DE102012206979A1

DE102012206979A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems

Info

Publication number: DE102012206979A1
Application number: DE201210206979
Authority: DE
Inventors: Werner Maehrle; Stephan Rubbert; Martin Böhm; Claus Reulein
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckeinspritzleiste (Common Rail) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, wobei für den Zylinder ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, der über die Hochdruckeinspritzleiste mit Kraftstoff versorgbar ist, wobei der Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter durch eine Leitung in eine Mischvorrichtung förderbar ist, wobei der Kraftstoff in der Mischvorrichtung mit einem flüssigen Fluid, welches von einer Fluidpumpe aus einem Fluidbehälter in die Mischvorrichtung pumpbar ist, mischbar ist und der gemischte Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in die Hochdruckeinspritzleiste förderbar ist und nicht in den Zylinder eingebrachter gemischter Kraftstoff aus der Hochdruckeinspritzleiste durch eine weitere Leitung in die Leitung zwischen der Kraftstoffpumpe und der Mischeinrichtung rückführbar ist, wobei in der weiteren Leitung eine Trennvorrichtung angeordnet ist, in der der Kraftstoff und das Fluid trennbar sind und das Fluid durch eine Rücklaufleitung in den Fluidbehälter rückführbar ist und dass zwischen der Fluidpumpe und der Mischvorrichtung ein erstes Ventil und zwischen der Hochdruckeinspritzleitung und der Trennvorrichtung ein zweites Ventil und zwischen der Trennvorrichtung und der Fluidpumpe jeweils ein drittes Ventil angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sind ein einfaches Entfernen des Fluids aus der Hochdruckeinspritzleiste nach einem Ausschalten, sowie ein schnelles Dosieren der Fluidzumischung im Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems.
Dem Fachmann ist es allgemein bekannt, dass dem Kraftstoff von Brennkraftmaschinen Flüssigkeiten zugemischt werden können, um die Verbrennung, die Schadstoffemissionen und/oder die Verbrennungstemperaturen in vorteilhafter Weise zu beeinflussen.
Für diesen Zweck ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 09 799 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ein Kraftstoffeinspritzverfahren und ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt. In dieser Offenlegungsschrift werden ein Kraftstoffeinspritzverfahren und ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Dieselmotor mit einer Anzahl von durch eine Hochdruckpumpe über einen gemeinsamen Vorspeicher mit Kraftstoff versorgten Kraftstoffinjektoren beschrieben. Die Brennkraftmaschine kann wahlweise mit einem ersten Kraftstoff oder einem zweiten Kraftstoff in Form von reinen Kraftstoff oder einer Emulsion aus Kraftstoff und einem gegenüber dem Kraftstoff unlösbaren weiteren Stoff betrieben werden, wobei der Kraftstoff in einem Kreislauf durch den gemeinsamen Vorspeicher geführt wird. Um ein Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen, bei dem eine schnelle Anpassung der Zusammensetzung des Kraftstoffs bei Emulsionsbetrieb möglich ist, wird vorgeschlagen, dass der Kraftstoffkreislauf von dem gemeinsamen Vorspeicher über Durchgänge an den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen geführt und der nicht in den Motor eingespritzte Teil des Kraftstoffs in einen Kreislauf über eine Rücklaufleitung zu dem gemeinsamen Vorspeicher geführt wird.
Auch wenn der beschriebene Stand der Technik keine gravierenden Nachteile aufweist, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Anordnung und ein Verfahren aufzuzeigen, die ein einfaches Entfernen des Zumischfluids aus der Hochdruckeinspritzleiste nach einem Ausschalten, sowie ein schnelles Dosieren der Fluidzumischung beim Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglichen.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig durch die Verfahrensschritte gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 7 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren steht das zuzumischende Fluid deutlich schneller im Brennraum zur Verfügung als aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Abschalten der Brennkraftmaschine muss das im Kraftstoffeinspritzsystem vorhandene Gemisch aus Kraftstoff und zugemischten Fluid in vorteilhafter Weise nicht bis das gespeicherte Gemischvolumen verbraucht ist, in den Brennraum zur Verbrennung eingespritzt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun möglich, die Brennkraftmaschine mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 2 zu starten.
Mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 3 wird eine Betriebsbereitschaft für die Brennkraftmaschine dargestellt.
Mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 4 kann bei Bedarf ein zweites Fluid dem Kraftstoff zugemessen werden.
Mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 5 ist ein schnelles Umschalten auf reinen Kraftstoffbetrieb möglich.
Mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 6 ist in einfacher Weise ein Einfrierschutz des Kraftstoffeinspritzsystems gegeben.
Mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 7 wird ein sicherer Einfrierschutz nach einem Abstellen der Brennkraftmaschine dargestellt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 3. Das Kraftstoffeinspritzsystem 1 weist einen Kraftstoffbehälter 7 mit einer Kraftstoffpumpe 6 auf. Die Kraftstoffpumpe 6 ist eine Förderpumpe, die einen Kraftstoffdruck von etwa 5 bar im Kraftstoffeinspritzsystem 1 aufbauen kann. Von der Kraftstoffpumpe 6 wird der Kraftstoff durch eine Leitung 8 in Richtung der Brennkraftmaschine 3 gefördert. Hierbei wird der Kraftstoff, vorzugsweise Benzin oder Diesel, zunächst in eine Mischvorrichtung 9 gefördert, in der – wie später beschrieben – ein weiteres Fluid dem Kraftstoff zugemischt werden kann. Nach der Mischvorrichtung 9 kommt der Kraftstoff in eine Hochdruckpumpe 12, die wenn nötig in der Lage ist, einen Kraftstoffdruck von mehreren 100 bar aufzubauen. Nach der Hochdruckpumpe 12 wird der Kraftstoff in eine Hochdruckeinspritzleiste 2, auch Common Rail genannt, gefördert.
An diese Hochdruckeinspritzleiste 2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel für die 6-zylindrige Brennkraftmaschine 3 sechs Kraftstoffinjektoren 5 angeordnet. Jeder dieser Kraftstoffinjektoren 5 versorgt einen Zylinder 4 der Brennkraftmaschine 3 mit einer Kraftstoffeinspritzung direkt in den Zylinder 4. An einem Kraftstoffaustritt der Hochdruckeinspritzleiste 2 ist ein zweites Ventil 17, ein sog. Spülventil, angeordnet. Dieses regelt einen Kraftstoffdurchfluss in eine weitere Leitung 13 und weiter in eine Trennvorrichtung 14. In dieser Trennvorrichtung 14 werden ein beigemischtes Fluid und der Kraftstoff voneinander getrennt. Nach der Trennvorrichtung 14 wird der Kraftstoff wieder zurück in die Leitung 8 und das getrennte Fluid durch eine Rücklaufleitung 15, in der ein drittes Ventil 18 angeordnet ist, in einen Fluidbehälter 11 gefördert. Eine Rücklaufrichtung ist durch zwei Pfeile schematisch dargestellt.
Dieser Fluidbehälter 11 ist zur Speicherung des Fluids vorgesehen. Bei Bedarf wird Fluid mit einer Fluidpumpe 10 aus dem Fluidbehälter 11 gepumpt und durch ein erstes Ventil 16 in die Mischvorrichtung 9 gefördert. Das erste, zweite und dritte Ventil 16, 17, 18 können steuer- oder regelbar sein.
Weiter weist die Brennkraftmaschine 3 einen Ansaugtrakt 19 und einen Abgastrakt 20 auf. In dem Ansaugtrakt 19 ist ein Verdichter eines Abgasturboladers 21 und in dem Abgastrakt 20 ist eine Turbine des Abgasturboladers 21 angeordnet. Da ein Ansaugtrakt 19 bzw. ein Abgastrakt 20 für eine Brennkraftmaschine 3 dem Fachmann allgemein bekannt sind, werden diese Komponenten im Weiteren nicht näher beschrieben.
Erfindungsgemäß befindet sich in der weiteren Leitung 13 die Trennvorrichtung 14, in der der Kraftstoff und das Fluid trennbar sind und das Fluid durch eine Rücklaufleitung 15 in den Fluidbehälter 11 rückführbar ist und dass zwischen der Fluidpumpe 10 und der Mischvorrichtung 9 das erste Ventil 16 und zwischen der Hochdruckeinspritzleitung 2 und der Trennvorrichtung 14 das zweite Ventil 17 und zwischen der Trennvorrichtung 14 und der Fluidpumpe 10 das dritte Ventil 18 angeordnet ist.
Die Brennkraftmaschine 3 kann nun mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem 1 mit folgenden Verfahrensschritten gestartet werden, wobei das erste, das zweite und das dritte Ventil geschlossen sind:

– Druckaufbau im Kraftstoffeinspritzsystem 1 mit der Kraftstoffpumpe 6 auf ca. 5 bar,
– Starten der Brennkraftmaschine 3.

Weiter kann mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 3 eine Betriebsbereitschaft für die Brennkraftmaschine 3 mit folgenden Verfahrensschritten dargestellt werden:

– Druckaufbau mit der Fluidpumpe 10 auf ca. 10 bar,
– Öffnen des ersten Ventils 16 für eine definierte Zeitdauer,
– Schließen des ersten Ventils 16,
– Öffnen des dritten Ventils 18 für eine definierte Zeitdauer,
– Schließen des dritten Ventils 18.

Nach Durchführung dieser Verfahrensschritte ist die Brennkraftmaschine nun betriebsbereit.
Weiter kann mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 3 ab einer definierten Last und Drehzahl ein separates Fluid, wie beispielsweise Wasser, dem Kraftstoff mit folgenden Verfahrensschritten beigemischt werden:

– Druckaufbau mit der Fluidpumpe 10 auf ca. 10 bar,
– Öffnen des ersten Ventils 16 bis ein definiertes Zumischverhältnis zum Kraftstoff vorliegt,
– Öffnen des zweiten Ventils 17,
– Weiterer Druckaufbau in der Hochdruckeinspritzleiste 2 mit der Hochdruckpumpe 12,
– Schließen des zweiten Ventils 17 wenn an dem von der Hochdruckpumpe 12 entferntesten Kraftstoffinjektor 5 ein gewünschtes Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Fluid vorliegt.

Mit oben genannten Verfahrensschritten lässt sich somit beispielsweise eine klopfende (unkontrollierte) Verbrennung vermeiden.
Werden Drehzahl oder Last der Brennkraftmaschine 3 wieder reduziert, so dass eine klopfende Verbrennung nicht mehr auftritt, werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

– Schließen des ersten Ventils 16,
– Öffnen des zweiten Ventils 17 bis an dem von der Hochdruckpumpe 12 entferntesten Kraftstoffinjektor 5 reiner Kraftstoff vorliegt.

Durch diese Verfahrensschritte wird die Brennkraftmaschine 3 wieder mit 100%igem Kraftstoff versorgt, für eine optimale Leistung der Brennkraftmaschine 3.
Um ein Einfrieren des Fluids, beispielsweise Wasser, zu verhindern werden die weiteren Verfahrensschritte durchgeführt:

– Abschalten der Fluidpumpe 10,
– Öffnen des dritten Ventils 18 bis das in der Trennvorrichtung 14 gesammelte Fluid in den Fluidbehälter 11 rückgeführt ist.

Um nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine 3 ein Einfrieren des Kraftstoffeinspritzsystems 1 zu verhindern werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

– Abschalten der Hochdruckpumpe 12,
– Druck mit Kraftstoffpumpe 6 halten,
– Abschalten der Fluidpumpe 10,
– Öffnen des dritten Ventils 18,
– Schließen des dritten Ventils 18,
– Öffnen des ersten Ventils 16,
– Schließen des ersten Ventils 16,
– Abschalten der Kraftstoffpumpe 6.

Somit ist nach diesen Verfahrensschritten die Brennkraftmaschine 3 sicher vor einem Einfrieren des Kraftstoffeinspritzsystems 1 geschützt.
Zusammengefasst gesagt:
Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem 1 sieht ein Spülventil, das zweite Ventil 17, gegenüber der Zuleitung von der Hochdruckpumpe 12 an der Hochdruckeinspritzleiste 2 (Common Rail) vor. Die Kraftstoffinjektoren 5 liegen zwischen der Zuleitung und dem zweiten Ventil 17. Bei Zuschaltung der Zumischung des Fluids wird das Spülventil 17 mit definierten, regelbarem Volumendurchsatz geöffnet und der in der Hochdruckeinspritzleiste 2 gespeicherte reine Kraftstoff wird aus der Hochdruckeinspritzleiste 2 ausgespült. Um dabei den Druck in der Hochdruckeinspritzleiste 2 konstant zu halten, wird die Förderleistung der Hochdruckpumpe 12 entsprechend angepasst. Der aus der Hochdruckeinspritzleiste 2 ausgespülte Kraftstoff wird der Leitung 8 oder dem Kraftstoffbehälter 7 zugeführt.
Bei Abschaltung der Zumischung des Fluids wird ebenfalls das Spülventil 17 geöffnet und das in der Hochdruckeinspritzleiste 2 gespeicherte Gemisch aus Kraftstoff und zugesetztem Fluid wird aus der Hochdruckeinspritzleiste 2 in der oben beschriebenen Weise ausgespült. Der Kraftstoff wird danach der Leitung 8 oder dem Kraftstofftank 7 zugeführt. Das zugemischte Fluid wird zuvor in der Trennvorrichtung 14 abgeschieden und dem Fluidbehälter 11 zugeführt.
Nach Abstellen der Brennkraftmaschine 3 kann das Spülventil 17 geöffnet werden. Durch Ansteuern der Kraftstoffpumpe 6 kann das Gemisch aus Kraftstoff und zugemischtem Fluid ausgespült werden.
Beim Zuschalten des Fluids steht in vorteilhafter Weise die zugemischte Flüssigkeit deutlich schneller in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 3 zur Verfügung. Beim Abschalten muss das im Kraftstoffeinspritzsystem 1 vorhandene Gemisch aus Kraftstoff und zugemischtem Fluid nicht bis das gespeicherte Volumen in der Hochdruckeinspritzleiste 2 verbraucht ist in die Brennräume eingespritzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffeinspritzsystem
2: Hochdruckeinspritzleiste
3: Brennkraftmaschine
4: Zylinder
5: Kraftstoffinjektor
6: Kraftstoffpumpe
7: Kraftstoffbehälter
8: Leitung
9: Mischvorrichtung
10: Fluidpumpe
11: Fluidbehälter
12: Hochdruckpumpe
13: weitere Leitung
14: Trennvorrichtung
15: Rücklaufleitung
16: erstes Ventil
17: zweites Ventil
18: drittes Ventil
19: Ansaugtrakt
20: Abgastrakt
21: Abgasturbolader

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 19609799 A1 [0003]

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem (1) mit einer Hochdruckeinspritzleiste (2) (Common Rail) für eine Brennkraftmaschine (3) mit zumindest einem Zylinder (4), wobei für den Zylinder (4) ein Kraftstoffinjektor (5) vorgesehen ist, der über die Hochdruckeinspritzleiste (2) mit Kraftstoff versorgbar ist, wobei der Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe (6) aus einem Kraftstoffbehälter (7) durch eine Leitung (8) in eine Mischvorrichtung (9) förderbar ist, wobei der Kraftstoff in der Mischvorrichtung (9) mit einem flüssigen Fluid, welches von einer Fluidpumpe (10) aus einem Fluidbehälter (11) in die Mischvorrichtung (9) pumpbar ist, mischbar ist und der gemischte Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe (12) in die Hochdruckeinspritzleiste (2) förderbar ist und nicht in den Zylinder (4) eingebrachter gemischter Kraftstoff aus der Hochdruckeinspritzleiste (2) durch eine weitere Leitung (13) in die Leitung (8) zwischen der Kraftstoffpumpe (6) und der Mischeinrichtung (9) rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Leitung (13) eine Trennvorrichtung (14) angeordnet ist, in der der Kraftstoff und das Fluid trennbar sind und das Fluid durch eine Rücklaufleitung (15) in den Fluidbehälter (11) rückführbar ist und dass zwischen der Fluidpumpe (10) und der Mischvorrichtung (9) ein erstes Ventil (16) und zwischen der Hochdruckeinspritzleitung (2) und der Trennvorrichtung (14) ein zweites Ventil (17) und zwischen der Trennvorrichtung (14) und der Fluidpumpe (10) ein drittes Ventil (18) angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 1, vor einem Start der Brennkraftmaschine, wobei das erste, das zweite und das dritte Ventil geschlossen sind, mit folgenden Verfahrensschritten: – Druckaufbau im Kraftstoffeinspritzsystem (1) mit der Kraftstoffpumpe (6) auf ca. 5 bar, – Starten der Brennkraftmaschine (3).
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 2, nach einem Start der Brennkraftmaschine, wobei das erste, das zweite und das dritte Ventil geschlossen sind, mit folgenden Verfahrensschritten: – Druckaufbau mit der Fluidpumpe (10) auf ca. 10 bar, – Öffnen des ersten Ventils (16) für eine definierte Zeitdauer, – Schließen des ersten Ventils (16), – Öffnen des dritten Ventils (18) für eine definierte Zeitdauer, – Schließen des dritten Ventils (18).
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 3, ab einer definierten Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine, mit folgenden Verfahrensschritten: – Druckaufbau mit der Fluidpumpe (10) auf ca. 10 bar, – Öffnen des ersten Ventils (16) bis ein definiertes Zumischverhältnis zum Kraftstoff vorliegt, – Öffnen des zweiten Ventils (17), – Weiterer Druckaufbau in der Hochdruckeinspritzleiste (2) mit der Hochdruckpumpe (12), – Schließen des zweiten Ventils (17) wenn an dem von der Hochdruckpumpe (12) entferntesten Kraftstoffinjektor (5) ein gewünschtes Mischungsverhältnis vorliegt.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 3, unterhalb der definierten Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine, mit folgenden Verfahrensschritten: – Schließen des ersten Ventils (16), – Öffnen des zweiten Ventils (17) bis an dem von der Hochdruckpumpe (12) entferntesten Kraftstoffinjektor (5) reiner Kraftstoff vorliegt.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 5, unterhalb der definierten Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine, mit folgenden Verfahrensschritten: – Abschalten der Fluidpumpe (10), – Öffnen des dritten Ventils (18) bis das in der Trennvorrichtung (14) gesammelte Fluid in den Fluidbehälter (11) rückgeführt ist.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine, mit folgenden Verfahrensschritten: – Abschalten der Hochdruckpumpe (12), – Druck mit Kraftstoffpumpe (6) halten, – Abschalten der Fluidpumpe (10), – Öffnen des dritten Ventils (18), – Schließen des dritten Ventils (18), – Öffnen des ersten Ventils (16), – Schließen des ersten Ventils (16), – Abschalten der Kraftstoffpumpe (6).