-
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor zum Einspritzen von Hochdruck-Kraftstoff an einem Verbrennungsmotor, wobei der Ventilkörper des Injektors hydraulisch zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoff-Versorgungssystem für einen Kraftstoff-Injektor sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoff-Temperatur in einem Kraftstoff-Injektor oder einem Kraftstoff-Versorgungssystem der vorgenannten Art.
-
Es wurde herausgefunden, dass es in verschiedenen Betriebsmodi eines Verbrennungsmotors vorteilhaft ist, den einzuspritzenden Hochdruck-Kraftstoff aufzuheizen und zwar insbesondere auf Temperaturen, die deutlich über der Temperaturbelastbarkeit (bspw. 100°C bis 120°C) der Materialien und Funktionselemente liegen, die für eine Aktuierung des Injektors benutzt werden und in wärmeleitender Verbindung zum zugeführten Kraftstoff stehen..
-
Bisher bekannte Kraftstoff-Injektoren, insbesondere Kraftstoff-Injektoren mit einem hydraulisch bewegten Ventilkörper, können nur mit Niedertemperatur-Kraftstoffen betrieben werden, also einem Hochdruck-Kraftstoff dessen Temperatur unterhalb der oben genannten Temperaturbelastbarkeit liegt. Die bekannten Kraftstoff-Injektoren weisen ein distales Ende auf, das bis in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors hinein ragt. An dem distalen Ende werden temperaturmäßig hoch belastbare Werkstoffe, insbesondere Stahlwerkstoffe verwendet. Der gegenüberliegende dorsale Bereich des Kraftstoff-Injektors ist üblicher Weise von der Brennkammer des Verbrennungsmotors entfernt angeordnet, also an einer Stelle, an der niedrige Temperaturen vorherrschen. An dem dorsalen Bereich des Kraftstoff-Injektors sind Anschlussstellen vorgesehen, um den Hochdruck-Kraftstoff und Steuersignale für das Aktuieren des Kraftstoff-Injektors zuzuführen. Im dorsalen Bereich und/oder im Mittelbereich des Injektors werden in der Regel temperaturmäßig weniger belastbare Materialien verwendet, insbesondere Kunststoffe und Kunststoffe auf Basis von Harzen (Englisch: Resin). Solche Materialien werden aus Kostengründen, wegen ihrer guten Formbarkeit und Belastbarkeit sowie wegen der guten Dichtungseigenschaften eingesetzt. Die Gehäuseteile und funktionalen Komponenten am dorsalen Ende und/oder im Mittelbereich eines Kraftstoff-Injektors aus temperaturmäßig hoch belastbaren Materialien zu bilden, ist insbesondere aus Kostengründen unerwünscht.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstoff-Injektor sowie ein zugehöriges Kraftstoff-Versorgungssystem aufzuzeigen, die das Einspritzen von Hochdruck-Kraftstoff mit einer erhöhten Kraftstoff-Temperatur ermöglichen, insbesondere einer Temperatur die deutlich höher ist als die Temperaturbelastbarkeit der Werkstoffe und Funktionselemente im dorsalen Bereich des Injektors. Ferner ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Kraftstoff-Temperatur an einem solchen Kraftstoff-Injektor und/oder in einem solchen Kraftstoff-Versorgungssystem aufzuzeigen. Die Erfindung löst diese Aufgaben mit den Merkmalen in den eigenständigen Ansprüchen.
-
Der Kraftstoff-Injektor gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine innere Hydraulik auf, die zumindest einen Aktuierungsbereich und einen Einspritzbereich umfasst. Der Aktuierungsbereich beinhaltet zumindest ein mit Hochdruck-Kraftstoff befüllbares Volumen, wobei der Druck in diesem Volumen gezielt beeinflussbar ist. Der Druck in dem Volumen ist insbesondere gegenüber dem Speisedruck, mit dem der Hochdruck-Kraftstoff zu dem Injektor geführt wird, in gesteuerter Weise reduzierbar.
-
Der Einspritzbereich umfasst zumindest ein weiteres mit Hochdruck-Kraftstoff befüllbares Volumen, das mit dem Ventilkörper des Kraftstoff-Injektors in Kontakt steht, wobei bei einem Öffnen des Ventilkörpers Hochdruck-Kraftstoff aus dem Einspritzbereich durch eine oder mehrere Injektionsöffnungen in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors strömt. Wenn der momentane Druck im Aktuierungsbereich niedriger ist als der momentane Druck im Einspritzbereich entsteht ein Druckgefälle über dem Ventilkörper, durch das eine Kraft in Öffnungsrichtung erzeugt wird.
-
Durch die Druckverhältnisse in dem Aktuierungsbereich und in dem Einspritzbereich wird das Bewegungsverhalten des Ventilkörpers gesteuert.
-
Der Kraftstoff-Injektor gemäß der vorliegenden Offenbarung weist einen ersten Kraftstoff-Einlass auf, der in den Aktuierungsbereich mündet. An diesem ersten Kraftstoff-Einlass ist ein Hochdruck-Kraftstoff mit einer ersten Temperatur zuführbar.
-
Der Kraftstoff-Injektor weist ferner einen zweiten Kraftstoff-Einlass auf, der in den Einspritzbereich mündet. Der an dem zweiten Kraftstoff-Einlass zugeführte Kraftstoff umgeht also den Aktuierungsbereich, sodass ein wärmeleitender Kontakt ausgeschlossen ist. Die Anordnung des zweiten Kraftstoff-Einlasses am Injektor ist grundsätzlich beliebig wählbar. Er kann im dorsalen Bereich angeordnet sein und eine thermische Isolierung aufweisen. Alternativ und bevorzugt kann der weite Kraftstoff-Einlass im Mittelbereich des Injektors oder im distalen Bereich angeordnet sein.
-
An dem zweiten Kraftstoff-Einlass ist ein Hochdruck-Kraftstoff mit einer zweiten höheren Temperatur zuführbar. Der zweite Kraftstoff-Einlass ist bevorzugt örtlich getrennt von dem ersten Kraftstoff-Einlass angeordnet, insbesondere gegenüber dem ersten Kraftstoff-Einlass weiter zum distalen Ende hin angeordnet. In einem solchen Fall kann auf eine thermische Isolierung ggfs. verzichtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Kraftstoff-Einlass durch eine Gehäusestruktur des Kraftstoff-Injektors gebildet sein, die aus temperaturmäßig hochbelastbaren Materialien gefertigt ist, insbesondere aus einem Metallwerkstoff.
-
Das Vorsehen von zwei separaten Kraftstoff-Einlässen für unterschiedliche Temperaturen des zugeführten Hochdruck-Kraftstoffs hat verschiedene Vorteile, die nachfolgend erläutert werden.
-
Einerseits können die strukturellen und funktionalen Bestandteile des Injektors, die den Aktuierungsbereich bilden oder umgeben bzw. durch die der Hochdruck-Kraftstoff dem Aktuierungsbereich zugeführt wird, weiterhin aus temperaturmäßig niedrig belastbaren Materialien ausgebildet werden, insbesondere aus Kunststoff oder Kunststoffen auf der Basis von Harzen. Auch die Anschlussleitungen für einen Aktuator und der Aktuator selbst, insbesondere ein Steuerkammer-Ablassventil, brauchen nicht für Hochtemperatur-Bedingungen, insbesondere für Temperaturen von deutlich mehr als 100°C bis 120°C, ausgelegt zu werden. Denn an dem ersten Kraftstoff-Einlass kann ein Hochdruck-Kraftstoff mit einer üblichen Niedertemperatur zugeführt werden. Diese Temperatur liegt in der Regel zwischen –20°C und +120°C. Druckänderungen, die gegebenenfalls durch das Aufheizen des Hochdruck-Kraftstoffs entstehen, wirken sich nicht oder in deutlich verringerten Maße auf den Aktuierungsbereich und somit nicht auf die Ansteuerung des Ventilkörpers aus. Es bedarf keiner oder nur geringer Anpassungen an den bekannten Einspritz-Steuerverfahren.
-
Über den zweiten Kraftstoff-Einlass kann ein Hochdruck-Kraftstoff mit einer deutlich höheren Temperatur, insbesondere einer Temperatur über 100°C bis 120°C zugeführt werden. Wenn der zweite Kraftstoff-Einlass (direkt bzw. unter Umgehung des Aktuierungsbereichs) in den Einspritzbereich des Injektors mündet, kann durch eine Änderung der Temperatur des aufgeheizten Kraftstoffs auch die Einspritz-Kraftstoff-Temperatur gesteuert oder geregelt werden. Die Einspritz-Kraftstoff-Temperatur kann beispielsweise je nach Betriebszustand des Motors einen unterschiedlichen Soll-Wert haben. Die Temperatur des Hochdruck-Kraftstoffs im Einspritzbereich des Injektors wird bevorzugt derart beeinflusst, dass sie einem Soll-Wert nachfolgt. Dies kann insbesondere durch die Zuführung eines Hochdruck-Kraftstoffs am zweiten Kraftstoff-Einlass erreicht werden, dessen Temperatur dem Soll-Wert für die Kraftstoffeinspritzung entspricht oder durch Mischen eines noch über den Soll-Wert aufgeheizten Kraftstoffs mit dem unbeheizten Kraftstoff.
-
Das Kraftstoff-Versorgungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung ist dazu ausgebildet, mindestens einen Kraftstoff-Injektor eines Verbrennungsmotors mit Hochdruck-Kraftstoff zu versorgen. Der versorgte Kraftstoff-Injektor kann gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgeführt sein. Alternativ kann ein anderer Kraftstoff-Injektor mit Hochdruck-Kraftstoff versorgt werden, beispielsweise ein Kraftstoff-Injektor mit nur einem Kraftstoff-Einlass, der auch für die Zuführung von aufgeheiztem Kraftstoff ausgelegt ist.
-
Das Kraftstoff-Versorgungssystem weist einen Kraftstoff-Speicher (Akkumulator / common rail) auf, in dem der Hochdruck-Kraftstoff bei einer ersten Temperatur (Niedertemperatur) gespeichert wird. Das Versorgungssystem umfasst eine erste Zuführpassage, durch die der Hochdruck-Kraftstoff der ersten Temperatur geleitet werden kann. Diese erste Zuführpassage wird im Folgenden auch als Niedertemperatur-Passage bezeichnet.
-
Das Versorgungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst darüber hinaus eine Kraftstoff-Heizeinrichtung und eine zweite Zuführpassage, die sich in Fließrichtung des Kraftstoffs an die Kraftstoff-Heizeinrichtung anschließt. Durch die zweite Zuführpassage kann der beheizte Kraftstoff, d.h. der Hochdruck-Kraftstoff mit einer zweiten höheren Temperatur geleitet werden. Die zweite Zuführpassage wird im Folgenden auch als Hochtemperatur-Passage bezeichnet.
-
Bevorzugt wird der Hochdruck-Kraftstoff der ersten Temperatur über die erste Zuführpassage zu dem Injektor geführt und der beheizte Hochdruck-Kraftstoff der zweiten höheren Temperatur wird über die zweite Zuführpassage zu demselben Injektor geführt. Insbesondere können die erste und die zweite Zuführpassage jeweils an einem separaten Kraftstoff-Einlass desselben Injektors angeschlossen sein. Alternativ kann nur der aufgeheizte Kraftstoff zu dem Kraftstoff-Injektor geführt sein.
-
Die Kraftstoff-Heizeinrichtung kann beliebig ausgebildet sein. Sie kann insbesondere einen elektrischen Heizer und/oder einen Wärmetauscher umfassen, wobei der Wärmetauscher bevorzugt mit der Abgas-Passage des Verbrennungsmotors verbunden ist.
-
Über einen elektrischen Heizer kann ein schnelles Aufheizen des Kraftstoffes erfolgen. Ferner kann eine Wärmeabgaberate des elektrischen Heizers auf einfache Weise steuerbar sein, insbesondere durch Regelung der Energiezufuhr für den Heizer. Folglich kann durch eine Steuerung des elektrischen Heizers die Temperatur des aufgeheizten Kraftstoffs auf einfache Weise auf einen Soll-Wert gesteuert oder geregelt werden.
-
Allerdings führt das Aufheizen des Kraftstoffs mit elektrischer Energie zu einer Erhöhung des Kraftstoff-Verbrauchs. Es ist daher vorteilhaft, alternativ oder zusätzlich zu dem elektrischen Heizer einen Wärmetauscher vorzusehen, durch den eine Restwärme des Abgases von dem Verbrennungsmotor genutzt werden kann, um den Hochdruck-Kraftstoff aufzuheizen.
-
Ein elektrischer Heizer und ein Wärmetauscher können gleichzeitig, abwechselnd oder zeitlich überlappend genutzt werden, um den Hochdruck-Kraftstoff aufzuheizen. Zwei oder mehr Heizmittel, die jeweils als elektrischer Heizer, als Wärmetauscher oder als ein beliebiges anderes Heizmittel ausgebildet sein können, können in der Flussrichtung des Kraftstoffs parallel oder seriell angeordnet sein. Mit anderen Worten können zwei oder mehr Heizmittel vorgesehen sein, die gleiche oder unterschiedliche Teilströme aufheizen. Die zwei oder mehr Heizmittel können bevorzugt separat angesteuert werden und den Kraftstoff in dem jeweiligen Teilstrom auf eine separate Soll-Temperatur aufheizen. Vor und/oder hinter jedem Heizmittel kann ein Sensor angeordnet sein. Eine Steuerung oder Regelung eines Heizmittels kann in Abhängigkeit von einer erfassten Temperatur des Kraftstoffs vor und/oder hinter dem Heizmittel erfolgen.
-
Bevorzugt wird eine Regelung der Temperatur eines aufgeheizten Kraftstoffs auf einen Soll-Wert in einem geschlossenen Regelkreis durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Steuerung mit einem offenen Regelkreis oder eine Vorsteuerung vorgesehen sein.
-
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Steuerung der Temperatur eines aufgeheizten Kraftstoffs in einem Kraftstoff-Versorgungssystem und/oder einer Einspritztemperatur, mit der ein Kraftstoff-Injektor einen Hochdruck-Kraftstoff in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors einspritzt, das verschiedene Bestandteile eines Kraftstoff-Versorgungssystems und/oder Bestandteile eines Kraftstoff-Injektors einzeln oder gemeinsam nutzt.
-
In den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigt:
-
1: Eine Schemadarstellung eines Kraftstoff-Versorgungssystems und eines Kraftstoff-Injektors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
-
Das in 1 gezeigte Kraftstoff-Versorgungssystem (10) umfasst einen Kraftstofftank (11), eine oder mehrere Kraftstoff-Pumpen (12, 13) und einen Kraftstoff-Speicher (14).
-
In dem Kraftstofftank (11) wird ein Kraftstoff für den Verbrennungsmotor gespeichert, insbesondere unter Atmosphärendruck und im Wesentlichen bei der Umgebungstemperatur. Die Kraftstoff-Pumpen, hier eine Niederdruck-Pumpe (12) und eine Hochdruck-Pumpe (13), fördern den Kraftstoff aus dem Tank (11) zu dem Kraftstoff-Speicher (14), wobei der Kraftstoff mit einem hohen Druck von beispielsweise bis zu 2.500 bar oder bis zu 3.500 bar oder mehr verdichtet wird (Hochdruck-Kraftstoff). An einer beliebigen Stelle zwischen dem Kraftstofftank (11) und dem Kraftstoff-Speicher (14) ist bevorzugt ein Kraftstoff-Filter (nicht dargestellt) vorgesehen. Dieser kann beispielsweise in den Tank (11) oder eine der Kraftstoff-Pumpen (12, 13) integriert oder separat angeordnet sein. An dem Kraftstoff-Speicher (auch Akkumulator oder Rail genannt) ist bevorzugt ein erster Sensor (22) angeordnet, der beispielsweise die momentane Kraftstoff-Temperatur (T1) und den momentanen Kraftstoff-Druck erfasst.
-
Eine erste Zuführpassage (30) (Niedertemperatur-Passage) leitet den Hochdruck-Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Speicher (14) bevorzugt zu mindestens einem Kraftstoff-Injektor (15). Mit anderen Worten ist die erste Zuführpassage (30) bevorzugt mit einem ersten Kraftstoff-Einlass (16) (Niedertemperatur-Einlass) eines Kraftstoff-Injektors (15) verbunden.
-
Das Kraftstoff-Versorgungssystem (10) weist eine Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) mit mindestens einem Heizmittel auf. In dem Beispiel von 1 ein Wärmetauscher (25) als ein erstes Heizmittel und ein elektrischer Heizer (29) als ein zweites Heizmittel dargestellt. Der Wärmetauscher (25) und der elektrische Heizer (29) sind in der Flussrichtung des Kraftstoffs sequenziell angeordnet. Der Wärmetauscher (25) ist mit einer Abgas-Passage (26) des Verbrennungsmotors verbunden, sodass eine Restwärme des Abgases auf den Kraftstoff übertragen werden kann, der den Wärmetauscher (25) durchströmt.
-
Die Ausbildung des Wärmetauschers (25) kann beliebig gewählt sein. In dem dargestellten Beispiel beinhaltet der Wärmetauscher (25) eine Heizwendel, die um ein Abgas-Führungsrohr gewickelt ist. Alternativ sind beliebige andere Formen eines Wärmetauschers (25) möglich. Beispielsweise kann der Wärmetauscher (25) mit einem anderen Element im Abgasstrang des Verbrennungsmotors gekoppelt oder in ein solches Element integriert sein. Zu diesen Elementen zählen insbesondere: Ein Katalysator von beliebiger Bauart (NOx-Speicherkatalysator, Katalysator für selektive katalytische Reduktion etc.), ein Abgasmischer und ein Abgasfilter (beispielsweise Diesel-Partikelfilter).
-
Während der Hochdruck-Kraftstoff den Wärmetauscher (25) durchströmt, wird eine Restwärme des Abgases auf den Hochdruck-Kraftstoff übertragen, so dass dieser aufgeheizt wird. Durch das Aufheizen steigt die Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs. Ferner kann der Druck des aufgeheizten Kraftstoffs in der Hochtemperatur-Passage (31) ansteigen. Die Druckerhöhung kann ferner eine Erhöhung des Drucks im Kraftstoff-Speicher (14) oder in den anderen Bereichen des Kraftstoff-Versorgungssystems (10, 30) oder des Kraftstoff-Injektors (15) bewirken, die fluidleitend miteinander verbunden sind.
-
Bevorzugt wird eine Druckerhöhung in Folge des Aufheizens des Kraftstoffs zumindest über einen Sensor (22, 23, 24) erfasst und für eine etwaig notwendige Anpassung der Einspritzregelung und/oder der Regelung der Pumpen (12, 13) ausgewertet.
-
In dem Beispiel von 1 ist ein Sensor (24) in der Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) bzw. am Ausgang des Wärmetauschers (25) dargestellt. Der Sensor (24) kann bevorzugt die Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs sowie den momentanen Druck am Ausgang des Wärmetauschers (25) erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Sensor zur Erfassung der Temperatur oder des Drucks in Flussrichtung (direkt) hinter dem elektrischen Heizer (29) vorgesehen sein.
-
Wenn die Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) zwei oder mehr Heizmittel umfasst, kann gegebenenfalls jedem Heizmittel oder jeweils einer Gruppe von Heizmitteln ein separater Sensor zugeordnet sein, der die Temperatur oder den Druck eines jeweiligen Teilstromes erfasst.
-
In 1 sind verschiedene optionale Strukturelemente mit gestrichelten Linien dargestellt, nämlich eine Rückführpassage (27), ein elektrischer Heizer (29), eine externe Verbindungs-Passage (32) und eine interne Verbindungs-Passage (46) sowie eine Mischeinrichtung (21). Diese optionalen Elemente können einzeln oder gemeinsam und in beliebiger Kombination vorgesehen sein. Auf die Funktion und die Vorteile jedes dieser Elemente wird weiter unten eingegangen.
-
Zunächst wird eine Ausführungsform erläutert, bei der ein aufgeheizter Kraftstoff mit der Temperatur (T2) direkt vom Ausgang des Wärmetauschers (25) zu einem Kraftstoff-Injektor (15) gespeist wird, der eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.
-
Der Kraftstoff-Injektor (15) weist verschiedene hydraulische Bereiche auf. In dem gezeigten Beispiel sind die im dorsalen Bereich des Injektors (15) angeordneten Hochdruck-Passagen und Volumina als Aktuierungsbereich (18) bezeichnet. Zu dem Aktuierungsbereich (18) gehören ein erster Kraftstoff-Einlass (16) (Niedertemperatur-Einlass), eine Steuerkammer (44), ein Aktuator in der Form eines Auslass-Steuerventils (43) sowie die dazwischenliegenden Verbindungspassagen.
-
Die Steuerkammer (44) steht in Kontakt mit dem dorsalen Ende des Ventilkörpers (40). Durch den Druck in der Steuerkammer (44) wird eine Kraft in Schließrichtung auf den Ventilkörper (40) ausgewirkt. In der Steuerkammer (44) ist ferner eine federbelastete Steuerplatte (45) angeordnet, die eine Zuflussöffnung überdeckt, durch die ein Hochdruck-Kraftstoff von dem ersten Kraftstoff-Einlass (16) her in die Steuerkammer (44) einfließen kann. Die Steuerkammer (44) ist ferner über eine Abflusspassage mit dem Auslass-Steuerventil (43) verbunden. Das Steuerventil ist hier beispielhaft als Magnetventil dargestellt.
-
Die Funktion der Steuerkammer (44), der Steuerplatte (45) sowie des Steuerventils (43) sind in der Praxis grundsätzlich bekannt. Wenn das Steuerventil (43) geöffnet wird, fließt Hochdruck-Kraftstoff aus der Steuerkammer (44) durch eine Drosselstelle in der Steuerplatte (45) und die Abflusspassage in Richtung des Kraftstofftanks (11) ab. Die Steuerplatte (45) wird gegen die dorsale Wand der Steuerkammer (44) gedrückt und verhindert ein Nachfließen von Hochdruck-Kraftstoff. Hierdurch fällt der Druck in der Steuerkammer (44) schnell ab. Dadurch wird die hintere, d.h. dorsale Abstützung des Ventilkörpers (40) verringert und der Ventilkörper (40) hebt sich vom Ventilsitzbereich (41) ab, sodass ein Einspritzvorgang aus dem Kraftstoff-Injektor in eine Brennkammer des Motors beginnt.
-
Wenn das Auslass-Steuerventil (43) wieder geschlossen wird, findet keine Drosselung mehr an der Steuerplatte (45) statt. Der Hochdruck-Kraftstoff, der an dem ersten Kraftstoff-Einlass (16) zugeführt wird, drückt dann die Steuerplatte (45) in Richtung der Steuerkammer (44), so dass die Steuerkammer (44) wieder mit dem Hochdruck-Kraftstoff gefüllt wird. Dabei steigt der Druck in der Steuerkammer (44) schnell an, so dass die dorsale Abstützung des Ventilkörpers (40) wieder aufgebaut wird. Der Ventilkörper (40) wird in eine Schließrichtung versetzt, bis er an dem Ventilsitzbereich (41) anliegt. Hierdurch wird eine Kraftstoffinjektion beendet.
-
In dem gezeigten Beispiel wird an dem ersten Kraftstoff-Einlass (16) der unbeheizte Kraftstoff der Temperatur (T1) zugeführt. Folglich brauchen alle in dem dorsalen Bereich des Kraftstoff-Injektors angeordneten Bauteile hinsichtlich der Temperaturbelastbarkeit nur auf den Niedertemperaturbereich (unter 100°C bis 120°C) ausgelegt zu werden. Wenn durch das Öffnen des Steuerventils (43) Hochdruck-Kraftstoff zu dem Kraftstofftank (11) zurückgeführt wird, dann fließt Niedertemperatur-Kraftstoff nach außen ab. Die Rückführpassage sowie der Kraftstofftank (11) brauchen also hinsichtlich der Temperaturbelastbarkeit nur auf den Niedertemperaturbereich ausgelegt werden. Ferner wird keine in das Aufheizen des Kraftstoffs investierte Wärme durch das Abfließen aus der Steuerkammer als Leckagestrom verloren.
-
An dem distalen Bereich des Kraftstoff-Injektors (15), der ohnehin mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors in Kontakt steht und daher für den Hochtemperaturbereich ausgelegt sein muss, ist bevorzugt der zweite Kraftstoff-Einlass (17) angeordnet. Die hydraulischen Bereiche und Volumina des Kraftstoff-Injektors, die im distalen Bereich angeordnet sind, bilden den Einspritzbereich (19). Dazu gehören mindestens eine Hochdruck-Leitungspassage, die den Hochdruck-Kraftstoff von dem zweiten Kraftstoff-Einlass (17) bis zu einem Ventilsitzbereich (41) führt, der Ventilsitzbereich (41), ein sich gegebenenfalls anschließendes Sackloch sowie die ein oder mehreren Einspritzöffnungen (42) des Injektors (15). Mit anderen Worten mündet der zweite Kraftstoff-Einlass (17) direkt in den Einspritzbereich (19). Die Darstellung in 1 ist nicht maßstabsgetreu und zeigt die verschiedenen Volumina zu Zwecken der besseren Verständlichkeit in stark vergrößerter Form.
-
Bei einem Kraftstoff-Injektor der eben beschriebenen Art wird der aufgeheizte Kraftstoff der Temperatur (T2) von dem zweiten Kraftstoff-Einlass (17) durch den Einspritzbereich (19) bis zu den Einspritzöffnungen (42) geführt. Folglich wird die Einspritz-Temperatur des Kraftstoffs, der an den Einspritzöffnungen (42) aus dem Injektor austritt, im Wesentlichen gleich der Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs sein, der an dem zweiten Kraftstoff-Einlass (17) zugeführt wird.
-
An oder in dem zweiten Kraftstoff-Einlass (
17) ist bevorzugt ein Sensor (
23) angeordnet, der die Temperatur (T2) des zugeführten aufgeheizten Kraftstoffs und/oder den momentanen Druck an oder im zweiten Kraftstoff-Einlass (
17) erfasst. Die Erfassung der Temperatur (T2) kann dazu dienen, den momentanen Wert der Einspritz-Temperatur (Tinj) zu ermitteln. Anhand des momentanen Drucks an oder im zweiten Kraftstoff-Einlass (
17) kann bevorzugt eine tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt werden. Diese Ermittlung kann nach bekannten Verfahren durchgeführt werden. Die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge kann insbesondere auf eine Soll-Einspritzmenge in einem geschlossenen Regelkreis geregelt werden, beispielsweise gemäß dem in der Praxis unter dem Namen „iArt“ bekannten System, insbesondere nach
US 2008 228 374 A1 .
-
Der Soll-Wert für die Einspritz-Temperatur (Tinj*) kann ein statischer Wert sein. In einem solchen Fall kann die Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) bevorzugt derart geregelt werden, dass die Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs den festgelegten Soll-Wert dauerhaft erreicht. Wenn die Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) lediglich einen elektrischen Heizer (29) umfasst, kann die Wärmeabgaberate des elektrischen Heizers derart gesteuert werden, dass auf Basis der einzuspritzenden Kraftstoffmenge die Wärmemenge abgegeben wird, die für eine Temperaturerhöhung von der Ausgangstemperatur (T1) auf die Soll-Temperatur (Tinj*) erforderlich ist. Die Wärmeabgaberate kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Abweichung zwischen dem sensorisch erfassten Wert der Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs und dem Soll-Wert für die Einspritz-Temperatur (Tinj*) geregelt werden. Alternativ kann die Wärmeabgaberate in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der Temperatur des unbeheizten Kraftstoffs (T1) und dem Soll-Wert für die Einspritz-Temperatur (Tinj*) gesteuert werden. Ferner kann eine Vorsteuerung der Wärmeabgaberate auf Basis der Differenz zwischen der Temperatur des unbeheizten Kraftstoffs (T1) und dem Soll-Wert für die Einspritz-Temperatur (Tinj*) erfolgen und eine Fein-Regelung der Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs kann auf Basis der sensorisch erfassten Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs und dem Soll-Wert für die Einspritz-Temperatur (Tinj*) ausgeführt werden.
-
Dieselben oder ähnliche Steuer- oder Regelstrategien können genutzt werden, wenn ein elektrischer Heizer (29) zusätzlich zu einem anderen Heizmittel verwendet wird.
-
Wenn die Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) – wie in 1 dargestellt – beispielsweise einen Wärmetauscher (26) und einen elektrischen Heizer (29) umfasst, kann der Wärmetauscher (26) darauf ausgelegt sein, einen Hauptteil der Wärmeabgabe bereitzustellen, die für das Aufheizen des Hochdruck-Kraftstoffs von der Temperatur (T1) auf den Soll-Wert der Einspritz-Temperatur (Tinj*) aufzuheizen. Die Heizleistung des Wärmetauschers kann beispielsweise auf die Wärmeabgaberate ausgelegt sein, die in den üblicherweise auftretenden Betriebsmodi und bei den üblicherweise auftretenden Umgebungstemperaturen notwendig ist. Der elektrische Heizer (29) kann zusätzlich verwendet werden, um beispielsweise bei besonders niedrigen Außentemperaturen im Winter oder bei niedrigen bzw. schwankenden Abgastemperaturen noch zusätzlich benötige Wärmeabgabe bereitzustellen.
-
Der elektrische Heizer kann insbesondere in der Flussrichtung des Kraftstoffs vor oder hinter dem Wärmetauscher (26) angeordnet sein. Eine besonders genaue und schnelle Regelung der Temperatur (T2) ist möglich, wenn der elektrische Heizer (29) in der Flussrichtung des Kraftstoffs als letztes Glied vor dem zweiten Kraftstoff-Einlass (17) angeordnet ist. Die momentane Temperatur des aufgeheizten Kraftstoffs (T2) kann auf Basis verschiedener Messwerte gesteuert oder geregelt werden. In dem Beispiel von 1 kann beispielsweise durch einen Sensor (24), der nach dem Wärmetauscher (26) und vor dem elektrischen Heizer (29) angeordnet ist, die Temperatur des Kraftstoffs erfasst und mit dem Soll-Wert für die Temperatur des aufgeheizten Kraftstoffs (T2*) oder mit dem Soll-Wert für die Einspritz-Kraftstoff-Temperatur (Tinj*) verglichen werden. Auf Basis einer festgestellten Abweichung kann die Wärmeabgaberate des elektrischen Heizers (29) gesteuert oder geregelt werden.
-
Das Kraftstoff-Versorgungssystem kann ferner eine Rückführpassage (27) aufweisen, um Hochdruck-Kraftstoff von der zweiten Zuführpassage (31) zur ersten Zuführpassage (30) bzw. zum Eingang der Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) zurückzuführen. Mit anderen Worten kann das Versorgungssystem (10) eine Rückführpassage (27) aufweisen, um einen permanenten Kreislauf des Hochdruck-Kraftstoffs durch mindestens ein Heizmittel der Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) bereitzustellen. In dem Beispiel von 1 übergreift die Rückführpassage (27) nur den Wärmetauscher (25). Alternativ könnte die Rückführpassage (27) auch den elektrischen Heizer (29) übergreifen.
-
Durch die Aktivierung eines Kraftstoffflusses durch die Rückführpassage (27) wird der Hochdruck-Kraftstoff wiederholt durch die Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) geführt. Das heißt, ein aufgeheizter Kraftstoff, der an der Heizeinrichtung (20) bzw. einem Heizmittel (25, 29) austritt, fließt zum Eingang der Heizeinrichtung (20) bzw. eines Heizmittels (25, 29) zurück und wird beim nochmaligen Durchströmen der Heizeinrichtung (20) bzw. des Heizmittels (25, 29) weiter aufgeheizt.
-
Besonders bevorzugt kann an oder in der Rückführpassage (27) eine steuerbare Rückführpumpe (28) angeordnet sein. Ein oder mehrere Heizmittel, die von einer Rückführpassage (27) übergriffen sind, bilden ein Rückführsystem innerhalb des Kraftstoff-Versorgungssystems. Es können auch mehrere Rückführsysteme vorgesehen sein. Eine Rückführrate eines Rückführsystems kann durch beliebige Mittel gesteuert oder geregelt werden, insbesondere durch Betätigung einer Rückführpumpe (28) und/oder Drosselung mit einem oder mehreren Ventilen (nicht dargestellt).
-
Das Rückführsystem und insbesondere die steuerbare Rückführpumpe (28) können in beliebiger Weise gesteuert werden. Eine Rückführung durch einen Wärmetauscher (25) und/oder einen elektrischen Heizer (29) ist dann sinnvoll, wenn der jeweilige Soll-Wert (T2*, Tinj*), der nach dem Aufheizen erreicht werden soll, sehr weit von der momentanen Temperatur (T1) des unbeheizten Kraftstoffs abweicht. Mit anderen Worten ist eine Rückführung sinnvoll, wenn die Wärmeabgaberate der ein oder mehreren Heizmittel (25, 29) zumindest zeitweise nicht für das Aufheizen des Kraftstoffs bei nur einmaligem Durchfließen ausreicht.
-
Die Rückführung kann insbesondere in solchen Betriebszuständen vorteilhaft sein, in denen keine oder nur eine geringe Einspritzung von Kraftstoff erfolgt und/oder in denen die Temperatur des Abgases (noch) gering ist. Bei einem Fahrzeug können dies insbesondere ein Betrieb kurz nach einem Kaltstart, ein Schubbetrieb oder ein Leerlaufbetrieb sein.
-
Durch die Ansteuerung der Rückführpumpe kann ein momentaner Durchfluss (Volumenstrom/Massenstrom) durch die Kraftstoff-Heizeinrichtung (20) bzw. ein Heizmittel (25, 29) veränderbar, insbesondere einstellbar, sein. Durch eine Erhöhung der Durchflussmenge und die Rückführung des aufgeheizten Kraftstoffs kann die kumulierte Wärmeabgabe des Heizmittels (25, 29) erhöht werden.
-
Bei einem Wärmetauscher (25) führt das Rückführen von Kraftstoff dazu, dass ständig nicht oder noch wenig aufgeheizter Kraftstoff in den Wärmetauscher (25) nachgeführt wird. Somit bleibt die Temperaturdifferenz zwischen dem (kalten) Kraftstoff und dem (heißen) Abgas zumindest am Eingang des Wärmetauschers (25) auf einem hohen Niveau. Bei einer großen Temperaturdifferenz wird mehr Wärme von dem Abgas auf den Kraftstoff übertragen. Somit kann über die Steuerung oder Regelung der Rückführung die Wärmeabgaberate des Wärmetauschers (25) gesteuert oder geregelt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich zu einem Rückführsystem kann das Versorgungssystem (10) eine Mischeinrichtung (21) und eine (externe) Verbindungs-Passage (32) aufweisen, d.h. einen Bypass. Die Mischeinrichtung (21) hat bevorzugt mindestens zwei Eingänge. Ein erster Eingang ist mit der (externen) Verbindungs-Passage (32) verbunden, die wiederum mit der ersten Zuführpassage (30) oder direkt mit dem Kraftstoff-Speicher (14) verbunden ist. Mit anderen Worten wird an dem ersten Eingang der Mischeinrichtung (21) der Hochdruck-Kraftstoff der ersten Temperatur (T1) zugeführt.
-
Der zweite Eingang der Mischeinrichtung (21) ist bevorzugt mit der zweiten Zuführpassage (31) (Hochtemperatur-Passage) verbunden, in der der aufgeheizte Kraftstoff mit der zweiten Temperatur (T2) zugeführt wird.
-
Die Mischeinrichtung (21) ist dazu ausgebildet, ein Verhältnis des Zuströmens von unbeheiztem Hochdruck-Kraftstoff der ersten Temperatur (T1) (Niedertemperatur) und von aufgeheiztem Hochdruck-Kraftstoff der zweiten Temperatur (T2) (Hochtemperatur) in den Kraftstoff-Injektor (15) bzw. in den Einspritzbereich (19) zu steuern. Dies geschieht insbesondere durch Drosselung mindestens eines Kraftstoffflusses am ersten oder am zweiten Eingang der Mischeinrichtung (21).
-
Besonders bevorzugt kann die Mischeinrichtung (21) dazu ausgebildet sein, die Durchflussquerschnitte für den Kraftstofffluss der ersten Temperatur (T1) und den Kraftstofffluss der zweiten Temperatur (T2) so anzupassen, dass der am Ausgang der Mischeinrichtung (21) austretende Kraftstoff den Soll-Wert der Einspritz-Temperatur (Tinj*) annimmt oder diesem Wert nachfolgt.
-
Mit anderen Worten mischt die Mischeinrichtung (21) kalten und heißen Kraftstoff derart zusammen, dass eine gewünschte Misch-Temperatur erreicht wird.
-
Das Zusammenmischen kann bevorzugt ohne eine Drosselung des Gesamtflusses erfolgen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass der effektive Durchflussquerschnitt des ersten Eingangs und/oder der effektive Durchflussquerschnitt des zweiten Eingangs zwischen einem Minimalwert, der den jeweiligen Eingang vollständig blockiert, und einem Maximalwert verändert werden. Die Veränderung der effektiven Durchflussquerschnitte erfolgt bevorzugt derart, dass die Summe der effektiven Querschnitte ein konstanter Wert ist.
-
Mit anderen Worten kann die Mischeinrichtung (21) bevorzugt dazu ausgebildet sein, entweder den gesamten Kraftstofffluss nur von dem ersten Eingang her ohne Drosselung oder nur von dem zweiten Eingang her ohne Drosselung oder in einem beliebigen dazwischen liegenden Mischungsverhältnis mit angepasster Drosselung bereitzustellen. Auf diese Weise kann am Ausgang der Mischeinrichtung (21) ein Kraftstofffluss erreicht werden, dessen Misch-Temperatur einen beliebigen Wert zwischen der Temperatur (T1) des unbeheizten Kraftstoffs und der Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs annimmt. Die Mischeinrichtung (21) kann bevorzugt derart gesteuert werden, dass die Misch-Temperatur dem Soll-Wert für die Einspritz-Kraftstoff-Temperatur (Tinj*) entspricht. Die Misch-Temperatur kann bevorzugt über einen Sensor (23) erfasst werden, der in Flussrichtung hinter der Mischeinrichtung (21) angeordnet ist. Dies kann beispielsweise der Sensor (23) am zweiten Kraftstoff-Einlass des Kraftstoff-Injektors (15) sein.
-
Bevorzugt können mehrere Kraftstoff-Injektoren (15) von dem Kraftstoff-Versorgungssystem (10) versorgt werden. Je nach Bedarf können für jeden Injektor eine separate Misch-Einrichtung und/oder ein separater Sensor (23) vorgesehen sein. Alternativ können mehrere Injektoren (15) von einer gemeinsamen Mischeinrichtung (21) versorgt werden und ggfs. einen gemeinsamen Sensor (23) nutzen.
-
Gemäß einer alternativen Ausführung kann eine Mischeinrichtung (21) nur einen steuerbaren Eingang aufweisen und nur den Durchfluss des aufgeheizten Kraftstoffs der Temperatur (T2) drosseln, während für das Zufließen des unbeheizten Kraftstoffs der Temperatur (T1) eine nicht steuerbare bzw. statische Drosselung vorgesehen ist. So kann beispielsweise in der externen Verbindungs-Passage (32) eine Drosselstelle vorgesehen sein, die das Zufließen von unbeheiztem Kraftstoff der Temperatur (T1) begrenzt. Ein gedrosseltes Zufließen des unbeheizten Kraftstoffs kann auch im Injektor geschehen.
-
Eine Alternative Ausführung des Kraftstoff-Injektors (15) sieht demnach vor, dass der Einspritzbereich (19) auch mit dem Hochdruck-Kraftstoff der ersten Temperatur (T1) befüllbar ist. Hierfür kann eine interne Verbindungs-Passage (46) vorgesehen sein, die den Aktuierungsbereich (18) und den Einspritzbereich (19) verbindet. In dieser internen Verbindungs-Passage (46) oder an einer beliebigen stromaufwärts liegenden Stelle kann ebenfalls eine Drosselstelle vorgesehen sein, die das Zufließen von unbeheiztem Hochdruck-Kraftstoff der Temperatur (T1) (statisch) begrenzt. Die interne Verbindungs-Passage (46) kann somit denselben Zweck erfüllen, wie die vorgenannte externe Verbindungs-Passage (32). Dementsprechend kann eine Steuerung der Einspritz-Temperatur (Tinj) durch eine Drosselung des Zuflusses von aufgeheiztem Kraftstoff der Temperatur (T2) durch eine Mischeinrichtung (21) erfolgen. Die Mischeinrichtung (21) kann dabei außerhalb oder innerhalb des Injektors angeordnet sein.
-
In Abhängigkeit der Drosselung des aufgeheizten Kraftstoffs und der vorerwähnten statischen Drosselwirkung für den unbeheizten Kraftstoff an oder vor der internen Verbindungs-Passage (46) bildet sich das Verhältnis des Zuströmens von beheiztem und unbeheiztem Kraftstoff in den Einspritzbereich (19) aus.
-
Die vorgenannten Ausbildungen eines Kraftstoff-Injektors (15) und eines Kraftstoff-Versorgungssystems (10) mit einer oder mehreren Verbindungs-Passagen (32, 46), einer oder mehreren Mischeinrichtungen (21), einem Rückführsystem mit einer Rückführpassage (27) und einem oder mehreren Heizmitteln (25) können in beliebiger Weise kombiniert werden.
-
Wenn die Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs höher ist als ein Soll-Wert für die Einspritz-Temperatur (Tinj*) oder ein Soll-Wert (T2*) für die Temperatur des aufgeheizten Kraftstoffs, wird bevorzugt der Zufluss des aufgeheizten Kraftstoffs zu dem Kraftstoff-Injektor (15) bzw. in den Einspritzbereich (19) gedrosselt und/oder gleichzeitig der Zufluss des unbeheizten Kraftstoffs erhöht. Hierdurch wird verhindert, dass ein zu heißer Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt wird. Ist hingegen die Temperatur (T2) des aufgeheizten Kraftstoffs niedriger als der zugehörige Soll-Wert (T2*), so wird bevorzugt das oben genannte Rückführsystem aktiviert und/oder ein zusätzlicher Heizer aktiviert, insbesondere ein elektrischer Heizer (29).
-
Bevorzugt wird ein elektrisches Aufheizen nur kurzfristig und/oder bei besonders großen Abweichungen zwischen dem Ist-Wert der jeweils gesteuerten oder geregelten Temperatur (Tinj, T2) und dem zugehörigen Soll-Wert (Tinj*, T2*) verwendet.
-
Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Alle Merkmale, die zu den jeweiligen Beispielen beschrieben, gezeigt oder beansprucht sind, können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
-
Eine Mischeinrichtung (
21) kann mehr als zwei Eingänge aufweisen und beispielsweise zwei oder mehr separat aufgeheizte Kraftstoffströme mischen. Der Verbrennungsmotor kann bevorzugt ein Dieselmotor oder ein Benzinmotor sein. BEZUGSZEICHENLISTE
| 10 | Kraftstoff- | Fuel supply system |
| | Versorgungssystem | |
| 11 | Kraftstofftank | Fuel tank |
| 12 | Niederdruck-Pumpe | Low pressure pump |
| 13 | Hochdruck-Pumpe | High pressure pump |
| 14 | Kraftstoff-Speicher / | Fuel storage / |
| | Akkumulator / Rail | accumulator / Rail |
| 15 | Kraftstoff-Injektor | Fuel injector |
| 16 | Erster Kraftstoff-Einlass | Firstfuel inlet |
| 17 | Zweiter Kraftstoff-Einlass | Second fuel inlet |
| 18 | Aktuierungsbereich | Actuation part |
| 19 | Einspritzbereich | Injection part |
| 20 | Kraftstoff-Heizeinrichtung | Fuel heating device |
| 21 | Mischeinrichtung | Mixing device |
| 22 | Erster Sensor | First sensor |
| 23 | Zweiter Sensor | Second sensor |
| 24 | Dritter Sensor | Third sensor |
| 25 | Heizmittel / Wärmetauscher | Heating means / Heat |
| | | exchanger / |
| | | Recuperator |
| 26 | Abgas-Passage | Exhaust passage |
| 27 | Rückführpassage | Recirculation passage |
| 28 | Rückführpumpe | Recirculation pump |
| 29 | Heizmittel / Elektrischer | Electric Heater |
| | Heizer | |
| 30 | Erste Zuführpassage / | First supply passage / |
| | Niedertemperatur-Passage | Low temperature |
| | | passage |
| 31 | Zweite Zuführpassage / | Second supply passage |
| | Hochtemperatur-Passage | / High temperature |
| | | passage |
| 32 | Externe Verbindungs-Passage | External communication |
| | | passage |
| 40 | Ventilkörper | Valve body |
| 41 | Ventilsitzbereich | Valve seat area |
| 42 | Einspritzöffnung | Injection orifice |
| 43 | Steuerventil | Control valve |
| 44 | Steuerkammer | Control chamber |
| 45 | Steuerplatte | Control plate |
| 46 | Interne Verbindungs-Passage | Internal communication |
| | | passage |
| T1 | Erste Temperatur | First temperature |
| T2 | Zweite Temperatur | Second temperature |
| Tinj | Einspritz-Temperatur | Injection temperature |
-
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
-
