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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein von einem Niederdrucksystem mit Kraftstoff versorgtes Hochdrucksystem mit einer Hochdruckpumpe, die über eine Hochdruckleitung mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist, der über eine Druckleitung mit zumindest einem Kraftstoffinjektor verschaltet ist, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen in einer Rücklaufleitung in einen Kraftstofftank eingeschalteten Wärmetauscher aufweist und wobei die Rücklaufleitung den Hochdruckspeicher mit dem Kraftstofftank verbindet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftstoffeinspritzsystems.
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Stand der Technik
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Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem mit dem Entwicklungsstand von 1996 ist aus der
DE 196 29 165 C1 bekannt. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem weist ein Common-Rail-Einspritzsystem auf, bei dem Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher gefördert wird. Aus dem Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff zur Einspritzung in Brennräume einer Brennkraftmaschine von Injektoren gezielt entnommen. Bei diesem Kraftstoffeinspritzsystem fördert die Hochdruckpumpe eine Kraftstoffmenge in einen Hochdruckspeicher, die nur zum Teil für die Einspritzung in die Brennräume benötigt wird. Eine (beispielsweise bei Teillast der Brennkraftmaschine) nicht für die Verbrennung in den Brennräumen benötigte Kraftstoffüberschussmenge fließt in den Kraftstofftank zurück. Diese Kraftstoffüberschussmenge wird beispielsweise über ein nicht definiertes Ventil aus dem Hochdruckspeicher in den Kraftstofftank abgeleitet. Um die Abwärme dieser zurückgeführten Kraftstoffüberschussmenge nutzen zu können, ist in die Rücklaufleitung oder den Kraftstofftank ein Wärmetauscher integriert, der mit einem Fahrgastheizsystem eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen, das eine effektive Möglichkeit einer Wärmeentnahme aus dem Kraftstoffeinspritzsystem bildet und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kraftstoffeinspritzsystems anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gemäß der Vorrichtung dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zur Einstellung einer von der Hochdruckpumpe in den Hochdruckspeicher zu fördernden Kraftstoffmenge vorgesehen ist, und dass die Einrichtung einen Normalbetriebsmodus und einen Sonderbetriebsmodus aufweist. Dabei ist die Einrichtung in weiterer Ausgestaltung eine Zumesseinheit oder ein beispielsweise elektromagnetisch gesteuertes Einlassventil. Auch ist es möglich, eine geregelte Niederdruckpumpe des Niederdrucksystems zur Einstellung der zu fördernden Kraftstoffmenge zu verbauen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine sieht vor, dass die in den Hochdruckspeicher geförderte Kraftstoffmenge größer ist als die für eine Einspritzung benötigte Menge, und dass die Differenzmenge zwischen der geförderten und der benötigten Menge in die Rücklaufleitung abgesteuert wird. Hierbei geht die Erfindung zunächst einmal von der Tatsache aus, dass der von der Hochdruckpumpe in den Hochdruckspeicher geförderte Kraftstoff durch die Verdichtung eine Erwärmung erfährt. Durch die Dekompression aus dem Hochdruckspeicher in die Rücklaufleitung erfährt der Kraftstoff eine weitere Erwärmung. Zur Ausnutzung der durch die Kompression und Dekompression erzeugten Kraftstoffwärme wird insbesondere in einem später beschriebenen Sonderbetriebsmodus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich mehr Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gefördert, als für die momentane Einspritzung notwendig ist. Insofern wird das Kraftstoffeinspritzsystem mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben, als dies technisch umsetzbar wäre.
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Allerdings wird die bei der Verdichtung und Einspeisung in den Hochdruckspeicher sowie bei der Entspannung und Entnahme aus dem Hochdruckspeicher erzeugte Abwärme des Kraftstoffs gezielt genutzt und über einen Wärmetauscher abgezogen, der in die den überschüssigen Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher zurück in den Kraftstofftank ableitenden Rücklaufleitung eingebaut ist. Dieser Wärmetauscher ist gezielt mit einem Heizsystem, das beispielsweise wie in weiterer Ausgestaltung vorgesehen ist, mit dem Fahrgastraum eines Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, verbunden. Der Wärmetauscher kann aber auch mit anderen Einrichtungen verbunden sein. So ist es beispielsweise auch im Rahmen der Erfindung denkbar, den Wärmetauscher mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine zu verbinden, um beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine schnellere Erwärmung des Kühlsystems und/oder des Schmiersystems der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
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Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die über den eigentlichen Bedarf hinaus von der Kraftstoffhochdruckpumpe in den Hochdruckspeicher einzubringende erhöhte Kraftstofffördermenge nur bedarfsweise in einem von einem Normalbetriebsmodus abweichenden Sonderbetriebsmodus einzustellen, wenn eine erhöhte Nachfrage an eine Heizleistung besteht. Der Sonderbetriebsmodus wird vorzugsweise an einer oder mehreren Einrichtungen, wie der Zumesseinheit, der (geregelten) Niederdruckpumpe und /oder an dem Einlassventil, die alle die in den Hochdruckpumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe eingebrachte Kraftstoffmenge bestimmen, bevorzugt elektronisch von einer vorhandenen Steuer- und Regeleinrichtung eingestellt. In dem Sonderbetriebsmodus wird die auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge erhöht. Dadurch ist zumindest keine gravierende hardwaremäßige Änderung beispielsweise an der Zumesseinheit und/oder dem Einlassventil notwendig. Durch diese Ausgestaltung und erfindungsgemäße Regelung kann ein Zuheizer in Form einer zusätzlichen Heizeinrichtung, die an dem entsprechenden Fahrzeug oder der Brennkraftmaschine herkömmlich verbaut ist, entfallen, oder zumindest leistungsschwächer und somit kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Hochdruckspeicher über ein Druckregelventil mit der Rücklaufleitung verbunden. Dabei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung das Druckregelventil ein Proportional-Ventil, das einen proportional gestellten Absteuerquerschnitt aufweist. Durch das erfindungsgemäße Proportional-Ventil ist eine exakte Druckregulierung in dem Hochdruckspeicher möglich. Im Zusammenspiel zwischen der saugseitigen Mengenregelung und dem hochdruckseitigen Druckregelventil ergibt sich die Möglichkeit zur flexiblen Handhabung der von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffmenge und dem Förderdruck. Die Steuerung beispielsweise der Zumesseinheit und des Druckregelventils kann in eine Steuerungselektronik zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine eingebunden sein.
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Der Wärmetauscher ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt mit einem Fahrgastraum der in ein Fahrzeug eingebauten Brennkraftmaschine direkt oder indirekt verbunden. So kann der Wärmetauscher in ein Leitungssystem eingebunden sein, das einen Fahrgastwärmetauscher mit der in dem Fahrzeug verbauten Brennkraftmaschine verbindet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass nur geringfügige Änderungen in dem Leitungssystem notwendig sind, während in dem Fahrgastraum keine Änderungen nötig sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmetauscher mit einem Schmierölkreis und/oder einem Kühlwasserkreis der (in ein Fahrzeug eingebauten) Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehen. Eine solche Ausgestaltung ist sinnvoll um eine rasche Aufwärmung des Schmieröls und/oder des Kühlwassers der Brennkraftmaschine auf eine Betriebstemperatur zu erreichen. Um mögliche Wärmeversorgungsspitzen abdecken zu können, kann – wie ausgeführt – zusätzlich ein Zuheizer verbaut sein, der aufgrund der geringeren erforderlichen Wärmeleistung entsprechend klein dimensioniert sein kann. Der Zuheizer kann beispielsweise eine mit Kraftstoff oder elektrisch betriebene Heizeinrichtung sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems der Brennkraftmaschine sieht weiterhin vor, den Kraftstoff mit einem höheren Druck als dieser für die Einspritzung in die Brennräume der Brennkraftmaschine benötigt wird, in dem Hochdruckspeicher zu fördern. Dieser mit höherem Druck geförderte Kraftstoff erfährt eine höhere Erwärmung, die erfindungsgemäß für Heizzwecke genutzt wird. Dabei wird die mengenmäßige und druckmäßige Befüllung des Hochdruckspeichers von einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit einer gewünschten Heizleistung und/oder eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine bzw. des Kraftstoffeinspritzsystems in einem Sonderbetriebsmodus gesteuert. Die eigentliche Regelgröße ist die Wärmemenge, die in der Rücklaufleitung zur Verfügung steht. Die Variabilität des Common-Rail-Einspritzsystems im Hinblick auf die Kraftstofffördermenge und/oder den Kraftstoffdruck wird gezielt ausgenutzt, um die Regelgröße Wärmemenge zu regeln. So ist es vorgesehen, beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine sowohl für eine rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine und des Kraftstoffeinspritzsystems auf eine vorgegebene Betriebstemperatur als auch für eine zusätzliche Erwärmung des Fahrgastraums eine Maximalförderung einzustellen, die in Abhängigkeit der erreichten Betriebstemperatur zurückgenommen wird. Da in diesem Sonderbetriebsmodus auch die Einspritzung in die Brennräume der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Druck erfolgt, kann die motorische Verbrennung mit einem erhöhten Geräusch verbunden sein. Daher ist eine Einrichtung zur Verringerung des Verbrennungsgeräuschs beispielsweise gemäß der
DE 10 2008 044 047 A1 vorgesehen, die aber nur bedarfsweise in dem Sonderbetriebsmodus einzusetzen ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein prinzipielles Schaltschema des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, und
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2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Kraftstofferwärmung durch Kompression und Dekompression vom Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher zeigt.
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Ausführungsform der Erfindung
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Das in der 1 dargestellte Schaltschema zeigt die wichtigsten Komponenten des erfindungsgemäß ausgestalteten Kraftstoffeinspritzsystems. Aus einem Kraftstofftank 1 wird über eine Niederdruckleitung 2 Kraftstoff von einer Niederdruckpumpe 3 über einen Filter 4 entnommen und in einen Innenraum 5 einer Hochdruckpumpe 6 gefördert. In dem Innenraum 5 der Hochdruckpumpe 6 ist eine kraftstoffgeschmierte Nockenwelle 7 gelagert, wobei der für die Schmierung der Nockenwelle 7 benötigte Kraftstoff über eine Abflussleitung 8 in eine Rücklaufleitung 9 in den Kraftstofftank 1 abgeführt wird.
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In das Gehäuse der Hochdruckpumpe 6 ist weiterhin ein in der Zeichnung aus Übersichtlichkeitsgründen vor der Hochdruckpumpe separat dargestelltes Überströmventil 10 eingebaut, das von einer in der Zeichnung ebenfalls separat dargestellten und tatsächlich auch in das Gehäuse der Hochdruckpumpe eingebauten Zumesseinheit 11 nicht in einen Hochdruckpumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe 6 eingebrachten Kraftstoff in die Rücklaufleitung 9 absteuert. Aus dem Innenraum 5 der Hochdruckpumpe 6 gelangt der Kraftstoff also zu der Zumesseinheit 11 und insbesondere bei einer Sperrposition der Zumesseinheit 11 durch ein Ansteigen des Kraftstoffdrucks in dem Innenraum 5 durch das dann öffnende Überströmventil 10 in die Rücklaufleitung 9.
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Der andererseits von der Zumesseinheit 11 in den Hochdruckpumpenarbeitsraum eingebrachte Kraftstoff wird von einem von der Nockenwelle 7 betätigten Pumpenkolben über eine Hochdruckleitung 12 in einen Hochdruckspeicher 13 gefördert. Alternativ (oder zusätzlich) zu der Zumesseinheit 11 kann auch ein elektrisch oder elektromagnetisch angesteuertes Einlassventil vorhanden sein, das die beispielsweise von dem Innenraum 5 der Hochdruckpumpe 6 in einen Hochdruckpumpenarbeitsraum eingebrachte Kraftstoffmenge bestimmt. Die Zumesseinheit 11 und/oder das Einlassventil können in einem Normalbetriebsmodus, in dem der normale beispielsweise verbrauchsoptimierte und geräuschoptimierte Betrieb eingestellt ist, und in einem Sonderbetriebsmodus betrieben werden. Nur in dem Sonderbetriebsmodus wird eine erhöhte Kraftstoffförderung eingestellt.
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Aus dem Hochdruckspeicher 13 wird der dort gespeicherte Kraftstoff gezielt von Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in Brennräume der Brennkraftmaschine entnommen. An dem Hochdruckspeicher 13 ist ein Druckregelventil 14 verbaut, das den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 13 und somit auch die in dem Hochdruckspeicher 13 befindliche Kraftstoffmenge regelt. Das Druckregelventil 14 ist bevorzugt ein Proportional-Ventil, das einen proportional gestellten Absteuerquerschnitt aufweist. Überschüssiger in den Hochdruckspeicher 13 geförderter Kraftstoff wird in die mit dem Druckregelventil 14 verbundene Rücklaufleitung 9 abgesteuert, wobei in die Rücklaufleitung 9 ein Wärmetauscher 15 eingebaut ist. Der Wärmetauscher 15 kann – wie dargestellt – nahe an dem Druckregelventil 14 in die Rücklaufleitung 9 eingebaut sein, oder aber auch stromabwärts der Einmündung der von dem Überströmventil 10 abgesteuerten Kraftstoffmenge und/oder stromabwärts der Einmündung der Abflussleitung 8 in die Rücklaufleitung 9. Diese Anordnung ermöglicht beispielsweise in Betriebszuständen, bei denen in den Hochdruckspeicher 13 angenähert nur die für eine Einspritzung benötigte Kraftstoffmenge eingebracht wird, die Ausnutzung der von dem Überströmventil 10 und über die Abflussleitung 8 abgeführten Wärmemenge aus dem Kraftstoffeinspritzsystem. Auch ist es denkbar, zusätzlich zu dem Wärmetauscher 15 in die Rücklaufleitung 9 stromabwärts der Einmündung der Abflussleitung 8 einen zusätzlichen Hilfswärmetauscher einzusetzen, der in geeigneter Weise mit dem Wärmetauscher 15 verschaltet ist.
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2 zeigt in Diagrammform die Abhängigkeit der Kraftstofferwärmung durch Kompression und Dekompression von dem Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 13. Auf der Abszisse ist der Druck p in dem Hochdruckspeicher 13 aufgetragen, der beispielsweise bis zu 2.500 bar betragen kann. Auf der Ordinate ist die Differenztemperatur ΔT aufgetragen, die über den Wärmetauscher 15 abgeführt werden kann. Es ist ersichtlich, dass sich bezogen auf die Kraftstoffvorlauftemperatur ein zumindest angenähert linearer Zusammenhang zwischen dem Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 13 und der über den Wärmetauscher 15 abführbaren Differenztemperatur, die ohne Weiteres bis zu 150°C betragen kann, einstellt. Die abführbare Differenztemperatur ΔT ergibt sich als Differenztemperatur aus Kompression und Dekompression auf die Vorlauftemperatur in der Rücklaufleitung 9 im Bereich des Wärmetauschers 15. Es gilt folgende Beziehung: ΔTGesamt = ΔTKompression + ΔTDekompression auf die Vorlauftemperatur TVorlauf.
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Weiterhin hängt die durch das Druckregelventil 14 abgesteuerte Kraftstoffmenge QPCV von der durch die Hochdruckpumpe 6 geförderten Menge QCP und der durch die Injektoren entnommenen Menge QINJ ab. Die Injektormenge QINJ setzt sich aus der in den Brennraum eingespritzten Menge QB sowie aus etwaigen Leckagen QL und Steuermengen QS zusammen. Es ergibt sich folgender Zusammenhang: QPCV = QCP – QINJ = QCP – QB – QL – QS.
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Die zur Verfügung stehende Wärmemenge ist also im Wesentlichen ein Produkt aus Kraftstofftemperatur und Rücklaufmenge. Die Kraftstofftemperatur hängt neben der Vorlauftemperatur von dem Druck in dem Hochdruckspeicher
13 ab – je höher der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher
13 ist, desto größer ist die Temperaturdifferenz. Durch eine Veränderung des Kraftstoffdruck-Sollwerts kann ausweislich der
2 die Temperatur des Kraftstoffs in der Rücklaufleitung
9 und somit in dem Wärmetauscher
15 beeinflusst werden. Zur Steuerung der Hochdruckfördermenge Q
CP steht die Zumesseinheit
11 zur Verfügung. Durch Öffnen der Zumesseinheit
11 fördert die Hochdruckpumpe
6 mehr Kraftstoff in den Hochdruckspeicher
13, der wiederum von dem Druckregelventil
14 abgesteuert wird, um einen unzulässigen Druckanstieg zu verhindern. Die über die Rücklaufleitung
9 und den Wärmetauscher
15 abgeleitete Rücklaufmenge von Kraftstoff steigt. Zur Koordination des Zusammenwirkens von der Zumesseinheit
11 und dem Druckregelventil
14 steht eine bekannte Funktionalität, die in der
DE 103 49 628 beschrieben ist, zur Verfügung. Um eine möglichst hohe Wärmemenge zu erzeugen, muss ein möglichst hoher Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher
13 eingestellt werden. Da in der Regel ein hoher Kraftstoff- bzw. Einspritzdruck zu hohen Verbrennungsgeräuschen führt, die als Komfort-Einschränkung wahrgenommen werden können, steht eine in der
DE 10 2008 044 047 A1 dargestellte Funktionalität zur Verfügung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19629165 C1 [0002]
- DE 102008044047 A1 [0009, 0020]
- DE 10349628 [0020]
