DE102009060058A1

DE102009060058A1 - Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem und Verfahren zum Betrieb eines solchen

Info

Publication number: DE102009060058A1
Application number: DE102009060058A
Authority: DE
Inventors: Marc Hohmann; Markus Keutz; Rainer Nowak
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem (1) mit einer Vorförderpumpe (7), welche Kraftstoff (4) zu einer Hochdruckpumpe (11) führt, welche den Kraftstoff (4) zu einem Common-Rail (12) führt.

Um ein kostengünstiges Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kraftstoff (4) aufeinander folgend
– über ein Schaltventil (3)
– zur Vorförderpumpe (7),
– zu einem Volumenstromregelventil (11) und
– im Anschluss zur Hochdruckpumpe (7)
geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Patentanspruch 6 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems.
Aus der DE 10 2007 015 876 A1 ist bereits ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Vorförderpumpe bekannt. Die Vorförderpumpe fördert dabei Diesel-Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff über eine Hochdruckleitung zu einem Common-Rail führt. Dabei ist ein Druckregelventil an die Hochdruckleitung angeschlossen, welches über eine Rückführleitung zu einem Tank führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Vorteil der Erfindung kann auf ein aufwändiges Druckregelventil verzichtet werden, wobei ein einfaches Volumenstromregelventil den Volumenstrom von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe regelt. Ein solches einfaches Volumenstromregelventil ist gegenüber der Druckregelung kostengünstiger. Jedoch weist ein einfaches Volumenstromregelventil in der gänzlich geschlossenen Stellung eine relativ hohe Leckage auf. Diese Leckage ist zwar über entsprechend kleine Spaltmaße reduzierbar. Entsprechend hohe Herstellungskosten und Funktionsnachteile wären jedoch die Folge. Diese Leckage in der gänzlich geschlossenen Stellung wird im Folgenden auch für ein Schaltventil und Injektoren als Null-Leckage bezeichnet. Damit diese Null-Leckage nicht zur Hochdruckpumpe gefördert wird, welche den Kraftstoff über das Common-Rail und die zumeist mit einer relativ hohen Null-Leckage behafteten Injektoren in den Brennraum drücken würde, ist erfindungsgemäß ein einfaches Schaltventil vorgesehen, welches den Kraftstofffluss zur Vorförderpumpe gänzlich schließt oder zumindest drosselt. Auch bei Schaltventilen steigen die Herstellungskosten mit den Anforderungen an die Leckagedichtheit. Jedoch reicht eine Drosselung durch das Schaltventil in der geschlossenen Stellung bereits aus, da der Vorförderpumpe dann entsprechend wenig Kraftstoff zur Druckerzeugung zur Verfügung steht und dann demzufolge nur ein sehr geringer Druck am Volumenstromregelventil ansteht. Befindet sich dieses Volumenstromregelventil ebenenfalls in der geschlossenen Stellung, wird trotz dessen großer Null-Leckage praktisch kein Kraftstoff mehr zur Hockdruckpumpe gefördert. Auch kostengünstige Injektoren mit hoher Null-Leckage entlassen somit keinen oder kaum Kraftstoff in den Brennraum.
Da das Schaltventil lediglich die Kraftstoffzufuhr abschalten oder stark drosseln soll, weist das Schaltventil in einer besonders kostengünstigen Ausgestaltungsform lediglich die beiden Schaltstellungen „auf” und „zu” auf. Grundsätzlich kann jedoch ein einfaches Schaltventils auch proportional angesteuert werden, wobei eine schlechte Regelgüte die Folge ist. Eine solche schlechte Regelgüte kann bei der erfindungsgemäßen Lösung jedoch akzeptiert werden, der da Hauptzweck der Schaltventils lediglich das Abschalten des Kraftstoffzuflusses ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung braucht bei Verwendung solch kostengünstiger Injektoren mit hoher Null-Leckage kein mechanisches Überdruckventil zur Absicherung des Drucks im Common-Rail vorgesehen sein, da die Injektoren im Fehlerfall des Schaltventils den Druck im Common-Rail abbauen. Es können jedoch auch hochwertige Injektoren mit extrem geringer Null-Leckage vorgesehen sein. In diesem Fall kann zur Absicherung des Drucks im Common-Rail ein Überdruckventil vorgesehen sein.
Die Abschaltung des Kraftstoffs durch Schließen des Schaltventils und des Volumenstromregelventils macht insbesondere bei der Schubabschaltung im Schubbetrieb des Kraftfahrzeuges, bei der Not-Motorabschaltung und im Start-stop-Betrieb Sinn. Gerade in diesen Betriebszuständen soll kein Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors gelangen. Aber auch beim normalen Motor-stop soll kein Kraftstoff in dem Brennraum gelangen. Darauf sind die Verfahrensansprüche gerichtet.
Die Steuerung bzw. Regelung des Schaltventils und des Volumenstromregelventils kann in besonders vorteilhafter Weise mittels einer Steuerungseinheit erfolgen.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur das Schema eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems 1. An einen mit Diesel-Kraftstoff 4 gefüllten Tank 2 ist eine Abgangsleitung 5 angeschlossen. Diese Abgangsleitung 5 führt zu einem Schaltventil 3. Das Schaltventil 3 ist dabei als 2/2-Wege-Schaltventil ausgeführt und in der Zeichnung in der offenen Stellung dargestellt. In dieser offenen Stellung führt eine Leitung 6 den Diesel-Kraftstoff 4 zu einer vom Verbrennungsmotor über ein Getriebe angetriebenen Vorförderpumpe 7, welche den Diesel-Kraftstoff 4 mit einem Nenndruck zwischen 5 bar und 12 bar über eine Leitung 9 zu einem Volumenstromregelventil 8 fördert. Das Volumenstromregelventil 8 ist dabei als proportionales 2/2-Wege-Ventil ausgeführt und in der Zeichnung in der offenen Stellung dargestellt. Es sind dabei zwischen der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung beliebige Zwischenstellungen möglich und einregelbar. In der offenen Stellung führt eine Leitung 10 den Diesel-Kraftstoff 4 zu einer vom Verbrennungsmotor über ein Getriebe angetriebenen Hockdruckpumpe 11. Diese Hochdruckpumpe 11 fördert den Diesel-Kraftstoff 4 zu einem Common-Rail 12. Der Common-Rail 12 bildet dabei praktisch einen Pufferspeicher, der den pulsierenden Diesel-Kraftstoffstrom der Hochdruckpumpe 11 dämpft. Da die Einspritzmenge an den Injektoren 17 sehr klein ist, wird die elastische Dehnung des Common-Rails 12 als Pufferspeicher genutzt. Von diesem Common-Rail 12 wird der Diesel-Kraftstoff 4 auf die leckagefreien Injektoren 17 verteilt, die den Diesel-Kraftstoff 4 in die Brennräume des nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors einspritzen. Dem Common-Rail 12 folgt ein rein mechanisch funktionierendes Druckbegrenzungsventil 13, welches einen Ansprechdruck von 2200 bar aufweist. Mit diesem Druckbegrenzungsventil 13 wird der Überlastfall abgesichert. Vom Druckbegrenzungsventil 13 wird demzufolge Diesel-Kraftstoff über eine Rückflussleitung 14 zum Tank 2 zurückgeleitet, wenn der Druck im Common-Rail 12 den Ansprechdruck überschreitet. Von der Rückflussleitung 14 führen Zweigleitungen 15 zu den Injektoren 17, durch welche zur Kühlung der Injektoren 17 ein Teil des Diesel-Kraftstoffs 4 stets zirkuliert. Von der Hochdruckpumpe 11 führt ein Niederdruckrücklauf 18 zur Abgangsleitung 5 zwischen dem Tank 2 und dem Schaltventil 3, so dass dieser Diesel-Kraftstoff 4 wieder zur Vorförderpumpe 7 geleitet wird, sofern sich das Schaltventil 3 in der offenen Stellung befindet.
Es ist ein Steuergerät ECU vorhanden, welches die Injektoren 15, das Schaltventil 3 und das Volumenstromregelventil 8 ansteuert. Dazu gehen dem Steuergerät ECU vom Datenbus des Fahrzeuges – beispielsweise einem CAN-Bus – Informationen S₁, S₂, S₃, S_n zu, die beispielsweise die Motordrehzahl, Diesel-Kraftstoff-Temperatur, Geschwindigkeit, Stellung des Bremspedals, ggfs. Stellung des Kupplungspedals etc. repräsentieren. Damit liegt in dem Steuergerät ECU ggfs. auch die Information vor, dass eine Not-Motorabschaltung notwendig ist oder sich das Fahrzeug in der Schubabschaltung befindet. In diesen beiden Fällen wird das Schaltventil 3 geschlossen, so dass nur noch ein geringer Leckagestrom durch das Schaltventil 3 zur Vorförderpumpe 7 fließt. Damit bringt diese Vorförderpumpe 7 nur noch einen erheblich unter dem Nenndruck liegenden Druck auf. Folglich ist die Null-Leckage am Volumenstromregelventil 8 sehr gering. Entsprechend wird kein zusätzlicher Druck mehr im Common-Rail 12 eingebracht, so dass der Verbrennungmotor bei unbetätigten Injektoren schnell zum Stillstand gebracht werden kann.
Im Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem 1 ist noch ein zeichnerisch nicht näher dargestellter Kraftstoffkühler vorgesehen.
Die Vorförderpumpe und/oder die Hochdruckpumpe muss nicht über ein Getriebe vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. Die beiden Pumpen können beispielsweise auch

– direkt von der Kurbelwelle oder
– der Nockenwelle im Verhältnis 1:2 zur Motordrehzahl

Sowohl der mit 2200 bar angegebene Druck der Hochdruckpumpe als auch der zwischen 5 bar und 12 bar liegende Nenndruck der Vorförderpumpe sind selbstverständlich nur beispielhaft. Auch höhere oder niedrigere Drücke sind möglich.
Das Schaltventil kann stromlos offen oder stromlos geschlossen ausgeführt sein.
Auf das Druckbegrenzungsventil 13 kann verzichtet werden, wenn keine leckagefreien Injektoren sondern übliche Injektoren – z. B. mit Magnetventil oder Piezo-Technik – Anwendung finden. Solche üblichen Injektoren sind mit einer Leckage behaftet und bauen damit den Druck über die Leckage in den Brennraum ab. Ein Druckbegrenzungsventil 13 ist damit nicht notwendig, kann jedoch dennoch Anwendung finden, um bei entsprechend niedrigem Ansprechdruck des Druckbegrenzungsventils 13 die Menge vom unverbrannten Diesel-Kraftstoff im Brennraum zu verringern.
Die Verbrennungsverfahren von Benzin, Dieselkraftstoff, Ethanol etc. weisen inzwischen technische Überschneidungen auf. In Rahmen dieser Entwicklungen ist es auch möglich, anstelle Diesel-Kraftstoff einen anderen Kraftstoff zu verwenden.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007015876 A1 [0002]

Claims

Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Vorförderpumpe (7), welche Kraftstoff (4) zu einer Hochdruckpumpe (11) führt, welche den Kraftstoff (4) zu einem Common-Rail (12) führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff (4) aufeinander folgend – über ein Schaltventil (3) – zur Vorförderpumpe (7), – zu einem Volumenstromregelventil (11) und – im Anschluss zur Hochdruckpumpe (7) geleitet wird.
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass leckagefreie Injektoren (17) an den Common-Rail (12) angeschlossen sind, wobei ein Druckbegrenzer (13) vorgesehen ist, der den Kraftstoff (4) bei Überschreiten eines Ansprechdrucks im Kraftstofffluss vor die Vorförderpumpe (7) zurückführt.
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbegrenzer (13) den Kraftstoff (4) bei Überschreiten des Ansprechdrucks vor das Schaltventil (3) zurückführt.
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (ECU) vorgesehen ist, welches das Schaltventil (3) ansteuert.
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (ECU) auch das Volumenstromregelventil (8) ansteuert.
Verfahren zum Betrieb eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abschalten eines vom Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems (1) mit Kraftstoff (4) versorgten Verbrennungsmotors das Schaltventil (3) geschlossen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb das Schaltventil (3) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schließen des Schaltventils (3) auch das Volumenstromregelventil (11) geschlossen wird.