DE19845556A1 - Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Steuerung eines Einspritzsystems, bei dem von einer Common-Rail nicht benötigter Kraftstoff über eine Rücklaufleitung in einen Kraftstoffleitungsbereich zwischen einem Kraftstoffilter und einem Kraftstoffbehälter zurückgeführt wird. Durch diese Rückführung wird der Kraftstoff erwärmt, so daß ein Verstopfen des Filters bei Unterschreiten des CFPP verhinderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Ein­ spritzsystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Dieselmotoren hinkten lange Jahre in Bezug auf die technologische Weiterentwicklung den mit Katalysatoren aus­ gerüsteten Ottomotoren hinterher. Durch Entwicklung neuer Einspritzsysteme konnte dieser technologische Vorsprung der Ottomotoren jedoch in jüngster Zeit eingeholt werden. Als besonders leistungsfähig haben sich dabei Direktein­ spritzsysteme herausgestellt, bei denen der aus einem Kraftstoffbehälter angesaugte und mit Druck beaufschlagte Kraftstoff einer gemeinsamen Hochdruckleitung, der soge­ nannten Common-Rail und von dort den Injektoren zugeführt wird. Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme werden in der Technik auch als Common-Rail-Systeme bezeichnet.

Der Kraftstoff wird über eine Vorförderpumpe aus einem Kraftstoffbehälter angesaugt und über eine nachgeschaltete Hochdruckpumpe auf den in der Common-Rail erforderlichen Druck von beispielsweise 1.400 bar gebracht. Der Druck in der Common-Rail wird über ein Druckregelventil begrenzt, über das der überschüssige, druckbeaufschlagte Kraftstoff zum Kraftstoffbehälter zurückführbar ist. Die Hochdruckpumpe ist als Verstellpumpe ausgeführt, wobei unterschiedliche Bauarten, beispielsweise eine saug­ gedrosselte Pumpe, eine von einem Elektromotor mit unter­ schiedlichen Drehzahlen angetriebene Pumpe, eine Pumpe mit verstellbarem Hubring oder mit verstellbarer Schrägscheibe verwendet werden können.

Bei modernen Common-Rail-Systemen erfolgt die Druckre­ gelung in der Common-Rail häufig über ein der Verstellpumpe vorgeschaltetes Volumenstromregelventil (Saugdrosselven­ til), während das den Druck in der Common-Rail begrenzende Druckregelventil lediglich zum schnellen Druckabsenken be­ nutzt wird.

Eine derartige Konstruktion ist in der EP 0299337A2 be­ schrieben. Der Vorteil derartiger Lösungen liegt darin, daß durch entsprechende Einstellung des Volumenstromregelven­ tils nur die erforderliche Menge an Kraftstoff zur Hoch­ druckpumpe geführt wird, so daß die aus der Common-Rail zum Kraftstoffbehälter zurückgeführte Kraftstoffmenge minimal ist.

Ein Problem bei derartigen Einspritzsystemen ist, daß beispielsweise im Winter bei tiefen Außentemperaturen der Kraftstoffilter durch Paraffinausscheidungen verstopft werden kann. Um diese Gefahr auf ein Minimum zu verringern, sind Dieselkraftstoffe gemäß der Norm EN 116 in CFPP-Klas­ sen (Cold-Filter-Plugging-Point) unterteilt. Diese CFPP- Klassen definieren jeweils untere Temperaturgrenzwerte, bei deren Unterschreitung Paraffinausscheidungen im Diesel­ kraftstoff auftreten können.

Zur Vermeidung derartiger Paraffinausscheidungen werden bei herkömmlichen Common-Rail-Systemen elektrisch beheizte Kraftstoffilter eingesetzt, die jedoch vergleichsweise aufwendig aufgebaut sind und nur mit einem erheblichen Energieaufwand zu betreiben sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Einspritzsystemes zu schaffen, bei dem das Kaltstartverhalten bei tiefen Temperaturen verbessert ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Kraftstoffein­ spritzsystems durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahren durch die Merkmale des nebenge­ ordneten Patentanspruchs 9 gelöst.

Durch die Maßnahme, zwischen der Common-Rail und der Hochdruckpumpe eine im Leitungsbereich zwischen Kraftstoff­ behälter und Kraftstoffilter mündende Rücklaufleitung ab­ zweigen zu lassen, kann ein durch die Wirkung der Hoch­ druckpumpe und gegebenenfalls eines Saugdrosselventils er­ wärmter Kraftstoffteilstrom zum Eingang des Filters zurück­ geführt werden, so daß ein Verstopfen des Kraftstoffilters erst bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als beim Stand der Technik erfolgt. Das heißt, durch die Teilrückführung einer erwärmten Kraftstoffmenge zum Filter ist das Starten des Motores auch deutlich unterhalb des CFPP des eingesetz­ ten Kraftstoffes möglich.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird beim Kaltstart die Hochdruckpumpe derart angesteuert, daß diese eine maximale Fördermenge abgibt, so daß entsprechend auch der durch die Rücklaufleitung zurückgeführte Kraftstoffvo­ lumenstrom maximal ist. Das heißt, bei dieser Variante wird die Verstellpumpe praktisch als Konstantpumpe mit maximaler Förderleistung betrieben und aufgeheizter Kraftstoff im we­ sentlichen direkt in den Filter eingeleitet. Bei einer al­ ternativen Variante kann der zurückgeführte Kraftstoff auch in den Schwalltopf des Tanks oder in einen anderen Lei­ tungsbereich zwischen Kraftstoffbehälter und Filter einge­ speist werden.

Die Ansteuerung der Verstellpumpe erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur, die im Be­ reich des Filters gemessen wird. Die Dauer dieser Kalt­ startregelung kann dann entweder in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zeitintervall oder nach dem Temperaturverlauf im Filterbereich bestimmt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Druckregelventil zur Begrenzung des Drucks in der Common- Rail in der Rücklaufleitung angeordnet, so daß der schaltungstechnische Aufwand minimiert ist.

Die Leckage der Injektoren der Common-Rail kann entwe­ der in die Rücklaufleitung oder aber direkt in den Kraft­ stoffbehälter eingespeist werden.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Kraftstoffein­ spritzsystems kann der Rücklaufleitung eine Ventileinrich­ tung zugeordnet werden, über die die Rücklaufleitung wahl­ weise mit dem Kraftstoffbehälter oder dem Leitungsbereich zwischen Kraftstoffbehälter und Filter verbindbar ist, so daß die von der Common-Rail nicht benötigte Kraftstoffmenge bei warmem Motor direkt in den Kraftstoffbehälter zurückge­ führt wird.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Hydraulikschaltplan eines Common-Rail-Dieseleinspritzsystems, das auch als Speicher­ einspritzsystem bezeichnet wird.

Das erfindungsgemäße Common-Rail-System 1 hat einen Dieselkraftstoffbehälter 2 üblicher Bauart. Dieser ist mit einem Schwalltopf versehen, aus dem heraus der Dieselkraft­ stoff abgepumpt wird. Der Kraftstoffbehälter 2 ist an eine Kraftstoffleitung 4 angeschlossen, durch die hindurch der Dieselkraftstoff mittels einer Vorförderpumpe 6 aus dem Kraftstoffbehälter 2 abpumpbar ist. Zwischen dem Kraft­ stoffbehälter 2 und der Vorförderpumpe 6 ist ein Kraft­ stofffilter 8, beispielsweise ein Sieb- oder Papierfilter vorgesehen, über den Feststoffe, beispielsweise Verschmut­ zungen oder Paraffinausscheidungen aus dem Dieselkraftstoff entfernbar sind. Der über die Vorförderpumpe 6 druckbeauf­ schlagte Dieselkraftstoff wird zur Saugseite einer Hoch­ druckpumpe 10 geführt, die beim dargestellten Ausführungs­ beispiel als Verstellpumpe ausgeführt ist. Moderne Common- Rail-Einspritzsysteme erfordern Maximaldrücke von bis zu 2.000 bar, so daß bevorzugterweise Radialkolbenpumpen als Hochdruckpumpen eingesetzt werden.

Der Kraftstoff kann auch über eine direkt am oder im Kraftstoffbehälter 2 angeordnete Kraftstoffpumpe angesaugt werden, die beispielsweise elektrisch angetrieben ist. Bei einer derartigen Konstruktion kann die Vorförderpumpe 6 entfallen.

Bei dem Gegenstand der Erfindung kommt es nicht auf die Bauart der Verstellpumpe 10 an. So kann diese beispielswei­ se als sauggedrosselte Pumpe (ähnlich der Konstruktion in der EP 0299337A2) oder von einem Elektromotor mit unter­ schiedlichen Drehzahlen oder als Kolbenpumpe mit verstell­ barem Hub ausgebildet sein.

Zwischen der Druckseite der Vorförderpumpe 6 und der Saugseite der Hochdruckpumpe 10 ist in der Kraftstofflei­ tung 4 ein Volumenstromregelventil 12 vorgesehen, das beim gezeigten Ausführungsbeispiel als proportional verstellba­ res 2/2-Wegeventil ausgeführt ist. Durch entsprechende An­ steuerung des Volumenstromregelventils 12 wird die von der Vorförderpumpe 6 zur Saugseite der Hochdruckpumpe 10 geför­ derte Dieselkraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Bela­ stung des Motors abgedrosselt, so daß stets die optimale Fördermenge in die stromabwärts der Hochdruckpumpe 10 ange­ ordnete Common-Rail 14 gefördert wird. Das Volumenstromre­ gelventil 12 läßt sich in eine Sperrstellung bringen, so daß die Kraftstoffzufuhr zur Hochdruckpumpe 10 und damit zur Common-Rail 14 unterbrochen wird.

Die Ansteuerung des Volumenstromregelventils 12 und/oder der Verstellpumpe 10 erfolgt über ein Steuergerät 16, über das auch Injektoren 18 der Common-Rail 14 zur Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum ansteuerbar sind. Die Ansteuerung der Verstellpumpe 10 beziehungsweise des Volumenstromregelventils 12 erfolgt unter anderem in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur, die über einen Temperatursensor 20 erfaßt wird. Dieser kann beispielsweise im Bereich des Kraftstoffilters 8 angeordnet sein, so daß die Dieselkraftstofftemperatur bei der Durchströmung des Filters 8 gemessen wird.

Die vorstehend erwähnte Common-Rail 14 ist über eine Druckleitung 22 mit der Druckseite der Hochdruckpumpe 10 verbunden. Von der Druckleitung 22 zweigt eine Rücklauflei­ tung 24 ab, die im Bereich des Eingangs des Filters 8 in der Kraftstoffleitung 4 mündet. In der Rücklaufleitung 24 ist ein Druckregelventil 26 vorgesehen, über das der Druck in der Common-Rail 14 auf einen Maximalwert (beispielsweise etwa 1.500 bar) begrenzbar ist.

Die Leckagemenge der Injektoren 18 und die Überschuß­ menge der Common-Rail 14 wird über eine gestrichelt ange­ deutete Verbindungsleitung 28 in die Rücklaufleitung 24 oder in eine Tankleitung 30 eingespeist.

Zur Kühlung der Hochdruckpumpe 10 zweigt im Bereich zwischen der Vorförderpumpe 6 und der Hochdruckpumpe 10 ei­ ne Kühlleitung 32 von der Kraftstoffleitung 4 ab, die zu Kühlanschlüssen der Hochdruckpumpe 10 geführt ist. Das heißt, eine Teilmenge des von der Vorförderpumpe 6 gelie­ ferten Dieselkraftstoffes wird zur Kühlung der Hochdruck­ pumpe 10 verwendet.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird der zur Kühlung verwendete Dieselkraftstoffteilstrom über eine Kühlaustrittsleitung 34 in die Tankleitung 30 und somit zurück zum Kraftstoffbehälter 2 geführt. Prinzipiell ließe sich diese Teilmenge auch in die Rücklaufleitung 24 einleiten, da der aus der Hochdruckpumpe 10 austretende, zur Kühlung verwendete Teilstrom eine höhere Temperatur als der Dieselkraftstoff im Kraftstoffbehälter 2 aufweist, und somit dazu beiträgt, die Paraffinausscheidung zu unterdrüc­ ken.

Beim Kaltstart des Motores wird zunächst das Volumen­ stromregelventil 12 in eine Durchflußstellung gebracht, die über das Steuergerät 16 in Abhängigkeit von dem Betriebszu­ stand des Motors gewählt wird. Der Dieselkraftstoff wird über die Vorförderpumpe 6 aus dem Kraftstoffbehälter 2 an­ gesaugt und durch den Filter 8 hindurch zur Saugseite der Hochdruckpumpe 10 gefördert. Über den Temperatursensor 20 wird die Kraftstofftemperatur im Bereich des Filters 8 ge­ messen und ein entsprechendes Signal dem Steuergerät 16 zu­ geführt. In Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur gibt das Steuergerät 16 Steuersignale an das Volumenstromregel­ ventil 12 und/oder die Verstelleinrichtung der Hochdruck­ pumpe 10 ab. Erfindungsgemäß werden die Hochdruckpumpe 10 und/oder das Volumenstromregelventil 12 derart eingestellt, daß eine maximale Fördermenge an Dieselkraftstoff zur Com­ mon-Rail 10 gefördert wird. Das heißt, durch entsprechende Ansteuerung wird die verhältnismäßig groß dimensionierte Verstellpumpe (Hochdruckpumpe 10) als Konstantpumpe mit ma­ ximaler Fördermenge betrieben, so daß eine Überschußmenge zur Common-Rail 14 geführt wird. Durch die Abdrosselung des Dieselkraftstoffes bei der Durchströmung des Volumenstrom­ regelventils 12 und durch die zusätzliche Erwärmung inner­ halb der Hochdruckpumpe 10 hat der zur Common-Rail 14 strö­ mende Dieselkraftstoff eine wesentlich höhere Temperatur als der direkt aus dem kalten Kraftstoffbehälter 2 entnom­ mene Kraftstoff. Eine Teilmenge dieses aufgeheizten Diesel­ kraftstoffes wird zum Eingang des Filters 8 zurückgeführt, so daß die Temperatur am Filter 8 auf einen Bereich ober­ halb des CFPP ansteigt. Eine Paraffinausscheidung wird so­ mit zuverlässig unterbunden, so daß ein Kaltstart auch un­ terhalb des CFPP möglich ist.

Nach Überschreiten einer vorbestimmten Warmlauftempera­ tur am Filter 8 oder in einem sonstigen Bereich des Kraft­ stoffeinspritzsystemes wird über das Steuergerät 16 ein Si­ gnal an die Verstellpumpe 10 und/oder das Volumenstromre­ gelventil 12 abgegeben, so daß die Fördermenge zur Common- Rail verringert wird und praktisch nur der benötigte Die­ selkraftstoffvolumenstrom von der Hochdruckpumpe 10 ver­ dichtet werden muß.

Die Umstellung des Einspritzsystems von der Kaltlauf­ steuerung zum Warmlaufverfahren kann zeitabhängig oder aber temperaturabhängig erfolgen. Im erstgenannten Fall wird die vorgeschriebene Kaltlaufsteuerung während eines vorbestimm­ ten Zeitintervalls aufrecht erhalten, wobei dieser Zeitin­ tervall derart gewählt ist, daß auch bei ungünstigsten Be­ triebsbedingungen die Warmlaufphase erreicht wird. Im letztgenannten Fall erfolgt die Kaltlaufsteuerung in Abhän­ gigkeit von der Filtertemperatur, daß heißt die "normale" Ansteuerung der Verstellpumpe 10 erfolgt erst, nachdem die Filtertemperatur einen oberen Grenzwert überschritten hat.

Selbstverständlich muß die Rücklaufleitung 24 nicht notwendigerweise im Eingangsbereich des Filters 8 münden, sondern kann praktisch an beliebiger Stelle zwischen dem Kraftstoffbehälter 2 und dem Filter 8 vorgesehen werden. So kann die Rücklaufleitung 24 beispielsweise im eingangs ge­ nannten Schwalltopf des Kraftstoffbehälters 2 münden. We­ sentlich ist, daß der zurückgeführte Dieselkraftstoffteil­ strom seine Wärmeenergie nur in vernachlässigbarem Maß an den sonstigen, im Kraftstoffbehälter 2 befindlichen Kraft­ stoff oder an sonstige Materialien abgibt, so daß eine ver­ gleichsweise hohe Filtertemperatur gewährleistet ist.

Bei einer Variante könnte in der Rücklaufleitung 24 noch eine Ventileinrichtung vorgesehen werden, über die der zurücklaufende Teilstrom wahlweise zum Eingangsbereich des Filters 8 oder aber direkt in den Kraftstoffbehälter 2 zu­ rückführbar ist.

Offenbart ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Steuerung eines Einspritzsystems, bei dem von einer Common-Rail nicht benö­ tigter Kraftstoff über eine Rücklaufleitung in einen Kraft­ stoffleitungsbereich zwischen einem Kraftstoffilter und einem Kraftstoffbehälter zurückgeführt wird. Durch diese Rückführung wird der Kraftstoff erwärmt, so daß ein Ver­ stopfen des Filters bei Unterschreiten des CFPP verhinder­ bar ist.

Claims (11)

1. Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, mit einer Vorförderpumpe (6) und einer Hochdruckpumpe (10), über die Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter (2) zu einer Com­ mon-Rail (14) förderbar ist, wobei der Vorförderpumpe (6) ein Kraftstoffilter (8) zugeordnet ist, gekennzeichnet durch eine zwischen der Hochdruckpumpe (10) und der Common- Rail (14) abzweigende Rücklaufleitung (24), die in einem Kraftstoffleitungsbereich zwischen dem Kraftstoffbehälter (2) und dem Kraftstoffilter (8) mündet.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Rücklaufleitung (24) ein Druckbegrenzungsventil (26) vorgesehen ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (24) un­ mittelbar vor dem Kraftstoffilter (8) oder in einem dem Kraftstoffbehälter (2) zugeordneten Schwalltopf mündet.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen­ den Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hoch­ druckpumpe (10) eine Verstellpumpe ist, und daß die Förder­ menge in Abhängigkeit von der Kraftstofftemperatur ein­ stellbar ist.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Patentanspruch 4, ge­ kennzeichnet durch einen Temperatursensor (20) zur Erfas­ sung der Kraftstofftemperatur.

6. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen­ den Patentansprüche, gekennzeichnet durch eine Verbindungs­ leitung (28), über die Leckage der Injektoren (18) oder in der Common-Rail (14) nicht benötigter Kraftstoff in die Rücklaufleitung (24) einspeisbar ist.

7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen­ den Patentansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühlleitung (32), über die Kraftstoff zur Kühlung der Hochdruckpumpe (10) abzweigbar ist, die wahlweise im Kraftstoffbehälter (2) oder im Bereich des Filters (8) mündet.

8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehen­ den Patentansprüche, gekennzeichnet durch eine Ventilein­ richtung, über die die Rücklaufleitung (24) wahlweise mit dem Kraftstoffbehälter (2) oder mit dem Kraftstoffleitungs­ bereich zwischen dem Kraftstoffbehälter (2) und dem Filter (8) verbindbar ist.

9. Verfahren zur Steuerung eines Einspritzsystems, bei dem der Kraftstoff über eine Vorförderpumpe (6) und eine Hochdruckpumpe (10) aus einem Kraftstoffbehälter (2) zu einer Common-Rail (14) gefördert wird, gekennzeichnet durch die Schritte:

• 1. Erfassen der Kraftstofftemperatur (T);
• 2. Erhöhen der Fördermenge der Hochdruckpumpe bei Unterschreiten einer Grenztemperatur;
• 3. Rückführen des in der Common-Rail (14) nicht benö­ tigten Teilstroms in einen Kraftstoffleitungsbereich zwischen dem Kraftstoffbehälter (2) und dem Kraft­ stofffilter (8).

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hochdruckpumpe (10) eine Verstellpumpe ist und bei Unterschreiten der Grenztemperatur als Konstantpumpe mit maximaler Förderleistung betrieben wird.

11. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erhöhung der Fördermenge während ei­ nes vorbestimmten Zeitintervalls erfolgt oder in Abhängig­ keit von der Kraftstofftemperatur gesteuert wird.