DE102016209000A1

DE102016209000A1 - Hochdruckpumpe mit Verstopfungssicherung für die Niederdruckseite

Info

Publication number: DE102016209000A1
Application number: DE102016209000.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Langenbach; Virginie Massias; Marco Lamm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Hochdruckpumpe (1) für ein Fluid (2) mit einem Druckraum (3), Mitteln (4) zur periodischen Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Volumens des Druckraums (3) sowie einem elektrisch betätigbaren Saugventil (5) zur Regulierung der bei Verkleinerung des Volumens des Druckraums (3) im Druckraum (3) komprimierten Menge an Fluid (2), wobei eine Steuereinheit (6) für das Saugventil (5) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Einlass von Fluid (2) in den Druckraum (3), und/oder die für die Kompression im Druckraum (3) eingeschlossene Menge an Fluid (2), zeitlich zu modulieren, so dass auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe (1) Druckschwankungen und/oder unregelmäßige Rückströmungen erzeugt werden. Verfahren zum Betreiben der Hochdruckpumpe (1) und Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochdruckpumpen, insbesondere für den Einsatz in Einspritzsystemen für Kraftfahrzeuge.
Stand der Technik
Kraftstoffsysteme für Dieselkraftstoff enthalten in der Regel eine Hochdruckpumpe, die den Kraftstoff mit Drücken von einigen 100 bis über 2000 bar zu den in die Zylinder führenden Injektoren fördert. Die Hochdruckpumpe umfasst einen Druckraum und Mittel zur periodischen Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Volumens des Druckraums. Zur Regulierung des Volumens an Kraftstoff, das bei Verkleinerung des Volumens des Druckraums komprimiert wird, können elektrisch betätigbare Saugventile verwendet werden. Hochdruckpumpen der beschriebenen Art sind beispielsweise aus der DE 10 2013 211 173 A1 sowie aus der DE 10 2014 202 334 A1 bekannt.
Zur Verhinderung partikelbedingter Schäden sind der Hochdruckpumpe in der Regel ein oder mehrere Filter oder Siebe vorgeschaltet. Bei Kälte kann der Kraftstoff nachteilig Paraffinabscheidungen bilden, durch die solche Filter oder Siebe zumindest temporär versulzen können. Dadurch kann die nötige Kraftstoffmenge nicht mehr gefördert und der benötigte Kraftstoffdruck für die Einspritzung nicht mehr hergestellt werden. In der Folge geht der Motor aus bzw. kann gar nicht erst gestartet werden.
Die DE 100 56 048 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kraftstoffvorwärmung, um ein Versulzen des Kraftstoffs zu verhindern und so einen Motorstart auch bei tiefen Temperaturen zu ermöglichen.
Die DE 10 2009 053 763 A1 offenbart eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung, mit der zumindest der Druck des vor einem versulzten Sieb anstehenden Kraftstoffs an dem Sieb vorbei in den hinter dem Sieb befindlichen Kraftstoff übergeleitet werden kann. Dadurch kann der Motor zumindest gestartet und einige Zeit lang betrieben werden in der Hoffnung, mit der entstehenden Wärme auch die Versulzung beseitigen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Hochdruckpumpe für ein Fluid entwickelt. Diese Hochdruckpumpe umfasst einen Druckraum, Mittel zur periodischen Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Volumens des Druckraums sowie ein elektrisch betätigbares Saugventil zur Regulierung der bei Verkleinerung des Volumens des Druckraums im Druckraum komprimierten Menge an Fluid.
Erfindungsgemäß ist eine Steuereinheit für das Saugventil vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, den Einlass von Fluid in den Druckraum, und/oder die für die Kompression im Druckraum eingeschlossene Menge an Fluid, zeitlich zu modulieren, so dass auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe Druckschwankungen und/oder unregelmäßige Rückströmungen erzeugt werden.
Nach dem bisherigen Stand der Technik war das Saugventil während der Vergrößerung des Volumens des Druckraums, also während der Ansaugphase, möglichst weit geöffnet, damit beim Füllen des Druckraums so wenig wie möglich vom durch die Vorförderpumpe bereitgestellten Druck verloren ging. Zu diesem Zweck sind viele gängige Saugventile so konstruiert, dass sie ohne elektrische Ansteuerung durch eine Federkraft geöffnet gehalten werden. Demgegenüber ist es zunächst einmal ein Nachteil, den Durchfluss während der Ansaugphase zu behindern.
Es wurde jedoch von den Erfindern erkannt, dass durch die Modulation des Einlasses von Fluid in den Druckraum auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe Druckschwankungen, insbesondere Druckpulsationen, erzeugt werden. Diese Druckschwankungen breiten sich im Kraftstoffsystem aus und sind somit auch im Bereich von Filtern, Sieben und anderen Engstellen wirksam. An diesen Stellen wird das kontinuierliche Anlagern von Feststoffen, wie beispielsweise Paraffinkristallen, gestört und somit wirksam reduziert. Die Engstellen bleiben länger, bzw. permanent, durchgängig.
Der Druckraum des Saugventils wird bei Vergrößerung des Volumens des Druckraums, also während der Ansaugphase, komplett mit dem Fluid gefüllt. Wird die für die Kompression im Druckraum eingeschlossene Menge an Fluid moduliert, wird bei einer Verkleinerung des Volumens des Druckraums, also in der Kompressionsphase, der nicht zu komprimierende Anteil des Fluids wieder durch das Saugventil auf die Niederdruckseite der Hochdruckpumpe gedrückt. Mittels dieser Rückströmungen kann das Fluid als Werkzeug verwendet werden, um an Filtern, Sieben und anderen Engstellen gebildete Ablagerungen zu entfernen. Die Engstellen werden freigespült und wieder durchgängig gemacht. Dies lässt sich im laufenden Betrieb beispielsweise periodisch wiederholen, so dass die Engstellen ständig durchgängig gehalten werden. Gegenüber dem herkömmlichen Rückfördern von Hochdruckpumpen, die elektrisch betätigbare Saugventile enthalten, ist dieser Effekt deutlich verbessert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist somit in der Zuführung für das Fluid auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe mindestens ein Sieb angeordnet, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, mit den Druckschwankungen und/oder Rückströmungen das Sieb durchgängig zu halten und/oder zu reinigen. Hierbei ergänzen sich beide Maßnahmen: Die Druckschwankungen wirken der Bildung von Ablagerungen entgegen, während die Rückströmungen diejenigen Ablagerungen, die sich gleichwohl gebildet haben, beseitigen. Im Endeffekt werden Nichtstarter, Absteller bzw. das Umschalten in den Notfahrmodus aufgrund der Versulzung des Siebes weitestgehend vermieden.
Dabei ist lediglich eine Änderung an der Steuereinheit für das Saugventil vorzunehmen, die beispielsweise in Software oder Firmware implementiert sein kann. Ansonsten müssen in der einfachsten Ausführungsform keine Hardwarekomponenten geändert werden, so dass der Vorteil einer größeren Zuverlässigkeit nicht zwangsläufig mit einem größeren Bedarf an Bauraum oder einem höheren Gewicht erkauft wird. Die Ansteuerstrategie des Saugventils kann darüber hinaus den anwendungspezifischen Gegebenheiten angepasst werden, beispielsweise, um unterschiedliche Sieb- und Pumpengrößen zu berücksichtigen oder eine Aufheizung des Kraftstoffes bei Kaltabfahrt zu implementieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrisch betätigbare Saugventil durch Bestromung gegen eine Federkraft F_O schließbar. Beispielsweise kann die auf einen Anker des Saugventils wirkende Magnetkraft F_M der Federkraft F_O entgegenwirken. Die resultierende Schließkraft F_R, in diesem Beispiel F_M – F_O, ist größer ist als die hydraulische Öffnungskraft F_H aus der Differenz zwischen dem eingangsseitig an der Hochdruckpumpe vorgelegten Druck und dem bei Vergrößerung des Volumens des Druckraums, also in der Ansaugphase, entstehenden Unterdruck im Druckraum. Der eingangsseitig an der Hochdruckpumpe vorgelegte Druck kann beispielsweise ein durch eine Vorförderpumpe erzeugter Überdruck sein, der typischerweise in der Größenordnung einiger bar liegt. Zur resultierenden Schließkraft F_R kann optional auch eine weitere Federkraft F_S beitragen, die der ersten, öffnend wirkenden Federkraft F_O entgegenwirkt. Es gilt dann F_R = F_M – F_O + F_S.
Üblicherweise sind stromlos geöffnete elektrisch betätigbare Saugventile so konstruiert, dass der Anker nicht starr an die Kolbenstange und den Ventilteller des Saugventils gekoppelt ist. Vielmehr drückt die öffnend wirkende Federkraft F_O über ein lose an der Kolbenstange des Saugventils anliegendes Kopplungselement in Öffnungsrichtung auf die Kolbenstange. Die Rückstellkraft wird über eine an anderer Stelle angebrachte Feder mit schließend wirkender Kraft F_S bereitgestellt. Die elektrische Ansteuerung des Saugventils, die zu der Magnetkraft F_M führt, kann dann die öffnend wirkende Federkraft F_O ganz oder teilweise neutralisieren. Die Kraft Fs der zusätzlichen Feder ist jedoch so dimensioniert, dass auch bei maximaler elektrischer Ansteuerung die hydraulische Öffnungskraft F_H in der Ansaugphase immer zum Öffnen des Saugventils ausreicht. Hierhinter steckt die Überlegung, dass die Hochdruckpumpe vielfach auch durch das Fluid, beispielsweise Dieselkraftstoff, geschmiert wird. Bewegt sich beispielsweise in dem Druckraum ein Kolben zur periodischen Vergrößerung und Verkleinerung des Volumens des Druckraums auf und ab und bleibt die Zufuhr an Fluid vollständig aus, reibt Metall auf Metall, und die Hochdruckpumpe wird zerstört. Die Erfinder haben hingegen erkannt, dass es durchaus zulässig ist, innerhalb einer Ansaugphase die Zufuhr des Fluids mehrmals jeweils für kurze Zeit komplett zu stoppen, sofern beim anschließenden Übergang zur Kompressionsphase, also zur Verkleinerung des Volumens des Druckraums, der Druckraum hinreichend mit Fluid gefüllt ist und eine Schmierung weiterhin gegeben ist. Das vorübergehende vollständige Stoppen der Fluidzufuhr maximiert die zwecks Verhinderung von Ablagerungen vorteilhaften Druckpulsationen.
Die Abänderung des Saugventils gegenüber dem bisherigen Stand der Technik dahingehend, dass die Magnetkraft F_M nicht nur die öffnend wirkende Kraft F_O der Druckfeder neutralisieren, sondern das Saugventil auch gegen die hydraulische Öffnungskraft F_H schließen kann, bewirkt, dass die Saugphase zeitweilig komplett unterbrochen werden kann. Das Grundprinzip der Erfindung ist jedoch ausdrücklich auch dann funktionsfähig, wenn ein Saugventil nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet wird. Die Fluidzufuhr kann durch die elektrische Ansteuerung in der Ansaugphase dann nicht mehr komplett gestoppt, wohl aber deutlich abgeschwächt werden. Somit werden nach wie vor Druckpulsationen erzeugt. Diese sind jedoch schwächer ausgeprägt als bei zeitweiliger vollständiger Unterbrechung der Fluidzufuhr. Dem steht der Vorteil gegenüber, dass am Saugventil selbst keine hardwaremäßige Veränderung vorgenommen werden muss. Weiterhin kann der Motor einfacher gestartet werden, da die Hochdruckpumpe die Förderung bereits aufnehmen kann, wenn die Winkelposition des Motors, bzw. einer die Hochdruckpumpe antreibenden Kurbelwelle und/oder Nockenwelle, in der Startphase noch nicht bekannt ist. Ist der Anker hingegen starr an die Kolbenstange und an den Ventilteller gekoppelt, ist eine elektrische Ansteuerung des Saugventils erst nach Drehzahlsynchronisation möglich. Schließlich ist ohne die starre Kopplung auch das Verschleißverhalten besser, da die bewegten Massen auf zwei unterschiedliche Anschläge verteilt werden.
Die zeitlich modulierte Ansteuerung des Saugventils zur Erzeugung von Druckschwankungen und/oder Rückströmungen kann ständig erfolgen, kostet jedoch wie jede zusätzlich aktivierte Funktion Energie. Vorteilhaft wird diese Ansteuerung daher bevorzugt dann aktiviert, wenn die Bildung von Ablagerungen an Filtern, Sieben und anderen Engstellen konkret droht. Beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, speziell in einem Dieselmotor, kann die zeitlich modulierte Ansteuerung bevorzugt

• bei einer Umgebungstemperatur unterhalb eines vorgegeben Schwellwerts, dauerhaft oder für eine vorgegebene Zeitspanne nach dem Start;
• bei jedem Kaltstart und/oder
• bei einer Kraftstoffviskosität oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts

Daher ist die Steuereinheit in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit mindestens einem ersten Sensor für die Temperatur des Fluids, und/oder mit mindestens einem zweiten Sensor für die Viskosität des Fluids, verbunden.
In einem Kraftfahrzeug ist die Steuereinheit des Saugventils vorteilhaft mit einem Motorsteuergerät des Fahrzeugmotors verbunden. Sie kann dann dazu ausgebildet sein, die zeitliche Modulation in Antwort auf mindestens ein vom Motorsteuergerät gemeldetes Ereignis durchzuführen. Beispielsweise können vom Motorsteuergerät ermittelte Messwerte Unregelmäßigkeiten anzeigen, die darauf hindeuten, dass der Motor an einer Versulzung eines Siebes oder Filters leidet. Es können dann rechtzeitig die beschriebenen Gegenmaßnahmen ergriffen werden, bevor der Motor komplett ausgeht. Der Begriff der Verbindung schließt in diesem Zusammenhang ausdrücklich auch ein, dass die Steuereinheit des Saugventils und das Motorsteuergerät in einem Gerät kombiniert sind.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit mit einem Druckregelventil eines der Hochdruckpumpe nachgeschalteten Hochdruckreservoirs verbunden und dazu ausgebildet, die zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Drucks im Hochdruckreservoir benötigte Förderrate an Fluid zu ermitteln. In einem derartigen Zweistellersystem, das den Druck im Hochdruckreservoir sowohl über die Förderrate der Hochdruckpumpe als auch über das Druckregelventil steuert, wurde bislang beim Kaltstart eine deutlich höhere Förderrate der Hochdruckpumpe eingestellt als zur Aufrechterhaltung des Drucks im Hochdruckreservoir (Rail) benötigt wurde. Der überschüssige Kraftstoff wurde am Druckregelventil abgesteuert. Hierbei entstand eine zusätzliche Verlustleistung, die für eine zusätzliche Erwärmung des Kraftstoffs genutzt wurde. Gemäß der Erfindung stehen nun geeignete Gegenmaßnahmen gegen eine Versulzung von Filtern und Sieben bei kalten Temperaturen zur Verfügung, so dass die zusätzliche Erwärmung und der damit verbundene zusätzliche Kraftstoffverbrauch reduziert werden können. Stattdessen kann die Förderrate der Hochdruckpumpe an den tatsächlichen Bedarf des Druckregelventils angepasst werden.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben der Hochdruckpumpe. Hierbei wird der Einlass von Fluid in den Druckraum mit einer Frequenz ω moduliert, die das 2-Fache bis 20-Fache, bevorzugt das 3-Fache bis 10-Fache, der Arbeitsfrequenz ω₁ ist, mit der das Volumen des Druckraums periodisch vergrößert und verkleinert wird. Die untere Bereichsgrenze ist jeweils dadurch motiviert, dass sich die Modulation dann am wenigsten auf die letztendliche Füllung des Druckraums und damit auf die Kompression in der Hochdruckpumpe auswirkt. Die obere Bereichsgrenze ist dadurch motiviert, dass die bewegten Massen und die vorhandenen Kräfte die maximal mögliche Schaltfrequenz des Saugventils begrenzen. Im beanspruchten Bereich kann also die Modulation des Einlasses isoliert implementiert werden, ohne nachgeschaltete Komponenten des Einspritzsystems, deren Zusammenspiel bereits mit erheblichem Aufwand auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß optimiert ist, neu optimieren zu müssen.
In eine analoge Richtung zielt ein weiteres von der Erfindung umfasstes Verfahren zum Betreiben der Hochdruckpumpe. Hierbei wird die Modulation der im Druckraum eingeschlossenen Menge an Fluid so gewählt, dass sie im zeitlichen Mittel über ein vorgegebenes Zeitintervall T, und/oder über eine vorgegebene Anzahl Arbeitszyklen der Hochdruckpumpe, verschwindet. Ein Arbeitszyklus umfasst eine vollständige, aus Vergrößerung und anschließender Verkleinerung des Druckraums gebildete Periode.
Der Volumenstrom, der von der Hochdruckpumpe gefördert werden soll, ist üblicherweise vorgegeben. Insbesondere ist dieser Volumenstrom im quasi-stationären Betrieb konstant. Hiernach richtet sich die im Druckraum einzuschließende Menge an Fluid und damit auch die Ansteuerung des Saugventils. Wenn die neu eingeführte Modulation der eingeschlossenen Menge im Mittel verschwindet, dann ist der Volumenstrom für die Belange des der Hochdruckpumpe nachgeschalteten Einspritzsystems immer noch als konstant anzusehen. Die neu eingeführte Modulation hat also nicht zur Folge, dass Änderungen oder Optimierungen an anderen Komponenten im Einspritzsystem notwendig werden.
Wird beispielsweise in einem Arbeitszyklus weniger oder gar kein Fluid zur Hochdruckseite der Hochdruckpumpe gefördert, weil das in der Ansaugphase in den Druckraum eingesaugte Fluid zwecks Erzeugung einer Rückströmung ganz oder teilweise wieder zur Niederdruckseite aus dem Druckraum heraus gedrückt wurde, so kann dieser Fehlbetrag benachbarten Arbeitszyklen zugeschlagen werden. Die Wenig- bzw. Nullförderung zur Hochdruckseite zwecks Erzeugung einer Rückströmung auf der Niederdruckseite ist in den Regelkreis für den Druck auf der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe, beispielsweise für den Druck in einem Hochdruckreservoir (Rail), nicht mit einbezogen. Sie wird unabhängig von diesem Regelkreis festgelegt, d.h. gesteuert und nicht geregelt. Die hierdurch entstehenden Druckschwankungen auf der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe sind aus Sicht der für diesen Druck zuständigen Regelkreise kleine Schwankungen um eine Anzahl Arbeitszyklen von typischerweise weniger als 5, die im Mittel volumetrisch ausgeglichen sein und somit nicht zu einem Eingreifen der Regelkreise führen sollten.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens für ein Zweistellersystem wird die Förderrate der Hochdruckpumpe über das zeitliche Mittel der Modulation der im Druckraum eingeschlossenen Menge an Fluid eingestellt. Mit ein und derselben geänderten Ansteuerung des Saugventils kann dann sowohl die Versulzung von Sieben, Filtern und anderen Engstellen verhindert als auch die Förderrate der Hochdruckpumpe an den tatsächlichen Bedarf des Druckregelventils angepasst werden. Dadurch muss kein Kraftstoff mehr zunächst verdichtet und anschließend wieder am Druckregelventil abgesteuert werden. Es kann Energie und damit CO₂ eingespart werden.
Nach dem zuvor Gesagten kann die geänderte Ansteuerung des Saugventils ganz oder teilweise durch eine Änderung der Software oder Firmware der zum Saugventil gehörenden Steuereinheit implementiert werden. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer und/oder auf einer Steuereinheit ausgeführt werden, den Computer und/oder die Steuereinheit dazu veranlassen, eine Hochdruckpumpe zu einer Hochdruckpumpe gemäß der Erfindung aufzuwerten und/oder ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
1 Ausführungsbeispiel der Hochdruckpumpe gemäß der Erfindung;
2 Reinigung eines Siebes 59a in der Zuführung 59 für das Fluid 2;
3 Reinigung eines Siebes 89b am Ende der Zuführung 59 für das Fluid 2;
4 Änderung der Ansteuerung des Saugventil 5 zur Erzeugung von Rückströmungen.
Nach 1 tritt das Fluid 2, hier Dieselkraftstoff, durch einen Anschlussstutzen 59x in die Zuführung 59 auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe 1 ein, wobei der Druck durch den parallel angeordneten Druckregler 59y geregelt wird. In dieser Zuführung 59 sind ein Temperatursensor 21 und ein Viskositätssensor 22 angeordnet. Zum Schutz der Hochdruckpumpe 1 vor Partikeln enthält die Zuführung 59 weiterhin ein zylindrisches, radial wirksames Sieb 59a, an dessen Außenumfang das Fluid 2 vorgelegt wird. Entlang der Achse des zylindrischen Siebes 59a tritt das gefilterte Fluid 2 aus dem Sieb 59a aus, um anschließend dem elektrisch betätigbaren Saugventil 5 zugeführt zu werden.
Das elektrisch betätigbare Saugventil 5 umfasst einen Ventilteller 51, der im geöffneten Zustand des Saugventils 5 von seinem Ventilsitz 52 abgehoben ist und im geschlossenen Zustand des Saugventils 5 auf dem Ventilsitz 52 aufliegt. Der Ventilteller 51 ist über eine Kolbenstange 51a mit einem Anker 53c verbunden, der über ein Magnetjoch 53a mit Magnetspule 53b mit einer schließend auf das Saugventil 5 wirkenden Magnetkraft F_M beaufschlagbar ist. Die Kolbenstange ist weiterhin über eine Druckfeder 56 mit einer öffnend wirkenden Federkraft F_O beaufschlagt. Über eine schwächere zweite Druckfeder 57 ist die Kolbenstange 51a mit einer weiteren schließend auf das Saugventil 5 wirkenden Federkraft F_S beaufschlagt. Die Addition aller Kräfte ergibt die resultierende Schließkraft F_R.
Das Saugventil 5 kontrolliert den Einlass des Fluids 2 in den Druckraum 3, dessen Volumen durch Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 4 periodisch vergrößert (Ansaugphase) und verkleinert (Kompressionsphase) wird. In der Ansaugphase wirkt auf den Ventilteller 51 zusätzlich eine öffnend auf das Saugventil 5 wirkende hydraulische Kraft F_H.
Die Schließkraft F_R ist so dimensioniert, dass die Steuereinheit 6 in der Ansaugphase den Zustrom des Fluids 2 in den Druckraum 3 auch gegen die hydraulische Kraft F_H vollständig unterbrechen kann. Auf diese Weise werden in der Zuführung 59 Druckpulsationen erzeugt, die einer konstanten Ablagerung von Paraffinkristallen aus dem Fluid 2 am Sieb 59a entgegenwirken.
Wie zuvor erläutert, handelt es sich bei dem in 1 gezeigten Saugventil 5 um eine Sonderausführung, die speziell dahingehend abgeändert worden ist, dass durch die elektrische Ansteuerung der Magnetspule 53b in der Ansaugphase ein vollständiges Schließen des Saugventils 5 auch gegen die hydraulische Kraft F_H erzwungen werden kann. Wird stattdessen die Standardausführung des Saugventils 5 verwendet, so ist der Anker 53c nicht starr an den Ventilteller 51 gekoppelt und kann den Ventilteller 51 somit nicht aktiv auf seinen Ventilsitz 52 ziehen. Die hydraulische Kraft F_H wiederum reicht aus, um das Saugventil 5 zumindest teilweise zu öffnen. Die durch eine elektrische Ansteuerung der Magnetspule 53b erzielbaren Druckpulsationen sind somit bei der Standardausführung des Saugventils 5 schwächer als bei der Sonderausführung, jedoch immer noch ausgeprägt genug, um das unerwünschte Anlagern von Paraffinkristallen am Sieb 59a zu stören. Die Hochdruckpumpe 1 gehört also auch in der Ausgestaltung mit der Standardausführung des Saugventils 5 nach wie vor zur Erfindung.
Weiterhin ist die Steuereinheit 6 dazu ausgebildet, zu bestimmten Zeiten während der Kompressionsphase das Saugventil 5 gezielt zu öffnen. In dieser Kompressionsphase wird dann das Fluid 2, das in der vorangegangenen Ansaugphase in den Druckraum 3 eingesaugt wurde, ganz oder teilweise wieder in die Zuführung 59 zurückgedrückt und erzeugt dort eine Rückströmung. Diese Rückströmung spült nicht siebgängige Paraffinkristalle aus dem Sieb 59a aus.
Bei geschlossenem Saugventil 5 wird in der Kompressionsphase das Fluid 2 über das Rückschlagventil 32 auf der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 1 gefördert. Hier tritt das Fluid 2 über ein Druckregelventil 72 in ein Hochdruckreservoir (Rail) 73 ein, aus dem es in den Fahrzeugmotor 7 eingespritzt wird. Der Fahrzeugmotor 7 wird über ein Motorsteuergerät 71 gesteuert. Sowohl das Motorsteuergerät 71 als auch das Druckregelventil 72 sind mit der Steuereinheit 6 des Saugventils 5 verbunden.
2 verdeutlicht den Reinigungseffekt am Sieb 59a. Die 2a und 2b zeigen, wie sich sukzessive immer mehr im Fluid 2 enthaltene Paraffinkristalle 8 in Richtung des Siebes 59a, das sie nicht passieren können, bewegen.
In 2c ist ein Zustand erreicht, in dem sich ein Anteil 81 der Paraffinkristalle 8 am Sieb 59a festgesetzt hat. Selbst wenn nun keine neuen Paraffinkristalle 8 mehr hinzukommen, ist der Durchsatz an Fluid 2 durch das Sieb 59a deutlich vermindert. Reicht der verbliebene Durchsatz nicht mehr aus, geht der Fahrzeugmotor 7 aus und lässt sich unter Umständen auch nicht mehr starten.
Nach 2d wird daher eine durch Pfeile verdeutlichte Rückströmung durch das Sieb 59a erzeugt, die die angelagerten Paraffinkristalle 81 vom Sieb 59a entfernt. Dadurch ist das Sieb 59a wieder durchgängig.
3 verdeutlicht den Reinigungseffekt an einem konstruktiv anders aufgebauten Sieb 59b, das in dem Saugventil 5 am Ende der Zuführung 59 angeordnet ist. Auch an diesem Sieb wird das zu filternde Fluid 2 am Außenumfang vorgelegt, und das gefilterte Fluid 2 strömt radial nach innen.
Nach 3a werden hierdurch auch Paraffinkristalle 8 an das Sieb 59b gezogen, wo sie sich anlagern können. Wird gemäß der Erfindung eine Rückströmung erzeugt, werden die Paraffinkristalle 8 nach 3b hingegen vom Sieb 59b weg radial nach außen getrieben. Dadurch wird das Sieb 59b wieder durchgängig gemacht.
4 verdeutlicht die Änderung der Ansteuerung des Saugventils 5 zur Erzielung der Reinigungswirkung. In den 4a bis 4c sind jeweils der Hub S des Kolbens 4 im Druckraum 3 sowie die auf die Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 1 geförderte Fördermenge Q an Fluid 2 über der Zeit t aufgetragen.
4a zeigt die Ansteuerung nach dem bisherigen Stand der Technik. Mit einer festen Phasenbeziehung zur periodischen Bewegung des Kolbens 4 steigt die Fördermenge in jedem Arbeitszyklus des Kolbens 4 zunächst linear an. Im oberen Totpunkt des Kolbens 4, der den Wechsel von der Kompressionsphase in die nächste Ansaugphase markiert, beginnt der nächste Arbeitszyklus. Hierbei verharrt die Fördermenge Q dieses nächsten Arbeitszyklus zunächst bei Null. Der Beginn der Förderung, und damit auch des Erhebens der Fördermenge Q über die Zeitachse, wird jeweils durch ein Schließen des Saugventils 5 bewirkt. Der Versatz auf der Zeitachse t zwischen dem oberen Totpunkt des Kolbens 4 und dem Beginn der Förderung auf die Hochdruckseite entspricht einer Phasenverschiebung, die als Ansteuerwinkel α bezeichnet wird. In 4a ist dieser Ansteuerwinkel α konstant.
Nach 4b wird in jedem dritten Arbeitszyklus des Kolbens 4 der Ansteuerwinkel α von einem normalen Wert α₁ auf einen Wert α₂ vermindert. Das bedeutet, dass in diesem Arbeitszyklus das Saugventil 5 später geschlossen wird, so dass später mit der Förderung von Fluid 2 auf die Hochdruckseite begonnen wird. Stattdessen wird ein Teil des Fluids aus dem Druckraum 3 zurück in die Zuführung 59 gedrückt und bewirkt eine Rückströmung, die das Sieb 59a, 59b reinigt. Während der verkürzten Förderphasen entspricht die Förderrate der Förderrate in den übrigen Arbeitszyklen, d.h., die Fördermenge Q steigt mit der gleichen Steigung an, wenn auch wesentlich kürzer. Im Ergebnis ist die in einem verkürzten Arbeitszyklus letztendlich erzielte Fördermenge Q auch deutlich geringer als in den übrigen normalen Arbeitszyklen.
Nach 4c wird in jedem dritten Arbeitszyklus des Kolbens 4 das Saugventil 5 gar nicht angesteuert. Das Saugventil 5 bleibt dann ständig geöffnet, und die volle Menge an zuvor angesaugtem Fluid 2 wird für die Rückströmung zur Reinigung des Siebs 59a, 59b verwendet. In den übrigen Arbeitszyklen des Kolbens 4 wird das Saugventil 5 mit einem konstanten Ansteuerwinkel α, also mit fester Phasenbeziehung zwischen der Bewegung des Kolbens 4 und dem Schließen des Saugventils 5, angesteuert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013211173 A1 [0002]
DE 102014202334 A1 [0002]
DE 10056048 A1 [0004]
DE 102009053763 A1 [0005]

Claims

Hochdruckpumpe (1) für ein Fluid (2) mit einem Druckraum (3), Mitteln (4) zur periodischen Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Volumens des Druckraums (3) sowie einem elektrisch betätigbaren Saugventil (5) zur Regulierung der bei Verkleinerung des Volumens des Druckraums (3) im Druckraum (3) komprimierten Menge an Fluid (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (6) für das Saugventil (5) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Einlass von Fluid (2) in den Druckraum (3), und/oder die für die Kompression im Druckraum (3) eingeschlossene Menge an Fluid (2), zeitlich zu modulieren, so dass auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe (1) Druckschwankungen und/oder unregelmäßige Rückströmungen erzeugt werden.
Hochdruckpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführung (59) für das Fluid (2) auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe (1) mindestens ein Sieb (59a, 59b) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, mit den Druckschwankungen und/oder Rückströmungen das Sieb (59a, 59b) durchgängig zu halten und/oder zu reinigen.
Hochdruckpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch betätigbare Saugventil (5) durch Bestromung gegen eine Federkraft F_O schließbar ist, wobei die resultierende Schließkraft F_R größer ist als die hydraulische Öffnungskraft F_H aus der Differenz zwischen dem eingangsseitig an der Hochdruckpumpe (1) vorgelegten Druck und dem bei Vergrößerung des Volumens des Druckraums (3) entstehenden Unterdruck im Druckraum (3).
Hochdruckpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) mit mindestens einem ersten Sensor (21) für die Temperatur des Fluids (2), und/oder mit mindestens einem zweiten Sensor (22) für die Viskosität des Fluids (2), verbunden ist.
Hochdruckpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe (1) als Einspritzpumpe für Kraftstoff als Fluid (2) für den Motor (7) eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
Hochdruckpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) mit einem Motorsteuergerät (71) des Motors (7) verbunden und dazu ausgebildet ist, die zeitliche Modulation in Antwort auf mindestens ein vom Motorsteuergerät (71) gemeldetes Ereignis durchzuführen.
Hochdruckpumpe (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) mit einem Druckregelventil (72) eines der Hochdruckpumpe (1) nachgeschalteten Hochdruckreservoirs (73) verbunden und dazu ausgebildet ist, die zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Drucks im Hochdruckreservoir (73) benötigte Förderrate an Fluid (2) zu ermitteln.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass von Fluid (2) in den Druckraum (3) mit einer Frequenz ω moduliert wird, die das 2-Fache bis 20-Fache, bevorzugt das 3-Fache bis 10-Fache, der Arbeitsfrequenz ω₁ ist, mit der das Volumen des Druckraums (3) periodisch vergrößert und verkleinert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der im Druckraum (3) eingeschlossenen Menge an Fluid (2) so gewählt wird, dass sie im zeitlichen Mittel über ein vorgegebenes Zeitintervall T, und/oder über eine vorgegebene Anzahl Arbeitszyklen der Hochdruckpumpe (1), verschwindet.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckpumpe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrate der Hochdruckpumpe (1) über das zeitliche Mittel der Modulation der im Druckraum (3) eingeschlossenen Menge an Fluid (2) eingestellt wird.
Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer und/oder auf einer Steuereinheit (6) ausgeführt werden, den Computer und/oder die Steuereinheit (6) dazu veranlassen, eine Hochdruckpumpe (1) zu einer Hochdruckpumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufzuwerten und/oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 auszuführen.