zweck derart angesteuert, dass hochfrequente Druckschwingungen des im Rail gespeicherten Kraftstoffs vermindert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass während eines Druckbergs ein Abströmen von Kraftstoff aus dem Rail ermöglicht und/oder ein Zuströmen von Kraftstoff zum Rail verringert oder gestoppt wird. Umgekehrt kann bei einem Drucktal ein Zuströmen von Kraftstoff verstärkt zugelassen und/oder ein Abströmen verhindert werden.

Damit können hochfrequente Druckschwingungen des im Rail gespeicherten Kraftstoffes, die beispielsweise durch die Betätigung von Injektoren, die an das Rail angeschlossen sind, hervorgerufen werden, verringert und damit der Druckverlauf des im Rail gespeicherten Kraftstoffs geglättet werden. Eine einfache Realisierung besteht beispielsweise darin, die Ventileinrichtung mit der Frequenz der hochfrequenten Schwingungen und gegebenenfalls mit einer Phasenverschiebung gegenüber den hochfrequenten Schwingungen anzusteuern. Die hochfrequenten Schwingungen können dabei entweder von einem Sensor erfasst oder mittels eines geeigneten numerischen Modells berechnet werden. Das Rail selbst und die an das Rail angeschlossenen Komponenten werden auf diese Weise entlastet, was deren Lebensdauer zugute kommt. Für eine gute Dynamik kann die Ventileinrichtung auch mit einem vorgesteuerten Signal angesteuert werden, welches beispielsweise von einer Drehzahl und einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängt.

Dabei kann die erfindungsgemäß vorgesehene Ventileinrichtung arbeiten, ohne eine elektrische Stromversorgung stark zu belasten. Auch die Verlustleistung einer solchen elektrischen Ventileinrichtung ist gering, mit entsprechend geringer Wärmeerzeugung. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung kann darüber hinaus vergleichsweise klein bauen. Kräftige und damit kostenintensive Stelleinrichtung nebst zugehörigen Leistungsendstufen sind nicht erforderlich. Insgesamt wird das Glätten der Druckschwingungen durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ventileinrichtung und deren entsprechende Ansteuerung mit geringem Aufwand und geringen Kosten ermöglicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtung fluidisch in einer Förderleitung zwischen der Kraftstoffpumpe und dem Rail angeordnet ist. Grundsätzlich ist es zwar auch denkbar, eine Ventileinrichtung fluidisch in einer Rücklaufleitung zwischen dem Rail und beispielsweise einem Niederdruckbereich anzuordnen, hierdurch würde der Wirkungsgrad des Common-Rail-Kraftstoffsystems jedoch erheblich verringert. Dieser Effekt wird durch eine Anordnung zwischen Kraftstoffpumpe und Rail vermieden.

Möglich ist auch, dass die Ventileinrichtung in einer Bypassleitung zu einer Förderleitung zwischen Kraftstoffpumpe und Rail angeordnet ist, und dass die Bypassleitung mit einem hydraulischen Speichervolumen verbunden ist. Damit erfolgt die Hauptversorgung des Rails, also die Einstellung des in diesem herrschenden mittleren Kraftstoffdrucks, direkt über die Förderung des Kraftstoffs von der Kraftstoffpumpe über die Förderleitung zum Rail. Der "Wechselanteil" des Kraftstoffdrucks im Rail wird durch das hydraulische Speichervolumen reduziert, welches mittels der Ventileinrichtung abhängig von den hochfrequenten Drckschwingungen mehr oder weniger (bei einem Druckbegrenzungsventil als Ventileinrichtung) oder digital (bei einem Schaltventil als Ventileinrichtung) zugeschaltet wird.

Die Ventileinrichtung kann beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil umfassen. Diese wird dann mit einem Signal angesteuert, welches entsprechend den zu dämpfenden Druckschwingungen moduliert ist. Auf diese Weise können auch eher niederfrequente Druckschwingungen vergleichsweise sauber geglättet werden.

Eine einfacher bauende Variante umfasst eine Ventileinrichtung mit einem Schaltventil. In diesem Fall wird der von der Kraftstoffpumpe zum Rail geförderte Kraftstoffstrom entsprechend der zu dämpfenden Druckschwingungen "getaktet".

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 ersten Ausführungsbeispiels eines Common-Rail-Kraftstoffsystems;

2 ein Diagramm, in dem der Verlauf eines in einem Rail des Common-Rail-Kraftstoffsystems von 10 herrschenden Drucks über der Zeit aufgetragen ist;

3 eine schematische Darstellung ähnlich 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Common-Rail-Kraftstoffsystems;

4 eine schematische Darstellung ähnlich 1 eines dritten Ausführungsbeispiels eines Common-Rail-Kraftstoffsystems; und

5 eine schematische Darstellung ähnlich 1 eines vierten Ausführungsbeispiels eines Common-Rail-Kraftstoffsystems.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 trägt ein Common-Rail-Kraftstoffsystem insgesamt das Bezugszeichen 10. Es gehört zu einer Brennkraftmaschine, die jedoch im Einzelnen nicht gezeigt ist. Die Brennkraftmaschine wiederum dient zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, welches in 1 ebenfalls nicht gezeigt ist.
Das Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine elektrische Vorförderpumpe 14 den Kraftstoff zu einer mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 fördert. Bei dieser handelt es sich im Allgemeinen um eine Kolbenpumpe. Von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 führt eine Förderleitung 18 zu einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 20, an den mehrere Injektoren 22 angeschlossen sind. Der Hochdruck-Kraftstoffspeicher 20 wird daher auch als "Rail" oder "Common-Rail" bezeichnet. Die Injektoren 22 spritzen den Kraftstoff direkt in einen ihnen jeweils zugeordneten Brennraum (nicht dargestellt) ein.
Der Druck des Kraftstoffes, der im Rail 20 herrscht, wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Drucksensor 24 erfasst. Das entsprechende Signal 26 wird einer Steuer- und Regeleinrichtung 28 zugeführt. In der Förderleitung 18 zwischen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 und Rail 20 ist eine Ventileinrichtung 30 angeordnet. Diese umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil 32 mit einem Magnetaktor 34. Dieser erhält ein entsprechendes Steuersignal 36 von der Steuer- und Regeleinrichtung 28.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine und des Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 werden die Injektoren 22 abwechselnd entsprechend einer Zündfolge der Brennkraftmaschine angesteuert, um den Kraftstoff in die Brennräume einzuspritzen. Die Einspritzung erfolgt dabei üblicherweise in Form eines vergleichsweise kurzen Einspritzimpulses. Während eines solchen Einspritzimpulses sinkt ein Druck p des Kraftstoffes im Rail 20, wohingegen er zwischen zwei Einspritzungen aufgrund der Nachförderung durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 wieder ansteigt, entsprechend der gestrichelten Kurve in 2.
Durch eine solche hochfrequente Schwingung des Drucks p im Rail 20 würde dieses ebenso wie die mit ihm verbundenen Komponenten relativ hohen Belastungen ausgesetzt. Daher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Druckregelventil 32 der Ventileinrichtung 30 von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 mit der Frequenz der hochfrequenten Schwingungen und gegebenenfalls mit einer Phasenverschiebung gegenüber den hochfrequenten Schwingungen des Drucks im Rail 20 angesteuert. Hierzu wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 ein Steuersignal 36 erzeugt, welches abhängig von dem Signal 26 des Drucksensors 24 moduliert ist.
Auf diese Weise wird die Förderung von Kraftstoff von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 über die Förderleitung 18 zum Rail 20 während eines Druckbergs (Bezugszeichen 38 in 2) reduziert, wohingegen die Förderung während eines Drucktals (Bezugszeichen 40 in 2) vom Druckregelventil 32 freigegeben wird. Hierdurch werden die Druckschwingungen im Rail 20 geglättet, was zu der durch eine durchgezogene Linie dargestellten geglätteten Kurve für den Druck p in 2 führt.
Eine alternative Ausführungsform eines Common-Rail-Kraftstoffsystems 10 ist in 3 gezeigt. Dabei gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu vorab beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 1 umfasst die Ventileinrichtung 30, die in der Förderleitung 18 zwischen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 und Rail 20 angeordnet ist, kein Druckregelventil, sondern ein Schaltventil in Form eines 2/2-Wegeventils 42. Der Mitteldruck im Rail 20 wird über ein separates Druckregelventil 44 eingestellt. Zum Glätten der Druckschwingungen im Rail 20 wird der von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 über die Förderleitung 18 zum Rail 20 strömende Volumenstrom mittels des Schaltventils 42 "getaktet".
Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform zeigt 4: Bei dieser ist fluidisch parallel zur Förderleitung 18 eine Bypassleitung 46 vorhanden, in der, von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 zum Rail 20 gesehen, zunächst ein Rückschlagventil 48, dann ein hydraulisches Speichervolumen 50 und schließlich die bereits aus den 1 und 3 bekannte Ventileinrichtung 30 in Form eines Druckregelventils 32 angeordnet sind. Das Rückschlagventil 48 sperrt den Bereich zwischen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 und hydraulischem Speichervolumen 50 zum hydraulischen Speichervolumen 50 hin.
Auch hier dient die Ventileinrichtung 30 mit dem Druckregelventil 32 dazu, Druckschwingungen im Rail 20 zu verringern. Dabei erfolgt die Einstellung des Mittelwerts des Drucks im Rail 20 (strichpunktierte Linie in 2) im Wesentlichen über die einstellbare Fördermenge der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16, wohingegen die Reduzierung der eigentlichen Schwingungen, also des Wechselanteils des Drucks p im Rail 20, durch die über das Druckregelventil 32 modulierte Hinzuschaltung des hydraulischen Speichervolumens 50 geschieht.
Wie aus 5 hervorgeht, kann das in der Bypassleitung 46 angeordnete Druckregelventil 32 auch durch ein Schaltventil 42 realisiert werden. In diesem Fall erfolgt die Verbindung des Rails 20 mit dem hydraulischen Speichervolumen 50 "getaktet". Ein weiterer Unterschied der beiden in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen von Common-Rail-Kraftstoffsystem 10 im Vergleich zu den in den 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass ein Drucksensor 24 zumindest nicht für die hier im Vordergrund stehende Glättungsfunktion des Druckverlaufs im Rail 20 vorgesehen ist. Stattdessen wird für die Erzeugung des Steuersignals 36 ein numerisches Modell der Druckverhältnisse im Rail 20 verwendet.

Claims

Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) mit einer Kraftstoffpumpe (16), die wenigstens zeitweise Kraftstoff in ein Rail (20) fördert, und mit Injektoren (22), durch die wenigstens zeitweise Kraftstoff aus dem Rail (20) abströmt, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Ventileinrichtung (30) umfasst, die mit dem Rail (20) verbunden ist und abhängig von einem berechneten oder erfassten Druck (p) im Rail (20) oder einem sonstigen Betriebsparameter derart ansteuerbar ist, dass hochfrequente Druckschwingungen des im Rail (20) gespeicherten Kraftstoffs vermindert werden.
Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (30) fluidisch in einer Förderleitung (18) zwischen der Kraftstoffpumpe (16) und dem Rail(20) angeordnet ist.
Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (30) in einer Bypassleitung (46) zu einer Förderleitung (18) zwischen Kraftstoffpumpe (16) und Rail (20) angeordnet ist, und dass die Bypassleitung (46) mit einem hydraulischen Speichervolumen (50) verbunden ist.
Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (30) ein Druckbegrenzungsventil (32) umfasst.
Common-Rail-Kraftstoffsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (30) ein Schaltventil (42) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Kraftstoffsystems (10), bei dem Kraftstoff wenigstens zeitweise von einer Kraftstoffpumpe (16) in das Rail (20) gefördert und der Kraftstoff wenigstens zeitweise über Injektoren (22) aus dem Rail (20) abströmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Rail (20) verbundene Ventileinrichtung (30) abhängig von einem berechneten oder erfassten Druck (p) im Rail (20) oder einem sonstigen Betriebsparameter derart angesteuert wird, dass hochfrequente Druckschwingungen des im Rail (20) gespeicherten Kraftstoffs vermindert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (30) mit der Frequenz der hochfrequenten Schwingungen und gegebenenfalls mit einer Phasenverschiebung gegenüber den hochfrequenten Schwingungen angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Ventileinrichtung (30) ein Druckbegrenzungsventil (32) umfasst, dieses mit einem modulierten Signal (36) angesteuert wird.