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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Antriebsstrang mit einem derartigen Kraftstoffsystem.
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Stand der Technik
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Kraftstoffsysteme, insbesondere Kraftstoffeinspritzsysteme wie beispielsweise Common-Rail-Systeme, umfassen beispielsweise Hochdruckpumpen zur Förderung von Kraftstoff unter Hochdruck in ein Rail. Ausgehend von dem Rail wird der Kraftstoff über Einspritzdüsen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gefördert.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 209 217 A1 ist die Hochdruckpumpe als Radialkolbenpumpe ausgeführt, wobei diese Pumpenkolben aufweist, die über eine Antriebswelle der Hochdruckpumpe angetrieben werden. Die Antriebswelle der Hochdruckpumpe ist üblicherweise mechanisch mit der Brennkraftmaschine gekoppelt, so dass diese für die Hochdruckversorgung einen Teil des Drehmoments der Brennkraftmaschine beansprucht. Dadurch steht der Brennkraftmaschine weniger Drehmoment zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung. Ferner ist die Hochdruckversorgung auch von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig, wodurch nicht immer die optimale Kraftstoffmenge gefördert werden kann.
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Die Offenlegungsschrift
DE 101 54 552 A1 offenbart ein Kraftstoffsystem mit einer Kraftstoff-Pumpeinrichtung, wobei die Kraftstoffpumpe eine Radialkolbenpumpe ist und diese mit einem elektrischen Antriebsmotor verbunden ist und durch diesen angetrieben wird. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass ein zusätzlicher elektrischer Antriebsmotor bereitgestellt werden muss, um die Radialkolbenpumpe zu betreiben.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftstoffsystem und einen Antriebsstrang mit einem derartigen Kraftstoffsystem zu schaffen, das eine bedarfsgerechte Steuerung eines Kraftstoffvolumenstroms mit einfachen Mitteln ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, umfassend zumindest eine hydrostatische Kolbenpumpe, einen Kraftstofftank und einen Kraftstoffhochdruckspeicher, dadurch gelöst, dass die zumindest eine hydrostatische Kolbenpumpe zur Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffhochdruckspeicher ausgebildet ist.
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Das Kraftstoffsystem kann beispielsweise als ein Common-Rail-System für eine Diesel- oder Benzineinspritzung ausgeführt sein, wobei der Kraftstoffhochdruckspeicher als Rail eines solchen Systems ausgebildet ist. Ein Kernvorteil des Common-Rail-Systems besteht in der großen Variation des Einspritzdruckes und des Einspritzzeitpunktes von beispielsweise Dieselkraftstoff in einen Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine. Dieser Vorteil wird durch die Trennung der Kraftstoffversorgung und der Einspritzung erreicht.
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Vorteile einer hydrostatischen Kolbenpumpe sind der einfache modulare Aufbau und eine flexible Ansteuerung zur Einstellung der gewünschten Fördermenge, bzw. des Volumenstroms.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Kraftstoffsystem zwei parallel geschaltete hydrostatische Kolbenpumpen aufweist. Durch den modularen Aufbau und die Parallelschaltung kann in einfacher und vorteilhafter Weise der Volumenstrom flexibel erhöht werden.
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Vorzugsweise ist die Kolbenpumpe der Pumpeneinheit unabhängig von der anderen Pumpe, im Einzelbetrieb oder im gemeinsamen Betrieb, ansteuerbar. Insbesondere im Einzelbetrieb ist dann eine bedarfsgerechte Erzeugung insbesondere geringer Kraftstoffvolumenströme über die in der Pumpeneinheit autark arbeitende Kolbenpumpe gewährleistet. Im gemeinsamen Betrieb kann mit Hilfe der Kolbenpumpe ein großer und dennoch präziser Kraftstoffvolumenstrom der Pumpeneinheit bereitgestellt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine hydrostatische Kolbenpumpe Kolbeneinrichtungen aufweist, die digital ansteuerbar und über eine transversal gerichtete Magnetkraft betätigbar sind. Die hydrostatische Kolbenpumpe hat eine Kolbeneinrichtung mit einem einen ersten Kolbenraum abschnittsweise begrenzenden ersten Kolben, der zur Hochdruckerzeugung elektromagnetisch in eine erste axiale Richtung betätigbar ist. Durch die Betätigung erfolgt eine Verschiebung des ersten Kolbens in Richtung der ersten axialen Richtung und damit in Richtung einer Verkleinerung des ersten Kolbenraums. Dadurch kann Kraftstoff hin zum Rail gefördert werden. Zudem ist der erste Kolbenraum über eine erste Schaltventileinrichtung der Kolbenpumpe jeweils mit Rail und mit einem Tank in Verbindung bringbar. Erfindungsgemäß erfolgt die Betätigung über eine transversal gerichtete Magnetkraft, insbesondere Elektromagnetkraft der Kolbenpumpe, wie sie beispielsweise aus dem Prinzip einer Transversalflussmaschine bekannt ist. Ferner weist die Kolbenreinrichtung einen zweiten Kolben auf, der dem ersten Kolben entgegenwirkt und von dem ein zweiter Kolbenraum abschnittsweise begrenzt ist. Der zweite Kolben ist zur Kraftstoffförderung in eine der ersten axialen Richtung im Wesentlichen entgegengesetzte, zweite axiale Richtung elektromagnetisch betätigbar. Vorzugsweise sind die beiden Kolben in axialer Richtung einander gegenüberliegend angeordnet und miteinander zumindest zug- und / oder druckfest verbunden. Dadurch ist eine Hubbewegung des einen der beiden Kolben, mittels der sein zugeordneter Kolbenraum verkleinert wird, gleichzeitig als Ansaugbewegung des jeweils anderen Kolbens nutzbar, während der sich dessen Kolbenraum vergrößert. Es handelt sich dann um eine doppeltwirkende Kolbenreinrichtung und ein gewünschter Kraftstoffvolumenstrom der Kolbenpumpe zum Rail kann vergleichmäßigt werden, da keine Totzeiten der Kraftstoffförderung auftreten. Auch vorteilhaft ist, dass nicht zwingend eine Rückstelleinrichtung vorgesehen sein muss, wodurch die zur Betätigung der Kolbeneinrichtung aufgewendete (elektromagnetische) Energie optimal ausgenutzt wird. Auch die Betätigung des zweiten Kolbens erfolgt vorzugsweise über eine transversal gerichtete Magnetkraft, insbesondere Elektromagnetkraft der Kolbenpumpe.
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Ferner umfasst die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine, ein Getriebe, eine Antriebswelle, einen Energiespeicher und ein Kraftstoffsystem mit zumindest einer hydrostatischen Kolbenpumpe nach einer der vorhergehenden Ausführungen, wobei sich der Antriebsstrang dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine hydrostatische Kolbenpumpe mechanisch von der Brennkraftmaschine, dem Getriebe und der Antriebswelle entkoppelt ist. Die Entkopplung der hydrostatischen Kolbenpumpe und somit der Hochdruckversorgung von der Antriebswelle sorgt in vorteilhafter Weise für eine Drehzahl- und Drehmomentunabhängigkeit zur Brennkraftmaschine. Zusätzlich sorgt die Entkopplung für eine flexible Einbauposition der hydrostatischen Kolbenpumpe im Motorraum oder beispielweise direkt am Rail. Ferner ist von Vorteil, dass die Kolbenpumpe, bzw. Hochdruckversorgungseinheit, kein direktes Drehmoment des Motors für die Kraftstoffversorgung des Rails benötigt. Somit kann bei gleichem gefordertem Spitzendrehmoment eine kleinere Brennkraftmaschine, bzw. ein kleinerer Verbrennungsmotor gewählt werden. Bei gewünschten Boost-Betriebszuständen muss keine Hochdruckpumpe durch ein Motordrehmoment versorgt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine hydrostatische Kolbenpumpe durch den Energiespeicher antreibbar ist, wobei der Energiespeicher eine Batterie, insbesondere mit einer Versorgungsspannung von 48 Volt ist. Durch die Nutzung des Energiespeichers, bzw. eines Zwischenspeichers in Form einer Batterie ist in vorteilhafter Weise eine Verlagerung von Betriebszuständen möglich. Dadurch kann beispielsweise in Boost-Phasen bzw. anderen Betriebspunkten des Motors, eine hohe angefragte Leistung an die hydrostatische Kolbenpumpe über die Batterie kompensiert werden ohne ein direktes Drehmoment von der Antriebswelle abzugreifen. Ferner hat die Erfindung den Vorteil einer bedarfsgerechten Versorgung und Erzeugung eines Volumenstroms für das Rail. Dies ermöglicht einen energieeffizienten Einsatz der Kolbenpumpe bzw. ein komplettes Ausschalten der Kolbenpumpe. Durch diesen Effekt wird eine Leerlaufleistung sowie das Schleppmoment einer mitzuschleppenden Hochdruckpumpe wie im Stand der Technik verhindert und dadurch die Effizienz des kompletten Systems verbessert. Besonders vorteilhaft stellt sich die Nutzung eines 48 Volt Bordnetzes, welches in neuen Fahrzeugmodellen eingesetzt wird, dar. Durch die Versorgungsspannung von 48 Volt kann ein ausreichender Volumenstrom zur Versorgung des Rails durch die hydrostatische Kolbenpumpe erzeugt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer hydrostatischen Kolbenpumpe,
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2 einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems und
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3 einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs.
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1 zeigt ein Schaltbild einer hydrostatischen Kolbenpumpe 1. Die gestrichelte Linie 26 stellt schematisch das Gehäuse der Kolbenpumpe 1 mit seinen Tankanschlüssen S und seinen Druckanschlüssen P dar. Die hydrostatische Kolbenpumpe 1 weist eine Kolbeneinrichtung 30 auf, die digital ansteuerbar und über eine transversal gerichtete Magnetkraft betätigbar ist. Die Kolbenpumpe 1 weist ferner eine Steuereinheit 28 auf, über die sie pulsweitenmoduliert (PWM) und / oder pulsfrequenzmoduliert (PFM) steuerbar ist. Die Kolbeneinrichtung 30 erstreckt sich axial entlang einer Längsachse 34. An einem axialen Endabschnitt der Kolbeneinrichtung 30 ist ein erster Kolben 32, am anderen Endabschnitt ein zweiter Kolben 36 angeordnet. Vom ersten Kolben 32 ist ein erster Kolbenraum 38, vom zweiten Kolben 36 ein zweiter Kolbenraum 40 abschnittsweise begrenzt. Ein Hub der Kolbeneinrichtung 30 in eine erste axiale Richtung bewirkt eine Verkleinerung des ersten Kolbenraums 38 und gleichzeitig eine Vergrößerung des zweiten Kolbenraums 40, ein Hub in die entgegengesetzte, zweite axiale Richtung bewirkt die entsprechende Verkleinerung des zweiten Kolbenraums 40 und die Vergrößerung der ersten Kolbenraums 38. Jeder der Kolbenräume 38, 40 ist über ein 2/2-Wegeschaltventil 42, beziehungsweise 44 in Druckmittelverbindung mit den Druckanschlüssen P bringbar und von diesen fluidisch trennbar. Die 2/2-Wegeschaltventile 42, 44 werden im Folgenden als Hochdruckventile 42, 44 bezeichnet. Zur Befüllung der Kolbenräume 38, 40 sind diese jeweils über ein 2/2-Wegeschaltventil 46, beziehungsweise 48 mit einem in 2 dargestellten Kraftstofftank 4 fluidisch verbindbar und von diesem fluidisch trennbar. Die 2/2-Wegeschaltventile 46, 48 werden im Folgenden als Niederdruckventile 46, 48 bezeichnet.
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Fest mit der Kolbeneinrichtung 30 verbunden sind eine erste Ankereinrichtung 50 und eine zweite Ankereinrichtung 52. Die jeweilige Einrichtung 50, 52 umgreift die Kolbeneinrichtung 30 umfänglich ringförmig und hat einen nach radial außen hin offenen, U-förmigen Querschnitt. Jeder Ankereinrichtung 50, 52 ist gehäusefest eine Statoreinrichtung 56, beziehungsweise 58 zugeordnet. Beide Statoreinrichtungen 56, 58 sind bezogen auf die Ankereinrichtungen 50, 52 radial umfänglich außerhalb angeordnet.
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Die Kolbeneinrichtung 30 befindet sich in der gezeigten Position in einer Ausgangsposition vor einem Verdrängungshub des ersten Kolbens 32 in die erste axiale Richtung. Auffällig dabei ist, dass die zweite Ankereinrichtung 52 mit der zweiten Statoreinrichtung 58 in radialer Richtung fluchtet. Anders hingegen die erste Ankereinrichtung 50, die zu der ihr zugeordneten ersten Statoreinrichtung 56 aus der Flucht ist. Dementsprechend hat die erste Ankereinrichtung 50 zur ersten Statoreinrichtung 56 einen axialen Versatz in der zweiten axialen Richtung (hin zum zweiten Kolbenraum 40). Zur Betätigung der Kolbeneinrichtung 30 in die erste axiale Richtung, das heißt zum Bewirken des Verdrängungshubes, wird über die Steuereinheit 28 die erste Statoreinrichtung 56 angesteuert, beziehungsweise bestromt. Daraus resultiert eine in die erste axiale Richtung wirksame, elektromagnetische Kraft, die die Kolbeneinrichtung 30 bewegt und Druckmittel im ersten Kolbenraum 38 verdichtet. Zeitgleich wird über die Steuereinheit 28 das Hochdruckventil 42 in seine Durchflussstellung, das Niederdruck 46 in seine Sperrstellung, das Hochdruckventil 44 in seine Sperrstellung und das Niederdruckventil 48 in seine Durchflussstellung geschaltet. Dementsprechend wird Druckmittel, bzw. Kraftstoff aus dem ersten Kolbenraum 38 zum in 2 dargestellten Kraftstoffhochdruckspeicher 6, bzw. zum Rail gefördert und Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 4 in den zweiten Kolbenraum 40 angesaugt. Der Hub erfolgt solange, bis sich eine Ausgangsposition einstellt, in der die erste Ankereinrichtung 50 mit der ersten Statoreinrichtung 56 fluchtet und die zweite Ankereinrichtung 52 einen Versatz in der ersten axialen Richtung zu der ihr zugeordneten zweiten Statoreinrichtung 58 aufweist. Dann erfolgt das Umsteuern über die Steuereinheit 28 derart, dass das Hochdruckventil 42 in seine Sperrstellung, das Hochdruckventil 44 in seine Durchflussstellung, das Niederdruckventil 46 in seine Durchflussstellung und das Niederdruckventil 48 in seine Sperrstellung geschaltet wird. Etwa zeitgleich dazu wird über die Steuereinheit 28 zudem die erste Statoreinrichtung 56 unbestromt, beziehungsweise nicht mehr angesteuert, und die zweite Statoreinrichtung 58 bestromt, beziehungsweise angesteuert. Die daraus resultierende elektromagnetische Kraft bewirkt den Rückhub oder die Rückstellung der Kolbeneinrichtung 30 in die zweite axiale Richtung und die Kraftstoffversorgung des Rails 6 über die Verdrängung des Kraftstoffs aus dem zweiten Kolbenraum 40.
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2 zeigt einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems 2 für eine Brennkraftmaschine 8, umfassend zwei hydrostatische Kolbenpumpen 11, 12, einen Kraftstofftank 4 und einen Kraftstoffhochdruckspeicher 6, wobei die zwei hydrostatischen Kolbenpumpen 11, 12 zur Förderung von Kraftstoff in den Kraftstoffhochdruckspeicher 6 ausgebildet sind. Das Kraftstoffsystem 2 kann alternativ auch nur eine hydrostatische Kolbenpumpe 1 umfassen. Die zwei hydrostatischen Kolbenpumpen 11, 12 sind derart parallel geschaltet, dass die jeweiligen Tankanschlüsse S über Niederdruckleitungen mit den Kraftstofftank 4 verbunden sind, um von dort Kraftstoff anzusaugen. Durch die hydrostatischen Kolbenpumpen 11, 12 wird der Kraftstoff wie oben beschrieben verdichtet und über die Druckanschlüsse P über Hochdruckleitungen zum Kraftstoffhochdruckspeicher 6, bzw. dem Rail gefördert. Von dem Rail 6 gehen eine oder mehrere Leitungen 60 zu einem nicht dargestellten Einspritzsystem der Brennkraftmaschine 8.
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3 zeigt einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 7 für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine 8, ein Getriebe 15, eine Antriebswelle 18, einen Energiespeicher 9 und das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem 2 mit zumindest einer hydrostatischen Kolbenpumpe 1, 11, 12. Ferner weist der Antriebsstrang 7 eine Achse mit zwei Rädern 16 auf, wobei die Achse über ein Differential 17 mit der Antriebswelle 18 verbunden ist. Die zumindest eine hydrostatische Kolbenpumpe 1, 11, 12 ist erfindungsgemäß mechanisch von der Brennkraftmaschine 8, dem Getriebe 15 und der Antriebswelle 18 entkoppelt und durch den Energiespeicher 9 antreibbar. Der Energiespeicher 9 ist eine Batterie, insbesondere mit einer Versorgungsspannung von 48 Volt. Über die schematisch dargestellte Leitung 60 wird der Kraftstoff vom Kraftstoffsystem 2 zur Brennkraftmaschine 8 geführt. Die Anzahl der Leitungen 60 vom Kraftstoffhochdruckspeicher 6 zum nicht dargestellten Einspritzsystem ist abhängig von der Ausführung des Einspritzsystems und beispielsweise der Anzahl der Einspritzventile.
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Bevorzugt findet das Kraftstoffsystems in Dieselfahrzeugen mit Common-Rail-Systemen zum Einsatz. Es kann jedoch auch bei Benzinfahrzeugen mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014209217 A1 [0003]
- DE 10154552 A1 [0004]
