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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein eine Brennkraftmaschine oder dergleichen versorgendes Kraftstoffsystem, bestehend aus einem Niederdruck-Kraftstoffsystem, in welchem eine insbesondere elektrisch betriebene sog. Vorförderpumpe den Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter zu einer Hochdruckpumpe, genauer zu deren Eingangsseite, fördert, welche (Hochdruckdruckpumpe) Bestandteil eines Hochdruck-Kraftstoffsystems ist, in welchem zumindest ein Kraftstoff-Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine oder dgl. von der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird, wobei die Hochdruckpumpe oder ein weiteres Element zumindest eines der Kraftstoffsysteme (Hochdruck-System oder Niederdruck-System) über einen Durchsatz von Kraftstoff im Niederdrucksystem gekühlt werden kann, indem zumindest eine Teilmenge von durch die Vorförderpumpe geförderten Kraftstoff unter entsprechender (bzw. geeigneter) Wärmeübertragung über eine ein druckabhängig öffnendes oder sperrendes Druckbegrenzungsventil oder Druckregelventil aufweisende Rücklaufleitung in den Vorratsbehälter zurückgeführt und somit auch oder ausschließlich zu Kühlzwecken umgewälzt wird, nach dem Oberbergriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7, welches im wesentlichen die für die Durchführung einer im abhängigen Patentanspruch 6 beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen gegenständlichen Merkmale enthält. Zum Stand der Technik wird auf die
DE 10 2010 001 834 A1 verwiesen.
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In Kraftstoffversorgungssystemen von Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung werden zum Aufbau eines hohen Einspritzdrucks („Hochdruck”) des Kraftstoffs sog. Kraftstoff-Hochdruckpumpen eingesetzt. Zur Versorgung einer oder mehrerer Kraftstoffhochdruckpumpen mit dem benötigten Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Tank („Vorratsbehälter”) werden in solchen Systemen häufig elektrische Kraftstoffpumpen als sog. Vorförderpumpen eingesetzt. Eine solche Vorförderpumpe versorgt die Hochdruckpumpe mit dem benötigten Kraftstoffvolumenstrom unter einem bestimmten Kraftstoffversorgungsdruck.
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Um eine sichere Versorgung der Brennkraftmaschine mit dem benötigten Kraftstoff unter dem gefordertem Hochdruck sicherzustellen, ist es zumeist erforderlich, dass der Druckaufbau in der Hochdruckpumpe mit flüssigem Kraftstoff stattfindet, da eine Verdichtung von dampfförmigem Kraftstoffstoff häufig nicht zu dem gewünschten bzw. erforderlichen Druckaufbau führt. Damit der Hochdruckaufbau mit flüssigem Kraftstoff erfolgen kann, darf mit gängigen Vorförderpumpen, die beispielsweise einen Vorförderdruck von bis ca. 7 bar absolut bereitzustellen in der Lage sind, die Temperatur des Kraftstoffs eine bestimmte Grenztemperatur nicht überschreiten, da es andernfalls gemäß dem Siede- bzw. Dampfdruckverhalten des Kraftstoffs zu einer Bildung von Dampfblasen kommt und der Kraftstoff dann ganz oder teilweise dampfförmig vor oder in der Hochdruckpumpe vorliegen könnte.
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Üblicherweise sind die Temperaturen des Kraftstoffs im Tank bzw. Vorratsbehälter niedriger als die Kraftstofftemperaturen unmittelbar vor oder in der Hochdruckpumpe, welche üblicherweise im Motorraum eines Fahrzeugs bzw. unmittelbar an der Brennkraftmaschine verbaut bzw. angebracht ist. Eine Erhöhung der Kraftstofftemperaturen im Umfeld der Hochdruckpumpe erfolgt häufig durch andere warme bzw. heiße Bauteile der Brennkraftmaschine oder eines diese als Antriebsaggregat aufweisenden Fahrzeugs, durch warme bzw. heiße Medien, beispielsweise durch Schmiermittel oder Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine oder durch die warme bzw. heiße Luft in der Umgebung der kraftstoffführenden Bauteile.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen kommen häufig Kraftstoffversorgungssysteme ohne Rücklaufleitung in den Tank zum Einsatz. Am Eingang der Hochdruckpumpe liegt dann Kraftstoff mit einem bestimmten Kraftstoffversorgungsdruck an. Die Hochdruckpumpe entnimmt aus dem die Vorförderpumpe enthaltenden Niederdruck-Kraftstoffsystem den benötigten Kraftstoffmassenstrom und verdichtet ihn auf ein höheres Druckniveau, meist Hochdruck. Damit der Druck im Niederdruck-Leitungssystem nicht einbricht, fördert die Vorförderpumpe ständig einen Kraftstoffvolumenstrom, der entweder an den Eingangsbereich der Hochdruckpumpe angelegt wird und dort für den Aufbau bzw. Erhalt des Vorförderdruckes sorgt, oder für den Antrieb von Saugstrahlpumpen (bspw. zur Förderung von Kraftstoff aus einem Raum des Tanks in einen anderen Tank-Raum) verwendet wird oder über ein Druckbegrenzungsventil bzw. ein Druckregelventil zurück in den Tank abströmt. Einen Kraftstoffvolumenstrom von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe und dann wieder zurück in das Niederdruck-System oder in den Tank gibt es zumeist nicht, jedoch kann ein solcher zu Zwecken der Schmierung und/oder Kühlung der Hochdruckpumpe durchaus vorgesehen sein, wie die eingangs genannte
DE 10 2010 001 834 A1 lehrt.
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Aufgrund der Begrenzung der Höhe des Vorförderdrucks des Kraftstoffs im Niederdruck-Kraftstoffsystem ergeben sich für übliche Kraftstoffe maximal zulässige Kraftstofftemperaturen im System, damit es dort nicht zu einer Dampfblasenbildung bzw. zu einer Dampfbildung in größeren Bereichen des Niederdruck-Kraftstoffsystems kommt. Diese maximal zulässigen Kraftstofftemperaturen begrenzen aufgrund der oben genannten Wärmeübertragung von Bauteilen bzw. Medien der Brennkraftmaschine oder von der Umgebungsluft auf den Kraftstoff auch die maximal zulässigen Temperaturen der Bauteile bzw. Medien der Brennkraftmaschine oder der Umgebungsluft. Höhere Bauteil- oder Medientemperaturen führen jedoch häufig aufgrund einer dann verringerten Reibung, beispielsweise im Schmieröl der Brennkraftmaschine, oder einer verbesserten Verbrennung in dieser zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine. Durch eine Begrenzung dieser Temperaturen ergeben sich damit kleinere umsetzbare Potentiale hinsichtlich einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs.
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Sind höhere Kraftstofftemperaturen im Niederdruck-Kraftstoffsystem von Brennkraftmaschinen wahrscheinlich, beispielsweise weil höhere Schmiermitteltemperaturen oder ähnliches vorgesehen sind, so muss im Niederdruck-Kraftstoffsystem ein entsprechend höherer Kraftstoff-Vorförderdruck vorliegen, damit es gemäß dem Siede- bzw. Dampfdruckverhalten des verwendeten Kraftstoffs nicht zu einer Dampfblasenbildung oder zu einer Dampfbildung in größeren Bereichen des Niederdruck-Kraftstoffsystems kommt. Ein höherer Vorförderdruck bedingt aber eine höhere (bspw. elektrische) Leistungsaufnahme der (bspw. elektrischen) Vorförderpumpe.
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Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie der soeben genannte Nachteil des erhöhten Leistungsbedarfs der Vorförderpumpe minimiert bzw. zumindest reduziert werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Betriebsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil oder Druckregelventil bedarfsabhängig geöffnet oder geschlossen und als Folge hiervon in Abhängigkeit vom Kühl-Bedarf eine oder keine Menge von Kraftstoff über die Rücklaufleitung in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird, indem der im Niederdruck-Kraftstoffsystem herrschende Kraftstoffdruck durch geeignete Ansteuerung der Vorförderpumpe der Öffnungs- und Schließcharakteristik des Druckbegrenzungsventils oder Druckregelventils entsprechend eingestellt wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Vorliegend wird vorgeschlagen, zumindest eine Komponente des Niederdruck-Kraftstoffsystems oder des Hochdruck-Kraftstoffsystems und dabei insbesondere die Kraftstoffhochdruckpumpe bedarfsabhängig mit Hilfe eines Kraftstoffvolumenstroms zu kühlen, indem unter wärmeübertragender Verbindung durch eine solche Komponente oder an einer solchen Komponente vorbei nur bei Bedarf eine Menge von Kraftstoff im Niederdruck-System umgewälzt und dabei nach dem wärmeübertragendem Kontakt mit der besagten Komponente in den Kraftstoff-Tank bzw. Vorratsbehälter zurückgeführt wird. Ob eine solche Umwälzung bzw. Zurückleitung in den Vorratsbehälter erfolgt, wird dabei durch den Schaltzustand des genannten Druckbegrenzungsventils oder Druckregelventils, das in einer Rücklaufleitung in den Tank vorgesehen ist, bestimmt und dessen Schaltzustand wiederrum wird durch die Höhe, d. h. den Betrag des Vorförderdrucks im Niederdruck-Kraftstoffsystem bestimmt, wobei dieser Zusammenhang im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 durch den Begriff „Öffnungs- und Schließcharakteristik” beschrieben ist. Der betrag bzw. die Höhe des Vorförderdrucks wird nun erfindungsgemäß durch entsprechende Ansteuerung der Vorförderpumpe gezielt eingestellt.
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Um die Kühlung durch den Kraftstoffvolumenstrom bedarfsabhängig einstellen zu können, ist also im Strömungspfad der Rücklaufleitung ein Druckbegrenzungsventil oder ein Druckregelventil eingebaut, durch welches der Kraftstoffvolumenstrom bei aktivierter Kühlung durch die Rücklaufleitung strömen muss, wobei ein solches Druckregelventil bzw. Druckbegrenzungsventil aus Sicherheitsgründen ohnehin bereits vorhanden ist. Vorliegend ergibt sich ein Kraftstoffvolumenstrom durch die Rücklaufleitung jedoch erst dann, wenn der Druck im Niederdruck-Kraftstoffsystem den Öffnungsdruck des verwendeten Druckbegrenzungs- oder Druckregelventils zumindest erreicht oder überschritten hat. Sieht man nun ein druckvariables Niederdruck-Kraftstoffsystem vor, in welchem durch geeignete Ansteuerung der Vorförderpumpe der Kraftstoffdruck gezielt einstellbar ist, so kann man beispielsweise den Öffnungsdruck des besagten Druckbegrenzungsventils oder Druckregelventils an bzw. in der besagten Rücklaufleitung beispielsweise auf den Bereich des maximalen Vorförderdrucks im Niederdruck-Kraftstoffsystems festlegen. Wird dann im druckvariablen Niederdruck-Kraftstoffsystem ein Kraftstoffdruck eingestellt, der unterhalb dieses Öffnungsdrucks des Druckbegrenzungsventils oder Druckregelventils liegt, so wird die Rücklaufleitung nicht mit Kraftstoff durchströmt und es erfolgt somit keine gezielte Kühlung eines Elements (bzw. einer Komponente) des Kraftstoffsystems. Liegt hingegen ein Kühlbedarf für eine solche Komponente bzw. ein solches Element des Kraftstoffsystems vor, so wird die Vorförderpumpe im druckvariablen Niederdruck-Kraftstoffsystem solchermaßen angesteuert, dass im Niederdruck-Kraftstoffsystem ein Kraftstoffdruck gleich oder größer dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils oder Druckregelventils herrscht, wonach über die Rücklaufleitung Kraftstoff zurück in den Vorratsbehälter strömt. Da dieser zuvor aus dem Vorratsbehälter abgesaugte Kraftstoff wie bereits erläutert üblicherweise kühler ist als Komponenten oder Elemente des Hochdruck-Kraftstoffsystems, so beispielsweise als die Hochdruckpumpe, sind, kann diese bzw. können diese Elemente oder Komponenten dann durch diesen Kraftstoff gekühlt werden, der zumindest anteilig umgewälzt und dabei nach Wärmeaufnahme am zu kühlenden Element (bzw. an der zu kühlenden Komponente) über die dann offene Rücklaufleitung in den Vorratsbehälter zurück geführt wird.
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Es kann die entsprechende Ansteuerung der Vorförderpumpe in Abhängigkeit von zumindest einer aktuell gemessenen relevanten Temperatur durchgeführt werden und somit temperaturabhängig geregelt erfolgen, und zwar vorzugsweise mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Steuereinheit. Ein Kühlungsbedarf für Komponenten des Niederdruck-Kraftstoffsystems und bzw. oder für die Kraftstoffhochdruckpumpe kann beispielsweise über einen oder mehrere Temperatursensoren an den betreffenden, ggf. zu kühlenden Stellen ermittelt werden, bspw. kann die Temperatur des der Hochdruckpumpe zugeführten Kraftstoffs kontinuierlich gemessen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die entsprechende Ansteuerung der Vorförderpumpe jedoch auch in direkter oder indirekter Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine gesteuert erfolgen. Somit kann bei grundsätzlich bekannten und bezüglich der Kraftstofftemperaturen kritischen Betriebszuständen de Brennkraftmaschine (bspw. vor deren Start oder nach deren Abstellen oder bei einem beispielweise längeren Leerlaufbetrieb) pauschal eine Kühlung über eine erfindungsgemäße Durchströmung der Rücklaufleitung durchgeführt werden. Eine vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors abhängige Kühlung über umgewälzten Kraftstoff ist insbesondere deshalb möglich, weil in vielen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine der durch deren eigentlichen Kraftstoffvolumenstrombedarf durchgesetzte Kraftstoffvolumenstrom zur Kühlung der Komponenten des Kraftstoffsystems, d. h. des Niederdruck-Kraftstoffsystems und/oder der Kraftstoffhochdruckpumpe ohnehin ausreicht. Nur in Betriebszuständen mit geringem oder keinem Kraftstoffvolumenstrombedarf der Brennkraftmaschine, bspw. Heiß-Start, Nachheizen, Leerlauf, ist die Kühlwirkung des dann durchgesetzten Kraftstoffvolumenstroms ohne Rückführung einer Kraftstoff-Teilmenge über die Rücklaufleitung nicht mehr in jedem Fall ausreichend, so dass auf die zusätzliche Kühlwirkung des Kraftstoffvolumenstroms, der durch die Rücklaufleitung zurück in den Tank wird, zurückgegriffen werden muss. Die zusätzliche Kühlung der Komponenten des Niederdruck-Kraftstoffsystems und/oder der Kraftstoffhochdruckpumpe erfolgt also hierbei nur bedarfsabhängig.
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Es kann im Rahmen der genannten indirekten Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine über ein Kraftstofftemperatur-Modell oder dergleichen eine relevante Temperatur, insbesondere des sich in einem hinsichtlich der Temperatur kritischen Bereich befindenden Kraftstoffs ermittelt werden und daraufhin in Abhängigkeit von deren Größe eine Kühlung eingeleitet oder unterbunden werden. Ferner kann die Menge von zu Kühlzwecken umgewälztem und durch die Rücklaufleitung zurückgeführtem Kraftstoff durch eine geeignete Ansteuerung der Vorförderpumpe, d. h. durch entsprechende Einstellung des sich durch deren Förderleistung im Niederdruck-Kraftstoffsystem bei geöffnetem Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil einstellenden Kraftstoffdrucks gezielt eingestellt werden.
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Es kann quasi unabhängig vom soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren aus einem anderen Grund erforderlich sein, den Kraftstoffdruck im Niederdruck-Kraftstoffsystem auf einen Wert einzustellen, der betragsmäßig oberhalb des Öffnungsdrucks des genannten Druckbegrenzungsventils oder Druckregelventils liegt. Wenn in einem solchen Betriebszustand dennoch keine Kühlung einer Komponente des Kraftstoffsystems erfolgen soll, weil eine solche nicht erforderlich ist, so dass eine Rückführung von Kraftstoff in den Vorratsbehälter über die Rücklaufleitung vermieden werden sollte, da eine solche Rückführung eine Verlustleistung darstellt, so kann eine solche unerwünschte Rückführung mittels eines in der Rücklaufleitung vorgesehenen und quasi mit dem Druckbegrenzungsventil oder Druckregelventil in Reihe geschalteten Sperrventils, welches vorzugsweise durch Ansteuerung von der bzw. einer bereits genannten elektronischen Steuereinheit geeignet angesteuert, konkret in seine Schließposition gebracht wird, verhindert werden. Dies gibt der Verfahrensanspruch 6 wieder; ein entsprechendes Kraftstoffsystem mit einem solchen Sperrventil ist im Vorrichtungsanspruch 7 definiert.
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Die beigefügte Prinzipskizze zeigt ein Kraftstoffsystem, an welchem das erfindungsgemäße Betriebsverfahren durchführbar ist, wobei ein mit der Bezugsziffer 8 gekennzeichnetes Sperrventil punktiert dargestellt ist, da dieses lediglich optional vorhanden sein kann.
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Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Kraftstoff-Vorratsbehälter, auch nur Vorratsbehälter oder Tank genannt, gekennzeichnet, aus dem eine elektrisch betriebene Vorförderpumpe 2 Kraftstoff in ein Niederdruck-Kraftstoffsystem 3 fördert, welches vorliegend auf das Wesentlichste beschränkt dargestellt ist. So wird aus diesem Niederdruck-System 3 eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 versorgt, welche den durch die Vorförderpumpe 2 mit relativ geringem Druck herangeförderten Kraftstoff derart hoch verdichtet, dass dieser über nicht gezeigte Kraftstoff-Injektoren, die über eine sich an den Ausgang der Hochdruckpumpe 4 anschließende und zu einer nicht gezeigten Verteilerleiste mit vorgelagertem Hochdruckspeicher führende Hochdruckleitung 9 mit hoch verdichteten Kraftstoff versorgt werden, direkt in die Brennräume einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
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Die vorliegend dargestellte Hochdruckpumpe 4 ist mit einem Druckdämpfer 5 versehen, von welchem eine Kraftstoff-Rücklaufleitung 6 abzweigt, die zurück in den Vorratsbehälter 1 führt und ebenfalls Bestandteil des Niederdruck-Systems 3 ist. In dieser Rücklaufleitung 6 sei zunächst (für diesen und den darauf folgenden Absatz) nur ein mechanisch arbeitendes Druckbegrenzungsventil 7, nicht jedoch das punktiert dargestellte Sperrventil 8 vorgesehen. Das Druckbegrenzungsventil 7 ist dann, wenn der Kraftstoffdruck in der Rücklaufleitung 6 im Bereich zwischen dem Druckdämpfer 5 und dem Druckbegrenzungsventil 7 unterhalb von dessen Öffnungsdruck, der beispielsweise in der Größenordnung von 5,8 bar (relativ) liegen kann, liegt, geschlossen. In diesem geschlossenen Zustand gelangt somit kein Kraftstoff vom Eingangsbereich der Hochdruckpumpe 4 zurück in den Vorratsbehälter/Tank 1.
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Wird die Vorförderpumpe 2 von einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit solchermaßen angesteuert, dass sich durch ein höheres Fördervolumen im soeben genannten Bereich der Rücklaufleitung 6 stromauf des Druckbegrenzungsventils 7 ein betragsmäßig oberhalb des Öffnungsdrucks dieses Druckbegrenzungsventils 7 liegendes (und somit größeres) Druckniveau einstellt, so öffnet dieses Druckbegrenzungsventil 7 und es strömt zumindest ein Teil der von der Vorförderpumpe 2 geförderten Kraftstoffmenge durch die Rücklaufleitung 6 zurück in den Tank. Durch das auf diese Weise sozusagen umgewälzte Kraftstoffvolumen wird vorliegend zumindest die Hochdruckpumpe 4, durch deren Gehäuse der von der Vorförderpumpe 2 heran geförderte Kraftstoffstrom zumindest anteilig zum besagten Druckdämpfer 5 hindurch (und von diesem aus in die Rücklaufleitung) strömt, gekühlt. Damit ist die Gefahr einer Überhitzung derjenigen Kraftstoffmenge, die in der Hochdruckpumpe 4 weiter verdichtet wird, erheblich reduziert.
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Optional kann in der Rücklaufleitung 6 vorliegend stromauf des Druckbegrenzungsventils 7 noch ein von der genannten elektronischen Steuereinheit gezielt ansteuerbares Sperrventil 8 vorhanden sein, mit Hilfe dessen gemäß den Erläuterungen vor der Figurenbeschreibung eine Rückführung von Kraftstoff durch die Rücklaufleitung verhindert werden kann, falls keine Kühlung der Hochdruckpumpe 4 oder eines anderen Elements erforderlich ist, aber dennoch im Niederdruck-Kraftstoffsystem 3 ein Druck eingestellt werden muss, der oberhalb des Öffnungsdrucks des Druckbegrenzungsventils 7 liegt.
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Mit der vorgeschlagenen bedarfsabhängigen Kühlung von Komponenten des Niederdruck-Kraftstoffsystems 3 und/oder der Kraftstoffhochdruckpumpe 4 mit Hilfe eines druckvariablen Niederdruck-Kraftstoffsystems 3 ist eine effiziente Kühlung der entsprechenden Komponenten im Bedarfsfall bei gesamthaft geringem (elektrischem) Leistungsbedarf der Vorförderpumpe 2 gewährleistet. Die bedarfsabhängige Kühlung von Komponenten des Niederdruck-Kraftstoffsystems 3 und/oder der Kraftstoffhochdruckpumpe 4 ermöglicht es, auf zukünftige Anforderungen an das Kraftstoffsystem, z. B. in Form eines weiter optimierten Wärmemanagements (höhere Kühlmittel- und/oder höhere Öltemperaturen), eines höheren Ethanolgehalts der Kraftstoffe oder von Maßnahmen zum Wärmeerhalt in der Brennkraftmaschine zu reagieren bzw. diese erst möglich zu machen, und zwar bei gleicher oder verbesserter Funktionssicherheit des Kraftstoffsystems, beispielsweise im Heißstart. Vorteilhafterweise ist dabei eine Verwendung bestehender Komponenten möglich und es wird durch die bedarfsgerechte Kühlung mit Hilfe der Rücklaufleitung 6 gegenüber einem ständig betriebenen Rücklauf ein stärkeres bzw. übermäßiges Aufheizen des Kraftstoffs im Vorratsbehälter 1 vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001834 A1 [0001, 0005]
