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Die Erfindung betrifft eine Einspritzanlage für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Starten der Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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Es hat sich herausgestellt, dass es bei modernen dieselmotorischen Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Common-Rail-Technik, zu Startschwierigkeiten kommen kann, wenn die Temperatur im Winter stark abfällt. Dies gilt ganz besonders, wenn alternative Kraftstoffe wie Pflanzenöl oder entsprechende Gemische verwendet werden.
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Es wurde bereits versucht, den Kraftstoff vor der Einspritzung über Wärmetauscher aus dem Kühlkreislauf des Motors zu erwärmen. Diese Maßnahme hat sich zwar nach dem Start als wirkungsvoll erwiesen, konnte die Startprobleme aber nicht mindern, da für die Startphase noch kein angewärmter Kraftstoff zur Verfügung steht.
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Es wurde auch bereits versucht, den Kraftstoff elektrisch vorzuheizen, indem die Kraftstoffleitung vor der Hochdruckpumpe mit einer elektrischen Heizmanschette umwickelt wurde. Auf diese Weise konnten Erfolge bei der Startfähigkeit erzielt werden, es hat sich jedoch herausgestellt, dass sehr lange Vorheizzeiten benötigt werden und die Batterie damit sehr stark belastet wird.
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Bei einer weiteren angedachten Lösung wurde versucht nur die Injektoren vorzuwärmen. Dabei wurde an jeden Injektor eine Glühkerze so angekoppelt, dass ein Wärmeübergang zwischen Glühkerze und Injektor stattfinden kann. Auch hier musste sehr lange vorgeheizt werden, um bei tiefen Temperaturen die Brennkraftmaschine starten zu können. Zudem ist die Kopplung einer Glühkerze an jeden Injektor aufwendig und teuer.
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Mehrere Vorschläge wurden bereits aufgezeigt, um den in den Brennraum einzuspritzenden Kraftstoff vorzuheizen und auf diese Weise die Startproblematik in den Griff zu bekommen. So beschreibt die
DE 100 45 753 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorheizen von Kraftstoff, der in einen Zylinder eingespritzt werden soll. Der einzuspritzende Kraftstoff soll dabei auf eine Temperatur zwischen 200 bis 400°C aufgeheizt werden. Hierzu wird ein Widerstandsheizelement innerhalb des Injektors verwendet.
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Die
US 5 159 915 A zeigt ebenfalls eine in den Injektor integrierte Heizung für den in den Brennraum einzuspritzenden Kraftstoff. Zur Vorheizung des Kraftstoffs wird hier eine Spule verwendet, die den Kraftstoff entweder über die Kraftstoffleitung oder über ein spezielles Heizelement erwärmt, das in dem Anschlussstutzen des Injektors vorgesehen ist. Weiterhin kann der Kraftstoff auch noch zusätzlich in der Spitze des Injektors beheizt werden.
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Auch die
JP 2005-264 767 A zeigt eine Heizung für den in den Brennraum einzuspritzenden Kraftstoff. Hierzu wird eine Spule benutzt, die normalerweise dazu dient, die Verschlussnadel zu bewegen. Diese Spule wird in der Zeit, in der die Verschlussnadel nicht zur Öffnung des Ventils angehoben wird, mit hochfrequenten Spannungspulsen versorgt, so dass sich die gesamte Kraftstoffzuführung durch induzierte Wirbelströme erwärmt und den einzuspritzenden Kraftstoff aufheizt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzanlage für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Starten der Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 8 so weiterzubilden, dass insbesondere bei der Verwendung von niedrig viskosen Kraftstoffen auch bei tiefen Temperaturen der Start ermöglicht wird.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Einspritzanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1. Das Filter- und Dämpfelement hat normalerweise hauptsächlich die Aufgabe, zu verhindern, dass von dem Kraftstoff erst in oder nach der Hochdruckpumpe mitgerissene Partikel, wie beispielsweise Späne, die bei der Montage entstehen können, der Brennkraftmaschine zugeführt werden und so zu Beschädigungen führen können. Das Filter- und Dämpfelement hat aber ebenso die Wirkung, Schwingungen in der Kraftstoffleitung zwischen Common Rail (Druckspeicher) und dem Injektor zu verhindern. Solche Schwingungen können durch das Öffnen und Schließen des Injektors entstehen und dazu führen, dass während der Einspritzung an der Einspritzöffnung des Injektors ein schwankender Druck ansteht, was zu Ungenauigkeiten in der Einspritzung führen kann . Durch das Filter- und Dämpfelement wird das Entstehen solcher Schwingungen verhindert. Dadurch, dass das Filter- und Dämpfelement und/oder der Druckrohrstutzen beheizbar ist/sind, lässt sich insbesondere bei der Verwendung niedrig viskoser Kraftstoffe, wie beispielsweise Pflanzenöl, überraschender Weise ein verbessertes Startverhalten bei einer nur kurzen Beheizung erreichen. Ein Druckrohrstutzen kann einen Flansch aufweisen, der sich außerhalb des Motorblocks oder Zylinderkopfs befindet. Dieser Flansch soll als Teil des Druckrohrstutzens verstanden werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine Beheizung des Druckrohrstutzens von außen über eine Heizwicklung möglich ist. Um jedoch eine möglichst kurze Heizzeit und eine sehr effektive Beheizung realisieren zu können, ist es besonders vorteilhaft, eine Wirbelstromheizung zu verwenden, die insbesondere die Teile aufheizt, deren Temperatur für einen problemlosen Start der Brennkraftmaschine einen gewissen Mindestwert aufweisen sollte. Es ist deshalb eine Spule vorgesehen, die in dem Filter- und Dämpfelement und/oder dem Druckrohrstutzen einen Wirbelstrom induziert. Auf diese Weise findet kaum eine Wärmeabstrahlung nach außen statt und die eingesetzte Energie wird praktisch vollständig für die Aufheizung der kritischen Teile verwendet.
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Der Druckrohrstutzen befindet sich bei vielen Modellen innerhalb des Motorblocks oder des Zylinderkopfs, der als Teil des Motorblocks angesehen werden kann. Oft werden die Druckrohrstutzen in ein Loch des Zylinderkopfs eingeschraubt, so dass ihre Öffnung an den Hochdruckanschluss des Injektors angepresst wird. Das Anbringen einer Spule innerhalb des Lochs dürfte bei den meisten Modellen schwierig und aufwendig sein. Der Einschraub-Flansch des Druckrohrstutzens muss jedoch ein Stück weit aus dem Zylinderkopf hervor ragen, so dass er mit einem entsprechenden Werkzeug gegriffen werden kann. Vorteilhaft ist deshalb die Spule auf einen Einschraub-Flansch des Druckrohrstutzens außerhalb des Motorblocks aufgeschoben.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich auch bei niedrigen Temperaturen und bei der Verwendung von Pflanzenöl für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein Startvorgang durchführen. Die Vorwärmzeit und die für die Vorwärmung benötigte Energie lässt sich jedoch nochmals reduzieren, wenn eine kritische Zone des Injektors ebenfalls beheizt wird. Dies lässt sich ohne eine zusätzliche Spule erreichen, wenn der Injektor selbst bereits eine normalerweise für andere Zwecke vorgesehene Magnetspule aufweist und die Magnetspule über eine Steuerung so ansteuerbar ist, dass ein elektrischer Wechselstrom in der Magnetspule fließt, der ein magnetisches Wechselfeld generiert, welches in elektrisch leitenden Komponenten in der Nähe der Magnetspule Wirbelströme induziert, deren Verluste die Komponenten aufheizen.
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Die elektrische Ansteuerung der Spulen lässt sich am einfachsten realisieren wenn nur ein Schwingkreis vorgesehen ist, der sowohl den Wechselstrom für die Spule des Druckrohrstutzens als auch für die Magnetspule des Injektors liefert. Die Beheizung des Injektors verursacht auf diese Weise keinerlei zusätzliche Materialkosten.
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Um die Spule des Druckrohrstutzens und die Magnetspule des Injektors mit nur einem Schwingkreis betreiben zu können, müssen die beiden Spulen etwa die gleiche Induktivität aufweisen. Da die Magnetspule des Injektors eigentlich für einen anderen Zweck ausgelegt ist, muss der Schwingkreis sehr exakt an diese Spule angepasst werden, um die Magnetspule bei der Beheizung nicht zu zerstören. Die Spule für den Druckrohrstutzen kann dagegen so ausgelegt werden, dass sie auch bei höheren Stromstärken nicht beschädigt wird. Es wird deshalb die Spule für den Druckrohrstutzen an die Magnetspule des Injektors angepasst. Vorteilhaft wird die Spule des Druckrohrstutzens deshalb so ausgelegt, dass deren Induktivität zwischen 80 und 120% der Induktivität der Spule des Injektors beträgt.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Magnetspule des Injektors mit einer Mindestfrequenz von ca. 60 kHz betrieben werden muss, um eine Beschädigung der Spule ausschließen zu können. Bei ca. 140 kHz ist dagegen eine Grenze erreicht, bei der die Effektivität der Heizung stark abfällt. Die Spule des Druckrohrstutzens und die Magnetspule sind deshalb mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 60 und 140 kHz, insbesondere aber zwischen 80 und 100 kHz betreibbar. Dies gilt für die Spule des Druckrohrstutzens aber auch dann, wenn die Magnetspule des Injektors nicht für die Heizung verwendet wird. Da die Frequenz mit der Erwärmung einer Spule fällt, ist es sinnvoll die Heizung für eine bestimmte Zeitspanne abzuschalten, spätestens wenn die untere Grenze des Bereichs, also etwa 60 kHz erreicht sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine Magnetspule in dem Injektor und eine Spule des Druckrohrstutzens alternierend mit einem Schwingkreis verbunden. Da die Beheizung der Spulen spätestens bei Erreichen der unteren Grenzfrequenz von 60 kHz unterbrochen werden muss, kann in der Zeitspanne nach der Abtrennung der Spule von dem Schwingkreis die andere Spule mit Wechselstrom versorgt werden, ohne dass dadurch eine Verzögerung oder ein anderer Nachteil entstehen würde.
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Die Umschaltung von der Magnetspule auf die Spule des Druckrohrstutzens und umgekehrt erfolgt deshalb vorteilhaft bei Erreichen einer vorbestimmten Frequenz, also der unteren Grenzfrequenz. So kann jede Spule immer in der Zeitspanne betrieben werden, in der die andere Spule abgeschaltet werden muss. Für diesen Wechselbetrieb ist nur ein einziger Schwingkreis notwendig, wenn die Induktivität der Spule des Druckrohrstutzens entsprechend auf die Induktivität der Magnetspule des Injektors abgestimmt ist.
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Die Umschaltung von einer Spule auf die andere erfolgt vorteilhaft bei Erreichen einer Frequenz zwischen 60 und 80 kHz. Insbesondere erfolgt die Umschaltung bei 80 kHz. Bei dieser Umschaltfrequenz ist noch sichergestellt, dass die Magnetspule des Injektors keinen Schaden nimmt und trotzdem effektiv beheizt werden kann. Es ist aber auch möglich, für die Spule des Druckrohrstutzens eine niedrigere Umschaltfrequenz als für die Magnetspule des Injektors zu verwenden. Allerdings wird bei einer eventuell leicht gesteigerten Effektivität, die Steuerung etwas aufwendiger als bei gleicher Umschaltfrequenz für beide Spulen. Umschaltung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Bestromung der einen Spule gestoppt und erst dann die Bestromung der anderen Spule begonnen wird.
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Wenn jeweils bei Erreichen einer Umschaltfrequenz auf die andere Spule umgeschaltet wird, wird sich die Einschaltzeit jeder Spule immer weiter verringern, weil die aufzuheizenden Komponenten immer wärmer werden und damit immer weniger Wärme abgeführt wird. Die Einschaltzeiten der beiden Spulen können sich aber in unterschiedlicher Weise verringern. Wenn die aufzuheizenden Komponenten eine Temperatur erreicht haben, bei der ein problemloser Start der Brennkraftmaschine möglich ist, haben auch die Einschaltzeiten einen vorbestimmten Wert erreicht, der beispielsweise über Versuche ermittelt werden kann.
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Vorteilhaft ist die direkt einspritzende Brennkraftmaschine dann startbar, wenn die Zeitspanne zwischen drei Umschaltungen einen vorbestimmten minimalen Wert erreicht hat. Die Ermittlung der Zeitspanne zwischen drei Umschaltungen hat den Vorteil, dass die Einschaltzeiten für beide Spulen berücksichtigt werden. Sobald dieser minimale Wert erreicht ist, kann die Startbereitschaft entweder signalisiert werden oder der Start kann automatisch durchgeführt werden.
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Da sofort nach dem Start bei sehr niedrigen Außentemperaturen das Filter- und Dämpfelement durch den nachfließenden noch kalten Kraftstoff möglicherweise wieder stark abkühlt, kann es vorkommen, dass die Brennkraftmaschine auf eine Laständerung verzögert reagiert und die volle Leistung nicht gleich zur Verfügung steht. In diesem Fall sollte das Filter- und Dämpfelement weiter beheizt werden. Es wird deshalb vorgeschlagen, dass die Spule des Druckrohrstutzens nach dem Start weiterbetrieben wird. Die Regelung der Spule kann in gleicher Weise wie vor dem Start erfolgen. Hier ist der richtige Zeitpunkt für die endgültige Abschaltung dann erreicht, wenn die Einschaltzeit einen gewissen Minimalwert erreicht.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnung eingehend erläutert wird.
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Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem geschnittenen Injektor mit Druckrohrstutzen,
- 2 einen schematischen Schnitt durch den Motorblock der Brennkraftmaschine nach 1 mit geschnittenem Druckrohrstutzen und
- 3 einen aufgeschnittenen Injektor mit Spule.
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Der in den 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Zylinderkopf ist hier nur als Ausschnitt dargestellt. In den dargestellten Teil des Zylinderkops 1 sind sechs Injektoren 2 eingeschraubt. Alle Injektoren 2 werden über die Druckrohrstutzen 26 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt. Die Druckrohrstutzen 26 sind über die Druckleitungen 6 mit dem hier nicht gezeigten Druckspeicher eines Common-Rail-Systems verbunden.
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In den Druckrohrstutzen 26 sind die Filter- und Dämpfelemente 5 eingebaut. Diese Filter- und Dämpfelemente 5 sollen Partikel aus dem Kraftstoff entfernen, die die Injektoren 2 oder die Brennkraftmaschine schädigen könnten. Ebenso sollen die Filter- und Dämpfelemente 5 aber auch Druckimpulse in dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff dämpfen und so für eine gleichmäßige Kraftstoffversorgung der Injektoren 2 sorgen.
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Die Rücklaufleitung 9 steht mit jedem Filter- und Dämpfelement 26 in Verbindung und soll Leckagekraftstoff in den Tank rückführen.
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Die Druckrohrstutzen 26 weisen je einen Flansch 3 auf, der dazu dient, den Druckrohrstutzen 26 in den Zylinderkopf 1 hinein und bei einer eventuellen Beschädigung auch wieder herausschrauben zu können. Ebenso werden an dem Flansch 3 die Druckleitungen 6 über eine Schraubmuffe 7 (siehe 2) befestigt.
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Auf den Flansch 3 ist erfindungsgemäß eine Spule 4 aufgesteckt. Die Spulen 4 sind genauso wie die Injektoren 2 mit einer Steuerung 8 verbunden. Die elektrischen Verbindungen sind in der Zeichnung über gestrichelte Linien angedeutet.
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In 3 ist ein einzelner Injektor gezeigt, wie er oft in Common-Rail-Systemen eingesetzt wird. Der hier dargestellte Injektor 2 ist als elektromagnetischer Injektor ausgebildet. In dem Injektor 2 ist eine Anzahl von Hohlräumen vorgesehen, die alle miteinander in Verbindung stehen. Der Leckageraum 14 ist direkt an den hier nicht sichtbaren Rücklauf in den Kraftstofftank oder in andere niederdruckführende Leitungen angeschlossen. Unterhalb des Leckageraums 14 befindet sich der Ventilsteuerraum 15. Dieser ist über die Ablaufdrossel 12 mit dem Leckageraum 14 verbunden.
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Über die Zulaufdrossel 13 ist der Ventilsteuerraum 15 an den Hochdruckanschluss 18 angeschlossen. Ebenfalls steht mit dem Hochdruckanschluss 18 das Kammervolumen 16 in Verbindung.
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Bei geöffnetem Injektor 2 wird der Inhalt des Kammervolumens 16 über die Spritzlöcher 19 in den hier nicht dargestellten Brennraum eingespritzt. Der Hohlraum um die Düsenfeder 10, der sich mit Leckagekraftstoff aus dem Kammervolumen 16 und dem Ventilsteuerraum 15 füllt, ist über eine Bohrung ebenfalls an den Leckageraum 14 angeschlossen.
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In dem Leckageraum 14 befindet sich ein elektromagnetisches Ventil zum Verschließen der Ablaufdrossel 12. Dieses elektromagnetische Ventil weist eine Magnetspule 23, einen topfförmigen Spulenkern 11, eine Ventilfeder 27, eine Ankerfeder 21 und den Anker 25 auf. An der unteren Platte des Ankers 25 ist die Ventilkugel 17 zum Verschließen der Ablaufdrossel 12 angebracht. Die Ablaufdrossel 12 bildet zusammen mit dem elektromagnetischen Ventil ein Ablaufventil. Die Magnetspule 23 ist mit dem elektrischen Anschluss 24 verbunden. Über den elektrischen Anschluss 24 wird ein Steuergerät angeschlossen, mit dem die zum ordnungsgemäßen Betrieb des Injektors 2 notwendigen elektrischen Impulse erzeugt werden.
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Im unteren Bereich des Injektors 2 befindet sich die Düsennadel 20, mit der das Kammervolumen 16 gegen die Spritzlöcher 19 verschlossen wird. Nach oben setzt sich die Düsennadel 20 über die Druckschulter in den Steuerkolben fort. Die obere Stirnfläche des Steuerkolbens bildet die untere Begrenzungswand des Ventilsteuerraumes 15.
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In der gezeigten Darstellung befindet sich der Injektor 2 in geschlossenem Zustand. Dabei ist die Magnetspule 23 nicht bestromt und die Ventilfeder 27 drückt den Anker 25 in seine unterste Stellung. Die Ventilkugel 17 verschließt dabei die Ablaufdrossel 12. Über den Hochdruckanschluss 18 und die Zulaufdrossel 13 herrscht in dem Ventilsteuerraum 15 der auch am Hochdruckanschluss 18 anliegende Druck. Dieser Druck wirkt folglich auch auf die obere Stirnfläche des Steuerkolbens der Düsennadel 20.
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Der gleiche Druck herrscht in dem Kammervolumen 16. Hier wirkt der Druck des Kraftstoffs auf die Druckschulter der Düsennadel 20. Da deren in Achsrichtung der Düsennadel 20 projizierte Fläche kleiner ist als die Stirnfläche ihres Steuerkolbens, ist die Druckkraft auf die Druckschulter in Öffnungsrichtung kleiner als die Druckkraft auf den Steuerkolben in Schließrichtung. In Schließrichtung wirkt zusätzlich die Kraft der Düsenfeder 10. Hierdurch wirkt eine resultierende Kraft, welche die Düsennadel 20 in geschlossener Stellung hält.
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Soll nun Kraftstoff in den hier nicht dargestellten Brennraum über die Spritzlöcher 19 eingespritzt werden, wird die Magnetspule 23 entsprechend bestromt. Dabei wird die obere Platte des Ankers 25 von der Magnetspule 23 und dem das Magnetfeld verstärkenden Spulenkern 11 angezogen, wobei sich der Anker 25 gegen die Kraft der Ventilfeder 27 hebt.
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Die Ventilkugel 17 hebt von der Ablaufdrossel 12 ab und gibt die Verbindung zwischen dem Ventilsteuerraum 15 und dem Leckageraum 14 frei. Es kann nun Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum 15 austreten, wodurch der hohe Druck in diesem Raum nachlässt. Dadurch verändert sich das Verhältnis der auf den Steuerkolben wirkenden Kräfte. Da der Druck auf die Druckschulter der Düsennadel 20 unverändert bleibt, sich aber der Druck auf die obere Stirnfläche ihres Steuerkolbens verringert, bewegt sich die Düsennadel 20 nach oben und gibt die Spritzlöcher 19 frei.
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Zum Schließen des Injektors 2 wird die Magnetspule 23 wieder stromlos geschaltet. Die Ventilfeder 27 drückt nun den Anker 25 wieder in seine untere Stellung, in der die Ventilkugel 17 die Ablaufdrossel 12 verschließt. Über die Zulaufdrossel 13 baut sich im Ventilsteuerraum 15 sehr schnell wieder der an dem Hochdruckanschluss 18 anliegende Druck auf. Der Steuerkolben und die damit verbundene Düsennadel 20 werden wieder nach unten gedrückt und verschließen die Spritzlöcher 19. Damit kann kein Kraftstoff aus dem Kammervolumen 16 mehr in den Brennraum austreten.
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Nach einer längeren Betriebspause bei geringer Umgebungstemperatur kühlen der Kraftstoff und sämtliche Komponenten der Brennkraftmaschine ab, nach einer gewissen Dauer bis zur Außentemperatur. Abhängig von der verwendeten Kraftstoffart kann dessen Viskosität ansteigen. Dies gilt insbesondere wenn als Kraftstoff Pflanzenöl verwendet wird. Es hat sich nun herausgestellt, dass das Filter- und Dämpfelement 5 in dem Druckrohrstutzen 26 als besonders kritische Stelle für diesen kalten und zähen Kraftstoff einzustufen ist. Ein Kraftstoff mit zu hoher Viskosität könnte das Filter- und Dämpfelement 5 nicht schnell genug passieren, so dass an dem Hochdruckanschluss 18 des Injektors 2 ein zu geringer Druck anliegen würde. Dadurch könnte ein Start der Brennkraftmaschine verhindert werden.
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Der kalte, zähe Kraftstoff würde aber auch die Bewegung des Ankers 25 behindern, der die Ablaufdrossel 12 zwischen dem Ventilsteuerraum 15 und dem Leckageraum 14 betätigt und damit den Servomechanismus zur Steuerung des Injektors 2 blockieren. Ein Einspritzvorgang könnte dadurch unmöglich werden, oder zumindest stark behindert werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden deshalb sowohl die Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 als auch die Magnetspule 23 des Injektors 2 vor dem Starten einer kalten Brennkraftmaschine mit einem Wechselstrom beschickt. Durch den Wechselstrom wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in elektrisch leitfähigen Materialien einen Wirbelstrom induziert. Hiervon sind insbesondere der topfförmige Spulenkern 11 und der Anker 25 des Injektor 2, als auch der Druckrohrstutzen 26 selbst sowie dessen Flansch 3 und das Filter- und Dämpfelement 5 betroffen. Diese Komponenten werden durch die Verluste des induzierten Wirbelstroms erhitzt. Da diese Komponenten alle mit Kraftstoff in Verbindung stehen, wird die erzeugte Wärmeenergie ebenso an den umgebenden Kraftstoff weitergeleitet, so dass auch dieser erwärmt wird.
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Es muss darauf geachtet werden, dass die mit dem Kraftstoff in Verbindung stehenden Komponenten immer unterhalb einer Temperatur gehalten werden, bei der der Kraftstoff verkoken würde. Bei der Magnetspule 23 des Injektors muss die Temperatur noch genauer beachtet werden, da sie nur als Magnetspule und nicht als Heizspule konzipiert ist. Die Temperatur der Magnetspule 23 darf also keinesfalls so hoch werden, dass die Magnetspule 23 beschädigt werden würde. Diejenige Temperatur, auf die die Komponenten 11, 25 aufgeheizt werden können, ohne dabei beschädigt zu werden, und ohne eine Ablagerungsbildung durch eine Verkokung des Kraftstoff zu verursachen, wird hier als Heiz-Temperatur bezeichnet. Diese Heiz-Temperatur ist von dem Kraftstoff und von den Komponenten selbst abhängig. Es ist sinnvoll, einen festen Wert in der Steuerung zu hinterlegen, der für die Verwendung aller bekannten Kraftstoffe passt.
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Auch die Start-Temperatur der beheizten Komponenten, also die Temperatur der Komponenten, bei der die Brennkraftmaschine problemlos gestartet werden kann, hängt von dem verwendeten Kraftstoff ab. Auch hier ist es sinnvoll, eine konstante Start-Temperatur in der Steuerung 8 zu hinterlegen, die für alle verwendbaren Kraftstoffe gilt.
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Die Steuerung des Heizvorgangs kann von dem vorhandenen Motor-Management-System übernommen werden. Es ist aber genauso möglich eine separate Steuerung zu verwenden, die idealerweise mit dem Motor-Management-System in Verbindung steht. Um eine gegenseitige Störung der beiden Steuerungen zu vermeiden, sollte in diesem Fall die Magnetspule 23 während des Heizvorgangs von dem Motor-Management-System abgekoppelt werden. Zum Starten der Brennkraftmaschine muss dann die Heiz-Steuerung entkoppelt und die Magnetspule wieder mit dem Motor-Management-System verbunden werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steuerung allgemein mit dem Bezugszeichen 8 versehen, unabhängig davon, ob es sich dabei um eine eigene Steuerung handelt oder ob die Steuerung Teil des Motor-Mangement-Systems ist.
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Die Steuerung 8 weist einen Schwingkreis auf, der so ausgelegt ist, dass er die Magnetspule 23 des Injektors 2 bei einer Temperatur von ca. 20°C mit einem Wechselstrom von etwa 100 kHz versorgt. Systembedingt ist eine Spannung von 12 V sinnvoll.
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Die Spule 4 des Druckstutzens 26 ist so ausgelegt, dass ihre Induktivität etwa der Induktivität der Magnetspule 23 des Injektors 2 entspricht. Sie kann deshalb über den selben Schwingkreis mit Wechselstrom versorgt werden wie die Magnetspule 23 des Injektors 2. Die Magnetspule 23 des Injektors 2 und die Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 werden aber nicht gleichzeitig sondern versorgt.
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Die Komponenten, in denen ein Wirbelstrom induziert wird, und die Spulen selbst werden sich relativ schnell aufheizen. Der Wärmeübergang auf den Kraftstoff wird dagegen länger dauern. Die Pausen der Bestromung bei der alternierenden Versorgung der Spulen werden folglich für die Abgabe der in den Komponenten erzeugten Wärme in den Kraftstoff sogar benötigt und stellen daher keine Verzögerung der Startvorbereitung dar.
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Die Frequenz, mit der die Magnetspule 23 des Injektors 2 und die Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 von dem Schwingkreis mit Wechselstrom versorgt werden, ist von der Temperatur der Spulen abhängig. So ergibt sich bei einer niederen Temperatur eine höhere und bei einer hohen Temperatur eine geringere Frequenz. Insbesondere für die empfindliche Magnetspule 23 des Injektors 2 muss daher eine unterste Frequenz festgelegt werden, die so zu wählen ist, dass eine Beschädigung der Magnetspule 23 durch Überhitzung mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Diese Frequenz, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf 80 kHz festgelegt wurde, ist in der Steuerung 8 hinterlegt.
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Wird nun beispielsweise die Startvorbereitung der Brennkraftmaschine mit der Bestromung der Magnetspule 23 des Injektors 2 begonnen, liegt die Anfangsfrequenz je nach Temperatur der Magnetspule 23 etwa zwischen 90 und 120 kHz. Mit dem Spulenkern 11 heizt sich ebenso die Magnetspule 23 auf. Wenn die Frequenz des Versorgungsstroms auf 80 kHz abgefallen ist, hat die Magnetspule 23 eine Temperatur erreicht, bei der gewährleistet ist, dass noch kein Kraftstoff verkokt bzw. polymerisiert und auch die Magnetspule 23 selbst nicht durch Überhitzung beschädigt wird.
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Über die Steuerung 8 wird nun der Schwingkreis mit der Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 verbunden. Die Anfangsfrequenz liegt auf gleichem Niveau wie die Anfangsfrequenz bei der Bestromung der Magnetspule 23. Auch hier wird so lange bestromt bis die Frequenz auf 80 kHz abgesunken ist. Die Spule 4 kann zwar unempfindlicher gegen Überhitzung ausgelegt werden, jedoch ist die Steuerung einfacher zu bewerkstelligen, wenn beide Spulen bei der gleichen Frequenz umgeschaltet werden.
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Während die Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 bestromt wird, geben die in dem Injektor 2 durch den Wirbelstrom aufgeheizten Komponenten Wärme an den Kraftstoff ab, wobei die Temperatur der Komponenten und auch der Magnetspule 23 wieder absinkt. Das bedeutet, dass bei der nächsten Umschaltung auf die Magnetspule 23 die Anfangsfrequenz zwar geringer als die erste Anfangsfrequenz aber höher als die 80 kHz bei Abschaltung ist. Die Zeitspanne der Bestromung der Magnetspule wird folglich bei jeder neuerlichen Verbindung mit dem Schwingkreis geringer, da aufgrund der immer höher werdenden Temperatur die Anfangsfrequenz immer geringer wird. Gleiches gilt natürlich für die Spule 4 des Druckrohrstutzens 26.
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Um den richtigen Zeitpunkt für den Start der Brennkraftmaschine festzustellen gibt es grundsätzlich mehrere Möglichkeiten. Wenn davon ausgegangen werden kann, dass sich beide Heizungen gleich verhalten, reicht es aus die Startbedingungen an einer Heizung zu überprüfen. Bevorzugt werden jedoch beide Heizungen überprüft, ob die Startbedingungen bereits erfüllt sind.
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Als Startbedingung kann beispielsweise die Anfangsfrequenz nach jeder Umschaltung dienen. Beispielsweise kann als Startbedingung eine Anfangsfrequenz nach der Umschaltung von 85 kHz gewählt werden. Dieser Wert sollte in Versuchen verifiziert werden. Die Startbedingung wird sowohl bei der Bestromung der Magnetspule 23 des Injektors 2 als auch bei der Bestromung der Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 überwacht. Ist bei beiden Spulen diese Anfangsfrequenz erreicht, ist die Startbedingung erfüllt und die Brennkraftmaschine kann gestartet werden.
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Bevorzugt wird als Startbedingung jedoch die Zeitspanne zwischen drei Umschaltungen verwendet. In diese Zeitspanne gehen die Zustände beider Heizungen ein. Diese Prüfung lässt sich auch technisch sehr einfach mit zwei Speichern realisieren.
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So wird bei einer Umschaltung der Wert aus einem ersten Speicher ausgelesen und zu dem Wert in einem zweiten Speicher addiert. Der neue Wert, also die Zeitspanne seit der letzten bis zu der jetzigen Umschaltung, wird in dem ersten Speicher abgelegt und überschreibt den alten Wert. Bei der nächsten Umschaltung wird der Wert aus dem zweiten Speicher ausgelesen und zu dem Wert in dem ersten Speicher addiert. Der neue Wert wird dagegen in den zweiten Speicher geschrieben und überschreibt wiederum den alten Wert. Auf diese Weise ist immer in dem einen Speicher die Zeitspanne zwischen den letzten beiden Umschaltungen und in dem anderen Speicher der Wert zwischen den letzten drei Umschaltungen abgelegt.
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Es muss folglich nur immer überprüft werden, ob der größere der beiden Werte einen vorher festzulegenden Schwellwert unterschreitet. Ist dies erreicht, so ist die Startbedingung erfüllt und die Brennkraftmaschine kann gestartet werden.
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Bei dieser Art der Heizungssteuerung spielen die Anfangsbedingungen keine Rolle, da die für den Start wichtigen Parameter direkt an den kritischen Stellen abgegriffen werden. Ist die Brennkraftmaschine bereits warm, ist die Startbedingung sofort erreicht, während sich die Startbedingung nach einer Frostnacht erst nach nach einer etwas längeren Heizphase einstellt.
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Die Startbereitschaft kann dem Fahrer wie üblich über ein Symbol angezeigt werden, so dass der Startvorgang dann manuell eingeleitet werden kann. Es ist aber ebenso möglich, den Startvorgang nach Erreichen der Startbedingung automatisch einzuleiten.
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Direkt nach dem Start ergibt sich sofort ein gewisser Kraftstoffverbrauch und es wird noch kalter Kraftstoff in den Druckrohrstutzen 26 gedrückt, der diesen wieder abkühlt. Es kann deshalb sinnvoll sein, die Spule 4 des Druckrohrstutzens 26 nach dem Start noch weiter zu betreiben, bis der nachdrückende Kraftstoff durch die Verdichtung in der Hochdruckpumpe Betriebstemperatur erreicht hat. Eine genaue Regelung ist hier nicht mehr erforderlich, da bereits Energie über die Lichtmaschine geliefert wird. Es kann folglich eine Zeitspanne fest eingestellt werden, über die die Spule 4 noch betrieben wird. Selbstverständlich erfolgt auch in dieser Phase die Bestromung mit Pausen (jetzt mit festen Pausen), um die Spule nicht zu schädigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Injektor
- 3
- Flansch
- 4
- Spule
- 5
- Filter- und Dämpfelement
- 6
- Druckleitung
- 7
- Schraubmuffe
- 8
- Steuerung
- 9
- Rücklaufleitung
- 10
- Düsenfeder
- 11
- Spulenkern
- 12
- Ablaufdrossel
- 13
- Zulaufdrossel
- 14
- Leckageraum
- 15
- Ventilsteuerraum
- 16
- Kammervolumen
- 17
- Ventilkugel
- 18
- Hochdruckanschluss
- 19
- Spritzlöcher
- 20
- Düsennadel
- 21
- Ankerfeder
- 23
- Magnetspule
- 24
- elektrischer Anschluss
- 25
- Anker
- 26
- Druckrohrstutzen
- 27
- Ventilfeder
