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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchflussmengenbegrenzung
an einer Pumpe, insbesondere an einer sauggedrosselten Förderpumpe, und
eine Pumpenanordnung mit solch einer Einrichtung. Speziell betrifft
die Erfindung das Gebiet der Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 10 2004
028 999 A1 ist eine Hochdruckpumpe für eine Brennstoffeinspritzeinrichtung
einer Brennkraftmaschine bekannt. Die bekannte Hochdruckpumpe weist
wenigstens ein Pumpenelement auf, das einen in einer Hubbewegung
angetriebenen, in einer Zylinderbohrung eines Pumpengehäuseteils
verschiebbar geführten Pumpenkolben aufweist, der in der
Zylinderbohrung einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Der Pumpenarbeitsraum
ist über ein Saugventil beim Saughub des Pumpenkolbens
mit Brennstoff befüllbar. Dabei ist der Pumpenarbeitsraum über
einen im Pumpengehäuse verlaufenden Kraftstoffzulaufkanal
mit einer Förderpumpe verbunden.
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Es
ist denkbar, dass die Förderpumpe im sauggedrosselten Betrieb
arbeitet. Dabei kann die Fördermenge und der sich über
ein Druckregelventil einstellende Druck begrenzt werden. Dabei ergibt sich
allerdings der Nachteil, dass bei großem Einspritzmengenbedarf
die Überschussmenge am Druckregelventil klein wird und
somit der Druck zur Befüllung der Förderpumpe
gering, während bei kleinem Einspritzmengenbedarf die Überschussmenge am
Druckregelventil groß wird und damit auch der Druck zur
Füllung der Förderpumpe steigt, obwohl in diesem
Fall ein Anstieg nicht erforderlich wäre.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchflussmengenbegrenzung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße
Pumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben den Vorteil,
dass eine an den Bedarf angepasste Durchflussmengenbegrenzung gewährleistet ist.
Speziell kann ein übermäßiger Druckanstieg
an dem Ausgang der Pumpe verhindert oder zumindest verringert werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen
Einrichtung und der im Anspruch 11 angegebenen Pumpenanordnung möglich.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Drossel zumindest näherungsweise an einer
Achse des Zulaufkanals, entlang der sich der Zulaufkanal zumindest
zwischen der Mündungsstelle und seiner Ausgangsseite erstreckt,
ausgerichtet ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Eingang der
Drossel zumindest im Wesentlichen im Bereich der Mündungsstelle
in dem Zulaufkanal angeordnet ist. Durch die Ausrichtung der Drossel
an der Achse des Zulaufkanals kann eine optimale Anströmung
der Drossel von dem Zulaufkanal ermöglicht werden. Über
den Absteuerkanal, der seitlich in den Zulaufkanal mündet,
kann eine Querströmung erzeugt werden, wodurch eine gewollte
Verschlechterung des Drosselbeiwerts der Drossel erzielt werden
kann. Hierbei kann auf Grund der Querströmung eine Strömungsablösung
innerhalb der Drossel erreicht werden. Die Strömungsablösung
kann dabei in vorteilhafter Weise mit zunehmender Absteuermenge,
die über den Absteuerkanal an der Mündungsstelle
in den Zulaufkanal eingebracht wird, zunehmen. Durch die Anordnung
der Drossel im Bereich der Mündungsstelle ist eine besonders
wirksame Beeinflussung des Drosselbeiwerts über die Querströmung
aus dem Absteuerkanal möglich. Bei dieser besonders wirksamen
Beeinflussung des Drosselbeiwerts kann eine gewollte Verschlechterung
des Drosselbeiwerts in besonders wirksamer Weise erzielt werden.
Hierbei kann die Drossel in einem geeigneten Abstand nahe an der
Mündungsstelle des Absteuerkanals angeordnet sein.
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In
vorteilhafter Weise ist eine Strömungsrichtung des Absteuerkanals
an der Mündungsstelle unterschiedlich zu einer Strömungsrichtung
des Zulaufkanals an der Drossel. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass
die Strömungsrichtung des Absteuerkanals an der Mündungsstelle
mit der Strömungsrichtung des Zulaufkanals an der Drossel
zumindest näherungsweise einen Winkel einschließt,
wobei dieser Winkel in einem Bereich von etwa 40° bis etwa
90° liegt. Hierbei ist eine Geometrieoptimierung durch
eine Strömungssimulationsrechnung oder dergleichen möglich.
Dadurch kann eine besonders wirksame Beeinflussung der Hauptströmung
durch die Querströmung erzielt werden.
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In
vorteilhafter Weise ist das Überströmventil als
Druckregelventil ausgestaltet. Dabei ist es ferner vorteilhaft,
dass das Druckregelventil eine Absteuermenge durch den Absteuerkanal
in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen der Eingangsseite
des Absteuerkanals und der Ausgangsseite des Absteuerkanals steuert.
Bei geringem Mengenbedarf und somit relativ hohem Druck kann somit
eine Steigerung der Absteuermenge über den Absteuerkanal
erzielt werden, was auf Grund der Zunahme der Querströmung
zu einer Verschlechterung des Drosselbeiwerts führt. Somit
reduziert sich die Durchflussmenge durch die Drossel und somit die
Pumpe, was die gegebene Druckdifferenz reduziert. Dadurch kann eine
vorteilhafte Durchflussmengenbegrenzung geschaffen werden, wobei
die Lebensdauer und Verlustleistung optimiert sind.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Absteuerkanal an seiner Eingangs- und Ausgangsseite
und/oder der Zulaufkanal an der Mündungsstelle so ausgestaltet sind,
dass hydraulische Verluste an der Mündungsstelle vermieden
sind. Dadurch kann im Sinne eines geringen Wirkungsgrads der Drossel
bei entsprechend großer Querströmung erzielt werden,
dass zur Erzeugung der Querströmung selbst möglichst
geringe hydraulische Verluste verursacht sind. Vorteilhaft ist es
auch, dass die Drossel so ausgestaltet ist, dass mit zunehmender
Absteuermenge, die über den Absteuerkanal in den Zulaufkanal
als Querströmung strömt, eine zunehmende Strömungsablösung
innerhalb der Drossel auftritt. Beispielsweise kann die Drossel
in vorteilhafter Weise als zylinderförmige Bohrung ausgestaltet
sein. Die Drossel kann dabei in geeigneter Weise in den Zulaufkanal
integriert oder installiert werden, beispielsweise durch Bohren
oder Einpressen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen
sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Pumpenanordnung mit einer Einrichtung zur Durchflussmengenbegrenzung
in einer schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem Zustand mit einer relativ geringen Absteuermenge
und
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2 die
in 1 dargestellte Pumpenanordnung mit der Einrichtung
zur Durchflussmengenbegrenzung entsprechend dem Ausführungsbeispiel der
Erfindung in einem Zustand mit einer relativ großen Absteuermenge.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
eine Pumpenanordnung 1 mit einer Einrichtung 2 zur
Durchflussmengenbegrenzung an einer Pumpe 3. Die Pumpe 3 ist
dabei ein Teil der Pumpenanordnung 1, aber kein Teil der
Einrichtung 2. Die Einrichtung 2 zur Durchflussmengenbegrenzung
und die Pumpenanordnung 1 mit dieser Einrichtung 2 können
insbesondere für eine Brennstoffeinspritzanlage von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Die Pumpe 3 ist
dabei als sauggedrosselte Förderpumpe ausgestaltet. Ein bevorzugter
Einsatz der Pumpenanordnung 1 und der Einrichtung 2 besteht
für eine Förderpumpe zur Zuführung von
Brennstoff zu einer Hochdruckpumpe einer Brennstoffeinspritzanlage
mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 2 zur Durchflussmengenbegrenzung
und die erfindungsgemäße Pumpenanordnung 1 eignen
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Die
Einrichtung 2 weist einen Zulaufkanal 4 auf der
Saugseite der Pumpe 3, der eine Drossel 5 aufweist,
und einen Absteuerkanal 6 ebenfalls auf der Saugseite der
Pumpe 3 auf, in dem ein Überströmventil 7 angeordnet
ist, das als Druckregelventil 7 ausgestaltet ist. Der Zulaufkanal 4 ist
an seiner Ausgangsseite 8 mit einem Eingang 9 der
Pumpe 3 verbunden. Der Absteuerkanal 6 ist an
seiner Eingangsseite 10 mittels einer Brennstoffleitung 11 mit einem
Ausgang 12 der Pumpe 3 verbunden. Der Absteuerkanal 6 zweigt
dabei von der Brennstoffleitung ab, die beispielsweise zu einer
Hochdruckpumpe einer Brennstoffeinspritzanlage führt. Der
Absteuerkanal 6 mündet an seiner Ausgangsseite 13 an
einer Mündungsstelle 14 seitlich in den Zulaufkanal 4.
Die Drossel 5 ist zwischen der Mündungsstelle 14 und der
Ausgangsseite 8 des Zulaufkanals 4 in dem Zulaufkanal 4 angeordnet.
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Der
Zulaufkanal 4 weist eine Achse 20 auf. Der Zulaufkanal 4 erstreckt
sich entlang der Achse 20. Insbesondere erstreckt sich
der Zulaufkanal 4 zwischen der Mündungsstelle 14 und
seiner Ausgangsseite 8 entlang der Achse 20. Die
Drossel 5 ist an der Achse 20 des Zulaufkanals 4 ausgerichtet. Dabei
ist die Drossel 5 durch eine zylinderförmige Bohrung
ausgestaltet. Dadurch ist eine Strömungsrichtung 21 des
Zulaufkanals 4 an der Drossel 5 parallel zu der
Achse 20 des Zulaufkanals 4.
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Der
Absteuerkanal 6 weist an seiner Ausgangsseite 13 eine
Achse 22 auf. Eine Strömungsrichtung 23 des
Absteuerkanals 6 an der Mündungsstelle 14 ist
parallel zu der Achse 22 orientiert. In diesem Ausführungsbeispiel
schließt die Achse 22 des Absteuerkanals 6 mit
der Achse 20 des Zulaufkanals 4 an der Mündungsstelle 14 einen
Winkel 24 von etwa 90° ein. Die Strömungsrichtung 23 des
Absteuerkanals 6 an der Mündungsstelle 14 ist
dabei unterschiedlich zu der Strömungsrichtung 21 des
Zulaufkanals 4 an der Drossel 5.
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Ein
Eingang 25 der Drossel 5 liegt im Bereich der
Mündungsstelle 14 in dem Zulaufkanal 4.
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Über
den Zulaufkanal 4 strömt Brennstoff in einer Hauptströmungsrichtung
zu der Drossel 5. Zu dieser Hauptströmung kommt
eine Querströmung über den Absteuerkanal 6 in
der Strömungsrichtung 23 hinzu, die von der über
den Absteuerkanal 6 durch das Druckregelventil 7 erbgesteuerten
Brennstoffmenge abhängt. Dabei ist in der 1 eine
Situation dargestellt, in der keine oder nur eine relativ kleine Absteuermenge
auftritt. Somit ergibt sich in dem Zulaufkanal 4 vor dem
Eingang 25 der Drossel 5 eine Strömung 26,
die im Wesentlichen durch die Hauptströmung durch den Zulaufkanal 4 bestimmt
ist. Hierdurch ergibt sich eine ideale Drosselwirkung der Drossel 5.
Der Drosselbeiwert ist daher optimal.
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2 zeigt
die in 1 dargestellte Pumpenanordnung 1 mit
der Einrichtung 2 zur Durchflussmengenbegrenzung an der
Pumpe 3 in einem Zustand, in dem eine relativ große
Absteuermenge über den Absteuerkanal 6 erbgesteuert
wird und in den Zulaufkanal 4 zurückgeführt
wird.
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Das
Druckregelventil 7 steuert die Absteuermenge durch den
Absteuerkanal 6 in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz
zwischen der Eingangsseite 10 des Absteuerkanals 6 und
der Ausgangsseite 13 des Absteuerkanals 6. Bei
der in der 2 dargestellten Situation ist
die Druckdifferenz am Druckregelventil 7 relativ groß.
Dies kann dadurch verursacht sein, dass ein der Pumpenanordnung 1 nachgeschalteter
Verbraucher, insbesondere eine Hochdruckpumpe, eine relativ geringe
Brennstoffmenge abfragt. Hierdurch kommt es am Ausgang 12 der Pumpe 3 zu
einem relativ großen Druck, der somit auch an der Eingangsseite 10 des
Absteuerkanals 6 herrscht und auf das Druckregelventil 7 einwirkt.
Dies bewirkt allerdings die Absteuerung einer relativ großen
Absteuermenge über den Absteuerkanal 6, die an
der Ausgangsseite 13 als Querströmung in den Zulaufkanal 4 einströmt.
Diese Querströmung ist in der 2 schematisch
durch einen Strömungsverlauf 27 veranschaulicht.
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Der
Absteuerkanal 6, insbesondere die Ausgangsseite 13 des
Absteuerkanals 6, und der Zulaufkanal 4, insbesondere
der Bereich des Zulaufkanals 4 an der Mündungsstelle 14,
sind so ausgestaltet, dass hydraulische Verluste an der Mündungsstelle 14 vermieden
sind. Die über den Absteuerkanal 6 der Hauptströmung
in dem Zulaufkanal 4 hinzugefügte Querströmung
kann dadurch im Wesentlichen verlustfrei in den Zulaufkanal 4 einströmen.
Durch die Überlagerung der Querströmung zur Hauptströmung kommt
es zu einer Strömungsablösung in der Drossel 5.
Dabei ist die Drossel 5 so ausgestaltet, dass mit zunehmender
Querströmung, das heißt mit zunehmender Absteuermenge,
die über den Absteuerkanal 6 in den Zulaufkanal 4 strömt,
eine zunehmende Strömungsablösung innerhalb der
Drossel 5 auftritt. Durch die Strömungsablösung
innerhalb der Drossel 5 von der Wandung verkleinert sich
der wirksame Drosseldurchmesser. Hierdurch verschlechtert sich der
Drosselbeiwert, das heißt die Drosselwirkung der Drossel 5 nimmt
zu. Somit reduziert sich bei gegebener Druckdifferenz die Durchflussmenge durch
die Drossel 5. Dies wirkt sich reduzierend auf den am Ausgang 12 der
Pumpe 3 und somit in der Brennstoffleitung 11 herrschenden
Druck aus.
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Beispielsweise
kann die Pumpenanordnung 1 für eine Hochdruckpumpe
einer Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail dienen, wobei die
Pumpe 3 als mechanische Vorförderpumpe, beispielsweise
Außenzahnradpumpe, dient. Die Pumpe 3 arbeitet
dabei vorzugsweise größtenteils im sauggedrosselten
Betrieb, um die Fördermenge und damit den sich über
das Druckregelventil 7 einstellenden Druck zu begrenzen. Über
den Zulaufkanal 4 kann beispielsweise Brennstoff aus einem
Tank gefördert werden, wobei die Absteuermenge über
den Absteuerkanal 6 ebenfalls dem Zulaufkanal 4 hinzugefügt
wird.
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Allerdings
ergibt sich das Problem, das bei großem Einspritzmengenbedarf
die Überschussmenge am Druckregelventil 7 klein
wird und somit der Druck zur Füllung eines nachgeschalteten
Verbrauchers, insbesondere eines Pumpenarbeitsraums, gering ist,
während bei einem kleinen Einspritzmengenbedarf die Überschussmenge
am Druckregelventil 7 groß wird, wodurch auch
der Druck zur Füllung eines Verbrauchers, insbesondere
eines Pumpenarbeitsraums ansteigt, obwohl in diesem Fall ein solcher
Anstieg nicht erforderlich ist.
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Bei
der Pumpenanordnung 1 des Ausführungsbeispiels
wird im Fall eines geringen Einspritzmengenbedarfs der Drosselbeiwert
der als Saugdrossel dienenden Drossel 5 so verändert,
dass die Drossel 5 einen größeren Widerstand
darstellt, wodurch der Druckanstieg vor dem Druckregelventil 7 an
der Pumpe 3 geringer ausfällt.
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Dies
wird durch eine seitliche Anströmung der Drossel 5 von
der Strömung erreicht, bei der der Hauptströmung
durch den Zulaufkanal 4 eine Querströmung aus
dem Absteuerkanal 6 überlagert ist. Hierbei unterscheidet
sich die Strömungsrichtung 23 des Absteuerkanals 6 von
der Strömungsrichtung 21 des Zulaufkanals 4.
Beispielsweise können die beiden Strömungsrichtungen 21, 23 einen
Winkel aus einem Bereich von etwa 40° bis etwa 90° einschließen.
Der Zulauf über den Zulaufkanal 4 erfolgt dabei optimal,
da die Drossel 5 auf der Achse 20 des Zulaufkanals 4 liegt
und an der Achse 20 ausgerichtet ist. Der Zulauf aus dem
Absteuerkanal 6 erfolgt jedoch unter einer aus der Strömungsrichtung 21 herausgeschwenkten
Strömungsrichtung 23.
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Im
Fall einer knappen Mengenbilanzerfüllung, die eine Randbedingung
darstellt und bei der eine minimale Absteuermenge am Druckregelventil 7 entsprechend
der in 1 dargestellten Situation erreicht wird, strömt
die größtmögliche Menge an Brennstoff
durch die Drossel 5.
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Im
Fall einer ausreichenden Menge, bei der die Absteuermenge am Druckregelventil 7 nicht
minimal ist, nimmt der Anteil der nicht optimal auf die Drossel 5 strömenden
Menge, das heißt die Querströmung, zu, wodurch
sich der Drosselbeiwert der Drossel 5 verschlechtert. Somit
nimmt die insgesamt durch die Drossel 5 strömende
Menge ab, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Dieser Fall
tritt beispielsweise bei höheren Zulaufdrücken
zur Pumpe 3 oder bei einer geringen Mengenabnahme, beispielsweise
im Schubbetrieb einer Brennkraftmaschine, auf.
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Die
verringerten Absteuermengen führen entsprechend der Kennlinie
des Druckregelventils 7 zu einem verringerten Druck an
allen beteiligten Komponenten und somit zu einer verringerten Verlustleistung
und einer vergrößerten Lebensdauer. Ferner ergibt
sich eine verringerte Absteuermengenvarianz und somit auch eine
verringerte Druckvarianz. Hierbei kann bereits durch eine günstige
Anordnung der Mündungsstelle 14 im Vorfeld der
für die Drosselung zuständigen Drosselbohrung
oder dergleichen, die die Drossel 5 bildet, eine vorteilhafte Wirkung
erzielt werden, wodurch die Pumpenanordnung 1 kostengünstig
ausgestaltet werden kann.
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Um
eine vorteilhafte Anströmung der Drossel 5 über
den Absteuerkanal 6 mit einer entsprechend großen
Querströmung zu erzielen, sind Umlenkungen, Querschnittsverengungen
und dergleichen innerhalb des Absteuerkanals 6 möglichst
zu vermeiden.
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Im
Betrieb der Pumpenanordnung 1 können verschiedene
Situationen auftreten, wobei zwei mögliche Situationen
in den 1 und 2 veranschaulicht sind. Im Betrieb
der Pumpenanordnung 1 führt der durch die Querströmung
verschlechterte Drosselbeiwert der Drossel 5 zu einem verringerten Drosseldurchfluss
durch die Drossel 5, wodurch sich wiederum die Absteuermenge
durch den Absteuerkanal 6 über das Druckregelventil 7 so
weit reduziert, bis sich ein Gleichgewicht zwischen beiden Effekten einstellt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004028999
A1 [0002]