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Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe für ein Common Rail Kraftstoffeinspritzsystem, zur Förderung eines Fluids sowie ein Verfahren zur Förderung eines Fluids mittels einer solchen Pumpe.
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Kraftstoffeinspritzsysteme von Verbrennungskraftmaschinen weisen einen motornahen Hochdruckspeicher oder eine Speicherleitung auf, aus dem beziehungsweise aus der die einzelnen Kraftstoffeinspritzventile gespeist werden. Dieser Hochdruckspeicher wird oftmals als Common Rail bezeichnet. Die Pumpe, die den Hochdruckspeicher beliefert, soll den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck präzise bereitstellen können. Ventile können zur Steuerung des Drucks und des Volumenstroms eingesetzt werden.
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Die
DE 199 59 006 C1 und die
DE 199 27 826 A1 beschreiben jeweils Kraftstoffpumpen, die auch bei Minimalförderung der Pumpe mit allen Pumpenelementen der Pumpe Kraftstoff fördern.
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Die
DE 29 24 768 A1 beschreibt eine Pumpe, bei der in Abhängigkeit des Fördergrads der Pumpe Pumpeneinheiten zu- oder abgeschaltet werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe anzugeben, insbesondere eine Hochdruckpumpe für ein Common Rail Kraftstoffeinspritzsystem, die präzise und effektiv arbeitet. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, um mittels einer solchen Pumpe Fluid möglichst präzise und effektiv zu fördern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Eine Pumpe zur Förderung eines Fluids umfasst eine Mehrzahl von Pumpeneinheiten. Die Pumpeneinheiten weisen jeweils ein Zylindergehäuse auf, das einen Zylinderraum umgibt. Ein Pumpenkolben ist jeweils axial bewegbar in dem Zylinderraum angeordnet. Die Pumpeneinheiten weisen jeweils eine Fluidzuleitung zum Zuführen des Fluids auf. Die Pumpeneinheiten weisen jeweils ein Einlassventil zur Steuerung des Fluidflusses über die Fluidzuleitung in den Zylinderraum auf. Die Einlassventile weisen unterschiedliche Öffnungsdrücke auf, ab denen die Einlassventile jeweils den Fluidfluss freigeben, um die jeweiligen Pumpeneinheiten zuzuschalten, so dass die Pumpe die Förderung einer vorgegebenen Fördermenge erzielt. Die Öffnungsdrücke der Einlassventile sind so zueinander verschieden, dass der Fluidfluss zu einer Anzahl von m zugeschalteten Pumpeneinheiten freigegeben ist, wenn bei einer Anzahl von n Pumpeneinheiten die vorgegebene Fördermenge größer oder gleich m – 1/n der Gesamtfördermenge der Pumpe ist und kleiner m/n der Gesamtfördermenge der Pumpe ist.
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Die Einlassventile können jeweils ein Federelement aufweisen, deren Kräfte sich voneinander unterscheiden. Die Federelemente können jeweils unterschiedlich vorgespannt sein. Dadurch können die unterschiedlichen Öffnungsdrücke der Einlassventile relativ einfach realisiert werden.
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Die Einlassventile können jeweils einen Schließkörper aufweisen, der in einer Schließposition einem Fluidfluss von der Fluidzuleitung zu dem Zylinderraum abschließt und ansonsten den Fluidfluss freigibt. So ist ein präzises Zuschalten der Pumpeneinheiten durch die Einlassventile möglich.
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Die mindestens zwei Pumpeneinheiten können hydraulisch parallel gekoppelt sein. Die Pumpe kann eine Ringleitung aufweisen, die stromaufwärts der Pumpeneinheiten angeordnet ist und mit der die Fluidzuleitungen jeweils hydraulisch gekoppelt sind. Dadurch tragen die Pumpeneinheiten zu einem gemeinsamen Druckaufbau bei.
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Ein Verfahren zur Förderung eines Fluids mittels einer Pumpe umfasst ein Zuführen von Fluid an eine Pumpeneinheit der Pumpe. Die Pumpe weist eine Anzahl von n Pumpeneinheiten auf. Fluid wird an eine weitere Pumpeneinheit der Pumpe zugeführt, wenn die vorgegebene Fördermenge größer oder gleich m – 1/n der Gesamtfördermenge der Pumpe ist und kleiner m/n der Gesamtfördermenge der Pumpe ist.
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Das Verfahren kann weiterhin ein Ermitteln eines Fördergrads der Pumpe umfassen. Fluid zur Förderung durch die Pumpe wird abhängig von dem ermittelten Fördergrad bereitgestellt. So kann die Pumpe möglichst effektiv und präzise betrieben werden.
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Das Verfahren kann ein Unterbrechen eines Fluidflusses an die weitere Pumpeneinheit umfassen, um die Förderung der weiteren Pumpeneinheit zu verringern. So kann relativ einfach eine Pumpeneinheit abgeschaltet werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterten Beispielen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Pumpe,
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2 eine schematische Darstellung eines Einlassventils
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3A und 3B eine schematische Darstellung einer Pumpeneinheit,
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4A und 4B Graphen der Förderung einer Pumpe.
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1 zeigt eine Pumpe 100. Diese ist über Fluidleitungen mit einer weiteren Pumpe 102 hydraulisch gekoppelt. Die weitere Pumpe 102 ist stromaufwärts der Pumpe 100 angeordnet. Die weitere Pumpe 102 fördert Kraftstoff aus einem Kraftstofftank, in dem beispielsweise Diesel gelagert ist. Der Kraftstoff wird von der weiteren Pumpe 102 zu einem Volumenstromregelventil 104 gefördert. Das Volumenstromregelventil 104 regelt den Volumenstrom des Fluids an die Pumpe 100. Die weitere Pumpe 102 fördert zudem Fluid, das zur Schmierung der Pumpe 100 verwendet wird. Hydraulisch parallel zur weiteren Pumpe 102 ist ein Druckventil 103 angeordnet, das bei geschlossenen Volumenstromregelventil 104 öffnet und das Fluid wieder zur Saugseite der weiteren Pumpe 102 durchlässt.
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Die Pumpe 100 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Dreikolbenpumpe. Die Pumpe 100 kann auch eine Zweikolbenpumpe sein, sie kann auch mehr als drei Kolben aufweisen, beispielsweise vier oder mehr Kolben. Die Pumpe 100 weist eine Ringleitung 101 auf, die stromabwärts des Volumenstromregelventils 104 angeordnet ist. Pumpeneinheiten 110, 120 und 130 der Pumpe 100 sind hydraulisch mit der Ringleitung 101 gekoppelt. Die Pumpeneinheiten 110, 120, 130 weisen jeweils ein Zylindergehäuse 111, 121, 131 auf. Das Zylindergehäuse umgibt jeweils einen Zylinderraum 112, 122, 132, in dem jeweils ein Pumpenkolben 113, 123, 133 axial bewegbar angeordnet ist.
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Die Pumpeneinheiten sind jeweils über eine Fluidzuleitung 114, 124, 134 mit der Ringleitung 101 hydraulisch gekoppelt. Über die Fluidzuleitung kann jeweils Fluid aus der Ringleitung 101 an die Pumpeneinheiten gelangen. Die Fluidzuleitungen sind jeweils mit dem Zylinderraum hydraulisch gekoppelt. Stromaufwärts des Zylinderraums ist jeweils ein Einlassventil 116, 126 136 in der Fluidzuleitung angeordnet. Die Pumpeneinheiten weisen jeweils eine Fluidableitung 115, 125, 135 auf, über die Fluid aus dem jeweiligen Zylinderraum abgeführt werden kann. Die Fluidableitungen 115, 125, 135 sind mit einer weiteren Ringleitung gekoppelt. Die weitere Ringleitung ist beispielsweise mit einem Drucktank gekoppelt. Aus dem Drucktank können Einspritzventile einer Brennkraftmaschine Fluid in die Zylinder der Brennkraftmaschine einspritzen. Die hydraulische Kopplung zwischen der weiteren Ringleitung und dem Drucktank kann ein Druckregelventil umfassen.
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Das Volumenstromregelventil 104, das beispielsweise von einer Motorsteuerung gesteuert ist, ist eingerichtet, die Kraftstoffmenge, die den Pumpeneinheiten zugeführt wird, zu regeln. Durch die Regelung des Volumenstromregelventils 104 befindet sich im Ringkanal 101 immer genau die Menge an Fluid, die von der Pumpe 100 gefördert werden soll. In der Ringleitung 101 weist das Fluid einen Druck auf, der von der Menge des bereitgestellten Fluids abhängt. Das bereitgestellte Fluid kann über die Fluidzuleitungen 114, 124, 134 an die jeweiligen Pumpeneinheiten gelangen.
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Die Einlassventile 116, 126, 136 weisen unterschiedliche Öffnungsdrücke auf, ab denen sie jeweils den Fluidfluss in den entsprechenden Zylinderraum freigeben. Wird der Fluidfluss von einem Einlassventil freigegeben, wird die entsprechende Pumpeneinheit zugeschaltet, so dass sie zur Förderung der vorgegebenen Fördermenge der Pumpe beiträgt. Ist der Druck in der Ringleitung 101 niedriger als der Öffnungsdruck des Einlassventils, gibt das Einlassventil den Fluidfluss in den zugehörigen Zylinderraum nicht frei. Fluid kann nicht aus der Ringleitung 101 über die jeweilige Zuleitung in den Zylinderraum geführt werden. Wenn der Druck in der Ringleitung 101, beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen den jeweiligen Zylinderräumen und der Ringleitung, größer ist als der jeweilige Öffnungsdruck, wird der Fluidfluss zu der entsprechenden Pumpeneinheit freigegeben.
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Die Öffnungsdrücke der Einlassventile 116, 126, 136 unterscheiden sich so, dass bei einer in der Ringleitung 101 bereitgestellten Fördermenge, die bis zu einem Drittel der Gesamtfördermenge der Pumpe 100 entspricht, nur eine Pumpeneinheit fördert. Die Gesamtfördermenge entspricht einer Menge an Fluid, die die Pumpe 100 bei vollem Betrieb aller Pumpeneinheiten maximal fördert. Die Gesamtfördermenge entspricht einem Fördergrad der Pumpe 100 von 100 Prozent.
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Bei einer Fördermenge von bis zu einem Drittel der Gesamtfördermenge fördert beispielsweise lediglich die Pumpeneinheit 110. Übersteigt die zu fördernde Fluidmenge in der Ringleitung 101 ein Drittel der Gesamtfördermenge, wird der Fluidfluss an eine weitere Pumpeneinheit von dem zugehörigen Einlassventil freigegeben. Beispielsweise wird der Fluidfluss von dem Einlassventil 126 in den Zylinderraum 122 freigegeben, so dass die Pumpeneinheit 120 zugeschaltet ist und zur Förderung des Fluids aus der Ringleitung 101 beiträgt. Liegt die gewünschte Fördermenge über einem Drittel und unter zwei Drittel der Gesamtfördermenge der Pumpe 100, fördern lediglich zwei der drei Pumpeneinheiten. Die dritte Pumpeneinheit trägt nicht zur Förderung der Pumpe 100 bei, da das entsprechende Einlassventil den Fluidfluss nicht freigibt. Wenn die gewünschte Fördermenge, die in der Ringleitung 101 bereitgestellt ist, zwei Drittel der Gesamtfördermenge übersteigt, fördern alle drei Pumpeneinheiten der Pumpe 100.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Pumpe 100 zwei Pumpeneinheiten auf. Bei einer Zweikolbenpumpe sind die Öffnungsdrücke der Einlassventile so unterschiedlich, dass bei einer Fördermenge von bis zu etwa 50 Prozent der Gesamtfördermenge lediglich eine Pumpeneinheit fördert. Der Fluidfluss zum Zylinderraum der zweiten Pumpeneinheit ist durch das entsprechende Einlassventil abgesperrt. Wenn die Fördermenge etwa 50 Prozent der Gesamtfördermenge übersteigt, wird auch der Fluidfluss an die zweite Pumpeneinheit freigegeben, so dass diese zur Gesamtförderung der Pumpe beiträgt.
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Verallgemeinert werden die Öffnungsdrücke der Einlassventile von Pumpeneinheiten einer Pumpe so unterschiedlich eingestellt, dass die jeweiligen Pumpeneinheiten abgestuft zugeschaltet werden. Die Pumpeneinheiten werden in Abhängigkeit von der in der Ringleitung bereitgestellten Fluidmenge zugeschaltet. Das Zuschalten ist abhängig von der zu fördernden Fluidmenge in Bezug auf die Maximalfördermenge der Pumpe, beziehungsweise abhängig von einem Fördergrad der Pumpe. Die zu fördernde Fluidmenge wird von einer Motorsteuerung in Bezug auf den Bedarf der Brennkraftmaschine ermittelt, und durch die Vorförderpumpe 102 und das Volumenstromregelventil 104 in der Ringleitung 101 bereitgestellt. Nimmt die zu fördernde Fluidmenge zu, werden ab bestimmten Fördermengen Pumpeneinheiten zugeschaltet. Nimmt die zu fördernde Fluidmenge wieder ab, wird der Fluidfluss an eine oder mehrere Pumpeneinheiten unterbrochen, um die Förderung dieser Pumpeneinheiten zu verringern.
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Dadurch, dass in Abhängigkeit der zu fördernden Fluidmenge bekannt ist, welche und wie viele Pumpeneinheiten zur Förderung der Pumpe beitragen, ist bekannt wann Fluid von der Pumpe in den Druckspeicher gefördert wird. Bei einem Förderhub der Pumpe wird eine Druckspitze an den Druckspeicher übertragen. Diese Druckspitze hat Auswirkungen auf das Einspritzverhalten der Einspritzventile. Für eine effektive und präzise Steuerung der Einspritzventile ist es vorteilhaft, Eigenschaften der Druckspitzen zu kennen. Es ist stets bekannt, wann welche Pumpeneinheit der Pumpe 100 einen Druckhub durchführt, und wie viel Fluid dadurch an den Druckspeicher gefördert wird, da die Pumpeneinheiten der Pumpe abhängig von der zu fördernden Fluidmenge zugeschaltet werden. In Abhängigkeit dieser Informationen können dann die Einspritzventile gesteuert werden. Beispielsweise werden die Einspritzventile parallel zu einem Druckhub weniger geöffnet als bei einem Saughub der Pumpe.
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Das Volumenstromregelventil 104 ist eingerichtet, die Kraftstoffmenge, die den Pumpeneinheiten zugeführt wird, zu regeln. Dazu ermittelt die Motorsteuerung einen Förderbedarf, beispielsweise in Abhängigkeit des Verbrauchs der Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Druck in dem Druckspeicher. Daraus kann ein Fördergrad der Pumpe ermittelt werden, und eine entsprechende Menge an Fluid in der Ringleitung 101 zur Verfügung gestellt werden. Das Volumenstromregelventil wird entsprechend gesteuert, um die ermittelte Menge von Fluid von der Vorförderpumpe 102 in die Ringleitung 101 zu lassen.
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2 zeigt ein Einlassventil 200. Das Einlassventil weist einen Schließkörper 201 auf, der von einem Federelement 202 gegen ein Zylindergehäuse 203 gedrückt wird. Stromaufwärts des Schließkörpers ist eine Fluidzuleitung 204 hydraulisch gekoppelt, stromabwärts eine Fluidableitung 205. Das Einlassventil ist in seiner Schließposition gezeigt, in der ein Fluidfluss von der Fluidzuleitung 204 zur Fluidableitung 205 abgeschlossen ist. Der Schließkörper 201 wird von dem Federelement 202 gegen das Zylindergehäuse 203 gedrückt, so dass die Fluidzuleitung dicht abgeschlossen ist. Die Feder übt eine Kraft auf den Schließkörper 201 aus, so dass dieser gegen das Zylindergehäuse gedrückt wird. Die Feder ist mit einem Ende mit dem Schließkörper 201 und mit einem anderen Ende mit dem Zylindergehäuse 203 gekoppelt.
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Fluid in der Fluidzuleitung 204 drückt gegen den Schließkörper 201 entgegen der Richtung, in die die Kraft der Feder 202 gerichtet ist. Drückt das Fluid mit einer stärkeren Kraft gegen den Schließkörper als die Kraft der Feder, wird der Fluidfluss freigegeben. Die Kraft, mit der das Federelement auf den Schließkörper drückt, kann beispielsweise über einen Vorspannung des Federelements eingestellt werden. In Bezug auf eine Pumpe wie in Verbindung mit 1 erläutert, weisen die Federelemente der Einlassventile der Pumpeneinheiten jeweils unterschiedliche Kräfte auf, die sie auf den Schließkörper ausüben können.
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3A und 3B zeigen eine Pumpeneinheit 300. Die Pumpeneinheit 300 weist ein Zylindergehäuse 301 auf, das einen Zylinderraum 302 umgibt. In dem Zylinderraum 302 ist axial bewegbar ein Pumpenkolben 303 angeordnet. Über eine Fluidzuleitung 304 kann Fluid von der Pumpeneinheit angesaugt werden und über eine Fluidableitung 305 ausgestoßen werden. Ein Einlassventil 306 steuert den Fluidfluss in den Zylinderraum 302.
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Der Pumpenkolben 303 ist mit einer Antriebswelle 308 gekoppelt. Durch eine Drehbewegung der Antriebswelle wird der Pumpenkolben 303 durch die exzentrische Form der Antriebswelle radial zum Zentrum der Antriebswelle hinbewegt. Dadurch wird ein Unterdruck im Pumpenzylinder erzeugt, der das Einlassventil 304 gegen eine Kraft einer Feder öffnet. Das Fluid wird aus einer Ringleitung angesaugt. Ein Auslassventil 307, das an der Fluidableitung 305 angeordnet ist, wird geschlossen. Das Auslassventil 307 wird beispielsweise durch die Druckdifferenz zwischen Zylinderraum 302 und einem Druckspeicher geschlossen. Der Druckspeicher ist dem Auslassventil hydraulisch nachgeschaltet uns ist beispielsweise ein Druckspeicher eins Einspritzsystems einer Verbrennungskraftmaschine.
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Durch die weitere Drehbewegung der Antriebswelle wird der Pumpenkolben axial von dem Zentrum der Antriebswelle wegbewegt. Dabei wird das in dem Zylinderraum befindliche Fluid verdichtet und das Einlassventil durch die Federkraft und den sich aufbauenden Druck geschlossen. Das Auslassventil 307 öffnet, wenn der Druck im Zylinderraum und der Fluidableitung größer ist, als der Druck in dem Druckspeicher.
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Die Federkraft, mit der das Einlassventil schließt, ist möglichst genau klassifiziert. In einer Mehrkolbenpumpe, in der mehrere Pumpeneinheiten zu einer gemeinsamen Förderung beitragen, unterscheiden sich die Kräfte der Federelemente so, dass die einzelnen Pumpeneinheiten abhängig von der Fördermenge zugeschaltet werden. Der Unterdruck, der bei der Bewegung des Pumpenkolbens in Richtung der Antriebswelle erzeugt wird, übt über die entstehende Druckdifferenz zwischen Fluidzuleitung 304 und Zylinderraum 302 eine Kraft auf das Federelement des Einlassventils 306 aus.
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Die Druckdifferenz, beziehungsweise die Kraft, die dadurch auf die Feder wirkt ist abhängig von der zu fördernden Fluidmenge beziehungsweise dem Fördergrad der Pumpe. Der Öffnungsdruck, ab der die Feder des Einlassventils nachgibt und dadurch einen Fluidfluss freigibt, kann durch die Feder so eingestellt werden, dass bis zu einem bestimmten Druck ein Einlassventil öffnet, während die anderen geschlossen bleiben. Ab einem höheren Druck, kann ein weiteres Einlassventil den Fluidfluss freigeben. Dies wird so eingestellt, dass möglichst genau bekannt ist, bei welchem Druck welches Öffnungsventil öffnet. Die Öffnungsdrücke der jeweiligen Einlassventile liegen dabei relativ weit auseinander, beispielsweise unterscheiden sie sich bei einer Pumpe mit zwei Pumpeneinheiten um die Hälfte des maximal herrschenden Drucks.
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4A zeigt einen Fluidfluss F in Bezug auf Umdrehungen CRK einer Antriebswelle einer Pumpeneinheit. Der Graph zeigt eine Förderung einer Zweikolbenpumpe, bei der lediglich eine Pumpeneinheit fördert. Die von der Pumpe zu fördernde Menge wird komplett von einer Pumpeneinheit gefördert. Die zu fördernde Fluidmenge entspricht weniger als der Hälfte der maximal von der Pumpe förderbaren Menge. Der Fördergrad der Pumpe ist unter etwa 50 Prozent. Die zweite Pumpeneinheit trägt nicht zur Förderung bei. Bei einer Umdrehung der Antriebswelle aus einem Ausgangszustand um etwa 180° wird von der ersten Pumpeneinheit Fluid gefördert. Bei einer weiteren Drehung der Antriebseinheit um etwa 180° wird von der Pumpe kein Fluid gefördert. Bei dieser Drehung der Antriebswelle von etwa 180° zu etwa 360° würde die zweite Pumpeneinheit fördern. Da die zu fördernde Menge aber komplett von der ersten Pumpeneinheit gefördert werden kann, ist der Fluidfluss an die zweite Pumpeneinheit von dem zugehörigen Einlassventil gesperrt. Bei einer weiteren Drehung der Antriebswelle um etwa 180° fördert wiederum die erste Pumpeneinheit.
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Bei einer Dreikolbenpumpe fördert eine erste Pumpeneinheit bei einer Drehung der Antriebswelle von 0 bis etwa 120°. Abhängig von der zu fördernden Menge fördert die zweite Pumpeneinheit bei einer Umdrehung von etwa 120° bis etwa 240°. Abhängig von der zu fördernden Menge fördert die dritte Pumpeneinheit bei einer Umdrehung von etwa 240° bis etwa 360°.
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4B zeigt die integrierte Gesamtförderung der Pumpe. Die geförderte Menge steigt bei einer Umdrehung der Antriebswelle von dem Ausgangszustand um etwa 180° an, da von der ersten Pumpeneinheit Fluid gefördert wird. Die geförderte Menge steigt bei einer weiteren Umdrehung bis etwa 360° nicht an, da die zweite Pumpeneinheit nicht zugeschaltet ist. Erst bei einer zweiten Umdrehung der Antriebswelle von etwa 360° bis etwa 540° steigt die geförderte Menge wieder an, da die erste Pumpeneinheit wieder fördert. Die komplette geförderte Fluidmenge wird von einer Pumpeneinheit der Pumpe gefördert. Die zweite Pumpeneinheit trägt nicht zur Förderung der Pumpe bei. Dadurch ist genau bekannt, wann ein Anstieg der Fluidmenge erfolgt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist bekannt, dass ein Anstieg der geförderten Fluidmenge jeweils in der ersten Hälfte einer Umdrehung der Antriebswelle erfolgt, während in der zweiten Hälfte einer Umdrehung kein Anstieg der geförderten Fluidmenge erfolgt. Bei einer Pumpe mit drei Pumpeneinheiten ist bekannt, dass ein Anstieg der geförderten Fluidmenge in den jeweiligen Dritteln einer Umdrehung der Antriebswelle erfolgen kann. Abhängig vom Fördergrad der Pumpe ist bekannt, welche der Pumpeneinheiten zur Förderung beiträgt. Damit ist bekannt, in welchem Drittel der Umdrehung der Antriebswelle ein Anstieg der geförderten Fluidmenge erfolgt.
