-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Aus der
DE 10 2005 052 636 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 Absteuer- beziehungsweise Druckregelventils eingestellt. Die bekannte Einstelleinrichtung wird hydraulisch gesteuert, und zwar abhängig von der Menge des aus dem Kraftstoffspeicher abgesteuerten Kraftstoffs. Durch diese wird die Position eines Steuerkolbens der Einstelleinrichtung beeinflusst, der wiederum den Zufluss zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe beeinflusst.
-
Durch die
DE 199 33 198 A1 ist ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, welches einer Kraftstoffpumpe und einen von dieser gespeisten Kraftstoffspeicher aufweist. Mit dem Kraftstoffspeicher ist eine Absteuerleitung verbunden, in der ein Absteuerventil angeordnet ist. Es ist eine Einstelleinrichtung vorgesehen, durch die der Zufluss zur Kraftstoffpumpe eingestellt wird. Die Einstelleinrichtung weist einen Steuerkolben auf, der eine erste Steuerfläche umfasst, die einen ersten Druckraum begrenzt, der mit einem stromaufwärts von einer Drossel liegenden Bereich der Absteuerleitung verbunden ist. Der Steuerkolben umfasst außerdem eine entgegengesetzt wirkende zweite Steuerfläche, die einen zweiten Druckraum begrenzt, der mit einem stromabwärts von der Drossel liegenden Bereich der Absteuerleitung verbunden ist. Bei diesem Kraftstoffsystem kann eine nicht näher beschriebene Dämpfung vorgesehen sein um Schwingungen des Steuerkolbens zu vermeiden. Bei einem plötzlichen Anstieg des Mengenbedarfs im Kraftstoffspeicher, beispielsweise durch Anheben der Einspritzmenge oder Anheben des Solldrucks im Kraftstoffspeicher, kann es zu extremen Regelabweichungen zwischen Soll- und Istwert des Drucks im Kraftstoffspeicher kommen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoffsystem zu schaffen, bei dem die von der Kraftstoffpumpe geförderte Kraftstoffmenge präzise und schnell an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wesentliche Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. Die Merkmale können dabei für die Erfindung in Alleinstellung und in unterschiedlichen Kombinationen wichtig sein, ohne dass hierauf jeweils hingewiesen wird.
-
Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Mindestdurchflussmittel können Regelabweichungen vermindert und eine schnelle Anpassung an den Mengenbedarf im Kraftstoffspeicher ermöglicht werden. Damit wird das Regelverhalten des Absteuerventils verbessert. Zur Begrenzung der Verlustenergie sollte die Mindestdurchflussmenge jedoch nicht zu groß sein.
-
Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Dämpfungsmittel eine Strömungsdrossel umfassen, die zwischen zweitem Druckraum und Absteuerleitung angeordnet ist. Damit wird die Geschwindigkeit der Volumenänderung des im zweiten Druckraum eingeschlossenen Kraftstoffes begrenzt und in der Folge am Steuerkolben eine diesen bremsende Kraft erzeugt. Diese Realisierung der Dämpfungsmittel ist fertigungstechnisch einfach realisierbar, so dass das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem preiswert bleibt. Ähnliche Vorteile werden erzielt, wenn die Strömungsdrossel zwischen erstem Druckraum und Absteuerleitung angeordnet ist.
-
In Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Einstelleinrichtung einen Einlass und einen zur Kraftstoffpumpe (meist eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe) führenden Auslass umfasst, und dass die Mindestdurchflussmittel eine Bypassleitung umfassen, die den Einlass direkt mit dem Auslass verbindet und in der eine Strömungsdrossel angeordnet ist. Eine solche Bypassleitung gewährleistet den gewünschten Mindestdurchfluss, ohne dass Maßnahmen am Steuerkolben selbst erforderlich sind. Das Steuerverhalten der Einstelleinrichtung selbst bleibt also vom Mindestdurchflussmittel unbeeinträchtigt.
-
Möglich ist aber auch, dass die Einstelleinrichtung einen Einlass und einen zur Kraftstoffpumpe führenden Auslass umfasst, und dass die Mindestdurchflussmittel einen Anschlag für den Steuerkolben umfassen, wobei der Anschlag so angeordnet ist, dass der Steuerkolben die Verbindung zwischen Einlass und Auslass auch dann, wenn er in seiner geschlossenen Endstellung ist, nicht vollständig unterbricht. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass eine separate Bohrung zur Realisierung einer Bypass-Leitung nicht erforderlich ist, was eine besonders kompakte Bauweise der Einstelleinrichtung gestattet und darüber hinaus zu einer Reduktion der Herstellkosten beiträgt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems sieht vor, dass die Steuereinrichtung Anschläge für beide Endstellungen des Steuerkolbens umfasst. Damit bleibt der Steuerkolben auch in den Randbereichen seines Arbeitshubes regelbar, oder, mit anderen Worten: Ein Steuerquerschnitt bleibt auch in besagten Randbereichen unmittelbar beeinflussbar. Auch große und schnelle Änderungen der Position des Steuerkolbens, also plötzliche Änderungen des Mengenstroms in der Absteuerleitung, beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems beziehungsweise der dort vorhandenen Einstelleinrichtung somit nicht.
-
Die Endstellungen können durch Einschluss eine Kraftstoffvolumens hydraulisch bedämpft werden, um ein Prellen zu verhindern oder mindestens zu verringern.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung exemplarisch erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems mit einer hydraulisch gesteuerten Einstelleinrichtung;
- 2 eine stärker detaillierte Schnittskizze der Einstelleinrichtung von 1; und
- 3 eine Darstellung ähnlich 2 einer alternativen Ausführungsform einer Einstelleinrichtung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
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.
-
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.
-
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 näher dargestellte Brennräume der Brennkraftmaschine 12 einspritzen.
-
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 weitere Steuerleitung 38 verbindet den stromabwärts von der Strömungsdrossel 34 gelegenen Bereich 32b der Absteuerleitung 32 ebenfalls mit der Einstelleinrichtung 20.
-
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, um einen vom Drucksensor 42 erfassten Istwert einem Sollwert nachzuführen.
-
Der prinzipielle Aufbau der Einstelleinrichtung 20 wird nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert: In einem Gehäuse 44 ist ein zylindrischer Steuerkolben 46 gleitend geführt.
-
In diesem ist eine quer zur Längsachse des Steuerkolbens 46 verlaufende Querbohrung 52 vorhanden. Die Querbohrung 52 kann auch schlitzförmig sein und wird dann als „Steuerschlitz“ bezeichnet. Möglich bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist auch eine Ausgestaltung nicht in Form einer Querbohrung, sondern als Ringnut in der Außenfläche des Steuerkolbens. Ist diese Ringnut darüber hinaus beispielsweise konisch, ergibt sich bei einem Hub des Steuerkolbens eine variable Querschnittsgeometrie.
-
Der im Bereich der Querbohrung 52 den Steuerkolben 46 umgebende Bereich des Gehäuses 44 wird von einem Kanal 54 durchsetzt, der als Einlass 54a auf der einen Seite des Steuerkolbens 46 mit dem Abschnitt 18a der Niederdruckleitung 18 und als Auslass 54b der Einstelleinrichtung 20 auf der anderen Seite des Steuerkolbens 46 mit dem Abschnitt 18b der Niederdruckleitung 18 verbunden ist. Der Steuerkolben 46 mit der Querbohrung 52 bildet im Zusammenspiel mit dem Kanal 54 also ein Schieberventil.
-
Ein in 2 linker Abschnitt 48 des Steuerkolbens 46 weist stirnseitig eine erste Steuerfläche 56 auf, ein in 2 rechter Abschnitt 50 stirnseitig eine zweite Steuerfläche 58. Beide Steuerflächen 56 und 58 sind gleich groß. Die erste Steuerfläche 56 begrenzt einen ersten Druckraum 60, der wiederum über die in der vorliegenden Ausführungsform mit dem ersten Druckraum 60 beinahe zusammenfallende erste Steuerleitung 36 mit dem Abschnitt 32a der Absteuerleitung 32 verbunden ist. Die zweite Steuerfläche 58 begrenzt einen zweiten Druckraum 62, der mit dem Abschnitt 32b der Absteuerleitung 32 über die zweite Steuerleitung 38 verbunden ist. In dem zweiten Druckraum 62 ist eine Feder 64 vorhanden, die zwischen der zweiten Steuerfläche 58 und einem Abschnitt des Gehäuses 44 verspannt ist, die also den Steuerkolben 46 mit einer Kraft in 2 nach links beaufschlagt. In der zweiten Steuerleitung 38 ist eine Strömungsdrossel 66 vorhanden, die, wie weiter unten noch stärker im Detail ausgeführt werden wird, ein Dämpfungsmittel bildet, welches auf den Steuerkolben 46 mindestens mittelbar eine Bremskraft ausübt, die von der Bewegungsgeschwindigkeit des Steuerkolbens 46 abhängt.
-
Gehäuseseitig umfasst die Einstelleinrichtung 20 einen ersten ringförmigen oder zapfenförmigen Anschlag 68, der im ersten Druckraum 60 angeordnet ist und mit der ersten Steuerfläche 56 zusammenwirkt. Am entgegengesetzten Ende des Steuerkolbens 46 ist gehäuseseitig im Bereich des zweiten Druckraums 62 ein zweiter ringförmiger oder zapfenförmiger Anschlag 70 vorhanden, der mit der zweiten Steuerfläche 58 des Steuerkolbens 46 zusammenarbeitet. Die Länge des Steuerkolbens 46, die Lage der Querbohrung 52 im Steuerkolben 46 und die Lagen der beiden Anschläge 68 und 70 sind so aufeinander abgestimmt, dass dann, wenn sich der Steuerkolben 46 in der in 2 äußersten linken „offenen“ Endstellung befindet, in der die erste Steuerfläche 56 am ersten Anschlag 68 anliegt, die Querbohrung 52 im Steuerkolben 46 im Wesentlichen mit dem Kanal 54 im Gehäuse 44 fluchtet. In dieser Position des Steuerkolbens 46 ist die Einstelleinrichtung 20 also vollständig geöffnet. Liegt dagegen die zweite Steuerfläche 58 am zweiten Anschlag 70 an, fluchtet die Querbohrung 52 fast überhaupt nicht mehr mit dem Kanal 54. In dieser Position des Steuerkolbens 46 ist die Querbohrung 52 mit dem Kanal 54 nur noch durch einen kleinen Schlitz verbunden, die Einstelleinrichtung 20 ist in dieser Position also fast vollständig geschlossen.
-
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 der gleiche Druck, der folglich über die Steuerleitungen 36 und 38 auch an den beiden Steuerflächen 56 und 58 des Steuerkolbens 46 wirkt.
-
Die Feder 64 ist so ausgelegt, dass deren auf den Steuerkolben 46 in Öffnungsrichtung (in 2 also nach links) wirkende Kraft so ausreichend groß ist, dass der Steuerkolben 46 vor dem Starten der Brennkraftmaschine 12 in seiner geöffneten Endstellung ist, also mit der ersten Steuerfläche 56 am ersten Anschlag 68 anliegt. Somit kann von der Vorförderpumpe 16 eine maximale Kraftstoffmenge zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gefördert werden.
-
Auch im Betrieb der Brennkraftmaschine 12, bei fördernder Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22, kann dieser Zustand vorliegen, nämlich dann, wenn der vom Drucksensor erfasste Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26 deutlich unterhalb eines Sollwerts liegt und somit das Absteuerventil 30 geschlossen bleibt. Steigt jedoch der Druck im Hochdruck-Kraftstoffspeicher 26 auf einen Sollwert oder darüber, öffnet das Absteuerventil 30. Nun wird Kraftstoff über das Absteuerventil 30 und die Absteuerleitung 32 zum Kraftstoffbehälter 14 zurück abgesteuert.
-
Auf Grund dieser Strömung bildet sich über die Strömungsdrossel 34 hinweg eine Druckdifferenz: Stromaufwärts von der Strömungsdrossel 34 im Bereich 32a der Absteuerleitung 32 herrscht ein höherer Druck als stromabwärts von der Strömungsdrossel 34 im Bereich 32b. Entsprechend wirken an den Steuerflächen 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.
-
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 gelangen kann. 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.
-
Wenn, wie oben ausgeführt worden ist, auf Grund sich ändernder Druckverhältnisse in den beiden Druckräumen 60 und 62 sich der Steuerkolben 46 in die eine oder andere Richtung bewegen möchte, muss Kraftstoff aus dem zweiten Druckraum 62 über die zweite Steuerleitung 38 abströmen oder über die zweite Steuerleitung 38 in den zweiten Druckraum 62 einströmen. Diese Kraftstoffströmung (Volumenstrom) wird durch die Strömungsdrossel 66 abhängig von der Geschwindigkeit des Kraftstoffs in der zweiten Steuerleitung 38 gedrosselt. Wegen der vernachlässigbaren Kompressibilität des Kraftstoffes ergibt sich somit eine auf den Steuerkolben 46 wirkende Bremskraft, die von dessen Bewegungsgeschwindigkeit abhängt. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich der Steuerkolben 46 bei einer sehr raschen Änderung der Druckverhältnisse in den beiden Druckräumen 60 und 62 mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegt, was zu unerwünschten Schwingungen des Steuerkolbens 46 führen könnte. Durch die beiden Anschläge 68 und 70 wird dabei der mögliche Hub des Steuerkolbens 46 begrenzt, so dass die Einstelleinrichtung 20 auch dann funktioniert, wenn sich der Steuerkolben 46 im Bereich der einen oder der anderen Endlage befindet. Dabei können im Bereich der beiden Anschläge 68 und 70 kleine hydraulische Volumen angeordnet sein, die wie hydraulische Dämpfer wirken und ein Prellen des Steuerkolbens 46 an einem der Anschläge verhindern oder zumindest reduzieren. Gegebenenfalls können derartige hydraulische Volumen die besagten mechanischen Anschläge 68 und 70 auch ganz ersetzen.
-
Dadurch, dass bei der hier gezeigten Ausführungsform auch in der geschlossenen Stellung der Einstelleinrichtung 20 durch den vorhandenen Schlitz zwischen Querbohrung 52 und Kanal 54 eine gewisse Kraftstoffmenge zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gelangen kann, wird eine Regelabweichung bei einer „Störgrößenaufschaltung“, beispielsweise bei einer sprunghaften Änderung der Einspritzmenge, verringert. Zu beachten ist hierbei allerdings, dass der Durchfluss dann, wenn sich der Steuerkolben 46 in seiner geschlossenen Endstellung befindet, nicht zu groß ist, um die Verlustenergie des Gesamtsystems zu begrenzen.
-
Während bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Mindestdurchfluss bei geschlossener Einstelleinrichtung 20 durch eine nicht vollständig aufgegebene Überdeckung zwischen Querbohrung 52 und Kanal 54 erreicht wird, kann bei einer nicht dargestellten Ausführungsform diese Überdeckung auch vollständig aufgegeben werden, auf Grund einer entsprechenden geometrischen Ausgestaltung der Querbohrung 52 kann jedoch ein gewisser Mindestdurchfluss noch gesichert werden.
-
Eine alternative Ausführungsform einer Einstelleinrichtung 20 wird nun unter Bezugnahme auf 3 erläutert. Dabei gilt, dass solche Bereiche und Elemente, welche äquivalente Funktionen zu bereits beschriebenen Bereichen und Elementen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
-
Anders als der in 2 dargestellten Ausführungsform wird bei der in 3 gezeigten Einstelleinrichtung 20 in der geschlossenen Stellung des Steuerkolbens 46 die Überdeckung zwischen Querbohrung 52 und Kanal 54 vollständig aufgegeben. Um dennoch in dieser Position des Steuerkolbens 46 einen gewissen Mindestdurchfluss zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 hin zu gewährleisten, ist in dem Gehäuse 44 eine Bypass-Leitung 72 vorhanden, in der wiederum eine Strömungsdrossel 74 angeordnet ist. Die Bypass-Leitung 72 verbindet Einlass 54a und Auslass 54b miteinander unter Umgehung des Steuerkolbens 46 beziehungsweise der in ihm vorhandenen Querbohrung 52.
