DE102015105735B4 - Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor, Kraftstoffpumpe und Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe (18) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Start des Verbrennungsmotors der Hub eines Kolbens (22) der Kraftstoffpumpe (18) im Vergleich zu jedem sich an den Start anschließenden Betrieb des Verbrennungsmotors vergrößert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe eines Verbrennungsmotors.
• Hochdruckkraftstoffpumpen dienen dazu, direkt einspritzende Verbrennungsmotoren mit dem für den Betrieb erforderlichen Kraftstoff zu versorgen. Dabei wird der Kraftstoff den einzelnen Injektoren, über die der Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, unter relativ hohem Druck zugeführt, um eine möglichst optimale Verteilung des Kraftstoffs in den Brennräumen und eine möglichst optimale Vermischung mit dem über Einlassventile in die Brennräume eingebrachten Frischgas zu erreichen. Der Druck, mit dem der Kraftstoff zu den Injektionen gefördert wird, beträgt derzeit bei Ottomotoren in der Regel zwischen ca. 200 bar und ca. 400 bar und bei Dieselmotoren in der Regel um die 2000 bar. Für die Erzeugung derart hoher Drücke werden Hochdruckkraftstoffpumpen eingesetzt, die als Verdrängerpumpen und insbesondere als Kolbenpumpen ausgebildet sind. Da derartige Kolbenpumpen nicht ausreichend selbstansaugend sind, werden diesen in der Regel noch als Strömungspumpen ausgebildete Vorförderpumpen vorgeschaltet.
• Bei der Versorgung von Verbrennungsmotoren mit dem für den Betrieb benötigten Kraftstoff stellt sich das Problem, dass der erforderliche Kraftstoffvolumenstrom insbesondere in einem Kaltstart relativ hoch ist. Der Grund dafür ist, dass für den Kaltstart in sehr kurzer Zeit eine große Menge von Kraftstoff zunächst in das die Injektion versorgende sogenannten Rail gefördert werden muss, um darin einen ausreichend hohen Druck bereitzustellen, der ein Starten des Verbrennungsmotors und einen ausreichend sicheren Lauf des Verbrennungsmotors direkt nach dem Kaltstart sicherstellt. Dabei muss diese Druckerhöhung zudem mit einer relativ niedrigen Antriebsdrehzahlen für die Kraftstoffpumpe erreicht werden, was daraus resultiert, dass Hochdruckkraftstoffpumpen in der Regel direkt von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden, dessen Drehzahl beim Starten deutlich unterhalb der Leerlaufdrehzahl liegt. Hinzu kommt, dass der Wirkungsgrad von Hochdruckpumpen drehzahlabhängig und daher bei relativ niedrigeren Drehzahlen relativ gering ist. Dies kann dazu führen, dass der relative, d.h. drehzahlabhängige Kraftstoffvolumenstrom, der für den Kaltstart benötigt wird, deutlich größer als derjenige in einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast ist.
• Diese Anforderung führt dazu, dass Hochdruckkraftstoffpumpen derzeit im Hinblick auf diesen relativ hohen Kraftstoffvolumenstrom, der für den Kaltstart des dazugehörigen Verbrennungsmotors benötigt wird, ausgelegt werden, was dazu führt, dass diese für den eigentlichen Betrieb des Verbrennungsmotors grundsätzlich überdimensioniert sind. Als Folge daraus wird die längste Zeit während des Betriebs des Verbrennungsmotors ein überschüssiger Kraftstoffvolumenstrom über ein Ventil abgesteuert und in den Niederdruckabschnitt des Kraftstoffversorgungssystems zurückgefördert. Dies ist mit einer unnötigen Wandlung von Energie verbunden, die sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors auswirkt.
• Aus der DE 10 2007 062 179 A1 ist eine mittels einer Nockenwelle angetriebene Hochdruckkraftstoffpumpe bekannt, bei der der Hub des Kolbens dadurch veränderbar ist, dass ein unsymmetrischer Formkörper, der zwischen dem Kolben und der diesen betätigenden Nockenlaufbahnen der Nockenwelle angeordnet ist, mittels einer Stellvorrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens verschiebbar ist.
• Weiterhin ist aus der DE 196 11 641 C1 ein variabler Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Nocken, die zur Betätigung der Gaswechselventile vorgesehen sind, axial versetzt drei unterschiedliche Nockenverläufe aufweisen. Um die Gaswechselventile mit jeweils einer der Nockenverläufe in Wirkverbindung zu bringen, sind Stellvorrichtungen vorgesehen, durch die die Nocken, die als Nockenhülsen axial verschiebbar auf einer Grundwelle der entsprechenden Nockenwelle angeordnet sind, verstellt werden können. Diese Stellvorrichtungen umfassen jeweils insgesamt vier verschiebbare Mitnehmer, die bedarfsweise in zwei in Umfangsrichtung S-förmig verlaufende Führungsnuten der Nockenhülsen in Eingriff gebracht werden können, um die Relativrotation der Nockenhülsen in axiale Verschiebungen derselben zu übersetzen.
• Die DE 10 2014 106 425 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, die sowohl mittels Direkteinspritzung als auch mittels Saugrohreinspritzung betrieben werden kann, wobei der Druck, mit dem Kraftstoff den direkt einspritzenden Injektoren zugeführt wird, durch eine Hubumstellung einer Hochdruckkraftstoffpumpe einstellbar ist. Dabei kann der Hub der Hochdruckkraftstoffpumpe zwischen einem Nullhub (zur Deaktivierung der Hochdruckkraftstoffpumpe), einem relativ kleinen Hub und einem relativ großen Hub verändert werden. Die Umschaltung zwischen den Hüben und damit auch zwischen Direkt- und Saugrohreinspritzung erfolgt nach einem komplexen System in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine. Ausgangspunkt ist dabei die Abfrage, ob die Brennkraftmaschine kalt gestartet wird. Wird dies bejaht, wird die Hochdruckkraftstoffpumpe entweder auf einen relativ kleinen oder relativ großen Hub geschaltet, die Direkteinspritzung aktiviert und die Saugrohreinspritzung deaktiviert. Während eines Betriebs der Brennkraftmaschine, der nicht als Start der kalten Brennkraftmaschine definiert ist, wird die Hochdruckkraftstoffpumpe in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern entweder mit einem relativ großen Hub, einem relativ kleinen Hub oder einem Nullhub (Deaktivierung der Hochdruckkraftstoffpumpe) betrieben.
• Die DE 814 695 B offenbart, dass es sinnvoll kann sein kann, die Fördermenge einer Kraftstoffeinspritzpumpe durch eine Variation des Hubs eines Pumpenstößels in Abhängigkeit von der Belastung eines Verbrennungsmotors zu variieren.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Absteuern eines überschüssigen Kraftstoffvolumenstroms aus dem Hochdruckabschnitt eines Kraftstoffversorgungssystems eines Verbrennungsmotors möglichst weitgehend zu reduzieren.
• Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer als Kolbenpumpe ausgebildeten Kraftstoffpumpe der geförderte Kraftstoffvolumenstrom nicht nur von der Antriebsdrehzahl, mit der die Kraftstoffpumpe angetrieben wird, und damit der Hubgeschwindigkeit des hin und her bewegten Kolbens abhängt, sondern zudem von dem Kolbendurchmesser sowie von dem maximalen Hub des Kolbens. Auf dieser Erkenntnis basierend ist ein Grundgedanke der Erfindung, dass durch eine Variation des maximalen Hubs, nämlich zum einen mit einem Wert für den Start und insbesondere Kaltstart des Verbrennungsmotors und zum anderen mit einem Wert für den normalen Betrieb des Verbrennungsmotors, in vorteilhafter Weise die Förderung eines überschüssigen Kraftstoffvolumenstroms im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors minimiert werden kann, obwohl die Kraftstoffpumpe hinsichtlich der Förderung eines ausreichend hohen Kraftstoffvolumenstroms für den (Kalt-)Start ausreichend groß dimensioniert ist.
• Diesem Grundgedanken folgend ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, dass für einen Start, insbesondere für zumindest einen Kaltstart des Verbrennungsmotors (und gegebenenfalls auch für definierte einzelne oder alle anderen (Warm-)Starts) der Hub eines Kolbens der Kraftstoffpumpe (im Vergleich zu einem sich an den (Kalt-)Start anschließenden Betrieb) vergrößert wird.
• Als „Start“ wird erfindungsgemäß die Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors ausgehend vom Stillstand (Drehzahl: Null) bis zum Erreichen einer Leerlaufdrehzahl verstanden. Weiterhin kann ein „Start“ des Verbrennungsmotors erfindungsgemäß zusätzlich noch dahingehend definiert werden, dass der Druck des Kraftstoffs in einem sich an die (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe anschließenden Hochdruckabschnitt eines Kraftstoffzufuhrsystems, insbesondere in einem Rail, des Verbrennungsmotors, unterhalb eines vorgesehenen Betriebsdruckbereichs und insbesondere auch unterhalb eines definierten Startfreigabedrucks liegt. Der untere Grenzwert für diesen Betriebsdruckbereich kann beispielsweise bei 140 bar liegen. Der Startfreigabedruck kann beispielsweise bei 80 bar liegen.
• Als „Kaltstart“ wird ein Start des Verbrennungsmotors unter definierten Kaltstartbedingungen verstanden. Dabei können die Kaltstartbedingungen eine oder mehrere der folgenden Zustandsbedingungen umfassen:
• - Temperatur eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors unterhalb einer definierten Grenztemperatur (z.B. 20°C);
• - Temperatur eines Schmiermittels des Verbrennungsmotors unterhalb einer definierten Grenztemperatur (z.B. 20°C);
• - Drehzahl eines Starters des Verbrennungsmotors unterhalb einer definierten Grenzdrehzahl (z.B. 250°1/min).
• Als „Warmstart“ wird ein Start des Verbrennungsmotors verstanden, in dem die definierten Kaltstartbedingungen (zumindest teilweise) nicht erfüllt sind.
• Eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorteilhaft geeignete (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe umfasst zumindest ein einen Einlass und einen Auslass ausbildendes Gehäuse, einen in dem Gehäuse verschiebbar gelagerten Kolben, wobei das Gehäuse und der Kolben einen zumindest zeitweise mit dem Einlass und dem Auslass in (fluidleitfähiger) Verbindung stehenden Pumpraum begrenzen, dessen Größe durch eine Verschiebung des Kolbens variierbar ist, und mit einer drehend antreibbaren Nockenbetätigungsvorrichtung zur zyklischen Hin-und-her-Bewegung des Kolbens. Gekennzeichnet ist eine solche Kraftstoffpumpe dadurch, dass die Nockenbetätigungsvorrichtung mehrere Nocken mit unterschiedlichen Nockenverläufen aufweist und eine Verstellvorrichtung vorgesehen ist, durch die die einzelnen der mehreren Nocken bedarfsweise mit dem Kolben in Wirkverbindung bringbar sind.
• Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Nockenverläufe sich hinsichtlich des durch diese erzeugten Hubs der Verschiebebewegung des Kolbens unterscheiden, um die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen unterschiedlichen Hübe für den (Kalt-)Start einerseits und für einen Betrieb nach einem (Kalt-)Start andererseits realisieren zu können.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist vorteilhaft bei einem Verbrennungsmotor anwendbar, der eine entsprechende Kraftstoffpumpe umfasst. Dabei kann der Verbrennungsmotor ein Zylinder(kurbel)gehäuse umfassen, das ein oder mehrere Zylinder ausbildet, in denen jeweils ein Kolben verschiebbar geführt ist, wobei der/die Zylinder mit dem/den Kolben und einem Zylinderkopf einen oder Brennräume begrenzt/-en, wobei ein Gaseintritt in den oder die Brennräume und ein Gasaustritt aus dem oder den Brennräumen mittels Gaswechselventilen steuerbar ist, wobei die Gaswechselventile mittels mindestens einer Nockenwelle betätigbar sind. Ein solcher Verbrennungsmotor kann vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Nockenbetätigungsvorrichtung der Kraftstoffpumpe in die Nockenwelle integriert ist (d.h. zumindest von dieser angetrieben wird). Somit ist vorteilhafterweise ein Direktantrieb der Kraftstoffpumpe durch den Nockentrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise genutzten Kraftstoffpumpe kann vorgesehen sein, dass die axial (d.h. entlang ihrer Rotationsachse) verschiebbare Nockenbetätigungsvorrichtung einen Verstellabschnitt aufweist, in den eine in Umfangsrichtung (d.h. um die Rotationsachse der Nockenbetätigungsvorrichtung zumindest teilweise herum) bogenförmig und insbesondere S-förmig verlaufende Führung integriert ist, und die Verstellvorrichtung mehrere Mitnehmer aufweist, die wahlweise mit der Führung in Wirkverbindung bringbar sind, um eine Relativrotation zwischen der Nockenbetätigungsvorrichtung und den Mitnehmern der Verstellvorrichtung in eine axiale Verschiebung der Nockenbetätigungsvorrichtung zu übersetzen. Dies stellt eine konstruktiv einfach umzusetzende und zudem robuste Ausgestaltung einer solchen Verstellvorrichtung dar.
• Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Führung(en) in Form von (einer) Führungsnut(en) ausgebildet ist/sind, was mit dem Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit einhergeht. Alternativ kann eine solche Führung beispielsweise auch in Form eines Führungsvorsprungs ausgebildet sein.
• Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Führung Y-förmig ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine axiale Verschiebung der Nockenbetätigungsvorrichtung in beide Richtungen mittels einer Verstellvorrichtung, die lediglich zwei Mitnehmer umfasst. Auf diese Weise kann der konstruktive Aufwand für die Verstellvorrichtung relativ gering gehalten werden.
• In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise genutzten Kraftstoffpumpe kann vorgesehen sein, dass zumindest eine, vorzugsweise alle der Nocken mehrere Nockenerhebungen ausbilden. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Anzahl an Nockenerhebungen der Anzahl an Zylindern eines bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Verbrennungsmotors entspricht. Dies ermöglicht insbesondere, die Anzahl der Hübe des Kolbens der Kraftstoffpumpe und damit die Anzahl der durch die Kraftstoffpumpe bewirkten Förderintervalle an die Anzahl der Einspritzungen von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors anzupassen, wodurch insgesamt ein relativ gleichförmiger Druckverlauf in einem sich an die Kraftstoffpumpe anschließenden (Hochdruck-)Abschnitt eines Kraftstoffzufuhrsystems, insbesondere in einem Rail des Verbrennungsmotors, erreicht werden kann. Durch ein Vorsehen von mehreren Nockenerhebungen für zumindest einen der Nocken können auch weitere Vorteile, wie beispielsweise eine genauere Messung des geförderten Kraftstoffvolumenstroms realisiert werden. Da diese Vorteile unabhängig von der Anzahl der Einspritzungen je Umdrehung der Nockenwelle ist, kann vorteilhafterweise auch eine Anzahl an Nockenerhebungen vorgesehen sein, die von der Anzahl an Zylindern des Verbrennungsmotors abweicht.
• In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise genutzten Kraftstoffpumpe kann vorgesehen sein, dass die mehreren Nocken mindestens einen gemeinsamen Übergangsbereich ausbilden, wobei die Nockenverläufe dieser Nocken in diesem Übergangsbereich gleich ausgebildet sind. Dadurch wird ein Absatz zwischen den Nockenverläufen in diesem Übergangsbereich vermieden, was in vorteilhafter Weise eine Übergabe des Kolbens der Kraftstoffpumpe zwischen den Nocken beim Durchgang dieses Übergangsbereichs ermöglicht.
• Dabei kann im Hinblick auf die bevorzugte Verwendung der bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise genutzten Kraftstoffpumpe zur Realisierung unterschiedlicher Hübe einerseits im (Kalt-)Start des Verbrennungsmotors und andererseits im Betrieb des Verbrennungsmotors nach einem (Kalt-)Start vorzugsweise vorgesehen sein, dass der von dem Übergangsbereich abgedeckte Winkelbereich einer Rotation der Nockenbetätigungsvorrichtung so groß bemessen ist, dass in einem Leerlaufdrehzahlbereich des Verbrennungsmotors (dessen obere Grenzdrehzahl beispielsweise 20% über der Betriebsleerlaufdrehzahl (nach dem Erreichen eines Betriebstemperaturbereichs) liegen kann) ein Wechsel des mit dem Kolben in Wirkverbindung stehenden Nockens innerhalb dieses Winkelbereichs möglich ist. Gleichzeitig sollte vorzugsweise der von dem Übergangsbereich abgedeckte Winkelbereich nicht deutlich größer als für einen solchen Wechsel erforderlich sein, um einen möglichst großen Winkelbereich für die Ausbildung des oder der Nockenerhebungen bereitzustellen, um die Erzielung eines vorgegebenen Hubs des Kolbens mit einer möglichst geringen Steigung der Nockenerhebung(en) realisieren zu können. Dadurch kann die Beschleunigung des Kolbens gering gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Betriebslebensdauer der Kraftstoffpumpe auswirken kann.
• Weiterhin kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Übergangsbereich jeweils als Nullnocken der entsprechenden Nocken ausgebildet ist, so das ein durch die Nocken in diesem Übergangsbereich auf den Kolben der Kraftstoffpumpe ausgeübter Hub null beziehungsweise minimal ist und der Kolben sich demnach so nah wie möglich (d.h. durch die Nockenbetätigungsvorrichtung ermöglicht) an der Rotationsachse der Nockenbetätigungsvorrichtung positioniert ist. Dadurch kann erreicht werden, dass bei der Übergabe des Kolbens zwischen den Nocken der auf den Kolben wirkende hydraulische Druck möglichst klein ist, was sich vorteilhaft auf das Verschleißverhalten der Kraftstoffpumpe auswirken kann.
• In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise genutzten Verbrennungsmotors kann vorgesehen sein, dass dieser eine Aufladung aufweist und folglich das Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführte Frischgas mittels eines Verdichters verdichtet wird. Aufgeladene Verbrennungsmotoren weisen in der Regel relativ (verglichen mit nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren der gleichen Leistungsklasse) kleine Hubräume und damit auch kleine Zylinderdurchmesser auf. Ein sich daraus ergebender Vorteil sind relativ geringe Reibungsverluste, die im Rahmen des sogenannten Downsizings, d.h. einer im Hinblick auf eine zu erreichende Nennleistung relativ kleine (Hubraum-)Dimensionierung, wobei ein sich tendenziell durch die relativ kleine Dimensionierung ergebender Leistungsverlust durch eine (höhere) Aufladung kompensiert wird, ausgenutzt werden. Es wurde erkannt, dass sich eine solche relativ kleine Dimensionierung und dabei insbesondere der relativ kleine Zylinderdurchmesser negativ auf den für den Kaltstart erforderlichen Kraftstoffvolumenstrom auswirken kann, weil ein relativ kleiner Zylinderdurchmesser zu einer stärkeren Zylinderwandbenetzung mit Kraftstoff im Kaltstart führen kann, wodurch ein relativ großer Anteil von Kraftstoff nicht an der Verbrennung im Kaltstart teilnimmt. Als Folge daraus muss die im Kaltstart eingespritzte Kraftstoffmenge relativ hoch gewählt werden, um ein zündfähiges Kaltstartgemisch zu erzeugen. Die Differenz zwischen dem für den Kaltstart erforderlichen sowie für einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast benötigten relativen Kraftstoffvolumenströmen kann somit bei relativ klein dimensionierten und durch eine Aufladung hinsichtlich hoher Nennleistungen ausgelegten Verbrennungsmotoren ausgeprägter sein, als dies bei relativ groß dimensionierten jedoch nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren der Fall ist. Demnach kann sich die erfindungsgemäß vorgesehene Veränderung des Hubs, einerseits für den (Kalt-)Start und andererseits für den regulären Betrieb des Verbrennungsmotors, beziehungsweise die entsprechende Ausgestaltung einer Kraftstoffpumpe bei einem solchen, relativ klein dimensionierten und zur Kompensation davon aufgeladenen Verbrennungsmotor besonders positiv auswirken.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines radbasiertes Kraftfahrzeugs (vorzugsweise PKW oder LKW) durchgeführt werden . Dabei kann der Verbrennungsmotor insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
• Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
• 1: einen Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht eines bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens nutzbaren Verbrennungsmotors;
• 2: den Verbrennungsmotor gemäß der 1 in einer teilweise geschnittenen Darstellung;
• 3: schematisch die Nockenbetätigungsvorrichtung sowie die Verstellvorrichtung der Kraftstoffpumpe des Verbrennungsmotors;
• 4: schematisch die Nockenverläufe der Nocken der Nockenbetätigungsvorrichtung gemäß der 3 in einer ersten Ausgestaltung;
• 5: schematisch die Nockenverläufe der Nocken der Nockenbetätigungsvorrichtung gemäß der 3 in einer zweiten Ausgestaltung; und
• 6: schematisch die Nockenverläufe der Nocken der Nockenbetätigungsvorrichtung gemäß der 3 in einer dritten Ausgestaltung.
• Die 1 und 2 zeigen einen bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens nutzbaren Verbrennungsmotor, der als Hubkolbenmotor ausgebildet ist. Dieser umfasst in bekannter Weise ein Zylinderkurbelgehäuse 10, innerhalb dessen eine Mehrzahl (hier: vier) von Zylindern (nicht sichtbar) ausgebildet sind. Innerhalb der Zylinder sind Kolben (nicht sichtbar) beweglich geführt, die über Pleuel (nicht sichtbar) an einer Kurbelwelle (nicht sichtbar) angelenkt sind. Abschnitte der Zylinder und die Deckflächen der Kolben begrenzen gemeinsam mit einem Zylinderkopf 12 des Verbrennungsmotors jeweils einen Brennraum. In den Brennräumen wird mittels Injektoren (nicht sichtbar) direkt eingespritzter Kraftstoff mit Frischgas (im Wesentlichen aus der Umgebung angesaugte Luft), das den Brennräumen über einen Frischgasstrang 14 zugeführt wird, vermischt, entzündet und dadurch verbrannt wird. Das dabei entstehende Abgas wird über einen Abgasstrang (nicht sichtbar) abgeführt. Die Zufuhr des Frischgases in die Brennräume und die Abfuhr des Abgases aus den Brennräume wird in bekannter Weise über Gaswechselventile (nicht sichtbar) gesteuert, die mittels einer Nockenwelle 16 (vgl. 2) betätigt werden. Die Nockenwelle 16 wird dabei direkt, beispielsweise über einen Zahnriemen, eine Steuerkette oder ein Zahnradgetriebe (nicht sichtbar), von der Kurbelwelle angetrieben, so dass sich eine Proportionalität der Winkelgeschwindigkeiten von Kurbelwelle und Nockenwelle 16 einstellt.
• Der Kraftstoff wird den Injektoren mit einem relativ hohen Druck zugeführt, um eine möglichst feine Zerstäubung durch das Einspritzen und dadurch eine möglichst optimale Vermischung mit dem Frischgas zu erreichen. Dieser relativ hohe Druck des Kraftstoffs wird mittels einer Kraftstoffpumpe 18 erzeugt, die ebenfalls mittels der Nockenwelle 16 betätigt beziehungsweise angetrieben wird. Diese Kraftstoffpumpe 18 fördert den Kraftstoff in einen Hochdruckabschnitt eines Kraftstoffzufuhrsystems des Verbrennungsmotors, in den ein sogenanntes Rail (nicht sichtbar), d.h. ein Vorhaltevolumen für eine relativ große Menge des unter Druck stehenden Kraftstoffs integriert ist. Ein solches als Druck- und Kraftstoffzwischenspeicher dienendes Rail ermöglicht eine Einspritzung von Kraftstoff mittels der Injektoren, die in Grenzen unabhängig von der Förderung des Kraftstoffs mittels der Kraftstoffpumpe 18 ist.
• Die Kraftstoffpumpe 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form einer einzylindrigen Kolbenpumpe ausgebildet. Diese umfasst ein Gehäuse 20 mit einem einzelnen in dem Gehäuse 20 verschiebbar gelagerten Kolben 22, wobei das Gehäuse 20 und der Kolben 22 einen Pumpraum 24 begrenzen, dessen Größe durch eine hin und her gehende Verschiebung des Kolbens 22 zyklisch veränderbar ist. Bei einer Verkleinerung des Volumens des Pumpenraums 24 fördert die Kraftstoffpumpe 18 Kraftstoff über einen Auslass 26 in den Hochdruckabschnitt des Kraftstoffzufuhrsystems, während bei einer Vergrößerung des Volumens des Pumpraums 24 Kraftstoff aus einem Niederdruckabschnitt des Kraftstoffzufuhrsystems angesaugt wird, der über einen Einlass (nicht sichtbar) in den Pumpraum 24 einströmen kann.
• Die hin und her gehende Bewegung des Kolbens 22 und damit ein Antrieb der Kraftstoffpumpe 18 wird durch eine drehfest mit der Nockenwelle 16 verbundene Nockenbetätigungsvorrichtung 28 in Wechselwirkung mit einem Federelement 30 bewirkt. Mittels des Federelements 30 wird eine mit dem Kolben 22 verbundene Kolbenstange 32 gegen eine Rollentasse 34 gedrückt, die dadurch wiederum gegen einen von zwei Nocken 36, 38 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 gedrückt wird (s. 3). Bei einer Rotation der Nockenwelle 16 und damit der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 rollt eine Rolle 40 der Rollentasse 34 somit auf der von dem entsprechenden Nocken 36, 38 ausgebildeten Nockenlaufbahn ab, wobei der hinsichtlich des radialen Abstands zu der Rotationsachse 42 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 beziehungsweise der Nockenwelle 16 zyklisch ungleichförmige Verlauf des Nockens 36, 38 zu der die Förderung des Kraftstoffs bewirkenden zyklischen hin und her gehenden Bewegung des Kolbens 22 führt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Nocken 36, 38 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 insgesamt jeweils vier Nockenerhebungen 44 aufweisen, in denen der radiale Abstand der Nockenverläufe 46, 48 jeweils im Vergleich zu einem Nockengrundkreis 50, der die Punkte beziehungsweise Abschnitte der Nockenverläufe 46, 48 mit den geringsten radialen Abständen umfasst, in Rotationsrichtung zunächst größer und nach dem Erreichen eines Scheitelpunkts wieder kleiner wird (s. 3 bis 6). Sofern sich die Rolle 40 der Rollentasse 34 im Bereich eines der Scheitelpunkte des mit dieser in Wirkverbindung stehenden Nockens 36, 38 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 befindet, ist der Hub des Kolbens 22 maximal (d.h. dieser befindet sich weitestmöglich von der Rotationsachse 42 entfernt), während dieser Hub minimal ist, wenn sich die Rolle 40 in einem der auf dem Nockengrundkreis 50 befindlichen Punkte des entsprechenden Nockenverlaufs 46, 48 befindet.
• Die Anzahl der Nockenerhebungen 44 jeder der Nocken 36, 38 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 und damit die Anzahl der Förderhübe der Kraftstoffpumpe 18 entspricht der Anzahl an in dem Zylinderkurbelgehäuse 10 ausgebildeten Zylindern und damit (infolge der Ausgestaltung des Verbrennungsmotors als 4-Takt-Motor) der Anzahl an Kraftstoffeinspritzungen je Umdrehung der Nockenwelle 16. Dadurch kann ein möglichst gleichförmiger Druckverlauf des Kraftstoffs in dem Hochdruckabschnitt des Kraftstoffzufuhrsystems erreicht werden.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für einen (Kalt-)Start des Verbrennungsmotors der Kolben 22 der Kraftstoffpumpe 18 mit einem ersten Nocken 36 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 in Wirkverbindung steht, während für einen Betrieb des Verbrennungsmotors nach dem (Kalt-)Start die Nockenbetätigungsvorrichtung 28 mittels einer Verstellvorrichtung 52 axial auf der Nockenwelle 16 verschoben wird, um den Kolben 22 der Kraftstoffpumpe 18 mit einem zweiten Nocken 38 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 in Wirkverbindung zu bringen. Der Nockenverlauf 48 des zweiten Nockens 38 unterscheidet sich insbesondere dahingehend von dem Nockenverlauf 46 des ersten Nockens 36, dass die radialen Abstände der Scheitelpunkte der Nockenerhebungen 44 von der Rotationsachse 42 kleiner als die entsprechenden radialen Abstände des ersten Nockens 36 sind. Demnach ist auch der maximale Hub der mittels des zweiten Nockens 38 bewirkten Bewegung des Kolbens 22 kleiner als der maximale Hub, der durch den ersten Nocken 36 bewirkt wird. Somit ergibt sich in dem für den (Kalt-)Start des Verbrennungsmotors vorgesehenen Betrieb der Kraftstoffpumpe 18 ein relativer (von der Drehzahl der Nockenwelle 16 abhängiger) Fördervolumenstrom, der größer als derjenige im Betrieb des Verbrennungsmotors nach dem (Kalt-)Start ist. Durch die so realisierte Hubumschaltung für die Kraftstoffpumpe 18 kann sowohl die Realisierung eines ausreichend großen Fördervolumenstroms für den (Kalt-)Start gewährleistet als auch eine Überdimensionierung des Fördervolumenstroms für den Betrieb des Verbrennungsmotors nach dem (Kalt-)Start minimiert werden.
• Wie sich aus der 3 ergibt, umfasst die Verstellvorrichtung 52 zwei individuell, beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch verschiebbare Mitnehmer 54, die jeweils in der ausgefahrenen Stellung mit einer Y-förmigen Führungsnut 56, die in einem Verstellabschnitt 58 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 ausgebildet ist, zusammenwirken können, wodurch eine Relativrotation der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 in eine Translation in eine der axialen Richtungen (entlang der Rotationsachse) um jeweils eine Distanz x übersetzt wird. Die Y-förmige Führungsnut 56 ist dabei derart ausgebildet, dass sich die Nuttiefe in ihren drei Endabschnitte kontinuierlich bis auf null verringert und diese Endabschnitte somit in die Hauptumfangsfläche des Verstellabschnitts 58 auslaufen.
• Die 3 zeigt eine Stellung der Nockenbetätigungsvorrichtung 28, in der der Kolben 22 der Kraftstoffpumpe 18 mit dem zweiten, kleineren Nocken 38 in Wirkverbindung steht. Hierbei handelt es sich folglich um die Stellung für einen Betrieb des Verbrennungsmotors während eines (Kalt-)Starts. Nach einem Abstellen des Verbrennungsmotors und für einen vorgesehenen (Neu-)Start wird die Nockenbetätigungsvorrichtung 28 durch den Einsatz der Verstellvorrichtung 52 axial um die Distanz x verschoben und dadurch der erste Nocken 36 mit dem Kolben 22 in Wirkverbindung gebracht. Hierzu wird der in der 3 rechte Mitnehmer 54 ausgefahren und die Nockenbetätigungsvorrichtung 28 infolge ihrer Rotation (in der 3 nach oben) um die Distanz x nach rechts verschoben. Infolge des Auslaufens der Y-förmigen Führungsnut 56 in dem mittleren, in der 3 unteren Abschnitt wird der rechte Mitnehmer 54 wieder in die eingefahrene Stellung zurück bewegt. Ein Verschieben der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 um die Distanz x nach rechts führt weiterhin dazu, dass der linke Mitnehmer 54 In Überdeckung mit dem linken Abschnitt der Y-förmigen Führungsnut 56 gebracht wird, so dass durch ein Ausfahren dieses Mitnehmers 54 die Nockenbetätigungsvorrichtung 28 wieder um die Distanz x nach links verschoben werden kann, wie dies für den Betrieb des Verbrennungsmotors nach dem (Kalt-)Start (d.h. wenn die Bedingungen für den (Kalt-)Start nicht mehr gegeben sind) vorgesehen ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Umschalten der Nockenbetätigungsvorrichtung nach ungefähr vier oder fünf Umdrehungen der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors nach dem Starten vorgesehen ist.
• Für ein möglichst verschleißarmes Umschalten der Kraftstoffpumpe 18 zwischen den zwei Nocken 36, 38 der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 sollte das Überleiten des Kolbens 22 beziehungsweise der zwischen dem Kolben 22 und der Nockenbetätigungsvorrichtung 28 angeordneten Rollentasse 34 nicht mit der Überwindung eines zwischen den zwei Nocken 36, 38 ausgebildeten Absatzes einhergehen. Dafür bilden die beiden Nocken 36, 38 einen gemeinsamen Übergangsbereich 60 aus, in dem die jeweiligen Nockenverläufe 46, 48 gleich ausgebildet und auf dem Nockengrundkreis 50 verlaufend ausgebildet sind. Dies ist in den 5 bis 7 dargestellt. Vorgesehen ist, dass der Winkelbereich Δα, über den sich der gemeinsame Übergangsbereich 60 erstreckt, möglichst exakt so groß gewählt ist, dass in diesem gerade ein Wechsel zwischen den zwei Nocken 36, 38 bis zu einer im Rahmen des (Kalt-)Starts erreichbaren Maximaldrehzahl der Kurbelwelle, die kurz oberhalb der Leerlaufdrehzahl liegen kann (z.B. n_max,kalt = 1000 1/min), möglich ist.
• Bei der in der 4 dargestellten Ausgestaltung möglicher Nockenverläufe 46, 48 der zwei Nocken 36, 38 ist ein einzelner gemeinsamer Übergangsbereich 60 vorgesehen, wobei die vier gleich verlaufenden Nockenerhebungen 44 der beiden Nocken 36, 38, direkt aneinander anschließend, über den Restumfang des Nockengrundkreises 50 verteilt sind.
• Bei der Ausgestaltung möglicher Nockenverläufe 46, 48 gemäß der 5 ist dagegen zwischen allen benachbarten Nockenerhebungen 44 ein gemeinsamer Übergangsbereich 60 vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine rotationssymmetrische Anordnung der jeweils vier Nockenerhebungen 44.
• Bei der Ausgestaltung gemäß der 6 sind dagegen zwei Übergangsbereiche 60 vorgesehen, zwischen denen jeweils zwei direkt aneinander anschließende Nockenerhebungen 44 angeordnet sind.
• Unter der Voraussetzung gleicher Verläufe der Nockenerhebungen 44 der beiden Nocken 36, 38 kann ein Vorteil der Ausgestaltung gemäß der 4 im Vergleich zu den beiden anderen Ausgestaltungen der kleinste Nockengrundkreis 50 sein, der eine hinsichtlich des erforderlichen Bauraums optimierte Ausgestaltung der Kraftstoffpumpe 18 ermöglicht. Wegen der höheren Anzahl gemeinsamer Übergangsbereiche 60 weist die Ausgestaltung gemäß der 5 dagegen den größten Nockengrundkreis 50 aller drei Ausgestaltungen auf.
• Bezugszeichenliste

10

Zylinderkurbelgehäuse

12

Zylinderkopf

14

Frischgasstrang

16

Nockenwelle

18

Kraftstoffpumpe

20

Gehäuse

22

Kolben

24

Pumpraum

26

Auslass

28

Nockenbetätigungsvorrichtung

30

Federelement

32

Kolbenstange

34

Rollentasse

36

erster Nocken

38

zweiter Nocken

40

Rolle

42

Rotationsachse

44

Nockenerhebung

46

Nockenverlauf des ersten Nockens

48

Nockenverlauf des zweiten Nockens

50

Nockengrundkreis

52

Verstellvorrichtung

54

Mitnehmer

56

Führungsnut

58

Verstellabschnitt

60

Übergangsbereich

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe (18) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Start des Verbrennungsmotors der Hub eines Kolbens (22) der Kraftstoffpumpe (18) im Vergleich zu jedem sich an den Start anschließenden Betrieb des Verbrennungsmotors vergrößert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kraftstoffpumpe (18) mit einem einen Einlass und einen Auslass (26) ausbildenden Gehäuse (20), einem in dem Gehäuse (20) verschiebbar gelagerten Kolben (22), wobei das Gehäuse (20) und der Kolben (22) einen zumindest zweitweise mit dem Einlass und dem Auslass (26) in Verbindung stehenden Pumpraum (24) begrenzen, dessen Größe durch eine Verschiebung des Kolbens (22) variierbar ist, und mit einer drehbaren Nockenbetätigungsvorrichtung (28) zur Verschiebung des Kolbens (22), wobei die Nockenbetätigungsvorrichtung (28) mehrere Nocken (36, 38) mit unterschiedlichen Nockenverläufen (46, 48) aufweist und eine Verstellvorrichtung (52) vorgesehen ist, durch die die einzelnen Nocken (36, 38) bedarfsweise mit dem Kolben (22) in Wirkverbindung bringbar sind.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenverläufe (46, 48) sich hinsichtlich des durch diese erzeugten Hubs der Verschiebebewegung des Kolbens (22) unterscheiden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axial verschiebbare Nockenbetätigungsvorrichtung (28) einen Verstellabschnitt (58) aufweist, in den mindestens eine in Umfangsrichtung bogenförmig verlaufende Führung (56) integriert ist, und die Verstellvorrichtung (28) mehrere Mitnehmer (54) aufweist, die wahlweise mit der Führung in Wirkverbindung bringbar sind.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein/die Nocken (36, 38) mehrere Nockenerhebungen (44) ausbilden.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Nocken (36, 38) einen gemeinsamen Übergangsbereich (60) ausbilden.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einem Verbrennungsmotor mit einem Zylindergehäuse, das einen oder mehrere Zylinder ausbildet, in denen jeweils ein Kolben verschiebbar geführt ist, wobei die Zylinder mit den Kolben und einem Zylinderkopf Brennräume begrenzen, wobei ein Gaseintritt in die Brennräume und ein Gasaustritt aus den Brennräumen mittels Gaswechselventilen steuerbar ist, wobei die Gaswechselventile mittels einer Nockenwelle (16) betätigbar sind, und wobei die Nockenbetätigungsvorrichtung (28) der Kraftstoffpumpe (18) in die Nockenwelle (16) integriert ist.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7 rückbezogen auf Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Übergangsbereich (60) abgedeckte Winkelbereich (Δα) einer Umdrehung der Nockenbetätigungsvorrichtung (28) so groß bemessen ist, dass in einem Leerlaufdrehzahlbereich des Verbrennungsmotors ein Wechsel des mit dem Kolben (22) in Wirkverbindung stehenden Nockens (36, 38) innerhalb dieses Winkelbereichs (Δα) möglich ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8 und gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Nockenerhebungen (44) der Anzahl an Zylindern entspricht.

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