DE102013213506B4

DE102013213506B4 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Kraftstofffilterheizung und Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102013213506B4
Application number: DE102013213506.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Lingener; Tobias Ritsch
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: KR20150067352A; CN104736825B; KR102110631B1; WO2014060292A1; US20150292430A1; CN104736825A; DE102013213506A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine mit den folgenden Schritten:- Filtern von Kraftstoff mit einem Kraftstofffilter (20),- Fördern des Kraftstoffs mit einer Hochdruckpumpe (24) in ein Hochdruckvolumen (52),- Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen (52) in einen Brennraum, wobei zu Beginn des Einspritzens in dem Hochdruckvolumen (52) ein erster Druck herrscht,- Beheizen des Kraftstofffilters durch Zurückführen von erwärmtem Kraftstoff, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:- Erhöhen des Drucks in dem Hochdruckvolumen (52) auf einen zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck,- Absenken des Drucks in dem Hochdruckvolumen (52) von dem zweiten Druck auf den ersten Druck, wobei das Erhöhen und Absenken des Drucks im selben Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine erfolgen wie das Einspritzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Kraftstofffilterheizung und ein solches Kraftstoffeinspritzsystem. Kraftstoffeinspritzsysteme für Otto- und Dieselmotoren reagieren empfindlich auf kleinste Unreinheiten im Kraftstoff. Um Schäden des Kraftstoffeinspritzsystems durch mit dem Kraftstoff eingetragene Verunreinigungen während der gesamten angestrebten Lebensdauer zu vermeiden, ist es erforderlich, auch kleine Partikelfraktionen mit Partikelgrößen im Bereich von 3 Mikrometer bis 5 Mikrometer annähernd vollständig herauszufiltern. Die hierfür benötigten, feinen Kraftstofffilter können unter bestimmten Bedingungen leicht verstopfen.
Besondere Schwierigkeiten ergeben sich bei sehr niedrigen Betriebstemperaturen. Zum Beispiel kommt es bei Dieselkraftstoffen und Temperaturen von weniger als ungefähr -25°C zu einem Ausflocken von Parafinen. Die entstehenden Parafinkristalle können das Kraftstofffilter in kurzer Zeit verstopfen und den Kraftstoffdurchfluss so stark verhindern, dass der Motor ausfällt. Ein zusätzlicher Beitrag zur Verstopfung des Kraftstofffilters kann durch einen Wasseranteil im Kraftstoff geleistet werden. Beispielsweise kann Dieselkraftstoff bis zu ungefähr 8 % Wasser aufnehmen, welches im Winter gefrieren kann. Vergleichbare Probleme treten auch bei anderen Kraftstofftypen auf, zum Beispiel bei hohem Anteil eines Biokraftstoffs.
Den geschilderten Problemen kann durch ein Beheizen des Kraftstofffilters entgegengewirkt werden. Bekannt sind elektrische Kraftstofffilterheizungen und so genannte hydraulische Kraftstofffilterheizungen. Für hydraulische Kraftstofffilterheizungen wird die Verlustleistung des hydraulischen Kraftstoffeinspritzsystems genutzt. Durch Kompression des Kraftstoffs und durch Reibungserwärmung erwärmt sich der Kraftstoff innerhalb des Kraftstoffeinspritzsystems. Hydraulische Kraftstofffilterheizungen nutzen den auf diese Weise erwärmten Kraftstoff zum Beheizen des Kraftstofffilters. Dies kann durch Zurückführen des erwärmten Kraftstoffs unmittelbar zum Kraftstofffilter erfolgen. Ebenfalls möglich ist ein Zurückführen des erwärmten Kraftstoffs in den Tank, wodurch es ebenfalls zu höheren Betriebstemperaturen am Kraftstofffilter kommt.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 030 701 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems bekannt geworden, bei dem ein Kraftstofffilter durch Zurückführen von erwärmtem Kraftstoff beheizt wird. Dabei soll der Kraftstoff unter anderem aus einer Kraftstoff-Verteilerleitung, die ein Hochdruckvolumen darstellt, über ein Druckminderventil in einen Rezirkulationskanal und damit zum Kraftstofffilter zurückgeführt werden. Es wird vorgeschlagen, bei einem Kaltstart eine Förderpumpe in einem druckgesteuerten Modus (PCV-Modus) mit voller Leistung zu betreiben, um einen hohen Volumenstrom von erwärmtem Kraftstoff zurückzuführen und das Kraftstofffilter wirksam zu beheizen.
Aus der Druckschrift EP 1 900 930 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems bekannt geworden, bei dem der Druck in einem Hochdruckvolumen durch Öffnen und Schließen eines Druckminderventils geregelt wird. Ein Überschießen des Drucks über einen angestrebten Wert soll dadurch verhindert werden, dass das Druckminderventil schon vor Erreichen des Zieldrucks geöffnet wird. Dadurch soll eine Kompensation der Verzögerungszeit des Druckminderventils vorgenommen werden.
Aus der Druckschrift EP 1 319 821 A2 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt geworden, bei dem über ein Druckabbauventil erwärmter Kraftstoff aus einem Hochdruckvolumen über eine Kraftstoffrezirkulationsleitung einem Kraftstofffilter zugeführt werden kann.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mit dem die Heizleistung einer hydraulischen Kraftstofffilterheizung erhöht werden kann, sowie ein entsprechendes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren dient zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine und weist die folgenden Schritte auf:

- Filtern von Kraftstoff mit einem Kraftstofffilter,
- Fördern des Kraftstoffs mit einer Hochdruckpumpe in ein Hochdruckvolumen,
- Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen in einen Brennraum, wobei zu Beginn des Einspritzens in dem Hochdruckvolumen ein erster Druck herrscht,
- Beheizen des Kraftstofffilters durch Zurückführen von erwärmtem Kraftstoff,
- Erhöhen des Drucks in dem Hochdruckvolumen auf einen zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck,
- Absenken des Drucks in dem Hochdruckvolumen von dem zweiten Druck auf den ersten Druck, wobei das Erhöhen und Absenken des Drucks im selben Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine erfolgen wie das Einspritzen.

Das Hochdruckvolumen kann insbesondere ein Kraftstoffspeicher, bei Diesel-Brennkraftmaschinen häufig bezeichnet als Common Rail, sein. Es kann sich jedoch auch um ein speicherloses Einspritzsystem handeln, bei dem das Hochdruckvolumen, aus dem der Kraftstoff für die Einspritzung entnommen wird, beispielsweise von einer Hochdruck-Kraftstoffleitung gebildet wird.
Das Einspritzen des Kraftstoffs aus dem Hochdruckvolumen in einen Brennraum kann insbesondere mit mindestens einem Injektor erfolgen, der mit dem Hochdruckvolumen verbunden ist. Der erste Druck entspricht einem vorgegebenen Sollwert in dem Hochdruckvolumen dessen Einhaltung zum Zeitpunkt des Beginns einer Einspritzung angestrebt wird. Der erste Druck hängt vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ab. Beispielsweise kann er im Leerlauf der Brennkraftmaschine bei einem Dieselmotor mit Common Rail im Bereich von 150 bar bis 300 bar liegen, während unter Volllast Drücke von 2000 bar und mehr erreicht werden.
Das Beheizen des Kraftstofffilters erfolgt durch Zurückführen von erwärmtem Kraftstoff, wobei die Erwärmung des Kraftstoffs aus einer „hydraulischen Verlustleistung“ des Kraftstoffeinspritzsystems resultiert. Zu dieser hydraulischen Verlustleistung trägt insbesondere die Kompression des Kraftstoffs bei. Zum Beispiel wird Dieselkraftstoff durch Kompression um ungefähr 14 K pro 1000 bar erwärmt. Einen zumeist noch größeren Beitrag zur Erwärmung stellt sich durch Reibung ein, insbesondere an einem Druckabbauventil, etwa einer Drossel, wodurch eine Erwärmung um weitere ungefähr 55 K pro 1000 bar entsteht.
Der Wärmeeintrag ΔQ in den Kraftstoff, der für das Beheizen des Kraftstofffilters herangezogen werden kann, ergibt sich aus dem Zusammenhang $Δ Q = Δ T * ρ {* c}_{v} * \dot{V}$
Demnach ist der Wärmeeintrag ΔQ gleich der Temperaturerhöhung ΔT multipliziert mit der Dichte ρ des Kraftstoffs, der spezifischen Wärmekapazität c_v des Kraftstoffs und dem Volumenstrom _v des Kraftstoffs. Der Wärmeeintrag ΔQ hängt daher von der durch die hydraulische Verlustleistung erzeugten Temperaturdifferenz ab, welche wiederum durch die Differenzdrücke bei Kompression und Druckabbau bestimmt wird. Diesen Zusammenhang haben die Erfinder erkannt und festgestellt, dass Schwierigkeiten infolge nicht ausreichender Heizleistung insbesondere im Leerlauf auftreten, wenn der erste Druck im Hochdruckvolumen relativ geringe Werte aufweist. Dies führt zu relativ geringen Temperaturdifferenzen und dementsprechend geringem Wärmeeintrag.
Die Erfindung beruht weiterhin auf der Erkenntnis, dass ein einfaches Erhöhen des ersten Drucks insbesondere im Leerlaufbetrieb nicht wünschenswert ist, weil eine solche Erhöhung und der entsprechend erhöhte Einspritzdruck zu einem höheren Geräuschniveau im Leerlaufbetrieb führt, welcher unerwünscht ist. Bei der Erfindung wird daher weiterhin für die Einspritzung mit einem unveränderten ersten Druck gearbeitet. Gleichzeitig gelingt es, die Heizleistung wesentlich zu erhöhen, indem innerhalb desselben Arbeitszyklus, in dem die Einspritzung bei dem ersten Druck erfolgt, der Druck im Hochdruckvolumen auf einen zweiten Druck erhöht wird, der größer ist als der erste Druck und (anschließend) von dem zweiten Druck auf den ersten Druck abgesenkt wird. Durch diese zusätzliche Kompression und diesen zusätzlichen Druckabbau erhöht sich die hydraulische Verlustleistung und damit die verfügbare Heizleistung des Kraftstoffeinspritzsystems.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Erhöhen und Absenken des Drucks nur, wenn eine vorgegebene Mindesttemperatur im Bereich des Kraftstofffilters unterschritten wird. Die Temperatur im Bereich des Kraftstofffilters kann mit einem Temperatursensor erfasst werden. Der Temperatursensor kann so angeordnet sein, dass er eine Temperatur des Kraftstofffilters und/oder eine Temperatur des im Kraftstofffilter befindlichen Kraftstoffs und/oder eine Temperatur des Kraftstoffs stromaufwärts des Kraftstofffilters erfasst. In diese Ausgestaltung wird die höhere hydraulische Verlustleistung des Systems nur dann erzeugt, wenn eine stärkere Beheizung des Kraftstofffilters erforderlich ist.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Erhöhen und Absenken des Drucks nur, wenn der erste Druck einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet. Der vorgegebene Minimalwert kann beispielsweise im Bereich von 500 bar bis 1000 bar gewählt werden. Der erste Druck ist ein in einer Steuerung ohne weiteres verfügbarer Sollwert für die Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems. Die Ausgestaltung führt zu einer besonders einfachen und bedarfsgerechten Aktivierung der höheren Heizleistung. Sie geht davon aus, dass bei einem ersten Druck oberhalb des vorgegebenen Minimalwerts auch ohne das erfindungsgemäße, zusätzliche Erhöhen und Absenken des Drucks eine ausreichende Heizleistung zur Verfügung steht.
In einer Ausgestaltung ist die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck von einer Temperatur im Bereich des Kraftstofffilters abhängig. Die Temperatur im Bereich des Kraftstofffilters kann, wie vorstehend im Zusammenhang mit der vorgegebenen Mindesttemperatur erläutert, erfasst werden. Die zusätzlich verfügbare Heizleistung ist von dieser Druckdifferenz abhängig. Es ist daher zweckmäßig, sie bei besonders niedrigen Temperaturen im Bereich des Kraftstofffilters größer zu wählen als bei höheren Temperaturen. Auch durch diese Maßnahme wird die zusätzlich verfügbare Heizleistung besonders bedarfsgerecht gesteuert.
In einer Ausgestaltung beträgt die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck 50 bar oder mehr. Die Druckdifferenz kann insbesondere in einem Bereich von ungefähr 100 bar bis 200 bar liegen. Druckdifferenzen der genannten Größenordnung führen zu einer ausreichenden Erhöhung der Heizleistung und sind relativ einfach umsetzbar.
In einer Ausgestaltung wird das Erhöhen des Drucks durch Erhöhen einer Fördermenge der Hochdruckpumpe bewirkt. Auf diese Weise kann der Druck im Hochdruckvolumen auf einfache Weise gezielt erhöht werden.
In einer Ausgestaltung wird die Fördermenge durch Steuern eines Öffnungszeitraums eines digitalen Einlassventils der Hochdruckpumpe gesteuert. Ein digitales Einlassventil wird, im Gegensatz zu einem Proportionalventil, im Betrieb zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Stellung hin- und hergeschaltet. Der Öffnungszeitraum entspricht einem Zeitraum, in dem sich das digitale Einlassventil in der geöffneten Stellung befindet. Innerhalb dieses Zeitraums kann insbesondere ein Arbeitsvolumen der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt werden. Da ein digitales Einlassventil sehr schnell und präzise gesteuert werden kann, ist eine besonders dynamische und exakte Vorgabe der Fördermenge möglich.
In einer Ausgestaltung wird die Fördermenge auf einen mit der Hochdruckpumpe innerhalb des Arbeitszyklus maximal möglichen Wert eingestellt. Bei Verwendung eines digitalen Einlassventils kann demnach der Öffnungszeitraum den gesamten Arbeitstakt ausmachen, indem das Arbeitsvolumen der Hochdruckpumpe befüllt werden kann. Dadurch wird die zusätzliche Verlustleistung maximiert.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Absenken des Drucks durch Öffnen eines Druckabbauventils, das mit dem Hochdruckvolumen verbunden ist. Der über das Druckabbauventil aus dem Hochdruckvolumen entweichende Kraftstoff kann zum Beheizen des Kraftstofffilters zurückgeführt werden. In Verbindung mit einer erhöhten Fördermenge der Hochdruckpumpe für das Erhöhen des Drucks führt das Absenken des Drucks durch ein solches Ablassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen über das Druckabbauventil zusätzlich zu der höheren, oben erläuterten Temperaturdifferenz zu einem erhöhten Volumenstrom des zurückgeführten, erwärmten Kraftstoffs. Es ergibt sich daher eine besonders starke Erhöhung des möglichen Wärmeeintrags. In einer Ausgestaltung ist das Druckabbauventil ein digitales Druckabbauventil, das zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung hin- und hergeschaltet wird. Wie im Zusammenhang mit dem digitalen Einlassventil bereits erläutert, ermöglicht dies ein besonders präzises und dynamisches Steuern des Absenkens des Drucks im Hochdruckvolumen.
In einer Ausgestaltung befindet sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf und der erste Druck liegt im Bereich von 100 bar bis 400 bar. Wie bereits erläutert, ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Leerlauf und bei relativ geringen Drücken zum Zeitpunkt der Einspritzung besonders gewinnbringend einsetzbar.
Ergänzung:
Der zeitliche Ablauf des Erhöhens und Absenkens des Drucks kann insbesondere so gewählt werden, dass die Schritte Erhöhen des Drucks, Absenken des Drucks und Einspritzen des Kraftstoffs in dieser Reihenfolge und mehr oder weniger unmittelbar aufeinander folgend ausgeführt werden. Außerdem kann es für jedes Zylindersegment der Brennkraftmaschine, d. h. für jeden Zylinder und ein zugehöriges Einspritzfenster genau eine Erhöhung und eine Absenkung des Drucks geben. Das Erhöhen und absenken des Drucks kann also innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine mehrfach erfolgen, insbesondere entsprechend der Anzahl der (Haupt-)Einspritzvorgänge.
In einer Ausgestaltung ist die Hochdruckpumpe eine Kolbenpumpe und erreicht einen oberen Totpunkt 80° bis 20° einer Kurbelwellenumdrehung der Brennkraftmaschine früher als ein Kolben der Brennkraftmaschine. Der sich aus dieser relativen Anordnung der oberen Totpunkte eines Kolbens der Brennkraftmaschine und eines Kolbens der Hochdruckpumpe ergebende Zeitablauf führt dazu, dass nach dem Erreichen des oberen Totpunkts der Hochdruckpumpe, d. h. am Ende des Erhöhens des Drucks im Hochdruckvolumen, hinreichend Zeit für das Absenken des Drucks verbleibt, bis die Haupteinspritzung in den betreffendem Brennraum der Brennkraftmaschine, etwa am oberen Totpunkt des oberen Kolbens, erfolgen soll. Die für das zusätzliche Erhöhen und Absenken des Drucks zur Verfügung stehende Zeit wird optimal ausgenutzt.
Die oben angegebene Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch das Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Das Kraftstoffeinspritzsystem ist für eine Brennkraftmaschine bestimmt und weist die folgenden Merkmale auf:

- einen Kraftstofffilter,
- eine Hochdruckpumpe,
- ein Hochdruckvolumen, das mit einem Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe verbunden ist,
- mindestens einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen in einen Brennraum,
- ein Druckabbauventil, das mit dem Hochdruckvolumen verbunden ist,
- eine Kraftstoffrückführeinrichtung, die zum Beheizen des Kraftstofffilters dazu ausgebildet ist, erwärmten Kraftstoff zurückzuführen,
- eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Hochdruckvolumen durch Ansteuern der Hochdruckpumpe und/oder des Druckabbauventils so zu steuern, dass in dem Hochdruckvolumen vor einer Einspritzung ein erster Druck herrscht, wobei
- die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Hochdruckvolumen auf einen zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck, zu erhöhen, und von dem zweiten Druck auf den ersten Druck abzusenken, wobei das Erhöhen und Absenken des Drucks im selben Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine erfolgen wie die Einspritzung.

Das Kraftstoffeinspritzsystem ist insbesondere dazu bestimmt, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zur Erläuterung der Merkmale des Kraftstoffeinspritzsystems und seiner besonderen Vorteile wird auf die vorstehenden Erläuterungen des Verfahrens verwiesen, die entsprechend gelten.
Es versteht sich, dass jedes der Merkmale des Kraftstoffeinspritzsystems in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann, auch wenn dies bei der Erläuterung des Verfahrens nicht explizit erläutert wurde. Beispielsweise kann das Zurückführen des Kraftstoffs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Kraftstoffrückführeinrichtung erfolgen, und so weiter.
Die Brennkraftmaschine kann nach dem Diesel- oder Ottoprinzip arbeiten.
In einer Ausgestaltung ist die Hochdruckpumpe eine Kolbenpumpe, die von einem mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Nocken angetrieben wird, wobei die Einbauphasenlage zwischen einem oberen Totpunkt der Kolbenpumpe und einem oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine im Bereich von -80° bis -20° liegt einer Kurbelwellenumdrehung liegt. Insbesondere kann eine Hochdruckpumpe mit einem einzigen Kolben verwendet werden. In Verbindung mit zwei Nocken pro Kurbelwellenumdrehung zum Antreiben der Kolbenpumpe weist diese Pumpe zwei Förderzyklen pro Kurbelwellenumdrehung auf. In Verbindung mit einem vierzylindrigen Viertaktmotor führt diese Ausgestaltung dazu, dass das Erhöhen und Absenken des Drucks in jedem Zylindersegment einmal erfolgt. Zur weiteren Erläuterung wird auf die obigen Ausführungen zum korrespondierenden Verfahrensanspruch verwiesen.
In einer Ausgestaltung ist das Kraftstoffeinspritzsystem dazu ausgebildet, einen oder mehrere der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 2 bis 11 auszuführen. Soweit diese Verfahrensschritte einen besonderen Ablauf beschreiben, ist damit gemeint, dass die Steuerung des Kraftstoffeinspritzsystems so ausgebildet ist, dass die entsprechenden Schritte ausgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in zwei Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzsystem in einer schematischen, vereinfachten Darstellung,
2 ein Diagramm zum zeitlichen Verlauf des Drucks im Hochdruckvolumen bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 aus 1 hat einen Kraftstofftank 12, in dem eine elektrische Vorförderpumpe 14 angeordnet ist. Von einem Ausgang der elektrischen Vorförderpumpe 14 gelangt der Kraftstoff über ein Rückschlagventil 16 und einen Wasserabschalter 18 zu einem Kraftstofffilter 20 und von dort weiter zu einem Kraftstoffzulauf 22 einer Hochdruckpumpe 24.
Zwischen Kraftstofffilter 20 und Kraftstoffzulauf 22 der Hochdruckpumpe 24 ist ein Niederdrucksensor 26 und ein Temperatursensor 28 angeordnet. Diese beiden Sensoren messen den Druck bzw. die Temperatur im Bereich des Kraftstofffilters 20. Die Hochdruckpumpe 24 weist einen sogenannten exzentrischen Raum 30 auf, der mit dem Kraftstoffzulauf 22 verbunden ist. Ebenfalls mit dem exzentrischen Raum 30 verbunden ist ein Kraftstoffrücklauf 32 der Hochdruckpumpe 24. Über eine Kraftstoffrücklaufleitung 34 ist der Kraftstoffrücklauf 32 mit dem Tank 12 verbunden, sodass ein Anteil des von der elektrischen Vorförderpumpe 14 geförderten Kraftstoffstroms, der im Wesentlichen zur Kühlung und Schmierung der Hochdruckpumpe 24 dient, in den Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden kann.
In dem exzentrischen Raum 30 befindet sich ein nicht dargestellter Nocken, der mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und einen Kolben 36 der Hochdruckpumpe antreibt. Ein Arbeitsvolumen 38 der Hochdruckpumpe 24 kann von dem Kolben 36 mit Druck beaufschlagt werden. Hierzu ist der Kraftstoffzulauf 22 über den exzentrischen Raum 28, ein weiteres Kraftstofffilter 40 und ein digitales Einlassventil 42 mit dem Arbeitsvolumen 38 verbunden.
Um das Arbeitsvolumen 38 mit Kraftstoff zu füllen, wird das digitale Einlassventil 42 (englisch DIV für Digital Inlet Valve) während einer Abwärtsbewegung des Kolbens 36 geöffnet. Bei einer anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 36 wird dann in dem Arbeitsvolumen 38 ein Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar und mehr erzeugt. Über ein weiteres Rückschlagventil 44 ist das Arbeitsvolumen 38 mit einem Hochdruckausgang 46 der Hochdruckpumpe 24 verbunden.
Der Hochdruckausgang 46 der Hochdruckpumpe 24 ist über eine Hochdruckleitung 48, in der eine Drossel 50 angeordnet ist, mit einem Hochdruckvolumen 52, im Beispiel ein Common Rail, verbunden. Ebenfalls mit dem Hochdruckvolumen 52 verbunden, ist ein Hochdrucksensor 54, der eine Drucküberwachung in dem Hochdruckvolumen 52 und entsprechende Druckregelung erlaubt. Weiterhin ist ein Druckabbauventil 56 mit dem Hochdruckvolumen 52 verbunden.
Eine Kraftstoffrückführeinrichtung zum Beheizen des Kraftstofffilters 20 weist ein Thermostatventil 58 und eine Kraftstoffleitung 60 auf, die mit einem Ausgang des Druckabbauventils 56 verbunden ist. Das Thermostatventil 58 ist ausgangsseitig mit einer von der elektrischen Vorförderung 14 zum Kraftstofffilter 20 führenden Kraftstoffleitung verbunden, und zwar stromaufwärts des Kraftstofffilters 20 und unmittelbar benachbart zum Kraftstofffilter 20. Die temperaturabhängige Steuerung des Thermostatventils 58 erfolgt durch Erfassen der Temperatur am Eingang des Kraftstofffilters 20 mithilfe einer Leitung 62.
Vier Injektoren 64 sind über Hochdruckleitungen 66 mit dem Hochdruckvolumen 52 verbunden und spritzen Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen 52 in nicht gezeigte Brennräume ein. Außerdem sind die Injektoren 64 über eine gemeinsame Injektorrücklaufleitung 68 mit der Kraftstoffrücklaufleitung 34 verbunden, sodass ein Leckagestrom von den Injektoren 64 in den Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden kann.
Eine elektronische Steuerung 70 ist in der 1 durch einen Kasten angedeutet. Sie ist verbunden mit der elektrischen Vorförderpumpe 14, dem digitalen Einlassventil 42 der Hochdruckpumpe 24, dem Druckabbauventil 56, den Injektoren 64, mit dem Niederdrucksensor 26, dem Temperatursensor 28 und dem Hochdrucksensor 54. Die Steuerung 70 ist insbesondere dazu ausgebildet, das digitale Einlassventil 42 zu steuern und dadurch die von der Hochdruckpumpe 24 geförderte oder in das Hochdruckvolumen 52 geförderte Kraftstoffmenge zu steuern. Durch Erhöhen dieser Fördermenge kann der Druck im Hochdruckvolumen 52 erhöht werden. Außerdem ist die Steuerung 70 dazu ausgebildet, durch Ansteuern des Druckabbauventils 56 den Druck im Hochdruckvolumen 52 abzusenken. Zudem hat die Steuerung 70 durch Steuern der Injektoren 64 und der in die Brennräume eingespritzten Kraftstoffmengen Einfluss auf den Kraftstoffabfluss aus dem Hochvolumen 52 über die Injektoren und die Injektorrücklaufleitung 68. Die Steuerung 70 regelt insbesondere durch gezielte Steuerung des digitalen Einlassventils 42 und des Druckabbauventils 56 den zum Zeitpunkt jeder Einspritzung im Hochdruckvolumen 52 herrschenden ersten Druck. Dieser kann, unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, unterschiedlichen vorgegebenen Sollwerten entsprechen.
Bei der Erfindung wird zusätzlich zu dieser Regelung des Drucks im Hochdruckvolumen 52 auf dem ersten Druck in jedem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine bzw. in jedem Zylindersegment, der Druck im Hochdruckvolumen 52 auf einen zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck, erhöht und nachfolgend wieder auf den ersten Druck abgesenkt. Durch die sich hieraus ergebenden, höheren Druckdifferenzen des Kraftstoffs ergibt sich eine stärkere Erwärmung des am Ausgang des Druckabbauventils 56 abfließenden Kraftstoffs. Außerdem erhöht sich auch der dort verfügbare Volumenstrom, sodass die für das Beheizen des Kraftstofffilters 20 zur Verfügung stehende Wärmemenge, die dem Kraftstofffilter 20 über die Kraftstoffleitung 60 und das Thermostatventil 58 zugeführt werden kann, stark erhöht.
Der zeitliche Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand der 2 genauer erläutert werden. Aufgetragen ist der Druck p im Hochdruckvolumen 52 über die Zeit t. Ganz links im Diagramm herrscht im Hochdruckvolumen 52 ein erster Druck p₁. Dieser entspricht dem Drucksollwert, der zu Beginn eines jeden Einspritzvorgangs im Hochdruckvolumen 52 herrschen soll. Im Leerlauf der Brennkraftmaschine kann dieser erste Druck p₁ beispielsweise im Bereich von 150 bar bis 300 bar liegen.
Zum Zeitpunkt OT1 befindet sich ein erster Kolben der Brennkraftmaschine am oberen Totpunkt und es kann, in der Regel kurz nach Erreichen des ersten Totpunkts, eine Kraftstoffeinspritzung in den diesem Kolben zugehörigen Zylinder erfolgen. Innerhalb des zugehörigen Einspritzfensters, in dem diese Einspritzung erfolgen kann, herrscht weiterhin der erste Druck p₁ im Hochdruckvolumen 52.
Zu dem mit t₁ bezeichneten Zeitpunkt beginnt die Hochdruckpumpe 24 Kraftstoff in das Hochdruckvolumen 52 zu fördern. Hieraus ergibt sich ein zunächst schneller, dann langsamer verlaufender Druckanstieg im Hochdruckvolumen 52 bis hin zu einem zweiten Druck p₂. Dieses Erhöhen des Drucks im Hochdruckvolumen 52 bis zum zweiten Druck p₂ ist zudem mit OTP bezeichneten Zeitpunkt abgeschlossen. Der Zeitraum zwischen T1 und OTP entspricht ungefähr 90° einer Kurbelwellenumdrehung.
Im Beispiel wird während dieser 90°-Bewegung der Kurbelwelle eine maximal mögliche Fördermenge der Hochdruckpumpe 24 abgerufen, aus der gerade ein Erhöhen des Drucks bis auf den zweiten Druck p₂ resultiert.
Zu dem mit OTP bezeichneten Zeitpunkt wird das Druckabbauventil 56 geöffnet, sodass es während des sich anschließenden Zeitraums zu einem im Wesentlichen linearen Druckabfall bis hin zum ersten Druck p₁ kommt. Dabei wird das Druckabbauventil 56 so angesteuert, dass das Absenken des Drucks auf den Wert p₁ rechtzeitig vor Erreichen des oberen Totpunkts OT2 eines weiteren Kolbens der Brennkraftmaschine abgeschlossen ist. Im Beispiel stehen für das Absenken des Drucks insgesamt etwa 60° einer Kurbelwellenumdrehung zur Verfügung. Bei Erreichen des oberen Totpunkts OT2 des weiteren Kolbens hat sich der erste Druck p₁ wieder stabilisiert und es kann mit einer Einspritzung von Kraftstoff in den zugeordneten Brennraum erfolgen. Der hierfür entscheidende Zeitpunkt ist in der 2 mit SOI für Start of Injection bezeichnet. Anschließend wird der Druck im Hochdruckvolumen 52 erneut erhöht und rechtzeitig vor der nächsten Einspritzung wieder auf den Wert p₁ abgesenkt. Alle in dem Diagramm gezeigten Schritte finden innerhalb desselben Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine, der im Beispiel erst nach zwei vollen Kurbelwellenumdrehungen, d. h. nach 720°, abgeschlossen ist. Wie man der 2 entnehmen kann, ist die Einbauphasenlage der Hochdruckpumpe 24 relativ zu einem Kolben der Brennkraftmaschine so gewählt, dass der obere Totpunkt des Kolbens der Hochdruckpumpe 24 (OTP) etwa 60° einer Kurbelwellenumdrehung vor dem oberen Totpunkt (OT2) eines Kolbens der Brennkraftmaschine erreicht wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine mit den folgenden Schritten: - Filtern von Kraftstoff mit einem Kraftstofffilter (20), - Fördern des Kraftstoffs mit einer Hochdruckpumpe (24) in ein Hochdruckvolumen (52), - Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen (52) in einen Brennraum, wobei zu Beginn des Einspritzens in dem Hochdruckvolumen (52) ein erster Druck herrscht, - Beheizen des Kraftstofffilters durch Zurückführen von erwärmtem Kraftstoff, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: - Erhöhen des Drucks in dem Hochdruckvolumen (52) auf einen zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck, - Absenken des Drucks in dem Hochdruckvolumen (52) von dem zweiten Druck auf den ersten Druck, wobei das Erhöhen und Absenken des Drucks im selben Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine erfolgen wie das Einspritzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen und Absenken des Drucks nur erfolgt, wenn eine vorgegebene Mindesttemperatur im Bereich des Kraftstofffilters (20) unterschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen und Absenken des Drucks nur erfolgt, wenn der erste Druck einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck von einer Temperatur im Bereich des Kraftstofffilters (20) abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck 50 bar oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen des Drucks durch Erhöhen einer Fördermenge der Hochdruckpumpe (24) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge durch Steuern eines Öffnungszeitraums eines digitalen Einlassventils (42) der Hochdruckpumpe (24) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge auf einen mit der Hochdruckpumpe (24) innerhalb des Arbeitszyklus maximal möglichen Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken des Drucks durch Öffnen eines Druckabbauventils (56), das mit dem Hochdruckvolumen (52) verbunden ist, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckabbauventil (56) ein digitales Druckabbauventil ist, das zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung hin- und hergeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet und der erste Druck im Bereich von 100 bar bis 400 bar liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dass die Hochdruckpumpe (24) eine Kolbenpumpe ist, und einen oberen Totpunkt 80° bis 20° einer Kurbelwellenumdrehung der Brennkraftmaschine früher erreicht als ein Kolben der Brennkraftmaschine.
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit - einem Kraftstofffilter (20), - einer Hochdruckpumpe (24), - einem Hochdruckvolumen (52), das mit einem Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe (24) verbunden ist, - mindestens einem Injektor (64) zum Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckvolumen (52) in einen Brennraum, - einem Druckabbauventil (56), das mit dem Hochdruckvolumen (52) verbunden ist, - einer Kraftstoffrückführeinrichtung, die zum Beheizen des Kraftstofffilters (20) dazu ausgebildet ist, erwärmten Kraftstoff zurückzuführen, und - einer Steuerung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Hochdruckvolumen (52) durch Ansteuern der Hochdruckpumpe (24) und/oder des Druckabbauventils (56) so zu steuern, dass in dem Hochdruckvolumen (52) vor einer Einspritzung ein erster Druck herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Hochdruckvolumen (52) auf einen zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck, zu erhöhen, und von dem zweiten Druck auf den ersten Druck abzusenken, wobei das Erhöhen und Absenken des Drucks im selben Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine erfolgen wie die Einspritzung.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (24) eine Kolbenpumpe ist, die von einem mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Nocken angetrieben wird, wobei die Einbauphasenlage zwischen einem oberen Totpunkt der Kolbenpumpe und einem oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine im Bereich von -80° bis -20° einer Kurbelwellenumdrehung liegt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzsystem dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere der Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 2 bis 11 auszuführen.