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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems.
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Stand der Technik
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Moderne Brennkraftmaschinen weisen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs eine Start-Stopp-Automatik auf. Voraussetzung hierfür ist ein möglichst rasches und zuverlässiges Starten der Brennkraftmaschine nach einer Stoppphase. Um dieses Ziel zu erreichen, kann ein Hochdruckspeicher des Kraftstoffeinspritzsystems als Druckspeicher ausgeführt werden, in welchem während der Stoppphase ein Mindestdruck vorgehalten wird, der nach Beendigung der Stoppphase einen schnellen Wiederstart ermöglicht. Alternativ oder ergänzend kann ein schneller Raildruckaufbau angestrebt werden, indem das Verhältnis Pumpenfördervolumen zu Hochdruckvolumen und Leckagevolumen möglichst groß gewählt wird. Dieses Verhältnis kann aus wirtschaftlichen und motorischen Gründen jedoch nicht beliebig groß ausgelegt werden, so dass in Abhängigkeit von der konkreten Ausbildung des Kraftstoffeinspritzsystems eine Mindestdrehung der Antriebswelle bzw. eine Mindestzeit zum Erreichen der Raildruckfreigabe benötigt wird.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Start-Stopp-Automatik geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 028 739 A1 hervor. Das hierin beschriebene Kraftstoffeinspritzsystem weist zumindest eine Pumpe auf, die Kraftstoff aus zumindest einem Kraftstoffbehälter ansaugt und über zumindest eine Pumpenleitung in Richtung zu zumindest einer Common Rail fördert. Ferner ist zumindest eine Injektorleitung vorgesehen, welche den geförderten Kraftstoff zu zumindest einem Injektor weiterleitet. Um im Start-Stopp-Betrieb nach dem Stoppen des Motors einen schnellen Wiederstart zu ermöglichen, wird zumindest eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, welche eine Trennung der Common Rail von der zumindest einen Pumpenleitung und/oder Injektorleitung während der Stoppphase ermöglicht. Die Trennung soll einen leckagebedingten Druckabfall im Common Rail verhindern. Hierzu ist die Steuereinrichtung vorzugsweise als Schalt-, Druck- oder Rückschlagventil ausgebildet oder umfasst ein solches. Die Anordnung der Steuereinrichtung erfolgt im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems, was bei Einsatz einer einzigen Steuereinrichtung eine zumindest teilweise Zusammenlegung der Pumpen- und der Injektorleitung bzw. -leitungen erfordert.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzsystem anzugeben, das mit einem verringerten konstruktiven Aufwand einen schnellen Wiederstart nach einer Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben. Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7 angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzsystem handelt es sich insbesondere um ein Common-Rail-Einspritzsystem. Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff auf Hochdruck, einen in Verbindung mit der Hochdruckpumpe stehenden Hochdruckspeicher, an den wenigstens ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist, sowie eine Rücklaufleitung zur Rückführung einer Steuer- und/oder Leckagemenge des Kraftstoffinjektors in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems. Erfindungsgemäß ist zur Unterbindung der Leckage des Kraftstoffinjektors ein elektrisch betätigbares Ventil in der Rücklaufleitung des Kraftstoffeinspritzsystems angeordnet. In Schließstellung ermöglicht das in der Rücklaufleitung und damit im Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems angeordnete elektrisch betätigbare Ventil eine indirekte Abdichtung eines Hochdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems gegenüber dem Niederdruckbereich. Als Hochdruckbereich wird dabei der Bereich verstanden, der sich vom Hochdruckauslass eines Pumpenelementes bis zum Kraftstoffinjektor erstreckt. Die indirekte Abdichtung ergibt sich durch einen leckagebedingten Druckaufbau auf der Injektorseite des Ventils, welcher dazu führt, dass die Leckage des Kraftstoffinjektors ab einem bestimmten Druck reduziert bzw. vollständig unterbunden wird. Durch Unterbindung der Leckage des Kraftstoffinjektors kann in der Folge ein allzu starker Druckabfall im Hochdruckspeicher verhindert werden, so dass der Raildruck beispielsweise nicht unter einen vorgebbaren Mindestdruck fällt. Dieser Mindestdruck im Hochdruckspeicher gewährleistet ein schnelles Wiederstarten der Brennkraftmaschine beispielsweise nach einer Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb.
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Durch die Anordnung des Ventils im Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems kann das Ventil für vergleichsweise niedrige Drücke ausgelegt werden. Es kann demnach ein einfach aufgebautes und somit kostengünstiges elektrisch betätigbares Ventil eingesetzt werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das elektrisch betätigbare Ventil im Normalbetrieb des Kraftstoffeinspritzsystems geöffnet und während der Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb geschlossen ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Ventil im Normalbetrieb keinen Einfluss auf die Rückführung der Steuer- und/oder Leckagemenge des Kraftstoffinjektors nimmt und die aufgrund einer Verringerung des Leckagevolumens bewirkte Druckhaltefunktion nur während einer Stoppphase erzielt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner ein Druckregelventil vorgesehen, über welches der Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems mit dem Niederdruckbereich verbindbar ist. Das Druckregelventil ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des Kraftstoffs vor dem Hochdruckspeicher angeordnet und dient der Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Raildrucks. Zur Verbindung des Hochdruckbereichs mit dem Niederdruckbereich schließt an das Druckregelventil eine Rücklaufleitung an. Das Druckregelventil ermöglicht auf diese Weise einen Druckausgleich zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereich. In Schließstellung des Druckregelventils wird ein Druckausgleich wirksam unterbunden und somit eine Druckhaltefunktion realisiert.
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Während eines Stillstands der Brennkraftmaschine kann der Hochdruck jedoch nur gehalten werden, wenn es keine weiteren Leckagestellen gibt. Bei leckagebehafteten Injektoren sind daher sowohl das Druckregelventil als auch das elektrisch betätigbare Ventil in der Rücklaufleitung bevorzugt geschlossenen. Zur Unterstützung der Druckhaltefunktion des in der Rücklaufleitung des Kraftstoffeinspritzsystems angeordneten elektrisch betätigbaren Ventils wird daher ferner vorgeschlagen, dass das Druckregelventil während der Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb geschlossen ist. Auf diese Weise kann ein schneller Wiederstart der Brennkraftmaschine nach einer Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb gewährleistet werden.
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Weiterhin bevorzugt ist das elektrisch betätigbare Ventil an eine Steuereinheit des Kraftstoffeinspritzsystems angeschlossen. Über die Steuereinheit kann eine funktionsgerechte Ansteuerung des Ventils erfolgen, welche auf den Betriebszustand der Brennkraftmaschine abgestimmt ist. Die Steuereinheit kann Bestandteil des Kraftstoffeinspritzsystems oder eine externe Steuereinheit sein. Vorzugsweise ist auch das Druckregelventil – sofern vorgesehen – und die Steuereinheit angeschlossen.
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Vorteilhafterweise ist bzw. sind die Rücklaufleitung und/oder der Anschluss der Rücklaufleitung an den Kraftstoffinjektor für Drücke von mehr als 20bar, vorzugsweise von mehr als 30bar, weiterhin vorzugsweise von mehr als 35bar ausgelegt. Denn der in Schließstellung des elektrisch betätigbaren Ventils bewirkte Druckaufbau führt zu einer höheren Belastung des Teils der Rücklaufleitung, welcher das Ventil mit dem Kraftstoffinjektor verbindet. Herkömmliche Rücklaufleitungen sind für derartige Belastungen nicht ausgelegt. Bei Einsatz eines mittels eines Piezoaktors betriebenen Kraftstoffinjektors ist die Rücklaufleitung beispielsweise in der Regel auf einen operativen Druck von 10bar ausgelegt. Bei Magnetinjektoren, das heißt bei Kraftstoffinjektoren, die mittels eines Magnetaktors betätigt werden, ist der operative Druck noch geringer. Daher ist eine konstruktive Anpassung der Rücklaufleitung erforderlich, welche jedoch mit vergleichsweise einfachen Mitteln zu bewerkstelligen ist. Bei der konstruktiven Anpassung der Rücklaufleitung bzw. des Anschlusses der Rücklaufleitung an den Kraftstoffinjektor ist darauf zu achten, dass das Öffnungs- und Schließverhalten des Injektors nicht negativ beeinflusst wird.
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Um ein möglichst normales Öffnungs- und Schließverhalten des Kraftstoffinjektors zu gewährleisten, ist es beim Wiederstart der Brennkraftmaschine erforderlich, dass der während der Stoppphase in der Rücklaufleitung – nicht im Hochdruckbereich – gehaltene Druck möglichst schnell wieder abgebaut wird. Dies wird durch sofortiges Öffnen des elektrisch betätigbaren Ventils mit Beendigung der Stoppphase bewirkt.
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Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass im Start-Stopp-Betrieb das in der Rücklaufleitung angeordnete elektrisch betätigbare Ventil zu Beginn der Stoppphase geschlossen und mit Beendigung der Stoppphase wieder geöffnet wird. Auf diese Weise kann ein schneller Wiederstart realisiert werden. Denn in Schließstellung bewirkt das Ventil einen leckagebedingten Druckaufbau in der auf der Injektorseite des Ventils angeschlossenen Rücklaufleitung, welcher dazu führt, dass die Leckage des Kraftstoffinjektors ab einem bestimmten Druck reduziert bzw. vollständig unterbunden wird. Durch Unterbindung der Leckage des Kraftstoffinjektors kann in der Folge ein allzu starker Druckabfall im Hochdruckspeicher verhindert werden, so dass der Raildruck beispielsweise nicht unter einen vorgebbaren Mindestdruck fällt. Dieser Mindestdruck im Hochdruckspeicher gewährleistet ein schnelles Wiederstarten der Brennkraftmaschine beispielsweise nach einer Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb.
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Die Druckhaltefunktion des elektrisch betätigbaren Ventils kann durch einen vorgebbaren Haltedruck bestimmt werden. Der Haltedruck lässt sich wie folgt berechnen:
wobei Folgendes gilt:
φDiff = φFreigabe – φZünd und wobei
- φFreigabe
- der Kurbelwellenwinkel ist, der zur Erreichung des Freigabedrucks benötigt wird und
- φZünd
- der Kurbelwellenwinkel zum Zeitpunkt der Zündung ist.
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Vorteilhafterweise wird im Start-Stopp-Betrieb zudem ein im Hochdruckbereich angeordnetes Druckregelventil während der Stoppphase geschlossen gehalten. In Schließstellung des Druckregelventils wird ein Druckausgleich zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich verhindert, so dass diese Maßnahme zur Aufrechterhaltung eines Mindestdrucks im Hochdruckspeicher und damit zur Realisierung eines schnellen Wiederstarts der Brennkraftmaschine unterstützend wirkt.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem sowie das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand der einzigen beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems in einer schematischen Darstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Das dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe 1, welche aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 9 Kraftstoff ansaugt, diesen in einem Pumpenarbeitsraum eines Pumpenelementes mit Hochdruck beaufschlagt und über einen Hochdruckauslass einem Hochdruckspeiche 2 zuführt. An den Hochdruckspeicher 2 ist wenigstens ein Kraftstoffinjektor 3 angeschlossen, mittels dessen der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff in den Brennraum (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine einspritzbar ist. Zur Rückführung einer Steuer- und/oder Leckagemenge in den Kraftstoffvorratsbehälter 9 ist der Kraftstoffinjektor 3 an eine Rücklaufleitung 4 angeschlossen. Aufgrund des in der Rücklaufleitung 4 anliegenden Drucks, der deutlich unter dem Druck im Hochdruckspeicher 2 liegt, bildet die Rücklaufleitung 4 gemeinsam mit einer Zulaufleitung 10, welche den Kraftstoffvorratsbehälter 9 mit der Hochdruckpumpe 1 verbindet, einen Niederdruckbereich 5 aus. Der Hochdruckbereich wird von einer ersten Hochdruckleitung 11, welche die Hochdruckpumpe 1 mit dem Hochdruckspeicher 2 verbindet, dem Hochdruckspeicher 2 sowie einer weiteren Hochdruckleitung 11 gebildet, über welche der Kraftstoffinjektor 3 an den Hochdruckspeicher 2 angeschlossen ist.
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In der Rücklaufleitung 4 des dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems ist zur Realisierung eines schnellen Wiederstarts nach einer Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine ein elektrisch betätigbares Ventil 6 vorgesehen, dass während der Stoppphase geschlossen wird. In Schließstellung bewirkt das Ventil 6 einen leckagebedingten Druckaufbau auf der Injektorseite des Ventils 6 bzw. in dem entsprechenden Teil der Rücklaufleitung 4, über welche das Ventil 6 mit dem Kraftstoffinjektor 3 verbunden ist. Aufgrund des Druckaufbaus in der Rücklaufleitung 4 wird das Leckagevolumen des Kraftstoffinjektors 3 auf ein Minimum reduziert bzw. vollständig unterbunden, so dass auch der Druck im Hochdruckspeicher 2 nicht weiter abfällt. Das elektrisch betätigbare Ventil 6 in der Rücklaufleitung 4 bewirkt demnach eine Aufrechterhaltung eines vorgebbaren Mindestdrucks im Hochdruckspeicher 2 des Kraftstoffeinspritzsystems, der erforderlich ist, um einen schnellen Wiederstart zu gewährleisten.
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Beträgt der Mindestdruck bzw. Freigabedruck beispielsweise 100bar und der Kurbelwellenwinkel im Zeitpunkt der Zündung 180° und mit Erreichen des Freigabedrucks 280° lässt sich der über das elektrisch betätigbare Ventil 6 zu erreichende Haltedruck wie folgt berechnen: PHaltedruck = (280 – 180)°KW / (280°KW)·100bar = 35,7bar
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Bei der Berechnung des Haltedrucks sollte der Kurbelwellenwinkel im Zündungszeitpunkt den Mindest-Zündwinkel darstellen, der im späteren Betrieb der Brennkraftmaschine vorkommt. Damit ist sichergestellt, dass bei sämtlichen Starts ausreichend Druck im System vorhanden ist.
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Bei einem Haltedruck von beispielsweise 35,7bar in der Rücklaufleitung 4 ist diese für entsprechende Drücke auszulegen. Gleiches gilt in Bezug auf den Anschluss der Rücklaufleitung 4 an den Kraftstoffinjektor 3.
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Das in der Figur dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem weist zur Aufrechterhaltung eines Mindestdrucks im Hochdruckspeicher 2 ferner ein am Hochdruckspeicher 2 angeordnetes Druckregelventil 7 auf. Das Druckregelventil ist über eine hydraulische Verbindung mit dem Vorratsbehälter 9 verbunden. Alternativ kann eine hydraulische Verbindung zwischen dem Druckregelventil 9 und dem Niederdruckbereich 5 bestehen. Dieses ist während der Stoppphase im Start-Stopp-Betrieb ebenfalls geschlossen, so dass kein Druckausgleich zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich 5 erfolgen kann. Zur Überwachung des Drucks im Hochdruckspeicher 2 ist ferner ein Drucksensor 12 am Hochdruckspeicher 2 angeordnet.
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Gemäß dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems ist das elektrisch betätigbare Ventil 6 an eine Steuereinheit 8 angeschlossen. Das Steuergerät 8 ermöglicht eine auf den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. auf das jeweilige Fahrerverhalten abgestimmte Betätigung des Ventils 6. Die Steuereinheit 8 ist hierzu ferner mit einem Fahrpedal 13 verbunden, so dass über die Betätigung des Fahrpedals 13 ein bestimmtes Steuersignal bewirkbar ist. An die Steuereinheit 8 angeschlossen sind ferner das Druckregelventil 7, der Drucksensor 12 sowie ein Schaltventil (nicht dargestellt) des Kraftstoffinjektors. Insofern kann das Verhalten sämtlicher Komponenten aufeinander abgestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028739 A1 [0003]
