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Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zur Förderung eines Fluids.
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Eine derartige Pumpenanordnung kann vorzugsweise zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Speichereinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Common Rail-Systemen, sollen den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck bereitstellen können. Dazu weisen Pumpenanordnungen herkömmlich zwei Pumpen auf, die hydraulisch in Reihe geschaltet sind. Eine Vorförderpumpe, die als Verdrängungspumpe ausgeführt ist, fördert Fluid aus einem Tank und stellt das Fluid mit einem Druck von etwa 5 bar der zweiten Pumpe zur Verfügung, die dann einen Druck von bis zu 2500 bar bereitstellt.
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Es ist wünschenswert, eine Pumpenanordnung anzugeben, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglicht. Zugleich soll die Pumpenanordnung kostengünstig herstellbar sein.
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Die Druckschrift
DE 199 13 804 A1 offenbart eine mit einer Saugdrossel geregelte Hochdruckpumpe, die mit der Vorförderpumpe über eine gemeinsame Antriebswelle verfügt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Pumpenanordnung zur Förderung eines Fluids eine Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe. Die Vorförderpumpe und die Hochdruckpumpe sind von einer gemeinsamen Antriebswelle antreibbar. Die Vorförderpumpe ist als Strömungspumpe ausgebildet, insbesondere als Kreiselpumpe. Die Hochdruckpumpe weist ein Einlassventil auf, das in einer Offenposition den Fluidfluss von der Vorförderpumpe zu der Hochdruckpumpe frei gibt und in einer Schließposition den Fluidfluss von der Vorförderpumpe zu der Hochdruckpumpe verhindert. Die Pumpenanordnung ist so ausgebildet, dass die Hochdruckpumpe bis zu einem vorgegebenen Wert der Drehzahl der Antriebswelle selbstsaugend ist und ab dem vorgegebenen Wert der Drehzahl die Vorförderpumpe Fluid mit einem Mindestdruck für die Hochdruckpumpe bereitstellt. Das Einlassventil ist so ausgebildet, dass es während des Saughubs der Hochdruckpumpe passiv die Offenposition einnimmt.
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Die Pumpenanordnung weist eine Strömungspumpe als Vorförderpumpe auf. Diese wird durch die gleiche Antriebswelle angetrieben wie die Hochdruckpumpe. In niedrigen Drehzahlbereichen der Antriebswelle, beispielsweise bis etwa 3500 Umdrehungen pro Minute, wird das Fluid durch die Vorförderpumpe nicht mit einem nennenswerten Druck beaufschlagt. In diesem Drehzahlbereich wird das Fluid durch die Hochdruckpumpe während des Saughubs angesaugt und durchströmt dabei nahezu verlustfrei die Vorförderpumpe.
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Die Vorförderpumpe weist in diesem Drehzahlbereich einen sehr geringen Strömungswiderstand auf, da sie als Strömungspumpe ausgebildet ist. Der Fluidfluss zu der Hochdruckpumpe resultiert im Wesentlichen aus dem Saughub der Hochdruckpumpe und die Vorförderpumpe gibt in diesem Drehzahlbereich den Fluidfluss frei, während sie das Fluid nicht mit einem wesentlichen Druck beaufschlagt. Die Hochdruckpumpe ist in dem niedrigen Drehzahlbereich selbstsaugend ausgebildet.
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Die Hochdruckpumpe ist eingerichtet, in dem niedrigen Drehzahlbereich beziehungsweise wenn niedrige Drücke durch die Hochdruckpumpe bereitgestellt werden müssen, das Fluid alleine aus dem Fluidtank zu saugen und mit Druck zu beaufschlagen. Dabei muss das Fluid nicht durch die Vorförderpumpe mit einem Mindestdruck an die Hochdruckpumpe gefördert werden. Die Hochdruckpumpe ist ausgebildet, selbständig das Fluid zu fördern, das dabei nahezu verlustfrei durch die Vorförderpumpe fließt, auch ohne dass die Vorförderpumpe das Fluid mit einem Druck beaufschlagt.
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Das Einlassventil ist so ausgebildet, dass es während des Saughubs der Hochdruckpumpe passiv die Offenposition einnimmt. Das Einlassventil ist so ausgebildet, dass es während des Saughubs der Hochdruckpumpe ohne elektrisch angesteuert zu werden seine Offenposition einnimmt. Wird durch die Hochdruckpumpe Fluid angesaugt, durchströmt das Fluid im unteren Drehzahlbereich die Vorförderpumpe und das Einlassventil, ohne dass dieses aktiv elektrisch angesteuert werden müssen. Das Öffnen des Einlassventils wird gemäß Ausführungsformen durch eine Feder unterstützt, durch deren Federkraft das Einlassventil seine Offenposition einnimmt. Dadurch ist die Pumpenanordnung in dem unteren Drehzahlbereich einfach betreibbar, da die Hochdruckpumpe sich selbst versorgt.
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Erst bei Drehzahlen über dem vorgegebenen Wert der Drehzahl der Antriebswelle beziehungsweise höheren Füllgeschwindigkeiten wird ein höherer Zulaufdruck für die Hochdruckpumpe erforderlich, der durch die Vorförderpumpe bereitgestellt wird. Die Vorförderpumpe, die als Strömungspumpe ausgebildet ist, beaufschlagt das Fluid aus dem Fluidtank mit einem Druck von bis zu 5 bar, wenn die Antriebswelle Drehzahlen ab dem vorgegebenen Wert der Drehzahl aufweist.
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Bei Teilförderung, das heißt, wenn ein vorgegebener angesaugter Volumenanteil von der Hochdruckpumpe aus dem Kolbenraum wieder in den Fluidzulauf zurückgepumpt wird, kommt es zu Druckschwingungen auf der Niederdruckseite der Pumpenanordnung. Dadurch, dass die Vorförderpumpe als Strömungspumpe ausgebildet ist, ist das Niederdruckvolumen relativ groß und die Fluidstoffleitungen von dem Fluidtank zu der Pumpenanordnung wirken als Dämpfungsvolumen. Dadurch kann auf hydraulische Niederdruckdämpfer verzichtet werden. Die Strömungspumpe wirkt nicht als mechanische und hydraulische Verriegelung, dadurch kann das Leitungsvolumen trotz der in der Pumpenanordnung integrierten Vorförderpumpe zur Dämpfung der Niederdruckschwingungen genutzt werden.
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Zudem ist die Vorförderpumpe kostengünstig, da bei Strömungspumpen größere Toleranzen beispielsweise für Spalte im Gehäuse verträglich sind. Tribolische Belange wie Reibung und Verschleiß haben keinen oder nur unwesentlichen Einfluss beim Betrieb der Pumpe.
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Das Einlassventil ist gemäß Ausführungsformen elektrisch steuerbar und so ausgebildet, dass es schließt, wenn eine Spannung beziehungsweise ein Strom an einem Aktuator des Einlassventils angelegt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden, in Verbindung mit der Figur erläuterten Beispielen.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Fluidfördersystems.
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Die Figur zeigt schematisch eine Pumpenanordnung 10. Die Pumpenanordnung 10 weist eine Vorförderpumpe 11 und eine Hochdruckpumpe 12 auf, die hydraulisch in Reihe geschaltet sind. Stromaufwärts der Vorförderpumpe 11 ist ein Fluidtank 15 angeordnet, in dem Fluid bevorratet ist. Das Fluid ist insbesondere ein Kraftstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel.
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Gemäß Ausführungsformen ist innerhalb des Fluidtanks 15 eine weitere Pumpe 16 angeordnet, die Fluid aus dem Fluidtank 15 zu der Vorförderpumpe 11 fördert. Die weitere Pumpe 16 ist insbesondere eine Elektropumpe.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen wird auf die weitere Pumpe 16 verzichtet, sodass die Vorförderpumpe 11 direkt Fluid aus dem Fluidtank 15 fördert.
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Stromabwärts der Hochdruckpumpe 12 ist ein Druckspeicher 18 angeordnet, aus dem eine Mehrzahl von Injektoren 19 gespeist werden. Die Injektoren 19 sind Einspritzventile einer Brennkraftmaschine und eingerichtet, das Fluid in jeweils einen Zylinder der Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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Die Vorförderpumpe 11 und die Hochdruckpumpe 12 sind als gemeinsame Pumpenanordnung 17 ausgebildet. Eine Antriebswelle 13 treibt sowohl die Vorförderpumpe 11 als auch die Hochdruckpumpe 12 an. Die Hochdruckpumpe 12 und die Vorförderpumpe 11 werden von der gemeinsamen Antriebswelle 13 angetrieben.
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Die Hochdruckpumpe ist insbesondere eine Kolbenpumpe. Ein Einlassventil 14 ist zwischen der Vorförderpumpe 11 und der Hochdruckpumpe 12 angeordnet. Das Einlassventil 14 gibt den Fluidfluss von der Vorförderpumpe 11 zu der Hochdruckpumpe 12 frei, wenn die Hochdruckpumpe 12 Fluid ansaugt, also während des Saughubs. Soll nicht das gesamte angesaugte Volumen der Hochdruckpumpe 12 eines Saughubs zu dem Druckspeicher 18 gefördert werden, ist das Einlassventil 14 eingerichtet, auch während des Druckhubs der Hochdruckpumpe 12 zumindest teilweise geöffnet zu bleiben, sodass das Fluid aus der Hochdruckpumpe 12 wieder in Richtung der Vorförderpumpe 11 und dem Fluidtank 15 gelangt. Ansonsten schließt das Einlassventil 14 während des Druckhubs der Hochdruckpumpe 12, sodass das angesaugte Fluid aus der Hochdruckpumpe 12 mit einem Druck von bis zu 2500 bar zu dem Druckspeicher 18 gefördert wird.
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Das Einlassventil 14 ist insbesondere ein elektrisch gesteuertes digitales Einlassventil. Während des Druckhubs der Hochdruckpumpe 12 wird das Einlassventil geschlossen, indem Strom beziehungsweise Spannung an einem Aktuator des Einlassventils 14 angelegt wird. Zum Öffnen des Ventils muss das Einlassventil 14 nicht aktiv angesteuert werden. Das Einlassventil 14 öffnet passiv.
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Die Vorförderpumpe 11 ist als Strömungspumpe ausgebildet. Insbesondere ist die Vorförderpumpe 11 als Kreiselpumpe ausgebildet. Die Vorförderpumpe 11 ist ausgebildet, Fluid mit einem Druck von bis zu etwa 5 bar eingangsseitig der Hochdruckpumpe 12 bereitzustellen.
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Der Druck, der von der Vorförderpumpe 11 bereitgestellt wird, ist abhängig von der Drehzahl der Antriebswelle 13. Bis zu einem vorgegebenen Wert der Drehzahl der Antriebswelle 13 fördert die Vorförderpumpe 11 nicht beziehungsweise beaufschlagt die Vorförderpumpe 11 bis zu dem vorgegebenen Wert der Drehzahl das Fluid nicht mit einem höheren Druck als in dem Fluidtank 15 vorherrscht, da die Vorförderpumpe 11 als Strömungspumpe ausgebildet ist. Erst ab dem vorgegebenen Wert der Drehzahl, beispielsweise ab etwa 3500 Umdrehungen pro Minute der Antriebswelle 13 wird die Vorförderpumpe 11 wirksam und beaufschlagt Fluid aus dem Fluidtank mit dem Druck von bis zu etwa 5 bar. Im unteren Drehzahlbereich bis zu dem vorgegebenen Wert der Drehzahl der Antriebswelle 13 kann die Vorförderpumpe 11 nahezu verlustfrei von dem Fluid durchströmt werden, auch wenn die Vorförderpumpe 11 nicht aktiv Fluid fördert. Fluid kann nahezu verlustfrei von dem Tank 15 zu der Hochdruckpumpe 12 durch die Vorförderpumpe 11 gelangen. Das Fluid kann auch bei ruhender Vorförderpumpe 11 nahezu verlustfrei von der Eingangsseite der Vorförderpumpe 11 zu der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 11 gelangen.
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Die Pumpenanordnung 10 und insbesondere die Pumpenanordnung 17 ist so ausgebildet, dass in dem unteren Drehzahlbereich der Antriebswelle 13 bis zu dem vorgegebenen Wert der Drehzahl die Hochdruckpumpe 12 selbstsaugend ist. In dem unteren Bereich der Drehzahl der Antriebswelle 13 wird die Vorförderpumpe 11 während des Saughubs der Hochdruckpumpe 12 von dem Fluid aus dem Fluidtank 15 durchströmt, ohne dass die Vorförderpumpe 11 einen nennenswerten Druckanstieg verursacht. Dadurch, dass die Vorförderpumpe 11 von dem Fluid durchströmt werden kann, ist es der Hochdruckpumpe 12 möglich, sich in dem unteren Drehzahlbereich selbst mit Fluid zu versorgen. Auch das Einlassventil 14 ist so ausgebildet, dass es ohne aktiv angesteuert zu werden, den Fluidfluss während des Saughubs der Hochdruckpumpe 12 freigibt. Wenn höhere Füllgeschwindigkeiten für den Druckspeicher 18 notwendig sind beziehungsweise höhere Drücke durch die Hochdruckpumpe 12 bereitgestellt werden müssen, dreht sich die Antriebswelle 13 mit einer Drehzahl über dem vorgegebenen Wert. Dadurch wird die Vorförderpumpe 11 mit einer Drehzahl angetrieben, bei der sie aktiv das Fluid aus dem Fluidtank 15 mit Druck beaufschlagt. Die vorgegebene Drehzahl der Antriebswelle 13 ist so vorgegeben, dass die Vorförderpumpe 11 ab dem Wert das Fluid mit Druck beaufschlagt, ab dem die Hochdruckpumpe sich nicht mehr selbst mit Fluid aus dem Tank versorgen kann.
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Das Fluid aus dem Fluidtank 15 wird bis zu einem vorgegebenen Wert des Drucks durch die Hochdruckpumpe 12 aus dem Fluidtank 15 gesaugt und mit Druck beaufschlagt. Übersteigt der geforderte Druck einen vorgegebenen Wert, ist die Hochdruckpumpe 12 nicht mehr in der Lage, das Fluid aus dem Fluidtank 15 zu saugen. Das Fluid muss der Hochdruckpumpe 12 mit einem Druck beaufschlagt zugeführt werden. Diese Anforderungen werden von der Vorförderpumpe 11, die als Strömungspumpe ausgebildet ist, erfüllt, da sie im niedrigen Drehzahlbereich der Antriebswelle 13, also wenn niedrige Drücke von der Hochdruckpumpe 12 gefordert werden, nicht aktiv Fluid fördert und von dem Fluid durchströmt werden kann, und automatisch ab einer gewissen Drehzahl der Antriebswelle 13, die mit dem geforderten Druck der Hochdruckpumpe 12 korrespondiert, aktiv Fluid aus dem Fluidtank 15 fördert und mit einem höheren Druck für die Hochdruckpumpe 12 bereitstellt. Damit kommt es zu einer guten Fluidversorgung sowohl beim Start als auch bei höheren Last- beziehungsweise Betriebspunkten. Auf zusätzliche Bauelemente zur Volumenstromregelung wird gemäß Ausführungsformen verzichtet, da die Volumenstromregelung allein durch die Regelung beziehungsweise Steuerung der Drehzahl der Antriebswelle 13 und des Einlassventils 14 realisierbar ist.
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Zudem wird gemäß Ausführungsformen auf hydraulische Niederdruckdämpfer als zusätzliche Bauteile verzichtet. Bei Teilförderung, das heißt, wenn das Einlassventil 14 auch während des Druckhubs der Hochdruckpumpe 12 zeitweise geöffnet bleibt, beispielsweise durch eine Feder, und ein Teil des angesaugten Volumens aus dem Kolbenraum der Hochdruckpumpe 12 wieder in Richtung des Fluidtanks 15 fließt, gibt die Vorförderpumpe 11 den Fluidfluss von der Hochdruckpumpe 12 zu dem Tank 15 frei und sperrt den Fluidfluss nicht. Dadurch ist das Volumen des Fluidfördersystems zwischen dem Fluidtank 15 und der Hochdruckpumpe 12, durch das das Fluid zurückgepumpt werden kann, relativ groß und wirkt als Dämpfung. Die Strömungspumpe stellt keine mechanische und hydraulische Verriegelung stromaufwärts der Hochdruckpumpe 12 dar und das Leitungsvolumen zwischen dem Fluidtank 15 und der Hochdruckpumpe 12 wirkt als Dämpfung für Niederdruckschwingungen. Die Feder sorgt gemäß Ausführungsformen dafür, dass beim Pump- beziehungsweise Druckhub ein sofortiges Schließen des Einlassventils verhinderbar ist.
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Zudem fördert die Vorförderpumpe 11 als Strömungspumpe ab dem vorgegebenen Wert der Drehzahl kontinuierlich Fluid. Die stetige nichtpulsierende Fördercharakteristik der Strömungspumpe führt zu einem verlässlichen Betrieb der Pumpenanordnung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Pumpenanordnung
- 11
- Vorförderpumpe
- 12
- Hochdruckpumpe
- 13
- Antriebswelle
- 14
- Einlassventil
- 15
- Fluidtank
- 16
- Pumpe
- 17
- Pumpenanordnung
- 18
- Druckspeicher
- 19
- Injektor
