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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Gegenstand der Erfindung ist
ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems nach
dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
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Die
DE 101 56 429 A1 offenbart
ein Kraftstoffsystem, bei dem eine elektrische Kraftstoffpumpe Kraftstoff
in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung fördert. Diese ist mit einem
Druckbegrenzungsventil verbunden, welches oberhalb eines bestimmten Drucks
gegen die Kraft einer Feder öffnet
und so Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung abführt. Die Kraftstoffleitung
bei dem bekannten Kraftstoffsystem ist ferner mit einem Volumenspeicher
verbunden, durch den im Betrieb des Kraftstoffsystems Druckspitzen gedämpft werden
sollen.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, das Startverhalten einer
Brennkraftmaschine, die von dem Kraftstoffsystem gespeist wird,
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
die Erfindung wird erreicht, dass auch nach einem längeren Abstellen
der Brennkraftmaschine der Druck in der Kraftstoffleitung auf einem gewissen
Niveau aufrechterhalten wird, so dass bei einem darauffolgenden
Starten der Brennkraftmaschine der Kraftstoff gut zerstäubt wird,
was zu einem verbesserten Anlassverhalten der Brennkraftmaschine
führt.
Darüber
hinaus wird erfindungsgemäß vermieden,
dass der Druck in der Kraftstoffleitung so weit absinkt, dass der
Dampfdruck des Kraftstoffs unterschritten wird und sich Gasblasen
bilden. Derartige Gasblasen könnten
zu Startproblemen, beispielsweise einem verzögerten Start, führen, im
Extremfall einen Start sogar unmöglich
machen.
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Erreicht
wird dies beispielsweise dadurch, dass auf eine Entlastungseinrichtung
für die
Kraftstoffleitung verzichtet wird und so die Kraftstoffleitung und
der Volumenspeicher dann, wenn kein Kraftstoff gefördert wird,
ein jederzeit geschlossenes System bilden. Kommt es nach dem Abstellen
der Brennkraftmaschine zunächst
zu einer Erwärmung
des Kraftstoffes aufgrund von Wärmeleitung
von der Brennkraftmaschine her, dehnt sich der in der Kraftstoffleitung
und dem Volumenspeicher eingeschlossene Kraftstoff aus. Anders als
beim Stand der Technik wird dieses zusätzliche Kraftstoffvolumen jedoch nicht
durch eine Entlastungseinrichtung abgelassen, sondern in dem Volumenspeicher
reversibel aufgenommen. Kühlt
nun nach längerer
Abstellzeit der Kraftstoff wieder ab, wird das im Volumenspeicher gespeicherte
Kraftstoffvolumen wieder in die Kraftstoffleitung zurückgeführt. Da
die in der Kraftstoffleitung und dem Volumenspeicher eingeschlossene Kraftstoffmenge
sich nicht verändert
hat, wird auf diese Weise ein unzulässig starker Druckabfall in
der Kraftstoffleitung vermieden.
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Eine
vorteilhafte, da konstruktiv einfache Realisierung der Erfindung
umfasst einen Volumenspeicher mit einer beweglichen Wand, die von
einer Vorspanneinrichtung beaufschlagt wird. Insbesondere dann,
wenn die bewegliche Wand als Membrane ausgebildet ist, wird eine
hohe Fluiddichtheit des Volumenspeichers und damit eine gute Abgeschlossenheit
des aus Kraftstoffleitung und Volumenspeicher gebildeten Systems
erreicht.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgesehene Wegbegrenzung
wird eine Volumen/Weg-Kennlinie des Volumenspeichers geschaffen,
welche Segmente mit unterschiedlicher Steigung aufweist. Dies ermöglicht eine
gute Anpassung der Eigenschaften des Volumenspeichers an die spezifischen
Anforderungen des Kraftstoffsystems beziehungsweise der Brennkraftmaschine.
So kann beispielsweise die Wegbegrenzung so ausgelegt sein, dass
in der Kraftstoffleitung wenigstens in etwa ein Soll-Betriebsdruck herrscht,
wenn die bewegliche Wand durch die Wegbegrenzung gestoppt wird.
In der Folge kann der Druck in der Kraftstoffleitung nach dem Abschalten der
Brennkraftmaschine und dem Abkühlen
des in der Kraftstoffleitung eingeschlossenen Kraftstoffs dieser
wenigstens in etwa auf dem Soll-Betriebsdruck gehalten werden.
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Möglich ist
aber auch eine Auslegung, bei der die Wegbegrenzung der beweglichen
Wand so ausgelegt ist, dass in der Kraftstoffleitung ein Soll-Betriebsdruck
noch nicht herrscht, wenn die bewegliche Wand durch die Wegbegrenzung
gestoppt wird. Dies hat zur Folge, dass nach dem Abschalten der
Brennkraftmaschine und beim Abkühlen
des in der Kraftstoffleitung eingeschlossenen Kraftstoffes sich
die bewegliche Wand von der Wegbegrenzung löst und so die Volumenverkleinerung
des Kraftstoffes aufgrund der Abkühlung ausgleicht, was letztlich
eine wenigstens annähernde
Druckkonstanthaltung in dem geschlossenen System gestattet.
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Um
dennoch im Betrieb des Kraftstoffsystems, bei fördernder Kraftstoffpumpe, eine
einfache Druck-Konstanthaltung in der Kraftstoffleitung zu ermöglichen,
wird vorgeschlagen, dass ein Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil
fluidisch zwischen der Kraftstoffpumpe und einem Rückschlagventil
angeordnet ist, welches von der Kraftstoffleitung zur Kraftstoffpumpe
hin sperrt.
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Alternativ
zu einem mechanischen Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil ist
auch eine elektrische Bedarfsregelung denkbar, bei welcher der Druck
beispielsweise von einem Sensor erfasst und die Förderleistung
oder die Drehzahl der Kraftstoffpumpe entsprechend gesteuert wird.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine,
mit einer Kraftstoffleitung und einem Volumenspeicher;
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2 ein
Diagramm, in dem eine Temperatur des in der Kraftstoffleitung von 1 eingeschlossenen
Kraftstoffes nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine über die
Zeit aufgetragen ist;
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3 ein
Diagramm, in dem ein Druck des in der Kraftstoffleitung von 1 eingeschlossenen Kraftstoffes
nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine über der Zeit aufgetragen ist;
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4 eine
Druck/Volumen-Kennlinie eines ersten Ausführungsbeispieles des Volumenspeichers von 1;
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5 eine
Druck/Volumen-Kennlinie eines zweiten Ausführungsbeispieles des Volumenspeichers;
und
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6 ein
Schnitt durch eine Detaildarstellung des Volumenspeichers von 1.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
Kraftstoffsystem trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es
gehört
zu einer Brennkraftmaschine 12.
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Das
Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14,
aus dem eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe 16 den
Kraftstoff über
ein Rückschlagventil 18 in
eine Kraftstoffleitung 20 fördert. Das Rückschlagventil 18 sperrt
von der Kraftstoffleitung 20 zur Kraftstoffpumpe 16 hin.
Zwischen Kraftstoffpumpe 16 und Rückschlagventil 18 ist
fluidisch ein Druckbegrenzungsventil 22 angeordnet.
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Die
Kraftstoffleitung 20 führt
zu einer von der Brennkraftmaschine 12 mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 24.
Diese verdichtet den Kraftstoff auf einen hohen Druck und fördert ihn
in einen Kraftstoffspeicher 26 ("Rail"),
in dem der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. An den Kraftstoffspeicher 26 sind
mehrere Injektoren 28 angeschlossen, die den Kraftstoff
direkt in Brennräume der
Brennkraftmaschine 12 einspritzen.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der Kraftstoff nicht direkt in die Brennräume eingespritzt. Statt dessen
ist in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine ein Injektor angeordnet,
der den Kraftstoff in den durch das Saugrohr strömenden Luftstrom einbringt.
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Mit
der Kraftstoffleitung 20 ist ein Volumenspeicher 30 verbunden.
Dessen Aufbau ist stärker
im Detail aus 6 ersichtlich: Er umfasst ein
Gehäuse 32 mit
einer Öffnung 34,
die mit der Kraftstoffleitung 20 kommuniziert. Die Öffnung 34 führt zu einem Speicherraum 36,
der von einer als Membran ausgebildeten beweglichen Wand 38 begrenzt
wird. An deren vom Speicherraum 36 abgewandten Seite liegt ein
Kolben 40 an, der von einer Feder 42 zum Speicherraum 36 hin
beaufschlagt wird.
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In
dem in den 1 und 6 gezeigten drucklosen
Zustand wird hierdurch die Membran 38 gegen einen eine
erste Wegbegrenzung bildenden mechanischen Anschlag 44 gedrückt, durch
den jene Stellung der Membran 38 definiert wird, in der
der Speicherraum 36 sein minimales Volumen hat. Das maximale
Volumen des Speicherraums 36 wird durch einen eine zweite
Wegbegrenzung bildenden Anschlag 46 definiert, an dem der
Kolben 40 in Anlage kommt, wenn der Druck im Speicheraum 36 ein
bestimmtes Niveau erreicht. In dieser Lage der Membran 38 hat
der Speicherraum 36 sein maximales Volumen.
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Das
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zugrunde
liegende Kraftstoffsystem 10 arbeitet folgendermaßen: Im
Normalbetrieb fördert
die Kraftstoffpumpe 16 Kraftstoff über die Kraftstoffleitung 20 zur
Hochdruckkraftstoffpumpe 24. Der Druck in der Kraftstoffleitung 20 wird
durch das Druckbegrenzungsventil 22 auf ein bestimmtes
Niveau begrenzt. Nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 12 endet
die Förderung
durch die Kraftstoffpumpe 16 und die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 24.
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Das
Rückschlagventil 18 ist
somit geschlossen, so dass die Kraftstoffleitung 20 und
der mit dieser verbundene Volumenspeicher 30 ein insgesamt und
jederzeit (also während
des nun einsetzenden Aufwärm-
und Abkühlvorgangs) geschlossenes
System bilden. Eine Entlastungseinrichtung, welche bei einer Druckerhöhung in
der Kraftstoffleitung 20 bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 12 Kraftstoff zum
Kraftstoffbehälter 14 zurückführen und
hierdurch den Druck in der Kraftstoffleitung 20 begrenzen
könnte,
ist nicht vorgesehen.
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Aufgrund
von Wärmeleitung
von der Brennkraftmaschine 12 her steigt nach dem Abschalten
der Brennkraftmaschine 12 die Temperatur T des in der Kraftstoffleitung 20 eingeschlossenen
Kraftstoffes zunächst
an (Bereich 48 in 2). In der
Folge dehnt sich der eingeschlossene Kraftstoff aus, was zu einem
gewissen Ansteigen des Drucks in der Kraftstoffleitung 20 führt (Bereich 50 in 3).
Die Volumenausdehnung des eingeschlossenen Kraftstoffes wird jedoch
zumindest zum Teil durch eine entsprechende Bewegung der Membran 38 des
Volumenspeichers 30 zum Anschlag 46 hin kompensiert.
Der Druckanstieg ist daher weniger stark als bei einem Kraftstoffsystem 10 ohne
einen solchen Volumenspeicher (gestrichelte Linie in 3).
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Nach
einer gewissen Zeit kühlt
der in der Kraftstoffleitung 20 eingeschlossene Kraftstoff
wieder ab (Bereich 52 in 2). In der
Folge verringert sich das Volumen des eingeschlossenen Kraftstoffes, was
zu einer Druckreduzierung führt
(Bereich 54 in 3). Da jedoch in dem Volumenspeicher 30 ein gewisses
Kraftstoffvolumen gespeichert ist, kann sich nun die Membran 38 vom
Anschlag 46 in Richtung des Anschlags 44 bewegen
und so die Volumenänderung
des eingeschlossenen Kraftstoffes zumindest zum Teil so ausgleichen,
dass der Druckabfall 54 vergleichsweise gering ist. Damit
wird sichergestellt, dass bei einem Neustart der Brennkraftmaschine 12 ein
so hoher Druck in der Kraftstoffleitung 20 vorliegt, dass
keine Dampfblasen entstehen, die einen Start der Brennkraftmaschine 12 erschweren würden.
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Der
Volumenspeicher 30 kann entsprechend 4 ausgelegt
sein: In dieser ist der Druck p über dem
gespeicherten Volumen Q aufgetragen. Die auf diese Weise gebildete
Kennlinie 56 des Volumenspeichers 30 weist drei
im Wesentlichen linear verlaufende Segmente 56a, 56b und 56c auf.
Das mittlere Segment 56b hat eine deutlich kleinere Steigung als
die beiden Endsegmente 56a und 56c.
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Der
Anschlag 46 und die Feder 42 sind so ausgelegt,
dass dann, wenn der Kolben 40 den Anschlag 46 erreicht,
in der Kraftstoffleitung 20 und im Speicherraum 36 des
Volumenspeichers 30 ein Soll-Betriebsdruck pop herrscht.
Nach dem Abkühlen (Pfeil 58 in 4)
herrscht in der Kraftstoffleitung 20 immer noch ein Abstelldruck
pab, der nur geringfügig unter dem Soll-Betriebsdruck
pop liegt.
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In 5 ist
eine Kennlinie 56 eines etwas anders ausgelegten Volumenspeichers 30 dargestellt.
Dabei werden der Einfachheit halber für äquivalente Sachverhalte die
gleichen Bezugszeichen wie in 4 verwendet.
Bei der Ausführungsform
gemäß 5 sind
Feder 42 und Anschlag 46 so aufeinander abgestimmt,
dass in der Kraftstoffleitung 20 der Soll-Betriebsdruck
pop noch nicht herrscht, wenn die Membran 38 am
Anschlag 46 in Anlage kommt (Übergang vom Segment 56b zum
Segment 56c der Kennlinie 56).
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Dies
bedeutet, dass bei der Erwärmung
des eingeschlossenen Kraftstoffes unmittelbar nach dem Abstellen
der Brennkraftmaschine 12 der Druck p in der Kraftstoffleitung 20,
auch nachdem die Membran 38 den Anschlag 46 erreicht
hat, weiter steigt bis zum Soll-Betriebsdruck pop.
Bei einer Abkühlung
(Pfeil 58) löst
sich dann die Membran 38 vom Anschlag 46 und gleicht
so die Volumenverkleinerung des Kraftstoffes aus. Der Druck p in
dem durch die Kraftstoffleitung 20 und dem Volumenspeicher 30 gebildeten
geschlossenen System bleibt auch hier so ausreichend hoch, dass
Dampfblasen nicht auftreten können.