DE102016107966A1

DE102016107966A1 - Bedarfsgerechte Hochdruckpumpe mit variabler Drehzahl

Info

Publication number: DE102016107966A1
Application number: DE102016107966.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Gotthardt; Franz Honkomp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) für eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) zur Kraftstoffversorgung einer Kraftstoff (P; D) verbrennenden Brennkraftmaschine (300) umfassend ein Gehäuse (105A) eines Pumpenelementes (105) und ein mit dem Pumpenelement (105) in Verbindung stehenden Pumpengehäuse (101), wobei in dem Gehäuse (105A) des Pumpenelementes (105) ein Pumpenkolben (111) beweglich angeordnet ist, der über einen Rollenstößel mit einem Nocken (102a) einer in dem Pumpengehäuse (101) gelagerten Pumpennockenwelle (102) zusammenwirkt. Es ist vorgesehen, dass die Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) zur Beeinflussung einer Drehzahl der Pumpennockenwelle (102) mit einem Planetenradgetriebe (200) in Wirkverbindung steht und/oder in dem Gehäuse (105A) des Pumpenelementes (105) ein Saugventil (104) und ein das Saugventil (104) ansteuerndes Ansteuerventil (115) angeordnet sind, wodurch an einem Kraftstoffaustrittselement (117) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) eine kavitationsfreie Regelung eines Volumenstromes des Kraftstoffs (P; D) bewirkbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Otto-Kraftstoff verbrennende Brennkraftmaschine umfassend ein Gehäuse eines Pumpenelementes und ein mit dem Pumpenelement in Verbindung stehenden Pumpengehäuse, wobei in dem Gehäuse des Pumpenelementes ein Pumpenkolben beweglich angeordnet ist, der über einen Rollenstößel mit einem Nocken einer in dem Pumpengehäuse gelagerten Nockenwelle zusammenwirkt.
Bei direkteinspritzenden Ottomotoren können die anfallenden Partikelemissionen und allgemeinen Rohemissionen mittels eines höheren Einspritzdruckes reduziert werden. Die hierbei steigende Antriebsleistung bei höheren Kraftstoffdrücken muss durch die verbesserte Gemischbildung und daraus resultierende bessere Verbrennung kompensiert werden. Zur Kraftstoffhochdruckerzeugung werden in einem dem Otto-Motor zugeordneten Kraftstoffsystem Hochdruckpumpen angeordnet. Zur Realisierung der hohen Einspritzdrücke werden Hochdruckpumpen benötigt, die ähnlich den Hochdruckpumpen im Dieselbereich für hohe Drücke ausgelegt sind und die in der Lage sind einen bedarfsgerechten Volumenstrom an Otto-Kraftstoff an den Otto-Motor zu liefern.
Für mit Diesel-Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine sind Diesel-Hochdruckpumpen beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2008 059 117 B4 , DE 10 2008 042 052 A1 , DE 10 2012 202 720 A1 und DE 10 2012 218 075 A1 bekannt. Die bekannten effizienten Diesel-Hochdruckpumpen fördern den Volumenstrom, der gerade für den aktuellen Betriebspunkt benötigt wird. Bei den Diesel-Hochdruckpumpen erfolgt die Volumenstromregelung mittels eines Volumenstromregelventils. Das Volumenstromregelventil wird auch als Saugdrosselventil bezeichnet, da es im Vorlauf saugseitig der Diesel-Hochdruckpumpen den Volumenstrom drosselt.
Eine solche technische Vorgehensweise bringt jedoch bei analoger Anwendung für einen Otto-Kraftstoff das Problem der Kavitation mit sich, da Otto-Kraftstoff einen höheren Dampfdruck besitzt und beim Androsseln des Volumenstromes Dampfblasen entstehen können.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die bei hohem Druck einen bedarfsgerechten Volumenstrom an Kraftstoff an die Brennkraftmaschine (Diesel- oder Benzin-Motor) liefern kann und die bei geringem Verschleiß mit einer hohen Betriebsstundenzahl betrieben werden kann.
Bei der Entwicklung einer Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine wird erfindungsgemäß auf vorteilhafte Serienbauteile einer Hochdruckpumpe im Kraftstoffsystem einer den Kraftstoff selbstzündenden Brennkraftmaschine (Diesel-Motor) zurückgegriffen, die jedoch zur Anwendung in einem Kraftstoffsystems unter Beibehaltung der Vorteile der Bauteile, insbesondere der Serienbauteile innerhalb der erfindungsgemäßen technischen Lösung und/oder zur Anwendung im Otto-Bereich modifiziert werden.
Erfindungsgemäß wird bei der Schaffung der Hochdruckpumpe durch Modifizierung der aus dem Dieselbereich übernommenen und modifizierten Bauteile, insbesondere die schlechte Schmierfähigkeit des Otto-Kraftstoffs und konstruktive Randbedingungen beachtet.
Eine zur Otto-Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine geeignete Hochdruckpumpe wird nachfolgend als Otto-Hochdruckpumpe bezeichnet, während die für ein Kraftstoffsystem einer den Kraftstoff selbstzündenden Brennkraftmaschine geeignete Hochdruckpumpe als Diesel-Hochdruckpumpe bezeichnet wird.
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung einer Kraftstoff verbrennenden Brennkraftmaschine umfassend ein Gehäuse eines Pumpenelementes und ein mit dem Pumpenelement in Verbindung stehenden Pumpengehäuse, wobei in dem Gehäuse des Pumpenelementes ein Pumpenkolben beweglich angeordnet ist, der über einen Rollenstößel mit einem Nocken einer in dem Pumpengehäuse gelagerten Pumpennockenwelle zusammenwirkt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kraftstoff-Hochdruckpumpe zur Beeinflussung einer Drehzahl der Pumpennockenwelle mit einem Planetenradgetriebe in Wirkverbindung steht und/oder in dem Gehäuse des Pumpenelementes ein Saugventil und ein das Saugventil ansteuerndes Ansteuerventil angeordnet sind, wodurch an einem Kraftstoffaustrittselement der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eine kavitationsfreie Regelung eines Volumenstromes des Kraftstoffs bewirkbar ist.
Diese Lösung ist in vorteilhafter Weise bei Diesel-Hochdruckpumpen und bei Otto-Hochdruckpumpen anwendbar.
In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Drehzahlregelung der Diesel-Hochdruckpumpen oder der Otto-Hochdruckpumpen über das Planetengetriebe erfolgt, welches einerseits mit der Pumpennockenwelle der Hochdruckpumpe und andererseits mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder einer Rotorwelle eines Elektromotors in Wirkverbindung steht, wobei die Drehzahl der Hochdruckpumpe durch Auslegung des Planetengetriebes in Abhängigkeit einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder einer Drehzahl des Elektromotors regelbar ist.
In einer Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass die Pumpennockenwelle in dem Pumpengehäuse einer Diesel-Kraftstoff fördernden Kraftstoff-Hochdruckpumpe selbstgeschmiert gelagert ist.
In anderen Ausführungsformen ist bevorzugt vorgesehen, dass die Pumpennockenwelle in dem Pumpengehäuse einer Otto-Kraftstoff oder Diesel-Kraftstoff fördernden Kraftstoff-Hochdruckpumpe fremdgeschmiert gelagert ist.
Wird eine fremdgeschmierte Lagerung vorgesehen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Pumpenkolben in dem Gehäuse des Pumpenelementes gegenüber dem Schmiermittel im Pumpengehäuse abgedichtet ist, wozu im Beschreibungsteil noch näher ausgeführt wird.
Außerdem ist in vorteilhafter Weise bei Diesel-Hochdruckpumpen und Otto-Hochdruckpumpen vorgesehen, dass in dem Gehäuse des Pumpenelementes das Saugventil und das Ansteuerventil angeordnet sind, wobei das Saugventil von dem Ansteuerventil angesteuert wird, so dass durch Betätigung des Ansteuerventils in vorteilhafter Weise an dem Kraftstoffaustrittselement der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eine kavitationsfreie Regelung des Volumenstromes des Diesel-Kraftstoffs oder des Otto-Kraftstoffs bewirkbar ist.
Ein vorgebbarer Hochdruck in der dem jeweiligen Motor Kraftstoff zuführenden Kraftstoffzuführleitung (stromab der Hochdruckpumpe), insbesondere einem Rail ist somit in Abhängigkeit der Ansteuerung des Ansteuerventils und/oder einer Drehzahl der Kraftstoff-Hochdruckpumpe an einem Kraftstoffaustrittselement der Kraftstoff-Hochdruckpumpe bewirkbar, wobei gleichzeitig eine kavitationsfreie Regelung eines Volumenstromes des Kraftstoffs bewirkbar ist.
Dem Saugventil wird dabei im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Saugdrosselventil der Kraftstoff ungedrosselt zugeführt. Das Saugventil wird in Fachkreisen, weil saugseitig der Hochdruckpumpe angeordnet, zwar stets als Saugventil bezeichnet, jedoch weist es keine saugende Wirkung auf. Es stellt im Wesentlichen ein Einlassventil dar, an dem stets über eine dem Saugventil der Hochdruckpumpe zugeordnete Kraftstoffzuführleitung Kraftstoff anliegt, wobei das Saugventil über das Ansteuerventil, bevorzugt getaktet betätigt wird. Einlassventil (Saugventil) und Ansteuerventil bilden in Kombination angeordnet, und miteinander strukturell und funktional entsprechend miteinander in Verbindung stehend, ein erfindungsgemäßes Mengensteuerventil.
Erfindungsgemäß wird auch eine Hochdruckpumpenanordnung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Pumpennockenwelle einer Hochdruckpumpe zur Drehzahlregelung der Hochdruckpumpe mit einem Planetengetriebe in Wirkverbindung steht, welches andererseits mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und/oder einer Rotorwelle eines Elektromotors in Wirkverbindung steht.
In vorteilhafter Weise ist ferner vorgesehen, dass der Elektromotor mit einem Generator (Starter-Generator) kombiniert ausgebildet ist, wodurch über das Planetengetriebe in Abhängigkeit einer Betriebsweise der Brennkraftmaschine eine elektromotorische oder eine generatorische Betriebsweise des Elektromotors bewirkbar ist, bei der Energie aus einem Energiespeicher entnommen oder eingespeichert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Otto-Hochdruckpumpe in einer 3-D Aussenansicht;
2 die Otto-Hochdruckpumpe in einer ersten Schnittdarstellung entlang einer Pumpenwelle der Otto-Hochdruckpumpe;
3 die Otto-Hochdruckpumpe in einer zweiten Schnittdarstellung quer zur Pumpenwelle der Otto-Hochdruckpumpe;
4 die Otto-Hochdruckpumpe in eine vergrößerten Schnittdarstellung gemäß 3 quer zur Pumpenwelle der Otto-Hochdruckpumpe;
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Lösung zur Anpassung des gewünschten Volumenstromes der Otto-Hochdruckpumpe;
6 eine schematische Darstellung einer Einbindung der Otto-Hochdruckpumpe in ein System eines Kraftfahrzeug, welches einen Elektromotor und einen Ottomotor umfasst, im motorischen Betrieb des Elektromotors; und
7 eine schematische Darstellung einer Einbindung der Otto-Hochdruckpumpe in das System des Kraftfahrzeuges, welches den Elektromotor und den Ottomotor umfasst, im generatorischen Betrieb des Elektromotors.
Die 1 und 2, als 3D-Modell (1) zeigen in einer Aussenansicht und in einer ersten Schnittdarstellung (2) entlang einer Pumpenwelle 102 in einer Zusammenschau beispielhaft eine Otto-Hochdruckpumpe 100 zur Kraftstoffversorgung einer Otto-Kraftstoff P verbrennenden Brennkraftmaschine 300 (vergleiche 3 und 4), wobei in der folgenden Beschreibung auf die erfindungswesentlichen Bauteile und deren Modifikationen sowie nach entsprechender Modifikation auf Weiterentwicklungen eingegangen wird.
Die Otto-Hochdruckpumpe 100 umfasst ein für die Anwendung in der Otto-Hochdruckpumpe 100 üblicherweise in Diesel-Hochdruckpumpen zum Einsatz kommendes Pumpengehäuse 101.
Das Pumpengehäuse 101 ist insbesondere zur Aufnahme von hohen Drücken ausgelegt und ist geometrisch unter Erhalt des hohen Druckaufnahmevermögens an die in der Otto-Hochdruckpumpe 100 verwendeten Bauteile angepasst, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Bei Diesel-Hochdruckpumpen werden zur Lagerung der Pumpenwelle, insbesondere einer Pumpennockenwelle üblicherweise Gleitlager verwendet, die durch die Schmierfähigkeit des Diesel-Kraftstoffs D geschmiert werden.
Erfindungsgemäß wird die Pumpennockenwelle 102 mit den Nocken 102a zur Anwendung in einer Otto-Hochdruckpumpe 100 dahingehend modifiziert, dass zur Lagerung statt Gleitlagern jetzt Wälzlager, insbesondere Rillenkugellager 119 und Nadellager 120, wie in 2 gezeigt ist, verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird ferner das Pumpengehäuse 101 im Bereich der Lager 119, 120 entsprechend modifiziert.
Die Otto-Hochdruckpumpe 100 wird darüber hinaus, da Otto-Kraftstoff P für mit Otto-Kraftstoff P in Verbindung stehende Lagerstellen, wie bereits erläutert, eine sehr schlechte Schmierwirkung erzeugt, mit einer Schmierung, insbesondere Ölschmierung versehen, sodass die Dauerhaltbarkeit der Otto-Hochdruckpumpe 100 gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird somit eine Otto-Hochdruckpumpe 100 geschaffen, die eine ölgeschmierte Lagerung der Pumpennockenwelle 102 über Wälzlager, insbesondere Rillenkugellager 119 und Nadellager 120 aufweist, wobei die Positionierung der Pumpennockenwelle 102 über Distanzelemente 106 erfolgt, deren Anordnung ebenfalls bei der Modifizierung des Pumpengehäuse 101 berücksichtigt wurden.
Mit anderen Worten wird in der Otto-Hochdruckpumpe 100 neben dem bereits erwähnten Pumpengehäuse 101 auch eine nicht fremdgeschmierte Pumpennockenwelle aus einer Diesel-Hochdruckpumpe verwendet, die hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus der Lager und hinsichtlich der Positionierung modifiziert ist, wobei ferner eine Ölschmierung der Pumpennockenwelle 102 vorgesehen ist, so dass eine Otto-Hochdruckpumpe 100 geschaffen ist, die langlebig ist und die eine Pumpennockenwelle 102 aufweist, die den in der Otto-Hochdruckpumpe 100 analog zu Diesel-Hochdruckpumpen gewünschten hohen Druckanforderungen gerecht wird, da das Pumpengehäuse 101 und die Pumpennockenwelle 102 aus einer eine hohes Druckaufnahmevermögen aufweisenden Diesel-Hochdruckpumpe entnommen worden sind.
Die Ölversorgung zur Schmierung der Wälzlager 119, 120 erfolgt im Ausführungsbeispiel über zwei Schmiermittelzuführelemente 107 (vergleiche 2). Eines der Schmiermittelzuführelemente 107 ist im Ausführungsbeispiel unterhalb der Höhe des Stösselkörpers 108 eines Tassenstössels und ein anderes ist im Ausführungsbeispiel oberhalb der Höhe des Stösselkörpers 108 des Tassenstössels des Pumpenelementes 105 angeordnet. Diese Lösung stellt eine bevorzugte Lösung zur gleichmäßigen Verteilung des Schmiermittels L dar, wobei die Anordnung nur eines Schmiermittelzuführelementes 107 ebenfalls möglich ist.
Dabei gilt es das technische Problem zu lösen, dass es bei hohen Einspritzdrücken zu einer Spaltleckage am Pumpenkolben 111 oder am sogenannten Pumpenplunger kommt, so dass es ohne geeignete Maßnahmen dazu kommt, dass der Otto-Kraftstoff P das Schmiermittel L (Öl) mit Otto-Kraftstoff P versetzen würde. Dieser Vorgang würde die Schmierwirkung des Schmiermittels L in unerwünschter Weise reduzieren.
Deshalb wird erfindungsgemäß in die Otto-Hochdruckpumpe 100, wie insbesondere in 3 gezeigt ist, eine Leckageabführleitung 109 und eine Stangendichtung 110 mit einer Leckageringleitung 114 implementiert, wie in Zusammenschau in den 3 und 4 in Schnittdarstellungen gezeigt ist.
Die 3 zeigt die Otto-Hochdruckpumpe 100 in einer zweiten Schnittdarstellung quer zur Pumpennockenwelle 102 der Otto-Hochdruckpumpe 100, während die 4 die Otto-Hochdruckpumpe 100 in eine vergrößerten Schnittdarstellung von der anderen Seite um 180° und die Längsachse gedreht ebenfalls quer zur Pumpennockenwelle 102 der Otto-Hochdruckpumpe 100 zeigt.
In 4 ist im Vergleich zu der 3 bereits zusätzlich zu einem Saugventil 104 ein Ansteuerventil 115 angeordnet, worauf noch eingegangen wird.
Die dem Fachmann an sich bekannte Stangendichtung 110 (vergleiche 3) ermöglicht in vorteilhafter Weise eine radiale Abdichtung des Pumpenkolbens 111, wobei oberhalb der Stangendichtung 110 in axialer Richtung des Pumpenkolbens 111 gesehen die Leckageringleitung 114 ausgebildet ist, über die eine Kraftstoffleckage über die Leckageabführleitung 109 und ein Leckageaustrittselement 109A des Kraftstoffsystems abgeführt werden kann.
Ferner ist ein aus Otto-Anwendungen bekannter Niederdruckdämpfer 103 (vergleiche 3 und 4) in das aus dem Dieselbereich entnommene Pumpengehäuse 101 integriert.
Dazu wurde das aus der Diesel-Hochdruckpumpe stammende Pumpengehäuse 101 auch dahingehend geometrisch angepasst, so dass der Niederdruckdämpfer 103 (vergleiche 2 bis 4) in das aus dem Dieselbereich entnommene Pumpengehäuse 101 integrierbar ist. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein bisher nur in Gehäusen von Otto-Hochdruckpumpen 100 angeordneter Niederdruckdämpfer 103 in einem Gehäuse einer Diesel-Hochdruckpumpe implementiert.
Der Niederdruckdämpfer 103 verbindet einen von einem Kraftstoffeintrittselement 116 (vergleiche 2) ausgehenden Kraftstoffvorlauf (nicht dargestellt) des Otto-Kraftstoffs P mit einem Ventilraum des Saugventils 104, welches in einem Gehäuse 105A eines Pumpenelementes 105 eines Mengensteuerventils 112 angeordnet ist. Am Saugventil 104 liegt stromauf des Saugventils 104 in einer Kraftstoffzuführleitung 118 stets Kraftstoff an. Der derart angeordnete Niederdruckdämpfer 103 kann in Diesel-Hochdruckpumpen und in Otto-Hochdruckpumpe zum Einsatz kommen.
Erfindungsgemäß stammt das Pumpenelement 105 mit dem Saugventil 104 ebenfalls aus einer herkömmlichen Diesel-Hochdruckpumpe und wird zum Einsatz in der Otto-Hochdruckpumpe einer Diesel-Hochdruckpumpe entnommen und entsprechend modifiziert, wie nachfolgend am beispielsweise einer Otto-Hochdruckpumpe 100 erläutert wird. Die nachfolgende Erläuterung mit der entsprechenden Modifizierung gilt dabei analog für eine derart ausgebildete Diesel-Hochdruckpumpe.
Durch die Übernahme des Pumpenelementes 105 mit dem integrieren Saugventil 104 aus der Diesel-Hochdruckpumpe ist erfindungsgemäß sichergestellt, dass es für hohe Drücke ausgelegt ist. Für die Anwendung in einer Otto-Hochdruckpumpe 100 (Diesel-Hochdruckpumpe analog) wird das Pumpenelement 105 mit dem Saugventil 104 erfindungsgemäß angepasst/modifiziert, und in fremdgeschmierten Ausführungsformen mit einer Schmiermittelzuführung von Schmiermittel L über ein Schmiermittelzuführelement 107 sowie der Stangendichtung 110 und der Kraftstoffleckageabführung über die Leckageabführleitung 109 versehen, worauf bereits eingegangen wurde.
Eine Anpassung der Diesel-Hochdruckpumpe ist hinsichtlich der schmierenden Eigenschaften des Diesel-Kraftstoffs D in Bezug auf die erwähnte Fremdschmierung eigentlich nicht notwendig, jedoch wird eine Ausgestaltung einer Diesel-Hochdruckpumpe mit einer Schmiermittelzuführung von Schmiermittel L erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen.
Zur bedarfsgerechten, das heißt mengengesteuerten Versorgung des Brennraumes der jeweiligen Brennkraftmaschine über eine Diesel-Hochdruckpumpe oder eine Otto-Hochdruckpumpe wird das bisher übliche Volumenstromregelventil durch das neu entwickelte Mengensteuerventil 112 ersetzt, wie insbesondere in 4 gezeigt ist.
Das Mengensteuerventil 112 umfasst in vorteilhafter Weise jetzt das aus der Diesel-Hochdruckpumpe übernommene bekannte Saugventil 104 in dem zugehörigen Gehäuse 105A des Pumpenelementes 105 und ein neu entwickeltes Ansteuerventil 115 (vergleiche insbesondere 4), welches das Saugventil 104 ansteuert. Das Mengensteuerventil 112 ist für Otto-Hochdruckpumpen 100 und Diesel-Hochdruckpumpen einsetzbar.
Erfindungsgemäß sind das Ansteuerventil 115 und das Saugventil 104 hinsichtlich ihrer konstruktiven Verbindung und hinsichtlich ihrer Funktionsweise aneinander angepasst. Mit anderen Worten ein aus einer Diesel-Hochdruckpumpe bekanntes Saugventil 104 wurde mit einem neu entwickelten an das Saugventil 104 angepassten Ansteuerventil 115 unter Ausbildung eines Mengensteuerventils 115 kombiniert, um es in einer Otto-Hochdruckpumpe 100 oder einer Diesel-Hochdruckpumpe zum Einsatz zu bringen.
Es wird deutlich, dass es sich bei dem mit dem Ansteuerventil 115 kombinierten aus der Diesel-Hochdruckpumpe übernommenen Saugventil 104, um eine weitere Übernahme eines Bauteils und Modifikation des übernommenen Bauteiles handelt.
Mit dem Mengensteuerventil 112 umfassend das Ansteuerventil 115 und das Saugventil 104 ist in vorteilhafter Weise eine bedarfsgerechte Regelung der Otto-Hochdruckpumpe 100 oder einer Diesel-Hochdruckpumpe möglich, da mit dem Mengensteuerventil 112 aus Ansteuerventil 115 und Saugventil 104 nur der Volumenstrom an Kraftstoff P; D über ein Hochruck-Kraftstoffaustrittselement 117 (vergleiche 2) in das sich anschließende Kraftstoffsystem, insbesondere ein Hochdruck-Rail p_Rail gefördert wird, der bei einem bestimmten Kraftstoffdruck in einem aktuellen Betriebspunkt des jeweiligen Motors 300 benötigt wird.
Das Ansteuerventil 115 des Mengensteuerventils 112 aktuiert in vorteilhafter Weise das Saugventil 104, das heißt das aus dem Dieselbereich übernommene und modifizierte Saugventil 104 wird bedarfsgerecht im Sinne einer Mengensteuerung bei einem bestimmten Kraftstoffdruck angesteuert, insbesondere getaktet auf- beziehungsweise zu geschaltet.
Bei den bisherigen Diesel-Hochdruckpumpen wird das Saugventil druckabhängig geöffnet und geschlossen und im Unterschied zu vorliegenden Lösung nicht über ein anderes Ventil aktuiert.
Dabei wird zur Regelung des Volumenstromes des Kraftstoffs P; D mittels des Mengensteuerventils 112 der gewünschte Volumenstrom des Kraftstoffs P; D zum Zeit des Beginns des Kompressionshubes (Kompressionsbeginn) des Pumpenkolbens 111 eingestellt.
Der nicht benötigte Kraftstoff im Stösselraum 113, dem sogenannten Plungerraum wird zurück in das Niederdrucksystem geschoben, zu dem der Niederdruckdämpfungsraum 103A des Niederdruckdämpfers 103 (vergleiche 2 bis 4) gehört. Sich im Hochdrucksystem aufbauende Pulsationen werden in vorteilhafter Weise im Niederdruckdämpfungsraum 103A des Niederdruckdämpfers 103 gedämpft.
Die 5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung zur Anpassung des gewünschten Volumenstromes einer dargestellten Otto-Hochdruckpumpe 100 analog einer Diesel-Hochdruckpumpe in einem optimierten energetischen Betriebspunkt.
Eine bevorzugte Möglichkeit den Volumenstrom des Kraftstoffs P; D der Otto-Hochdruckpumpe 100 oder der Diesel-Hochdruckpumpe an den Bedarf anzupassen, wodurch die Hochdruckpumpe in vorteilhafter Weise in einem energetisch bevorzugten Punkt betrieben werden kann, ist die Drehzahl der Hochdruckpumpen frei zu wählen.
Derzeit ist eine Wahl der Drehzahl der bekannten Hochdruckpumpen nicht möglich, da die Hochdruckpumpen entweder direkt von der Einlass- beziehungsweise Auslassnockenwelle oder durch den Hauptsteuer- beziehungsweise Nebenantriebsriemen angetrieben werden.
Erfindungsgemäß wird der Einsatz eines Planetengetriebes 200 vorgeschlagen, das in 5 schematisch dargestellt ist.
Durch den Einsatz des Planetengetriebes 200 besteht die Möglichkeit die Drehzahl der Otto-Hochdruckpumpe 100 oder der Diesel-Hochdruckpumpe in gewissen Grenzen variabel zu regeln.
Die Verwendung des Planetengetriebes 200 hat ferner den Vorteil, dass der Reibanteil bei geringen Drehzahlen sehr gering ist. In Betriebspunkten, in denen die hohe Drehzahl für die Förderung des Kraftstoffvolumens nicht benötigt wird, kann somit Reibleistung der Hochdruckpumpe eingespart werden, wenn die Drehzahl möglichst gering gehalten wird.
Durch die Zwischenschaltung des Planetengetriebes 200 zwischen Motor 300 und Hochdruckpumpe wird zudem erreicht, dass der Motor 300 deutlich ruhiger läuft.
Das Planetengetriebe 200 verbindet die Brennkraftmaschine 300, insbesondere den Otto-Motor mit der Otto-Hochdruckpumpe oder analog den Diesel-Motor mit der Diesel-Hochdruckpumpe, wobei zudem in vorteilhafter Weise mechanisch ein Starter-Generator 400 angekoppelt ist.
Es ist vorgesehen, dass elektronisch gesteuert auf die Pumpennockenwelle 102 der jeweiligen Hochdruckpumpe mit Hilfe des Starter-Generators 400, der eine Kombination aus Elektromotor und Generator darstellt, durch entsprechende Kopplung über das Planetengetriebe 200 ein Drehmoment übertragen wird, so dass die jeweilige Hochdruckpumpe über den Starter-Generator 400 gestartet und betrieben werden kann.
Dazu ist die jeweilige Hochdruckpumpe und der Starter-Generator 400 über das Planetengetriebe 200, wie in der 5 verdeutlicht wird, bevorzugt wie folgt miteinander verbunden.
Das Planetengetriebe 200 umfasst ein Sonnenrad S, ein Hohlrad H und einen Steg PT als Planetenradträger der Planetenräder PR, die sich jeweils in einer auslegungsbedingten Drehzahl, insbesondere Sonnenrad-Drehzahl n_s, Hohlraddrehzahl n_H und Stegdrehzahl n_PT drehen.
Beispielsweise ist die Pumpennockenwelle 102 der Hochdruckpumpe mit dem Steg PT als Planetenradträger der Planetenräder PR und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 300 mit dem Hohlrad H und die Rotorwelle des Starter-Generators 400 mit dem Sonnenrad S mechanisch gekoppelt, so dass die Drehzahl der jeweiligen Hochdruckpumpe, der Brennkraftmaschine 300 und des Starter-Generators 400 über das Planetengetriebe 200 steuerbar ist.
Es besteht somit erfindungsgemäß die Möglichkeit den am Kraftstoffaustrittselement 117 austretenden Volumenstrom des Kraftstoffs P; D neben der Volumenstromregelung über das Mengensteuerventil 112 und/oder über die Drehzahl der Hochdruckpumpe durch Auslegung des Planetengetriebes 200 in gewissen Grenzen in Abhängigkeit der Drehzahl des Motors 300 und/oder des als Starter-Generator 400 dienenden Elektromotors variabel zu regeln, wie nachfolgend erläutert wird.
Startfunktion:
Mit anderen Worten bevor sich die Kurbelwelle des jeweiligen (Otto- oder Diesel-)Motors 300 dreht, wird die jeweilige mit dem Steg PT als Planetenradträger gekoppelte (Otto- oder Diesel-)Hochdruckpumpe mittels des Starter-Generator 400 gedreht, so dass sich mittels des Starter-Generators 400 ein Kraftstoffdruck aufbauen kann. Dabei wird Energie aus einem Energiespeicher 500 (vergleiche 6) entnommen. Dies führt unter Verwendung des Planetengetriebes 200 beim Start des jeweiligen Motors 300 zu einem besseren Startverhalten, da mittels des Starter-Generators 400 am Kraftstoffaustrittselement 117 der Hochdruckpumpe über das Planetengetriebe 200 drehzahlgesteuert ein Kraftstoffdruck aufgebaut wird, so dass mittels des Starter-Generators 400 bereits ein hoher gewünschter Druck des Kraftstoffs P; D im Rail p_Rail anliegt, noch bevor die erste Umdrehung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 300 erfolgt ist.
Nach dem Starten der Hochdruckpumpe kann der Starter-Generator 400 in vorteilhafter Weise in einem elektromotorischen Betrieb und einem generatorischen Betrieb betrieben werden, wobei gleichzeitig der Betrieb der jeweiligen Hochdruckpumpe beeinflusst werden kann, wie nachfolgend erläutert wird.
Motorischer Betrieb:
Beim Beschleunigen des Fahrzeuges oder auch bei einer Konstantfahrt kann der Starter-Generator 400 als Elektromotor fungieren und die Drehzahl der Hochdruckpumpe verändern, wodurch eine Veränderung des am Kraftstoffaustrittselement 117 austretenden Volumenstromes bewirkt werden kann.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Einbindung der Otto-Hochdruckpumpe 100 oder analog der Diesel-Hochdruckpumpe in ein System eines Kraftfahrzeugs, welches neben der jeweiligen Hochdruckpumpe 100, den jeweiligen Motor 300 und das Planetengetriebe 200 sowie den Elektromotor 400, der mit einem Energiespeicher 500 gekoppelt ist, umfasst.
Die jeweilige Hochdruckpumpe 100, der jeweilige Motor 300 und der Elektromotor 400 sind beispielsweise, wie zuvor bereits erläutert, über das Planetengetriebe 200 miteinander gekoppelt. Die 6 verdeutlicht anhand der Richtung der Pfeile einen motorischen Betrieb des Elektromotors 400, bei dem zum Betrieb des Starter-Generators 400 Energie aus dem Energiespeicher 500 entnommen werden kann.
Die Startfunktion, bei der der an das Hohlrad H gekoppelte Motor 300 zunächst noch steht – Drehzahl des Motors 300 n_H = 0 – wurde bereits beschrieben. Nach dem Start und der Zuschaltung des Motors 300 weist der an das Hohlrad H gekoppelte Motor 300 eine Drehzahl n_H > 0 auf. Das mit dem Starter-Generator 400 gekoppelte Sonnenrad S steht n_s = 0 oder dreht sich langsam in Uhrzeigerrichtung (vergleiche 5) in einer Drehzahl oder n_s > 0 mit.
Die Drehzahl des Motors 300 n_H > 0 entspricht bei der Konstantfahrt (Fall 1) des Fahrzeuges zunächst in einem vorgebbaren Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 200 einer Drehzahl n_PT > 0 der Hochdruckpumpe, die mit dem Steg PT des Planetenradträgers gekoppelt ist.
Bei der Drehzahlerhöhung des Motors 300 Δn_H > 0, insbesondere beim Beschleunigen (Fall 2) des Fahrzeuges findet über das Planetengetriebe 200 auch eine Drehzahlerhöhung Δn_PT > 0 der Hochdruckpumpe statt.
Erfindungsgemäß kann die Drehzahl n_PT > 0 der Hochdruckpumpe in beiden Fällen 1 und 2 in bestimmten Grenzen zur Einstellung eines anderen optimierten Betriebspunktes der Hochdruckpumpe verändert werden.
Der Elektromotor 400 bedient sich beim motorischen Betrieb zur Veränderung der Drehzahl Δn_PT > 0 der Hochdruckpumpe der Energie aus dem Energiespeicher 500 und übt über seine Rotorwelle ein positives Drehmoment gemäß einer Zusammenschau der 5 und 6 in Uhrzeigerrichtung auf das Sonnenrad S aus. Dadurch wird die Drehzahl der Planetenräder PR erhöht, wodurch sich der Steg PT schneller dreht. Somit wird die Drehzahl n_PT des Steges PT erhöht. Wie erläutert ist die Pumpennockenwelle 102 der Hochdruckpumpe mit dem Steg PT des Planetengetriebes 200 gekoppelt, so dass die Drehzahl n_PT > 0 der Hochdruckpumpe und damit der Volumenstrom am Kraftstoffaustrittselement 117 drehzahlabhängig in bestimmten Grenzen erhöht werden kann.
Generatorischer Betrieb:
Darüber hinaus kann beim Verzögern des Fahrzeugs (Bremsvorgang) und bei Bergabfahrten (Bremsvorgang) oder bei einer Konstantfahrt die Drehzahl n_PT > 0 der jeweiligen Hochdruckpumpe verändern werden, wodurch eine Veränderung des am Kraftstoffaustrittselement 117 austretenden Volumenstromes bewirkt wird, wobei ferner in vorteilhafter Weise gleichzeitig elektrische Energie gewonnen und gespeichert werden kann, die wiederum beispielsweise zum Betrieb des Starter-Generators 400 genutzt werden kann.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Einbindung der Otto-Hochdruckpumpe 100 oder analog einer Diesel-Hochdruckpumpe in ein System eines Kraftfahrzeugs, welches neben der jeweiligen Hochdruckpumpe, den Motor 300 und den Planetenrädersatz 200 sowie den Elektromotor 400, der mit einem Energiespeicher 500 gekoppelt ist, umfasst.
Die jeweilige Hochdruckpumpe 100, der jeweilige Motor 300 und der Elektromotor 400 sind beispielsweise, wie bereits erläutert, über das Planetengetriebe 200 mechanisch miteinander gekoppelt. Die 7 verdeutlicht anhand der Richtung der Pfeile einen generatorischen Betrieb des Elektromotors 400, bei dem Energie in dem Energiespeicher 500 gespeichert werden kann.
Die Drehzahl n_H > 0 des Motors 300 entspricht bei der Konstantfahrt (Fall 1) des Fahrzeuges zunächst in einem vorgebbaren Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 200 einer Drehzahl n_PT > 0 der Hochdruckpumpe, die mit dem Steg PT des Planetenradträgers gekoppelt ist.
Bei der Drehzahlverringerung des Motors 300 Δn_H > 0, insbesondere beim Bremsen (Fall 3) des Fahrzeuges findet über das Planetengetriebe 200 auch eine Drehzahlverringerung Δn_PT > 0 der Hochdruckpumpe statt.
Erfindungsgemäß kann die Drehzahl n_H > 0 der Hochdruckpumpe in beiden Fällen 1 und 3 in bestimmten Grenzen zur Einstellung eines anderen optimierten Betriebspunktes der Hochdruckpumpe verändert werden, wobei gleichzeitig elektrische Energie gewonnen und im Energiespeicher 500 gespeichert werden kann.
Der Elektromotor 400 wird in einem generatorischen Betrieb betrieben, indem der Rotorwelle des Elektromotors 400 über das Planetengetriebe 200 mechanisch angetrieben wird, wodurch in den Wicklungen des Ständers des Elektromotors 400 elektrische Energie gewonnen wird, die in dem Energiespeicher 500 gespeichert wird. Dabei übt die Rotorwelle des Elektromotors 400 ein Festhaltemoment auf das Sonnenrad S aus. Mit anderen Worten es wird ein negatives Drehmoment gemäß einer Zusammenschau der 5 und 7 entgegen der Uhrzeigerrichtung auf das Sonnenrad S ausgeübt. Dadurch wird die Drehzahl der Planetenräder PR verringert, wodurch sich der Steg PT langsamer dreht. Somit wird die Drehzahl Δn_PT > 0 des Steges PT verringert. Wie erläutert ist die Pumpenwelle 102 mit dem Steg PT des Planetengetriebes 200 gekoppelt, so dass die Drehzahl n_PT > 0 der Hochdruckpumpe und damit der Volumenstrom am Kraftstoffaustrittselement 117 drehzahlabhängig in bestimmten Grenzen verringert werden kann.
Die bedarfsgerechte Otto-Hochdruckpumpe 100 oder die bedarfsgerechte Diesel-Hochdruckpumpe mit variabler Drehzahl zeichnet sich hinsichtlich der Veränderung des Volumenstromes am Kraftstoffaustrittselement 117 somit zusammengefasst dadurch aus, dass durch das Mengensteuerventil 112 aus Saugdrosselventil 104 und Ansteuerventil 115 und/oder die Drehzahlregelung über das Planetengetriebe 200 eine variable bedarfsgerechte Veränderung der Kraftstoffzuführung stromab der Hochdruckpumpe in das Rail p_Rail über das Kraftstoffaustrittselement 117 in Abhängigkeit des Kraftstoffbedarfs möglich ist, wobei die technische Lösung gleichzeitig wie oben erläutert weitere Vorteile mit sich bringt.
Eine Erhöhung des Volumenstromes am Kraftstoffaustrittselement 117 ist durch Erhöhung der Auf/Zu-Taktfrequenz des Ansteuerventils 115 und/oder durch Erhöhung der Drehzahl der jeweiligen Hochdruckpumpe möglich.
Eine Reduzierung des Volumenstromes am Kraftstoffaustrittselement 117 ist durch Reduzierung der Auf/Zu-Taktfrequenz des Ansteuerventils 115 und/oder durch Reduzierung der Drehzahl der Hochdruckpumpe möglich.
Die Fahrweise der Hochdruckpumpe kann bedarfsgerecht über die gewählte Auf/Zu-Taktfrequenz des Ansteuerventils 115 und/oder durch die gewählte Drehzahl der Hochdruckpumpe festgelegt werden, wie an den nachfolgenden bevorzugten Betriebsweisen verdeutlicht wird.
Bevorzugt wird folgende Betriebsweise vorgeschlagen, bei der das Reibmoment der jeweiligen Hochdruckpumpe und damit der Verschleiß der Hochdruckpumpe am Geringsten sind. Das Ansteuerventil 115 wird mit maximaler der Auf/Zu-Taktfrequenz gefahren, wobei die Drehzahl n_PT > 0 der jeweiligen Hochdruckpumpe bedarfsabhängig so weit wie möglich reduziert wird, so dass das Reibmoment der Hochdruckpumpe stets möglichst gering ist, wodurch im Dauerbetrieb ein geringer Verschleiß vorliegt.
Bezugszeichenliste

100: Hochdruckpumpe
101: Pumpengehäuse
102: Pumpenwelle/Pumpennockenwelle
102a: Nocken
103: Niederdruckdämpfer
103A: Niederdruckdämpfungsraum
104: Saugventil
105: Pumpenelement
105A: Gehäuse
106: Distanzelemente
107: Schmiermittelzuführelement
108: Stösselkörper
109: Leckageabführleitung
109A: Leckageaustrittselement
110: Stangendichtung
111: Pumpenkolben/Pumpenplunger
112: Mengensteuerventil
113: Stösselraum
114: Leckageringleitung
115: Ansteuerventil
116: Kraftstoffeintrittselement
117: Kraftstoffaustrittselement
118: Kraftstoffzuführleitung (zum Saugventil 104)
119: Rillenkugellager
120: Nadellager
p_Rail: Raildruck
200: Planetengetriebe
S: Sonnenrad
n_s: Drehzahl des Sonnenrades S
H: Hohlrad
n_H: Drehzahl des Hohlrades H
PT: Steg
PR: Planetenräder
n_PT: Drehzahl des Steges PT
300: Brennkraftmaschine
400: Starter-Generator/Elektromotor
500: Energiespeicher
P: Otto-Kraftstoff
D: Diesel-Kraftstoff
L: Schmiermittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059117 B4 [0003]
DE 102008042052 A1 [0003]
DE 102012202720 A1 [0003]
DE 102012218075 A1 [0003]

Claims

Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) zur Kraftstoffversorgung einer Kraftstoff (P; D) verbrennenden Brennkraftmaschine (300) umfassend ein Gehäuse (105A) eines Pumpenelementes (105) und ein mit dem Pumpenelement (105) in Verbindung stehenden Pumpengehäuse (101), wobei in dem Gehäuse (105A) des Pumpenelementes (105) ein Pumpenkolben (111) beweglich angeordnet ist, der über einen Rollenstößel mit einem Nocken (102A) einer in dem Pumpengehäuse (101) gelagerten Pumpennockenwelle (102) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) zur Beeinflussung einer Drehzahl der Pumpennockenwelle (102) mit einem Planetenradgetriebe (200) in Wirkverbindung steht und/oder in dem Gehäuse (105A) des Pumpenelementes (105) ein Saugventil (104) und ein das Saugventil (104) ansteuerndes Ansteuerventil (115) angeordnet sind, wodurch an einem Kraftstoffaustrittselement (117) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) eine kavitationsfreie Regelung eines Volumenstromes des Kraftstoffs (P; D) bewirkbar ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlregelung über das Planetengetriebe (200) erfolgt, welches einerseits mit der Pumpennockenwelle (102) der Hochdruckpumpe (100) und andererseits mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (300) und/oder einer Rotorwelle eines Elektromotors (400) in Wirkverbindung steht, wobei die Drehzahl der Hochdruckpumpe (100) durch Auslegung des Planetengetriebes (200) in Abhängigkeit einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (300) und/oder einer Drehzahl des Elektromotors (400) regelbar ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpennockenwelle (102) in dem Pumpengehäuse (101) einer Diesel-Kraftstoff (D) fördernden Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) selbstgeschmiert gelagert ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpennockenwelle (102) in dem Pumpengehäuse (101) für eine Otto-Kraftstoff (P) oder Diesel-Kraftstoff (D) fördernde Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) fremdgeschmiert gelagert ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (111) in dem Gehäuse (105A) des Pumpenelementes (105) gegenüber dem Schmiermittel (L) im Pumpengehäuse (101) abgedichtet ist.
Hochdruckpumpenanordnung in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpennockenwelle (102) einer Hochdruckpumpe (100) zur Drehzahlregelung der Hochdruckpumpe (100) mit einem Planetengetriebe (200) in Wirkverbindung steht, welches andererseits mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine (300) und/oder einer Rotorwelle eines Elektromotors (400) in Wirkverbindung steht.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (400) mit einem Generator kombiniert ausgebildet ist, wodurch über das Planetengetriebe (200) in Abhängigkeit einer Betriebsweise der Brennkraftmaschine (300) eine elektromotorische oder eine generatorische Betriebsweise des Elektromotors (400) bewirkbar ist, bei der Energie aus einem Energiespeicher (500) entnommen oder eingespeichert wird.