DE102013200421A1

DE102013200421A1 - Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffversorgungssystem für den Stopp-and-Go-Betrieb und Verfahren zum erneuten Starten einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013200421A1
Application number: DE102013200421.4A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Bartsch; Christian Winge Vigild; Daniel Roettger
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103925132B; US20140196690A1; US9702326B2; CN103925132A; DE102013200421B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kraftstoffversorgungssystem (1) zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzdüse (2) zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung (3) mit einem ersten Kraftstoffspeicher (4) verbindbar ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem ersten Druck p1 eingerichtet und mittels stromaufwärts vorgesehener Pumpe (5) befüllbar ist. Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich eines Stopp-and-Go-Betriebs verbessert ist und mit der sich insbesondere ein Neustart schnell und kraftstoffsparend realisieren lässt. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – ein zweiter Kraftstoffspeicher (6) vorgesehen ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem zweiten Druck p2 < p1 eingerichtet ist und zum Befüllen mit Kraftstoff via Verbindungsleitung (7) mit dem ersten Kraftstoffspeicher (4) verbindbar ist, und – der zweite Kraftstoffspeicher (6) via Bypassleitung (8) mit den mindestens zwei Einspritzdüsen (2) des Kraftstoffversorgungssystems (1) verbindbar ist, wobei die Bypassleitung (8) stromabwärts des ersten Kraftstoffspeichers (4) unter Ausbildung einer Anschlussstelle (8a) in das Kraftstoffversorgungssystem (1) mündet und in der Bypassleitung (8) ein Absperrelement (8b) angeordnet ist, welches die Bypassleitung (8) freigibt oder versperrt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung mit einem ersten Kraftstoffspeicher verbindbar ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem ersten Druck p₁ eingerichtet und mittels stromaufwärts vorgesehener Pumpe befüllbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum erneuten Starten einer derartigen Brennkraftmaschine im Rahmen eines Stopp-and-Go-Betriebs.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Brennkraftmaschinen, ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Dabei steht eine verbesserte, d. h. effektivere Verbrennung im Vordergrund der Bemühungen. Es können aber auch bestimmte Strategien im Hinblick auf den grundsätzlichen Betrieb der Brennkraftmaschine zielführend sein.
Ein Konzept zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeuges besteht beispielsweise darin, die Brennkraftmaschine, anstatt sie im Leerlauf weiter zu betreiben, abzuschalten, wenn kein Leistungsbedarf besteht. In der Praxis bedeutet dies, dass zumindest bei Fahrzeugstillstand die Brennkraftmaschine ausgeschaltet wird. Ein Anwendungsfall ist der sogenannte Stopp-and-Go-Verkehr, wie er sich beispielsweise im Stau auf Autobahnen und Landstraßen einstellt. Innerstädtisch ist der Stopp-and-Go-Verkehr infolge der vorhandenen und nicht aufeinander abgestimmten Ampelanlagen nicht mehr die Ausnahme, sondern die Regel. Weitere Anwendungsfälle bieten beschrankte Bahnübergänge und dergleichen. Das Abschalten der Brennkraftmaschine bei fehlender Leistungsanforderung mitsamt dem erneuten Starten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Stopp-and-Go-Betrieb der Brennkraftmaschine bezeichnet.
Problematisch bei den Konzepten, welche zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs die Brennkraftmaschine bei fehlendem Bedarf abschalten, ist die Notwendigkeit die Brennkraftmaschine wieder zu starten.
Probleme bereitet das Neustarten unter anderem, weil bei unkontrolliertem Abstellen der Brennkraftmaschine, die Kurbel- und die Nockenwelle in einer beliebigen und zudem nicht bekannten Stellung zum Stehen kommen. Folglich ist die Position der Kolben in den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine ebenfalls nicht bekannt und dem Zufall überlassen. Diese Informationen sind aber für einen unkomplizierten und möglichst schnellen und damit kraftstoffsparenden Neustart unerlässlich.
An der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle angeordnete Marker können Signale über die Kurbelwinkelstellung an mit der Motorsteuerung verbundene Sensoren liefern. Zur Generierung dieser Signale ist es aber zunächst erforderlich, die Kurbelwelle in Drehung zu versetzen. Besteht zu Beginn eines Neustarts Unklarheit über die Kurbelwinkelstellung, ist eine Einlaufphase zur Synchronisation der Motorbetriebsparameter an die Kurbelwellendrehung erforderlich.
Die Kenntnis der Stellung der einzelnen Kolben einer Brennkraftmaschine ist erforderlich, damit beispielsweise die Einspritzung des Kraftstoffes gezielt, d. h. bei definierten Kurbelwinkeln, erfolgen kann. Die Aufgabe, die Einspritzung zu steuern, übernimmt in der Regel eine Motorsteuerung.
Nach dem Stand der Technik wird das von einem Kurbelwellensensor bzw. Nockenwellensensor erzeugte Signal von der Motorsteuerung zur Berechnung der Drehzahl und der Winkelstellung der Kurbelwelle verwendet. Diese Daten benötigt die Motorsteuerung für die Berechnung der Kraftstoffeinspritzung und der Kraftstoffmenge unter sämtlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Vorzugsweise wird ein Kurbelwellensensor verwendet, da die Kurbelwelle mit der doppelten Drehzahl der Nockenwelle umläuft und damit ein Signal mit einer wesentlich höheren Auflösung liefert.
Die Kolbenposition lässt sich mit Hilfe eines Kurbelwellensignals wesentlich genauer als mit Hilfe eines Nockenwellensignals ermitteln. Der Nockenwellensensor wird vorzugsweise eingesetzt, um eine Aussage darüber treffen zu können, ob sich der Zylinder im Verbrennungszyklus – Komprimieren und Expandieren – oder im Ladungswechselzyklus – Ausschieben und Ansaugen – befindet. Da bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine ein Arbeitsspiel, bestehend aus Komprimieren, Expandieren, Ausschieben und Ansaugen, 720° Kurbelwellenwinkel (KW) umfasst, kann es erforderlich werden, festzustellen, ob sich ein im oberen Totpunkt (OT) befindlicher Kolben im sogenannten Verbrennungs-OT oder im oberen Totpunkt während des Ladungswechsels befindet.
In der Praxis wird üblicherweise die Stellung nur eines einzelnen Zylinders der Brennkraftmaschinen mittels der genannten Sensoren bestimmt, womit die Stellung der übrigen Zylinder festliegt.
Um den Neustart zu vereinfachen, werden nach dem Stand der Technik verschiedene Konzepte vorgeschlagen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 42 30 616 schlägt beispielsweise vor, die Winkellage der Kurbelwelle, welche beim Abschalten registriert wird, zu speichern und für den Neustart zu verwenden, so dass die geeigneten Einspritzzeitpunkte unmittelbar zur Verfügung stehen.
Andere Lösungsansätze präferieren Verfahren zum kontrollierten Abstellen und Starten der Brennkraftmaschine. Das kontrollierte Abstellen besteht dabei darin, ganz bestimmte Kurbelwinkelpositionen – sogenannte Vorzugspositionen – bewusst beim Abschalten der Brennkraftmaschine anzufahren. Die Endstellung der Kurbelwelle wird dabei nicht mehr dem Zufall überlassen, sondern gezielt herbeigeführt.
Aber selbst wenn die Stellung der Kurbelwelle und die Stellung der Kolben zu Beginn eines Neustarts bekannt sind, umfasst der Startvorgang in der Regel mehrere Umdrehungen der Kurbelwelle bzw. mehrere Arbeitsspiele, da die Kraftstoffpumpe zunächst den für die Einspritzung erforderlichen Druck im Kraftstoffversorgungssystem aufbauen muss, bevor tatsächlich mittels Einspritzdüsen Kraftstoff in die Zylinder eingebracht werden kann. Bei abgeschalteter Brennkraftmaschine kann der Druck im Kraftstoffversorgungssystem in der Regel infolge Undichtigkeiten bzw. Leckagen nicht aufrechterhalten werden.
Ein weiterer Nachteil der Strategien, bei denen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs die Brennkraftmaschine bei fehlendem Bedarf abgeschaltet wird, ist, dass sich durch den Stopp-and-Go-Betrieb die Anforderungen an die Startvorrichtung erhöhen. Zum einen nimmt die Anzahl der Startvorgänge zu, wenn die Brennkraftmaschine häufiger abgeschaltet wird, was eine entsprechend robuste Startvorrichtung erfordert. Zum anderen verschlechtert der Startvorgang, der bis zu eine Sekunde beanspruchen kann, die Fahrdynamik und aufgrund der Startgeräusche den Fahrkomfort.
Um eine Brennkraftmaschine, insbesondere im Hinblick auf den zunehmenden Stopp-and-Go-Verkehr, bedarfsgerecht betreiben zu können, d. h. bei fehlendem Bedarf abschalten zu können, ist es somit erforderlich, den Neustart zu vereinfachen, insbesondere schneller und kraftstoffsparender zu gestalten.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich eines Stopp-and-Go-Betriebs verbessert ist und mit der sich insbesondere ein Neustart schneller und kraftstoffsparender realisieren lässt als nach dem Stand der Technik.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 zum erneuten Starten einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kraftstoffversorgungssystem zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung mit einem ersten Kraftstoffspeicher verbindbar ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem ersten Druck p₁ eingerichtet und mittels stromaufwärts vorgesehener Pumpe befüllbar ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass

– ein zweiter Kraftstoffspeicher vorgesehen ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem zweiten Druck p₂ < p₁ eingerichtet ist und zum Befüllen mit Kraftstoff via Verbindungsleitung mit dem ersten Kraftstoffspeicher verbindbar ist, und
– der zweite Kraftstoffspeicher via Bypassleitung mit den mindestens zwei Einspritzdüsen des Kraftstoffversorgungssystems verbindbar ist, wobei die Bypassleitung stromabwärts des ersten Kraftstoffspeichers unter Ausbildung einer Anschlussstelle in das Kraftstoffversorgungssystem mündet und in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, welches die Bypassleitung freigibt oder versperrt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Einspritzung von Kraftstoff im Rahmen eines Neustarts bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ohne Verzögerung, d. h. unmittelbar bei Einleitung des Neustarts, möglich. Hierzu werden die Einspritzdüsen der Zylinder in der Startphase via Bypassleitung aus einem zweiten Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff versorgt, d. h. gespeist. Dieses sekundäre Kraftstoffsystem übernimmt hilfsweise die Versorgung der Zylinder bzw. der Einspritzdüsen mit Kraftstoff bis die Pumpe einen ausreichend hohen Druck im eigentlichen Kraftstoffversorgungssystem aufgebaut hat, um die Zylinder bzw. die Einspritzdüsen wieder entsprechend dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine aus dem ersten Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff versorgen zu können. Dabei ist ein Öffnen des in der Bypassleitung angeordneten Absperrelements erforderlich.
Während der Kraftstoff im ersten Kraftstoffspeicher bei einem ausreichend hohen Druck p₁ zu bevorraten bzw. bereitzustellen ist, um die Kraftstoffversorgung im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen, insbesondere auch nach einem Kaltstart, zu gewährleisten, ist es ausreichend, den Kraftstoff im zweiten Kraftstoffspeicher mit einem niedrigeren Druck p₂ zu bevorraten, um die bereits vorerwärmten Zylinder im Rahmen eines Stopp-and-Go-Betriebs für n Arbeitsspiele mit Kraftstoff zu versorgen.
Der niedrigere Druck p₂ im sekundären, hilfsweise eingesetzten Kraftstoffsystem ermöglicht es zudem, diesen Druck p₂ im zweiten Kraftstoffspeicher durch Sperren der Bypaßleitung, d. h. durch Schließen des in der Bypassleitung angeordneten Absperrelements, bis hin zu einem Neustart im Rahmen eines Stopp-and-Go-Betriebs aufrechtzuerhalten. Ein Abbau des Kraftstoffdrucks, wie er im eigentlichen Kraftstoffversorgungssystem beim Abschalten der Brennkraftmaschine zu beobachten ist, erfolgt aufgrund des geringeren Druckniveaus nicht.
Der zweite Kraftstoffspeicher ist zum Befüllen mit Kraftstoff via Verbindungsleitung mit dem ersten Kraftstoffspeicher verbindbar.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht einen kraftstoffsparenden und schnellen Neustart. Weitere Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die beim Starten generierten Schadstoffmengen und in Bezug auf eine zur Unterstützung des Startvorgangs eingesetzte Startvorrichtung, die infolge des beschleunigten Startvorganges bereits kurz nach dem Einleiten des Neustarts entbehrlich ist und deaktiviert werden kann.
Durch die Verkürzung der Startzeit werden die Fahrdynamik und insbesondere auch der Fahrkomfort aufgrund der geringeren Geräuschemissionen verbessert.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird somit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich eines Stopp-and-Go-Betriebs verbessert ist und mit der sich insbesondere ein Neustart schneller und kraftstoffsparender realisieren lässt als nach dem Stand der Technik.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher und dem zweiten Kraftstoffspeicher mindestens ein Ventil angeordnet ist, welches zum Befüllen des zweiten Kraftstoffspeichers mit Kraftstoff geöffnet ist.
Einerseits muss die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kraftstoffspeichern geöffnet werden können, um den zweiten Kraftstoffspeicher mit dem ersten Kraftstoffspeicher zum Befüllen mit Kraftstoff zu verbinden. Andererseits muss die Verbindungsleitung aber auch geschlossen werden können, damit sich der Druck p₂ im zweiten Kraftstoffspeicher beim Abschalten der Brennkraftmaschine nicht via Verbindungsleitung abbaut.
Das Anordnen eines Ventils in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher und dem zweiten Kraftstoffspeicher ermöglicht es, beide Anforderungen zu erfüllen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine in der Verbindungsleitung angeordnete Ventil ein selbsttätig steuerndes Druckventil ist, welches in Abhängigkeit mindestens eines anliegenden Kraftstoffdruckes öffnet und schließt.
Vorteilhaft sind dabei insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Verbindungsleitung zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher und dem zweiten Kraftstoffspeicher zwei selbsttätig steuernde Druckventile angeordnet sind, wobei

– das zweite Druckventil zwischen dem ersten Druckventil und dem zweiten Kraftstoffspeicher angeordnet ist,
– das erste Druckventil bei Überschreiten eines ersten vorgebbaren Drucks p_open im ersten Kraftstoffspeicher gegen eine Rückstellkraft öffnet, und
– das zweite Druckventil bei Überschreiten eines zweiten vorgebbaren Drucks p_close > p_open im ersten Kraftstoffspeicher gegen eine Rückstellkraft schließt.

Nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine wird im Kraftstoffversorgungssystem mittels Kraftstoffpumpe ein Druck aufgebaut. Sobald dieser Druck p₁ ein gewisses Niveau, nämlich einen ersten vorgebbaren Druck p_open, überschreitet, öffnet das erste Druckventil und der zweite Kraftstoffspeicher wird via Verbindungsleitung mit aus dem ersten Kraftstoffspeicher stammendem Kraftstoff befüllt. Bei weiter ansteigendem Druck im Kraftstoff schließt dann das zweite in der Verbindungsleitung angeordnete Ventil bei Erreichen des Drucks p_close, womit der Befüllvorgang des zweiten Kraftstoffspeichers beendet ist, d. h. abgeschlossen wird.
Die beiden Drücke p_close und p_open können durch die Konstruktionsmerkmale der Druckventile beeinflusst, d. h. festgelegt werden, wobei den die Rückstellkräfte generierenden Elementen und den Ventilverschlusskörpern eine besondere Bedeutung zukommt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den ersten vorgebbaren Druck p_open gilt: 100 bar < p_open < 220 bar.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den ersten vorgebbaren Druck p_open gilt: 130 bar < p_open < 200 bar.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den zweiten vorgebbaren Druck p_close gilt: 230 bar < p_close < 400 bar.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den zweiten vorgebbaren Druck p_close gilt: 250 bar < p_close < 350 bar.
Der Druck p_close sollte hoch genug sein, um die Zylinder bzw. die Einspritzdüsen zu Beginn eines Neustarts für n Arbeitsspiele mit Kraftstoff versorgen zu können. Anderseits sollte dieser Druck p_close nicht höher gewählt werden als erforderlich, da die Pumpe von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und das Befüllen des zweiten Kraftstoffspeichers mittels Pumpe die von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Leistung mindert.
Ein zu hoher Druck p_close bzw. p₂ könnte bei Abschalten der Brennkraftmaschine ohnehin nicht bis zu einem Neustart aufrechtzuerhalten werden, sondern würde sich – wie auch im Kraftstoffversorgungssystem selbst – abbauen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das in der Bypassleitung angeordnete Absperrelement ein mittels Motorsteuerung elektrisch betätigbares Ventil ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher und der Anschlussstelle mindestens ein weiteres Absperrelement angeordnet ist, welches in der Schließstellung den ersten Kraftstoffspeicher vom stromabwärts gelegenen Kraftstoffversorgungssystem trennt, wenn das in der Bypassleitung angeordnete Absperrelement geöffnet ist.
Ein Schließen des weiteren Absperrelementes während eines Neustarts verhindert, dass Kraftstoff aus dem zweiten Kraftstoffspeicher via Bypassleitung in den ersten Kraftstoffspeicher hinein gefördert wird bzw. sich der Druck p₂ über den ersten Kraftstoffspeicher abbaut.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine weitere Absperrelement ein Rückschlagventil ist. Dabei schließt das Ventil selbsttätig aufgrund des im sekundären Kraftstoffsystem, der Anschlussstelle und dem weiteren Absperrelement vorliegenden Kraftstoffdrucks p₂, wobei von Seiten des ersten Kraftstoffspeichers bei abgeschalteter Brennkraftmaschine kein Druck entgegenwirkt bzw. ein kleinerer Druck wirkt.
Kraftstoffversorgungssysteme für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen verfügen neben der eigentlichen Niederdruck-Kraftstoffpumpe über eine zweite Pumpe, nämlich eine Hochdruckpumpe. Während die Hochdruckpumpe für die erforderlichen hohen Einspritzdrücke sorgt, dient die eigentliche Kraftstoffpumpe als sogenannte Vorförderpumpe zur Befüllung der Hochdruckpumpe. Die Hochdruckpumpe erfordert zusätzliche, von der Brennkraftmaschine bereitzustellende Antriebsleistung, die den effektiven Wirkungsgrad mindert.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum erneuten Starten einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einspritzdüse mindestens eines Zylinders für die ersten n Arbeitsspiele (n ≥ 1) des Neustarts aus dem zweiten Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff versorgt wird, wozu die Einspritzdüse durch Öffnen des in der Bypassleitung angeordneten Absperrelements mit dem zweiten Kraftstoffspeicher verbunden wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Einspritzdüse mindestens eines Zylinders für das erste Arbeitsspiel (n = 1) des Neustarts aus dem zweiten Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff versorgt wird.
Es wird angestrebt, den Neustart innerhalb eines einzigen Arbeitsspiels bzw. innerhalb möglichst weniger Kurbelwellenumdrehungen zu bewerkstelligen, d. h. die Brennkraftmaschine nach einem Abschaltvorgang so schnell wie möglich wieder in Betrieb zu nehmen und die Zylinder bzw. die Einspritzdüsen möglichst zügig aus dem ersten Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff zu versorgen. Eine kurze Startzeit, d. h. ein schneller Neustart, verbessert die Fahrdynamik und erhöht den Fahrkomfort, wobei die Startdauer direkten Einfluss hat auf die Kraftstoffeinsparung mittels Stopp-and-Go-Betrieb und die Schadstoffemissionen im Stopp-and-Go-Betrieb.
Zum erneuten Starten einer mit einer Motorsteuerung ausgestatteten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, in deren Zylindern mit einer Kurbelwelle verbundene Kolben oszillieren, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen ausgehend von einer der Motorsteuerung bekannten Stopp-Position der Kurbelwelle zuerst in einen Zylinder, der sich in der Kompressionsphase befindet, Kraftstoff eingespritzt wird und das in diesem mindestens einen Zylinder befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird.
Diese Vorgehensweise verkürzt die Startzeit erheblich. Aufgrund der Kenntnis der Stopp-Position der Kurbelwelle entfällt eine zeitraubende Synchronisation, welche die Startzeit ansonsten spürbar verlängern und im Regelfall eine längere Unterstützung des Startvorganges durch die Startvorrichtung erfordern würde.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen beim erneuten Starten der Brennkraftmaschine eine Startvorrichtung aktiviert wird, mit der die Kurbelwelle in Drehung versetzt wird, um den Startvorgang zu unterstützen.
Als Startvorrichtung kommt beispielsweise ein Anlasser, ein Elektromotor oder ein ähnliches Gerät zum Einsatz, das geeignet ist, die Kurbelwelle zwangsweise in Drehung zu versetzen. Dabei wird die Startvorrichtung solange zum zwangsweisen Antrieb der Kurbelwelle herangezogen, bis die Drehung der Kurbelwelle mittels Einspritzung von Kraftstoff und Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ohne Startvorrichtung aufrechterhalten werden kann.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen nach den ersten n Arbeitsspielen des Neustarts die Einspritzdüsen der mindestens zwei Zylinder aus dem ersten Kraftstoffspeicher mit Kraftstoff versorgt werden, wobei das in der Bypassleitung angeordnete Absperrelement geschlossen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch als Prinzipskizze die Kraftstoffversorgung einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch als Prinzipskizze die Kraftstoffversorgung 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Das Kraftstoffversorgungssystem 1 dient der Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff. Jedem Zylinder ist eine Einspritzdüse 2 zugeordnet. Im Normalbetrieb werden die Einspritzdüsen 2 der Zylinder aus einem ersten Kraftstoffspeicher 4 mit Kraftstoff gespeist. Hierzu verbindet eine Versorgungsleitung 3 die Einspritzdüsen 2 mit dem ersten Kraftstoffspeicher 4, der den Kraftstoff bei einem ersten hohen Druck p₁ bevorratet und mittels stromaufwärts vorgesehener Hochdruckpumpe 5 befüllt und unter Druck gesetzt wird.
Um die Zylinder in der Startphase unmittelbar nach Einleitung eines Neustarts mit Kraftstoff versorgen zu können, ist ein zweiter Kraftstoffspeicher 6 vorgesehen, der Kraftstoff bei einem zweiten niedrigeren Druck p₂ < p₁ bevorratet und via Bypassleitung 8 mit den Einspritzdüsen 2 durch Öffnen eines in der Bypassleitung 8 angeordneten Absperrelements 8b verbindbar ist. Die Bypassleitung 8 mündet unter Ausbildung einer Anschlussstelle 8a stromabwärts des ersten Kraftstoffspeichers 4 in das Kraftstoffversorgungssystem 1. Vorliegend ist das in der Bypassleitung 8 angeordnete Absperrelement 8b ein mittels Motorsteuerung elektrisch betätigbares Ventil 8c.
Zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher 4 und der Anschlussstelle 8a ist ein weiteres Absperrelement 12 vorgesehen, das sich während eines Neustarts, wenn das in der Bypassleitung 8 angeordnete Absperrelement 8b geöffnet wird, in der Schließstellung befindet und den ersten Kraftstoffspeicher 4 vom stromabwärts gelegenen Kraftstoffversorgungssystem 1 trennt. Dies verhindert, dass sich der Druck p₂ im sekundären Kraftstoffversorgungssystem über den ersten Kraftstoffspeicher 4 abbaut. Als weiteres Absperrelement 12 dient vorliegend ein Rückschlagventil 12a.
Der zweite Kraftstoffspeicher 6 kann zum Befüllen mit Kraftstoff via Verbindungsleitung 7 mit dem ersten Kraftstoffspeicher 4 verbunden werden. In der Verbindungsleitung 7 sind zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher 4 und dem zweiten Kraftstoffspeicher 6 zwei Ventile 9a, 9b, vorliegend zwei selbsttätig steuernde Druckventile 10a, 10b, angeordnet, welche die Verbindungsleitung 7 nach Bedarf verschließen oder freigeben. Das zweite Druckventil 10b ist zwischen dem ersten Druckventil 10a und dem zweiten Kraftstoffspeicher 6 angeordnet.
Bei ansteigendem Druck öffnet das erste Druckventil 10a entgegen der Rückstellkraft einer ersten Rückstellfeder 11a, sobald der Druck p₁ im ersten Kraftstoffspeicher 4 einen ersten vorgebbaren Druck p_open überschreitet, so dass der zweite Kraftstoffspeicher 6 via Verbindungsleitung 7 mit Kraftstoff aus dem ersten Kraftstoffspeicher 4 befüllt wird.
Bei weiter ansteigendem Druck im Kraftstoff schließt dann das zweite in der Verbindungsleitung 5 angeordnete Druckventil 10b bei Erreichen eines zweiten vorgebbaren Drucks p_close entgegen der Rückstellkraft einer zweiten Rückstellfeder 11b, wodurch das Befüllen des zweiten Kraftstoffspeichers 6 mit Kraftstoff abgeschlossen wird.
Die beiden Druckventile 10a, 10b stellen auch sicher, dass die Verbindungsleitung 7 bei abgeschalteter Brennkraftmaschine und einem Neustart versperrt, d. h. verschlossen, ist, damit sich der Druck p₂ im zweiten Kraftstoffspeicher nicht via Verbindungsleitung abbaut.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffversorgungssystem, Kraftstoffversorgung
2: Einspritzdüse
3: Versorgungsleitung
4: erster Kraftstoffspeicher
5: Pumpe
6: zweiter Kraftstoffspeicher
7: Verbindungsleitung
8: Bypassleitung
8a: Anschlussstelle
8b: Absperrelement
8c: elektrisch betätigbares Ventil
9a: erstes Ventil
9b: zweites Ventil
10a: erstes selbsttätig steuerndes Druckventil
10b: zweites selbsttätig steuerndes Druckventil
11a: erste Rückstellfeder
11b: zweite Rückstellfeder
12: weitere Absperrelement
12a: Rückschlagventil
p₁: Druck im ersten Kraftstoffspeicher
p₂: Druck im zweiten Kraftstoffspeicher
p_open: Druck, bei dem das erste Druckventil öffnet
p_close: Druck, bei dem das zweite Druckventil schließt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4230616 A [0013]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einem Kraftstoffversorgungssystem (1) zur Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff, bei dem jedem Zylinder eine Einspritzdüse (2) zugeordnet ist, die via Versorgungsleitung (3) mit einem ersten Kraftstoffspeicher (4) verbindbar ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem ersten Druck p₁ eingerichtet und mittels stromaufwärts vorgesehener Pumpe (5) befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Kraftstoffspeicher (6) vorgesehen ist, der zum Bevorraten von Kraftstoff bei einem zweiten Druck p₂ < p₁ eingerichtet ist und zum Befüllen mit Kraftstoff via Verbindungsleitung (7) mit dem ersten Kraftstoffspeicher (4) verbindbar ist, und – der zweite Kraftstoffspeicher (6) via Bypassleitung (8) mit den mindestens zwei Einspritzdüsen (2) des Kraftstoffversorgungssystems (1) verbindbar ist, wobei die Bypassleitung (8) stromabwärts des ersten Kraftstoffspeichers (4) unter Ausbildung einer Anschlussstelle (8a) in das Kraftstoffversorgungssystem (1) mündet und in der Bypassleitung (8) ein Absperrelement (8b) angeordnet ist, welches die Bypassleitung (8) freigibt oder versperrt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (7) zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher (4) und dem zweiten Kraftstoffspeicher (6) mindestens ein Ventil (9a, 9b) angeordnet ist, welches zum Befüllen des zweiten Kraftstoffspeichers (6) mit Kraftstoff geöffnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine in der Verbindungsleitung (7) angeordnete Ventil (9a, 9b) ein selbsttätig steuerndes Druckventil (10a, 10b) ist, welches in Abhängigkeit mindestens eines anliegenden Kraftstoffdruckes öffnet und schließt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (7) zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher (4) und dem zweiten Kraftstoffspeicher (6) zwei selbsttätig steuernde Druckventile (10a, 10b) angeordnet sind, wobei – das zweite Druckventil (10b) zwischen dem ersten Druckventil (10a) und dem zweiten Kraftstoffspeicher (6) angeordnet ist, – das erste Druckventil (10a) bei Überschreiten eines ersten vorgebbaren Drucks p_open im ersten Kraftstoffspeicher (4) gegen eine Rückstellkraft (11a) öffnet, und – das zweite Druckventil (10b) bei Überschreiten eines zweiten vorgebbaren Drucks p_close > p_open im ersten Kraftstoffspeicher (4) gegen eine Rückstellkraft (11b) schließt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten vorgebbaren Druck p_open gilt: 100 bar < p_open < 220 bar.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten vorgebbaren Druck p_open gilt: 130 bar < p_open < 200 bar.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten vorgebbaren Druck p_close gilt: 230 bar < p_close < 400 bar.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten vorgebbaren Druck p_close gilt: 250 bar < p_close < 350 bar.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Bypassleitung (8) angeordnete Absperrelement (8b) ein mittels Motorsteuerung elektrisch betätigbares Ventil (8c) ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kraftstoffspeicher (4) und der Anschlussstelle (8a) mindestens ein weiteres Absperrelement (12) angeordnet ist, welches in der Schließstellung den ersten Kraftstoffspeicher (4) vom stromabwärts gelegenen Kraftstoffversorgungssystem (1) trennt, wenn das in der Bypassleitung (8) angeordnete Absperrelement (8b) geöffnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Absperrelement (12) ein Rückschlagventil (12a) ist.
Verfahren zum erneuten Starten einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche im Rahmen eines Stopp-and-Go-Betriebs, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (2) mindestens eines Zylinders für die ersten n Arbeitsspiele (n ≥ 1) des Neustarts aus dem zweiten Kraftstoffspeicher (6) mit Kraftstoff versorgt wird, wozu die Einspritzdüse (2) durch Öffnen des in der Bypassleitung (8) angeordneten Absperrelements (8b) mit dem zweiten Kraftstoffspeicher (6) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (2) mindestens eines Zylinders für das erste Arbeitsspiel (n = 1) des Neustarts aus dem zweiten Kraftstoffspeicher (6) mit Kraftstoff versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 zum erneuten Starten einer mit einer Motorsteuerung ausgestatteten direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, in deren Zylindern mit einer Kurbelwelle verbundene Kolben oszillieren, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer der Motorsteuerung bekannten Stopp-Position der Kurbelwelle zuerst in einen Zylinder, der sich in der Kompressionsphase befindet, Kraftstoff eingespritzt wird und das in diesem mindestens einen Zylinder befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim erneuten Starten der Brennkraftmaschine eine Startvorrichtung aktiviert wird, mit der die Kurbelwelle in Drehung versetzt wird, um den Startvorgang zu unterstützen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach den ersten n Arbeitsspielen des Neustarts die Einspritzdüsen (2) der mindestens zwei Zylinder aus dem ersten Kraftstoffspeicher (4) mit Kraftstoff versorgt werden, wobei das in der Bypassleitung (8) angeordnete Absperrelement (8b) geschlossen wird.