-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Fördereinrichtung für
eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie
ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Fördereinrichtung
für eine Brennkraftmaschine nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
-
Marktübliche
Kraftstoff-Fördereinrichtungen von Kraftfahrzeugen bestehen
häufig aus der Hintereinanderschaltung zweier Pumpen, nämlich
einer Vorförderpumpe und einer Hochdruckpumpe. Als Vorförderpumpe
werden häufig Zahnradpumpen verwendet, die von einer Kurbelwelle
oder einer Nockenwelle angetrieben werden. Damit bei hohen Drehzahlen
der Kurbelwelle nicht zuviel Kraftstoff in der Vorförderpumpe
gefördert wird, schaltet man vor die Vorförderpumpe
eine Saugdrossel. Diese weist einen konstanten Querschnitt auf und
begrenzt die maximale Fördermenge. Die
DE 199 26 308 A1 beschreibt
eine Pumpenanordnung für Kraftstoff, mit einer Hauptförderpumpe
und einer vorgeschalteten Vorförderpumpe, die einen Kraftstoffstrom über
eine Kraftstoffleitung aus einem Tank fördert. Dabei wird die
Vorförderpumpe mechanisch angetrieben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung schlägt eine Kraftstoff-Fördereinrichtung
nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach den nebengeordneten Ansprüchen
vor. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen
angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich
ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen,
wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen
Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können,
ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
-
Ein
Vorteil der Erfindung ist es, dass in einer Verdrängerpumpe,
insbesondere Zahnradpumpe, einer Kraftstoff-Fördereinrichtung
die Entstehung von gasförmigem Kraftstoff und damit verbundene
Probleme vermieden werden. Auf diese Weise wird das Förderverhalten
der Zahnradpumpe verbessert.
-
Eine
Zahnradpumpe als Vorförderpumpe einer Kraftstoff-Fördereinrichtung
einer Brennkraftmaschine fördert ein Volumen, das einerseits
durch die Geometrie der Zahnradpumpe und andererseits durch die
Drehzahl einer Antriebswelle vorgegeben ist. Ist in einem Saugbereich
der Zahnradpumpe eine Saugdrossel angeordnet, um den maximalen Förderstrom
zu begrenzen, sinkt bei hohen Drehzahlen der Druck in Teilen der
Zahnradpumpe ab, bis der Dampfdruck des Kraftstoffs erreicht wird.
Der entstehende dampfförmige Kraftstoff ergänzt
also das durch die Geometrie der Zahnradpumpe gegebene Fördervolumen.
Somit entspricht die Menge des tatsächlich geförderten
flüssigen Kraftstoffs zusammen mit dem Volumen des dampfförmigen
Kraftstoffs dem geometrischen Fördervolumen der Zahnradpumpe.
-
Um
die Bildung des dampfförmigen Kraftstoffs zu vermeiden,
wird erfindungsgemäß die das Bypassventil durchströmende
Kraftstoffmenge so gesteuert oder geregelt, dass diese Kraftstoffmenge,
ergänzt um die tatsächlich zu fördernde
Kraftstoffmenge, möglichst genau dem geometrischen Fördervolumen
der Vorförderpumpe entspricht. Ein Teil des Kraftstoffs
wird also durch das Bypassventil ständig in einem Kreislauf
geführt. Insbesondere in Zahnradpumpen werden dadurch Druckspitzen
gemildert und eine sonst möglicherweise auftretende Kavitation vermieden.
Ebenso wird die Laufruhe der Zahnradpumpe verbessert und der Verschleiß vermindert, also
die Lebensdauer erhöht.
-
Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Durchflussquerschnitt
mechanisch steuer- oder regelbar ist. Dadurch kann die das Bypassventil
durchströmende Kraftstoffmenge auf einfache Weise angepasst
werden. Beispielsweise kann der Durchflussquerschnitt abhängig
von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, beziehungsweise der Verdrängerpumpe,
gesteuert oder geregelt werden.
-
Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass der Durchflussquerschnitt elektronisch
steuer- oder regelbar ist. Dies ist einfach realisierbar, ggf. kann
sogar ein handelsübliches bspw. elektromagnetisch betätigtes
Bypassventil verwendet werden. Beispielsweise kann der Durchflussquerschnitt
abhängig von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine gesteuert oder
geregelt werden. So kann die Information eines eventuell an der
Brennkraftmaschine vorhandenen Drehzahl-Geberrades verwendet werden,
um das Bypassventil zu steuern oder zu regeln. Dabei kann der Durchflussquerschnitt
linear von der Drehzahl abhängen oder durch einen funktionalen
Zusammenhang bestimmt sein. Dem liegt die Überlegung zu Grunde,
dass dann, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine steigt, zugleich
die durch das Bypassventil zur Kavitationsvermeidung rückzuführende Kraftstoffmenge
zunimmt.
-
Eine
alternative Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der
Durchflussquerschnitt hydraulisch steuer- oder regelbar ist. Beispielsweise
kann die Steuerung beziehungsweise Regelung des Bypassventils durch
den Druck oder die Strömungsmenge des darin fließenden
Kraftstoffs erfolgen. Damit wird der Betrieb des erfindungsgemäßen
Bypassventils vereinfacht, denn es werden keine zusätzlichen
elektrischen Einrichtungen benötigt. Letztlich können hierdurch
auch die Herstellkosten gesenkt werden.
-
Dazu
wird vorgeschlagen, dass das Bypassventil einen Steuerkolben umfasst,
dessen Stellung von der Fördermenge der Verdrängerpumpe
abhängt, und von dessen Stellung der Durchflussquerschnitt
abhängt. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich,
die Fördermenge des Kraftstoffs als ein Kriterium zur Beeinflussung
des Durchflussquerschnitts heranzuziehen.
-
Ergänzend
wird vorgeschlagen, dass der Steuerkolben eine axiale Durchgangsöffnung
aufweist, welche von der Fördermenge durchströmt wird,
und dass der Steuerkolben von einer Feder entgegen der Durchströmrichtung
beaufschlagt wird und eine Steuerkante aufweist, welche mit einer
seitlichen Öffnung im Gehäuse des Bypassventils
zusammenwirkt. Der Steuerkolben wird dabei von der Fließgeschwindigkeit
des Kraftstoffs beziehungsweise einem über der Durchgangsöffnung,
die insoweit eine Art Drossel darstellt, vorhandenen Druckunterschied beaufschlagt.
Abhängig von der Federkonstante werden damit der Durchflussquerschnitt
des Bypassventils und die Menge des rückgeführten
Kraftstoffs verändert. Mit dieser Anordnung sind alle zur
Steuerung bzw. Regelung des Bypassventils nötigen Elemente baulich äußerst
kompakt im Druckbereich der Verdrängerpumpe vereint. Somit
wird die Anordnung einfacher und arbeitet zuverlässiger.
-
Weiterhin
wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betreiben einer Kraftstoff-Fördereinrichtung
der oben bezeichneten Art. Es gelten die gleichen Vorteile wie oben.
-
Eine
Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Betriebsgröße
eine Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Beispielsweise besteht
zwischen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Drehzahl einer
Antriebswelle, welche die Zahnradpumpe treibt, ein fester Zusammenhang.
Damit kann die Drehzahl der Brennkraftmaschine als eine Größe
benutzt werden, um ein Maß für ein aktuelles geometrisches
Fördervolumen zu erhalten. Vielfach weisen Brennkraftmaschinen
bereits einen Drehzahlsensor oder ein Geberrad auf, so dass sich
daraus eine besonders einfache Möglichkeit ergibt, um den
Durchflussquerschnitt des Bypassventils sogar elektronisch zu steuern
oder zu regeln.
-
Zusätzlich
zu den obigen Varianten kann die Betriebsgröße,
welche den Grad der Rückführung mittels des Bypassventils
steuert, eine Fördermenge der Verdrängerpumpe
sein. Die Fördermenge der Verdrängerpumpe stellt
ein besonders geeignetes Kriterium dar, um den Durchflussquerschnitt
des Bypassventils an die aktuelle Arbeitsweise der Verdrängerpumpe
anzupassen. Die Fördermenge kann ergänzend oder
alternativ zu der Drehzahl der Brennkraftmaschine als Größe
herangezogen werden. Dadurch werden die Möglichkeiten zur
Steuerung oder Regelung des Durchflussquerschnitts erweitert und die
Genauigkeit des Verfahrens verbessert.
-
Möglich
ist ferner, dass die Betriebsgröße eine Differenz
zwischen geometrischem Fördervolumen der Verdrängerpumpe
und Volumenstrom durch die Saugdrossel ist. Dadurch können
die Geometrie der Verdrängerpumpe, die Drehzahl der Brennkraftmaschine
und ein aktueller Volumenstrom durch die Saugdrossel in einen Zusammenhang
gebracht und die durch das Bypassventil zurück geführte
Kraftstoffmenge besonders genau angepasst werden.
-
Nachfolgend
werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
-
1 eine
Kraftstoff-Fördereinrichtung einer Brennkraftmaschine mit
einer Zahnradpumpe und zwei Ausführungen (A) und (B) der
Anordnung eines Bypassventils;
-
2 eine
vergrößerte Darstellung eines Bereichs der Ausführung
(A) von 1;
-
3 ein
Diagramm, in dem eine Fördermenge der Zahnradpumpe über
einer Drehzahl der Brennkraftmaschine aufgetragen ist; und
-
4 eine
schematische Schnittansicht des Bypassventils der zweiten Ausführung
(B) nach der 1, sowie ein Diagramm, welches
den Druckverlauf längs eines Steuerkolbens des Bypassventils darstellt.
-
Es
werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen
in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen
die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt
schematisch einen Teil einer Kraftstoff-Fördereinrichtung 10 einer
im übrigen nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs. In Bezug auf die Zeichnung wird der Kraftstoff
im Wesentlichen von links nach rechts gefördert. Ausgehend
von einem Kraftstoffvorratsbehälter 12 im linken
Teil der 1 wird über eine Saugleitung 14 und
eine Saugdrossel 16 Kraftstoff in einen Saugbereich 18 einer
von einer Kurbel- oder Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen
Vorförderpumpe 20 geführt. Die Vorförderpumpe 20 ist
als eine Verdrängerpumpe 22, vorliegend als eine
Zahnradpumpe ausgeführt. Grundsätzlich sind aber
auch andere Verdrängerpumpenarten möglich, beispielsweise
Flügelzellenpumpen, Rotationskolbenpumpen, etc. Die Vorförderpumpe 20 fördert
den Kraftstoff in einen Druckbereich 24 und von dort aus
zu einer Zumesseinheit 26. Ausgehend von der Zumesseinheit 26 fließt
der Kraftstoff über ein erstes Rückschlagventil 28 in
den Saugbereich einer Kolben-Hochdruckpumpe 32. Ausgehend
von der Kolben-Hochdruckpumpe 32 fließt der Kraftstoff über
ein zweites Rückschlagventil 30 in nachfolgende,
nicht dargestellte Einrichtungen der Brennkraftmaschine, beispielsweise
ein Common-Rail. Die Zumesseinheit 26 bestimmt die Menge
des von der Kolben-Hochdruckpumpe 32 zu fördernden
Kraftstoffs.
-
Zwischen
dem Druckbereich 24 der Vorförderpumpe 20 und
ihrem Saugbereich 18 ist eine Fluidleitung 34 (”Bypassleitung”)
angeordnet. In einer ersten Ausführung (A) ist in diese
ein Bypassventil 40 eingefügt. In einer zweiten
Ausführung (B) ist das Bypassventil 40 in einem
Verzweigungspunkt 41 im Druckbereich 24 angeordnet,
von dem die Fluidleitung 34 abzweigt. Ein diagonal durch
das Bypassventil 40 laufender Pfeil 44 symbolisiert
in beiden Ausführungen (A) und (B) eine Steuerung oder
eine Regelung eines veränderlichen Durchflussquerschnitts 46 des
Bypassventils 40. Insoweit bildet das Bypassventil 40 eine
Art steuerbare Drossel. Ein Block im unteren Teil der 1 stellt
schematisch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 dar,
mit der elektronisch steuerbare Ausführungen des Bypassventils 40 betrieben
werden können. Beispielsweise könnte das Bypassventil 40 der
Ausführung (A) elektromagnetisch betätigt sein,
und zwar abhängig von einer Drehzahl einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine.
-
2 beschreibt
die Funktion des Bypassventils 40 der Ausführung
(A) nach 1. Schematisch dargestellt ist
eine Anordnung der Verdrängerpumpe 22, der Saugdrossel 16,
sowie des Bypassventils 40. 2 stellt
somit einen Ausschnitt der 1 dar.
-
Das
Bypassventil 40 verbindet über die Fluidleitung 34 den
Druckbereich 24 mit dem Saugbereich 18 der Verdrängerpumpe 22.
Dabei bestimmt das Bypassventil 40 jenen Anteil des Kraftstoffs,
der ständig im Kreislauf über die Verdrängerpumpe 22 und
das Bypassventil 40 gepumpt wird.
-
Vorliegend
wird eine Drehzahl 52 der Brennkraftmaschine für
eine Steuerung des Bypassventils 40 benutzt. Der Durchflussquerschnitt 46 des
Bypassventils 40wird so eingestellt, dass sowohl die benötigte
Menge Kraftstoff gefördert, als auch eine Kavitation in
der Verdrängerpumpe 22 vermieden wird. Mit steigender
Drehzahl 52 wird der Durchflussquerschnitt 46 in
der Regel größer. Alternativ oder zusätzlich
zur Drehzahl 52 kann die Fördermenge 54 als
Kriterium für eine Steuerung des Bypassventils 40 herangezogen
werden. Beides ist in der 2 durch die
gestrichelten Linien am Ende des Pfeils 44 angedeutet.
Es versteht sich, dass das Bypassventil 40 in der 2 auch
als ein Stellglied für eine Regelung verwendet werden kann.
Ergänzend kann ein in der 2 nicht
gezeichneter – funktionaler Zusammenhang zwischen der Drehzahl 52,
beziehungsweise der Fördermenge 54, und der das
Bypassventil 40 durchströmenden Kraftstoffmenge
verwendet werden, welcher beispielsweise aus dem nachfolgenden Diagramm
der 3 abgeleitet werden kann.
-
3 zeigt
ein Diagramm zum Förderverhalten einer Verdrängerpumpe 22,
welche vorliegend als Zahnradpumpe ausgeführt ist und ohne
ein (geregeltes) Bypassventil 40 betrieben wird. Dabei
beschreibt eine Abszisse eine Drehzahl 52 der Verdrängerpumpe 22,
und eine Ordinate eine Fördermenge 54 des Kraftstoffs.
Ausgehend vom Koordinatenursprung ist eine gestrichelte ansteigende
Gerade 56 dargestellt, welche ein geometrisches Fördervolumen
der Verdrängerpumpe 22 über der Drehzahl 52 charakterisiert.
Wie dargestellt, folgt die Fördermenge 54 der
Geraden 56 nur bei niedrigen Drehzahlen 52. Bei
höheren Drehzahlen 52 wird der Zusammenhang degressiv,
und geht schließlich im rechten Teil der 3 in
eine gestrichelte waagerechte Linie 58 über. Die
Lage der waagerechten Linie 58 wird wesentlich durch die
Eigenschaften der Saugdrossel 16 bestimmt.
-
Man
erkennt, wie mit zunehmender Drehzahl 52 – welche
vorliegend die Drehzahl 52 einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
ist – die Fördermenge 54 nicht mehr dem
geometrischen Fördervolumen der Verdrängerpumpe 22 entspricht.
Ein erster Bereich bezeichnet einen von der Verdrängerpumpe 22 geförderten
Anteil 60 mit flüssigem Kraftstoff, ein zweiter
Bereich bezeichnet einen Anteil 62 mit gasförmigen
Kraftstoff. Der Anteil 62 des gasförmigen Kraftstoffs
hängt im Wesentlichen ab von der Drehzahl 52,
dem geometrischen Fördervolumen sowie den Eigenschaften
der Saugdrossel 16, und ist für den Betrieb der
Verdrängerpumpe 22 schädlich.
-
4 stellt
das Bypassventil 40 der Ausführung (B) nach 1 in
einer schematischen Schnittansicht dar und erläutert dessen
Funktion. Zunächst wird der obere Teil der 4 beschrieben.
In der Ausführung (B) enthält das Bypassventil 40 eine
Einlassöffnung 64, eine Auslassöffnung 66 und
eine seitliche Öffnung 68. Die nicht bezeichneten
Pfeile geben jeweils die Strömungsrichtung des Kraftstoffs
an. Ein nicht näher erläutertes Gehäuse 70 umschließt das
Bypassventil 40. In dem im Wesentlichen zylindrisch ausgeführten
Bypassventil 40 befindet sich ein Steuerkolben 72 mit
einer axialen Durchgangsöffnung 73 und eine Feder 74,
vorliegend als Schraubenfeder 74 ausgeführt. Der
Steuerkolben 72 weist eine Steuerkante 75 auf,
mit welcher der Durchflussquerschnitt 46 bestimmt wird.
Der Steuerkolben 72 ist axial in der hauptsächlichen
Kraftstoffströmungsrichtung verschieblich.
-
Man
erkennt, wie die Schraubenfeder 74 über den Steuerkolben 72 eine
Gegenkraft zu dem durch die Kraftstoffströmung gebildeten
Druck herstellt. Dabei bildet sich ein Gleichgewicht aus, zwischen
dem durch die Kraftstoffströmung erzeugten Druckunterschied
(zwischen der Einlassöffnung 64 und der Auslassöffnung 66)
und der Kraft der Schraubenfeder 74. Gestrichelt ist eine
Ausgangsposition 78 des Steuerkolbens 72 dargestellt,
wie sie bei einer expandierten Schraubenfeder 74 vorliegt.
-
Im
unteren Teil der 4 ist ein Diagramm gezeichnet,
welches einen Druckverlauf längs des Bypassventils 40 zeigt.
Eine Abszisse kennzeichnet eine Strecke 77 passend zu dem
oberen Teil der 4, und eine Ordinate einen Druck 79.
Dabei ist ein Druck 80 im Bereich der Einlassöffnung 64 größer als
ein Druck 82 im Bereich der Auslassöffnung 66. Längs
des Steuerkolbens 72 baut sich daher der höhere
Druck 80 zu einem niedrigeren Druck 82 ab. Eine
Differenz kennzeichnet den Druckunterschied 84 zwischen
der Einlassöffnung 64 und der Auslassöffnung 66 des
Bypassventils 40. Eine der Schraubenfeder 74 entgegen
wirkende Kraft des Steuerkolbens 72 wird bestimmt durch
das Produkt des Druckunterschieds 84 mit einer den Steuerkolben 72 charakterisierenden
Strömungsfläche 86.
-
Im
Betrieb wird der Steuerkolben 72 entsprechend dem Druckunterschied 84 verstellt
und bestimmt so den Durchflussquerschnitt 46. Der Druckunterschied 84 wird
dabei wesentlich von der Fördermenge 54 beeinflusst.
Somit findet eine Regelung der durch die seitliche Öffnung 68 strömenden
Kraftstoffmenge statt, wobei Kraftstoff über die – in
der 4 nicht dargestellte – Fluidleitung 34 zum
Saugbereich 18 zurückströmt und das geometrische
Fördervolumen der Verdrängerpumpe 22 passend
ergänzt. Auf diese Weise wird die Bildung von gasförmigem
Kraftstoff in der Verdrängerpumpe 22 und damit
verbundene Probleme im Wesentlichen vermieden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
