DE10260775A1 - Kraftstoffversorgungssystem für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem (1) für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung mit einer Vorförderpumpe (4) und einer nachgeschalteten Hochdruckpumpe (6) zur Förderung des Kraftstoffs über ein Leitungssystem aus einem Kraftstoffbehälter (2) zu einer der Hochdruckpumpe (6) nachgeschalteten Parallelschaltung einer Mehrzahl von Injektoren (13) oder Einspritzdüsen. Zwischen Vorförderpumpe (4) und der Mehrzahl von Injektoren (13) oder Einspritzdüsen ist eine zur Hochdruckpumpe (6) parallel geschaltete hydraulische Übersetzung (9) vorgesehen, die zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines zur Einspritzung notwendigen hohen Kraftstoffdruckes p¶2¶ in den Start- oder Stillstandphasen des Verbrennungsmotors ausgelegt ist, wobei die Vorförderpumpe (4) eingangsseitig über eine Leitung (3a) mit einem Kraftstoffbehälter (2) und ausgangsseitig über eine weitere Leitung (3b) mit der hydraulischen Übersetzung (9) verbunden ist und wobei die Vorförderpumpe (4) ausgangsseitig über eine Zweigleitung (5a) mit der Hochdruckpumpe (6) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Starten und Betreiben von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
  • Bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung müssen schon im Start hohe Kraftstoffdrücke vorliegen, um eine ausreichende Gemischaufbereitung zu erreichen und somit ein Zünden des Gemisches zu ermöglichen. Der Mindestkraftstoffdruck beträgt bei direkteinspritzenden Otto-Motoren ca. 50 bar und bei direkteinspritzenden Dieselmotoren ca. 120 bar.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Vorförderpumpe kann den notwendigen Kraftstoffeinspritzdruck nicht erzeugen. Der notwendige Druck wird in der Regel von einer auf der Nockenwelle sitzenden Hochdruckpumpe aufgebaut und steht nach etwa 1 Nockenwellenumdrehung, d.h 2 Kurbelwellenumdrehungen, zur Verfügung. Vor Erreichen des obengenannten Mindestkraftstoffdruckes können direkteinspritzende Motoren nicht optimal starten. Dies führt zu relativ großen Startzeiten und macht sich vor allem im Start/Stopp-Betrieb negativ bemerkbar. Damit der Mindestkraftstoffeinspritzdruck frühzeitig zur Verfügung gestellt werden kann, ist aus der Praxis die Verwendung von Druckspeichern oder elektrisch ansteuerbaren Hochdruckpumpen bekannt.
  • Aus der DE 38 33 430 A1 ist ein Brennstofffördersystem für Brennkraftmaschinen mit einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Brennstoffpumpe und einer als Hydraulikpumpe aus gebildeten Vorförderpumpe bekannt, die durch rückgeförderten Brennstoff aus der Brennstoffpumpe angetrieben wird. Zwischen den die Brennstoffpumpe und die Hydraulikpumpe verbindenden Leitungen ist ein Druckspeicher mit Ausgleichskammer angeordnet. Der Brennstoffzufluß aus der Hydraulikpumpe in den Druckspeicher wird von einem Ventil gesteuert, das bei entleerter Ausgleichskammer des Druckspeichers geöffnet wird und solange geöffnet bleibt, wie danach Brennstoff zufließt. Der über eine Druckleitung rückgeführte Brennstoff wird in eine Kammer des Druckspeichers zwischen Ventil und Hydraulikpumpe bzw. Leitung eingeführt.
  • Problematisch ist hierbei jedoch die sichere Vermeidung von Gasblasen in der Ansaugleitung der Kraftstoffpumpe (HDP). Auch die Verwendung einer elektrischen Brennstoff- oder Hochdruckpumpe hat den Nachteil, daß diese Pumpen sehr teuer und störanfällig sind, zur Realisierung eines hohen Kraftstoffeinspritzdruckes eine entsprechende Größe aufweisen müssen und der Einsatz solcher Pumpen daher auch mit Geräuschemissionen verbunden ist.
  • Aus der DE 199 52 782 A1 ist ein System zur Reduzierung des Aerosols in einem in einer Kraftstoffspeichereinheit in seinem flüssigen Aggregatzustand enthaltenen Kraftstoff, wobei eine für den Betrieb einer nach dem Common-Rail-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine zur Kraftstoffförderung neben einer Rail und einer Mehrzahl an Injektoren, eine Kraftstoffspeichereinheit aufweist, welche über eine Leitungselement mit einem Kraftstofffilter, eine Vorförderpumpe und einer Hochdruckpumpe verbunden ist.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens bzw. eines Kraftstoffversorgungssystems für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung, mit welchem eine Erzeugung und Aufrechterhaltung eines zur Einspritzung notwendigen Kraftstoffdruckes in den Start- und Stillstandphasen des Verbrennungsmotors in besonders einfacher Weise möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftstoffversorgungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentspruchs 14.
  • Erfindungsgemäß kann auf einen Druckspeicher oder eine elektrisch ansteuerbare Hochdruckpumpe zur frühzeitigen Bereitstellung des Kraftstoffeinspritzdruckes verzichtet werden. Die Fördermenge der Vorförderpumpe, auch als EKP (elektrische Kraftstoffpumpe) bezeichnet, ist so ausgelegt, daß der Verbrennungsmotor bei Vollast und hohen Drehzahlen ausreichend mit Kraftstoff versorgt wird. Dadurch, daß beim Start nur ein Bruchteil der geförderten Kraftstoffmenge benötigt wird, ist es möglich, den Kraftstoffdruck im Start erfindungsgemäß mittels serienmäßiger Vorförderpumpe und einer Druckerhöhungsstufe, im weiteren als hydraulische Übersetzung bezeichnet, zu erzeugen. Nach dem Start übernimmt die Hochdruckpumpe, auch als HDP bezeichnet, den Druckaufbau. Vorteilhaft ist hierbei, daß weder ein Problem mit Gasblasen in der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors auftritt noch eine ungleichmäßige Beaufschlagung mit Kraftstoff erfolgt. Ferner ist das Gesamtsystem gegenüber herkömmlichen Lösungen kostengünstiger bereitstellbar. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und durch den Verzicht auf eine elektrische Hochdruckpumpe ist es ferner möglich, einen höheren energetischen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, als dies unter Verwendung einer elektrischen Hochdruckpumpe erzielbar gewesen wäre.
  • Gemäß der Erfindung umfasst ein Kraftstoffversorgungssystem für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung eine aus einem Kraftstoffbehälter absaugende Vorförderpumpe, eine Hochdruckpumpe und eine der Hochdruckpumpe nachgeschaltete Parallelschaltung einer Mehrzahl von Injektoren oder Einspritzdüsen. Erfindungsgemäß ist zwischen Vorförderpumpe und der Mehrzahl von Injektoren oder Einspritzdüsen eine zur Hochdruckpumpe parallel geschaltete hydraulische Übersetzung vorgesehen, die zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines zur Einspritzung notwendigen hohen Kraftstoffdruckes in den Start- oder Still standphasen des Verbrennungsmotors ausgelegt ist. Vorteilhafterweise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Starten und Betreiben von Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung der zur Einspritzung notwendige hohe Kraftstoffdruck in den Start- oder Stillstandphasen des Verbrennungsmotors erzeugt und aufrechterhalten werden. Dies führt günstigerweise zu einer Startzeitreduzierung des Motors in diesen Phasen. Die Erfindung ermöglicht somit in äußerst vorteilhafterweise einen Schnellstart oder Direktstart des Verbrennungsmotors. Die hierzu notwendigen Verfahrensschritte werden in den nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben.
    •
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. Dabei zeigt in schematischer Weise:
  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems
  • 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems
  • Das in 1 gezeigte Kraftstoffversorgungssystem 1 weist einen Kraftstoffbehälter 2 auf, welcher mit einer Vorförderpumpe 4 oder Niederdruckpumpe, mit einer hydraulischen Übersetzung 9 oder Druckerhöhungsstufe und mit einer Hochdruckpumpe 6 verbunden ist. Die Vorförderpumpe 4 ist eingangsseitig über eine Leitung 3a mit dem Kraftstoffbehälter 2, ausgangsseitig zum einen über eine Leitung 3b mit der hydraulischen Übersetzung 9 und zum anderen über eine Zweigleitung 5a mit der Hochdruckpumpe 6 verbunden.
  • 1 zeigt weiterhin eine Hochdruckrail 11, mit welcher die Injektoren 13 oder Einspritzdüsen parallel verbunden sind. Die Hochdruckpumpe 6 selbst ist über eine Leitung 5b, die hydraulischen Übersetzung 9 über eine Leitung 10 mit der Hochdruckrail 11 verbunden. In der Verbindungsleitung 5b des Ausgangs der Hochdruckpumpe 6 zur Hochdruckrail 11 hin kann noch ein Rückschlagventil 7 angeordnet sein.
  • In der Verbindungsleitung 3b des Ausgangs der Vorförderpumpe 4 zur hydraulischen Übersetzung 9 ist stromab des Abzweigs der Zweigleitung 5a ein erstes Regelventil 8 vorgesehen.
  • Ferner ist ein zweites Regelventil 15 eingangsseitig über eine Leitung 14a mit einem Volumenraum 9b der hydraulischen Übersetzung 9 verbunden, ausgangsseitig mündet es über eine Leitung 14b in die ausgangseitige Leitung 3b der Vorförderpumpe 4 ein. Ein drittes Regelventil 17 ist eingangsseitig über eine Leitung 16a mit dem Volumenraum 9b der hydraulischen Übersetzung 9 und ausgangsseitig über eine Rücklaufleitung 16b mit dem Kraftstoffbehälter 2 verbunden.
  • Der Kraftstofffluß zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 4 und der Eingangseite der hydraulischen Übersetzung 9 wird mittels eines ersten Regelventils 8 geregelt. Über eine Leitung 14a, b und über ein zweites Regelventil 15 kann Kraftstoff zu der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 4 zugeleitet werden. Ferner kann Kraftstoff über eine Leitung 16a, b und ein drittes Regelventil 17 von dem Volumenraum 9b der hydraulischen Übersetzung 9 dem Kraftstoffbehälter 2 zugeführt werden.
  • Unmittelbar vor dem Start des Verbrennungsmotors wird der zum Start notwendige Kraftstoffeinspritzdruck p2 über die hydraulische Übersetzung 9 erzeugt. Hierbei sind das erste und das dritte Regelventil 8, 17 geöffnet und das zweite Regelventil 15 geschlossen. Die Vorförderpumpe 4 fördert Kraftstoff über das geöffnete Ventil 8 in den Volumenraum 9a. Der Kraftstoffdruck der Vorförderpumpe 4 mit dem Druck p1 wirkt auf den Kolben K1 der hydraulischen Übersetzung 9, der mit einer be stimmten Kolbenfläche A1 den Niederdruck-Volumenraum 9a einschließt, und schiebt den Kolben K1 aus der Stellung I in die Stellung II. Die Druckkraft des Kolbens K1 wirkt auf einen zweiten Kolben K2, der mit dem ersten Kolben K1 verbunden ist und der mit einer bestimmten Kolbenfläche A2 den Hochdruck-Volumenraum 9c einschließt. Der Druck p2 ist dann um das Verhältnis A1/A2 größer als der Druck p1. Die Hochdruckpumpe ist in dieser Startphase nicht in Betrieb. Der Hochdruck-Volumenraum 9c ist über eine Leitung 10 mit der Hochdruckrail 11 verbunden. Ist der zur Zündung notwendige Kraftstoffdruck erzeugt, erfolgt die Einspritzung und der Motor springt an. Während der Startphase und während die Vorförderpumpe weiterhin fördert, erzeugt die auf der Nockenwelle sitzende und somit mechanisch angetriebene Hochdruckpumpe einen Druck p3. Der sich ausgangsseitig der Hochdruckpumpe 6 aufbauende Druck p3 pflanzt sich über die Hochdruckrail 11 und über die Leitung 10 bis in den Volumenraum 9c fort. Übersteigt während des Startvorgangs der von der Hochdruckpumpe 6 erzeugte Druck p3 den von der hydraulischen Übersetzung 9 erzeugte Druck p2, wird der Kolben K1 aus der Position II in die Position I, d.h. in die Ausgangsstellung, zurückgeschoben, wobei das dritte Regelventil 17 geschlossen und das erste und zweite Regelventil 8, 15 geöffnet sind.
  • Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, in dem die Kraftstoffpumpen EKP und HDP die Kraftstoffversorgung sicher stellen, sind alle 3 Regelventile 8, 15, 17 geschlossen.
  • 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems, wobei der Übersichtlichkeit halber für funktionell gleiche Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet sind und insoweit auf die obige Beschreibung zu 1 verwiesen werden kann. Das Kraftstoffversorgungssystem von 2 unterscheidet sich von demjenigen der 1 darin, daß die hydraulische Übersetzung 9 in die Hochdruckrail 11 integriert ist. Desweiteren ist ein Ausgleichsbehälter 18 über eine Leitung 19a mit dem Volumenraum 9b der hydraulischen Übersetzung 9 und ausgangsseitig über eine Rücklaufleitung 19b mit dem Kraftstoffbehälter 2 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 18 kann überschüssigen Kraftstoff, der beispielsweise durch Leckage in den Volumenraum 9b der hydraulischen Übersetzung 9 eingedrungen ist, aus dem Volumenraum 9b der hydraulischen Übersetzung 9 aufnehmen und bei Bedarf über eine Rücklaufleitung 19b an den Kraftstoffbehälter 2 rückführen. Weiterhin ist in der Verbindungsleitung 3b des Ausgangs der Vorförderpumpe 4 zur hydraulischen Übersetzung 9 stromab des Abzweigs der Zweigleitung 5a und vor dem Regelventil 8 ein Drosselventil 20 vorgesehen.
  • Das Übersetzungsverhältnis der hydraulischen Übersetzung wird so gewählt, daß im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors der Kolben K1, K2 immer von Position II nach Position I zurückgeschoben wird, d.h. im Betrieb ist der Druck p3 nach der HDP immer größer als der durch die hydraulische Übersetzung erzeugte Druck p2, wobei p2 = p1 × (hydraulische Übersetzung). Um beim Zurückschieben des Kolbens K1, K2 keinen zu großen Druckabfall an der Hochdruckrail 11 zu erzeugen und damit eine Leistungseinbuße zu verursachen, kann das Zurückschieben des Kolbens mittels einer Drossel 20 an die Leistungsanforderungen des Verbrennungsmotors angepaßt werden.
  • Dasselbe kann jedoch auch über das Regelventil A realisiert werden. Beim Startvorgang ist das Ventil 8 geöffnet, der Kolben K1, K2 bewegt sich von Position I nach Position II. Im Leerlauf ist der Druck p3, den die Hochdruckpumpe 6 erzeugt größer als der Druck p2 der durch die hydraulischen Übersetzung erzeugt wird, der Kolben K1, K2 verändert seine Position von II nach I. Um ein Druckabfall an der Hochdruckrail zu unterbinden, wird das Regelventil 8 danach geschlossen. Auch in diesem Fall kann der Vorgang durch eine Drossel 20 gedrosselt werden.

Claims (16)

  1. Kraftstoffversorgungssystem (1) für Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung mit einer Vorförderpumpe (4) und einer nachgeschalteten Hochdruckpumpe (6) zur Förderung des Kraftstoffs über ein Leitungssystem aus einem Kraftstoffbehälter (2) zu einer der Hochdruckpumpe (6) nachgeschalteten Parallelschaltung einer Mehrzahl von Injektoren (13) oder Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorförderpumpe (4) und der Mehrzahl von Injektoren (13) oder Einspritzdüsen eine zur Hochdruckpumpe (6) parallel geschaltete hydraulische Übersetzung (9) vorgesehen ist, die zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines zur Einspritzung notwendigen hohen Kraftstoffdruckes p2 in den Start- oder Stillstandphasen des Verbrennungsmotors ausgelegt ist, wobei die Vorförderpumpe (4) eingangsseitig über eine Leitung (3a) mit einem Kraftstoffbehälter (2) und ausgangsseitig über eine weitere Leitung (3b) mit der hydraulischen Übersetzung (9) verbunden ist und wobei die Vorförderpumpe (4) ausgangsseitig über eine Zweigleitung (5a) mit der Hochdruckpumpe (6) verbunden ist.
  2. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (3b) des Ausgangs der Vorförderpumpe (4) zur hydraulischen Übersetzung (9) stromab des Abzweigs der Zweigleitung (5a) ein erstes Regelventil (8) vorgesehen ist.
  3. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (3b) des Ausgangs der Vorförderpumpe (4) zur hydraulischen Übersetzung (9) stromab des Abzweigs der Zweigleitung (5a) und vor dem Regelventil (8) ein Drosselventil (20) vorgesehen ist.
  4. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verbindungsleitung (5b) des Ausgangs der Hochdruckpumpe (6) zu einem Hochdruckrail (11) ein Rückschlagventil (7) angeordnet ist.
  5. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Regelventil (15) eingangsseitig über eine Leitung (14a) mit einem Volumenraum (9b) der hydraulischen Übersetzung (9) verbunden ist und ausgangsseitig über eine Leitung (14b) in die ausgangseitige Leitung (3b) der Vorförderpumpe (4) einmündet.
  6. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Regelventil (17) eingangsseitig über eine Leitung (16a) mit dem Volumenraum (9b) der hydraulischen Übersetzung (9) und ausgangsseitig über eine Rücklaufleitung (16b) mit dem Kraftstoffbehälter (2) verbunden ist.
  7. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichsbehälter (18) über eine Leitung (19a) mit dem Volumenraum (9b) der hydraulischen Übersetzung (9) und ausgangsseitig über eine Rücklaufleitung (19b) mit dem Kraftstoffbehälter (2) verbunden ist.
  8. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Übersetzung (9) in die Hochdruckrail (11) integriert ist.
  9. Verfahren zum Starten und Betreiben von Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung mittels eines Kraftstoffversorgungssystems (1), wobei mittels einer Vorförderpumpe (4) Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter (2) abgesaugt und einer Hochdruckpumpe (6) zugeführt wird und von dieser mit hohem Druck zu einer Mehrzahl von Injektoren (13) oder Einspritzdüsen geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Start- oder Stillstandsphase ein zur Einspritzung in den Verbrennungsmotor notwendiger Kraftstoffdruck p2 mittels einer zwischen Vorförderpumpe (4) und der Mehrzahl von Injektoren (13) oder Einspritzdüsen parallel zur Hochdruckpumpe (6) geschaltete, hydraulische Übersetzung (9) erzeugt oder aufrechterhalten wird.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Kraftstofffluß zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe (4) und der Eingangseite der hydraulischen Übersetzung (9) mittels eines ersten Regelventils (8) geregelt wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei Kraftstoff über eine Leitung (14a, b) und über ein zweites Regelventil (15) zu der Ausgangsseite der Vorförderpumpe (4) zugeleitet werden kann.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei Kraftstoff über eine Leitung (16a, b) und ein drittes Regelventil (17) von dem Volumenraum (9b) der hydraulischen Übersetzung (9) dem Kraftstoffbehälter (2) zugeführt werden kann.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 10 bis 12, wobei unmittelbar vor dem Start des Verbrennungsmotors der Kraftstoffeinspritzdruck p2 über die hydraulischen Übersetzung (9) erzeugt wird und wobei das erste und das dritte Regelventil (8, 17) geöffnet und das zweite Regelventil (15) geschlossen sind.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 10 bis 12, wobei während des Startvorgangs der von der Hochdruckpumpe (6) erzeugte Druck den von der hydraulischen Übersetzung (9) erzeugten Druck übersteigt und wobei das dritte Regelventil (17) geschlossen und das erste und zweite Regelventil (8, 15) geöffnet sind.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 10 bis 12, wobei im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors alle drei Regelventile (8, 15, 17) geschlossen sind.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei ein Ausgleichsbehälter (18) überschüssigen Kraftstoff aus dem Volumenraum (9b) der hydraulischen Übersetzung (9) aufnehmen und bei Bedarf über eine Rücklaufleitung (19b) an den Kraftstoffbehälter (2) rückführen kann.
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