DE102011111579A1

DE102011111579A1 - Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids zu mindestens einem Verbraucher

Info

Publication number: DE102011111579A1
Application number: DE102011111579A
Authority: DE
Inventors: Christian Rech; Rainer Schmidetzki; Sven Christian Wendt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-08-20
Filing date: 2011-08-20
Publication date: 2013-02-21

Abstract

Zur Verminderung oder Unterdrückung von Druckpulsationen in einem zur Förderung eines Fluids zu mindestens einem Verbraucher dienenden Fluidfördersystem wird vorgeschlagen, das Fluidfördersystem mit (a) einem Fluidreservoir 100, (b) einer Förderpumpe 500 zur Förderung des Fluids 110 in dem Fluidfördersystem, (c) einer vom Fluidreservoir 100 zur Förderpumpe 500 führenden Fluidleitung 300 und (d) einem Rückschlagventil 400, das in der von dem Fluidreservoir 100 zu der Förderpumpe 500 führenden Fluidleitung 300 angeordnet ist, auszustatten. Erfindungsgemäß steht für das Fluid zwischen dem Fluidreservoir 100 und der Förderpumpe 500 eine Fluidverbindung ausschließlich über das Rückschlagventil 400 zur Verfügung. Die Erfindung dient insbesondere zur Verminderung oder Unterdrückung von Druckpulsationen in einem Kraftstoffversorgungssystem für ein mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids zu mindestens einem Verbraucher, insbesondere eine Kraftstoffversorgung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
Zur Kraftstoffversorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in die Maschine wird eine Hochdruckpumpe verwendet. Der unter hohen Druck gesetzte Kraftstoff gelangt von der Hochdruckpumpe typischerweise in eine Sammelleitung („rail”) aus der er dann bedarfsgesteuert in die Verbrennungsräume der Maschine eingespritzt wird. Bei der Erzeugung des hohen Druckes im Kraftstoff entstehen zwangsläufig Druckpulsationen, die sich in die den Kraftstoff führenden Leitungen im Kraftfahrzeug fortsetzen und dabei unerwünschte Vibrationen und Geräusche erzeugen.
In EP 0 682 177 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem beschrieben, bei dem eine Verringerung der Pulsationswirkung bewirkt wird. Die Injektionspumpe dieses Systems weist ein Pulsationsverringerungsmittel in einer Rücklaufleitung auf, in dem zu einem Aufnahmehohlraum fließender Kraftstoff geführt wird, wenn ein Überströmventil geöffnet ist. Das Pulsationsverringerungsmittel umfasst einen Dämpfungsraum, der mit der Rücklaufleitung über eine Verbindung mit geringem Querschnitt verbunden ist.
Eine weitere Dämpfungsvorrichtung zur Pulsationsminderung an als Pumpe oder Motor arbeitenden Radial- oder Axialkolbenmaschinen ist in DE 197 06 116 C2 angegeben. Die Vorrichtung weist ein mit der Hochdruckseite in Verbindung stehendes Speicherelement auf, das mit dem Zylinderraum der Maschine in Verbindung steht. Zur Pulsationsverminderung wird in einem Verbindungskanal des Speicherelements mit dem Zylinderraum ein Rückschlagventil angeordnet.
In DE 101 49 412 C1 ist eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Vorrichtung ist Bestandteil einer Hochdruckpumpe, die unter hohem Druck Kraftstoff in eine Sammelleitung („rail”) einspritzt. Der von einer Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstofftank geförderte Kraftstoff gelangt hierzu zu einem parallel zu einem Förderraum der Hochdruckpumpe geschalteten Druckdämpfer. Der Druckdämpfer ist durch ein im Betrieb erzeugtes, durch gasförmigen Kraftstoff hervorgerufenes Gasvolumen gebildet, das elastisch komprimiert wird. Zusätzlich werden Druckstöße durch ein passives Dämpfungsvolumen sowie durch einen elastischen Schlauch gedämpft, der eine Niederdruck-Kraftstoffleitung bildet.
In DE 31 46 454 A1 ist ein Element zum Dämpfen von Druckschwingungen in einem Fördersystem für Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine angegeben. Das von dem Kraftstoff durchströmte, unter Einwirkung jeder Druckschwingung sein Volumen elastisch vergrößernde Dämpfelement ist in einer Förderleitung angeordnet, die von einer Verdrängerpumpe zu der Brennkraftmaschine führt. Die Zuström- und Abströmöffnungen in dem Dämpfelement sind so angeordnet, dass die Strömungsrichtung des Kraftstoffes in dem Dämpfelement umgelenkt wird, sodass der Kraftstoff gestaut wird.
In DE 10 2010 000 508 A1 ist eine Pulsationsreduktionsvorrichtung angegeben, die parallel zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe angeordnet ist. Die Pulsationsreduktionsvorrichtung weist eine Hauptkraftstoffleitung und zwei von dieser abzweigende Abzweigbereiche auf, nämlich einen stromabwärtigen Bereich und einen stromaufwärtigen Bereich, die über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden sind. An dem stromaufwärtigen Abschnitt der Verbindungsleitung ist ein Rückschlagventil angebracht. Des Rückschlagventil bewegt den Kraftstoff von dem stromauf befindlichen Abzweigbereich der Hauptkraftstoffleitung zu der Verbindungsleitung, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Kraftstoffdruck auf der Seite stromaufwärts des Ruckschlagventils und dem Kraftstoffdruck auf der stromabwärtigen Seite des Ventils größer oder gleich einem vorbestimmten Druck wird.
In EP 1 342 912 A2 ist eine Kraftstoffversorgung für eine Brennkraftmaschine beschrieben, die ein Niederdrucksystem und ein Hochdrucksystem aufweist. Des Hochdrucksystem umfasst eine Hochdruckpumpe und das Niederdrucksystem eine bedarfsgesteuerte Kraftstoffpumpe. Die beiden Pumpen sind über eine Kraftstoffleitung miteinander verbunden. In der Kraftstoffleitung ist zwischen der Kraftstoffpumpe und der Hochdruckpumpe ein Drosselrückschlagventil angeordnet, das bezüglich der Kraftstoffleitung einen kleineren Öffnungsquerschnitt aufweist. Es wird angegeben, dass das Drosselrückschlagventil von der Kraftstoffpumpe verursachte Druckpulsationen im Niederdrucksystem reduziert. Druckwellen, die sich ausgehend von der Kraftstoffpumpe in der Kraftstoffleitung in Richtung Hochdruckpumpe ausbreiten, werden durch einen kleinen Öffnungsquerschnitt des Drosselrückschlagventils in dieser Richtung gedämpft.
Es hat sich gezeigt, dass die bekannten Vorrichtungen zur Pulsationsminderung in Kraftstoffeinspritzsystemen nicht dazu geeignet sind, die Druckpulsationen, die von der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verursacht werden, wirkungsvoll zu unterdrücken. Diese rufen nämlich erhebliche Geräusche in Fahrzeug hervor, die vermutlich auf die Druckpulsationen sowie durch diese verursachte Resonanzen zurückzuführen sind.
Dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas) zu mindestens einem Verbraucher gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Fluidfördersystem weist folgende Komponenten auf:

(a) ein Fluidreservoir,
(b) eine Förderpumpe zur Förderung des Fluids in dem Fluidfördersystem,
(c) eine vom Fluidreservoir zur Förderpumpe führende Fluidleitung und
(d) ein Rückschlagventil, das in der von dem Fluidreservoir zu der Förderpumpe führenden Fluidleitung angeordnet ist.

In erfindungsgemäßer Art und Weise steht für das Fluid zwischen dem Fluidreservoir und der Förderpumpe eine Fluidverbindung ausschließlich über das Rückschlagventil zur Verfügung.
Besonders bevorzugt dient das Fluidfördersystem zur Kraftstoffversorgung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. In diesem Falle ist das Fluidreservoir durch einen Kraftstofftank und die darin gespeicherte Kraftstoffmenge, die Förderpumpe durch eine Hochdruckpumpe, die Fluidleitung durch eine Kraftstoffleitung und der mindestens eine Verbraucher durch jeweils ein der Hochdruckpumpe nachgeordnetes Hochdruckeinspritzventil der Verbrennungskraftmaschine gebildet. Die Hochdruckpumpe erhöht den Druck im Kraftstoff und fördert diesen zu dem mindestens einen nachgeordneten Hochdruckeinspritzventil. Somit weist die Kraftstoffversorgung (a) einen Kraftstofftank, (b) eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff zu mindestens einem nachgeordneten Hochdruckeinspritzventil der Verbrennungskraftmaschine, (c) eine vom Kraftstofftank zur Hochdruckpumpe führende Kraftstoffleitung sowie (d) ein Rückschlagventil in der zu der Hochdruckpumpe führenden Kraftstoffleitung auf. In erfindungsgemäßer Art und Weise steht für den Kraftstoff zwischen dem Kraftstofftank und der Hochdruckpumpe eine Fluidverbindung ausschließlich über das Rückschlagventil zur Verfügung.
Das Rückschlagventil ist jeweils in einer Reihenschaltung, d. h. seriell, mit dem Fluidreservoir bzw. Kraftstofftank und der Förderpumpe bzw. Hochdruckpumpe geschaltet, d. h. des Rückschlagventil unterbricht die Fluidleitung bzw. Kraftstoffleitung, sodass das Fluid bzw. Kraftstoff lediglich dann die Leitung passieren kann, wenn das Rückschlagventil geöffnet ist. Ein Bypass, etwa eine Drossel, parallel zum Rückschlagventil ist nicht vorgesehen.
Im Gegensatz zu der Kraftstoffversorgung gemäß EP 1 342 912 A2 , in der ein Drosselrückschlagventil in der Kraftstoffleitung zwischen dem Kraftstofftank und der Hochdruckpumpe angeordnet ist, kann sich eine Druckpulsation gemäß der vorliegenden Erfindung nicht über einen Bypass in Richtung der Niederdruckseite entspannen. Denn zu Beginn eines Druckpulses, der sich, ausgehend von der Hochdruckpumpe, gegenläufig zur Förderrichtung des Kraftstoffes ausbreitet, verschließt das Rückschlagventil sehr schnell die Kraftstoffleitung, sodass sich die Pulsationen nicht in die davor liegende Leitung ausbreiten können. Mangels Bypass können sich die Druckpulsationen, die durch die Hochdruckpumpe verursacht werden, nicht bis in den Niederdruckabschnitt der Kraftstoffleitung fortsetzen. Das Rückschlagventil schließt in Abhängigkeit von dem momentanen Druck, der an ihm anliegt. Bei entsprechend schneller Ansprechzeit des Rückschlagventils ist die Schließzeit so schnell, dass sich die Druckschwankungen auch dann nicht in den Niederdruckabschnitt fortsetzen können, wenn die Oszillationsfrequenz der Pulsationen relativ hoch ist. Die Drossel des Drosselrückschlagventils in EP 1 342 912 A2 wirkt sich dagegen in zweifacher Art und Weise negativ auf eine Weiterleitung von von der Hochdruckpumpe verursachten Druckpulsationen in den Niederdruckabschnitt aus: Zum einen fließt während einer Periode hohen momentanen Druckes auf der Hochdruckseite des Ventils Kraftstoff durch die Drossel auf die Niederdruckseite ab und erzeugt daher auch dort einen Druckstoß. Zum anderen wirkt dieser zusätzliche Druckstoß auf der Niederdruckseite dort Druck erhöhend, sodass der Schaltpunkt zum. Schließen des Ventils während des Druckpulses zu einem höheren Druck verschoben wird. Damit ergeben sich Resonanzüberhöhungen im System. Dieser Effekt ist umso größer je größer der freie Querschnitt der Drossel ist. Im Falle der vorliegenden Erfindung ohne einen. derartigen Bypass (d. h. der Kraftstoffförderweg führt ausschließlich über das Rückschlagventil) schließt das Rückschlagventil sofort, sobald ein vorgegebener momentaner Druck auf der Hochdruckseite des Ventils erreicht ist und öffnet erst wieder, wenn der Druck wieder unter diesen Wert abgefallen ist. Ohne dass Kraftstoff zusätzlich über einen Bypass zum Rückschlagventil zur Hochdruckpumpe gelangen kann, werden daher die Geräusche und Vibrationen, die durch Druckpulsationen in einem Kraftfahrzeug verursacht werden, durch den Einsatz des Rückschlagventils vermindert oder unterdrückt. Derartige von Druckpulsationen hervorgerufenen Geräusche und Vibrationen treten insbesondere dann auf, wenn die Hochdruckpumpe einen Gegendruck aufbaut, wenn in bestimmten Fahrsituationen weniger Kraftstoff benötigt wird. Gerade diese Geräusche und Vibrationen werden mit der erfindungsgemäßen Versorgung unterdrückt. Somit kommt es auch nicht zu Resonanzüberhöhungen des Druckes im System. Darüber hinaus geht EP 1 342 912 A2 davon aus, dass die Drossel des Drosselrückschlagventils zwingend erforderlich ist, da angegeben ist, dass die sich von einer Niederdruckpumpe im Niederdruckteil des Systems verursachten Druckpulsationen durch den kleinen Öffnungsqverschnitt des Drosselrückschlagventils gedämpft werden.
Das Rückschlagventil schließt gemäß der vorliegenden Erfindung dann, wenn der durch die Druckpulsationen der Förderpumpe erzeugte momentane Druck P2(t) in dem Teil der Fluidleitung zwischen dem Rückschlagventil und der Förderpumpe größer ist als die Differenz zwischen dem Druck P1 in dem Teil der Fluidleitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Fluidreservoir und einem gegebenenfalls vorhandenen Vordruck P3 im Rückschlagventil: P2(t) > P1 – P3 (Bedingung für das Schließen des Rückschlagventils)
In entsprechender Weise öffnet das Rückschlagventil gemäß der vorliegenden Erfindung ausschließlich dann, warm der durch die Druckpulsationen der Förderpumpe erzeugte momentane Druck P2(t) in dem Teil der Fluidleitung zwischen dem Rückschlagventil und der Förderpumpe kleiner ist als die Differenz zwischen dem Druck P1 in dem Teil der Fluidleitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Fluidreservoir und einem gegebenenfalls vorhandenen Vordruck P3 im Rückschlagventil: P2(t) < P1 – P3 (Bedingung für das Öffnen des Rückschlagventils)
Der Druck P1 in dem Teil der Fluidleitung zwischen dem Rückschlagventil und dem Fluidreservoir kann beispielsweise durch eine Niederdruckpumpe erzeugt werden. Der Vordruck P3 im Rückschlagventil kann beispielsweise durch eine ein Ventilelement im Rückschlagventil beaufschlagende Federkraft erzeugt werden.
Durch das Anordnen des Rückschlagventils in der Fluidleitung wird weiter vorteilhafter Weise erreicht, dass Kraftstoff, der sich unter Druck im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems befindet, bei der Montage der Kraftstoffleitung nicht ausfließen kann.
In gleicher Art und Weise kann ein Rückschlagventil auch in anderen Fluidfördersystemen vorteilhaft eingesetzt werden, beispielsweise bei der Wasserförderung. In diesem Falle werden durch eine Förderpumpe verursachte Druckpulsationen auf der Entnehmerseite dadurch erfindungsgemäß vermindert oder unterdrückt, dass niederdruckseitig zu der Förderpumpe ein Rückschlagventil eingebaut wird, wobei das Fluid ausschließlich über das Rückschlagventil und nicht zusätzlich über einen Bypass geleitet wird.
Als Rückschlagventil wird im vorliegenden Falls ein Fluidschaltelement bezeichnet, das den Durchfluss des Fluids zwischen den beiden Schaltzuständen ,Durchfluss' und ,Blockieren des Durchflusses' schaltet, d. h. das den Durchfluss ein- oder ausscheltet, ohne dass ein zusätzlicher Fluidförderweg zur Verfügung gestellt wird.
Das Rückschlagventil kann beispielsweise in ein Gehäuse integriert sein. Dadurch kann die Dämpfungswirkung weiter erhöht werden weil die schwingende Masse des Ventils erhöht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Fluidfördersystem ferner eine Niederdruckpumpe zur Förderung des Fluids aus dem Fluidreservoir auf. Demgemäß kann die Kraftstoffversorgung zusätzlich eine Kraftstoffpumpe zur Förderung von Kraftstoff aus dem Kraftstofftank aufweisen. Diese Niederdruckpumpe kann beispielsweise eine Einkolbenpumpe sein. Mit der Niederdruckpumpe wird das Fluid bzw. der Kraftstoff beispielsweise mit einem Druck von ca. 5 Bar in die Fluidleitung bzw. Kraftstoffleitung und damit zur Förderpumpe bzw. Hochdruckpumpe gefördert. Die Niederdruckpumpe erzeugt somit an einem in der Fluidleitung angeordneten Rückschlagventil einen Vordruck, der dem Schließen des Ventils entgegen wirkt, solange nicht der von der Förderpumpe erzeugte momentane Gegendruck höher ist. Damit steht die Fluidleitung ständig unter einem erhöhten statischen Druck, der auf einen oberen Vorförder-Grenzdruck, beispielsweise 6,5 Bar, begrenzt werden kann, beispielsweise mittels eines Regelventils. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Niederdruckpumpe an oder in dem Fluidreservoir bzw. Kraftstofftank angeordnet.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Rückschlagventil ein entgegen der Richtung der Förderung des Fluids vom Fluidreservoir zur Förderpumpe und gegen einen Ventilsitz vorgespanntes Ventilelement als Schließvorrichtung auf. Damit wird eine schnelle Ansprechzeit des Rückschlagventils gewährleistet. Außerdem wird der zum Schließen des Ventils erforderliche Gegendruck abgesenkt, sodass die Minderung der Druckpulsationen noch effizienter ist und die Druckpulsationen damit praktisch vollständig unterdrückt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilelement des Rückschlagventils mittels einer Feder vorgespannt, die gegen einen von der Niederdruckpumpe erzeugten Förderdruck wirkt. Diese Gestaltung ist einfach und mit geringen Herstellkosten realisierbar. Die das Ventilelement beaufschlagende Feder kann eine Spiralfeder und insbesondere eine Druckfeder oder eine Zugfeder sein. Eine Druckfeder ist bevorzugt. Die Feder beaufschlagt das Ventilelement entgegen der Förderrichtung des Fluids durch das Rückschlagventil. Der Einsatz einer Feder zum Vorspannen des Rückschlagventils aber nicht unbedingt erforderlich.
Das Rückschlagventil kann grundsätzlich in beliebigem Aufbau eingesetzt werden. Im Allgemeinen umfasst das Ventil einen Ventilkörper, der ein Hohlelement mit einem Innenraum ist, wobei der Innenraum zum einen mit dem Niederdruckabschnitt der Fluidleitung und zum anderen mit deren Hochdruckabschnitt verbunden ist. Der sich zwischen den beiden Verbindungsanschlüssen des Rückschlagelements befindende Innenraum wird durch einen Ventilsitz und das auf dem Ventilsitz aufsetzbare Ventilelement in zwei Teilräume geteilt, einen Niederdruckraum und einen Hochdruckraum. Die Schließvorrichtung des Rückschlagventils kann beispielsweise eine Klappe, Kugel, einen Zylinder oder noch ein anderes Schließelement als Ventilelement aufweisen. Die Begriffe ,Niederdruckabschnitt', ,Niederdruckraum', ,Hochdruckabschnitt' und ,Hochdruckraum' beziehen sich jeweils auf den momentanen Druck relativ zueinander, denn der Vordruck in Förderrichtung gesehen stromabwärts vom Rückschlagventil ist meist höher ist als der durch die Förderpumpe momentan verursachte Druck stromaufwärts vom Rückschlagventil.
Die Strömungsquerschnitte im Innenraum des Rückschlagventils und im Bereich des Ventilsitzes sowie in den Verbindungsanschlüssen zu den stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Abschnitten der Fluidleitung, ferner die Geometrie der Fluidführung im Ventil, die Federkraft und die Masse des Ventilelements bestimmen die Ansprechzeit/Schließ- und Öffnungszeit des Ventils. Je geringer die Masse des Ventilelement und je stärker die Federkraft, desto kürzer tat die Ansprechzeit. In der gleichen Richtung wirken sich auch verringerte Strömungsquerschnitte aus, da damit eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Ventil erzwungen wird. Durch eine schnelle Ansprechzeit wird erreicht, dass der statische Druck in den beiden Abschnitten der Fluidleitung vor und hinter dem Rückschlagventil weitgehend oder völlig gleich groß ist.
Grundsätzlich kann das Rückschlagventil an allen Koppelstellen einer Kraftstoffleitung in einem Kraftstoffversorgungssystem eingebaut sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich heraus gestellt, das Rückschlagventil so nahe wie möglich an der Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems anzuordnen. Daher ist ein Niederdruckabschnitt der Kraftstoffleitung stromaufwärts zum Rückschlagventil in einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen dem Kraftstofftank und dem Rückschlagventil im Unterbodenbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet und reicht im Unterbodenbereich vom Kraftstofftank bis zu einer Stelle in der Nähe (im Bereich) der Verbrennungskraftmaschine. Daher ist das Rückschlagventil vorzugsweise an dieser Stelle anzuordnen. Es ist somit insbesondere vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Hochdruckpumpe und damit zur Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Das bedeutet, dass der Hochdruckabschnitt der Kraftstoffleitung für den Kraftstoff kurz ist, während sich der überwiegende Teil der Kraftstoffleitung, der Niederdruckabschnitt, vom Kraftstofftank bis in die Nähe der Verbrennungskraftmaschine erstreckt. Da sich Druckpulsationen ausschließlich im Bereich des zwischen dem Rückschlagventil und der Hochdruckpumpe verlaufenden Hochdruckabschnittes der Kraftstoffleitung bilden und damit sich zur Geräusch- und Vibrationserzeugung nur dort auswirken können, ist deren Wirkung räumlich stark begrenzt, sodass die gewünschte Wirkung besonders weitgehend eintritt. Es hat sich überdies gezeigt, dass hierfür eine bereits vorhandene Kupplung zur Verbindung von Unterbodenleitungen mit der motornahen Verschlauchung ein geeigneter Ort ist. Bei der Montage des Fahrzeuges kann daher an dieser Stelle das Rückschlagventil eingesetzt werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Niederdruckabschnitt der Kraftstoffleitung zwischen dem Kraftstofftank und dem Rückschlagventil ein Kraftstofffilter angeordnet.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgenden Figuren. Es zeigen im Einzelnen:
1 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt durch eine Kraftstoffversorgung eines Kraftfahrzeuges;
2 schematische Darstellungen des Rückschlagventils in seitlicher Schnittansicht; (a) in der Kraftstoffleitung mit der Hochdruckpumpe; (b) in einem ersten Arbeitstakt mit geschlossener Schließvorrichtung; (c) in einem zweiten Arbeitstakt mit geöffneter Schließvorrichtung und mit eingeströmtem Kraftstoff; (d) in einem dritten Arbeitstakt mit wieder geschlossener Schließvorrichtung;
3 eine perspektivische Darstellung eines Rückschlagventils in Seitenansicht, aufgeschnitten.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren Elemente mit derselben Funktion.
In 1 ist die Kraftstoffversorgung mit einem Kraftstofftank 100 und einer in dem Kraftstofftank angeordneten Kraftstoffpumpe 200 gezeigt. Der Kraftstofftank 100 ist vorzugsweise in einem hinteren Bereich des Kraftfahrzeuges untergebracht. Im Kraftstofftank 100 befindet sich der Kraftstoff 110 in flüssiger Form. Dieser steht dort bis zum Niveau 115. Die Kraftstoffpumpe 200 ist eine Einkolbenpumpe. Sie wird von einem Motorsteuergerät gesteuert. Sie saugt den Kraftstoff aus dem Reservoir 110 an und fördert diesen unter einem Druck von bis zu 6,5 Bar über eine Abförderleitung 210 zu einer Einheit 220, die durch einen Kraftstofffilter und ein Druckregelventil gebildet ist. Das Druckregelventil in der Einheit 220 begrenzt den Druck des Kraftstoffes in dem dort abzweigenden Niederdruckabschnitt 310 der Kraftstoffleitung 300 auf einen Maximalwert von 6,5 Bar. Falls der Vordruck in der Abförderleitung 210 diesen Wert überschreiten sollte, leitet das Druckregelventil überschüssigen Kraftstoff über die Rücklaufleitung 230 in den Kraftstofftank 100 zurück.
Die Kraftstoffleitung 300 ist durch einen Niederdruckabschnitt 310 und einen Hochdruckabschnitt 320 gebildet. Diese beiden Abschnitte 310, 320 sind über ein Rückschlagventil 400 miteinander verbunden. Der Niederdruckabschnitt 310 der Kraftstoffleitung 300 ist vorzugsweise als Unterbodenleitung am Kraftfahrzeug angebracht. Das Rückschlagventil 400 ist motornah mit der Hochdruckpumpe 500 verschlaucht. Daher ist das Rückschlagventil 400 in der Nähe der Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt), an der die Hochdruckpumpe 500 montiert ist, angeordnet. Somit reicht der Niederdruckabschnitt 310 der Kraftstoffleitung 300 bis in die Nähe der Verbrennungskraftmaschine. Der Hochdruckabschnitt 320 der Kraftstoffleitung 300 ist relativ kurz. Durch die räumliche Begrenzung von von der Hochdruckpumpe 500 verursachten Druckpulsationen auf den Hochdruckabschnitt 320 werden Geräusche und Vibrationen, die durch diese Druckpulsationen erzeugt werden, auf ein Minimum beschränkt. Der Kraftstoff muss auf dem Kraftstoffförderweg vom Kraftstofftank 100 zur Hochdruckpumpe 500 zwingend das Rückschlagventil 400 passieren, da kein weiterer Förderweg, etwa ein parallel zum Rückschlagventil geschalteter Bypass, zur Verfügung steht.
Die Hochdruckpumpe 500 umfasst einen Pumpenkolben 510, der von der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise über einen Kettentrieb, angetrieben wird. Außerdem weist die Hochdruckpumpe 500 einen Druckdämpfer 520 in Form von elastischen Membranen auf, die durch die in der Hochdruckpumpe erzeugten Pulsationen elastisch verformen, dadurch ein Dämpfungsvolumen 540 dynamisch vergrößern und dadurch die Pulsation dämpfen. Diese Dämpfung wirkt im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Pulsationsminderung jedoch passiv und ist nur begrenzt wirksam. Von der Hochdruckpumpe 500 wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff 110 direkt in eine Sammelleitung („rail”; nicht dargestellt) geleitet, von der er nacheinander zu den Hochdruckeinspritzventilen 600 geleitet wird.
In 2a ist ein Prinzipschaltbild einer Anordnung mit dem Rückschlagventil 400, dem Niederdruckabschnitt 310 und dem Hochdruckabschnittes 320 der Kraftstoffleitung 300 sowie mit der Hochdruckpumpe 500 gezeigt.
Kraftstoff 110 fließt in der mit PF1 bezeichneten Richtung von der hier nicht dargestellten Kraftstoffpumpe zum Rückschlagventil 400 und von dort zur Hochdruckpumpe 500, wo der Kraftstoff unter hohen Druck versetzt und weiter in der mit PF3 bezeichneten Richtung zu den Hochdruckeinspritzventilen (ebenfalls nicht gezeigt) geleitet wird. Der im Niederdruckabschnitt 310 der Kraftstoffleitung 300 fließende Kraftstoff 110 unterliegt nur geringfügigen oder praktisch keinen Druckpulsationen (DP1). Dagegen sind die von der Hochdruckpumpe 500 verursachten Druckpulsationen (DP2), die sich entgegen der Förderrichtung PF1 in der Richtung PF2 zum Rückschlagventil 500 hin ausbreiten, sehr viel stärker. Diese Druckpulsationen führen zu starken Geräuschen an der Kraftstoffleitung 300 sowie an anderen Teilen des Kraftfahrzeuges, die mit dieser Leitung in Verbindung stehen. Durch Anordnung des Rückschlagventils 400 in der Kraftstoffleitung 300 derart, dass sich ein Niederdruckabschnitt 310 und ein.
Hochdruckabschnitt 320 ergibt, können sich die Druckpulsationen hochdruckseitig nur bis zum Rückschlagventil, nicht aber darüber hinaus in den Niederdruckabschnitt fortsetzen.
Eine nähere Erläuterung des Aufbaus des Rückschlagventils 400 wird nachfolgend an Hand von 3 gegeben. In 2a ist hierzu zunächst schematisch gezeigt, dass das Rückschlagventil 400 einen Schließkörper aufweist, der durch ein Ventilelement 410 (hier als Kugel dargestellt) und eine dieses Ventilelement gegen einen Ventilsitz 420 drückende Feder 430 gebildet ist.
Die Funktionsweise des Rückschlagventils 400 in den verschiedenen Arbeitstakten der Hochdruckpumpe wird schematisch an Hand der 2b, 2c und 2d erläutert:
In 2b ist ein erster Arbeitstakt gezeigt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rückschlagventil 400 geschlossen ist, d. h. das Ventilelement 410 sitzt fest auf dem Ventilsitz 420 auf, sodass Kraftstoff durch das Rückschlagventil 400 nicht hindurch fließen kann. Daher ist der Innenraum 440 des Rückschlagventils 400 noch nicht mit Kraftstoff gefüllt. Links neben der Darstellung für das Rückschlagventil 400 sind die starken Druckpulsationen im Hochdruckabschnitt 320 der Kraftstoffleitung durch die dort wiedergegebene Sinuswelle symbolisiert. Die von links gegen das Ventilelement 410 drückende Kraft aufgrund eines auf dem Ventilelement anliegenden Momentandruckes P2 ist durch den Pfeil PF2 sowie durch seine Vertikallage relativ zu der dargestellten Sinuswelle symbolisiert. In diesem Falle ist der Momentandruck P2 im Hochdruckabschnitt 320 größer als dessen Minimum.
Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe durch den Niederdruckabschnitt 310 in Richtung PF1 mit einem relativ konstanten Förderdruck P1 in das Rückschlagventil 400 gefördert. Darüber hinaus wirkt auch eine Federkraft auf das Ventilelement 410 und zwar entgegen der Richtung PF1, die zu einem zusätzlichen Federdruck P3 führt, der auf das Ventilelement ausgeübt wird. Somit wirken vom Hochdruckabschnitt 320 ausgehend der Druck P2 und in gleicher Richtung der durch Federkraft erzeugte Druck P3 und vom Niederdruckabschnitt ausgehend der Druck P1 auf das Ventilelement 410. Das Ventilelement 410 schließt, wenn P2 + P3 > P1.
Dies ist hier der Fall.
In 2c ist ein zweiter Arbeitstakt gezeigt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ventilelement 410 geöffnet ist, sodass Kraftstoff 110 vom Niederdruckabschnitt 310 kommend in den Innenraum 440 einströmt. Die von links gegen das Ventilelement 410 drückende Kraft aufgrund eines auf dem Ventilelement anliegenden Momentandruckes P2' ist durch den Pfeil PF2 sowie durch seine Vertikallage relativ zu der dargestellten Sinuswelle symbolisiert. In diesem Falle ist der Momentandruck P2' im Hochdruckabschnitt 320 minimal.
Somit wirken vom Hochdruckabschnitt 320 ausgehend der Druck P2' und in gleicher Richtung der durch Federkraft erzeugte Druck P3 und vom Niederdruckabschnitt ausgehend der Druck P1 auf das Ventilelement 410. Das Ventilelement 410 öffnet, wenn P2' + P3 < P1.
Dies ist hier der Fall.
In 2d ist ein dritter Arbeitstakt gezeigt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ventilelement 410 wieder geschlossen ist, sodass Kraftstoff 110 vom Niederdruckabschnitt 310 kommend in den Innenraum 440 nicht weiter einströmen kann. Die von links gegen das Ventilelement 410 drückende Kraft aufgrund eines am Ventilelement anregenden Momentandruckes P2'' ist durch den Pfeil PF2 sowie durch seine Vertikallage relativ zu der dargestellten Sinuswelle symbolisiert. In diesem Falle ist der Momentandruck P2'' im Hochdruckabschnitt 320 maximal.
Somit wirken vom Hochdruckabschnitt 320 ausgehend der Druck P2'' und in gleicher Richtung der durch Federkraft erzeugte Druck P3 und vom Niederdruckabschnitt ausgehend der Druck P1 auf das Ventilelement 410. Das Ventilelement 410 öffnet, wenn P2'' + P3 > P1.
Dies ist hier der Fall. P2, P2'' > P2'.
In 3 ist der Aufbau des Rückschlagventils 400 in einer möglichen Ausführungsform mit einem Ventilgehäuse 450, einem zweiten hochdruckseitigen Anschlussstutzen 460, der mit dem Ventilgehäuse 450 fest verbunden ist, und einem ersten niederdruckseitigen Anschlussstutzen 470, der in Form eines Rastelements, das eine Axialbohrung zur Durchleitung des Kraftstoffes aufweist, ausgebildet ist. Der erste Anschlussstutzen 470 verrastet im niederdruckseitigen Eingangsbereich des Ventilgehäuses 450 und wird über eine Dichtung 475 abgedichtet. Oberhalb der Darstellung des Rückschlagventils 400 ist die Förderrichtung PF1 für den Kraftstoff wiedergegeben. Daher wird der Niederdruckabschnitt der Kraftstoffleitung am ersten niederdruckseitigen Anschlussstutzen 470 angeschlossen und der Hochdruckabschnitt der Kraftstoffleitung am zweiten hochdruckseitigen Anschlussstutzen 460.
Das Ventilgehäuse 450 ist mit einem Innenraum 440 versehen. Im Innenraum 440 ist ein Ventilsitz 420 in Form einer mittig mit einer Durchbrechung versehenen Dichtung eingebracht. Durch den Ventilsitz 420 wird der Innenraum 440 in einen Niederdruckraum 444 und einen Hochdruckraum 442 geteilt. Auf dem Ventilsitz 420 kann ein Ventilelement 410, hier in Form eines Ventilstößels mit Ventilteller 412 und einem Ventilschaft 414, aufsitzen und das Rückschlagventil 400 schließen. Das Ventilelement 410 ist ferner mittels einer Druckfeder 430 vorgespannt. Die Druckfeder 430 stützt sich zum einen an der Rückseite des Ventilsitzes 420 und zum anderen auf Halteclips 416 des Ventilelements 410 ab und drückt dieses daher gegen den Ventilsitz 420.
Bezugszeichenliste

100: Kraftstofftank
110: Kraftstoff
115: Niveau des Kraftstoffes
200: Kraftstoffpumpe
210: Abförderleitung
220: Einheit
230: Rücklaufleitung
300: Kraftstoffleitung
310: Niederdruckabschnitt
320: Hochdruckabschnitt
400: Rückschlagventil
410: Ventilelement
412: Ventilteller
414: Ventilschaft
416: Halteclips
420: Ventilsitz
430: Druckfeder
440: Innenraum des Rückschlagventils
442: Hochdruckraum
444: Niederdruckraum
450: Ventilgehäuse
460: hochdruckseitiger Anschlussstutzen
470: niederdruckseitiger Anschlussstutzen
475: Dichtung
500: Hochdruckpumpe
510: Pumpenkolben
520: Druckdämpfer
540: Dämpfungsvolumen
600: Hochdruckeinspritzventil
P1: Förderdruck im Niederdruckabschnitt
P2, P2', P2'': Momentandruck im Hochdruckabschnitt
P3: von der Druckfeder ausgeübter Druck
PF1: Förderrichtung von der Kraftstoffpumpe zum Rückschlagventil
PF2: Richtung der Druckpulsationen von der Hochdruckpumpe zum Rückschlagventil
PF3: Förderrichtung von der Hochdruckpumpe zu den Hochdruckeinspritzventilen
DP1: Druckpulsationen im Niederdruckabschnitt
DP2: Druckpulsationen im Hochdruckabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0682177 A1 [0003]
DE 19706116 C2 [0004]
DE 10149412 C1 [0005]
DE 3146454 A1 [0006]
DE 102010000508 A1 [0007]
EP 1342912 A2 [0008, 0015, 0015, 0015]

Claims

Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (110) zu mindestens einem Verbraucher (600), aufweisend: (a) ein Fluidreservoir (100), (b) eine Förderpumpe (500) zur Förderung des Fluids (110) in dem Fluidfördersystem, (c) eine vom Fluidreservoir (100) zur Förderpumpe (500) führende Fluidleitung (300) und (d) ein Rückschlagventil (400), das in der von dem Fluidreservoir (100) zu der Förderpumpe (500) führenden Fluidleitung (300) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für das Fluid zwischen dem Fluidreservoir (100) und der Förderpumpe (500) eine Fluidverbindung ausschließlich über das Rückschlagventil (400) zur Verfügung steht.
Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (110) zu mindestens einem Verbraucher (600) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidfördersystem zur Kraftstoffversorgung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges dient, dass das Fluidreservoir durch einen Kraftstofftank (100) gebildet ist, dass die Förderpumpe durch eine Hochdruckpumpe (500) zur Förderung von Kraftstoff (110) gebildet ist, dass die Fluidleitung durch eine Kraftstoffleitung gebildet ist und dass der mindestens eine Verbraucher durch jeweils ein nachgeordnetes Hochdruckeinspritzventil (600) der Verbrennungskraftmaschine gebildet ist, wobei die Hochdruckpumpe (500) den Kraftstoff (110) zu dem mindestens einen nachgeordneten Hochdruckeinspritzventil (600) fördert.
Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (110) zu mindestens einem Verbraucher (600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidfördersystem ferner eine Niederdruckpumpe (200) zur Förderung von Fluid (110) aus dem Fluidreservoir (100) aufweist.
Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (110) zu mindestens einem Verbraucher (600) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckpumpe (200) an oder in dem Fluidreservoir (100) angeordnet ist.
Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (11b) zu mindestens einem Verbraucher (600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (400) in der Fluidleitung (300) angeordnet ist und ein entgegen der Richtung (PF1) der Förderung des Fluids (110) vom Fluidreservoir (100) zur Förderpumpe (500) und gegen einen Ventilsitz (420) vorgespanntes Ventilelement (410) aufweist.
Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (110) zu mindestens einem Verbraucher (600) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (410) mittels einer Druckfeder (430) vorgespannt ist, die gegen einen von der Niederdruckpumpe (200) erzeugten Förderdruck (P1) wirkt.
Fluidfördersystem zur Förderung eines Fluids (110) zu mindestens einem Verbraucher (600) nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederdruckabschnitt (310) der Kraftstoffleitung (300) zwischen dem Kraftstofftank (100) und dem Rückschlagventil (400) im Unterbodenbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet ist und vom Kraftstofftank (100) bis zum Verbrennungskraftmaschinenbereich reicht.