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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Brennraum, ein Einspritzsystem mit einem dem Brennraum zugeordneten Injektor, einem den Injektor mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagenden Hochdruckspeicher und einer den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgenden Hochdruckpumpe, und einen Kraftstofftank, eine die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank versorgende Vorförderpumpe sowie eine Steuereinheit aufweist.
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Bei den Einspritzsystemen von Brennkraftmaschinen können bei Fehlerfällen unzulässige Druckerhöhungen im System auftreten. Aus diesem Grund ist ein Schutz des gesamten Systems vor unzulässigen Druckerhöhungen erforderlich. Bei zum Beispiel Diesel Common Rail Systemen wird bei sogenannten Einstellersystemen, bei welchen zur Raildruckregelung des Systems einzig ein Volumenstromregelventil verwendet wird, ein mechanisches Überdruckventil eingesetzt. Dieses mechanische Überdruckventil (Druckbegrenzungsventil) öffnet bei einem entsprechenden Überdruck im System. Dadurch werden die Systemkomponenten vor Überdrücken geschützt und eventuell auftretende Leckagen durch Undichtigkeiten etc. vermieden.
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Um eine Druckbegrenzung im Fehlerfall zu erzielen, muss aus dem Hochdruckspeicher die überschüssige Menge Kraftstoff entweichen können. Bei auftretendem Überdruck steuert das vorgesehene Überdruckventil eine entsprechende Kraftstoffmenge aus dem Hochdruckspeicher ab. Bei Anordnung dieses Überdruckventils an einer Hochdruckpumpe kann die entsprechende Kraftstoffmenge über den teilweise vorhandenen Pumpenrücklauf abgesteuert werden. Bei Anordnung des Überdruckventils (Druckbegrenzungsventils) am Common Rail oder an einer hochdruckführenden Leitung muss die überschüssige Kraftstoffmenge zum Druckabbau über einen speziellen Rücklauf dem Tanksystem zugeführt werden.
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Zur Erzielung einer Druckbegrenzung im Fehlerfall ist es daher bei sogenannten Einstellersystemen mit Volumenstromregelung (über ein Volumenstromregelventil oder ein digitales Einlassventil) bekannt, ein mechanisches Überdruckventil (Druckbegrenzungsventil) vorzusehen, das mit hochdruckführenden Komponenten, beispielsweise Hochdruckpumpe, Rail, Injektoren, verbunden ist und überschüssigen Kraftstoff aus dem Hochdrucksystem absteuert. Bei sogenannten Zweistellersystemen mit Volumenstromvorsteuerung und Druckregelung ist es bekannt, zusätzlich zum Volumenstromregelventil ein Druckregelventil vorzusehen.
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Derartige Überdruckventile/Druckregelventile sowie eventuell notwendige zusätzliche Kraftstoffrückführleitungen führen zu zusätzlichen Material- und Montagekosten und erhöhen die Gesamtkosten eines Einspritzsystems.
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Ferner ist aus der
DE 10 2009 014 072 A1 eine Druckentlastungsvorrichtung eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der anstelle eines Druckbegrenzungsventils in einer speziellen Rücklaufleitung eine Drossel mit einer nachgeschalteten Berstscheibe vorgesehen ist. Wenn der definierte Kraftstoffdruck im Einspritzsystem über einen Druckgrenzwert ansteigt, wird die Berstscheibe teilweise oder vollständig zerstört. Dadurch wird die Rücklaufleitung freigegeben, so dass Kraftstoff über die Rücklaufleitung zum Kraftstofftank abgeführt werden kann. Mithilfe der Drossel ist ein Restdruck im Kraftstoffeinspritzsystem aufrechterhaltbar, so dass ein Notbetrieb der Brennkraftmaschine möglich ist.
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Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Druckbegrenzungsventil, dessen Öffnen von einem Drucksensor in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck gesteuert wird, ist in der
EP 0 678 668 B1 beschrieben. Weitere Kraftstoffeinspritzsysteme mit Druckbegrenzungsventilen/Regelventilen gehen beispielsweise aus der
DE 101 55 247 A1 , der
DE 198 22 671 A1 und der
EP 1 411 238 A1 hervor.
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Auch die
DE 10 2008 036 819 A1 offenbart eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Überdrucksicherungsanordnung, die ein in einer Gehäuseausnehmung angeordnetes Scheibenelement mit einer Dichtlippe aufweist, wobei die Dichtlippe in einem Dichtsitz der Gehäuseausnehmung aufsitzt und eine Fluideintrittsöffnung dicht abschließt. Die Dichtlippe und der Dichtsitz sind so ausgebildet und angeordnet, dass unterhalb eines vorgegebenen Drucks die Dichtlippe an dem Dichtsitz fluiddicht anliegt und so der Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung verhindert ist und oberhalb des vorgegebenen Drucks die Dichtlippe von dem Dichtsitz beabstandet ist und der Fluiddurchsatz durch eine Fluidaustrittsöffnung zum Druckabbau freigegeben ist, wobei der überströmende Kraftstoff in einen Tank abgeleitet wird.
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Weiterhin offenbart die
DE 10 2009 028 238 A1 einen weiteren Hochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Einrichtung zum schnellen Druckaufbau. Der Hochdruckspeicher umfasst ein erstes Volumen sowie ein zweites Volumen, die voneinander durch ein Rückschlagventil getrennt sind. Das erste Volumen liegt bevorzugt in dem Bereich, in dem vom Hochdruckspeicher aus die Anschlüsse zum Anschluss der mit Kraftstoff zu versorgenden Kraftstoffinjektoren abzweigen. Dies hat den Vorteil, dass in dem ersten Volumen in der Startphase der Verbrennungskraftmaschine durch ein den Hochdruckspeicher beaufschlagendes Förderaggregat der Systemdruck um ein Vielfaches schneller aufgebaut werden kann als in dem weiteren zweiten Volumen, welches stromab des Rückschlagventils liegt. Durch das Förderaggregat wird zuerst der Druck in dem kleineren Volumen aufgebaut, bevor das Rückschlagventil bei Erreichen beziehungsweise Überschreiten seines Öffnungsdrucks öffnet und beide Volumina mit Systemdruck beaufschlagt werden.
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Auch die Offenlegungsschrift
DE 44 10 616 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Schutz von mediumführenden Anlagen bei Störfällen mit unzulässiger Druckzunahme wie Explosionen und dergleichen, wobei die Anlage zumindest eine Druckentlastungsöffnung mit Verschlußelement aufweist und das Verschlußelement die Öffnung im störungsfreien Zustand verschließt, während sie diese im Störzustand freigibt. Damit das unter Umständen hochgiftige Medium bei einem solchen Störfall nicht in die Atmosphäre abgeblasen wird, ist an die Druckentlastungsöffnung ein gasdichter Auffangbehälter mit bei Druckbeaufschlagung ausdehnbarem Reservoirraum angeschlossen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das sich mit besonders geringem Aufwand realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:
Zurverfügungstellen eines zusätzlichen Speicherraumes im/am Hockdruckspeicher, der während des Normalbetriebes der Brennkraftmaschine geschlossen ist;
selbsttätiges Öffnen des zusätzlichen Speicherraumes bei Erreichen eines bestimmten Überdrucks im Hochdruckspeicher durch den Überdruck; und
bei Erreichen des Überdrucks zeitgleiches Reduzieren der Förderleistung der Hochdruckpumpe.
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Bei Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus im Hochdruckspeicher wird somit die Trennung zwischen Hochdruckspeicher und zusätzlichem Speicherraum überwunden, so dass sich das hydraulische Hochdruckvolumen vergrößert. Die Größe des zusätzlichen Speicheraumes kann entsprechend der Systemanforderung (Pumpenförderleistung im Fehlerfall etc.) ausgelegt werden. Nach Erreichen eines Überdrucks von beispielsweise 2.400 bar wird der zusätzliche Speicherraum geöffnet. Durch die hierdurch erfolgende Vergrößerung des hydraulischen Hochdruckvolumens gemäß dem vereinfacht dargestellten physikalischen Zusammenhang Δp = / EV·ΔQ mit Δp = Druckaufbau, E = Elastizitätsmodul, V = hydraulisches Hochdruckvolumen und ΔQ = Kraftstoffmengendifferenz im Hochdruckvolumen
wird der Druckaufbau im Hochdruckspeicher verlangsamt bzw. kommt es kurzzeitig zu einem Druckeinbruch.
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Zeitgleich mit dem Auftreten des Fehlerfalles (Erreichen des Überdrucks) wird die Förderleistung der Hochdruckpumpe reduziert, insbesondere durch Ausschalten oder durch Leistungsverringerung der Vorförderpumpe (Tankpumpe). Aufgrund dieser Leistungsreduzierung und dem absinkenden Druckniveau in der Hochdruckpumpenzulaufleitung verschlechtert sich der volumetrische Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe. Die Förderleistung der Hochdruckpumpe wird daher reduziert, so dass es zu einer Reduzierung des Zulaufdrucks im Einspritzsystem kommt. Beispielsweise kann hierbei die Pumpenförderleistung aufgrund der Vordruckreduzierung innerhalb von ca. 2 sec auf eine Nullförderung der Hochdruckpumpe absinken. Der in dieser Zeit, beispielsweise in den erwähnten ca. 2 sec, stattfindende Druckaufbau bis zum Inkrafttreten der Leistungsreduzierung durch beispielsweise Abschalten oder Leistungsreduzierung der Vorförderpumpe wird über den sich öffnenden zusätzlichen Speicherraum des Hochdruckspeichers ausgeglichen oder begrenzt.
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Erfindungsgemäß wird somit ein während des Normalbetriebes geschlossener zusätzlicher Speicherraum (zusätzliches Hochdruckvolumen) genutzt, der bei Erreichen eines bestimmten Überdrucks geöffnet wird und somit den maximalen Druck im Fehlerfall bis zur Förderleistungsreduzierung der Hochdruckpumpe durch beispielhaftes Abschalten oder Leistungsreduzierung der Vorförderpumpe im Fehlerfall begrenzt. Ein Druckbegrenzungsventil gemäß dem Stand der Technik ist nicht mehr notwendig. Ebenso ist im Vergleich zum Stand der Technik keine Rücklaufleitung für die abzusteuernde Kraftstoffmenge über das Druckbegrenzungsventil notwendig.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Reduzierung der Förderleistung der Hochdruckpumpe, insbesondere die Leistungsverringerung der Vorförderpumpe, so realisiert werden, dass eine Notlauffunktion der Brennkraftmaschine aufrechterhalten wird.
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Vorzugswiese wird das selbsttätige Öffnen des zusätzlichen Speicherraumes durch das Zerstören einer Zwischenwand zwischen dem Hochdruckspeicher und dem zusätzlichen Speicherraum durch den Überdruck verursacht. Hierbei kann das selbsttätige Öffnen insbesondere durch das Bersten einer Berstscheibe oder durch das Brechen einer Sollbruchstelle verwirklicht werden.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so vorgegangen, dass die Steuereinheit bei Erfassen eines Überdrucks im Hochdruckspeicher und/oder des Öffnens des zusätzlichen Speicherraumes eine Reduzierung der Förderleistung der Hochdruckpumpe bewirkt, insbesondere die Vorförderpumpe zur Reduzierung von deren Förderleistung oder zum Ausschalten derselben ansteuert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine, die mindestens einen Brennraum, ein Einspritzsystem mit einem dem Brennraum zugeordneten Injektor, einem den Injektor mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagenden Hochdruckspeicher und einer den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgenden Hochdruckpumpe, und einen Kraftstofftank, eine die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank versorgende Vorförderpumpe sowie eine Steuereinheit aufweist.
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Erfindungsgemäß soll eine derartige Brennkraftmaschine besonders einfach ausgebildet werden.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckspeicher einen bei Normalbetrieb der Brennkraftmaschine geschlossenen zusätzlichen Speicherraum aufweist, der bei Erreichen eines bestimmten Überdrucks im Hochdruckspeicher durch den Überdruck selbsttätig öffenbar ist, und dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie bei Erreichen des Überdrucks eine Reduzierung der Förderleistung der Hochdruckpumpe bewirkt.
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Aufgrund des einfacheren Aufbaus der Brennkraftmaschine durch einen möglichen Wegfall eines Druckbegrenzungsventils und einer zugehörigen Rücklaufleitung in den Tank sind deren Gesamtkosten geringer. Vor allem bei einem Einspritzsystem mit sogenannten Steckpumpen, bei denen eine Schmierung der Hochdruckpumpe über Motorenöl realisiert wird und deshalb zur Schmierung der Hochdruckpumpe keine Pumpenrücklaufleitung notwendig ist, kann eine notwendige Rücklaufleitung für die Absteuermenge des Druckbegrenzungsventils entfallen.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass sie die Vorförderpumpe zum Ausschalten oder zur Leistungsreduzierung derselben ansteuert. Der zusätzliche Speicherraum ist vorzugsweise vom Hochdruckspeicher durch eine zerstörbare Zwischenwand getrennt, wobei die zerstörbare Zwischenwand insbesondere von einer Berstscheibe oder einer Wand mit Sollbruchstelle gebildet sein kann.
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Der zusätzliche Speicherraum ist vorzugsweise Teil eines Common Rails oder ein an diesen angeschlossener Teil. Bei einer speziellen Ausführungsform ist der zusätzliche Speicherraum vom Inneren einer in den Hochdruckspeicher geschraubten und durch eine zerstörbare Wand verschlossenen Hohlschraube gebildet. Die zerstörbare Wand kann dabei von einer Berstscheibe gebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Detaildarstellung eines Common Rails mit zusätzlichem Speicherraum; und
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4 eine schematische Detaildarstellung eines Common Rails mit zusätzlichem Speicherraum gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Das in 1 schematisch dargestellte Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine besitzt drei Injektoren 13, von denen jeder einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Die Injektoren 13 werden mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff über entsprechende Leitungen 18 aus einem als Common Rail ausgebildeten Hochdruckspeicher 10 gespeist. Über eine Rücklaufleitung 14 wird überschüssiger Kraftstoff von den Injektoren zu einem Kraftstofftank 1 zurückgeführt. Im Kraftstofftank 1 befindet sich eine Vorförderpumpe (Tankpumpe) 2, mit der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 1 über eine Kraftstoffleitung 3 und einen darin angeordneten Kraftstofffilter 4 einer Hochdruckpumpe 6 zugeführt wird. In der Kraftstoffleitung 3 befindet sich ein entsprechendes Volumenstromregelventil 5 (Digitales Einlassventil). Die Hochdruckpumpe 6 führt den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über eine Leitung 9 dem Hochdruckspeicher 10 zu. Der Hochdruckleitung 9 sind ein Drucksensor 7 sowie ein Temperatursensor 8 zugeordnet.
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Wenn infolge eines Fehlerfalles im Hochdruckspeicher 10 ein Überdruck auftritt, öffnet ein federbelastetes mechanisches Überdruckventil 11 (Druckbegrenzungsventil) und führt überschüssigen Kraftstoff über die Rückführleitung 12 in den Kraftstofftank 1 zurück.
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Das ganze System wird von einer Steuereinheit (in 1 nicht gezeigt) gesteuert/geregelt. 2 zeigt ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden nur die Unterschiede gegenüber der Ausführungsform der 1 erläutert. Bei dieser Ausführungsform besitzt das Einspritzsystem kein Überdruckventil (Druckbegrenzungsventil) 11, das einen Überdruck im Common Rail 10 erfasst und entsprechend öffnet, sowie keine zugehörige Rücklaufleitung 12. Stattdessen weist der Hochdruckspeicher 10 einen zusätzlichen Speicherraum 25 auf, der vom Hochdruckspeicher (Common Rail) 10 durch eine Zwischenwand 26 getrennt ist, welche sich bei Auftreten eines bestimmten Überdrucks im Hochdruckspeicher 10 selbsttätig öffnet. Über einen Drucksensor 15 oder den bereits erwähnten Drucksensor 7, der den Druck im Hochdruckspeicher 10 misst, wird ein solcher Überdruck erfasst und an die Steuereinheit 16 (ECU) des Einspritzsystems weitergeleitet. Bei Erfassen eines entsprechenden Überdrucks durch die Steuereinheit 16 steuert diese die im Kraftstofftank 1 angeordnete Vorförderpumpe 2 an und schaltet diese ab. Wenn der definierte Überdruck im Hochdruckspeicher 10 auftritt, wird die Zwischenwand 26 zerstört und das Speichervolumen im Hochdruckspeicher durch den zusätzlichen Speicherraum 25 erweitert. Hierdurch erfolgt ein schlagartiger Druckabbau im Hochdruckspeicher 10, und zwar in jedem Fall so lange, bis die Leistung der Hochdruckpumpe 6 durch das Abschalten der Vorförderpumpe 2 ausreichend reduziert worden ist, damit kein unzulässiger Druckanstieg mehr im Hochdruckspeicher 10 auftritt. Durch das Öffnen des zusätzlichen Speicherraumes 25 wird somit die Zeitdauer überbrückt, die die Hochdruckpumpe 6 zur Reduzierung ihrer Förderleistung benötigt.
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Die 3 und 4 zeigen in schematischer Weise Ausführungsformen von Hochdruckspeichern (Common Rails) 10, die jeweils mit einem zusätzlichen Speicherraum versehen sind. Beide Figuren zeigen schematische Längsschnitte durch den Hochdruckspeicher 10. Bei der Ausführungsform der 3 weist der Hochdruckspeicher ein längliches Gehäuse 19 auf, in das am in der Figur linken Ende eine Hochdruckkraftstoffleitung 9 von der Hochdruckpumpe mündet und aus dem zu den jeweiligen Injektoren führende Hochdruckleitungen 18 abgehen. In das in der Figur rechte Ende des Gehäuses 19 ist eine Hohlschraube 20 eingeschraubt, die an ihrem inneren Ende eine Berstscheibe 21 aufweist. Bei Auftreten eines definierten Überdrucks im Hochdruckspeicher 10 wird die Berstscheibe 21 zerstört und der Hochdruckspeicher durch den in der Hohlschraube 20 befindlichen zusätzlichen Speicherraum 25 erweitert, so dass ein entsprechender Druckabbau erfolgt.
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Bei der Ausführungsform der 4 wird der zusätzliche Speicherraum 25 von einem Zusatzgehäuse 22 gebildet, das im Schnitt U-förmig ausgebildet ist und stirnseitig auf das Gehäuse 19 des Hochdruckspeichers 10 (Common Rails) aufgesetzt ist. Die entsprechende Endwand 24 des Hochdruckspeichers 10 ist mit einer Sollbruchstelle 23 versehen, die bei Erreichen des definierten Überdrucks bricht, so dass das Speichervolumen durch den zusätzlichen Raum 25 erweitert wird.
