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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung mit einer Hochdruckpumpe und einer Vorförderpumpe. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Zur Mengenregelung einer Vorförderpumpe kann ein Durchflussmesser zum Einsatz kommen. Dadurch kann eine bestimmte Menge des Brennstoffs mit einem bestimmten Druck unter gegebenen Randbedingungen gefördert werden. Der Druck und die Menge sind dabei unter anderem vom Hydrauliksystem abhängig.
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Denkbar ist auch eine Mengenregelung ohne Durchflussmesser. Bei einer drehzahlgeregelten Verdrängerpumpe kann unter Berücksichtigung sämtlicher Verluste eine Mengenregelung realisiert werden. Hierfür sind allerdings mehrere bewegte Teile und somit mehrere verschleissanfällige Komponenten erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Regelung der Vorförderpumpe möglich ist. Speziell kann ohne einen zusätzlichen Durchflussmesser eine Regelung der Vorförderpumpe erfolgen, wobei eine Mengenregelung realisierbar ist. Die Anzahl der verschleissanfälligen Komponenten kann hierbei optimiert werden, was Kostenvorteile und eine Erhöhung der Lebensdauer ermöglicht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Pumpenanordnung möglich.
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Vorteilhaft ist es, dass die Regelung die Vorförderpumpe in Bezug auf eine vorgegebene Sollfördermenge je Zeiteinheit regelt. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Regelung eine momentane Fördermenge je Zeiteinheit in Abhängigkeit von der momentanen Leistungsaufnahme der Vorförderpumpe und der momentanen Drehzahl der Vorförderpumpe sowie gegebenenfalls der momentanen Temperatur des durch die Vorförderpumpe geförderten Brennstoffs bestimmt. Somit kann die elektronische Regelung die momentane Fördermenge je Zeiteinheit berechnen und in Bezug auf die vorgegebene Sollfördermenge je Zeiteinheit eine Regelung durchführen. Ein Durchflussmesser oder ein Drucksensor sind somit nicht erforderlich.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Regelung in Abhängigkeit von der momentanen Leistungsaufnahme der Vorförderpumpe und der momentanen Drehzahl der Vorförderpumpe einen Gegendruck an einer Druckseite der Vorförderpumpe bestimmt. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Regelung den Gegendruck an der Druckseite der Vorförderpumpe auch in Abhängigkeit von einer momentanen Temperatur des durch die Vorförderpumpe geförderten Brennstoffs bestimmt. Der Gegendruck an der Druckseite der Vorförderpumpe ergib sich aus dem Zusammenspiel zwischen der Vorförderpumpe und der übrigen Pumpenanordnung beziehungsweise dem Brennstoffeinspritzsystem. Der Gegendruck kann hierbei in vorteilhafter Weise durch die elektronische Regelung bestimmt werden. Hierbei ist es ferner möglich, dass bei einer Änderung der Anlagenkennlinie während des Betriebs, beispielsweise durch Belegen eines druckseitigen Filters, die geforderte Fördermenge durch eine Erhöhung der Pumpendrehzahl wieder erreicht wird. Hierbei kann die Regelung in Abhängigkeit von einem Filterzustand, der beispielsweise über die Filtereinsatzzeit bestimmt wird, eine Drehzahl der Vorförderpumpe erhöhen. Somit kann die Vorförderpumpe über die elektronische Regelung so betrieben werden, dass die Drehzahl im Betrieb so angepasst wird, dass die errechnete Fördermenge je Zeiteinheit der gewünschten Sollfördermenge je Zeiteinheit entspricht.
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Die Vorförderpumpe ist in vorteilhafter Weise über eine gedrosselte oder ungedrosselte Verbindungsleitung mit der Hochdruckpumpe verbunden. Die Verbindung der Vorförderpumpe mit der Hochdruckpumpe kann hierbei ohne Durchflussmesser und ohne Drucksensor ausgestaltet sein. Verschleißanfällige und/oder kostenintensive hydraulische oder nicht hydraulische Komponenten zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe können hierdurch eingespart werden. Als Vorförderpumpe kann in vorteilhafter Weise eine hydrodynamische Strömungspumpe zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Radialpumpe. Hierbei ist eine Strömungspumpe mit nur einem beweglichen Rotor realisierbar.
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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 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine Pumpenanordnung in einer schematischen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Regelung der Pumpenanordnung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Pumpenanordnung 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Pumpenanordnung 1 dient insbesondere für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Besonders eignet sich die Pumpenanordnung 1 für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail 2, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert. Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung 1 eignet sich allerdings auch für andere Anwendungsfälle.
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Die Pumpenanordnung 1 weist eine Hochdruckpumpe 3 und eine Vorförderpumpe 4 auf. Hierbei ist eine Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 mit einer Saugseite 6 der Hochdruckpumpe 3 über eine ungedrosselte Verbindungsleitung 7 verbunden. Außerdem ist an die Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 eine gedrosselte Schmiermittelleitung 8 angeschlossen, die den als Schmiermittel dienenden Brennstoff zu der Hochdruckpumpe 3 führt. Die Hochdruckpumpe 3 ist beispielsweise als Dreistempelpumpe ausgestaltet. Eine Druckseite 9 der Hochdruckpumpe 3 ist mit einem Eingang des Common-Rails 2 verbunden.
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Die Vorförderpumpe 4 fördert Brennstoff aus einem Tankmodul 10, das geeignete Komponenten, insbesondere Tankstrahlpumpen, elektrische Kraftstoffpumpen mit Rückschlagventil und Vorfilter aufweist. Aus dem Tankmodul 10 wird der Brennstoff über ein Filter 11 mit integriertem Wasserabscheider zu einer Saugseite der Vorförderpumpe 4 geführt. Hierbei ist zwischen dem Filter 11 und der Saugseite 12 ein Temperatursensor 13 angebracht, der die Temperatur des durch die Vorförderpumpe 4 geförderten Brennstoffs misst.
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Von dem Common-Rail 2 führt ein Druckregelventil 14 über ein Schaltventil 15 direkt zu dem Filter 11 oder indirekt über das Tankmodul 10 zudem Filter 11. Die Umschaltung des Schaltventils 15 erfolgt hierbei temperaturabhängig. Zwischen dem Schaltventil 15 und dem Tankmodul 10 kann hierbei eine passive Kühleinrichtung 16 vorgesehen sein.
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Außerdem ist ein Druckhalteventil 17 vorgesehen, über das von Brennstoffeinspritzventilen zurückgeführter Brennstoff zu dem Schaltventil 15 geführt werden kann. Entsprechend kann auch ein von der Hochdruckpumpe 3 zurückfließender Brennstoff zu dem Schaltventil 15 geführt werden.
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Die Pumpenanordnung 1 weist außerdem eine elektronische Regelung 20 auf. Die elektronische Regelung 20 ist bidirektional mit der Vorförderpumpe 4 verbunden. Hierbei werden einerseits ein oder mehrere Messgrößen von der Vorförderpumpe 4 zu der elektronischen Regelung 20 geführt. Andererseits steuert die elektronische Regelung 20 die Vorförderpumpe 4. Diese bidirektionale Verbindung 21 ist in der 1 schematisch dargestellt.
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Zwischen der Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 und der Hochdruckpumpe 3 sind nur die Verbindungsleitung 7 und die gedrosselte Schmiermittelleitung 8 und somit keine verschleißanfälligen Komponenten vorgesehen. Speziell ist weder ein Druckbegrenzungsventil, das zwischen die Druckseite 5 und die Saugseite 12 der Vorförderpumpe 4 geschaltet ist, noch ein mengenproportionales Magnetventil, das in die Verbindungsleitung 7 geschaltet ist, vorgesehen. Die Mengenregelung wird durch die Regelung 20 durchgeführt, so dass die Mengenregelung der als hydrodynamischen Strömungspumpe ausgestalteten Vorförderpumpe 4 ohne Durchflussmesser sowie Drucksensor erfolgen kann. Die Regelung 20 steuert die Vorförderpumpe so an, dass unabhängig von der Anlagenkennlinie der Pumpenanordnung 1 beziehungsweise des Brennstoffeinspritzsystems die gewünschte Brennstoffmenge gefördert wird.
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Im Unterschied zu einer mengengeregelten Verdrängerpumpe ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass eine Strömungspumpe mit nur einem beweglichen Rotor realisierbar ist und dadurch die Anzahl der Verschleißstellen reduziert werden kann. Dies wiederum bringt Kosten- sowie Lebensdauervorteile mit sich.
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Speziell kann die als Kraftstoffpumpe dienende Vorförderpumpe 4 für eine sauggedrosselte Hochdruckpumpe 3 zum Einsatz kommen. Auf ein zusätzliches Stellglied, das heißt eine Zumesseinheit, welche die Mengenregelung übernimmt, kann dann verzichtet werden.
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Außerdem kann ein Kaskadenüberströmventil oder ein anderes Überströmventil entfallen, da die geeigneten Schmiermittelmengen mit festen Drosseln, beispielsweise der gedrosselten Schmiermittelleitung 8, eingestellt werden können. Das Wegfallen solcher Ventile ist ebenfalls mit einer Kosteneinsparung verbunden.
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2 zeigt eine Pumpenanordnung 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel saugt die Vorförderpumpe 4 Brennstoff über das Filter 11 aus einem Tank 10' an. Hierbei ist zwischen der Saugseite 12 der Vorförderpumpe 4 und dem Filter 11 eine Handpumpe 22 zur Inbetriebsetzung vorgesehen. Außerdem zweigt von einer Leitung 23 zwischen dem Filter 11 und der Saugseite 12 ein Überbrückungsventil (Bypass-Ventil) 24 ab, das direkt zu der Druckseite 5 führt. Hinter der Abzweigung ist in der Leitung 23 eine Drossel 25 angeordnet.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist außerdem zwischen der Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 und der Saugseite 6 der Hochdruckpumpe 3 ein druckseitiges Filter 26 angeordnet. Ferner ist der Temperatursensor 13 im Bereich der Druckseite 5 angeordnet.
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Somit befindet sich bei dieser Ausgestaltung im Niederdruckkreislauf hinter der Vorförderpumpe 4 das Filter 26. Auf ein Sicherheitsventil zum Schutz des druckseitigen Filters 26 kann verzichtet werden, da der aufgebaute Druck der Vorförderpumpe 25 durch die Regelung 20 physikalisch begrenzt ist. Hierdurch ist das Filter 26 vor einem Bersten geschützt. Der Wegfall eines solchen Sicherheitsventils ist mit einer weiteren Kosteneinsparung verbunden.
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Außerdem ist zwischen der Vorförderpumpe 4 und der Hochdruckpumpe 3 parallel zu der Schmiermittelleitung 8 eine gedrosselte Entlüftungsleitung 8' vorgesehen.
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3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Regelung 20 entsprechend einer möglichen Ausgestaltung. Hierbei sind mehrere Kennlinien dargestellt. An den Abszissen ist die momentane Fördermenge der Vorförderpumpe 4 je Zeiteinheit, das heißt der Durchfluss Q, angetragen. An der oberen Ordinate ist der Druck p an der Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 angetragen. An der unteren Ordinate ist die Leistungsaufnahme P der Vorförderpumpe 4 angetragen. Der Durchfluss Q kann beispielsweise in Liter pro Stunde gemessen werden. Der Druck p kann in Pascal oder Bar gemessen werden. Die Leistungsaufnahme P der Vorförderpumpe 4 kann in Watt gemessen werden.
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Bei gegebener Geometrie ergibt sich ein Zusammenhang zwischen dem Druck p und der Fördermenge je Zeiteinheit, das heißt dem Durchfluss Q, der beispielsweise durch eine Kennlinie 27 oder eine Kennlinie 28 veranschaulicht ist. Hierbei ist die Kennlinie 27 für eine bestimmte Drehzahl n1 der Vorförderpumpe 4 gegeben, während die Kennlinie 28 für eine Drehzahl n2 der Vorförderpumpe 4 gegeben ist. Die Drehzahl n2 ist hierbei größer als die Drehzahl n1. Somit verschiebt sich die Kennlinie mit steigender Drehzahl nach rechts oben, beispielsweise von der Kennlinie 27 zur Kennlinie 28, wie es durch den Pfeil 29 gezeigt ist.
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Die Kennlinien 27, 28 hängen außerdem von der kinematischen Viskosität des geförderten Brennstoffs ab. In der Regel, insbesondere bei Diesel, ist diese Viskosität temperaturabhängig. Somit ergibt sich auch eine Abhängigkeit von der Temperatur T, die beispielsweise von dem Temperatursensor 13 gemessen wird.
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Außerdem besteht ein Zusammenhang zwischen der momentanen Fördermenge je Zeiteinheit, das heißt dem Durchfluss Q, und der Leistungsaufnahme P der Vorförderpumpe 4. Dieser Zusammenhang ist durch Kennlinien 30, 31 veranschaulicht. Hierbei ist die Kennlinie 30 für die Drehzahl n1 dargestellt. Die Kennlinie 31 ist für die Drehzahl n2 dargestellt. Mit zunehmender Drehzahl verschiebt sich die Kennlinie nach oben, wie es durch den Pfeil 32 gezeigt ist. Beispielsweise kann sich mit zunehmender Drehzahl n die Kennlinie ausgehend von der Kennlinie 30 bis zur Kennlinie 31 verschieben.
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Bei gegebener Drehzahl ergibt sich in Bezug auf einen gewissen Durchfluss Q somit die diesbezügliche Leistungsaufnahme P und umgekehrt.
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Die Leistungsaufnahme P kann für jeden Betriebspunkt der Vorförderpumpe 4 bei bekannter Versorgungsspannung mit einer Strommessung bestimmt werden. Hierbei kann der elektrische Wirkungsgrad, der als Kennfeld bekannt ist, berücksichtigt werden. Es sind allerdings auch andere Möglichkeiten zur Messung der Leistungsaufnahme P der Vorförderpumpe 4 möglich.
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Beispielsweise kann die Leistungselektronik in die Vorförderpumpe 4 oder die Regelung 20 integriert werden. Wird die Elektronik zur Leistungsmessung in die Vorförderpumpe 4 integriert, dann kann gegebenenfalls auch der Temperatursensor 13 in diese Leistungselektronik integriert werden. Hierbei kann der Temperatursensor 13 durch einen Temperaturfühler der Elektronik oder durch einen mit einer Elektronikplatine verbundenen Temperaturfühler realisiert werden.
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Die Drehzahl n der Vorförderpumpe 4 kann durch einen Taktgeber oder dergleichen gemessen werden.
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Somit stehen zur Regelung durch die elektronische Regelung 20 die Größen Drehzahl n, Leistung P und Temperatur T zur Verfügung. Aus diesen Größen kann die elektronische Regelung 20 anhand des bekannten Pumpenkennfeldes für jeden Betriebspunkt auf die jeweilige Fördermenge pro Zeiteinheit und den jeweiligen Gegendruck p an der Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 zurückrechnen.
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In der Regelung 20 kann beispielsweise der funktionale Zusammenhang zwischen dem Durchfluss Q und den Größen Drehzahl n, Leistungsaufnahme P sowie Temperatur T über eine Funktion f bestimmt sein. Entsprechend kann der funktionale Zusammenhang zwischen dem Druck p und den Größen Drehzahl n, Leistungsaufnahme P und Temperatur T durch eine Funktion g bestimmt sein. Das heißt: Q = f(n, P, T) (1) p = g(n, P, T) (2)
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Beispielsweise kann eine Sollfördermenge pro Zeiteinheit, das heißt ein Durchfluss Qs, vorgegeben sein. Bei einer Leistungsaufnahme P1 der Vorförderpumpe 4 ergibt sich bei der Kennlinie 30 gerade dieser Sollwert Qs, wie es im unteren Teil des Diagramms veranschaulicht ist. Im oberen Teil des Diagramms ergibt sich bezüglich der Kennlinie 27 ein Gegendruck p1 an der Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4. Aus der gemessenen Drehzahl n1 und der gemessenen Leistung P1 ergibt sich somit sowohl der Durchfluss Q als auch der Druck p1. Hierdurch ist eine Regelung auf die vorgegebene Sollfördermenge je Zeiteinheit möglich. Hierbei kann gegebenenfalls auch die Temperatur T berücksichtigt werden.
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Außerdem kann eine Anpassung an Änderungen des Anlagenzustands erfolgen. Beispielsweise kann hinter der Druckseite 5 der Vorförderpumpe 4 das druckseitige Filter 26 angeordnet sein. In der 3 ist eine Kennlinie 33 für das druckseitige Filter 26 im Neuzustand dargestellt. Ferner ist eine Kennlinie 34 für das druckseitige Filter 26 im belegten Zustand dargestellt. Im Betrieb setzt sich das druckseitige Filter 26 nämlich nach und nach zu, so dass sich das Anlagenverhalten ändert. Dies kann durch eine Erhöhung der Drehzahl n auf die Drehzahl n2 ausgeglichen werden. Hierbei wird auch die Leistungsaufnahme P auf die Leistung P2 erhöht, wodurch in der Folge auch der Druck p an der Druckseite 5 auf den Druck p2 ansteigt. Hierbei ermöglicht die elektronische Regelung 20, dass die vorgegebene Sollfördermenge je Zeiteinheit und somit der Sollwert Qs für den Durchfluss eingehalten ist.
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Außerdem kann die elektronische Regelung 20 den berechneten Druck p überwachen, so dass eine Beschädigung des druckseitigen Filters 26, insbesondere ein Bersten des Filters 26, verhindert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
