DE10335698A1 - Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine sowie Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer im Hinblick auf ein variables Kraftstoff-Druckniveau elektronisch bedarfsgeregelten Kraftstoffpumpe, die aus einem Kraftstoff-Tank über eine Vorlaufleitung Kraftstoff zu den Einspritzventilen der Brennkraftmaschine fördert, und mit einer dieser parallel geschalteten zweiten Kraftstoffpumpe, wobei in der Vorlaufleitung ein mechanischer Druckregler vorgesehen ist, der zur Begrenzung auf einen maximalen Druckwert eine überschüssige Kraftstoffmenge in den Kraftstoff-Tank und insbesondere in einen in diesem vorgesehenen Schwalltopf zurückleitet. Bei geringem und mittleren Kraftstoffbedarf wird nur die erste, elektronisch bedarfsgeregelte Kraftstoffpumpe im Hinblick auf ein mit steigendem Kraftstoff-Bedarf ansteigendes Druckniveau im wesentlichen rücklauflos betrieben, während bei hohem Kraftstoffbedarf mit Erreichen der maximalen Förderleistung der ersten Pumpe die zweite Kraftstoffpumpe in Betrieb genommen wird. Die Kraftstoffversorgungsanlage weist zur Versorgung zumindest eine im Tank vorgesehenen Saugstrahlpumpe einen von der Vorlaufleitung abzweigenden Rücklaufzweig auf, in dem eine Vordrossel sowie ein zur Vorlaufleitung hin sperrendes Rückschlagventil vorgesehen sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer im Hinblick auf ein variables Kraftstoff-Druckniveau elektronisch bedarfsgeregelten Kraftstoffpumpe, die aus einem Kraftstoff-Tank über eine Vorlaufleitung Kraftstoff zu den Einspritzventilen der Brennkraftmaschine fördert. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 100 05 589 A1 insbesondere auf die DE 101 53 037 A1 verwiesen.
• Am weitesten verbreitet sind heutzutage noch Kraftstoffversorgungsanlagen mit im wesentlichen konstantem Kraftstoffdruck, der entweder mittels eines mechanischen Druckreglers oder mit einem elektronischen Druckregelkreis eingestellt wird, wobei in der letztgenannten Ausführungsform die Kraftstoffpumpe von einer elektronischen Steuereinheit unter Auswertung der Signale eines geeignet angeordneten Drucksensors geeignet getaktet angesteuert bzw. betrieben wird.
• Die eingangs erstgenannte Schrift zeigt eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer den Kraftstoff aus einem Tank über eine Förderleitung zur Brennkraftmaschine fördernden Kraftstoffpumpe sowie mit einem Druckregler, der den für die Brennkraftmaschine relevanten Kraftstoffdruck wahlweise auf unterschiedliche Druckniveaus einstellt. Um Heißstartprobleme oder generell Betriebsprobleme durch Dampfblasenbil dung einfach und sicher zu vermeiden, ist der Druckregler in der Förderleitung angeordnet und die Kraftstoffpumpe aus zwei Pumpenaggregaten gebildet, die in Abhängigkeit vom eingeregelten Druckniveau parallel oder in Reihe geschaltet fördern. Dabei sind in der Förderleitung in Reihe zwei Druckregler mit unterschiedlichen Druck-Regelwerten angeordnet, die wahlweise durch Verbindung von deren Absteuerleitung mit einer im Tank mündenden Rückführleitung aktivierbar sind. Die beiden Pumpenaggregate können mittels eines Umschaltventils oder selbsttätig mittels eines in einer geeignet angeordneten Leitungsverbindung vorgesehenen Druckbegrenzungsventils in Abhängigkeit vom jeweils seitens des Druckreglers eingestellten Druckwert in Reihe oder parallel fördernd geschaltet werden. Dieser bekannte Stand der Technik erlaubt somit die Einstellung zweier unterschiedlicher Druckniveaus, arbeitet dabei aber stets mit mechanischen Druckreglern, die zur Erfüllung ihrer Funktion bekanntermaßen überschüssige Kraftstoffmenge in den Tank zurückleiten (sog. „Rücklauf"), mit dem Nachteil u.a. der Kraftstofferwärmung im Tank.
• Die eingangs zweitgenannte Schrift, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, beschreibt ein rücklauffreies System mit variablem Kraftstoffdruck und bedarfsgeregelter Fördermenge der Kraftstoffpumpe. Als sog. Stellglied einer Regeleinrichtung, deren Aufgabengröße der gemessene Kraftstoffdruck in der Kraftstoff-Vorlaufleitung ist, dient dabei die Kraftstoffpumpe, über die der Kraftstoffmassenstrom den jeweiligen Anforderungen entsprechend veränderbar ist. Damit sind also unterschiedliche Druckniveaus in der von der Pumpe zu den Kraftstoffeinspritzventilen führenden Kraftstoff-Vorlaufleitung einstellbar, was bspw. auch für die Durchführung eines Kaltstarts vorteilhaft ist. Dabei enthält dieser bekannte Stand der Technik überhaupt keinen Rücklauf in den Kraftstoff-Tank, so dass sämtliche mit einem derartigen Rücklauf verbundenen Probleme (wie Erwärmung des Tankinhalts, Emissionen von Kraftstoffdämpfen, Bauaufwand u.v.m.) nicht auftreten können.
• Benötigt eine Brennkraftmaschine in unterschiedlichen Betriebspunkten extrem unterschiedliche Kraftstoffmengen, so wie dies bspw. bei Hochleistungs-Brennkraftmaschinen der Fall ist, so kann im Hinblick auf das sog. Zeitfenster, in welchem überhaupt nur eine Kraftstoffeinspritzung erfolgen kann, eine entsprechende Mengenvariation praktisch nur mit einer damit einhergehenden Druckvariation umgesetzt werden. Wenn dann eine entsprechend ansteuerbare Kraftstoffpumpe im Hinblick auf die maximal zu erbringende Fördermenge bei dem maximal bereit zu stellenden Kraftstoffdruck ausgelegt wird, so ist diese Kraftstoffpumpe dermaßen leistungsstark, dass sie geringere Kraftstoffmengen, wie sie im Niederlast-Betrieb der Brennkraftmaschine benötigt werden, nur mit sehr schlechtem Wirkungsgrad fördern kann.
• Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik an einer Kraftstoffversorgungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektronisch bedarfsgeregelten Kraftstoffpumpe eine weitere Kraftstoffpumpe parallel geschaltet ist und dass in der Vorlaufleitung ein mechanischer Druckregler vorgesehen ist, der zur Begrenzung auf einen maximalen Druckwert eine überschüssige Kraftstoffmenge in den Kraftstoff-Tank und insbesondere in einen in diesem vorgesehenen Schwalltopf zurückleitet. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Inhalt des Anspruchs 2, während in Anspruch 3 ein bevorzugtes Betriebsverfahren für eine erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungsanlage angegeben ist.
• Erfindungsgemäß kann in weiten Betriebsbereichen das Kraftstoffversorgungssystem rücklauffrei betrieben werden, wenn in diesen weiten Betriebsbereichen wie grundsätzlich bekannt nur eine bzw. die bedarfsgeregelte Kraftstoffpumpe betrieben wird. Damit diese bedarfsgeregelte Kraftstoffpum pe auch relativ geringe Mengen von Kraftstoff wirkungsgradgünstig fördern kann, ist diese (erste) Pumpe nicht im Hinblick auf die von der Brennkraftmaschine maximal benötigte Kraftstoffmenge ausgelegt, sondern hierfür ist eine zweite Kraftstoffpumpe vorgesehen, die bei entsprechendem Bedarf der ersten Pumpe parallel geschaltet wird. Die zweite Kraftstoffpumpe wird also nur dann betrieben, wenn eine große Kraftstoffmenge benötigt wird, während die erste Pumpe alleine überhaupt nicht in der Lage ist, eine entsprechend große Kraftstoffmenge zu fördern. Grundsätzlich könnte nun die zweite, zur ersten Pumpe bedarfsweise parallel betriebene Pumpe ebenfalls elektronisch bedarfsgeregelt sein, jedoch würde dies einen relativ hohen Aufwand bedeuten. In Anbetracht der Tatsache, dass große Kraftstoffmengen nur in wenigen Hochleistungs-Betriebspunkten bzw. -Betriebszuständen der Brennkraftmaschine benötigt werden, ist für diesen Spitzenbedarf von Kraftstoff ein üblicher mechanischer Druckregler mit anteiliger Rückführung von Kraftstoff insbesondere wegen des geringen Aufwands durchaus gerechtfertigt, so dass für den nicht allzu häufigen Betrieb von beiden Kraftstoffpumpen parallel die übliche Druckregelung mit Kraftstoff-Rücklauf durchgeführt wird. Der Druckwert des Druckreglers muss hierfür selbstverständlich entsprechend hoch eingestellt sein, d.h. auf einen maximalen Druckwert im Kraftstoff-System, der bei Betrieb der beiden Kraftstoffpumpen parallel zwar erreicht, nicht jedoch überschritten werden soll.
• Die vorliegende Erfindung schlägt somit einen idealen Kompromiss vor und ermöglicht in den zumeist vorliegenden Betriebzuständen mit geringem oder mittleren Kraftstoffbedarf eine variable Druckregelung ohne Kraftstoff-Rücklauf unter hohem Wirkungsgrad ohne den Nachteil einer unnötigen Erwärmung des im Tank befindlichen Kraftstoff-Volumens, während für wenige Hochleistungs-Betriebszustände der Brennkraftmaschine auf einfache Weise die benötigte Kraftstoffmenge sicher bereit gestellt werden kann. Ein entsprechendes Betriebsverfahren für eine erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine ist also dadurch gekennzeichnet, dass bei geringem und mittlerem Kraftstoffbedarf nur eine bzw. die erste, elektronisch bedarfsgeregelte Kraftstoffpumpe im Hinblick auf ein mit steigendem Kraftstoff-Bedarf ansteigendes Druckniveau im wesentlichen rücklauflos betrieben wird, während bei hohem Kraftstoffbedarf mit Erreichen der maximalen Förderleistung der ersten Kraftstoffpumpe eine bzw. die zweite Kraftstoffpumpe zusätzlich in Betrieb genommen wird. Dann erfolgt der Einfachheit halber eine Druckregelung mittels eines insbesondere mechanischen Druckreglers unter Rückführung überschüssiger Kraftstoffmenge insbesondere in einem im Kraftstofftank vorgesehen Schwalltopf, aus dem heraus vorzugsweise die beiden Kraftstoffpumpen den Kraftstoff ansaugen. Vorzugsweise ist der genannte Druckregler ebenfalls innerhalb des Kraftstofftanks angeordnet, u.a. im Hinblick auf eine Minimierung der Kraftstoffemissionen, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass diese von der Fördermenge der zweiten Kraftstoffpumpe rückgeführte Kraftstoffmenge relativ gering ist.
• Oftmals sind in Kraftstofftanks insbesondere von Kraftfahrzeugen Saugstrahlpumpen vorgesehen, mit Hilfe derer Kraftstoff bspw. aus der einen Tankhälfte in eine andere Tankhälfte oder vom Tankboden in einen sog. Schwalltopf geleitet wird. Betrieben werden diese Saugstrahlpumpen üblicherweise durch den rückgeführten Kraftstoffstrom. Da bei rücklauflosen Betrieb jedoch kein solcher vorhanden ist, wird weiterhin vorgeschlagen, dass zumindest eine im Tank vorgesehene Saugstrahlpumpe über einen von der Vorlaufleitung abzweigenden Rücklaufzweig versorgt wird, in dem eine Vordrossel sowie ein zur Vorlaufleitung hin sperrendes Rückschlagventil vorgesehen sind. Mittels der Vordrossel wird dabei die Menge von zur Saugstrahlpumpe gefördertem Kraftstoff begrenzt und gleichzeitig ein geeignetes Druckniveau eingestellt, während das Rückschlagventil ein Leerlaufen des besagten Schwalltopfes, in welchen die Saugstrahlpumpe fördert, bei Stillstand der Kraftstoffpumpen verhindert.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Figur lediglich prinzipiell dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter erläutert.
• Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs in sog. Sattelbauart bezeichnet. In der rechten Tankhälfte befindet sich ein Schwalltopf 2 , aus dem zwei Kraftstoffpumpen 4a, 4b durch ein Saugsieb 3 Kraftstoff ansaugen können. Diese beiden Kraftstoffpumpen 4a, 4b sind zueinander parallel geschaltet und weisen demzufolge ausgangsseitig jeweils neben einem Druckbegrenzungsventil 5 ein zu einer gemeinsamen Förderleitung 6 hin öffnendes Rückschlagventil 7 auf. Diese gemeinsame Förderleitung 6 verzweigt sich über ein erstes Rückschlagventil 8 in eine sog. Kraftstoff-Vorlaufleitung 9 und über ein zweites Rückschlagventil 10 in einen sog. Rücklaufzweig 11.
• In der letztlich zu den nicht dargestellten Kraftstoff-Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine 21 führenden Vorlaufleitung 9 befindet sich ein Kraftstofffilter 12, stromab dessen ein Abzweig zu einem Druckregler 13 vorgesehen ist. Von diesem aus führt eine Rücklaufleitung 14 in den Schwalltopf 2. Dieser mechanische Druckregler 13 ist zur Einstellung eines maximalen Kraftstoffdruckes in der Vorlaufleitung 9 vorgesehen und leitet zur Einhaltung dieses maximalen Druckes ggf. dann eine überschüssige Menge von Kraftstoff über die Rücklaufleitung 14 in den Tank, wenn beide Kraftstoffpumpen 4a, 4b mit maximaler Fördereistung parallel betrieben werden. Beispielsweise sei dieser mechanische Druckregler 13 auf einen maximalen Druck in der Größenordnung von 6 bar eingestellt. Der Druckregler 13 sowie das Kraftstofffilter 12 sowie die zugeordneten von der Pumpen 4a, 4b kommenden Kraftstoffleitungen und die Rücklaufleitung 14 befinden sich dabei innerhalb des Kraftstofftanks 1.
• Nahe der Brennkraftmaschine 21 ist an die Vorlaufleitung 9 ein Drucksensor 15 angeschlossen, der den jeweils herrschenden Kraftstoffdruck ermittelt und über eine Datenleitung einer elektronischen Steuereinheit 16 übermittelt. Bevorzugt handelt es sich bei dieser elektronischen Steuereinheit um dieselbe, die auch die gesamte elektronische Steuerung der Brennkraftmaschine 21 übernimmt. Diese elektronische Steuereinheit 16 steuert eine elektrische Leistungsendstufe 17 an, über welche die beiden Kraftstoffpumpen 4a, 4b mit elektrischer Energie versorgt und somit betrieben werden können.
• Die erste Kraftstoffpumpe 4a kann über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung mit variabler Förderleistung betrieben werden. Dabei wird diese erste Kraftstoffpumpe 4a von der elektronischen Steuereinheit 16 alleinig angesteuert, solange seitens der Brennkraftmaschine 21 nur ein geringer oder mittlerer Kraftstoffbedarf vorliegt, und zwar dann derart, dass sich bedarfsabhängig ein unterschiedliches Druckniveau in der Kraftstoffvorlaufleitung 9 einstellt. Bei geringem Kraftstoffbedarf wird die erste Kraftstoffpumpe 4a somit mit geringer Förderleistung betrieben und es wird unter Auswertung der Signale des Drucksensors 15 in der Vorlaufleitung 9 ein Druckniveau bspw. in der Größenordnung von 3 bar eingestellt. Mit steigendem Kraftstoffbedarf wird der Druck in der Vorlaufleitung 9 durch Steigerung der Pumpen-Förderleistung kontinuierlich gesteigert, bis bspw. bei einem Druckniveau in der Größenordnung von 5 bar und mittlerem Kraftstoffbedarf die erste Kraftstoffpumpe 4a ihre Leistungsgrenze erreicht hat.
• Bei weiter ansteigendem Kraftstoffbedarf wird die zweite Kraftstoffpumpe 4b mit konstanter Förderleistung zugeschaltet, so dass dann beide Kraftstoffpumpen 4a, 4b jeweils mit im wesentlichen maximaler Förderleistung betrieben werden. In diesem Hochleistungs-Betriebszustand der Brennkraft maschine 21 wird dann ein im wesentlichen konstantes Kraftstoff-Druckniveau durch den Druckregler 13 eingeregelt, wie bereits gesagt wurde in der Größenordnung von bspw. 6 bar.
• In der Figur sind symbolisch noch zwei Saugstrahlpumpen 18a, 18b dargestellt, wobei jede Saugstrahlpumpe mit dem im bereits genannten Rücklaufzweig 11 strömenden Kraftstoff versorgt bzw. betrieben wird. Die erste Saugstrahlpumpe 18a dient dazu, Kraftstoff aus der linken Hälfte des Sattel-Tanks 1 in den in dessen rechter Hälfte vorgesehenen Schwalltopf 2 zu fördern, und mit der zweiten Saugstrahlpumpe 18b wird Kraftstoff aus der rechten Tank-Hälfte in den Schwalltopf 2 gefördert. Stromauf der Saugstrahlpumpen 18a, 18b sind in dem (sich verzweigenden) Rücklaufzweig 11 eine Vordrossel 19 sowie Schmutzfilter 20 vorgesehen, jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (3)

1. Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einer im Hinblick auf ein variables Kraftstoff-Druckniveau elektronisch bedarfsgeregelten Kraftstoffpumpe (4a), die aus einem Kraftstoff-Tank (1) über eine Vorlaufleitung (9) Kraftstoff zu den Einspritzventilen der (21) fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronisch bedarfsgeregelten Kraftstoffpumpe (4a) eine weitere Kraftstoffpumpe (4b) parallel geschaltet ist und dass in der Vorlaufleitung (9) ein mechanischer Druckregler (13) vorgesehen ist, der zur Begrenzung auf einen maximalen Druckwert eine überschüssige Kraftstoffmenge in den Kraftstoff-Tank (1) und insbesondere in einen in diesem vorgesehenen Schwalltopf (2) zurückleitet.
2. Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine im Tank (1) vorgesehene Saugstrahlpumpe (18a, 18b) über einen von der Vorlaufleitung (9) abzweigenden Rücklaufzweig (11) versorgt wird, in dem eine Vordrossel (19) sowie ein zur Vorlaufleitung (9) hin sperrendes Rückschlagventil (10) vorgesehen sind.
3. Betriebsverfahren für eine Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringem und mittlerem Kraftstoffbedarf nur die erste, elektronisch bedarfsgeregelte Kraftstoffpumpe (4a) im Hinblick auf ein mit steigendem Kraftstoff-Bedarf ansteigendes Druckniveau im wesentlichen rücklauflos betrieben wird und dass bei hohem Kraftstoffbedarf mit Erreichen von deren maximaler Förderleistung die zweite Kraftstoffpumpe (4b) in Betrieb genommen wird.