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Die Erfindung betrifft ein Verfahren eingerichtet zur Steuerung eines Kraftstoffzufuhrsystem für einen Verbrennungsmotor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die
DE 1 476 277 B betrifft eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Brennstoffpumpe, einem Speicherraum und an diesen angeschlossene, in den Arbeitszylindern angeordneten Einspritzventilen, die durch eine besondere, die Einspritzdauer und den Einspritzbeginn regelnde Einrichtung steuerbar sind. In an sich bekannter Weise ist die Brennstoffpumpe als Druckumsetzer ausgebildet, welcher von einem Druckmittel mit niedrigerem Druck als dem Einspritzdruck angetrieben wird, wobei an die Leitung des Druckmittels mit niedrigerem Druck ein Druckregler angeschlossen ist und eine Vorrichtung vorgesehen ist zur Konstanthaltung des Druckes zu der in den Einspritzventilen führenden Leitung und dass die Vorrichtung aus dem Druckregler und dem Speicherraum besteht.
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Eine Vorrichtung gemäß der
JP H04 219 447 A ist mit einer Energiequelleneinheit zur Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs auf den Quellendruck, einer Einspritzeinheit zur Druckbeaufschlagung des Quellendrucks durch einen Verstärkungsmechanismus und zum Einspritzen des Kraftstoffs aus einem Düsenmechanismus und einer elektronischen Steuervorrichtung zur Ausgabe von Signalen zur Reduzierung des Einspritzdrucks in Abhängigkeit von der Absenkung einer Motorlast versehen. Die Einspritzeinheit ist mit einem Wahlventil zur Auswahl der Zufuhr des Quellendrucks entweder zu einer ersten Kolbenkammer oder einer zweiten Kolbenkammer, einem Magnetventil zur Betätigung des Wahlventils und einer Einspritzdruck-Variationseinrichtung versehen, die in einer Quellendruckleitung, Hochdruckleitung oder Abgasdruckleitung vorgesehen ist. Dabei wird die Einspritzdruck-Variationseinrichtung durch Signale von der elektronischen Steuervorrichtung gesteuert. So sollen Russ- und NOx-Entwicklung reduzierbar sein.
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Die
DE 10 2010 002 033 A1 betrifft ein Hydrauliksystem, mit einer mit einem ersten Hochdruckspeicher verbundenen Pumpeinrichtung, die Druckmittel unter Drucksteigerung in den ersten Hochdruckspeicher fördert, mit wenigstens einer Druckverstärkungseinrichtung, die mit dem ersten Hochdruckspeicher gekoppelt ist und die das im ersten Hochdruckspeicher befindliche Druckmittel unter weiterer Drucksteigerung in einen zweiten Hochdruckspeicher fördert, wobei wenigstens ein Verbraucher von dem zweiten Hochdruckspeicher mit Druckmittel versorgt wird und wobei zwischen den beiden Hochdruckspeichern wenigstens eine Ventileinrichtung mit der wenigstens einen Druckverstärkungseinrichtung gekoppelt ist, die einen Abfluss von Druckmittel von dem zweiten Hochdruckspeicher in Richtung der wenigstens einen Druckverstärkungseinrichtung verhindert. Vorgesehen ist, dass der zweite Hochdruckspeicher mit einer Druckreduzierungseinrichtung gekoppelt ist, mittels der Druckmittel aus dem zweiten Hochdruckspeicher abströmen kann, so dass der Druck im zweiten Hochdruckspeicher reduziert wird.
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Ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem mit Druckübersetzer gemäß der
WO 2004 063 550 A2 umfasst eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen, die jeweils den Zylindern eines Verbrennungsmotors zugeordnet sind. Ein Common Rail versorgt die Kraftstoffeinspritzdüsen mit Kraftstoff unter verstärktem Druck und erhält den Kraftstoff unter verstärktem Druck abwechselnd von mindestens zwei Kraftstoffdruckverstärkerkreisen. Mindestens einer der Kraftstoffdruckverstärkerkreise enthält einen Kraftstoffdruckverstärker mit einer Arbeitskammer zur Aufnahme und Abgabe eines Betriebsfluids und einer Kraftstoffkammer mit einem kleineren Durchmesser als dem der Arbeitskammer zur Aufnahme von Kraftstoff mit niedrigem Druck aus der Kraftstoffversorgung und Abgabe des Kraftstoffs mit dem verstärkten Druck in einen der Kraftstoffdruckverstärkerkreise. Ein Steuerventil verbindet in einer ersten Stellung die Betriebsmittelquelle mit der Betriebskammer des Kraftstoff-Druckübersetzers und in einer zweiten Stellung die Betriebskammer des Kraftstoff-Druckübersetzers mit einem Abfluss. Ein Steuergerät schaltet das Steuerventil zwischen der ersten und der zweiten Stellung um und schaltet die Zufuhr von Kraftstoff mit dem verstärkten Druck zum Common Rail zwischen den verschiedenen Kraftstoffdruckübersetzerkreisen um.
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Ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs von Kraftfahrzeugmotoren sowie vergleichbaren Verbrennungsmotoren ist das Einspritzen des Kraftstoffs (bspw. Benzin oder Diesel) in die Zylinder, welches der Zündung des Kraftstoffs vorausgeht. Um den Verbrennungsprozess zu optimieren, werden in den letzten Jahren immer höhere Drücke innerhalb des Einspritzsystems verwendet und es ist abzusehen, dass sich diese Entwicklung noch weiter fortsetzen wird. Typischerweise werden heutzutage Kolbenpumpen mit ein bis drei Kolben eingesetzt, um den entsprechenden Druck zu erzeugen. Höhere Drücke bedeuten hierbei hohe Lagerkräfte und andere Belastungen, die die Lebensdauer und die Funktionsweise der Pumpe nachteilig beeinflussen können.
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Ein weiteres Problem besteht in einer ungleichmäßigen Volumenförderung, die zu einem ebenfalls ungleichförmigen Drehmoment innerhalb der Pumpe führt. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je weniger Kolben verwendet werden. Das entstehende Drehmoment muss normalerweise vom Fahrzeugmotor, der mechanisch an die Pumpe gekoppelt ist, aufgebaut bzw. abgefangen werden.
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Durch die normalerweise gegebene Kopplung des Motors an die Pumpe ergibt sich ein weiteres Problem. Da die Pumpe so ausgelegt ist, dass sie im Volllastbetrieb bei maximalem Druck noch einen ausreichenden Volumenstrom liefert, muss im Teillastbetrieb der Volumenstrom gewissermaßen künstlich gedrosselt werden. Dies geschieht entweder durch eine Saugdrosselung, bei der die Kolbenkammer nur teilweise gefüllt wird, oder dadurch, dass ein Teil des bereits angesaugten Volumens drucklos zurück gefördert wird, bevor die eigentliche Kompression beginnt. Somit wird also das Kompressionsvolumen herabgesetzt und das Verhältnis zum unveränderten Totvolumen der Kompressionskammer verschlechtert. Der Verlustanteil des komprimierten und entspannten Totvolumens vergrößert sich und damit sinken Effektivität und Wirkungsgrad der Pumpe. Auch können durch die Rückförderung von Kraftstoff störende Druckpulsationen auftreten.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff für eine Einspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors noch Raum für Verbesserungen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Förderung sowie den Schutz der beteiligten Komponenten vor Überlastung und vorzeitigem Verschleiß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Förderung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu einer Einspritzvorrichtung dahingehend zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren eingerichtet zur Steuerung eines Kraftstoffzufuhrsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren eingerichtet zur Steuerung eines Kraftstoffzufuhrsystems für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Es kann sich hierbei insbesondere um einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs handeln, bspw. einen Ottomotor oder Dieselmotor.
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Das Kraftstoffzufuhrsystem umfasst einen Druckübersetzer. Die Funktion des Druckübersetzers besteht in der Übersetzung eines ersten Druckes in einen zweiten Druck, also derart, dass zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ein konstantes Verhältnis besteht. Der Druckübersetzer weist ein Kolbenelement auf, mit einer ersten Kolbenfläche in einem ersten Zylinderabschnitt und einer entgegengesetzt gerichteten zweiten Kolbenfläche in einem zweiten Zylinderabschnitt, wobei wenigstens der erste Zylinderabschnitt durch einen ersten Zylinder gebildet ist. Die erste und zweite Kolbenfläche sind jeweils an dem Kolbenelement ausgebildet, wobei das Kolbenelement bevorzugt im Wesentlichen starr ausgebildet ist, so dass sich die Relativposition der beiden Kolbenflächen (ebenso wie die von nachfolgend genannten, optionalen Kolbenflächen) konstant ist. Hierbei ist die erste Kolbenfläche größer als die zweite Kolbenfläche, was sich auf die jeweils wirksame Fläche bezieht, also auf die Projektion der tatsächlichen, physischen Fläche senkrecht zu einer Verschiebungsrichtung des Kolbenelements. Normalerweise stehen die genannten Kolbenflächen senkrecht zur Verschiebungsrichtung, so dass die Unterscheidung nicht nötig ist. Der Druckübersetzer weist einen ersten Zylinderabschnitt auf, in dem die erste Kolbenfläche angeordnet ist, sowie einen zweiten Zylinderabschnitt, in dem die zweite Kolbenfläche angeordnet ist. Das Kolbenelement mit den genannten Kolbenflächen ist gegenüber dem ersten sowie zweiten Zylinderabschnitt verschiebbar. Der Begriff „Zylinder“ ist hierbei nicht einschränkend dahingehend auszulegen, dass ein kreisförmiger Querschnitt vorliegen muss, wenngleich dies eine übliche Bauform darstellt. Es versteht sich, dass die Zylinderabschnitte auch zur Führung des Kolbenelements dienen, wobei insbesondere die Außenkontur der jeweiligen Kolbenfläche der Innenkontur des jeweiligen Zylinderabschnitts entsprechen kann. Selbstverständlich ist zur Ausbildung der Zylinderabschnitte wenigstens ein Zylinder notwendig, nämlich der o.g. erste Zylinder.
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Dadurch, dass die Kolbenflächen an ein und demselben Kolbenelement ausgebildet sind, wird eine Kraft von der ersten Kolbenfläche zur zweiten Kolbenfläche übertragen, wobei im Gleichgewicht das Verhältnis der an den Kolbenflächen herrschenden Drücke dem Kehrwert des Verhältnisses der Kolbenflächen zueinander entspricht, sofern keine weiteren Kolbenflächen vorhanden sind. Qualitativ führt also eine größere erste Kolbenfläche zu einem größeren Druck im zweiten Zylinderabschnitt. Man könnte somit den ersten Zylinderabschnitt auch als Niederdruckabschnitt und den zweiten Zylinderabschnitt als Hochdruckabschnitt bezeichnen, was allerdings nicht bedeutet, dass dort im Betriebszustand ständig ein höherer bzw. niedrigerer Druck herrschen muss. Wie im Weiteren noch beschrieben wird, können weitere Kolbenflächen vorgesehen sein, wobei deren Flächen sowie die an diesen herrschenden Drücke in die Druck- und Kraftbilanz einbezogen werden müssen. In jedem Fall ist der Druckübersetzer dazu eingerichtet, dass durch einen ersten Druck auf die erste Kolbenfläche ein größerer zweiter Druck an der zweiten Kolbenfläche erzeugbar ist.
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Weiterhin weist das Kraftstoffzufuhrsystem eine erste Fluidleitung auf, zur Verbindung des ersten Zylinderabschnitts mit einer Fluidquelle, wodurch die erste Kolbenfläche mit Druck beaufschlagbar ist. D. h., durch die erste Fluidleitung ist der erste Zylinderabschnitt mit der genannten Fluidquelle verbindbar, wobei die Verbindung nicht unmittelbar gegeben sein muss, sondern bspw. zwischen der Fluidleitung und der Fluidquelle noch eine weitere Leitung zwischengeschaltet sein kann. Ist die genannte Verbindung gegeben, wird hierdurch die erste Kolbenfläche mit Druck beaufschlagt. Hieraus folgt implizit, dass die Fluidquelle ihrerseits das Fluid mit Druck beaufschlagt. Hierzu kann die Fluidquelle eine Pumpe umfassen. Weiterhin kann die Fluidquelle einen Fluidtank umfassen. Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeit handeln.
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Das Kraftstoffzufuhrsystem weist weiterhin eine erste Kraftstoffleitung auf, zur Verbindung des zweiten Zylinderabschnitts mit einer Kraftstoffquelle, und eine zweite Kraftstoffleitung, zur Verbindung des zweiten Zylinderabschnitts mit einer Einspritzvorrichtung. Die Kraftstoffquelle kann einen Kraftstofftank umfassen oder ihrerseits mit einem solchen Kraftstofftank in Verbindung stehen. Es ist denkbar, allerdings nicht notwendig, dass die Kraftstoffquelle auch eine Pumpe (oder eine andere Fördervorrichtung) umfasst, die zur Förderung des Kraftstoffs dient. Die Einspritzvorrichtung dient dem unmittelbaren Einspritzen des Kraftstoffs in einen Verbrennungsraum, normalerweise einen oder mehrere Zylinder, des Verbrennungsmotors. Es kann sich somit bspw. um einen oder mehrere Injektoren handeln.
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Während die zweite Kraftstoffleitung dazu dient, Kraftstoff aus dem zweiten Zylinderabschnitt zur Einspritzvorrichtung zu führen, dient die erste Kraftstoffleitung dazu, Kraftstoff von der Kraftstoffquelle in den zweiten Zylinderabschnitt zu führen. Es versteht sich, dass zur Vermeidung von unerwünschten Rückflüssen wenigstens eine der beiden Kraftstoffleitungen, normalerweise beide, verschließbar sein sollten. Dies kann in einfacher Weise durch ein Rückschlagventil erreicht werden, das in bzw. an der entsprechenden Kraftstoffleitung angeordnet ist.
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Die Erfindung sieht vor, dass die relativ hohen Drücke, die im Bereich der Einspritzvorrichtung erzeugt werden sollen, nicht unmittelbar mittels einer Pumpe, sondern gewissermaßen mittelbar über den Druckübersetzer erzeugt werden. Aufgrund der unterschiedlich großen Kolbenflächen ist es möglich, mit einem vergleichsweise geringen Druck im ersten Zylinderabschnitt einen ausreichend großen Druck im zweiten Zylinderabschnitt zu erzeugen, welcher wiederum über die zweite Kraftstoffleitung an der Einspritzvorrichtung zur Verfügung gestellt werden kann. Der Aufbau derjenigen Teile des Kraftstoffzufuhrsystems, die dem höheren Druck ausgesetzt sind, also insbesondere des Kolbenelements und des zweiten Zylinderabschnitts, kann einfach und robust gehalten werden. Insbesondere reicht zur Realisierung des Hochdruckbereichs einen linear verschiebbares Kolbenelement, so dass hohe Lagerkräfte, die im Stand der Technik problematisch sind, nicht auftreten. Der im ersten Zylinderabschnitt notwendige, vergleichsweise geringe Druck, kann z. B. mittels einer Pumpe, die Bestandteil der Fluidquelle ist, erzeugt werden. Die Belastungen für eine solche Pumpe sind aber im Vergleich zum Stand der Technik deutlich geringer, was sich positiv auf ihre Lebensdauer auswirkt. Auch ist es möglich, eine relativ einfach konstruierte Pumpe zu verwenden und es müssen keine aufwendigen Vorkehrungen getroffen werden, um unerwünschte Verluste durch Leckage zu vermeiden. Auch ist es möglich, die zeitliche Variation der Drehmomente an einer solchen Niederdruckpumpe z. B. durch die Bauform gering zu halten, was bei den Hochdruckpumpen im Stand der Technik kaum möglich ist.
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Die vorgesehene Arbeitsweise des Kraftstoffzufuhrsystems beinhaltet, dass zunächst in einer Hubphase das Kolbenelement durch Druckbeaufschlagung über die erste Fluidleitung nach und nach in Richtung des zweiten Zylinderabschnitts vorwärts bewegt wird, wobei der Druck im ersten Zylinderabschnitt so gewählt ist, dass sich entsprechend dem Übersetzungsverhältnis ein gewünschter Druck im zweiten Zylinderabschnitt und somit im Bereich der Einspritzvorrichtung ergibt. Durch Einspritzvorgänge sinkt der Druck in der zweiten Kraftstoffleitung zwischenzeitlich ab. Bspw. durch ein in der zweiten Kraftstoffleitung vorhandenes Rückschlagventil fließt dann Kraftstoff aus dem zweiten Zylinderabschnitt nach, was auch dort zu einem kurzzeitigen Druckabfall führt, der durch ein Nachrücken des Kolbenelements wieder ausgeglichen wird. In der geschilderten Weise wird nach und nach der zweite Zylinderabschnitt immer weiter entleert, bis das Kolbenelement in einer Maximalposition angekommen ist. Dann geht die Hubphase in eine Saugphase über, in der der zweite Zylinderabschnitt über die erste Kraftstoffleitung wieder mit Kraftstoff gefüllt wird, während sich das Kolbenelement in Richtung auf den ersten Zylinderabschnitt zurück bewegt, bis es eine Minimalposition erreicht. Diese Rückbewegung kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden, wie nachfolgend noch diskutiert wird.
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Auch die Steuerung des Kraftstoffzufuhrsystems kann vergleichsweise einfach realisiert werden, bspw. indem über Sensoren oder Schalter die Position des Kolbenelements abgefragt wird und jeweils bei Erreichen der Minimalposition oder Maximalposition ein oder mehrere Ventile umgeschaltet werden, wodurch die Druckbeaufschlagung des Kolbenelements geändert wird.
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Ein weiterer großer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sich das Kolbenelement nur dann bewegen muss, wenn tatsächlich Kraftstoff seitens der Einspritzvorrichtung benötigt wird. Auch dann können die Bewegungen relativ klein und/oder langsam sein. Jedenfalls ist die Bewegung des Kolbenelements proportional zur jeweils tatsächlich benötigten Kraftstoffmenge, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo bei Teillast entweder der Zulauf gedrosselt oder aber Kraftstoff angesaugt und drucklos wieder zurückgefördert werden musste. Daher ist das Verhältnis von Nutzvolumen zu Totvolumen beim dargestellten System optimal. Gleiches gilt für den Wirkungsgrad. Andererseits steht gewissermaßen ständig - bis eventuell auf die Saugphase, die allerdings kurz gehalten werden kann - auf Seiten der Einspritzvorrichtung ein ausreichender Druck zur Verfügung, der über das Kolbenelement erzeugt wird. Auch dies ist ein Vorteil gegenüber üblichen Systemen im Stand der Technik, wo durch die Koppelung der Pumpe an die Bewegung des Motors und die hiermit verbundene Zwangsführung des Kolbens immer nur zu bestimmten Zeitpunkten ein ausreichender Druck erzeugbar ist. Das System kann somit schneller und flexibler reagieren.
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Das System verfügt über eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das zweite Kolbenelement auszufahren, während das erste Kolbenelement aus einer Maximalposition in eine Minimalposition eingefahren wird. Hierdurch kann die Saugphase des ersten Kolbenelements mit dem zweiten Kolbenelement überbrückt werden.
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Gemäß der Erfindung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, zyklisch die folgenden Schritte auszuführen:
- - Festhalten des zweiten Kolbenelements und Ausfahren des ersten Kolbenelements, bis es sich einer Maximalposition angenähert hat,
- - Ausfahren des zweiten Kolbenelements, während das erste Kolbenelement in eine Minimalposition eingefahren wird, sowie
- - Ausfahren des ersten Kolbenelements und Einfahren des zweiten Kolbenelements.
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„Zyklisch“ bedeutet hierbei selbstverständlich, dass die Steuervorrichtung nach Ausführen des letzten Schritts wieder mit dem ersten Schritt anfängt. „Ausfahren“ bedeutet hierbei jeweils ein Verschieben des Kolbenelements durch Druckbeaufschlagung über die zugehörige Fluidleitung, während „Einfahren“ ein entsprechend entgegengesetztes Verschieben bedeutet.
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In einem ersten Schritt wird das erste Kolbenelement ausgefahren, wobei das Ausfahren selbstverständlich mit einer Geschwindigkeit und/oder in Intervallen erfolgen kann, die vom Kraftstoff-Verbrauch im Bereich der Einspritzvorrichtung abhängen. Währenddessen wird das zweite Kolbenelement festgehalten, was bedeutet, dass seine Position nicht durch Druckbeaufschlagung verändert wird. Dies ist also nicht so zu verstehen, dass eine mechanische Arretierung des zweiten Kolbenelements erfolgen muss. Man kann also sagen, dass in diesem Schritt das zweite Kolbenelement und somit der zweite Druckübersetzer gewissermaßen inaktiv sind. Hierbei wird der notwendige Einspritzdruck ausschließlich durch den ersten Druckübersetzer zur Verfügung gestellt. Dieser Verfahrensschritt dauert so lange an, bis sich das erste Kolbenelement einer Maximalposition angenähert hat. Diese Maximalposition entspricht normalerweise einer Anschlagposition, in der sich das Kolbenelement mechanisch nicht weiter ausfahren lässt. Hierbei schließt „annähern“ auch das Erreichen der Maximalposition mit ein. Normalerweise ist es aber vorteilhaft, wenn der genannte erste Schritt beendet wird, wenn das erste Kolbenelement bspw. 90 % oder 95 % der Maximalposition erreicht hat.
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Im zweiten Schritt wird das zweite Kolbenelement ausgefahren, während das erste Kolbenelement in eine Minimalposition eingefahren wird. Falls der erste Schritt bereits beendet wird, bevor das erste Kolbenelement seine Maximalposition erreicht hat, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt noch ein Schritt liegt, in dem das zweite Kolbenelement ausgefahren wird, während das erste Kolbenelement in die Maximalposition ausgefahren wird. D. h. in diesem Fall sind für eine gewisse Zeit beide Druckübersetzer aktiv und erzeugen den für die Einspritzvorrichtung notwendigen Druck. Dies ist allerdings optional und stattdessen kann vom ersten direkt zum zweiten Schritt übergegangen werden. Während des Einfahrens des ersten Kolbenelements, also in der Saugphase des ersten Druckübersetzers, kann dieser keinen Druck für die Einspritzvorrichtung erzeugen. Daher wird in dieser Phase stattdessen der Druck durch den zweiten Druckübersetzer erzeugt, indem - bei Bedarf - das zweite Kolbenelement ausgefahren wird. Die Minimalposition kann einer Anschlagposition entsprechen, bei der sich das erste Kolbenelement mechanisch nicht mehr weiter einfahren lässt. Allgemein bezeichnet der Begriff „Minimalposition“ aber einfach die innerste Position der Bewegung.
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Im dritten Schritt wird das erste Kolbenelement - nachdem es die Minimalposition erreicht hat - wiederum ausgefahren und das zweite Kolbenelement wird eingefahren. Letzteres kann mit einer gewissen Verzögerung erfolgen, so das zwischenzeitlich beide Kolbenelemente ausgefahren werden und somit Druck erzeugen. Es ist allerdings auch denkbar, dass das erste Kolbenelement gewissermaßen ohne Verzögerung die Druckerzeugung alleine übernimmt, so dass das Einfahren des zweiten Kolbenelements gleichzeitig mit dem Ausfahren des ersten Kolbenelements beginnt.
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Da bei dieser Ausgestaltung der zweite Druckübersetzer im Wesentlichen nur dazu dient, die Saugphase des ersten Druckübersetzers zu überbrücken, die üblicherweise wesentlich kürzer als die Hubphase ist, kann der zweite Druckübersetzer wie oben geschildert bei Bedarf kleiner ausgestaltet werden.
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Die Steuervorrichtung kann hierbei mit wenigen, vergleichsweise einfachen Bauelementen realisiert werden. Insbesondere ist es möglich, nur einen oder mehrere Sensoren am ersten Druckübersetzer vorzusehen, über die die Position des ersten Kolbenelements festgestellt wird, und die über Steuerleitungen mit Schaltventilen verbunden sind, die die Druckbeaufschlagung des ersten und des zweiten Kolbenelements steuern. D. h., es kann auf Sensoren am zweiten Druckübersetzer vollständig verzichtet werden. Die Steuervorrichtung kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl an Elementen umfassen und teilweise auch baulich von den Druckübersetzern beabstandet sein. Sie kann ggf. auch wenigstens teilweise softwaremäßig realisiert sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung können beide Druckübersetzer gewissermaßen „gleichberechtigt“ sein. In diesem Fall kann die Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, zyklisch die folgenden Schritte auszuführen:
- - Ausfahren beider Kolbenelemente, bis sich das erste Kolbenelement in einer Maximalposition befindet,
- - Ausfahren des zweiten Kolbenelements und Einfahren des ersten Kolbenelements,
- - Ausfahren beider Kolbenelemente, bis sich das zweite Kolbenelement in einer Maximalposition befindet,
- - Ausfahren des ersten Kolbenelements und Einfahren des zweiten Kolbenelements.
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Hierbei können beide Kolbenelemente bis in ihre jeweilige Maximalposition ausgefahren werden. Die meiste Zeit sind hierbei beide Kolbenelemente gleichzeitig in der Druckphase, wobei jeweils ein Kolbenelement zwischenzeitlich in die (normalerweise kurze) Saugphase wechselt. Im Unterschied zur oben diskutierten Ausführungsform muss hier auch die Position des zweiten Kolbenelements abgefragt werden, d. h. auch der zweite Druckübersetzer muss wenigstens einen Sensor aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung, bei der wiederum beide Druckübersetzer „gleichberechtigt“ sind, ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, zyklisch die folgenden Schritte auszuführen:
- - Festhalten des zweiten Kolbenelements und Ausfahren des ersten Kolbenelements, bis es sich einer Maximalposition angenähert hat,
- - Ausfahren des zweiten Kolbenelements, während das erste Kolbenelement in eine Minimalposition eingefahren wird,
- - Festhalten des ersten Kolbenelements und Ausfahren des zweiten Kolbenelements, bis es sich einer Maximalposition angenähert hat, sowie
- - Ausfahren des ersten Kolbenelements, während das zweite Kolbenelement in eine Minimalposition eingefahren wird.
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Bei dieser Variante befindet sich die meiste Zeit nur ein Kolbenelement in der Druckphase, während sich das jeweils andere Kolbenelement festgehalten wird. Dazwischen liegen (normalerweise kürzere) Phasen, in denen ein Kolbenelement eingefahren wird, sowie ggf. Phasen, in denen beide Kolbenelemente ausgefahren werden.
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Der erste und der zweite Zylinderabschnitt können in unterschiedlicher Weise realisiert sein. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass kein Fluidaustausch und somit auch kein Druckausgleich zwischen den beiden Zylinderabschnitten möglich ist. In einer ersten Variante ist der zweite Zylinderabschnitt ebenfalls durch den ersten Zylinder gebildet. D. h., sowohl die erste als auch die zweite Kolbenfläche befinden sich innerhalb ein und desselben ersten Zylinders. In diesem Fall sind die beiden Zylinderabschnitte durch das Kolbenelement, das bspw. fluiddicht an einer Wandung des Zylinders anliegen kann, voneinander getrennt. Bei einer einfachen Variante kann hier das Kolbenelement bspw. die Form einer Kolbenstange mit einem flanschartigen Kolbenabschnitt haben, an dem die beiden Kolbenflächen ausgebildet sind. Die erste Kolbenfläche befindet sich dann auf der von der Kolbenstange abgewandten Seite und kann bspw. als Vollkreis ausgestaltet sein, während sich die zweite Kolbenfläche auf Seiten der Kolbenstange befindet und diese kreisringförmig umgibt. Es ist klar, dass sich bei dieser Bauform der erste und der zweite Zylinderabschnitt (zu unterschiedlichen Zeitpunkten) überschneiden können, d. h. einzelne Teile des ersten Zylinders lassen sich nur zu einem bestimmten Zeitpunkt eindeutig dem ersten oder zweiten Zylinderabschnitt eindeutig zuordnen. Bei dieser Bauform kann die Saugphase dadurch realisiert werden, dass der Druck im ersten Zylinderabschnitt abgeschaltet wird, während der zweite Zylinderabschnitt über die erste Kraftstoffleitung mit Druck beaufschlagt wird. Der hierfür notwendige Druck in der ersten Kraftstoffleitung kann auch in der Hubphase aufrechterhalten werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der zweite Zylinderabschnitt durch einen vom ersten Zylinder getrennten zweiten Zylinder gebildet. Auch bei dieser Ausgestaltung kann das Kolbenelement eine Kolbenstange mit flanschartigem Kolbenabschnitt umfassen, wobei die erste Kolbenfläche wiederum an der von der Kolbenstange abgewandten Seite des Kolbenabschnitts ausgebildet ist. Allerdings reicht die Kolbenstange aus dem ersten Zylinder bis in den zweiten Zylinder, den sie bspw. vom Querschnitt vollständig ausfüllen kann. Hierbei bildet die Stirnfläche der Kolbenstange die zweite Kolbenfläche. Der von der ersten Kolbenfläche abgewandte Teil des ersten Zylinders kann entweder mit Luft gefüllt sein. Alternativ kann er bspw. mit demselben Fluid gefüllt sein, mit dem die erste Kolbenfläche beaufschlagt wird, allerdings sollte das hier vorhandene Fluid drucklos gehalten sein, um die Arbeitsweise des Druckübersetzers nicht zu beeinflussen. Dies kann durch eine Verbindung zu einem Fluidrücklauf realisiert werden, der drucklos ist und in den in der Hubphase Fluid abgegeben werden kann, während in der Saugphase Fluid angesaugt wird. Die Saugphase kann auch bei dieser Variante mit zwei getrennten Zylindern wie oben geschildert über eine Druckbeaufschlagung der ersten Kraftstoffleitung realisiert werden. Bei beiden Varianten ist es insbesondere über die Stärke des in der ersten Kraftstoffleitung zur Verfügung gestellten Druckes möglich, die Dauer der Saugphase zu reduzieren.
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Einfache Bauformen des Kraftstoffzufuhrsystems sind während der Saugphase nicht in der Lage, bei einem Druckabfall den notwendigen Druck im Bereich der Einspritzvorrichtung wieder herzustellen. Dieses Problem ist insbesondere bei einer sehr kurzen Saugphase unter Umständen kaum relevant, es lässt sich allerdings mit Weiterentwicklungen, die nachfolgend beschrieben werden, praktisch vollständig beseitigen.
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Bei einer nicht von dem Schutzumfang der Erfindung umfassten Ausgestaltung weist das Kraftstoffzufuhrsystem eine zur ersten Kolbenfläche entgegengesetzt gerichtete dritte Kolbenfläche des Kolbenelements im ersten Zylinder auf, sowie eine zur ersten Kolbenfläche gleichgerichtete vierte Kolbenfläche des Kolbenelements in einem dritten Zylinderabschnitt, der dem zweiten Zylinderabschnitt bezüglich des ersten Zylinderabschnitts gegenüberliegt. Weiterhin sind eine zweite Fluidleitung zur Verbindung des ersten Zylinders mit der Fluidquelle, wodurch die dritte Kolbenfläche mit Druck beaufschlagbar ist, eine dritte Kraftstoffleitung, zur Verbindung des dritten Zylinderabschnitts mit der Kraftstoffquelle, und eine vierte Kraftstoffleitung, zur Verbindung des dritten Zylinderabschnitts mit der Einspritzvorrichtung, vorgesehen. Bei dieser Bauform ist der erste Zylinderabschnitt zwischen dem zweiten und dem dritten Zylinderabschnitt angeordnet, wobei jeder des zweiten und dritten Zylinderabschnitts durch den ersten Zylinder oder durch einen hiervon getrennten Zylinder gebildet sein kann. In jedem Fall erstreckt sich das Kolbenelement durch alle drei Zylinderabschnitte, wobei die Funktion der vierten Kolbenfläche innerhalb des dritten Zylinderabschnitts der Funktion der zweiten Kolbenfläche innerhalb des zweiten Kolbenabschnitts entspricht. Bevorzugt ist die dritte Kolbenfläche größer als die vierte Kolbenfläche, womit auch diese beiden Flächen zur Druckübersetzung genutzt werden können. Wird der erste Zylinder über die zweite Fluidleitung mit der Fluidquelle verbunden, erfolgt eine Druckbeaufschlagung der dritten Kolbenfläche. Grundsätzlich sind hierbei natürlich etwaige Drücke an der ersten und an der zweiten Kolbenfläche zu berücksichtigen. Können diese allerdings vernachlässigt werden, weil dort der Kraftstoff bzw. das Fluid zwischenzeitlich drucklos gehalten sind, erzeugt der Druck auf die dritte Kolbenfläche einen Druck innerhalb des dritten Zylinderabschnitts, der umgekehrt proportional zum Flächenverhältnis der dritten und vierten Kolbenfläche ist. Es ist auch möglich, dass dieser Vorgang durch einen an der zweiten Kolbenfläche vorhandenen Druck unterstützt wird. In letzterem Fall kann es aufgrund des Zusammenwirkens von zweiter und dritter Kolbenfläche ausreichend sein, wenn diese Flächen insgesamt größer als die vierte Kolbenfläche sind, obwohl die dritte Kolbenfläche allein kleiner als die vierte Kolbenfläche ist. In ähnlicher Weise können auch die erste und die vierte Kolbenfläche zusammenwirken, um ihrerseits einen Druck an der zweiten Kolbenfläche zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die dritte Kolbenfläche genauso groß wie die erste Kolbenfläche und die vierte Kolbenfläche genauso groß wie die zweite Kolbenfläche. Insgesamt können das Kolbenelement sowie auch die Zylinderabschnitte vollständig symmetrisch ausgestaltet sein. In diesem Fall entspricht der Aufbau des ersten Zylinders mit dem darin angeordneten Kolbenelement einem Gleichlaufzylinder. Bspw. kann das Kolbenelement eine Kolbenstange umfassen, deren jeweilige Enden in den zweiten und dritten Zylinderabschnitt hineinreichen, wobei die Stirnflächen als zweite und vierte Kolbenfläche dienen. In der Mitte der Kolbenstange kann einen flanschartiger Kolbenabschnitt ausgebildet sein, der zwei kreisringförmige Flächen um die Kolbenstange herum bildet, die als erste und dritte Kolbenfläche dienen. Um die vorgesehene Druckbeaufschlagung der ersten bzw. der dritten Kolbenfläche zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die erste und zweite Fluidleitung an entgegengesetzten Enden des ersten Zylinders in diesen einmünden.
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In entsprechender Weise wie oben hinsichtlich der ersten und zweiten Kraftstoffleitung beschrieben, kann mittels der dritten und vierten Kraftstoffleitung Kraftstoff von der Kraftstoffquelle in den dritten Zylinderabschnitt und von dort zu einer Einspritzvorrichtung gefördert werden. Dies kann entweder dieselbe Einspritzvorrichtung sein, die auch über den zweiten Zylinderabschnitt versorgt wird, oder es kann eine andere Einspritzvorrichtung sein. Im ersteren Fall steht an der Einspritzvorrichtung ständig ein ausreichender Druck zur Verfügung, da die Saugphase des zweiten Zylinderabschnitts der Hubphase des dritten Zylinderabschnitts entspricht und umgekehrt. D. h., das Kolbenelement befindet sich (abgesehen eventuell von einer kurzen Umschaltphase) ständig bezüglich eines der beiden Zylinderabschnitte in der Hubphase und kann somit Druck erzeugen.
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Wie bereits oben angesprochen, ist es für die jeweilige Saugphase vorteilhaft, wenn der an der ersten Kolbenfläche (bzw. dritten Kolbenfläche, soweit vorhanden) anstehende Druck gewissermaßen abgeschaltet werden kann, d. h. dort ein druckloser Zustand erzeugbar ist. Hierzu ist es bevorzugt, dass die erste Fluidleitung und ggf. die zweite Fluidleitung mit einem schaltbaren Ventil, also Schaltventil verbunden sind, durch das alternativ eine Verbindung zur Fluidquelle oder zu einem Fluidrücklauf herstellbar ist. Der Fluidrücklauf stellt hierbei eine bevorzugt drucklose Verbindung zu einem Reservoir für das Fluid dar. Ein solches Reservoir kann wiederum mit der Fluidquelle in Verbindung stehen. Falls kein dritter Zylinderabschnitt vorgesehen ist, wird die erste Fluidleitung in der Hubphase über das Ventil mit der Fluidquelle verbunden, was zu einer Druckbeaufschlagung der ersten Kolbenfläche führt, und in der Saugphase von der Fluidquelle getrennt und stattdessen mit dem Fluidrücklauf verbunden. Im ersten Zylinderabschnitt vorhandenes Fluid kann somit bspw. drucklos in den Fluidrücklauf fließen. Im Falle eines oben beschriebenen dritten Zylinderabschnitts ist es möglich, dass die erste und die zweite Fluidleitung jeweils abwechselnd mit dem Fluidrücklauf und der Fluidquelle verbunden werden.
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Bei jeder der geschilderten Ausgestaltungen ist es möglich, dass die Fluidquelle und die Kraftstoffquelle unterschiedliche Fluide zur Verfügung stellen, wobei die Fluidquelle bspw. ein Hydrauliköl zur Verfügung stellen kann. Hierbei kann jeweils eine druckgeregelte Pumpe oder eine Konstantpumpe mit geregeltem Druckbegrenzungsventil eingesetzt werden. Alternativ kann die Fluidquelle durch die Kraftstoffquelle gespeist sein, was die Möglichkeit einschließt, dass die Fluidquelle mit der Kraftstoffquelle identisch ist. Hierbei sind verschiedenste Ausgestaltungen möglich. Bspw. kann über eine Pumpe auf einen Kraftstofftank zugegriffen werden und der so geförderte Kraftstoff kann von der Pumpe unmittelbar über die erste Fluidleitung und die erste Kraftstoffleitung in den ersten und zweiten Zylinderabschnitt geleitet werden. In diesem Fall wird also in der ersten Fluidleitung und in der ersten Kraftstoffleitung der gleiche Druck erzeugt. Alternativ könnte stromabwärts der Pumpe in der ersten Fluidleitung ein Druckregelventil vorgesehen sein, mittels dessen der Druck gegenüber dem Druck in der ersten Kraftstoffleitung reduziert wird. Es ist auch denkbar, eine druckgeregelte Pumpe zu verwenden oder aber eine Konstantpumpe in Kombination mit einem Druckbegrenzungsventil oder einem Druckbegrenzungsventil und einem Druckregelventil. Statt der Verwendung einer einzigen Pumpe ist es selbstverständlich auch möglich, dass die erste Fluidleitung und die erste Kraftstoffleitung mittels zwei separater Pumpen auf einen Kraftstofftank zugreifen.
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Unabhängig davon, ob über die Fluidleitungen Kraftstoff oder aber ein anderes Fluid zur Verfügung gestellt wird, ist es denkbar, dass in der ersten Fluidleitung und in der ersten Kraftstoffleitung der gleiche Druck oder ein unterschiedlicher Druck erzeugt wird. Gemäß einer Ausgestaltung ist in der ersten Kraftstoffleitung ein größerer Druck erzeugbar als in der ersten Fluidleitung. Ob und inwieweit dies vorteilhaft ist, hängt selbst verständlich von verschiedenen Faktoren wie bspw. dem Flächenverhältnis der Kolbenflächen ab. Durch einen relativ hohen Druck in der ersten Kraftstoffleitung kann bspw. die Saugphase verkürzt werden. Gleichzeitig ist aber auch die ordnungsgemäße Funktion des Druckübersetzers gewährleistet, solange das Verhältnis des Druckes in der ersten Kraftstoffleitung zum Druck in der ersten Fluidleitung nicht größer ist als das Verhältnis der ersten Kolbenfläche zur zweiten Kolbenfläche. Diese Aussagen hinsichtlich der ersten Fluidleitung und ersten Kraftstoffleitung gelten selbstverständlich entsprechend hinsichtlich der zweiten Fluidleitung und der dritten Kraftstoffleitung.
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Die Höhe des Drucks im zweiten Zylinderabschnitt kann zum einen über den Druck im ersten Zylinderabschnitt beeinflusst werden. Darüber hinaus kann ein höherer Druck aber auch durch ein größeres Flächenverhältnis erreicht werden, d. h. indem die erste Kolbenfläche gegenüber der zweiten Kolbenfläche vergrößert wird. Dies ist zwar einerseits insofern vorteilhaft, als die Druckbelastung für eine Pumpe der Fluidquelle gering bleiben kann, andererseits kann sich hierdurch die Abmessung des Druckübersetzers quer zur Verschiebungsrichtung des Kolbenelements in unerwünschter Weise vergrößern.
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In einer nicht von dem Schutzumfang der Erfindung umfassten Ausgestaltung ist eine zur ersten Kolbenfläche gleichgerichtete fünfte Kolbenfläche des Kolbenelements in einem dritten Zylinderabschnitt, der durch einen vom ersten Zylinder getrennten dritten Zylinder gebildet ist, vorgesehen sowie eine dritte Fluidleitung zur Verbindung des dritten Zylinderabschnitts mit der Fluidquelle, wodurch die fünfte Kolbenfläche mit Druck beaufschlagbar ist.
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Die Bezeichnung „dritter Zylinder“ dient nur der Unterscheidung und ist nicht dahingehend auszulegen, dass der o. g. zweite Zylinder zwangsläufig vorhanden sein muss. Der erste und der dritte Zylinder sowie die erste und die fünfte Kolbenfläche sind hierbei gewissermaßen in Reihe geschaltet und wirken nach Art eines Tandemzylinders. Es ist hierbei vorgesehen, dass in einer gemeinsamen Hubphase sowohl die erste als auch die dritte Fluidleitung mit der Fluidquelle verbunden werden, während in einer gemeinsamen Saugphase die entsprechende Bindung zur Fluidquelle getrennt und stattdessen bspw. eine Verbindung zum Fluidrücklauf hergestellt wird. Effektiv wirken hierbei die erste und die fünfte Kolbenfläche gemeinsam wie eine große Fläche, wobei allerdings ihre jeweilige Außenabmessung bspw. gleich sein kann und in jedem Fall kleiner ist als die einer einzigen zusammenhängenden Fläche. Wenigstens eine der ersten und fünften Kolbenfläche kann für sich genommen auch kleiner sein als die zweite Kolbenfläche. Wenngleich diese Bauform also in Verschiebungsrichtung durch den zusätzlichen dritten Zylinder vergrößert ist, lässt sich die Abmessung in Querrichtung reduzieren, was je nach Anwendung vorteilhaft sein kann. Es sei darauf hingewiesen, dass grundsätzlich in der ersten und dritten Fluidleitung unterschiedliche Drücke eingestellt werden können, normalerweise können diese Drücke allerdings gleich sein.
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Bei einigen Bauformen ist es vorteilhaft, dass wenigstens ein Zylinder permanent mit einem Fluidrücklauf verbunden ist. So kann bspw. bei einer Bauform mit zwei Zylindern eine permanente Verbindung zum Fluidrücklauf an einem Ende des ersten Zylinders gegeben sein, das dem Ende gegenüber liegt, an dem die erste Fluidleitung einmündet. Entsprechendes gilt für den dritten Zylinder, wo eine entsprechende Verbindung gegenüber der Einmündung der dritten Fluidleitung vorgesehen sein kann. Über diesen Fluidrücklauf, der bevorzugt drucklos ausgestaltet ist, kann einerseits in der Hubphase Fluid aus dem entsprechenden Zylinder heraus gefördert werden, während in andererseits in der Saugphase Fluid angesaugt werden kann. In der Saugphase kann aber auch einfach Luft angesaugt werden. Es kann auch im zweiten Zylinder ein Fluidrücklauf vorgesehen sein, der in diesem Fall als Kraftstoffrücklauf zu bezeichnen wäre. Durch diesen können etwaige Leckageströme abgeleitet werden.
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Oben wurde beschrieben, wie mittels des dritten Zylinders weitgehend vermieden werden kann, dass es innerhalb der Saugphase zu einem Druckverlust im Bereich der Einspritzvorrichtung kommt. Eine weitere Möglichkeit, dies zu verhindern, wird dadurch eröffnet, dass das Kraftstoffzufuhrsystem zusätzlich zu dem o. g. Druckübersetzer als erstem Druckübersetzer mit einem ersten Kolbenelement einen zweiten Druckübersetzer mit einem zweiten Kolbenelement aufweist, wobei beide Druckübersetzer mit derselben Einspritzvorrichtung verbindbar sind. Hinsichtlich des zweiten Druckübersetzers können sämtliche hinsichtlich des ersten Druckübersetzers beschriebenen Bauformen realisiert sein. Insbesondere können die beiden Druckübersetzer baugleich sein, sie können sich aber auch in Dimension und/oder Bauform unterscheiden. Durch eine geeignete Ansteuerung der beiden Druckübersetzer ist es möglich, die Saugphase eines Druckübersetzers zu überbrücken, wenn sich der jeweils andere Druckübersetzer währenddessen in einer Hubphase befindet. Es ist allerdings auch möglich, bspw. einen Druckübersetzer explizit nur zur Überbrückung der Saugphase des anderen Druckübersetzers vorzusehen, womit er insgesamt kleiner, bspw. kürzer, ausgebildet sein kann.
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Die oben beschriebenen Schritte, die von der Steuervorrichtung ausgeführt werden können, sind hierbei jeweils Teile eines Steuerverfahrens für ein Kraftstoffzufuhrsystem.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine erste Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems;
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems;
- 3 eine dritte Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems;
- 4 eine vierte Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems;
- 5 eine fünfte Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems;
- 6A eine erste Ausführungsform einer Fluidquelle;
- 6B eine zweite Ausführungsform einer Fluidquelle;
- 6C eine dritte Ausführungsform einer Fluidquelle; sowie
- 6D eine vierte Ausführungsform einer Fluidquelle.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. Die 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele, welche durch den Schutzumfang der Erfindung nicht umfasst sind.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems 1. Wesentlicher Bestandteil desselben ist ein Druckübersetzer 2 mit einem Kolbenelement 3, das wenigstens teilweise in einem Zylinder 4 angeordnet ist. Das Kolbenelement 3 weist eine Kolbenstange 3.2 und einen endseitig hieran angeordneten flanschartigen Kolbenabschnitt 3.1 auf. An einer von der Kolbenstange 3.2 abgewandten Stirnseite ist eine erste Kolbenfläche 3.3 ausgebildet, wobei auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenabschnitts 3.1 eine kreisringförmige zweite Kolbenfläche 3.4 ausgebildet ist. Die erste Kolbenfläche 3.3 ist selbstverständlich größer als die zweite Kolbenfläche 3.4.
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Die erste Kolbenfläche 3.3 ist in einem ersten Zylinderabschnitt 4.1 angeordnet, an dem eine erste Fluidleitung 5 zur Verbindung mit einer Fluidquelle 31 (dargestellt in den 6A bis 6D) angeschlossen ist. Die erste Fluidleitung 5 ist mit einem als 3/2-Wegeventil ausgestalteten Schaltventil 8 verbunden, welches wahlweise eine Verbindung zu einer Fluidquellenleitung 13 oder zu einem Fluidrücklauf 11 herstellt. Die Fluidquellenleitung 13 ist mit der Fluidquelle 31 verbunden, die ein mit einem Druck p1 beaufschlagtes Fluid zur Verfügung stellt. Der Fluidrücklauf 11 hingegen ist mit einem drucklosen Tank verbunden.
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Die zweite Kolbenfläche 3.4 ist in einem zweiten Zylinderabschnitt 4.2 angeordnet, der zum einen über eine erste Kraftstoffleitung 6 mit einer Kraftstoffquelle 34 (dargestellt in den 6C und 6D) verbunden ist, die einen mit einem Druck p2 beaufschlagen Kraftstoff (bspw. Benzin oder Diesel) liefert. In der ersten Kraftstoffleitung 6 ist ein Rückschlagventil 9 angeordnet. Des Weiteren ist der zweite Zylinderabschnitt 4.2 über eine zweite Kraftstoffleitung 7, die ebenfalls über ein Rückschlagventil 10 verfügt, mit einer hier nicht dargestellten Einspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors verbunden.
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Bei dem über die erste Fluidleitung 5 geförderten Fluid kann es sich bspw. um ein Hydrauliköl handeln. Alternativ kann hier allerdings auch Kraftstoff als Fluid verwendet werden, wobei die Fluidquelle 31 aus der Kraftstoffquelle 34 gespeist wird. In diesem Fall ist es insbesondere auch möglich, dass die Fluidquellenleitung 13 und die erste Kraftstoffleitung 6 zusammengeführt sind und beide unter dem gleichen Druck p1 stehen, wie im unteren Teil der Zeichnung angedeutet.
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Aufgrund der unterschiedlichen Größe der Kolbenflächen 3.3, 3.4, die über das Kolbenelement 3 im Wesentlichen starr verbunden sind, herrscht im Gleichgewicht im zweiten Zylinderabschnitt 4.2 ein Druck, der gleich dem Druck p1 multipliziert mit dem Flächenverhältnis der ersten Kolbenfläche 3.3 zur zweiten Kolbenfläche 3.4 ist. Daher ist es möglich, in einer Hubphase mit vergleichsweise geringem Druck im ersten Zylinderabschnitt 4.1 einen vergleichsweise hohen Druck im zweiten Zylinderabschnitt 4.2 zu erzeugen. In dieser Hubphase befindet sich das Schaltventil 8 in der in 1 gezeigten Stellung, so dass der erste Zylinderabschnitt 4.1 mit der Fluidquelle 31 verbunden ist und somit die erste Kolbenfläche 3.3 mit dem Druck p1 beaufschlagt wird. Dieser Druck ist so gewählt, dass sich ein Druck im zweiten Zylinderabschnitt 4.2 einstellt, der einem gewünschten Betriebsdruck für die Einspritzvorrichtung entspricht. Sinkt ein Druck p3 in der zweiten Kraftstoffleitung 7 unter diesen gewünschten Betriebsdruck ab, strömt über das Rückschlagventil 10 Kraftstoff aus dem zweiten Zylinderabschnitt 4.2 nach.
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Hat das Kolbenelement 3 eine Maximalposition erreicht, bspw. wenn die zweite Kolbenfläche 3.4 am Zylinder 4 anschlägt, wird dies über einen (nicht dargestellten) Sensor oder Schalter registriert, der über eine Steuerleitung 12 das Schaltventil 8 umschaltet, so dass es die erste Fluidleitung 5 mit dem Fluidrücklauf 11 verbindet. Dies leitet eine Saugphase ein, bei der der erste Zylinderabschnitt 4.1 im Wesentlichen drucklos ist, während der zweite Zylinderabschnitt 4.2 über die erste Kraftstoffleitung 6 mit dem Druck p2 beaufschlagt ist. Hierdurch wird das Kolbenelement 3 (in der Zeichnung nach links) in eine Minimalposition zurückgeführt, während sich der zweite Zylinderabschnitt 4.2 mit Kraftstoff füllt. Bei Erreichen der Minimalposition wird das Schaltventil 8 über die Steuerleitung 12 wiederum in die in 1 gezeigte Stellung umgeschaltet und eine neue Hubphase beginnt. Hier und im Folgenden bezeichnen die Begriffe „Minimalposition“ und „Maximalposition“ die Endpunkte der Bewegung. Sie können mit Anschlagpositionen identisch sein, was aber nicht zwangsläufig ist.
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Die einzigen Bauteile, die bei dem dargestellten Kraftstoffzufuhrsystem 1 mit hohem Druck belastet sind, sind der Zylinder 4 (genauer gesagt: der zweite Zylinderabschnitt 4.2), das Kolbenelement 3, die Rückschlagventile 9, 10, die zweite Kraftstoffleitung 7 sowie Teile der ersten Kraftstoffleitung 6. All diese Bauteile lassen sich einfach und robust ausgestalten und werden durch die auftretenden Drücke normalerweise nicht beeinträchtigt. Jegliche Pumpen, die zur Erzeugung der Drücke p1 und p2 verwendet werden, sind nur einem geringen Druck ausgesetzt. Hinzu kommt, dass sich das Kolbenelement 3 nur dann bewegt, wenn tatsächlich so viel Kraftstoff verbraucht wird, dass es zu einem entsprechenden Druckabfall in der zweiten Kraftstoffleitung 7 kommt. Daher sind die Bewegungen des Kolbenelements 3 vergleichsweise geringfügig und auf den tatsächlichen Bedarf abgestimmt. Kurzzeitige Druckschwankungen im ersten Zylinderabschnitt 4.1 aufgrund einer Bewegung des Kolbenelements 3 sind eher geringfügig, was eine den Druck p1 erzeugende Pumpe ebenfalls entlastet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems 1, welche überwiegend mit der in 1 gezeigten Ausführungsform übereinstimmt und insoweit nicht nochmals erläutert wird. Während allerdings in 1 der Druckübersetzer 2 lediglich einen Zylinder 4 aufweist, ist in 2 ein zweiter Zylinder 14 vorgesehen. Das Kolbenelement 3 ist grundsätzlich wie in 1 ausgestaltet, ragt allerdings mit der Kolbenstange 3.2 in den zweiten Zylinder 14 hinein, wobei die Stirnseite der Kolbenstange 3.2 die zweite Kolbenfläche 3.4 bildet, die in einem zweiten Zylinderabschnitt 14.1 angeordnet ist, der durch den zweiten Zylinder 14 gebildet ist. Auch hierbei ist die zweite Kolbenfläche 3.4 kleiner als die erste Kolbenfläche 3.3, so das sich auch mit dem hier dargestellten Druckübersetzer 2 mit einem vergleichsweise geringen Druck p1 im ersten Zylinderabschnitt 4.1 ein vergleichsweise hoher Druck im zweiten Zylinderabschnitt 14.1 erzeugen lässt. Der Innendurchmesser des zweiten Zylinders 14 ist hier auf den Außendurchmesser der zweiten Kolbenfläche 3.4 abgestimmt. Alternativ könnte er aber auch größer sein. Der erste Zylinder 4 ist mit einem Fluidrücklauf 15 verbunden und der zweite Zylinder 14 ist mit einem Kraftstoffrücklauf 16 verbunden. Über diese Rückläufe 15, 16 können etwaige Leckageströme abgeführt werden. Diese Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als zwischen den beiden Zylinder 4, 14 kein Fluidaustausch durch etwaige Leckagen möglich ist, was dann Bedeutung hat, wenn im ersten Zylinderabschnitt 4.1 nicht Kraftstoff, sondern bspw. ein Hydrauliköl verwendet wird.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems 1, welche von dem Schutzumfang der Erfindung nicht umfasst ist. Auch hier weist der Druckübersetzer 2 zusätzlich zum ersten Zylinder 4 einen zweiten Zylinder 14 auf. Allerdings ist das Kolbenelement 3 in diesem Fall symmetrisch aufgebaut, wobei mittig an einer verlängerten Kolbenstange 3.2 ein Kolbenabschnitt 3.1 ausgebildet ist. An gegenüberliegenden Seiten des Kolbenabschnitts 3.1 sind eine erste Kolbenfläche 3.3 sowie eine dritte Kolbenfläche 3.5 angeordnet. Diese sind hier gleichartig bzw. spiegelbildlich ausgebildet, wenngleich alternativ auch eine asymmetrische Ausgestaltung denkbar wäre, bspw. indem die Kolbenstange 3.2 auf einer Seite dünner ausgestalteten wäre.
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Bezüglich des ersten Zylinders 4 dem zweiten Zylinder 14 gegenüberliegend, ist ein weiterer Zylinder 17 vorgesehen, der spiegelbildlich zum zweiten Zylinder 14 ausgebildet und angeordnet ist. In diesen ragt ein Ende der Kolbenstange 3.2 hinein, dessen Stirnfläche eine vierte Kolbenfläche 3.6 in einem dritten Zylinderabschnitt 17.1 bildet. Die vierte Kolbenfläche 3.6 ist ebenso groß wie die zweite Kolbenfläche 3.4, so dass das Flächenverhältnis zwischen dritter und vierter Kolbenfläche 3.5, 3.6 demjenigen zwischen erster und zweiter Kolbenfläche 3.3, 3.4 entspricht. Der weitere Zylinder 17 ist ähnlich wie der zweite Zylinder 14 über eine dritte Kraftstoffleitung 18 (mit einem Rückschlagventil 20) mit der Kraftstoffquelle 34 verbunden und über eine vierte Kraftstoffleitung 19 (mit einem Rückschlagventil 21) mit einer Einspritzvorrichtung, die entweder dieselbe Einspritzvorrichtung sein kann, zu der die zweite Kraftstoffleitung 7 führt, oder eine andere. In letzterem Fall können bspw. zwei separate Common-Rail-Systeme versorgt werden.
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Zusätzlich zur ersten Fluidleitung 5 ist eine zweite Fluidleitung 22 vorgesehen, die in den ersten Zylinder 4 an einem der ersten Fluidleitung 5 gegenüberliegenden Ende einmündet und über die die dritte Kolbenfläche 3.5 mit Druck beaufschlagbar ist. Ein Schaltventil 8 ist hier als 4/2-Wegeventil ausgebildet und verbindet jeweils eine der Fluidleitungen 5, 22 mit der Fluidquellenleitung 13 und die andere mit dem Fluidrücklauf 11.
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Bei dem in 3 dargestellten Schaltzustand des Schaltventils 8 ist die erste Kolbenfläche 3.3 mit dem Druck p1 beaufschlagt und das System befindet sich bezüglich des zweiten Zylinders 14 in der Hubphase. Da die zweite Fluidleitung 22 mit dem drucklosen Fluidrücklauf 11 verbunden ist, treten an der dritten Kolbenfläche 3.5 keinerlei nennenswerte Kräfte auf. Allerdings wird die vierte Kolbenfläche 3.6 über Kraftstoff aus der dritten Kraftstoffleitung 18 mit Druck beaufschlagt, was eine zusätzliche Kraft im Kolbenelement 3 erzeugt, die die an der ersten Kolbenfläche 3.3 wirkende Kraft unterstützt. Gleichzeitig ist klar, dass die Hubphase des zweiten Zylinders 14 der Saugphase des weiteren Zylinders 17 entspricht.
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Erreicht das Kolbenelement 3 eine vorgesehene Maximalposition, wird über eine Steuerleitung 12 das Schaltventil 8 umgeschaltet, wobei die erste Fluidleitung 5 mit dem Fluidrücklauf 11 und die zweite Fluidleitung 22 mit der Fluidquellenleitung 13 verbunden werden. Es setzen nun die Hubphase des weiteren Zylinders 17 und die Saugphase des zweiten Zylinders 14 ein, die aufgrund des symmetrischen Aufbaus des gezeigten Kraftstoffzufuhrsystems 1 völlig analog ablaufen. Falls, wie im oberen Teil der Fig. angedeutet, die zweite Kraftstoffleitung 7 und die vierte Kraftstoffleitung 19 zusammengeführt sind und zur selben Einspritzvorrichtung führen, kann dort praktisch ohne Unterbrechung ständig ein optimaler Betriebsdruck zur Verfügung gestellt werden, da sich bis auf kurze Unterbrechungen während des Umschaltens ständig einer der Zylinder 14, 17 in der Hubphase befindet.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems 1, die als Weiterentwicklung der zweiten Ausführungsform aus 2 angesehen werden kann, aber von dem Schutzumfang der Erfindung nicht umfasst ist. Zudem unterscheidet sich diese dadurch, dass der Druckübersetzer 2 zusätzlich einen dritten Zylinder 23 aufweist, der bezüglich des ersten Zylinders 4 gegenüberliegend dem zweiten Zylinder 14 angeordnet ist. Das Kolbenelement 3 ist mit einem weiteren Kolbenabschnitt 3.7 innerhalb des dritten Zylinders 23 angeordnet, wobei eine am weiteren Kolbenabschnitt 3.7 ausgebildete fünfte Kolbenfläche 3.8 innerhalb eines vierten Zylinderabschnitts 23 angeordnet ist. Letzterer ist über eine dritte Fluidleitung 25, die mit der ersten Fluidleitung 5 zusammengeführt ist, über ein Schaltventil 8 alternativ mit der Fluidquellenleitung 13 oder dem Fluidrücklauf 11 verbindbar. Des Weiteren sind der erste und dritte Zylinder 4, 23 permanent mit Fluidrückläufen 15, 24 verbunden. Optional kann ein Kraftstoffrücklauf am zweiten Zylinder 14 vorgesehen sein, was allerdings hier nicht dargestellt ist. Die Funktionsweise des dargestellten Druckübersetzers 2 ist grundsätzlich ähnlich wie in 2, allerdings werden in der Druckphase jeweils die erste Kolbenfläche 3.3 sowie die fünfte Kolbenfläche 3.8 gleichzeitig mit dem Druck p1 beaufschlagt, so dass sich eine größere effektive Gesamtfläche und somit einen größeres Flächenverhältnis zur zweiten Kolbenfläche 3.4 ergibt. Dennoch kann im Vergleich zu einer einzigen größeren Kolbenfläche die Querabmessung des Druckübersetzers 2 klein gehalten werden.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems 1, die mit zwei Druckübersetzern 2, 26 arbeitet. Hierbei sind beide Druckübersetzer 2, 26 jeweils wie in 1 aufgebaut und werden daher nicht nochmals im Detail erläutert. Der erste Druckübersetzer 2 ist über die zweite Kraftstoffleitung 7 an die Einspritzvorrichtung angeschlossen und ein zweiter Druckübersetzer 26 ist über eine entsprechende fünfte Kraftstoffleitung 30 an dieselbe Einspritzvorrichtung angeschlossen. Zusätzlich zur Steuerleitung 12, über die das Schaltventil 8 angesteuert wird, ist eine weitere Steuerleitung 29 vorgesehen, über die ein dem zweiten Druckübersetzer 26 zugeordnetes Schaltventil 28 angesteuert wird. Beide Steuerleitungen 12, 29 werden über die Position des ersten Kolbenelements 3 gesteuert.
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Die Schaltung ist hierbei so eingerichtet, dass zyklisch drei verschiedene Schritte bzw. Phasen durchlaufen werden. In einer ersten Phase wird das zweite Kolbenelement 27 des zweiten Druckübersetzers 26 stationär in einer Position gehalten, welche vorteilhafter Weise die Minimalposition ist, während das erste Kolbenelement 3 sich in der Hubphase befindet. In dieser Phase ist gewissermaßen nur der erste Druckübersetzer 2 aktiv, während der zweite Druckübersetzer 26 in einer Art Warteposition ist. Hat sich das erste Kolbenelement 3 einer Maximalposition angenähert, so beginnt der zweite Schritt, wobei über die weitere Steuerleitung 29 das Schaltventil 28 umgeschaltet wird, wodurch das zweite Kolbenelement 27 in die Hubphase eintritt und somit über die fünfte Kraftstoffleitung 30 ebenfalls Druck zur Verfügung gestellt werden kann. Hat das erste Kolbenelement 3 die Maximalposition erreicht, wird über die Steuerleitung 12 das Schaltventil 8 umgeschaltet, wodurch der erste Druckübersetzer 2 in die Saugphase übergeht, bei der das erste Kolbenelement 3 in eine Minimalposition eingefahren wird. Nunmehr kann über die zweite Kraftstoffleitung 7 kein Druck mehr zur Verfügung gestellt werden, was aber unproblematisch ist, da sich der zweite Druckübersetzer 26 nach wie vor in der Hubphase befindet. Hat das erste Kolbenelement 3 die Minimalposition erreicht, beginnt ein dritter Schritt bzw. eine dritte Phase, wobei das Schaltventil 8 wieder umgeschaltet wird und der erste Druckübersetzer 2 somit wieder in die Hubphase übergeht. Gleichzeitig oder mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung wird über die weitere Steuerleitung 29 das Schaltventil 28 umgeschaltet, so dass das zweite Kolbenelement 27 in die Minimalposition zurückgefahren wird, was der Saugphase des zweiten Druckübersetzers 26 entspricht.
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Durch den Einsatz von zwei Druckübersetzern und 2, 26 sowie die oben beschriebene Ansteuerung kann gewährleistet werden, dass im Bereich der Einspritzvorrichtung ständig ein ausreichender Betriebsdruck vorhanden ist, da sich immer zumindest ein Druckübersetzer in der Hubphase befindet und somit Druck erzeugt. Da die Saugphase üblicherweise kürzer ist als die Hubphase, ist der zweite Druckübersetzer 26 anteilmäßig wesentlich kürzer aktiv als der erste Druckübersetzer 2. Vor diesem Hintergrund könnte er kleiner dimensioniert sein, bspw. kürzer.
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Es versteht sich, dass ggf. mit anderer Verschaltung und/oder anderen Sensoren ein Kraftstoffzufuhrsystem 1 mit zwei Druckübersetzern 2, 26 auch anders angesteuert werden könnte, bspw. in einer Art, dass die Betriebsphasen beider Druckübersetzer 2, 26 insgesamt gleich lang sind. Hierbei könnte bspw. das erste Kolbenelement 3 so lange in einer Warteposition verharren, bis sich das zweite Kolbenelement 27 einer Maximalposition angenähert hat. Daneben sind selbstverständlich auch andere Ausgestaltungen denkbar. So könnten beispielsweise beide Kolbenelemente 3, 27 gewissermaßen dauerhaft in Bewegung sein, wobei die Bewegungen zueinander versetzt stattfinden, so dass sich jeweils ein Kolbenelement in der Druckphase befindet, während das andere in der Saugphase zurückgeführt wird. In diesen Ausgestaltungen wären abweichend von 5 noch Sensoren bzw. Schalter am zweiten Druckübersetzer 26 sowie zusätzliche Steuerleitungen vorzusehen, die diese mit den Schaltventilen 8, 28 verbinden.
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Die 6A bis 6D zeigen verschiedene Ausführungsformen von Fluidquellen 31, die als Teil eines Kraftstoffzufuhrsystems 1 bzw. in Kombination mit einem solchen verwendet werden können. Bei der in 6A gezeigten Ausführungsform wird eine druckgeregelte Pumpe 32 verwendet, die an einen Tank 33 angeschlossen ist und einen einstellbaren Druck p1 liefert. Eine vergleichbare Anordnung kann selbstverständlich auch als separate Kraftstoffquelle dienen bzw. bei den Ausgestaltungen, bei denen die Fluidquellenleitung 13 und die erste Kraftstoffleitung 6 verbunden sind, wäre die Fluidquelle 31 gleichzeitig auch als Kraftstoffquelle anzusehen.
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Bei der in 6B gezeigten Ausgestaltung wird statt der druckgeregelten Pumpe 32 eine Kombination aus einer Konstantpumpe 36 und einem einstellbaren Druckbegrenzungsventil 35 eingesetzt.
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Bei den in 6C und 6D dargestellten Ausführungsformen werden zwei unterschiedliche Drücke p1 und p2 für die Fluidquellenleitung 13 und die erste Kraftstoffleitung 6 bereitgestellt. Bei der Ausführungsform in 6C wird der Druck p2 für die Kraftstoffleitung durch eine druckgeregelte Pumpe 32 zur Verfügung gestellt, die Teil einer Kraftstoffquelle 34 ist. Der Druck p1 in der Fluidquellenleitung 13 wird durch ein Druckregelventil 37 eingestellt. Im Unterschied hierzu wird bei der Ausführungsform in 6D der Druck p2 durch ein Druckbegrenzungsventil 35 in Kombination mit einer Konstantpumpe 36 eingestellt. Es versteht sich, dass es über die in den 6A bis 6D dargestellten Beispiele hinaus noch zahlreiche weitere Möglichkeiten gibt, die vorgesehenen Förderdrücke p1 und p2 zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffzufuhrsystem
- 2,26
- Druckübersetzer
- 3, 27
- Kolbenelement
- 3.1, 3.7
- Kolbenabschnitt
- 3.2,
- Kolbenstange
- 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.8
- Kolbenfläche
- 4,14,17,23
- Zylinder
- 4.1, 4.2, 14.1, 17.1
- Zylinderabschnitt
- 5, 22, 25
- Fluidleitung
- 6, 7, 18, 19, 30
- Kraftstoffleitung
- 8, 28
- Schaltventil
- 9, 10, 20, 21
- Rückschlagventil
- 11, 15, 24
- Fluidrücklauf
- 12, 29
- Steuerleitung
- 13
- Fluidquellenleitung
- 16
- Kraftstoffrücklauf
- 31
- Fluidquelle
- 32
- druckgeregelte Pumpe
- 33
- Tank
- 34
- Kraftstoffquelle
- 35
- Druckbegrenzungsventil
- 36
- Konstantpumpe
- 37
- Druckregelventil
