DE10340159A1

DE10340159A1 - Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem

Info

Publication number: DE10340159A1
Application number: DE2003140159
Authority: DE
Inventors: Johann Gessler; Oliver Richarz
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2005-04-07
Also published as: WO2005024225A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem (1) als Common-Rail Einspritzsystem mit einem einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (2) zugeordneten Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail (3). Des Weiteren ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe (4), die mit der Kraftstoff-Rail (3) verbunden ist, umfasst. Zudem sind durch eine Steuereinheit (15) steuerbare und den Zylindern der Brennkraftmaschine (2) zugeordnete Einspritzventile (10) vorgesehen, die mittels dem Hochdruckspeicherbereich zugehörigen Einspritzleitungen (11) mit der Kraftstoff-Rail (3) hydraulisch verbunden sind. Wenigstens ein durch die Steuereinheit (15) steuerbares Heizelement (12) ist in direktem Kontakt zum Kraftstoff im Hochdruckspeicherbereich angeordnet. Erfindungsgemäß ist jedem Einspritzventil (10) ein Heizelement (12) zugeordnet, das unmittelbar vor dem Einspritzventil (10) in der Einspritzleitung (11) angeordnet ist. Das Heizelement (12) ist dabei als elektrische Heizspirale ausgebildet, die koaxial zur Achsrichtung der Einspritzleitung (11) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekanntes, gattungsgemäßes Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem (US Statutory Invention Registration H1,820) umfasst einen einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail und eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, die mit der Kraftstoff-Rail verbunden ist. Zudem sind steuerbare, den Zylindern zugeordnete Einspritzventile mit dem Hochdruckspeicherbereich zugehörigen Einspritzleitungen mit der Kraftstoff-Rail hydraulisch verbunden. Weiter ist wenigstens ein steuerbares Heizelement mit direktem Kontakt zum Kraftstoff im Hochdruckspeicherbereich angeordnet.

Konkret ist hier ein steuerbares Heizelement in der Kraftstoff-Rail angeordnet, welches den gesamten in der Kraftstoff-Rail befindlichen Kraftstoff gesteuert in Abhängigkeit der mittels eines Temperatursensors ermittelten Temperaturwerte erwärmen soll. In einer weiteren alternativen Ausführung sind in der Kraftstoff-Rail im Bereich der Anschlüsse der Einspritzleitungen Heizelemente vorgesehen. Damit wird im wesentlichen der gesamte Kraftstoff in der Kraftstoff-Rail insbesondere während einer Warmlaufphase nach einem Start bei tiefen Temperaturen erwärmt, um verbesserte Bedingungen für die Verbrennung des Kraftstoffs herzustellen und damit höhere Leistungen und eine bessere Abgasqualität zu erreichen.

Ersichtlich ist eine solche Anordnung bezüglich der Erwärmung insbesondere nach einem Kaltstart relativ träge und energieintensiv, da eine Erwärmung des gesamten Kraftstoffs erfolgt und durch Wärmeübertragung vom erwärmten Kraftstoff zur Railwandung die gesamte Kraftstoff-Rail erwärmt wird und von dort Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Weiter ist ein Common-Rail Einspritzsystem bekannt ( DE 199 49 812 A1 ), bei dem das vorstehende Problem dadurch reduziert werden kann, dass ein oder mehrere Heizelemente jeweils dem Einspritzventil zugeordnet sind. In einer Ausführungsform sind dabei elektrische Widerstandsheizspiralen außen um die Einspritzdüse und um die Einspritzleitung vor dem Einspritzventil herum angebracht. Die Erwärmung des Kraftstoffs erfolgt somit hier indirekt durch die Wandung der Einspritzdüse bzw. die Wandung der Einspritzleitung hindurch, wobei sich für eine Kraftstofferwärmung insbesondere bei und nach einem Kaltstart ersichtlich zuerst das Wandmaterial erwärmen muss. In einer anderen Ausführungsform wird die Kraftstofferwärmung über ein zusätzliches Fluid als Wärmetransportmedium durchgeführt, welches die Wärme aus dem Abgas der Brennkraftmaschine entnimmt. Im Zusammenhang mit beiden Ausführungen wird hier auf das Problem der unerwünschten Wärmeleitung durch das Wandmaterial hingewiesen, da der Kraftstoff selbst regelmäßig ein schlechterer Wärmeleiter im Vergleich zum Wandmaterial der Einspritzdüse, der Einspritzleitungen und der Kraftstoff-Rail ist. Somit ist auch diese Anordnung hinsichtlich einer Initialenerwärmung bei einem Start der Brennkraftmaschine relativ träge und erzeugt relativ viel Verlustwärme.

Bei einem weiteren bekannten Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem ( DE 28 43 534 C2 ) ist im Austrittkanal eines Einspritzventils ein Heizelement aus keramischem Halbleitermaterial mit positiven Temperaturkoeffizient inte griert. Das Heizelement ist als Hülse ausgeführt und ist an der Innenwand des Austrittskanals anliegend befestigt. Das Einspritzventil wird durch die Ausstattung mit einem Heizelement aus keramischem Halbleitermaterial relativ aufwendig. Zudem ist das Keramikmaterial mit der Kanalinnenwand wärmeleitend verbunden, so dass auch hier ein ungünstiger Wärmeübergang auf das Wandmaterial mit den vorstehenden Nachteilen erfolgt.

Aus dem Bereich der Benzin- und Dieselbrennkraftmaschinen, welche nicht nach dem Common-Rail Prinzip arbeiten ist bekannt, Kraftstoff in Einspritz ventilen vorzuwärmen, um die Verbrennung des jeweiligen Kraftstoffs im Zylinder zu verbessern. Beispielhaft werden dazu folgende Veröffentlichungen angegeben: DE 198 43 317 A1 , DE 195 42 318 A1 und DE-AS 2057972. Hier sind die Heizelemente in relativ aufwendig ausgeführten Einspritzventilen integriert.

Aufgabe der Erfindung ist es ein gattungsgemäßes Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem so weiter zu bilden, dass bei einfachem energiegünstigen Aufbau eine effektive Kraftstofferwärmung durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist jedem Einspritzventil ein Heizelement zugeordnet, das unmittelbar vor dem Einspritzventil in der Einspritzleitung angeordnet ist. Das Heizelement ist als elektrische Heizspirale ausgebildet, die koaxial zur Achsrichtung der Einspritzleitung ausgerichtet ist. Mit einer solchen Anordnung wird erreicht, dass energiegünstig nur diejenige Menge an Kraftstoff erwärmt wird, welche unmittelbar vor dem Einspritzventil in der Einspritzleitung zur direkten Einspritzung in den Zylinder ansteht, wobei der Wärmeübergang auf den Kraftstoff schnell und energiesparend erfolgt. Das Einspritzventil selbst braucht hier nicht in aufwendiger und komplizierter Weise mit Heizelementen aufgerüstet werden, da die Kraftstofferwärmung vom Einspritzventil entkoppelt ist. Das Heizelement wird durch eine Steuereinheit in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine insbesondere bei einem Kaltstart und in der Warmlaufphase gesteuert.

Das Heizelement wird hier vom Kraftstoff direkt angeströmt, so dass stets vorgeheizter Kraftstoff eingespritzt wird, insbesondere bereits in der kritischen Startphase. Der vorgewärmte Kraftstoff führt zu einer schnelleren Verdampfung sowie einer geringeren Wandfilmbildung und somit zu einer besseren Gemischbildung und Verbrennung. Das Emissions-Potential wird verbessert, insbesondere auch im Warmlauf und die Katalysatorbelastung wird reduziert. Durch den schnell vorgewärmten Kraftstoff wird auch das Einspritzventil relativ schnell erwärmt, so dass sich dadurch Verbesserungen der elektrischen, hydraulischen und mechanischen Eigenschaften des Einspritzventils ergeben. Ebenso erwärmen sich die Dichtelemente zwischen den Einspritzventilen und den angeschlossenen Hochdruckleitungen. Dies führt zu einer besseren Elastizität der Dichtelemente bereits bei niedrigen Temperaturen der Brennkraftmaschine und die Gefahr von Undichtigkeiten des Kraftstoffsystems wird reduziert.

In einer bevorzugten Ausführung nach Anspruch 2 soll der Durchmesser der elektrischen Heizspirale kleiner als der Innendurchmesser der Einspritzleitung sein, so dass diese zumindest teilweise nicht an der umgebenden Wandung der Einspritzleitung anliegt und vom Kraftstoff umspült wird. Zudem können nach Anspruch 3 die elektrischen Zuführleitungen zur Heizspirale dicht sowie elektrisch isoliert und wärmegedämmt durch die Wand der Einspritzleitung geführt werden. Mit diesen Maßnahmen wird ein besonders schneller und effektiver Wärmeübergang von der Heizspirale auf den Kraftstoff bei relativ wenig Energiebedarf erreicht.

In einer Weiterbildung nach Anspruch 4 ist eine motormechanisch gekoppelte Kraftstoff-Hochdruckpumpe verwendet, der in der Verbindung zur Kraftstoff-Rail ein steuerbares Absperrventil und/oder Rückschlagventil zugeordnet ist. Damit stellt der Kraftstoff-Hochdruckspeicher einen hermetisch geschlossenen Raum dar bevor durch eine Bestätigung eines elektrischen Anlassers die Brennkraftmaschine anläuft. Vor dem Brennkraftmaschinenanlauf soll hier als Teil der Startsteuerung eine Ansteuerung der Heizelemente für eine Kraftstoffvorerwärmung erfolgen. Dadurch wird im Kraftstoff-Hochdruckspeicher ein thermischer Druckanstieg erzeugt und beim Anlauf der Brennkraftmaschine durch den Anlasseranlauf wird bereits Kraftstoff mit hohem Druck und hoher Temperatur eingespritzt. Dadurch ergibt sich ein optimales Anspringverhalten der Brennkraftmaschine auch bei sehr niedrigen Temperaturen.

Gemäß Anspruch 5 wird dazu mit einem Startbetätigungselement in der Art eines Zündschlüssels zuerst die Kraftstoffvorerwärmung angesteuert und erst anschließend werden selbsttätig der Anlasser und die Einspritzventile angesteuert. Für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs ergeben sich damit keine erkennbaren Betätigungsunterschiede für einen Startvorgang im Vergleich zu bisherigen Systemen.

Gemäß Anspruch 6 können für die Steuerung und/oder Regelung der Kraftstofferwärmung Messsignale von Temperatursensoren und/oder Drucksensoren, welche im Kraftstoff-Hochdruckspeicherbereich angeordnet sind, verwendet werden.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystems, und
2 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils mit zugeordnetem Heizelement.
In 1 ist schematisch ein Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem 1 als Common-Rail Einspritzsystem dargestellt. Dabei ist einer hier nur als schematisches Rechteck dargestellten Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine 2 ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail 3 zugeordnet. Mit der Kraftstoff-Rail 3 ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 über eine Verbindungsleitung 5 verbunden. In der Verbindungsleitung 5 ist ein Rückschlagventil 6 angeordnet, so dass die Kraftstoff-Rail 3 vor einem durch einen elektrischen Anlasser 7 herbeiführbaren Brennkraftmaschinenanlauf ein hermetisch geschlossener Raum ist. Alternativ oder zusätzlich kann in einer Verbindungsleitung 5 bzw. an der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 ein entsprechend steuerbares Absperrventil angeordnet sein. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 wird durch eine motormechanische Kopplung 8 durch die Brennkraftmaschine 2 angetrieben, so dass Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 9 zur Kraftstoff-Rail 3 gepumpt werden kann.
Jeden Zylinder der Brennkraftmaschine 2, die hier beispielhaft als Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine ausgeführt ist, ist ein Einspritzventil 10 zugeordnet, die jeweils mittels einer Einspritzleitung 11 mit der Kraftstoff-Rail 3 hydraulisch verbunden sind. Die Einspritzleitungen 11 sind dabei im Hochdruckspeicherbereich zugehörig. Jedem Einspritzventil 10 ist ein Heizelement 12, das als elektrische Heizspirale ausgebildet ist, zugeordnet, wobei das Heizelement 12 unmittelbar vor dem Einspritzventil 10 innerhalb der Einspritzleitung 11 angeordnet ist.
Des weiteren sind an der Kraftstoff-Rail 3 ein Temperatursensor 13 und ein Drucksensor 14 angeordnet, mittels denen der aktuellen Temperatur bzw. der aktuelle Druck des Kraftstoffes innerhalb des Kraftstoff-Rails 3 ermittelt werden kann. Diese Messsignale werden in einer Steuereinheit 15 verarbeitet, mittels der die Einspritzventile 10 die Heizelemente 12 und der Anlasser 7 gesteuert werden können. Zur Veranschaulichung der entsprechenden Steuerung und/oder Regelung durch die Steuereinheit 15 sind von dieser ausgehend in 1 entsprechende Leitungen schematisch zu den jeweiligen Bauteil eingezeichnet.
In 2 ist schematisch ein Einspritzventil 10 mit einer entsprechend angebundenen Einspritzleitung 11 dargestellt. Aufgrund der Schnittdarstellung der Einspritzleitung 11 ist das als Heizspirale ausgebildete Heizelement 12 innerhalb der Einspritzleitung 11 zu erkennen. Die Heizspirale 12 ist dabei koaxial zur Achsrichtung der Einspritzleitung 11 ausgerichtet. Der Durchmesser der Heizspirale 12 ist dabei kleiner als der Innendurchmesser der Einspritzleitung 11, so dass die Heizspirale 12 vom Kraftstoff umspült wird. Die elektrischen Zuführleitungen 16 zur Heizspirale 12 sind dabei dicht, sowie elektrisch isoliert und wärmegedämmt durch die Wand der Einspritzleitung 11 geführt. Die Zuführleitungen 16 sind mit der Steuereinheit 15 gekoppelt, wobei in 2 die in 1 gezeigten angeschlossenen Leitungen an der Steuereinheit 15 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen sind.
Dadurch, dass jedem Einspritzventil 10 ein Heizelement 12 zugeordnet ist, wird nur diejenige Menge an Kraftstoff erwärmt, welche unmittelbar vor dem Einspritzventil 10 in der Einspritzleitung 11 zur direkten Einspritzung in den Zylinder ansteht. Da das Heizelement 12 vollständig vom Kraftstoff umspült wird, erfolgt ein entsprechend schneller und energiesparender Wärmeübergang auf den Kraftstoff. Abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 können die Heizelemente 12 durch die Steuereinheit 15 gesteuert werden. Somit ist insbesondere in der kritischen Startphase der Brennkraftmaschine, d. h. beim Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase, sichergestellt, dass stets vorgeheizter Kraftstoff eingespritzt wird, wodurch eine schnellere Verdampfung sowie eine geringere Wandfilmbildung und somit eine bessere Gemischbildung und Verbrennung erhalten werden. Bei einer entsprechenden Steuerung mittels der Steuereinheit 15 kann bei einer Startbetätigung für die Brennkraftmaschine 2 zuerst der Kraftstoff durch die Heizelemente 12 vorerwärmt werden und anschließend der Anlasser 7 und die Einspritzventile 10 aktiviert werden.

Claims

Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem als Common-Rail Einspritzsystem mit einem einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoff-Hochdruckspeicher als Kraftstoff-Rail, mit einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, die mit der Kraftstoff-Rail verbunden ist, mit durch eine Steuereinheit steuerbaren, den Zylindern zugeordneten Einspritzventilen, die mittels dem Hochdruckspeicherbereich zugehörigen Einspritzleitungen mit der Kraftstoff-Rail hydraulisch verbunden sind, und mit wenigstens einem durch die Steuereinheit steuerbaren Heizelement, welches mit direktem Kontakt zum Kraftstoff im Hochdruckspeicherbereich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Einspritzventil (10) ein Heizelement (12) zugeordnet ist, das unmittelbar vor dem Einspritzventil (10) in der Einspritzleitung (11) angeordnet ist, und dass das Heizelement (12) als elektrische Heizspirale ausgebildet ist, die koaxial zur Achsrichtung der Einspritzleitung (11) ausgerichtet ist.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Heizspirale (12) kleiner als der Innendurchmesser der Einspritzleitung (11) ist, so dass die Heizspirale (12) vom Kraftstoff umspült wird.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Zuführleitungen (16) zur Heizspirale (12) dicht, sowie elektrisch isoliert und wärmegedämmt durch die Wand der Einspritzleitung (11) geführt sind.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der motormechanisch gekoppelten Kraftstoff-Hochdruckpumpe (14) in der Verbindung zur Kraftstoff-Rail (3) ein steuerbares Absperrventil und/oder Rückschlagventil (6) zugeordnet ist, so dass vor einem durch einen elektrischen Anlasser (7) herbeiführbaren Brennkraftmaschinenanlauf der Kraftstoff-Hochdruckspeicher (3) ein hermetisch geschlossener Raum ist, und dass mittels der Steuereinheit (15) für eine Steuerung eines Brennkraftmaschinenstarts vor einem Brennkraftmaschinenanlauf eine Ansteuerung der Heizelemente (12) für eine Kraftstoffvorerwärmung und eine thermische Druckerhöhung durchführbar ist.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Startbetätigungselement, in der Art eines Zündschlüssels mittels der Steuereinheit (15) zuerst die Heizelemente (12) für die Kraftstoffvorerwärmung und anschließend der Anlasser (7) und die Einspritzventile (10) ansteuerbar sind.
Kraftstoff-Hochdruckeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftstoff-Hochdruckspeicherbereich wenigstens ein Temperatursensor (13) und/oder ein Drucksensor (14) angebracht sind, welche an die Steuereinheit (15) angeschlossen sind.