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Die Erfindung betrifft eine Versorgungsvorrichtung mit einer Kraftstofffördereinrichtung für einen Kraftstoffabnehmer, insbesondere für eine Common-Rail-Einspritzeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest einem Kraftstoffbehälter, aus dem Kraftstoff über eine Kraftstoffleitung an den Kraftstoffabnehmer gefördert ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer dahingehenden Versorgungsvorrichtung.
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Zur Kraftstoffversorgung von Brennräumen, insbesondere von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, wie Dieselmotoren, können druckgesteuerte oder hubgesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzeinrichtungen kommen Pumpen-Düsen-Einrichtungen oder Pumpen-Leitungs-Einrichtungen, wie Speichereinspritzsysteme (Common-Rail) zum Einsatz. Derartige Common-Rail-Einspritzsysteme ermöglichen den Einspritzdruck an die jeweilige Last und die Drehzahl der betreffenden Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen derartiger Verbrennungskraftmaschinen und zur Minimierung der Emissionen dahingehender Verbrennungskraftmaschinen ist ein möglichst hoher Einspritzdruck angestrebt. Der Kraftstoff für derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtungen wird in an sich bekannter Weise mit Versorgungsvorrichtungen mit einer Kraftstofffördereinrichtung von einem Kraftstoffbehälter mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe über eine Kraftstoffleitung an den dahingehenden, als Common-Rail-Einspritzeinrichtung gebildeten Kraftstoffabnehmer gefördert.
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Die
DE 199 10 970 A1 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer zwischen einem Druckspeicherraum und einem Düsenraum angeordneten Druckübersetzungseinheit, deren Druckkammer über eine Druckleitung mit dem Düsenraum verbunden ist, und mit einer an den Druckspeicherraum angeschlossenen Bypass-Leitung.
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Die
DE 102 47 210 A1 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit einem von einer Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagbaren Kraftstoffinjektor und einem ein bewegbares Druckübersetzungselement aufweisenden Druckübersetzer, der zwischen dem Kraftstoffinjektor und der Hochdruckquelle angeordnet ist, welcher einen mit der Hochdruckquelle über eine Hochdruckleitung verbindbaren Arbeitsraum von einem den Kraftstoffinjektor beaufschlagenden Hochdruckraum trennt, wobei durch Befüllung eines Rückraumes des Druckübersetzers mit Kraftstoff und durch Entleerung des Rückraumes von Kraftstoff der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum variierbar ist.
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Die
EP 1 387 079 A1 beschreibt ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe, welche über eine Durchflussmengensteuerung das Rail-System mit Kraftstoff versorgt, an welchem wiederum Kraftstoff-Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung eines jeden Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sind. Die Hochdruckpumpe wird über eine Niederdruck-Förderpumpe mit Kraftstoff versorgt, wobei die Niederdruck-Förderpumpe Kraftstoff aus einem Tank ansaugt und über ein Kraftstofffilter an die Hochdruckpumpe weiterleitet. Der Betriebsdruck im Rail-System wird mittels einer elektronischen Steuereinheit geregelt. Die bekannten Versorgungsvorrichtungen mit einer Kraftstofffördereinrichtung sind insbesondere in Bezug auf den Druckaufbau in ihrer Kraftstoffleitung verbesserungswürdig. Dadurch ist ein Kaltstartverhalten einer Verbrennungskraftmaschine, die von einer Common-Rail-Einspritzeinrichtung mit Kraftstoff versorgt wird, verbessert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Versorgungsvorrichtung mit einer Kraftstofffördereinrichtung anzugeben, deren Betriebsverhalten verbessert ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Versorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit und mit einer Verwendung einer Versorgungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 14 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Versorgungsvorrichtung mit einer Kraftstofffördereinrichtung sieht eine Vorspanneinrichtung zur hydraulischen Vorspannung des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung in Richtung des Kraftstoffabnehmers, insbesondere einer Common-Rail-Einspritzeinrichtung, vor. Durch die erfindungsgemäße Vorspanneinrichtung ist gewährleistet, dass in der dahingehenden Kraftstoffleitung ständig ein Kraftstoffdruck anliegt, der geeignet ist, einen Kraftstoffabnehmer und vorzugsweise eine Kraftstoffhochdruckquelle mit Kraftstoff auf einem geeigneten Druckniveau zu versorgen. Insbesondere Druckschwankungen des Kraftstoffdrucks in der dahingehenden Einspritzeinrichtung beim Start einer Verbrennungskraftmaschine sind dadurch sicher vermieden. Insgesamt lassen sich dadurch neben einem verbesserten Startverhalten der Verbrennungskraftmaschine Emissionen der Verbrennungskraftmaschine reduzieren.
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Vorteilhaft weist die Kraftstofffördereinrichtung mindestens eine erste Fördereinheit auf, die in einem Ladezyklus Kraftstoff auf eine Vorspannseite der Vorspanneinrichtung liefert, die in einem Entladezyklus Kraftstoff unter Vorspannung in die zuordenbare Kraftstoffleitung wieder abgibt. Durch diese konstruktive Maßnahme kann sowohl während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine als auch vor oder nach dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff auf eine Vorspannseite der Vorspanneinrichtung gefördert und auch wieder entnommen werden. Die Vorspanneinrichtung bewirkt über die hydraulische Vorspannung des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung hinaus somit eine Einspeisemöglichkeit von Kraftstoff in die dahingehende Kraftstoffleitung.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Versorgungsvorrichtung weist die Vorspanneinrichtung einen Energiespeicher dahingehend auf, dass mit vorgebbarem Druck eingespeister Kraftstoff auf diesem Druckniveau in der Einrichtung bevorratet ist.
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Zu der Versorgungsvorrichtung und insbesondere zu deren Kraftstofffördereinrichtung können zwei Fördereinheiten gehören, wobei die Vorspanneinrichtung zwischen der ersten und zweiten Fördereinheit in die Kraftstoffleitung eingebracht ist. Die erste Fördereinheit kann hierbei Kraftstoff mit niedrigerem Druck und die zweite Fördereinheit Kraftstoff mit hohem Druck dem Kraftstoffabnehmer zur Verfügung stellen. Auf diese Weise ist eingangsseitig der zweiten Fördereinheit Kraftstoff auf einem definierten Druckniveau anliegend vorhanden. Kavitation in der zweiten Fördereinheit wird durch diese konstruktive Maßnahme verhindert.
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Für das Durchführen eines Lade- und/oder Entladezyklus zwischen der Vorspanneinrichtung und der zuordenbaren Kraftstoffleitung ist eine Ansteuereinheit vorgesehen, die eine Verbindungsleitung zwischen der Vorspanneinrichtung und der Kraftstoffleitung derart ansteuert, dass zumindest die Verbindungsleitung teilweise gesperrt oder freigegeben ist. Durch die Ansteuereinheit ist somit ein Mittel geschaffen, in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebsphasen des Kraftstoffabnehmers Kraftstoff der Vorspanneinrichtung zuzuführen oder von dieser zu entnehmen.
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In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Versorgungsvorrichtung ist die Vorspanneinrichtung aus einem Hydrospeicher gebildet, vorzugsweise in Form eines Membran-, Kolben- oder Balgspeichers. Durch die Wahl der Hydrospeicher-Bauarten lassen sich grundsätzlich verschiedene Druckniveaus in der Kraftstoffförderleitung erzielen oder auch die Gesamtkosten der Versorgungsvorrichtung gestalten.
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Vorteilhaft ist der Energiespeicher aus einem kompressiblen Medium, insbesondere in Form eines Gasvorrates, vorzugsweise in Form von Stickstoff oder aus einer Arbeitsfeder gebildet. Die Ansteuereinheit kann als Ventil, insbesondere als 2/2-Wege-Schaltventil ausgebildet sein. Auch durch diese konstruktive Maßnahme lassen sich die Herstellungskosten der Versorgungsvorrichtung vorteilhaft gestalten.
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Die genannte erste und zweite Fördereinheit kann als Niederdruckpumpe bzw. Hochdruckpumpe ausgebildet sein. Um einen unerwünschten Kraftstofffluss von der Vorspanneinrichtung über die erste Fördereinheit hinweg zu verhindern, sind vorteilhaft Blockiermittel vorgesehen, insbesondere in Form eines Rückschlagventils, die eine ungewollte Rückströmung des Kraftstoffs in Richtung der ersten Fördereinheit verhindern.
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In einer Kraftstoffrücklaufleitung von dem Kraftstoffabnehmer in Richtung des Kraftstoffbehälters kann eine Abzweigleitung vorgesehen sein, die auf die Energiespeicherseite der Vorspanneinrichtung mündet.
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Zwischen der ersten Fördereinheit und dem Blockiermittel kann eine Kraftstofffiltereinrichtung vorgesehen sein, um vorgefilterten Kraftstoff der zweiten Fördereinheit zuführen zu können.
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Zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften der Verbrennungskraftmaschine wird vorteilhaft mit Beginn des Startvorganges und mit Beginn des Betriebs der ersten Fördereinheit die Vorspanneinrichtung in den Entladezyklus geschaltet. Die Vorspanneinrichtung unterstützt somit sowohl in Bezug auf die Druckbeaufschlagung von Kraftstoff in der Kraftstoffförderleitung als auch in Bezug auf die Förderung von Kraftstoff in der Kraftstoffförderleitung die erste Fördereinheit. Insbesondere wird über die Vorspanneinrichtung das Common-Rail-System unmittelbar mit Kraftstoff versorgt, auch wenn die jeweilige Fördereinheit aufgrund des Kaltstartvorganges nur eine geringe Förderleistung aufbringen kann. Insoweit dient die Vorspanneinrichtung als eine Art Überbrückung, bis die normale Hochdruckversorgung sichergestellt ist.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Versorgungsvorrichtung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele nach der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt die
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1 einen schematischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der Versorgungsvorrichtung für eine Kraftstofffördereinrichtung für einen Kraftstoffabnehmer in Form einer Common-Rail-Einspritzeinrichtung einer Dieselbrennkraftmaschine; und
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2 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele eines jeweiligen schematischen Schaltplans einer Versorgungsvorrichtung mit einer Kraftstofffördereinrichtung.
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In der 1 ist in einem schematischen Schaltplan eine als Ganzes mit 1 bezeichnete Versorgungsvorrichtung mit einer Kraftstofffördereinrichtung 3 zur Förderung von Kraftstoff für einen Kraftstoffabnehmer 5 gezeigt. Der Kraftstoffabnehmer 5 ist in den in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen der Versorgungsvorrichtung 1 als Common-Rail-Einspritzeinrichtung 7 für eine nicht näher gezeigte Dieselverbrennungskraftmaschine dargestellt. Die Versorgungsvorrichtung 1 weist einen Kraftstoffbehälter 9 auf, aus dem Kraftstoff über eine Kraftstoffleitung 11 an den Kraftstoffabnehmer 5 gefördert ist. Ferner ist zu der Versorgungsvorrichtung 1 eine Vorspanneinrichtung 13 gehörig, zur hydraulischen Vorspannung des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung 11 in Richtung des Kraftstoffabnehmers 5.
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In der Kraftstoffleitung 11 ist eine erste Fördereinheit 15 eingebracht, die in einem Ladezyklus Kraftstoff auf eine Vorspannseite 17 der Vorspanneinrichtung 13 liefert. Die Vorspanneinrichtung 13 weist ferner einen Energiespeicher 19 auf, der dazu dient, eingespeisten Kraftstoff auf der Vorspannseite 17 mit einem vorgebbaren erhöhten Druckniveau in der Vorspanneinrichtung 13 zu bevorraten. Wie die 1 bis 5 zeigen, ist zu der Kraftstofffördereinrichtung 3 mindestens eine weitere, zweite Fördereinheit 21 gehörig, wobei die Vorspanneinrichtung 13 zwischen der ersten und der zweiten Fördereinheit in die Kraftstoffleitung 11 geschaltet ist. Die erste Fördereinheit 15 stellt Kraftstoff niedrigeren Druckes und die zweite Fördereinheit 21 Kraftstoff hohen Druckes dem Kraftstoffabnehmer 5 zur Verfügung. Für das Durchführen eines Lade- und/oder Entladezyklus zwischen der Vorspanneinrichtung 13 und der Kraftstoffleitung 11 ist eine Ansteuereinheit 23 vorgesehen, die eine Verbindungsleitung 25 zwischen der Vorspanneinrichtung 13 und der Kraftstoffleitung 11 so ansteuert, dass zumindest die Verbindungsleitung 25 teilweise gesperrt oder freigegeben ist.
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Die Vorspanneinrichtung 13 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen aus einem Hydrospeicher 27 gebildet, der in Form eines Membranspeichers (vgl. 1 und 4) oder in Form eines Kolbenspeichers (vgl. 2 und 3) oder in Form eines Balgspeichers (vgl. 5) ausgebildet ist.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Ansteuereinheit 23 aus einem Ventil 33, insbesondere aus einem 2/2-Wege-Schaltventil gebildet. Die erste Fördereinheit 15 ist als Niederdruckpumpe ausgebildet und die zweite Fördereinheit 21 als Hochdruckpumpe ausgebildet. Anstelle der jeweiligen Fördereinheit, insbesondere in Form der Hochdruckpumpe könnte auch ein Druckübersetzer (nicht dargestellt) treten. Um eine Rückströmung von Kraftstoff aus der Vorspanneinrichtung 13 in Richtung auf die erste Fördereinheit 15 zu verhindern, sind Blockiermittel 35 in Form eines Rückschlagventils 37 in die Kraftstoffleitung 11 eingebracht. Wie die 2 und 5 zeigen, ist in einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Versorgungsvorrichtung eine Abzweigleitung 41 vorgesehen, die von einer Kraftstoffrücklaufleitung 39 von dem Kraftstoffabnehmer 5 kommend auf die Seite mit dem Energiespeicher 19 der Vorspanneinrichtung 13 mündet. Durch diese konstruktive Maßnahme kann der Energiespeicher 19 in seiner Wirkung auf die Vorspannseite 17 des Hydrospeichers 27 unterstützt sein.
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Zur Filterung des Kraftstoffs, welcher in Richtung auf die zweite Fördereinheit 21 mit Hilfe der ersten Fördereinheit 15 gefördert ist, ist zwischen dem Blockiermittel 35 und der ersten Fördereinheit 15 eine Kraftstofffiltereinrichtung 43 in die Kraftstoffleitung 11 eingebracht.
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Neben den verschiedenen Bauarten des Hydrospeichers 27 unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele in den 1 bis 5 insbesondere durch verschiedene Bauarten der Ansteuereinheit 23. Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Ansteuereinheit 23 als elektrisch betätigtes federzentriertes 2/2-Wege-Schaltventil gebildet, wobei allerdings einzelne Ventilelemente 45 der gezeigten Ventile 23 voneinander verschieden ausgebildet sind. Die Ausgangsstellungen der Ventilelemente 45 aller gezeigten Ventile 23 ist dahingehend eine „Geschlossen-Position”, dass die Verbindungsleitung 25 durch das Ventilelement 45 geschlossen ist, wobei hierzu in dem Ausführungsbeispiel in 3 ein Rückschlagventil 47 und in dem Ausführungsbeispiel in 4 ein Sperrblock 49 mit zwei entgegengesetzt wirkenden Rückschlagventilen verwandt wird. Durch Bestromung des betreffenden Ventils 23, was über eine nicht dargestellte Steuereinrichtung erfolgt in Abhängigkeit des durchzuführenden Lade- oder Entladezyklus mit der Vorspanneinrichtung 13, wird dessen Ventilelement 45 in allen Ausführungsbeispielen der 1 bis 5 in eine „Offen-Position” dahingehend gefahren, dass die Verbindungsleitung 25 durch Bewegen des Ventilelements 45 in Blickrichtung auf die Figuren nach rechts in eine Durchlassstellung geöffnet wird. Kraftstoff kann hierbei von der Vorspannseite 17 des betreffenden Hydrospeichers 27 in die Kraftstoffleitung 11 unter Druck des jeweils herrschenden Druckniveaus eingebracht werden, wobei die weitere Strömungsrichtung des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung 11 in Richtung der zweiten Fördereinheit 21 durch das jeweilige Blockiermittel 35 vorgegeben ist. In den in allen Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen entspricht dieser Schaltposition des Ventilelements 45 auch die Schaltposition, in der der Hydrospeicher 27 mit Kraftstoff wieder befüllt wird. Hierzu dient unter anderem der Betrieb der ersten Fördereinheit 15.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine, das Ventil 23 überbrückende Bypass-Leitung 51 in die Verbindungsleitung 25 eingebracht. In der Bypass-Leitung 51 ist wiederum ein von der Kraftstoffleitung 11 in Richtung auf den Hydrospeicher 27 überstömbares Rückschlagventil 53 angebracht. Das Rückschlagventil 53 kann unabhängig von der jeweiligen Schaltposition des Ventilelements 45 den Ladezyklus des Hydrospeichers 27 gewährleisten.
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Die gezeigte Versorgungsvorrichtung 1 kann insoweit zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften einer nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine, von der lediglich die Common-Rail-Einspritzeinrichtung 7 in Form von einer Hochdruck-Verteilerleiste 55, an der vier Kraftstoffinjektoren 57 angeschlossen sind, beitragen, indem spätestens mit Beginn des Startvorganges der Verbrennungskraftmaschine und dem Betrieb der ersten Fördereinheit 15 die Vorspanneinrichtung 13 durch die jeweilige Ansteuereinheit 23 in einen Entladezyklus geschaltet wird. Eine weitere Kraftstofffiltereinrichtung 59 ist zwischen dem Kraftstoffbehälter 9 und der ersten Fördereinheit 15 vorgesehen, um den Tankinhalt vor Zufuhr zu der dahingehenden Niederdruckpumpe 15 abzureinigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19910970 A1 [0003]
- DE 10247210 A1 [0004]
- EP 1387079 A1 [0005]
