Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zum Zuliefern von Kraftstoff
für eine Brennkraftmaschine, mit einem Vorratsbehälter, einer ersten Kraftstoffpumpe,
welche eingangsseitig mit dem Vorratsbehälter verbunden ist, einer zweiten Kraftstoffpumpe,
welche eingangsseitig über eine Kraftstoffverbindung mit der ersten Kraftstoffpumpe
verbunden ist, mit einer Druckeinstellungseinrichtung für die Ausgangsseite der zweiten
Kraftstoffpumpe und mit einer Druckdämpfungseinrichtung, welche in der Kraftstoffverbindung
zwischen erster und zweiter Kraftstoffpumpe angeordnet ist.
[0002] Ein derartiges Kraftstoffsystem ist aus der DE 195 39 885 A1 bekannt. Diese zeigt
ein Kraftstoffsystem, bei dem eine erste Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstoff-Vorratsbehälter
Kraftstoff über eine Kraftstoffleitung zu einer zweiten Kraftstoffpumpe fördert. Bei
der zweiten Kraftstoffpumpe handelt es sich um eine von der Brennkraftmaschine angetriebene
Hochdruck-Kraftstoffpumpe. Diese Hochdruck-Kraftstoffpumpe fördert den Kraftstoff
unter sehr hohem Druck in eine Kraftstoff-Sammelleitung (auch "Rail" genannt). Von
dort gelangt der Kraftstoff zu mindestens einem Einspritzventil. Über dieses wird
der Kraftstoff schließlich in den Brennraum eingespritzt. Üblicherweise ist die Anzahl
der Einspritzventile gleich der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine. Das Kraftstoffsystem
kann so gebaut sein, dass das Einspritzventil den Kraftstoff direkt in einen Brennraum
der Brennkraftmaschine spritzt.
[0003] Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung, also der ausgangsseitige Druck der Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
wird durch eine Druckeinstelleinrichtung eingestellt. Bei dieser kann es sich z.B.
um ein Mengensteuerventil handeln, dessen Eingangsseite mit dem Auslass der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
verbunden ist, und dessen Ausgangsseite wiederum mit dem Einlass der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
verbunden ist. Bei geöffnetem Mengensteuerventil wird der Kraftstoff vom Auslass der
Hochdruck-Kraftstoffpumpe zu deren Eingang zurückgefördert. Somit gelangt nur eine
kleinere Menge oder auch überhaupt kein Kraftstoff zur Kraftstoff-Sammelleitung. In
der Kraftstoffverbindung zwischen erster Kraftstoffpumpe und Hochdruck-Kraftstoffpumpe
ist ein Druckdämpfer angeordnet, welcher normalerweise einen Kolben umfasst, der von
einer Feder vorgespannt wird. Bei einer kurzfristigen Druckerhöhung wird der Kolben
gegen die Federbeaufschlagung bewegt und hierdurch die Druckschwingung gedämpft.
[0004] Das bekannte Kraftstoffsystem arbeitet bereits sehr zufriedenstellend. Wünschenswert
ist jedoch, dass es noch preiswerter und einfacher hergestellt werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass in der Kraftstoffverbindung zwischen erster und zweiter Kraftstoffpumpe,
nahe bei der zweiten Kraftstoffpumpe und in Strömungsrichtung gesehen vor einer Einmündung
der Druckeinstelleinrichtung, eine Strömungssperre angeordnet ist, welche eine Strömung
nur in Richtung zur zweiten Kraftstoffpumpe hin zulässt.
Vorteile der Erfindung
[0006] Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Kosten für das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem
in erheblichem Umfang von der Qualität der verwendeten Komponenten abhängt. Bisher
war im Wesentlichen im gesamten Kraftstoffsystem, also auch in dem Bereich zwischen
erster Kraftstoffpumpe und zweiter Kraftstoffpumpe, in dem normalerweise ein niedrigerer
Kraftstoffdruck (ca. 4 bar) herrscht als in dem Bereich ausgangsseitig der zweiten
Kraftstoffpumpe, die Verwendung von solchen Komponenten erforderlich, welche hohe
Drücke unbeschadet überstehen können. Dies hing damit zusammen, dass für jenen Fall
vorgesorgt werden musste, dass der Druckdämpfer aufgrund eines technischen Fehlers
ausfällt.
[0007] In diesem Fall kann es nämlich aufgrund der Förderstrompulsationen am Einlass der
zweiten Kraftstoffpumpe sowie aufgrund der Absteuerstöße nach dem jeweiligen Förderende
der zweiten Kraftstoffpumpe zu erheblichen Druckpulsationen (bis ca. 15 bar) auch
in dem zwischen erster und zweiter Kraftstoffpumpe gelegenen Bereich des Kraftstoffsystems
kommen. Um eine Zerstörung der in diesem Bereich liegenden Komponenten und Verbindungselemente
in einem solchen Fall zu vermeiden, musste bisher hier eine relativ anspruchsvolle,
d.h. teure, Anschlusstechnik zum Einsatz kommen.
[0008] Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird nun dafür gesorgt, dass auch beim Ausfall
des Druckdämpfers keine oder wenigstens keine derartig starken Druckpulsationen ausgehend
von der zweiten Kraftstoffpumpe in den zwischen erster Kraftstoffpumpe und zweiter
Kraftstoffpumpe liegenden Bereich des Kraftstoffsystems eingeleitet werden können.
Die Druckpulsationen gehen nämlich immer mit einem kurzen Strömungsimpuls einher,
welcher von der zweiten Kraftstoffpumpe hin zur ersten Kraftstoffpumpe gerichtet ist.
Durch die erfindungsgemäße Strömungssperre wird verhindert, dass Kraftstoff von der
zweiten Kraftstoffpumpe zur ersten Kraftstoffpumpe hin strömen kann.
[0009] Hierdurch wird auch beim Ausfall des üblicherweise vorgesehenen Druckdämpfers sichergestellt,
dass stromaufwärts der Strömungssperre keine Druckpulsationen oder wenigstens keine
starken Druckpulsationen spürbar sind (die Begriffe "stromabwärts" bzw. "stromaufwärts"
beziehen sich auf die übliche globale Strömungsrichtung, welche von der ersten Kraftstoffpumpe
zur zweiten Kraftstoffpumpe hin gerichtet ist.
[0010] Nachdem durch die erfindungsgemäße Maßnahme sichergestellt ist, dass in dem stromaufwärts
der Strömungssperre gelegenen Bereich des Kraftstoffsystems keine oder nur geringe
Druckpulsationen auftreten können, können in diesem Bereich, in dem ein global relativ
niedriger Druck herrscht, preiswertere Komponenten verwendet werden. Hierdurch werden
die Kosten für das gesamte Kraftstoffsystem erheblich gesenkt. Am effektivsten ist
die erfindungsgemäße Maßnahme, wenn die Strömungssperre in die zweite Kraftstoffpumpe
integriert ist.
[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
[0012] In einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems umfasst die
zweite Kraftstoffpumpe eine 1-Zylinder-Kolbenpumpe. Eine solche 1-Zylinder-Kolbenpumpe
wird üblicherweise von der Brennkraftmaschine direkt angetrieben. Bei einer solchen
1-Zylinder-Kolbenpumpe sind die erzeugten Druckpulsationen besonders ausgeprägt. Die
erfindungsgemäße Maßnahme führt hier also zu einer besonders hohen Kosteneinsparung.
[0013] Die Strömungssperre kann ein Rückschlagventil umfassen. Dieses kann beispielsweise
als Kugel-Rückschlagventil ausgebildet sein. Ein solches Rückschlagventil ist eine
äußerst preiswerte Strömungssperre.
[0014] Besonders bevorzugt ist jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems,
bei der eine Bypass-Kraftstoffverbindung vorgesehen ist, welche an der Strömungssperre
vorbeiführt, wobei in der Bypass-Kraftstoffverbindung ein hydraulischer Widerstand,
insbesondere eine Strömungsdrossel, angeordnet ist. Diese Weiterbildung basiert auf
folgender Überlegung:
[0015] Eine vollständige Sperrung in Richtung von der zweiten Kraftstoffpumpe zur ersten
Kraftstoffpumpe hin könnte zu einer sehr starken Belastung der "Hochdruckkomponenten"
führen, also jener Komponenten, welche stromabwärts der Strömungssperre liegen. Hierzu
gehören beispielsweise die zweite Kraftstoffpumpe selbst, die Druckeinstelleinrichtung
usw.. Auch ein gegebenenfalls vorhandener Druckdämpfer könnte in einem solchen Fall
Belastungen ausgesetzt sein, die seine Lebensdauer herabsetzen.
[0016] Durch die in der Weiterbildung vorgesehene Strömungsdrossel wird insgesamt eine Strömung
von der zweiten Kraftstoffpumpe zur ersten Kraftstoffpumpe hin nicht vollständig unterbunden,
sondern stark gedämpft. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Druckpulsationen nur
in stark gedämpfter Form in den stromaufwärts von der Strömungssperre bzw. der Strömungsdrossel
gelegenen Bereich des Kraftstoffsystems gelangen. Auf der anderen Seite wird durch
die Drossel sichergestellt, dass beim Kaltstart der Kraftstoff nahezu ohne Druckverlust
über die Drossel strömen kann.
Zeichnung
[0017] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1:
- ein schematisiertes Blockschaltbild eines Kraftstoffsystems mit einem Mengensteuerventil;
- Figuren 2a - 2c:
- eine schematische Schnittdarstellung des Mengensteuerventils von Fig. 1 in unterschiedlichen
Betriebszuständen;
- Figur 3a:
- ein Diagramm, in dem der Öffnungszustand des Mengensteuerventils aus Fig. 2 über der
Zeit aufgetragen ist; und
- Figur 3b:
- ein Diagramm, in dem das Fördervolumen des Mengensteuerventils von Fig. 2 über der
Zeit aufgetragen ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0018] In Fig. 1 trägt ein Kraftstoffsystem insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen
Niederdruckbereich 12 und einen Hochdruckbereich 14.
[0019] Der Niederdruckbereich 12 umfasst einen Vorratsbehälter 16, in dem Kraftstoff 18
bevorratet wird. Der Kraftstoff 18 wird aus dem Vorratsbehälter 16 von einer ersten
Kraftstoffpumpe 20 gefördert. Bei dieser handelt es sich um eine elektrische Kraftstoffpumpe.
Die elektrische Kraftstoffpumpe 20 fördert in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 22.
In dieser ist in der Nähe der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 ein Filter 24 angeordnet.
[0020] Zwischen elektrischer Kraftstoffpumpe 20 und Filter 24 zweigt von der Niederdruck-Kraftstoffleitung
22 eine Zweigleitung 26 ab, welche zum Vorratsbehälter 16 zurückführt. In der Zweigleitung
26 ist ein Druckbegrenzungsventil 28 angeordnet.
[0021] Die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 führt zu einer zweiten Kraftstoffpumpe 30. Diese
wird auf hier nicht näher erläuterte Weise von der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine
(nicht dargestellt) angetrieben. Stromaufwärts von der Hochdruckpumpe 30 sind in der
Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 noch ein Druckdämpfer 32 und ein Rückschlagventil
34 angeordnet.
[0022] Ausgangsseitig fördert die Hochdruckpumpe 30 in eine Kraftstoffleitung 36, welche
über ein Rückschlagventil 38 zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 40 führt. Diese wird
auch als "Rail" bezeichnet. An die Kraftstoff-Sammelleitung 40 sind wiederum Kraftstoff-Einspritzventile
42 angeschlossen, welche den Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum der
Brennkraftmaschine einspritzen. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 40 wird
von einem Drucksensor 44 erfasst. Um einen Überdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung
40 zu vermeiden, welcher die Funktionstüchtigkeit der Einspritzventile 42 beeinträchtigen
könnte, ist an der Kraftstoff-Sammelleitung 40 ein Druckbegrenzungsventil 46 vorgesehen.
Dieses ist fluidisch wiederum mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 verbunden.
[0023] Der Druck in der Kraftstoffleitung 36 und der Kraftstoff-Sammelleitung 40, also im
Hochdruckbereich 14 des Krafttoffsystems 10, wird über ein Mengensteuerventil 48 gesteuert.
Das Mengensteuerventil 48 verbindet den Hochdruckbereich 14 vor dem Rückschlagventil
38 mit dem zwischen dem Rückschlagventil 34 und dem Druckdämpfer 32 gelegenen Bereich
der Niederdruck-Krafttoffleitung 22. Von der Hochdruckpumpe 30 führt eine Leckageleitung
50 zu einer Zweigleitung 52, welche wiederum zum Vorratsbehälter 16 führt. An ihrem
anderen Ende ist die Zweigleitung 52 über den Druckregler 54, welcher den Druck im
Niederdruckbereich 12 des Kraftstoffsystems 10 auf einem gewünschten Wert konstant
hält, mit der Niederdruckkraftstoffleitung 22 verbunden.
[0024] In der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 ist stromaufwärts vom Druckdämpfer 32 eine
Strömungssperre 56 angeordnet, die vorliegend als Rückschlagventil ausgebildet ist.
Das Rückschlagventil 56 lässt eine Strömung nur in Richtung von der elektrischen Kraftstoffpumpe
20 zur Hochdruckpumpe 30 hin zu. Parallel zum Rückschlagventil 56 ist eine Bypassleitung
58 vorgesehen, in der wiederum eine Strömungsdrossel 60 angeordnet ist.
[0025] Bei der Hochdruckpumpe 30 handelt es sich um eine 1-Kolben-Pumpe. Ihr prinzipieller
Aufbau ist in den Fig. 2a - 2c dargestellt (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind
in den Fig. 2b und 2c nicht alle Bezugszeichen eingetragen). Sie umfasst einen Kolben
62, welcher von einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle 64 in axialer
Richtung bewegt wird. Der Kolben 62 ist in einem Pumpengehäuse 66 geführt. Oberhalb
des Kolbens 62 ist im Pumpengehäuse 66 ein Pumpenraum 68 vorhanden.
[0026] Einlassseitig ist der Pumpenraum 68 über das Rückschlagventil 34 mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung
22 verbunden. Ausgangsseitig fördert die Hochdruckpumpe 30 über das Rückschlagventil
38 in die Hochdruck-Kraftstoffleitung 36. Der Pumpenraum 68 ist auch über das Mengensteuerventil
48 mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 verbindbar. Bei dem Mengensteuerventil
48 handelt es sich um ein Magnetventil, dessen Magnet 70 auf einen Anker 72 wirkt,
der über eine Kolbenstange 74 gegen die Kraft einer Feder 76 ein Ventilglied 78 auf
einen Ventilsitz 80 drücken kann.
[0027] Fig. 2a zeigt die Hochdruckpumpe 30 während eines Saughubs. In diesem bewegt sich
der Kolben 62 nach unten, so dass der Pumpenraum 68 über das Rückschlagventil 34 aus
der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 mit Kraftstoff gefüllt wird. Wie aus Fig. 3a
erichtlich ist, ist während dieses Saughubs das Mengensteuerventil 48 geschlossen.
Nach dem Ende des Saughubs bewegt sich der Kolben 62 wieder nach oben (vgl. auch Fig.
3b). Dies wird als Förderhub bezeichnet (Fig. 2b). Das Rückschlagventil 34 ist ebenso
wie das Mengensteuerventil 48 weiterhin geschlossen. Hierdurch wird der sich im Pumpenraum
68 befindliche Kraftstoff komprimiert und über das Rückschlagventil 38 in die Hochdruck-Kraftstoffleitung
36 ausgestoßen.
[0028] Das Mengensteuerventil 48 wird aufgrund der vom Drucksensor 44 gelieferten Drucksignale
von einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit so angesteuert, dass in der
Kraftstoff-Sammelleitung 40 ein gewünschter Druck herrscht. Dies geschieht dadurch,
dass gegen Ende des Förderhubs das Mengensteuerventil 48 geöffnet wird. Dies ist in
Fig. 2c dargestellt. Der im Pumpenraum 68 komprimierte Kraftstoff kann über das Mengensteuerventil
48 schlagartig in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 entweichen. Dies führt in der
Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 zu einem Druckstoß, welcher auch als "Absteuerstoß"
bezeichnet wird. In entsprechender Weise kommt es auch während des Saughubs in der
Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 zu einer gewissen Druckabsenkung.
[0029] Die Druckdifferenz in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 zwischen dem minimalen
Druck während des Saughubs der Hochdruckpumpe 30 und dem maximalen Druck bei einem
Absteuerstoß kann bis zu 15 bar betragen. Bei sich im Normalfall schnell auf und ab
bewegendem Kolben 62 der Hochdruckpumpe 30 kommt es also im Einlassbereich der Hochdruckpumpe
30 zu Druckpulsationen mit hohen Druckgradienten. Diese werden üblicherweise durch
den Druckdämpfer 32 aufgefangen. Bei der Auslegung des Kraftstoffsystems 10 ist jedoch
der Fall zu berücksichtigen, dass der Druckdämpfer 32 aufgrund eines Fehlers die erforderliche
Druckdämpfung nicht mehr zur Verfügung stellen kann. Um dennoch die sich im Niederdruckbereich
12 des Kraftstoffsystems 10 befindlichen Komponenten sicher vor den durch die Druckpulsationen
hervorgerufenen hohen Drücken zu schützen, sind einerseits das Rückschlagventil 56
und andererseits die Drossel 60 vorgesehen.
[0030] Durch das Rückschlagventil 56 ist der normale Durchgang für die Druckschwingungen
in Richtung elektrischer Kraftstoffpumpe 20 blockiert. Die Druckschwingungen können
sich somit nur durch die Bypassleitung 58 und die in dieser angeordnete Drossel 60
fortsetzen. In der Drossel 60 werden die Druckschwingungen allerdings gedämpft. Auf
diese Weise gelangen nur gedämpfte Druckpulsationen von der Hochdruckpumpe 30 hin
zu den im Niederdruckbereich vorhandenen Komponenten, beispielsweise dem Filter 24,
dem Niederdruckregler 54 und der elektrischen Kraftstoffpumpe 20. Die besagten Komponenten
müssen daher nicht für die den Druckpulsationen entsprechenden hohen Drücke ausgelegt
sein und können somit preiswerter hergestellt werden.
[0031] Gleichzeitig muss jedoch sichergestellt sein, dass beim Kaltstart eine ausreichende
Kraftstoffmenge von der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 zu den Einspritzventilen 52
hin gefördert werden kann. Dies wird durch eine entsprechende Auslegung der Drossel
60 ermöglicht. Diese ist so gewählt, dass die erforderliche Kraftstoffmenge nahezu
ohne Druckverlust über die Drossel 60 von der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 zu den
Einspritzventilen 42 hin strömen kann.
[0032] Um möglichst den gesamten Niederdruckbereich 12 des Kraftstoffsystems 10 vor den
bei fehlerhaftem Druckdämpfer 32 durch die Hochdruckpumpe 30 verursachten Druckpulsationen
schützen zu können, sind Rückschlagventil 56 und Strömungsdrossel 60 vorzugsweise
möglichst nahe an der Hochdruckpumpe 30 angeordnet. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
sind sie direkt in den Anschlussstutzen der Hochdruckpumpe 30 integriert.
[0033] Grundsätzlich gilt, dass ein Schutz der im Niederdruckbereich 12 des Kraftstoffsystems
10 vorhandenen Komponenten vor zu hohen Druckpulsationen auch nur durch das Rückschlagventil
56 alleine bewirkt werden könnte. Im Normalbetrieb würde dies jedoch den Druckdämpfer
32 sehr stark belasten, da in einem solchen Fall überhaupt kein Kraftstoff durch die
Druckpulsationen in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 zurückgeschoben werden könnte.
Fällt der Druckdämpfer 32 vollständig aus, würde wiederum dann, wenn nur das Rückschlagventil
56 vorgesehen wäre, die Hochdruckpumpe 30 durch die hohen auftretenden Druckamplituden
sehr stark belastet werden, was deren Lebensdauer nachteilig beeinflussen könnte.
Das Versehen der Bypassleitung 58 mit der Drossel 60 schont somit im Normalbetrieb
den Druckdämpfer 32 und verringert bei einem Ausfall des Druckdämpfers 32 die Belastung
der Hochdruckpumpe 30, ohne andererseits die im Niederdruckbereich 12 angeordneten
Komponenten des Kraftstoffsystems zu hohen Druckpulsationen auszusetzen.
1. Kraftstoffsystem (10) zum Zuliefern von Kraftstoff (18) für eine Brennkraftmaschine,
mit einem Vorratsbehälter (16), einer ersten Kraftstoffpumpe (20), welche eingangsseitig
mit dem Vorratsbehälter (16) verbunden ist, einer zweiten Kraftstoffpumpe (30), welche
eingangsseitig über eine Kraftstoffverbindung (22) mit der ersten Kraftstoffpumpe
(20) verbunden ist, mit einer Druckeinstelleinrichtung (48) für die Ausgangsseite
der zweiten Kraftstoffpumpe (30) und mit einer Druckdämpfungseinrichtung (32), welche
in der Kraftstoffverbindung (22) zwischen erster (20) und zweiter Kraftstoffpumpe
(30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kraftstoffverbindung (22) zwischen erster (20) und zweiter Kraftstoffpumpe
(30), nahe bei der zweiten Kraftstoffpumpe (30) und in Strömungsrichtung gesehen vor
einer Einmündung der Druckeinstelleinrichtung (48), eine Strömungssperre (56) angeordnet
ist, welche eine Strömung nur in Richtung zur zweiten Kraftstoffpumpe (30) hin zulässt.
2. Kraftstoffsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kraftstoffpumpe eine 1-Zylinder-Kolbenpumpe (30) umfasst.
3. Kraftstoffsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssperre ein Rückschlagventil (56) umfasst.
4. Kraftstoffsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypass-Kraftstoffverbindung (58) vorgesehen ist, welche an der Strömungssperre
(56) vorbeiführt, wobei in der Bypass-Kraftstoffverbindung (58) ein hydraulischer
Widerstand, insbesondere eine Strömungsdrossel (60), angeordnet ist.