DE102012212062A1

DE102012212062A1 - Niederdruckkreislauf für ein Kraftstoffeinspritzsystem, Kraftstoffeinspritzsystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems

Info

Publication number: DE102012212062A1
Application number: DE102012212062.9A
Authority: DE
Inventors: Francesco Lucarelli; Thomas Koenig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-01-16
Also published as: EP2890888A1; US20150152829A1; WO2014009056A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Niederdruckkreislauf für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend einen Kraftstofftank (1) und eine Vorförderpumpe (2), mittels welcher Kraftstoff aus dem Kraftstofftank (1) ansaugbar und über eine Kraftstoffleitung (3) einem Triebwerksraum (4) einer Hochdruckpumpe (5) zuführbar ist, wobei der Triebwerksraum (4) über Wellenlager (6, 7) mit einer Rücklaufleitung (8) verbunden ist. Erfindungsgemäß sind ferner zur Verbindung des Triebwerksraums (4) mit dem Rücklauf (8) wenigstens zwei Drosseln (9, 10) vorgesehen sind, welche jeweils parallel zu den Wellenlagern (6, 7) geschaltet und/oder über ein Ventil (11) schaltbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen Niederdruckkreislauf sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems.

Description

Die Erfindung betrifft einen Niederdruckkreislauf für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen Niederdruckkreislauf sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2006 018 702 A1 geht eine Kraftstoff-Hochdruck-Fördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine hervor, welche eine Hochdruckpumpe und einen Niederdruck-Strömungsweg umfasst. Der Niederdruck-Strömungsweg führt von einem Kraftstoffeinlass der Kraftstoff-Hochdruck-Fördereinrichtung zu einem Aufnahmeraum für eine Antriebswelle der Hochdruckpumpe und weiter zu mindestens einem Einlassventil der Hochdruckpumpe. Ferner ist ein Rückführ-Strömungsweg zur Rückführung von Leckageund/oder Schmierkraftstoff vorgesehen, welcher über Wellenlager zur drehbaren Lagerung der Antriebswelle mit dem Aufnahmeraum der Hochdruckpumpe verbunden ist. Der Rückführ-Strömungsweg mündet in den Niederdruck-Strömungsweg, wobei in dem Rückführ-Strömungsweg wenigstens eine Drossel zur gezielten Einstellung der rückgeführten Kraftstoffmenge angeordnet sein kann. Dadurch soll der Wirkungsgrad der Kraftstoff-Hochdruck-Fördereinrichtung verbessert werden.
Darüber hinaus sind Niederdruckkreisläufe bekannt, welche ein Überströmventil anstelle einer Drossel zur Einstellung der rückgeführten Kraftstoffmenge vorsehen. Die Drossel weist gegenüber einem Überströmventil den Nachteil auf, dass mit Erhöhung des Zulaufdruckes keine wesentliche Erhöhung des Drosseldurchflusses einhergeht, so dass die Gefahr besteht, dass der Zulaufdruck unzulässig hoch ansteigt. Die Abhängigkeit zwischen Drosseldurchfluss und Druckdifferenz im Zulauf- und Rücklaufbereich lässt sich durch nachfolgende Formel darstellen:
Das heißt, dass in kritischen Betriebssituationen, beispielweise bei gestiegenem Druck bzw. gestiegener Temperatur im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe, die Kühlmenge nicht im erforderlichen Maß über die Drossel erhöht werden kann. Die Folge können eine Verschlechterung der Kraftstoffschmierfähigkeit und/oder ein erhöhtes Verschleißrisiko sein. Beispielsweise kann der Schmierfilm zwischen einer Laufrolle einer Stößelbaugruppe und einem Stützelement zur drehbaren Lagerung der Laufrolle auf ein kritisches Maß abnehmen, so dass es zum vorzeitigen Verschleiß der Stößelbaugruppe und damit zum Ausfall der Fördereinrichtung kommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Niederdruckkreislauf für ein Kraftstoffeinspritzsystem bzw. ein Kraftstoffeinspritzsystem mit wenigstens einer in einem Rücklauf angeordneten Drossel anzugeben, welche in einfacher Weise eine Einstellung der rückgeführten Kraftstoffmenge ermöglicht und zugleich die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftstoffeinspritzsystems angegeben werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Niederdruckkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Der vorgeschlagene Niederdruckkreislauf für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, umfasst einen Kraftstofftank und eine Vorförderpumpe, mittels welcher Kraftstoff aus dem Kraftstofftank ansaugbar und über eine Kraftstoffleitung einem Triebwerksraum einer Hochdruckpumpe zuführbar ist. Der Triebwerksraum ist dabei über Wellenlager mit einer Rücklaufleitung verbunden. Erfindungsgemäß sind ferner zur Verbindung des Triebwerksraums mit dem Rücklauf wenigstens zwei Drosseln vorgesehen, welche jeweils parallel zu den Wellenlagern geschaltet und/oder über ein Ventil schaltbar sind. Während über die Wellenlager eine Grundleckage zur Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe sichergestellt ist, erfolgt die Einstellung der erforderlichen Leckagemenge über die parallel geschalteten bzw. schaltbaren Drosseln des erfindungsgemäßen Niederdruckkreislaufes. Vorzugsweise ist ein Ventil vorgesehen, über das wenigstens eine Drossel zu- oder abschaltbar ist, so dass ein weiterer, den Triebwerksraum mit dem Rücklauf verbindender, die Wellenlager umgehender Strömungsweg freigebbar bzw. verschließbar ist. Dies setzt voraus, dass wenigstens eine Drossel – ohne vorgeschaltetem Ventil – einen ersten, den Triebwerksraum mit dem Rücklauf verbindenden, die Wellenlager umgehenden Strömungsweg ausbildet, welche im Normalbetrieb der Hochdruckpumpe die erforderliche Leckagemenge gewährleistet. Über die wenigstens eine weitere zuschaltbare Drossel kann dann bei Bedarf eine Erhöhung der Leckagemenge und auf diese Weise eine verbesserte Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe erzielt werden, die abhängig vom Drosselquerschnitt und dem jeweils herrschenden Druck ist. Der Drosselquerschnitt sollte bevorzugt derart gewählt werden, dass einerseits eine deutliche Verbesserung der Kühlung und/oder der Schmierung der Hochdruckpumpe erzielt wird, andererseits die Mengenbilanz des Niederdruckkreislaufes nicht verletzt wird. Demnach darf die maximal von der Vorförderpumpe zur Verfügung gestellte Menge nicht überschritten werden.
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass eine Erhöhung der Leckagemenge lediglich bei Bedarf erfolgt, insbesondere bei einer kurzzeitigen, sehr hohen Belastung der Hochdruckpumpe. Beispielsweise kann in kritischen Betriebssituationen der Druck und/oder die Temperatur im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe über einen vorgegebenen Grenzwert ansteigen, so dass die Bereitstellung einer zusätzlichen Kühl- und/oder Schmiermenge erforderlich ist. Die Bereitstellung der zusätzlichen Kühl- und/oder Schmiermenge wird dann über die wenigstens eine weitere, über ein Ventil parallel zu den Wellenlagern schaltbare Drossel gewährleistet, die dann kurzzeitig zugeschaltet wird. Dadurch wird kurzzeitig ein Anstieg der der Kühlung und/oder der Schmierung dienenden Leckagemenge bewirkt, während im Normalbetrieb der Hochdruckpumpe das Ventil geschlossen bzw. die weitere Drossel abgeschaltet ist, so dass die rückgeführte Leckagemenge auf ein Minimum reduzierbar ist. Auf diese Weise können eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Systems und eine Reduzierung der CO₂-Emissionen erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens zwei Drosseln vorgesehen, von denen zumindest eine Drossel über ein Ventil mit dem Triebwerksraum der Hochdruckpumpe verbunden und demzufolge zu- oder abschaltbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventil ein Rückschlagventil. Es handelt sich demnach um ein passiv betätigbares Ventil, das bei Übersteigen eines vorgegebenen Öffnungsdrucks öffnet. Derartige Ventile sind besonders einfach und kostengünstig herstellbar, so dass die Herstellungskosten eines erfindungsgemäßen Niederdruckkreislaufes kaum erhöht werden. Das als Rückschlagventil ausgebildete Ventil öffnet, wenn im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe ein gewisser Grenzdruck überschritten wird. Vorteilhafterweise ist der Öffnungsdruck des Ventils derart gewählt, dass er unter dem maximal zulässigen Druck im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe liegt. Beispielsweise kann der Öffnungsdruck 1 bar unter dem maximal zulässigen Druck im Triebwerksraum liegen.
Darüber hinaus kann das Ventil auch als aktiv betätigbares Ventil ausgebildet sein, das mit einer Steuereinheit verbunden ist. Die Steuereinheit ist weiterhin bevorzugt mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung eines Drucks und/oder einer Temperatur im Niederdruckkreislauf verbunden, so dass bei Überschreiten eines voreingestellten Grenzwertes, das Ventil geöffnet wird.
Weiterhin bevorzugt ist die Vorförderpumpe eine geregelte Elektrokraftstoffpumpe. Durch Verwendung einer geregelten Elektrokraftstoffpumpe als Vorförderpumpe ist der Einsatz einer Zumesseinheit und/oder eines Überströmventils entbehrlich. Da Konzepte mit Überströmventil regelmäßig, insbesondere bei vorgegebenem Innenraumdruck und steiler Kennlinie des Überströmventils, den Nachteil aufweisen, dass große Leckagemengen rückgeführt werden müssen, ist der Wegfall des Überströmventils grundsätzlich zu begrüßen.
Vorteilhafterweise ist zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe wenigstens ein Kraftstofffilter angeordnet. Der Kraftstoffilter dient dem Schutz der Hochdruckpumpe vor schädlichen, im Kraftstoff enthaltenen Partikeln. Alternativ oder ergänzend kann zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe wenigstens ein Sensor, vorzugsweise ein Druck- und/oder Temperatursensor, zur Erfassung des Kraftstoffdrucks und/oder der Kraftstofftemperatur im Niederdruckkreislauf, insbesondere in der Kraftstoffleitung und/oder im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe, angeordnet sein. Die mittels des Sensors erfassten Werte können der Regelung einer als Elektrokraftstoffpumpe ausgelegten Vorförderpumpe und/oder der Betätigung eines Ventils dienen, über welches wenigstens eine in einem Rücklauf angeordnete Drossel zu- oder abschaltbar ist.
Des Weiteren vorteilhafterweise ist die Kraftstoffleitung über den Triebwerksraum mit einem Zulauf der Hochdruckpumpe verbunden. Das heißt, dass der gesamte über die Vorförderpumpe geförderte Kraftstoffstrom zunächst in den Triebwerksraum der Hochdruckpumpe gelangt und von dort aus als Förderstrom dem Zulauf der Hochdruckpumpe zugeführt oder als der Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe dienender Leckagestrom über die Wellenlager sowie die parallel geschalteten bzw. schaltbaren Drosseln abgeführt wird.
Das ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine weist einen erfindungsgemäßen Niederdruckkreislauf auf. Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem zeichnet sich demnach durch einen verbesserten Wirkungsgrad und eine Reduzierung der CO₂-Emissionen aus. Ferner sinkt die Beanspruchung der Hochdruckpumpe, da unzulässig hohe Druck- und/oder Temperaturanstiege im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe verhindert werden. Dadurch steigt die Lebensdauer der Hochdruckpumpe.
Schließlich wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems vorgeschlagen, bei welchem der Kraftstoffdruck und/oder die Kraftstofftemperatur im Niederdruckkreislauf, vorzugsweise in der Kraftstoffleitung und/oder im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe erfasst wird bzw. werden und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes die Förderleistung der Vorförderpumpe bis zum Öffnen des Ventils angehoben wird, so dass die stromabwärts des Ventils angeordnete Drossel zugeschaltet wird. Die der Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe dienende Leckagemenge kann demnach über eine zuschaltbare Drossel erhöht werden, so dass ein unzulässig hoher Druck bzw. eine unzulässig hohe Temperatur im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe wirksam vermieden werden. In kritischen Betriebssituationen kann demnach die Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe verbessert werden, so dass einer Beschädigung der Hochdruckpumpe entgegengewirkt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Niederdruckkreislaufes eines Kraftstoffeinspritzsystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Der schematisch dargestellte erfindungsgemäße Niederdruckkreislauf umfasst eine als regelbare Elektrokraftstoffpumpe ausgeführte Vorförderpumpe 2, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 1 über eine Kraftstoffleitung 3 einer Hochdruckpumpe 5 zuführbar ist. Die Kraftstoffleitung 3 mündet dabei in einen Triebwerksraum 4 der Hochdruckpumpe 5, in dem die zugeführte Kraftstoffmenge in eine Fördermenge und eine Kühl- und/oder Schmiermenge geteilt wird. Die Fördermenge wird über einen Zulauf 14 einem Hochdruckbereich (nicht dargestellt) der Hochdruckpumpe 5 zugeführt, während die Kühl- und/oder Schmiermenge über einen Rücklauf 8 zurück in den Kraftstofftank 1 gelangt. Der Rücklauf 8 ist über Wellenlager 6, 7 der Hochdruckpumpe 5 mit dem Triebwerksraum 4 verbunden. Ferner ist eine parallel zu den Wellenlagern 6, 7 geschaltete Drossel 9 vorgesehen, welche den Rücklauf 8 mit dem Triebwerksraum 4 der Hochdruckpumpe 5 verbindet. Die Wellenlager 6, 7 und die parallel geschaltete Drossel 9 stellen eine Mindestkühlmenge bzw. Mindestschmiermenge sicher.
Darüber hinaus weist der in der Figur schematisch dargestellte erfindungsgemäße Niederdruckkreislauf eine weitere Drossel 10 auf, welche über ein Ventil 11 ebenfalls parallel zu den Wellenlagern 6, 7 schaltbar ist. Das Ventil 11 ist vorliegend als einfaches Rückschlagventil ausgebildet, dessen Öffnungsdruck unter dem maximal zulässigen Druck im Triebwerksraum 4 der Hochdruckpumpe 5 liegt. Steigt der Druck im Triebwerksraum 4 der Hochdruckpumpe über den maximal zulässigen Wert an, öffnet das Ventil 11, so dass über die Drossel 10 eine zusätzliche Kühl- und/oder Schmiermenge aus dem Triebwerksraum 4 abgeführt wird. Der Triebwerksraum 4 wird auf diese Weise entlastet und zugleich die Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe 5 verbessert.
Der in der Figur schematisch dargestellte Niederdruckkreislauf weist zwischen der Vorförderpumpe 2 und der Hochdruckpumpe 5 ferner einen Kraftstofffilter 12 sowie einen Sensor 13 auf, wobei es sich vorliegend um einen Temperatursensor handelt. Der Sensor 13 dient der Regelung der Elektrokraftstoffpumpe bzw. der Vorförderpumpe 2. Sofern die vom Sensor 13 erfasste Temperatur einen bestimmten Grenzwert übersteigt, wird die Förderleistung der Vorförderpumpe 2 angehoben wird, bis der Druck im Triebwerksraum 4 der Hochdruckpumpe 5 derart ansteigt, dass das Ventil 11 öffnet. Die nunmehr zusätzlich über die Drossel 10 rückgeführte Kraftstoffmenge bewirkt dann eine verbesserte Kühlung der Hochdruckpumpe und damit ein Absenken der Temperatur.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006018702 A1 [0002]

Claims

Niederdruckkreislauf für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend einen Kraftstofftank (1) und eine Vorförderpumpe (2), mittels welcher Kraftstoff aus dem Kraftstofftank (1) ansaugbar und über eine Kraftstoffleitung (3) einem Triebwerksraum (4) einer Hochdruckpumpe (5) zuführbar ist, wobei der Triebwerksraum (4) über Wellenlager (6, 7) mit einer Rücklaufleitung (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ferner zur Verbindung des Triebwerksraums (4) mit dem Rücklauf (8) wenigstens zwei Drosseln (9, 10) vorgesehen sind, welche jeweils parallel zu den Wellenlagern (6, 7) geschaltet und/oder über ein Ventil (11) schaltbar sind.
Niederdruckkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) ein Rückschlagventil ist.
Niederdruckkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (2) eine geregelte Elektrokraftstoffpumpe ist. Niederdruckkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vorförderpumpe (2) und der Hochdruckpumpe (5) ein Kraftstofffilter (12) und/oder wenigstens ein Sensor (13), vorzugsweise ein Druck- und/oder Temperatursensor, angeordnet ist bzw. sind.
Niederdruckkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffleitung (3) über den Triebwerksraum (4) mit einem Zulauf (14) der Hochdruckpumpe (5) verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Niederdruckkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck und/oder die Kraftstofftemperatur im Niederdruckkreislauf, vorzugsweise in der Kraftstoffleitung (3) und/oder im Triebwerksraum (4) erfasst wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes die Förderleistung der Vorförderpumpe (2) bis zum Öffnen des Ventils (11) angehoben wird, so dass die stromabwärts des Ventils (11) angeordnete Drossel (10) zugeschaltet wird.