DE102010031701A1

DE102010031701A1 - Kraftstoffeinspritzsystem mit elektromechanischem Wandler und Summiergetriebe

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Publication number: DE102010031701A1
Application number: DE201010031701
Authority: DE
Inventors: Ümit Dilalan; Dr. Gevorgyan Gevorg; Werner Knauth; Mario Köhler; Dr. Möckel Andreas; Uwe Nigrin; Dr. Penkava Josef; Rainer Schambeck; Hans-Peter Stangl; Ngoc-Tam Vu; Axel Walter
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: DE102010031701B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem (10) für eine Brennkraftmaschine (20), umfassend eine Hochdruckpumpe (12), zur Förderung von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich (14) in einen Hochdruckbereich (16), und eine mit der Brennkraftmaschine (20) gekoppelte Antriebseinrichtung (30) für die Hochdruckpumpe (12). Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung (30) einen elektromechanischen Wandler (34) und ein Summiergetriebe (32) umfasst, welches einen kombinatorischen Antrieb der Hochdruckpumpe (12) durch die Brennkraftmaschine (20) und den elektromechanischen Wandler (34) ermöglicht. Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftfahrzeugantrieb mit einem Kraftstoffeinspritzsystem (10), sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, sowie einen Kraftfahrzeugantrieb umfassend ein solches Kraftstoffeinspritzsystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem der betreffenden Art dient der Bereitstellung von Kraftstoff in den Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine (im Folgenden als Brennkraftmaschine bezeichnet), bevorzugt mittels Direkteinspritzung. Hierbei sind hohe Einspritzdrücke von derzeit bis über 2500 bar erforderlich, die von einer Hochdruckkraftstoffpumpe (im Folgenden als Hochdruckpumpe bezeichnet) durch Förderung des Kraftstoffs aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich erzeugt werden. Ein Kraftstoffeinspritzsystem der betreffenden Art ist insbesondere ein so genanntes ”Common-Rail-Einspritzsystem”, bei welchem der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe in einen gemeinsamen Hochdruckbereich (Rail) gefördert wird und dieser Hochdruckbereich mit entsprechenden Abgängen zur Versorgung der einzelnen Zylinder mit Kraftstoff versehen ist. Ein solches Common-Rail-Einspritzsystem wird bevorzugt für Dieselkraftstoffe eingesetzt.
Eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem und insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem ist z. B. aus der WO 2004/027263 A1 bekannt.
Die Hochdruckpumpe ist in der Regel mechanisch mit der Brennkraftmaschine starr gekoppelt und wird z. B. mittels eines Zahnriemens oder Kettentriebs von einem Nebenabtrieb der Brennkraftmaschine, wie z. B. der Nockenwelle, permanent angetrieben. Die momentane Kraftstofffördermenge der Hochdruckpumpe bestimmt maßgeblich auch den Druck im Hochdruckbereich. Zur Regelung der Kraftstoffmenge und des Drucks im Hochdruckbereich ist eine Regeleinheit vorgesehen, wie z. B. ein Steuerventil, welches zur Druckreduzierung z. B. ein Rückströmen des Kraftstoffs in den Niederdruckbereich ermöglicht.
Die Kraftstofffördermenge ist im Wesentlichen proportional bzw. linearverlaufend zur Drehzahl (im Folgenden auch als Antriebsdrehzahl bezeichnet) der Hochdruckpumpe. Aufgrund der mechanisch starren Kopplung der Hochdruckpumpe mit der Brennkraftmaschine ist die Kraftstofffördermenge der Hochdruckpumpe damit auch proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine. Hingegen unterliegt der Kraftstoffbedarf in den Zylindern der Brennkraftmaschine nicht einer solchen Proportionalität bzw. Linearität. So ist z. B. der Kraftstoffbedarf in einem niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine unverhältnismäßig höher als in einem mittleren Drehzahlbereich. Die Hochdruckpumpe wird daher konstruktiv für den ungünstigsten Fall ausgelegt, z. B. derart, dass bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine ausreichende Kraftstofffördermenge gegeben ist. Die konstruktive Auslegung einer Hochdruckpumpe erfolgt z. B. anhand der Druckfläche des Förderkolbens oder des Förderkolbenhubs. Bei mittleren und höheren Drehzahlen weist diese Hochdruckpumpe dann jedoch eine zu hohe Kraftstofffördermenge auf, so dass ein Teil des in den Hochdruckbereich geförderten Kraftstoffs mittels der Regeleinheit quasi ungenutzt wieder in den Niederdruckbereich rückgeführt werden muss. Dies hat einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung den Wirkungsgrad eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, insbesondere im Hinblick auf einen Kraftfahrzeugantrieb, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 1, sowie von einem Kraftfahrzeugantrieb gemäß Anspruch 10. Diese Aufgabe wird ferner gelöst von einem Verfahren gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, umfassend eine Hochdruckpumpe, zur Förderung von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich, und eine mit der Brennkraftmaschine gekoppelte Antriebseinrichtung für die Hochdruckpumpe, wobei die Antriebseinrichtung einen elektromechanischen Wandler und ein Summiergetriebe umfasst, welches einen kombinatorischen Antrieb der Hochdruckpumpe durch die Brennkraftmaschine und den elektromechanischen Wandler ermöglicht.
Bei diesem Kraftstoffeinspritzsystem handelt es sich insbesondere um ein Common-Rail-Einspritzsystem, bevorzugter Weise für Dieselkraftstoffe.
Unter ”Kopplung” wird eine Verbindung verstanden, über die hinweg Kräfte und/oder Drehmomente übertragbar sind. Eine solche Kopplung ist insbesondere eine mechanische Verbindung, die z. B. Formschlusselemente und/oder Reibschlusselemente umfasst.
Der Begriff ”Antriebseinrichtung” umfasst Mittel und/oder Komponenten, vermittels derer die Hochdruckpumpe angetrieben wird oder antreibbar ist, wozu die Antriebseinrichtung mit der Hochdruckpumpe gekoppelt ist. Die Antriebseinrichtung ist ferner mit der Brennkraftmaschine gekoppelt, so dass Kräfte und/oder Drehmomente zwischen der Brennkraftmaschine und dieser Antriebseinrichtung übertragbar sind.
Der elektromechanische Wandler ist eine Komponente oder eine Gruppe von Komponenten, welche eine elektrische Energie in eine mechanische Energie umwandeln kann und/oder umgekehrt. Ein elektromechanischer Wandler kann z. B. ein Elektromotor und/oder eine Dynamomaschine sein, wie nachfolgend noch näher erläutert.
Das Summiergetriebe ist ein Getriebe mit mehreren Anschlüssen, die als Eingänge und/oder Ausgänge nutzbar sind. Die nutzbare Leistung an wenigstens einem Anschluss entspricht idealerweise einer Summation der zugehenden und/oder abgehenden Leistungen an wenigstens zwei weiteren Anschlüssen. Ein Summiergetriebe kann auch als Überlagerungsgetriebe bezeichnet werden. Die an den Anschlüssen zugehenden und/oder abgehenden Leistungen können anhand der jeweiligen Drehzahl und/oder des jeweiligen Drehmomentes, sowie dem Produkt dieser beiden Größen, der so genannten Drehleistung, bemessen werden. Zwischen einzelnen Anschlüssen des Summiergetriebes kann gemäß gängiger Definition eine Übersetzung oder Untersetzung vorliegen. Bevorzugt ist das Summiergetriebe ein mechanisches Getriebe mit einem Zahnräderwerk.
Mittels des Summiergetriebes wird ein kombinatorischer Antrieb der Hochdruckpumpe durch die Brennkraftmaschine und den elektromechanischen Wandler ermöglicht. Hierunter ist zu verstehen, dass sowohl die Brennkraftmaschine als auch der elektromechanische Wandler einen Leistungsanteil zum Antrieb der Hochdruckpumpe bereitstellen können. Hierbei kann durchaus zumindest zeitweise vorgesehen sein, dass ein Leistungsanteil den Wert Null einnimmt. Ferner kann zumindest zeitweise vorgesehen sein, dass ein Leistungsanteil einen Wert kleiner Null einnimmt, was bedeutet, dass Leistung bezogen wird, wie nachfolgend noch näher erläutert.
In vorteilhafter Weise ermöglicht es der kombinatorische Antrieb, die Drehzahl der Hochdruckpumpe und damit deren Kraftstofffördermenge und hierüber auch den Druck im Hochdruckbereich situationserforderlich und unabhängig von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, wie insbesondere deren Drehzahl, einzustellen. Hierdurch unterscheidet sich die Erfindung grundlegend zum Stand der Technik, bei dem nicht die Kraftstofffördermenge situationserforderlich eingestellt wird, sondern eine situationserforderliche Rückführung des bereits geförderten Kraftstoffs in den Niederdruckbereich durchgeführt wird. Die Erfindung weist daher einen deutlich besseren Wirkungsgrad auf.
Zudem kann in vorteilhafter Weise auf eine Regeleinheit, wie insbesondere ein Steuerventil, verzichtet werden. Der Hochdruckbereich kann daher massiver und sicherer ausgeführt werden.
Bemessen am Stand der Technik bedarf es, aufgrund des kombinatorischen Antriebs, zumindest in einzelnen Drehzahlbereichen einer geringeren Leistungsbereitstellung seitens der Brennkraftmaschine zum Antrieb der Hochdruckpumpe, wodurch auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert und deren CO₂-Ausstoß verringert wird.
Zudem muss der mechanische Nebenabtrieb der Brennkraftmaschine, welcher zum Antrieb der Hochdruckpumpe vorgesehen ist, nicht mehr für die maximale Förderleistung der Hochdruckpumpe ausgelegt werden, sondern kann konstruktiv weniger aufwändig für eine geringere Leistung dimensioniert werden.
Da die Hochdruckpumpe mittels des kombinatorischen Antriebs auch in einem niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine mit hohen Drehzahlen betreibbar ist, ergibt sich eine Verbesserung des Start-Stop-Verhaltens. Zudem kann die Hochdruckpumpe kleiner dimensioniert werden, wodurch deren Platzbedarf gesenkt, innere Reibungsverluste reduziert und deren Wirkungsgrad verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Summiergetriebe einen ersten, mit der Brennkraftmaschine gekoppelten Anschluss, einen zweiten, mit dem elektromechanischen Wandler gekoppelten Anschluss und einen dritten, mit der Hochdruckpumpe gekoppelten Anschluss, aufweist.
Im einfachsten Fall weist das Summiergetriebe nur diese drei Anschlüsse auf. Alternativ kann das Summiergetriebe jedoch noch weitere Anschlüsse aufweisen. Ebenso ist es denkbar, anstelle eines einzelnen Summiergetriebes eine Vielzahl von miteinander gekoppelten Summiergetrieben vorzusehen, um somit z. B. weitere Anschlüsse bereitzustellen. Die Anschlüsse des Summiergetriebes sind z. B. als Flansche ausgebildet, welche eine formschlüssige Verbindung zu den gekoppelten Komponenten ermöglichen. Dies schließt die Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes und/oder eines Wechselgetriebes mit ein. Die Kopplung mit der Brennkraftmaschine erfolgt bevorzugt mit einem Nebenabtrieb der Brennkraftmaschine, wie z. B. mit deren Nockenwelle.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der dritte Anschluss des Summiergetriebes als ein die Leistungen am ersten und zweiten Anschluss summierender Anschluss ausgebildet ist.
Bevorzugt ist dieser dritte Anschluss des Summiergetriebes als ein Ausgang verwendet. Die an diesem Ausgang des Summiergetriebes bereitstehende Leistung zum Antrieb der Hochdruckpumpe wird somit von der Brennkraftmaschine und dem elektromechanischen Wandler gemeinsam aufgebracht. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, die Drehzahl am Ausgang des Summiergetriebes über den Betrieb des elektromechanischen Wandlers einzustellen. Bezüglich des Antriebs durch die Brennkraftmaschine kann der elektromechanische Wandler je nach seiner Antriebsrichtung drehzahlerhöhend oder drehzahlverringernd betrieben werden. Die Kraftstofffördermenge der Hochdruckpumpe kann somit unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt werden.
Bevorzugt ist das Summiergetriebe als Planetengetriebe ausgebildet. Ein Planentengetriebe ermöglicht bei einer kompakten Bauweise das Übertragen hoher Drehmomente.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler ein Elektromotor oder eine Dynamomaschine ist.
Ein Elektromotor ist insbesondere ein Drehelektromotor. Durch bevorzugt stufenloses Einstellen der Drehzahl und einen wahlweisen Rechtslauf oder Linkslauf des Elektromotors kann die Drehzahl an dem mit der Hochdruckpumpe gekoppelten Anschluss des Summiergetriebes auf einfache Weise eingestellt werden. Eine Dynamomaschine ist insbesondere eine Drehdynamomaschine.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler ein Elektromotor ist, der gleichfalls auch als Dynamomaschine betreibbar ist.
Aufgrund der Bauweise dieses elektromechanischen Wandlers wird somit ermöglicht, diesen situationserforderlich zum Antrieb und/oder als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie einzusetzen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner an wenigstens einem der Anschlüsse des Summiergetriebes wenigstens ein Kraftflusssteuermittel vorgesehen.
Ein solches Kraftflusssteuermittel dient einer definierten Aufteilung des Kraftflusses oder des Drehmomentenflusses zwischen den verschiednen Anschlüssen des Summiergetriebes. Damit kann auch die Leistung an einzelnen Anschlüssen beeinflusst werden. Ein solches Kraftflusssteuermittel kann dabei innerhalb oder außerhalb des Summiergetriebes angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kraftflusssteuermittel eine Kupplungseinrichtung ist.
Eine Kupplungseinrichtung dient z. B. der situationserforderlichen Entkopplung der mit dem jeweiligen Anschluss gekoppelten Komponente und/oder einer Leistungsbegrenzung am jeweiligen Anschluss.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kraftflusssteuermittel eine Drehsperreinrichtung ist.
Eine solche Drehsperreinrichtung kann nur in eine Drehrichtung oder in beide Drehrichtungen wirken. Bevorzugt ermöglicht eine Drehsperreinrichtung ein situationserforderliches Feststellen eines Anschlusses.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftstoffeinspritzsystem ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung des elektromechanischen Wandlers und/oder des Summiergetriebes umfasst.
Eine solche Steuereinrichtung dient insbesondere auch der Steuerung der Kraftflusssteuermittel. Die Steuerung erfolgt bevorzugt softwarebasiert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Komponenten des Kraftstoffeinspritzsystems zu einer Baueinheit zusammengefasst sind. Bevorzugt sind mehrere Komponenten der Antriebseinheit für die Hochdruckpumpe zu einer Baueinheit zusammengefasst. Die Baueinheit kann auch die Hochdruckpumpe mit einschließen. Die Baueinheit ist bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ferner ein Kraftfahrzeugantrieb zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, umfassend eine Brennkraftmaschine und ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß einer der obigen Ausführungen.
Aufgrund des für den Betrieb der Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems sehr hohen Antriebsmomentes ist man bislang bei Kraftfahrzeugen davon ausgegangen, dass die Hochdruckpumpe vernünftigerweise nicht elektromechanisch betrieben werden kann, sondern nur mittels eines mechanischen Antriebs durch die Brennkraftmaschine selbst, wie eingangs erläutert.
Demgegenüber folgt der erfindungsgemäße Kraftfahrzeugantrieb einem anderen Ansatz, nämlich einem kombinatorischen Antrieb der Hochdruckpumpe durch die Brennkraftmaschine und einen elektromechanischen Wandler mittels eines Summiergetriebes.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich mittels eines Summiergetriebes kombinatorisch durch die Brennkraftmaschine und einen elektromechanischen Wandler angetrieben wird.
Für dieses Verfahren gelten im Wesentlichen die obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem. Insbesondere handelt es sich bei dem Kraftstoffeinspritzsystem um ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß einer der obigen Ausführungen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt zumindest ein Betriebsmodus und insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsmodi vorgesehen. Diese Betriebsmodi können z. B. von der Steuereinrichtung gesteuert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem eine von dem Summiergetriebe an die Hochdruckpumpe abgegebene Leistung einer Summation aller dem Summiergetriebe zugehenden Leistungen entspricht.
Bei den dem Summiergetriebe zugehenden Leistungen handelt es sich insbesondere um eine bereitgestellte Leistung des Nebenantriebs der Brennkraftmaschine und um eine bereitgestellte Leistung des elektromechanischen Wandlers. In diesem Betriebsmodus sind die mit diesen Komponenten gekoppelten Anschlüsse des Summiergetriebes als Eingänge wirksam und der mit der Hochdruckpumpe gekoppelt Anschluss ist als Ausgang wirksam.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch Steuern des elektromechanischen Wandlers die von dem Summiergetriebe an die Hochdruckpumpe abgegebene Leistung gesteuert wird, oder zumindest eingestellt wird.
Durch Steuern des elektromechanischen Wandlers kann dessen an das Summiergetriebe abgegebene Leistung eingestellt werden, wodurch die infolge der Summation von dem Summiergetriebe an die Hochdruckpumpe abgegebene Leistung und insbesondere die zum Antrieb der Hochdruckpumpe von dem betreffenden Anschluss des Summiergetriebes bereitgestellte Drehzahl situationserforderlich eingestellt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem der elektromechanische Wandler als Dynamomaschine betrieben wird.
Dieser Betriebsmodus eignet sich z. B. für den Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine. Hierbei kann mittels des elektromechanischen Wandlers eine nicht benötigte Bewegungsenergie in eine elektrische Energie umgewandelt werden. In diesem Betriebsmodus ist der mit dem elektromechanischen Wandler des Summiergetriebes gekoppelte Anschluss als Ausgang wirksam und der elektromechanische Wandler bezieht Leistung.
Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebsmodus mit ”Dynamobetrieb” z. B. betriebsmäßig bei relativ hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine (z. B. über einer vorbestimmten Drehzahlschwelle) vorgesehen sein, um elektrische Energie zu gewinnen. In diesem Fall verteilt das Summiergetriebe die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung auf die Hochdruckpumpe und den elektromechanischen Wandler. Hierzu können geeignete Kraftflusssteuermittel am Summiergetriebe vorgesehen und angesteuert werden.
Insbesondere für diesen Betriebsmodus ist die Verwendung von Kraftflusssteuermitteln vorteilhaft, um die Bewegungsenergie der Brennkraftmaschine zu einem definierten Anteil auf den elektromechanischen Wandler leiten zu können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem der elektromechanische Wandler als Anlasser für die Brennkraftmaschine betrieben wird.
Hierdurch kann auf einen separaten Anlasser herkömmlicher Bauart verzichtet werden. In diesem Betriebsmodus ist der mit dem elektromechanischen Wandler des Summiergetriebes gekoppelte Anschluss als Eingang wirksam und der mit der Brennkraftmaschine gekoppelte Anschluss ist als Ausgang wirksam.
Insbesondere für diesen Betriebsmodus ist die Verwendung von Kraftflusssteuermitteln vorteilhaft, um die beim Anlassen von dem elektromechanischen Wandler bereitgestellte Leistung definiert auf die Hochdruckpumpe und die Brennkraftmaschine aufteilen zu können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der elektromechanisch Wandler derart ausgebildet und angeordnet, dass dieser situationserforderlich als Antrieb, Generator und Anlasser verwendet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Kraftstoffeinspritzsystems in einer schematischen Darstellung;
2 ein als Summiergetriebe verwendetes Planetengetriebe in einer schematischen Darstellung;
3 relevante Drehzahlverläufe für den Normalbetrieb in zwei Diagrammen;
4 alternative Drehzahlverläufe in zwei Diagrammen; und
5 weitere alternative Drehzahlverläufe in zwei Diagrammen.
1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem 10, welches insbesondere für einen Kraftfahrzeugantrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 umfasst eine Hochdruckpumpe 12, zur Förderung von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich bzw. einem Kraftstoffreservoir 14 in einen Hochdruckbereich bzw. in ein Rail 16. Der Hochdruckbereich 16 ist mit Abgängen zur Kraftstoffversorgung der einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine 20 mittels von Injektoren 18 versehen. Ein solches Kraftstoffeinspritzsystem wird auch als Common-Rail-Einspritzsystem bezeichnet.
Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 verfügt über eine Antriebseinrichtung 30 für die Hochdruckpumpe 12. Die Antriebseinrichtung 30 umfasst ein Summiergetriebe 32 und einen elektromechanischen Wandler 34, der ein Elektromotor ist und welcher gleichfalls auch als Dynamomaschine betrieben werden kann.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Summiergetriebe 32 drei Anschlüsse A, B und C auf. Diese sind mit einem Nebenabtrieb 22 der Brennkraftmaschine 20, mit dem elektromechanischen Wandler 34 und mit der Hochdruckpumpe 12 gekoppelt, derart, dass Drehmomente übertragbar sind. Die Kopplungen sind symbolisch mittels der Antriebswellen 36, 37 und 38 dargestellt. Anstelle dieser Antriebswellen ist jedoch auch ein Kettentrieb, Riementrieb oder dergleichen denkbar. Das Summiergetriebe 32 und der elektromechanische Wandler 34 werden von einer Steuereinrichtung 40 gesteuert.
Das Summiergetriebe 32 ermöglicht einen kombinatorischen Antrieb der Hochdruckpumpe 12 durch die Brennkraftmaschine 20 und durch den elektromechanischen Wandler 34. Dieser kombinatorische Antrieb kann im Normalbetrieb situationserforderlich zwei unterschiedliche Betriebsmodi aufweisen:

– die Hochdruckpumpe 12 wird nur von der Brennkraftmaschine 20 angetrieben; und
– die Hochdruckpumpe 12 wird gemeinsam von der Brennkraftmaschine 20 und von dem elektromechanischen Wandler 34 angetrieben. Dies ist insbesondere in einem niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine vorgesehen.

Ergänzend ist auch folgender Betriebsmodus möglich:

– die Hochdruckpumpe 12 wird nur vom elektromechanischen Wandler 34 angetrieben.

Ferner sind zumindest noch zwei weitere Betriebsmodi vorgesehen:

– der elektromechanische Wandler 34 wird als Dynamomaschine betrieben; und
– der elektromechanische Wandler 34 wird als Anlasser für die Brennkraftmaschine 20 betrieben.

2 zeigt die Verwendung eines Planetengetriebes 50 in einer Anordnung gemäß der 1. Dargestellt ist eine besonders bevorzugten Anschlussbelegung des Summiergetriebes 50. Der Nebenabtrieb 22 der Brennkraftmaschine 20 ist mit dem Sonnenrad 52 (Anschluss A) und die Hochdruckpumpe 12 ist mit dem Planetenradträger 54 (Anschluss C) gekoppelt. Der elektromechanische Wandler 34 ist mit dem Hohlrad 56 (Anschluss B) gekoppelt, wozu dieses z. B. eine Außenverzahnung 58 aufweisen kann, in welche ein Ritzel 35 des elektromechanischen Wandlers 34 formschlüssig eingreifen kann.
Die Bezugszeichen 53 und 55 bezeichnen Kraftflusssteuermittel zum Einstellen eines definierten Drehmomentflusses und/oder zum Einstellen einer momentan nutzbaren Leistung an den Anschlüssen A und C. Ein solches Kraftflusssteuermittel kann auch am Anschluss B vorgesehen sein. Die Kraftflusssteuermittel 53 und 55 können z. B. Kupplungseinrichtungen und/oder Drehsperreinrichtungen sein.
Nachfolgend wird anhand der 3 die Funktion des Kraftstoffeinspritzsystems 10 im Normalbetrieb näher erläutert.
3 zeigt im oberen Diagramm den Verlauf 60 der Drehzahl (Antriebsdrehzahl) NP der Hochdruckpumpe 12 in Abhängigkeit von der Drehzahl (Kurbelwellendrehzahl) NM einer Diesel-Brennkraftmaschine 20. Aufgrund eines proportionalen Zusammenhangs bestimmt die Drehzahl NP der Hochdruckpumpe 12 über einen mechanisch festgelegten Proportionalitätsfaktor die Kraftstofffördermenge VP, die auf der rechten Ordinate abgetragen ist und deren drehzahlabhängiger Verlauf dem Verlauf 60 entspricht. Die Kraftstofffördermenge VP bestimmt maßgeblich auch den Druck im Hochdruckbereich 16.
Bei einer ausschließlich mechanischen Kopplung der Hochdruckpumpe 12 mit der Brennkraftmaschine 20, genau genommen mit deren Nebenabtrieb 22, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Drehzahl NM der Brennkraftmaschine 20 und der Drehzahl NP der Hochdruckpumpe und damit auch ein linearer Zusammenhang zwischen der Drehzahl NM der Brennkraftmaschine 20 und der Kraftstofffördermenge VP der Hochdruckpumpe 12. Dies zeigt der Verlauf 60.
Wie eingangs erläutert, unterliegt der Kraftstoffbedarf im Betrieb einer Brennkraftmaschine 20 jedoch nicht einem solchen proportionalen Zusammenhang wie ihn der Verlauf 60 zeigt. So ist z. B. der Kraftstoffbedarf und damit die erforderliche Kraftstofffördermenge VP bei niedrigen Drehzahlen NM der Brennkraftmaschine 20 unverhältnismäßig höher, als bei mittleren Drehzahlen. Dies zeigt exemplarisch der Verlauf 62.
Wegen dieses nichtlinearen Verlaufs 62 wird gemäß dem Stand der Technik die Hochdruckpumpe 12 konstruktiv derart ausgelegt, dass sie für den ungünstigsten Fall eine ausreichende Kraftstofffördermenge VP bereitstellt. Wie dargstellte wird dies z. B. dadurch erreicht, dass die Hochdruckpumpe 12 bei der geringsten Drehzahl NM der Brennkraftmaschine 20 eine Kraftstofffördermenge VP gemäß dem Verlauf 62 bereitstellt, so dass die Verläufe 60 und 62 an diesem Punkt zusammenfallen. Bei höheren Drehzahlen NM der Brennkraftmaschine 20 erfolgt gemäß dem Stand der Technik eine Anpassung der fest vorgegebenen Kraftstofffördermenge VP gemäß dem Verlauf 60 an den erforderlichen Verlauf 62 durch Rückführung des bereits geförderten Kraftstoffs mittels einer Regeleinheit, einhergehend mit den eingangs genannten Nachteilen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht hingegen vor, die erforderliche Kraftstofffördermenge VP gemäß dem Verlauf 62 mittels eines Summiergetriebes 32 einzustellen, welches einen kombinatorischen Antrieb der Hochdruckpumpe 12 durch die Brennkraftmaschine 20 und den elektromechanischen Wandler 34 ermöglicht.
Hierzu stellt die Brennkraftmaschine 20 mittels ihres Nebenabtriebs 22 dem linearen Verlauf 64 entsprechende Drehzahlen (genau genommen Drehleistungen) zum Antrieb der Hochdruckpumpe 12 bereit. Der Verlauf 64 unterschreitet in einem niedrigen Drehzahlbereich a den für den Betrieb der Brennkraftmaschine 20 erforderlichen Verlauf 62. Hingegen überschreitet der Verlauf 64 den erforderlichen Verlauf 62 in einem hohen Drehzahlbereich b.
Um im niedrigen Drehzahlbereich a die erforderliche Antriebsdrehzahl NP für die Hochdruckpumpe 12 gemäß dem Verlauf 62 bereitzustellen, wird der elektromechanische Wandler 34 zugeschaltet und dessen abgegebene Leistung mittels des Summiergetriebes 32 zur Leistung der Brennkraftmaschine addiert, was im Ergebnis eine Erhöhung der Antriebsdrehzahl NP bewirkt. Einfach ausgedrückt, dient der elektromechanische Wandler 34 hierbei als zusätzlicher Drehzahllieferant. Im hohen Drehzahlbereich b wird der elektromechanische Wandler 34 in umgekehrter Antriebsrichtung betrieben, um den erforderlichen Verlauf 62 einzustellen.
Das untere Diagramm der 3 zeigt den Verlauf 66 der Drehzahl NE des elektromechanischen Wandlers 34. Einfach ausgedrückt wird von dem elektromechanischen Wandler 34 die jeweilige Differenz zwischen den Verläufen 64 und 62 gemäß dem oberen Diagramm bereitgestellt. Am Übergangspunkt zwischen den einzelnen Drehzahlbereichen a und b wird die Hochdruckpumpe 12 im Übrigen nur von der Brennkraftmaschine 20 angetrieben.
Alternativ ist es möglich, bei umgekehrter Antriebsrichtung des elektromechanischen Wandlers 34, gemäß dem negativen Ast des Verlaufs 66 im unteren Diagramm, diesen als Dynamomaschine zu betreiben, um die zwischen den Verläufen 62 und 64 gegebene Energiedifferenz in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere hierzu sind Kraftflusssteuermittel erforderlich, wie oben erläutert.
Wie aus dem oberen Diagramm der 3 hervorgeht, stellt die Brennkraftmaschine 20 gemäß dem Verlauf 64 eine um den Differenzwert d geringere Leistung zum Antrieb der Hochdruckpumpe bereit, als beim Verlauf 60 gemäß dem Stand der Technik. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 20 verbessert.
Der Verlauf 64 wird durch konstruktive Auslegung der Hochdruckpumpe 12 und/oder des Nebenabtriebs 22 der Brennkraftmaschine 20 festgelegt. Der Verlauf 64 kann auch derart festgelegt werden, dass der elektromechanische Wandler 34 über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 20 nur in eine Antriebsrichtung betrieben werden muss. Dies zeigen exemplarisch die Diagramme der 4 und 5. Die entsprechenden Verläufe sind hier jeweils mit den Zusätzen ”a” und ”b” bezeichnet.
Gemäß der Darstellung in 4 wird der elektromechanische Wandler 34 nur in eine Antriebsrichtung betrieben. Der elektromechanische Wandler 34 wirkt hier bezüglich der Antriebsdrehzahl NP der Hochdruckpumpe 12 drehzahlerhöhend.
Gemäß der Darstellung in 5 wird der elektromechanische Wandler 34 in die Gegenrichtung betrieben. Der selbe Effekt kann auch durch ein Wechselgetriebe herbeigeführt werden. Der elektromechanische Wandler 34 wirkt hier bezüglich der Antriebsdrehzahl NP der Hochdruckpumpe 12 drehzahlverringernd.
Ferner ist es insbesondere im Schleppbetrieb möglich, die von dem Nebenabtrieb 22 der Brennkraftmaschine 20 bereitgestellte mechanische Leistung, abzüglich eines geringen Leistungsanteils zum Leerlaufbetrieb der Hochdruckpumpe 12, mittels des elektromechanischen Wandlers 34 vollständig in elektrische Energie umzuwandeln. In diesem Fall gibt der elektromechanische Wandler 34 keine Leistung ab, sondern bezieht Leistung. Auch hierzu sind insbesondere Kraftflusssteuermittel erforderlich, wie oben erläutert.
Bezugszeichenliste

10: Kraftstoffeinspritzsystem
12: Hochdruckpumpe
14: Niederdruckbereich
16: Hochdruckbereich
18: Injektor
20: Brennkraftmaschine
22: Nebenabtrieb
30: Antriebseinrichtung
32: Summiergetriebe
34: elektromechanischer Wandler
35: Ritzel
36: Antriebswelle
37: Antriebswelle
38: Antriebswelle
40: Steuereinheit
50: Planetengetriebe
52: Sonnenrad
53: Kraftflusssteuermittel
54: Planetenradträger
55: Kraftflusssteuermittel
56: Hohlrad
58: Außenverzahnung
60: Funktionsverlauf
62: Funktionsverlauf
64: Funktionsverlauf
66: Funktionsverlauf
NE: Drehzahl elektromechanischer Wandler
NM: Drehzahl Brennkraftmaschine
NP: Drehzahl Hochdruckpumpe
VP: Kraftstofffördermenge
a: niedriger Drehzahlbereich
b: hoher Drehzahlbereich
d: Differenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/027263 A1 [0003]

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem (10) für eine Brennkraftmaschine (20), insbesondere Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend eine Hochdruckpumpe (12), zur Förderung von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich (14) in einen Hochdruckbereich (16), und eine mit der Brennkraftmaschine (20) gekoppelte Antriebseinrichtung (30) für die Hochdruckpumpe (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (30) einen elektromechanischen Wandler (34) und ein Summiergetriebe (32) umfasst, welches einen kombinatorischen Antrieb der Hochdruckpumpe (12) durch die Brennkraftmaschine (20) und den elektromechanischen Wandler (34) ermöglicht.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Summiergetriebe (32) einen ersten, mit der Brennkraftmaschine (20) gekoppelten Anschluss (A), einen zweiten, mit dem elektromechanischen Wandler (34) gekoppelten Anschluss (B) und einen dritten, mit der Hochdruckpumpe (12) gekoppelten Anschluss (C), aufweist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anschluss (C) als ein die Leistungen am ersten (A) und zweiten (B) Anschluss summierender Anschluss ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (34) ein Elektromotor oder eine Dynamomaschine ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (34) ein Elektromotor ist, der gleichfalls auch als Dynamomaschine betreibbar ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner an wenigstens einem der Anschlüsse (A, B, C) des Summiergetriebes (32) wenigstens ein Kraftflusssteuermittel (53, 55) vorgesehen ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftflusssteuermittel eine Kupplungseinrichtung ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftflusssteuermittel eine Drehsperreinrichtung ist.
Kraftstoffeinspritzsystem (10) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Steuereinrichtung (40) zur Steuerung des elektromechanischen Wandlers (34) und/oder des Summiergetriebes (32) umfasst.
Kraftfahrzeugantrieb zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Brennkraftmaschine (20) und ein Kraftstoffeinspritzsystem (10) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems (10) einer Brennkraftmaschine (20), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Hochdruckpumpe (12) zur Förderung von Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich (14) in einen Hochdruckbereich (16) mittels eines Summiergetriebes (32) kombinatorisch durch die Brennkraftmaschine (20) und einen elektromechanischen Wandler (34) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmodus vorgesehen ist, in welchem eine von dem Summiergetriebe (32) an die Hochdruckpumpe (12) abgegebene Leistung einer Summation aller dem Summiergetriebe (32) zugehenden Leistungen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Steuern der Leistung des elektromechanischen Wandlers (34) die von dem Summiergetriebe (32) an die Hochdruckpumpe (12) abgegebene Leistung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmodus vorgesehen ist, in welchem der elektromechanische Wandler (34) als Dynamomaschine betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmodus vorgesehen ist, in welchem der elektromechanische Wandler (34) als Anlasser für die Brennkraftmaschine (20) betrieben wird.