DE102011007182A1

DE102011007182A1 - Hydraulische Fördereinrichtung

Info

Publication number: DE102011007182A1
Application number: DE201110007182
Authority: DE
Inventors: Martin Hecker; Dr. Lyubar Anatoliy; Xaver Gebhardt
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Eine hydraulische Fordereinrichtung, insbesondere als Kraftstoffpumpe fur eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor, umfasst einen Einlass zum Aufnehmen eines Fluids, einen Auslass zum Ausstoßen des Fluids, ein Pumpelement zur Förderung des Fluids vom Einlass zum Auslass und ein Volumenventil zur Steuerung eines Stroms des Fluids vom Einlass zum Pumpelement. Dabei ist das Volumenventil hydraulisch auf der Basis eines im Bereich des Auslasses herrschenden Drucks gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Fordereinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine hydraulische Fordereinrichtung zum Einsatz als Kraftstoffpumpe für eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor.
Ein Verbrennungsmotor, wie er an einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, umfasst eine Einspritzanlage mit einem Druckspeicher. Eine solche Speichereinspritzung, auch Common Rail-Einspritzung genannt, erfordert zum Betrieb eine Fördereinrichtung, um Kraftstoff in einem Druckspeicher, dem Rail, auf einen konstanten, vorbestimmten Druck zu bringen.
Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors variiert das Volumen des Kraftstoffs pro Zeiteinheit, das aus dem Druckspeicher entnommen wird, so dass die Fördereinrichtung unterschiedliche Forderleistungen erbringen muss. Um Herstellungskosten an der Fördereinrichtung gering zu halten, kann ein Überströmventil vorgesehen werden, das Kraftstoff aus dem Druckspeicher ablässt, wenn der Druck im Druckspeicher oberhalb des vorbestimmten Drucks liegt. Der abgelassene Kraftstoff wird der Fördereinrichtung zur erneuten Förderung bereit gestellt. Dadurch sinkt jedoch einerseits die Effizienz der Fordereinrichtung und andererseits besteht die Gefahr, dass sich der Kraftstoff beim mehrfachen Durchlaufen der Fördereinrichtung erwärmt, wodurch eine Funktionalität bzw. Effizienz einer aus dem Druckspeicher gespeisten Einspritzanlage gefährdet sein kann.
Eine alternative Vorgehensweise sieht vor, ein elektromagnetisches Einlassventil („digital inlet valve”, DIV) zu verwenden, um das durch die Fördereinrichtung geförderte Volumen des Kraftstoffs zu begrenzen. Die Steuerung des Einlassventils erfolgt dabei auf der Basis des im Bereich des Druckspeichers herrschenden Drucks. Eine derartige Steuerung der Fördereinrichtung, insbesondere in Verbindung mit dem Ablassventil, ist jedoch aufwendig und somit kostenintensiv. Um eine kostengunstige Einspritzanlage trotzdem effizient zu gestalten, ist es somit eine Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Fördereinrichtung anzubieten, welche die Nachteile des Überströmventils uberwindet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine hydraulische Fordereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wider.
Offenbarung der Erfindung
Eine hydraulische Fordereinrichtung umfasst einen Einlass zum Aufnehmen eines Fluids, einen Auslass zum Ausstoßen des Fluids, ein Pumpelement zur Forderung des Fluids vom Einlass zum Auslass und ein Volumenventil zur Steuerung eines Stroms des Fluids vom Einlass zum Pumpelement. Dabei ist das Volumenventil hydraulisch auf der Basis eines im Bereich des Auslasses herrschenden Drucks gesteuert.
Erfindungsgemäß kann sich das gute Regelverhalten eines elektromechanisch gesteuerten Volumenventils mit dem geringen Herstellungsaufwand eines (Überströmventils kombinieren lassen. Dadurch kann die hydraulische Fördereinrichtung kostengunstiger, zuverlässiger und langlebiger als eine bekannte Fordereinrichtung sein. Insbesondere an einem Verbrennungsmotor, an dem eine Steuerung des Volumenventils an keine weiteren Parameter geknüpft werden soll, kann die hydraulisch gesteuerte Fördereinrichtung vorteilhaft eingesetzt werden. Der geforderte Kraftstoff durchläuft die Fördereinrichtung allgemein nur einmal, so dass eine übermaßige Erwarmung des Kraftstoffs vermieden werden kann.
Das Volumenventil kann dazu eingerichtet sein, den Durchfluss des Fluids vom Einlass zum Pumpelement zu erhöhen, falls der im Bereich des Auslasses herrschende Druck unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, und andernfalls den Durchfluss zu drosseln. Dadurch kann auf einfache und zuverlässige Weise ein konstanter Druck im Bereich des Auslasses bereitgestellt werden, der weitgehend unabhangig von einer Entnahmemenge des Fluids am Auslass ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Volumenelement ein Schließelement mit einem Ventilsitz, ein Federelement, das dazu eingerichtet ist, das Schließelement von dem Ventilsitz abzuheben, um den Durchfluss des Fluids zu erhöhen, und einen beweglichen Kolben zum Drucken des Schließelements gegen den Ventilsitz in Abhängigkeit von einem im Bereich des Auslasses herrschenden Druck. Das hydraulisch gesteuerte Volumenventil weist somit nur noch vier wesentliche Elemente auf, von denen nur drei beweglich sind. Dadurch können Herstellungskosten reduziert und eine Zuverlassigkeit erhoht sein.
Das Schließelement kann insbesondere eine Kugel umfassen, wobei der Kolben dem Federelement bezüglich der Kugel gegenüberliegt und das Federelement im Strom des Fluids liegt. Ein derartiges Volumenventil kann kompakt aufgebaut und derartig gestaltet sein, dass es ein bekanntes elektromechanisches Volumenventil ersetzen kann. Dadurch konnen Herstellungs- und Entwicklungsaufwande der Fordereinrichtung weiter gesenkt werden.
Es kann ein Rückschlagventil zum selektiven Ermoglichen des Strömens des Fluids vom Volumenventil zum Pumpelement vorgesehen sein. Dadurch kann insbesondere ein Ansprechverhalten bei einer sich ändernden Entnahmemenge des Fluids pro Zeiteinheit im Bereich des Auslasses verbessert sein.
Das Ansprechverhalten kann weiter verbessert sein, indem ein hydraulisches Volumen zwischen dem Volumenventil und dem Rückschlagventil minimiert ist. Insbesondere kann so eine Forderleistung der Fördereinrichtung rasch reduziert werden, wenn eine Entnahmemenge des Fluids am Auslass schlagartig zurückgeht.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist ein hydraulischer Dampfer im Bereich zwischen den Einlass und dem Volumenventil zur Minderung eines Pulsierens des Drucks des Fluids vorgesehen. Dadurch kann eine Neigung der Fordereinrichtung zu einem Druckstoß („Wasserhammer”) minimiert sein, der zu Schaden des hydraulischen Systems im Bereich des Einlasses fuhren kann.
Das Pumpelement kann eine Kolbenpumpe mit einem Pumpkolben umfassen, wobei eine vom Volumenventil abgewandte Seite des Pumpkolbens hydraulisch mit der dem Einlass zugewandten Seite des Volumenventils verbunden ist. Diese Maßnahme kann ebenfalls vorteilhaft bezüglich der Vermeidung von Druckschlagen sein.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Fördereinrichtung Element einer Kraftstoffpumpe fur eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor.
Die Erfindung wird nun Bezug auf die beigefugten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 ein hydraulisches Schaltbild einer Fördereinrichtung;
2 ein Volumenventil der Fördereinrichtung von 1;
3 ein Durchflussdiagramm der Fördereinrichtung der 1 bis 2
darstellt.
1 zeigt ein hydraulisches Schaltbild einer Fördereinrichtung 100. Ein Einlass 105 ist zum Aufnehmen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs wie Benzin oder Diesel aus einer mit einem Tank verbundenen Kraftstoffleitung vorgesehen. Der Kraftstoff wird ublicherweise durch eine vorgeschaltete, elektrisch betriebene Pumpe mit einem vorbestimmten Druck bereitgestellt, beispielsweise ca. 3 bar. Vom Einlass 105 fließt der Kraftstoff zu einem optionalen Filter 110. In Durchflussrichtung vor oder hinter dem Filter 110 ist ein hydraulischer Dämpfer 115 angeordnet. Der hydraulische Dampfer 115 hat die Aufgabe, Druckschwankungen des Kraftstoffs zu dämpfen bzw. auszugleichen. In einer Ausführungsform umfasst der hydraulische Dämpfer 115 ein Volumen mit Elementen zum Bremsen von durchfließendem Kraftstoff.
Der Kraftstoff fließt weiter zu einer ersten Abzweigung 120. Von der ersten Abzweigung 120 aus führt eine Fluidleitung zu einem Volumenventil 125. Eine weitere Fluidleitung führt vom Volumenventil 125 zu einem ersten Rückschlagventil 130. Das Volumenventil 125 ist außerdem mit einer hydraulischen Steuerleitung 135 verbunden. In Abhangigkeit eines in der hydraulischen Steuerleitung 135 herrschenden Drucks steuert das Volumenventil 125 eine Durchflussmenge von Kraftstoff pro Zeiteinheit von der ersten Abzweigung 120 zum ersten Rückschlagventil 130.
Das erste Ruckschlagventil 130, das auch passives Servoventil genannt wird, erlaubt einen Fluss des Kraftstoffs vom Volumenventil 125 zu einem mit dem ersten Rückschlagventil 130 verbundenen Pumpenelement 140, verhindert jedoch einen Fluss des Kraftstoffs in umgekehrter Richtung.
Das Pumpenelement 140 umfasst einen Kolben 145, der in einem Zylinder 150 hin und her bewegt wird. Hierzu wird der Kolben 145 mittels eines nicht dargestellten Antriebsmotors angetrieben. Das Pumpenelement 140 ist mit einem zweiten Ruckschlagventil 155 verbunden. Entsprechend dem ersten Rückschlagventil 130 erlaubt das zweite Rückschlagventil 155 ein Fließen des Kraftstoffs aus dem Pumpenelement 140 heraus, verhindert jedoch das Fließen von Kraftstoff in umgekehrter Richtung.
Bewegt sich der Kolben 145 im Zylinder 150 in der Darstellung von 1 nach unten, so sperrt das zweite Ruckschlagventil 155 und das erste Rückschlagventil 130 offnet, so dass Kraftstoff durch das erste Rückschlagventil 130 in den Zylinder 150 strömt. Bewegt sich der Kolben 145 anschließend wieder nach oben, sperrt das erste Ruckschlagventil 130 und das zweite Ruckschlagventil 155 öffnet, so dass unter Druck stehender Kraftstoff aus dem Zylinder 150 durch das zweite Ruckschlagventil 155 ausgestoßen wird. Ein unterhalb des Kolbens 145 befindliches Volumen des Pumpelements 140 ist mittels einer Ausgleichsleitung 160 mit der ersten Abzweigung 120 verbunden.
Das zweite Ruckschlagventil 155 mundet in eine zweite Abzweigung 165. Die zweite Abzweigung 165 ist mit der hydraulischen Steuerleitung 135 verbunden. Ferner führt eine Leitung zu einem optionalen weiteren Filter 170 und von dort zu einem Auslass 175. Der Auslass 175 ist dazu eingerichtet, mit einem Druckspeicher („Common Rail”) eines Verbrennungsmotors verbunden zu werden.
Die Fördereinrichtung 100 ist insbesondere dazu eingerichtet, als Kraftstoffpumpe fur eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt zu werden.
2 zeigt eine Ausführungsform des Volumenventils 125 der Fordereinrichtung 100 aus 1. Das Volumenventil 125 umfasst einen Kolben 205, der beweglich in einem Ende der hydraulischen Steuerleitung 135 aufgenommen ist. Ein oberes Ende des Kolbens 205 steht in Kontakt mit Kraftstoff in der Steuerleitung 135, die zur zweiten Abzweigung 165 in 1 führt. Ein unteres Ende des Kolbens 205 liegt an einer Ventilkugel 210 an. Auf einer entgegengesetzten Seite des Kolbens 205 liegt an der Ventilkugel 210 ein oberes Ende einer Feder 215 an. Ein unteres Ende der Feder 215 ist in einer Zuleitung 220 gehalten, die zur ersten Abzweigung 120 in 1 führt. Die Feder 215 ist vorzugsweise eine Spiralfeder, so dass Kraftstoff der Lange nach durch die Feder 215 strömen kann.
Im Bereich zwischen dem oberen Ende der Feder 215 und der Ventilkugel 210 befindet sich ein Ventilsitz, der die Zuleitung 220 hydraulisch mit einer Ableitung 230 verbindet. Die Ableitung 230 führt zum ersten Ruckschlagventil 130.
Die Feder 215 drückt die Ventilkugel 210 mit konstanter Kraft nach oben, vom Ventilsitz 225 ab. Wird die Ventilkugel 210 abgehoben, so wird ein Fluss von Kraftstoff ermöglicht, der von der ersten Abzweigung 120 durch die Zuleitung 220, durch einen Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz 225 und der Ventilkugel 210 und durch die Ableitung 230 zum ersten Rückschlagventil 130 verläuft. In Abhängigkeit eines in der Steuerleitung 135 herrschenden Drucks ubt der Kolben 205 eine Kraft auf die Ventilkugel 210 aus, um diese nach unten gegen den Ventilsitz 225 zu drücken. Senkt sich die Ventilkugel 210 auf den Ventilsitz 225 ab, so ist der Kraftstofffluss von der ersten Abzweigung 120 zum ersten Rückschlagventil 130 reduziert bzw. unterbrochen.
Durch die wirksame Oberfläche des Kolbens 205 und die Federkraft der Feder 215 ist ein hydraulisches Gleichgewicht definiert, das den Kraftstofffluss von der ersten Abzweigung 120 zum ersten Ruckschlagventil 130 bei einem vorgegebenen hydraulischen Druck in der Steuerleitung 135 ermoglicht. Dadurch wird in der hydraulischen Fordereinrichtung 100 aus 1 der hydraulische Druck im Bereich der zweiten Abzweigung 165 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert, beispielsweise ca. 70 Bar.
Da auch der im Bereich der Zuleitung 220 herrschende hydraulische Druck eine Kraft auf die Ventilkugel 210 nach oben ausubt, um diese vom Ventilsitz 225 abzuheben, kann die Feder 215 entsprechend dimensioniert werden, um diesen Druck zu berücksichtigen. In bekannter Weise kann ein maximales Abheben der Ventilkugel 210 vom Ventilsitz 225 bestimmt werden, um einen maximalen Durchfluss von Kraftstoff von der ersten Abzweigung 120 zum ersten Rückschlagventil 130 zu ermöglichen, und in Abhangigkeit des maximalen Abhebens eine Federhärte und eine Vorspannung der Feder 215 bestimmt. Die Federharte 215 bestimmt auch eine Öffnungscharakteristik des Volumenventils 125, wenn der Druck in der Steuerleitung 135 unter den vorbestimmten Wert abfällt.
3 zeigt ein Durchflussdiagramm 400 der Fordereinrichtung 100 der 1 bis 2.
In einer horizontalen Richtung ist ein Druck p im Bereich des Auslasses 175 angetragen. In vertikaler Richtung ist ein Durchfluss V in Litern pro Minute durch das Volumenventil 125 der
1 bis 2 angetragen. Ein Verlauf 405 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Druck p und dem Durchfluss V. Dabei wird von einem Eingangsdruck im Bereich der ersten Abzweigung 120 von ca. 3,5 Bar ausgegangen.
Unterhalb eines Drucks p von ca. 68 Bar ist das Volumenventil 125 aus den 1 und 2 vollständig geoffnet und der Durchfluss betragt ca. 6,4 l/min.
Bei einem Druck im Bereich des Auslasses 175 zwischen ca. 68 und ca. 73 Bar schließt das Volumenventil 125 annahernd linear und erlaubt oberhalb von ca. 73 Bar praktisch keinen Durchfluss V mehr.
Die leichte Abweichung des Verlaufs 405 im Bereich zwischen ca. 68 und ca. 73 Bar von einem linearen Zusammenhang geht auf die öffnende Wirkung des hydraulischen Drucks in der Zuleitung 220 des Volumenventils 125 zurück.

Claims

Hydraulische Fördereinrichtung (100), die folgende Elemente umfasst: – einen Einlass (105) zum Aufnehmen eines Fluids; – einen Auslass (175) zum Ausstoßen des Fluids; – ein Pumpelement (140) zur Förderung des Fluids vom Einlass zum Auslass; – ein Volumenventil (125) zur Steuerung eines Stroms des Fluids vom Einlass (105) zum Pumpelement (140) auf der Basis eines im Bereich des Auslasses (175) herrschenden Drucks, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuerung des Volumenventils (125) hydraulisch erfolgt.
Fördereinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenventil (125) dazu eingerichtet ist, den Durchfluss des Fluids vom Einlass (105) zum Pumpelement (140) zu erhohen, falls der im Bereich des Auslasses (175) herrschende Druck unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, und andernfalls den Durchfluss zu drosseln.
Fördereinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenventil (125) folgendes umfasst: – ein Schließelement (210) mit einem Ventilsitz (225); – ein Federelement (215), das dazu eingerichtet ist, das Schließelement (210) von dem Ventilsitz (225) abzuheben, um den Durchfluss des Fluids zu erhöhen; und – einen beweglichen Kolben (205) zum Drücken des Schließelements (210) gegen den Ventilsitz (225) in Abhängigkeit von einem im Bereich des Auslasses (175) herrschenden Druck.
Fordereinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (210) eine Kugel umfasst, wobei der Kolben (205) dem Federelement (215) bezuglich der Kugel (210) gegenüber liegt und das Federelement (215) im Strom des Fluids liegt.
Fordereinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Rückschlagventil (130) zum selektiven Ermöglichen des Stromens des Fluids vom Volumenventil (125) zum Pumpelement (14).
Fordereinrichtung (100) Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, ein hydraulisches Volumen zwischen dem Volumenventil (125) und dem Rückschlagventil (130) minimiert ist.
Fordereinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Anspruche, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Dämpfer (115) im Bereich zwischen dem Einlass (105) und dem Volumenventil (125) zur Minderung eines Pulsierens des Drucks des Fluids.
Fordereinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpelement (140) eine Kolbenpumpe mit einem Pumpkolben (145) umfasst, wobei eine vom Volumenventil (125) abgewandte Seite des Pumpkolbens (145) hydraulisch mit der dem Einlass (105) zugewandten Seite des Volumenventils (125) verbunden ist.
Kraftstoffpumpe (100) für eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor, wobei die Kraftstoffpumpe eine Fördereinrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.