DE102016220840A1

DE102016220840A1 - Förderpumpe, insbesondere für kryogene Kraftstoffe

Info

Publication number: DE102016220840A1
Application number: DE102016220840.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Zehnder; Dirk Schnittger; Andreas Beiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-04-26
Also published as: WO2018077542A1

Abstract

Es wird eine Förderpumpe, insbesondere für kryogene Kraftstoffe vorgeschlagen. Die Förderpumpe weist ein von einer Antriebseinrichtung (30) betätigbares Pumpenelement (21) und einen mit einem Druckmittel gefüllten Kopplerraum (29) auf, wobei über den Kopplerraum (29) ein Kolbenstößel (24) des Pumpenelements (21) mit einem Antriebsstößel (32) der Antriebseinrichtung (30) in Wirkverbindung gekoppelt ist. Das Pumpenelement (21) führt einen Förderhub zum Verdichten des Kraftstoffs in einem Pumpenraum (25) und einen in entgegengesetzter Richtung sich bewegenden Saughub aus. Zur Rückstellung des Pumpenelements (21) in Richtung des Saughubs ist eine mit dem Druckmittel befüllbare Rückstellkammer (28) vorgesehen, welcher der Kolbenstößel (24) mit einer in Richtung des Saughubs wirkenden Druckfläche (26) ausgesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe, insbesondere für kryogene Kraftstoffe nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
In der DE-Patentanmeldung 102016210728.3 wurde bereits eine Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe vorgeschlagen, bei der das Pumpenelement einer Pumpeinrichtung über einen mit einem Druckmittel gefüllten Kopplerraum in Wirkverbindung mit einem Antriebsstößel einer Antriebseinrichtung der Brennkraftmaschine steht. Dabei wird mittels eines Schaltventils die Füllung des Kopplerraums mit dem Druckmittel gesteuert, wodurch eine steuerbare Übertragung der Antriebsbewegung des Antriebsstößels auf das Pumpenelement ermöglicht wird, so dass der Hub des Pumpenkolbens unabhängig von der Bewegung des Antriebsstößels einstellbar ist. Die Rückstellung des Pumpenelements in Saughubrichtung wird mittels eines Federelements ausgeführt. Weiterhin ist ein Pufferspeicher für das aus dem Kopplerraum ausströmende Druckmittel vorgesehen. Der Pufferspeicher ist dabei zwischen Schaltventil und Druckmittelpumpe geschaltet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Förderpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass keine Rückstellfeder für das Pumpenelement erforderlich ist. Die Rückstellung des Pumpenelements in Richtung des Saughubs erfolgt hydraulisch unter Nutzung des Druckmittels, das für den hydraulischen Kopplerraum verwendet wird. Zur Rückstellung des Pumpenelements in Richtung des Saughubs ist dazu eine mit dem Druckmittel hydraulisch verbundene Rückstellkammer vorgesehen, welcher der Kolbenstößel des Pumpenelements mit einer in Richtung des Saughubs wirkenden Druckfläche ausgesetzt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
Eine technisch zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, dass eine mit dem Druckmittel, mit dem der Kopplerraum versorgt wird, befüllbare Speicherkammer vorgesehen ist, welche über eine dritte hydraulische Hochdruckleitung mit der Rückstellkammer hydraulisch verbunden ist und in welcher ein auf die Rückstellkammer übertragbarer Rückstelldruck für den Kolbenstößel erzeugbar ist. Zur Erzeugung des erforderlichen Rückstelldrucks wirkt ein mit der Antriebseinrichtung zusammenwirkender Rückstellstößel auf die Speicherkammer ein. Dabei wird ein entsprechendes Rückstellvolumen an Druckmittel mittels des Rückstellstößels aus der Speicherkammer in die Rückstellkammer gedrückt. Dadurch lassen sich hohe Rückstellkräfte im Vergleich zur Federrückstellung realisieren. Gleichzeitig wird das Druckmittel aus dem Kopplerraum zur Rückstellung des Pumpenelements genutzt, so dass ein zusätzlicher Pufferspeicher für das Druckmittel entfallen kann.
Zur Befüllung der Speicherkammer mit Druckmittel ist die Speicherkammer weiterhin über eine vierte hydraulische Druckmittelleitung mit einer ersten Druckmittelleitung hydraulisch verbunden, wobei über die erste hydraulische Druckmittelleitung der Kopplerraum von einer Druckmittelpumpe aus einem drucklosen Druckmittelbehälter mit Druckmittel befüllbar ist.
Zur Erzeugung des erforderlichen Rückstelldrucks für das Pumpenelement ist die Rückstellkammer über eine zweite hydraulische Druckmittelleitung mit einem drucklosen Druckmittelbehälter hydraulisch verbunden, wobei in der zweiten Druckmittelleitung ein zweites Rückschlagventil angeordnet ist, über welches der Rückstelldruck in der Rückstellkammer einstellbar ist.
Zur Steuerung des Pumpenelements in Förderhubrichtung und/oder in Saughubrichtung ist mindestens ein elektrisch betätigbares, hydraulisches Schaltventil vorgesehen, das den Kopplerraum und/oder die Rückstellkammer ansteuert. Mit diesem mindestens einen Schaltventil wird neben der hydraulischen Rückstellung des Pumpenelements gleichzeitig eine Förderhubaktivierung des Pumpenelements zur bedarfsgerechten Kraftstoffförderung ermöglicht.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist über das hydraulische Schaltventil der Kopplerraum mit der Speicherkammer hydraulisch verbindbar. Dazu ist das Schaltventil in der ersten Druckmittelleitung in Förderrichtung der Druckmittelpumpe hinter der hydraulischen Verbindung mit der vierten Druckmittelleitung angeordnet. Mit dem Schaltventil ist gleichzeitig eine Förderhubaktivierung zur bedarfsgerechten Kraftstoffförderung möglich.
Zur Einstellung eines Förderhubendes wird das Schaltventil geöffnet, wodurch der Kopplerraum entlastet wird und das Druckmittel aus dem Kopplerraum über das Schaltventil und die vierte Druckmittelleitung in die Speicherkammer geschoben wird. Die weitere Vorschubbewegung des Antriebsstößels in den druckentlasteten Kopplerraum hat dadurch keine Kraftübertragung zur Folge. Das Pumpenelement verharrt somit in der entsprechenden Stellung. Sobald die Nockenwelle des Antriebs den Rückstellstößel in die Speicherkammer bewegt, wird über die dritte Druckmittelleitung bei weiterhin geöffnetem Schaltventil das Rückstellvolumen aus der Speicherkammer in die Rückstellkammer gedrückt und das Pumpenelement wird durch den auf die Druckfläche in der Speicherkammer wirkenden Rückstelldruck zurück in den unteren Totpunkt bewegt. Dementsprechend kann beim ersten Ausführungsbeispiel die bedarfsgerechte Einstellung des Förderhubs des Pumpenkolbens über die Endstellung des Pumpenelements in Förderrichtung mittels des Schaltventils variiert werden. Die Rückstellung des Pumpenelements erfolgt dabei immer bis in den unteren Totpunkt. Diese gezielte bedarfsgerechte Hubeinstellung ermöglicht, dass nur die benötigte Fördermenge aus dem Pumpenraum gefördert wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist über das hydraulische Schaltventil die Rückstellkammer mit dem Kopplerraum hydraulisch verbindbar. Dazu ist das Schaltventil in einer fünften hydraulischen Druckmittelleitung angeordnet, welche die zweite hydraulische Druckmittelleitung in Öffnungsrichtung vor dem zweiten Rückschlagventil mit der ersten hydraulischen Druckmittelleitung in Schließrichtung vor dem ersten Rückschlagventil hydraulisch verbindet.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel kann die bedarfsgerechte Einstellung des Förderhubs des Pumpenkolbens über die Endstellung des Pumpenelements in Saughubrichtung mittels des Schaltventils variiert werden. Diese gezielte bedarfsgerechte Hubeinstellung ermöglicht, dass nur die benötigte Fördermenge in den Pumpenraum gesaugt und anschließend gefördert wird. Es ist somit keine Füllung des gesamten Pumpenraums erforderlich. Die Rückstellung des Pumpenelements erfolgt dementsprechend nur so weit, wie der erforderliche Förderhub für die bedarfsgerechte Fördermenge es erfordert und nicht bis zum unteren Totpunkt. Dadurch entsteht nur ein geringes Totvolumen, wodurch minimale Kompressionsverluste im Pumpenraum auftreten. Außerdem kommt es dadurch zu einer geringeren Erwärmung des Kraftstoffs (Verdampfungsgefahr von LNG).
Die Rückstellung des Pumpenelements ist wirksam, wenn das Schaltventil geschlossen und das durch den Rückstellstößel aus der Speicherkammer geschobene Druckmittel in die Rückstellkammer gedrückt wird. Die Einstellung eines Teilhubs für das Pumpenelement erfolgt durch das Einstellen des Saughubendes, indem das Schaltventil geöffnet wird, wodurch das Pumpenelement in seiner Rückstellbewegung gestoppt und das Rückstellvolumen aus der Rückstellkammer über das Schaltventil in den Kopplerraum verschoben wird. Nach entsprechender Umdrehung der Nockenwelle wird in der geöffneten Schaltstellung des Schaltventils durch die Vorwärtsbewegung des Antriebsstößels der Kraftübertragungsdruck im Kopplerraum aufgebaut und das Pumpenelement führt ausgehend vom Saughubende den bedarfsgerecht eingestellten Förderhub aus.
Zur Realisierung des Kraftübertragungsdrucks im Kopplerraum ist dazu in der ersten hydraulischen Druckmittelleitung ein weiteres Rückschlagventil angeordnet, welches in Förderrichtung der Druckmittelpumpe hinter der hydraulischen Verbindung der fünften Druckmittelleitung liegt und gegen die Förderrichtung der Druckmittelpumpe sperrt.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird die hydraulische Rückstellung des Pumpenelements in Verbindung mit der bedarfsgerechten Förderhubeinstellung durch eine Kombination der Anordnung der Schaltventile des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels erreicht, indem ein erstes hydraulisches Schaltventil und ein zweites hydraulisches Schaltventil vorgesehen sind, wobei über das erste Schaltventil der Kopplerraum mit der Speicherkammer und über das zweite Schaltventil die Rückstellkammer mit dem Kopplerraum hydraulisch verbindbar ist.
Dazu ist vorgesehen, dass das erste Schaltventil in der ersten Druckmittelleitung in Förderrichtung der Druckmittelpumpe hinter der Einmündung der vierten Druckmittelleitung angeordnet ist und dass das zweite Schaltventil in einer fünften hydraulischen Druckmittelleitung angeordnet ist, welche die zweite hydraulische Druckmittelleitung in Öffnungsrichtung vor dem zweiten Rückschlagventil mit der ersten hydraulischen Druckmittelleitung in Schließrichtung vor dem ersten Rückschlagventil hydraulisch verbindet.
Mittels der zwei Schaltventile ist eine Zwischenstellung des Pumpenelements sowohl in Saughubrichtung als auch in Förderhubrichtung einstellbar. Dadurch ist eine volle Flexibilität hinsichtlich der steuerbaren Rückstellung des Pumpenelements und einer davon unabhängigen Förderhubaktivierung möglich. Durch diese Möglichkeiten wird deutlich weniger Druckmittel komprimiert, da das Druckmittel vor Förderbeginn drucklos ausgeschoben wird, wodurch weniger Kompressionsverluste (Wärme) im Kopplerraum auftreten. Außerdem kommt es dadurch zu einer thermischen Entkopplung, da nicht das gesamte Druckmittel durch die Rückstellkammer strömt. Weiterhin kann eine Zylinderfüllung des Pumpenraums auf mehrere kleine Förderhübe bei einem einzigen Saughub verteilt werden. Dadurch wird die Anzahl der Saughübe reduziert und es bleibt mehr Zeit für die Gasabscheidung vor dem Eintritt in den Pumpenraum. Bei einer Teilförderung in Förderrichtung kann der Förderhub in Bereichen mit kleineren Kolbengeschwindigkeiten aktiviert werden, wodurch eine Verschleißreduzierung möglich ist.
Aus Sicherheitsgründen ist beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zwischen Kopplerraum und Rückstellkammer eine Druckausgleichsleitung vorgesehen ist, die hubabhängig im oberen Totpunkt des Pumpenelements von einer Steuerkante geschaltet wird.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Förderpumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Förderhubstellung,
2 die Förderpumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Stellung am Endes des Förderhubs,
3 die Förderpumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Stellung im oberen Totpunkt am Beginn eines Saughubs,
4 die Förderpumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Stellung im unteren Totpunkt am Ende des Saughubs,
5 eine schematische Darstellung einer Förderpumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Förderhubstellung,
6 die Förderpumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Stellung am Ende eines Förderhubs im oberen Totpunkt,
7 die Förderpumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Stellung im oberen Totpunkt am Beginn eines Saughubs,
8 die Förderpumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Stellung am Ende des Saughubs,
9 eine schematische Darstellung einer Förderpumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Förderhubstellung,
10 die Förderpumpe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer Stellung am Ende des Förderhubs in einer Zwischenstellung vor dem oberen Totpunkt,
11 die Förderpumpe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer Stellung im oberen Totpunkt am Beginn eines Saughubs und
12 die Förderpumpe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer Stellung am Ende des Saughubs.

In den Figuren ist eine Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe mit einer Pumpeinrichtung 20 und einer Antriebseinrichtung 30 dargestellt. Der kryogene Kraftstoff ist mittels eines Pfeiles 11 schematisch dargestellt und wird der Pumpeinrichtung 20 an einer Saugseite über einen Saugeinlass zugeführt. Bei dem kryogenen Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas (LNG), das in einem nicht dargestellten Tankbehälter in flüssiger Form vorliegt. An einer Druckseite weist die Pumpeinrichtung 20 weiterhin einen Druckauslass auf, der über eine schematisch mit einem weiteren Pfeil 12 dargestellte Druckleitung zu einer nicht dargestellten Einspritzeinrichtung für gasförmige Brennstoffe führt. Es ist auch denkbar, die Förderpumpe für andere Kraftstoffe oder generell für Fördermittel einzusetzen.
Die Pumpeinrichtung 20 ist in einem Pumpengehäuse 13 und die Antriebseinrichtung 30 in einem Antriebsgehäuse 14 untergebracht. Dazu weist das Pumpengehäuse 13 eine erste Längsbohrung 15 mit Abschnitten mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern und das Antriebsgehäuse 14 eine weitere Längsbohrung 16 ebenfalls mit Abschnitten mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern auf. Die beiden Längsbohrungen 15 und 16 liegen auf einer gemeinsamen Längsachse. In der ersten Längsbohrung 15 ist ein entlang der Längsachse hin- und herbewegliches Pumpenelement 21 angeordnet.
Das Pumpenelement 21 weist beispielsweise einen Pumpenkolben 22, eine Kolbenstange 23 und einen Kolbenstößel 24 auf. Der Pumpenkolben 22 ist in einem zylindrischen Abschnitt der ersten Längsbohrung 15 mit einem größeren Durchmesser geführt, wobei der zylindrische Abschnitt einen Pumpenraum 25 mit dem bereits genannten Saugeinlass und Druckauslass für den Kraftstoff bildet. Mittels des als Verdichter wirkenden Pumpenelements 21 wird der über den Saugeinlass einströmende Kraftstoff von einem saugseitigen Vorförderdruck von beispielsweise bis zu 60 bar auf einen Systemdruck von einigen 100 bar komprimiert und über den Druckauslass und die Druckleitung 12 der nicht dargestellten Einspritzeinrichtung zugeführt.
Die Kolbenstange 23 ragt mit dem Kolbenstößel 24 aus dem Pumpengehäuse 13 heraus und in einen ersten Bohrungsabschnitt 17 des angrenzenden Antriebsgehäuses 14 hinein. Der Kolbenstößel 24 wird in einem ersten Führungsabschnitt 18 der zweiten Längsbohrung 16 im Antriebsgehäuse 14 geführt. Der erste Bohrungsabschnitt 17 weist gegenüber dem ersten Führungsabschnitt 18 einen größeren Durchmesser auf, so dass der erste Bohrungsabschnitt 17 eine Kammer bildet, die als hydraulische Rückstellkammer 28 bezeichnet ist. Das Pumpenelement 21 weist zwischen Kolbenstange 23 und Kolbenstößel 24 einen Durchmessersprung in Form einer Ringfläche 26 auf, die der hydraulischen Rückstellkammer 28 ausgesetzt ist. Die Ringfläche 26 wirkt als Druckfläche in Richtung der Rückstellbewegung des Pumpenelements 21.
Das der Kolbenstange 23 abgewandte Ende des Kolbenstößels 24 ragt mit einer Stirnseite in einen dritten Bohrungsabschnitt 19 der zweiten Längsbohrung 16 hinein, wobei der Bohrungsabschnitt 19 gegenüber dem ersten Führungsabschnitt 18 ebenfalls einen größeren Durchmesser aufweist. Der dritte Bohrungsabschnitt 19 bildet zwischen der Antriebseinrichtung 30 und der Pumpeinrichtung 20 einen hydraulischen Kopplerraum 29.
Die Antriebseinrichtung 30 umfasst einen Antriebsstößel 32 und einen Rückstellstößel 34 sowie eine im Antriebsgehäuse 14 gelagerte Nockenwelle 36 mit einem Nocken 37. Die Nockenwelle 36 wird von einem nicht dargestellten Antrieb angetrieben. Beim Antrieb handelt es sich insbesondere um die Brennkraftmaschine bzw. deren Kurbelwelle oder einer mit der Brennkraftmaschine verbundenen Einrichtung zum Auskoppeln eines Antriebs. Es ist auch denkbar, einen separaten elektrischen Antrieb einzusetzen.
Der Antriebsstößel 32 ist in einem zweiten Führungsabschnitt 31 der zweiten Längsbohrung 16 geführt und weist an der dem Kolbenstößel 24 gegenüberliegenden Seite mit einer Stirnseite in den Kopplerraum 29. Das dem Kopplerraum 29 abgewandte Ende des Antriebsstößels 32 wird innerhalb eines Getrieberaums 38 vom Nocken 37 mechanisch angetrieben.
Der Nocken 37 wirkt weiterhin auf den Rückstellstößel 34 ein, der in einem dritten Führungsabschnitt 33 der zweiten Längsbohrung 16 geführt ist. Der dritte Führungsabschnitt 33 wird von einem Sacklochabschnitt 39 der zweiten Längsbohrung 16 begrenzt, welcher eine Speicherkammer 35 für ein Rückstellvolumen des Druckmittels bildet. Das Speichervolumen in der Speicherkammer 33 ist von einer Stirnseite des Rückstellstößels 34 druckbeaufschlagbar. Bei einem Antrieb der Nockenwelle 36 wird die Drehung der Nockenwelle 36 über den Nocken 37 in eine lineare Hin- und Herbewegung des Antriebsstößels 32 und des Rückstellstößels 34 übertragen. Durch die Bewegung des Rückstellstößels 34 in den Speichraum 35 hinein wird ein Rückstelldruck erzeugt, der in der Rückstellkammer 28 die auf die Druckfläche 26 wirkende, erforderliche Rückstellkraft ausbildet.
Der Kopplerraum 29 ist durch eine erste Druckmittelleitung 41 über ein erstes Rückschlagventil 61 mit einer Druckmittelpumpe 40 verbunden. Das erste Rückschlagventil 61 sperrt gegen die Strömungsrichtung des von der Druckmittelpumpe 40 geförderten Druckmittels. Die Druckmittelpumpe 40 saugt ein Druckmittel, beispielsweise Motoröl, aus einem drucklosen Druckmittelbehälter 46 an und fördert das Druckmittel in den Kopplerraum 29 und in die Speicherkammer 35. Das Druckmittel dient gleichzeitig der Schmierung der Bauteile von Pumpeinrichtung 20 und Antriebseinrichtung 30, insbesondere des Antriebsstößels 32, des Rückstellstößels 34 und des Kolbenstößels 24.
Eine hydraulische Rückstellung des Pumpenelements 21 und eine bedarfsgerechte Einstellung des Förderhubs des Pumpenelements 21 erfolgt mit mindestens einem elektrisch betätigbaren, hydraulischen Schaltventil 50. Mit dem mindestens einen hydraulischen Schaltventil 50 wird die Rückstellkammer 28 und/oder der Kopplerraum 29 angesteuert, wie später anhand der drei Ausführungsbeispiele näher erläutert wird.
Eine zweite Druckmittelleitung 42 führt über ein zweites Rückschlagventil 62 von der Rückstellkammer 28 in den drucklosen Druckmittelbehälter 46. Das zweite Rückschlagventil 62 sperrt in Richtung der Rückstellkammer 28 und ist in Öffnungsrichtung beispielsweise mit einer Feder beaufschlagt, über die der Rückstelldruck in der Rückstellkammer 28 eingestellt ist. Eine dritte Druckmittelleitung 43 verbindet die Rückstellkammer 28 mit der Speicherkammer 35. Der vom Rückstellstößel 34 im Speichraum 35 erzeugte Rückstelldruck wird über die dritte Druckmittelleitung 43 in die Rückstellkammer 28 übertragen. Eine vierte Druckmittelleitung 44 verbindet die Speicherkammer 35 über ein drittes Rückschlagventil 63 mit der in den Druckmittelbehälter 46 führenden ersten Druckmittelleitung 41 in Förderrichtung der Druckmittelpumpe hinter dem ersten Rückschlagventil 61. Das dritte Rückschlagventil 63 sperrt in Richtung der ersten Druckmittelleitung 41.
Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, 2, 3 und 4 wird mit dem hydraulischen Schaltventil 50 der Kopplerraum 29 angesteuert. Dazu ist das Schaltventil 50 in der ersten Druckmittelleitung 41 stromab des ersten Rückschlagventils 61 und in Förderrichtung der Druckmittelpumpe 40 hinter der hydraulischen Verbindung mit der vierten Druckmittelleitung 44 angeordnet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels der Förderpumpe beschrieben. 1 zeigt die Förderpumpe in einer Förderhubstellung. Dazu ist das Schaltventil 50 in einer ersten Schaltstellung gesperrt, so dass das Druckmittel im Kopplerraum 29 eingeschlossen ist und durch den Hub des Antriebsstößels 32 sich ein entsprechender Kraftübertragungsdruck im Kopplerraum 29 aufbaut, der über den Kopplerraum 29 auf den Pumpenstößel 24 und damit auf das Pumpenelement 21 übertragen wird, wodurch der Pumpenkolben 22 einen Förderhub im Pumpenraum 25 ausführt. Die Speicherkammer 35 wird über das erste Rückschlagventil 61 und das dritte Rückschlagventil 63 von der Druckmittelpumpe 40 mit Druckmittel befüllt. Gleichzeitig wird das aus der Rückstellkammer 28 verdrängte Druckmittel über die dritte Druckmittelleitung 43 ebenfalls in die aufgrund der Vorwärtsbewegung des Rückstellstößels 34 sich vergrößernden Speicherkammer 35 geschoben.
2 zeigt die Förderpumpe in einer Stellung an einem Förderhubende. Zur Einstellung des Förderhubendes wird das Schaltventil 50 in eine zweite, geöffnete Schaltstellung gebracht. Das Druckmittel wird aus dem Kopplerraum 29 über das Schaltventil 50 und die vierte Druckmittelleitung 44 in die Speicherkammer 35 abgeleitet, wodurch der Druck im Kopplerraum 29 sinkt und dadurch im Kopplerraum 29 die Kraftübertragung auf den Kolbenstößel 24 des Pumpenelements 21 unterbrochen wird. Das Pumpenelement 21 bleibt stehen und der Pumpenkolben 22 drückt keinen Kraftstoff mehr in die Druckleitung 12. Folglich wird mit dem Umschalten des Schaltventils 50 in die zweite, geöffnete Schaltstellung der Förderhub des Pumpenkolbens 22 deaktiviert, wodurch eine bedarfsgerechte Fördermenge an Kraftstoff einstellbar ist. Dadurch muss der Pumpenraum 25 nicht vollständig mit Kraftstoff wiederbefüllt werden, weil das nicht ausgestoßene Restvolumen an Kraftstoff bis zum nächsten Förderhub im Pumpenraum 25 verbleibt.
In 3 befindet sich das Pumpenelement 21 gemäß einer Alternative zu 2 am Endanschlag im oberen Totpunkt am Beginn eines Saughubs. Dazu bleibt das Schaltventil 50 bis in den Umkehrpunkt des Antriebstößels 31 zur Befüllung des Kopplerraums 29 mit Druckmittel geöffnet. Bei einer Endstellung des Pumpenelements 21 im oberen Totpunkt wird das gesamte Volumen aus dem Pumpenraum 25 in die Druckleitung 12 gefördert. Eingeleitet wird die Rückstellung des Pumpenelements 21 durch eine Bewegung des Rückstellstößels 34, wie nachfolgend beschrieben wird. Dabei ist das Schaltventil 50 geöffnet.
Nach der Endstellung und nach dem Umkehrpunkt des Nockens 37 schiebt der Nocken 37 den Rückstellstößel 34 in die Speicherkammer 35 hinein und das Rückstellvolumen wird aus der Speicherkammer 35 über die dritte Druckmittelleitung 43 in die Rückstellkammer 28 gedrückt. In der Rückstellkammer 28 wird daraufhin der Rückstelldruck aufgebaut, der gegen die Ringfläche 26 des Pumpenstößels 24 drückt und das Pumpenelement 21 in Richtung des Kopplerraums 29 bewegt. Der erforderliche Rückstelldruck wird dabei mittels des Öffnungsdrucks des zweiten Rückstellventils 62 eingestellt.
Durch die Drehbewegung der Nockenwelle 36 und des Nockens 37 wird bis in die Hubstellung des unteren Totpunkts gemäß 4 weiterhin Druckmittel aus der Speicherkammer 35 in die Rückstellkammer 28 gedrückt. Bis zur Hubstellung im unteren Totpunkt bleibt das Schaltventil 50 geöffnet, so dass gleichzeitig der Kopplerraum 29 über die erste Druckmittelleitung 41 mittels der Druckmittelpumpe 40 mit Druckmittel gefüllt wird. Nach dem Umkehrpunkt des Nockens 37 wird das Schaltventil 51 wieder gemäß 1 gesperrt und der Antriebsstößel 32 drückt mit seiner Stirnfläche in den Kopplerraum 29 und baut dort wieder den entsprechenden Kraftübertragungsdruck für das Pumpenelement 21 auf. Denkbar ist auch, dass das Schaltventil 50 bei Teilhüben erst später schließt und der Resthub für die Förderung genutzt wird, wodurch geringere Kompressionsverluste im Druckmittel auftreten.
Beim ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine vollständige Rückstellung des Pumpenelements 21 bis in den unteren Totpunkt und eine Befüllung der Rückstellkammer 28 mittels des Rückstellvolumens aus der Speicherkammer 35. Dementsprechend kann beim ersten Ausführungsbeispiel der Förderhub des Pumpenkolbens 22 über die Endstellung des Pumpenelements 21 in Richtung des Förderhubs variiert werden. Die Rückstellung des Pumpenelements 21 startet in der Endstellung in Förderhubrichtung durch Öffnen des Schaltventils 50 und Entlastung des Kopplerraums 29.
Diese gezielte Hubeinstellung in Förderhubrichtung ermöglicht, dass nur eine bedarfsgerecht benötigte Fördermenge aus dem Pumpenraum 25 in die Druckleitung 12 gefördert wird.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Förderpumpe gemäß 5, 6, 7 und 8 wird die Rückstellkammer 28 mit dem hydraulischen Schaltventil 50 angesteuert. Dazu ist das Schaltventil 50 in einer fünften Druckmittelleitung 45 angeordnet, welche die zweite hydraulische Druckmittelleitung 42 in Öffnungsrichtung vor dem zweiten Rückschlagventil 62 mit der ersten hydraulischen Druckmittelleitung 41 in Förderrichtung der Druckmittelpumpe 40 hinter dem ersten Rückschlagventil 61 hydraulisch verbindet. In der zum Kopplerraum 29 führenden ersten Druckmittelleitung 41 ist ein viertes Rückschlagventil 64 angeordnet, das ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung des Druckmittels sperrt und das in Förderrichtung der Druckmittelpumpe 40 hinter der hydraulischen Verbindung mit der vierten Druckmittelleitung 44 und der fünften Druckmittelleitung 45 liegt.
Weiterhin ist beim zweiten Ausführungsbeispiel im Pumpenstößel 24 eine hubabhängig schaltbare Druckausgleichsleitung 54 zwischen Kopplerraum 29 und Rückstellkammer 28 vorgesehen. Dazu ist von der Stirnseite ausgehend eine Sacklochbohrung 55 und eine davon abzweigende Querbohrung 56 in den Pumpenstößel 24 eingebracht. In der Sacklochbohrung 55 ist ein weiteres Rückschlagventil 58 untergebracht, das in Richtung des Kopplerraums 29 sperrt. Die Druckausgleichsleitung 54 dient dazu, um aus Sicherheitsgründen die Kraftübertragung über den Kopplerraum 29 in der Endstellung des Pumpenelements 21 im oberen Totpunkt zu begrenzen. Die Druckausgleichsleitung 54 ist so gestaltet, dass bei Erreichen des oberen Totpunktes die Querbohrung 56 als Steuerkante die Rückstellkammer 28 erreicht, wodurch zwischen Kopplerraum 29 und Rückstellkammer 28 über das weitere Rückschlagventil 58 eine hydraulische Verbindung entsteht, über welche ein Druckausgleich stattfindet.
In 5 befindet sich das Pumpenelement 21 am Förderbeginn. Das Schaltventil 50 ist dabei geöffnet und die Druckausgleichsleitung 54 ist mit der Steuerkante geschlossen. Der Nocken 37 schiebt den Antriebsstößel 32 in Pfeilrichtung in den Kopplerraum 29. Dadurch wird im Kopplerraum 29 der Kraftübertragungsdruck aufgebaut, der auf die gegenüberliegende Stirnfläche des Pumpenstößels 24 wirkt und dabei das Pumpenelement 21 in Förderrichtung mit den Pumpenkolben 22 in den Pumpenraum 25 bewegt. Die über den Kopplerraum 29 entstehende Kraftübertragung erzeugt im Pumpenraum 24 den entsprechenden Hochdruck, der über die Druckleitung 12 zur nicht dargestellten Einspritzeinrichtung geführt wird. Gleichzeitig wird die Rückstellkammer 28 über das geöffnete Schaltventil 50, die fünfte Druckmittelleitung 45 und die vierte Druckmittelleitung 44 in die Speicherkammer 35 entleert. Zum Aufbau des Kraftübertragungsdruckes im Kopplerraum 29 ist das in die erste Druckmittelleitung 41 geschaltete vierte Rückschaltventil 64 gesperrt.
In 6 ist die Förderpumpe in einer Stellung am Förderhubende im oberen Totpunkt des Pumpenelements 21 dargestellt. In dieser Stellung ist die Steuerkante der Druckausgleichsleitung 54 wirksam, so dass über die Druckausgleichsleitung 54 ein Druckausgleich zwischen Kopplerraum 29 und Rückstellkammer 28 stattfindet. Das überschüssige Volumen aus dem Kopplerraum 29 wird über die Rückstellkammer 28 in die Speicherkammer 35 verschoben, wobei das Schaltventil 50 dabei geöffnet ist.
Gemäß 7 wird am Förderhubende im oberen Totpunkt des Pumpenelements 21 zur Einleitung eines Saughubs das Schaltventil 50 in die erste, gesperrte Schaltstellung gebracht. Gleichzeitig bewegt der Nocken 37 den Rückstellstößel 34 in der angegebenen Pfeilrichtung, so dass das Rückstellvolumen aus der Speicherkammer 35 über die Druckmittelleitung 43 in die Rückstellkammer 28 gedrückt wird. Das in der zweiten Druckmittelleitung 42 enthaltene zweite Rückschlagventil 62 ist, wie beim ersten Ausführungsbeispiel auf den erforderlichen Rückstelldruck eingestellt. Sobald das notwendige Fördervolumen für den Pumpenkolben 22 im Pumpenraum 25 erreicht ist, wird das Schaltventil 50 gemäß 8 wieder in die zweite, geöffnete Schaltstellung gebracht. Dadurch wird die Rückstellkammer 28 druckentlastet und das Druckmittel wird aus der Rückstellkammer 28 über die fünfte Druckmittelleitung 45 in den Kopplerraum 29 geschoben.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel kann mittels des Schaltventils 50 die Endstellung des Pumpenelements 21 in Richtung des Saughubs variiert werden. Die Endstellung in Förderhubrichtung ist hingegen nicht steuerbar, sondern ist abhängig von der Steuerkante der Druckausgleichsleitung 54, die den Druckausgleich zwischen Kopplerraum 29 und Rückstellkammer 28 herstellt. Durch diese gezielte Hubeinstellung in Saughubrichtung ist es möglich, eine bedarfsgerechte Fördermenge an Kraftstoff in den Pumpenraum 25 anzusaugen.
Dadurch tritt eine geringere Erwärmung des Kraftstoffs im Vergleich zu einer nicht bedarfsgerechten Förderung auf. Gleichzeitig bewirkt der geschaltete Teilhub ohne vollständige Rückstellung in den unteren Totpunkt, dass das Totvolumen im Kopplerraum 29 minimiert wird, wodurch Kompressionsverluste reduziert werden.
Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß 9, 10, 11 und 12 sind ein erstes hydraulisches Schaltventil 51 zur Ansteuerung des Kopplerraums 29 und ein zweites hydraulisches Schaltventil 52 zur Ansteuerung der Rückstellkammer 28 vorgesehen. Das erste hydraulische Schaltventil 51 ist in der ersten Druckmittelleitung 41 und das zweite hydraulische Schaltventil 52 ist in der zweiten Druckmittelleitung 42 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel stellt somit eine Kombination des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels dar. Dadurch wird eine hohe Flexibilität hinsichtlich einer variablen Kolbenrückstellung und eines davon unabhängig einstellbaren Förderhubs erreicht.
Auch hierbei wird, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel, aus Sicherheitsgründen die Endstellung des Pumpenelements 21 im oberen Totpunkt durch die schaltbare Druckausgleichsleitung 54 zwischen Kopplerraum 29 und Rückstellkammer 28 festgelegt.
In 9 befindet sich das Pumpenelement 21 am Förderbeginn. Das erste Schaltventil 51 ist dabei geschlossen und das zweite Schaltventil 52 ist geöffnet. Die Druckausgleichsleitung 54 ist mit der Steuerkante ebenfalls geschlossen. Der Nocken 37 schiebt den Antriebsstößel 32 in Pfeilrichtung in den Kopplerraum 29. Dadurch wird im Kopplerraum 29 der Kraftübertragungsdruck aufgebaut, der, wie bei den anderen Ausführungsbeispielen, das Pumpenelement 21 in Förderrichtung mit dem Pumpenkolben 22 in den Pumpenraum 25 bewegt. Die über den Kopplerraum 29 entstehende Kraftübertragung erzeugt im Pumpenraum 24 den entsprechenden Hochdruck, der über die Druckleitung 12 zur nicht dargestellten Einspritzeinrichtung geführt wird. Gleichzeitig wird ein überschüssiges Volumen aus der Rückstellkammer 28 über die fünfte Druckmittelleitung 45, das geöffnete zweite Schaltventil 52 und die vierte Druckmittelleitung 44 in die Speicherkammer 35 entleert.
In 10 ist die Förderpumpe in einer ersten Endstellung des Pumpenelements 21 in Förderhubrichtung in einer Förderpause dargestellt. Zum Schalten dieser Endstellung zwischen unterem und oberem Totpunkt des Pumpenelements 21 wird die Kraftübertragung über den Kopplerraum 29 beendet, indem das erste Schaltventil 51 in die geöffnete Schaltstellung gebracht wird. Das zweite Schaltventil 52 bleibt weiter geöffnet. In dieser Zwischenstellung zwischen unterem und oberem Totpunkt des Pumpenelements 21 ist die Steuerkante der Druckausgleichsleitung 54 unwirksam und es findet somit kein Druckausgleich zwischen dem Kopplerraum 29 und der Rückstellkammer 28 statt. Das Volumen aus dem Kopplerraum 29 wird über die erste Druckmittelleitung 41 und die vierte Druckmittelleitung 44 in die Speicherkammer 35 verschoben. Dementsprechend wird das aus dem Kopplerraum 29 herausgedrückte Druckmittel zur Befüllung der Speicherkammer 35 genutzt. Der sich durch die weitere Umdrehung der Nockenwelle 36 in den Kopplerraum 29 schiebende Antriebsstößel 32 bleibt unwirksam und das Pumpenelement 21 bleibt stehen. Die Förderung von Kraftstoff aus dem Pumpenraum 25 in die Druckleitung 14 ist gestoppt. Die Förderung von weiterem Kraftstoff aus dem Pumpenraum 25 kann mit der nächsten Umdrehung der Nockenwelle 36 fortgesetzt werden, beispielsweise bis in die Endstellung im oberen Totpunkt des Pumpenelements 21 gemäß 11, wobei hier die Steuerkante der Druckausgleichsleitung 54 in die Rückstellkammer 28 weist und somit ein schneller Druckausgleich zwischen Kopplerraum 29 und Rückstellkammer 28 stattfindet. Das Pumpenelement 21 befindet sich hierbei im oberen Totpunkt.
Gemäß 11 wird am Förderhubende zur Einleitung der Rückstellbewegung des Pumpenelements 21 das erste Schaltventil 51 in die zweite, geöffnete Schaltstellung und das zweite Schaltventil 52 in die erste, gesperrte Schaltstellung gebracht. Gleichzeitig bewegt der Nocken 37 den Rückstellstößel 34 in die angegebene Pfeilrichtung, so dass das Rückstellvolumen aus der Speicherkammer 35 in die Rückstellkammer 28 gedrückt wird. Das in der zweiten Druckmittelleitung 42 enthaltene zweite Rückschlagventil 62 ist auch hier auf den erforderlichen Rückstelldruck eingestellt. Das dritte Rückschlagventil 63 sperrt ebenfalls den Abfluss des Druckmittels. Sobald das notwendige Fördervolumen im Pumpenraum 25 erreicht ist, wird der Saughub beendet, indem das zweite Schaltventil 52 gemäß 12 wieder in die zweite, geöffnete Schaltstellung gebracht wird. Dadurch wird die Rückstellkammer 28 druckentlastet und das Druckmittel wird aus der Rückstellkammer 28 über die fünfte Druckmittelleitung 45 in den Kopplerraum 29 geschoben. Das durch die weitere Bewegung des Rückstellstößels 34 aus der Speicherkammer 35 gedrückte Druckmittel wird ebenfalls über die Rückstellkammer 28 in den Kopplerraum 29 geleitet. Zum Einleiten des Förderhubs wird das erste Schaltventil 51 gemäß 9 wieder in die erste, geschlossene Schaltstellung gebracht, so dass der erforderliche Kraftübertragungsdruck im Kopplerraum 29 aufgebaut werden kann.
Beim dritten Ausführungsbeispiel kann somit zur Einstellung einer bedarfsgerechten Fördermenge an Kraftstoff die Endstellung des Pumpenelements 21 in Förderhubrichtung und in Saughubrichtung variiert werden. Die dadurch erzielbare Variierung der Hubeinstellungen ermöglicht, dass beim Förderhub nur die benötigte Fördermenge aus dem Pumpenraum 25 gedrückt wird und dass beim Saughub nur die benötigte Fördermenge in den Pumpenraum 25 angesaugt wird und keine Füllung des gesamten Pumpenraums 25 mit Kraftstoff notwendig ist. Dadurch tritt eine geringere Erwärmung des Kraftstoffs auf. Gleichzeitig bewirkt der geschaltete Teilhub in Saughubrichtung ohne vollständige Rückstellung in den unteren Totpunkt, dass das Totvolumen im Pumpenraum 25 minimiert wird, wodurch Kompressionsverluste weiter reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016210728 [0002]

Claims

Förderpumpe, insbesondere für kryogene Kraftstoffe, mit einem von einer Antriebseinrichtung (30) betätigbaren Pumpenelement (21) und einem mit einem Druckmittel gefüllten Kopplerraum (29), über welchen ein Kolbenstößel (24) des Pumpenelements (21) mit einem Antriebsstößel (32) der Antriebseinrichtung (30) in Wirkverbindung gekoppelt ist, wobei das Pumpenelement (21) einen Förderhub zum Verdichten des Kraftstoffs in einem Pumpenraum (25) und einen in entgegengesetzter Richtung sich bewegenden Saughub ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Druckmittel befüllbare Rückstellkammer (28) vorgesehen ist, welcher der Kolbenstößel (24) mit einer in Richtung des Saughubs wirkenden Druckfläche (26) ausgesetzt ist.
Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Druckmittel befüllbare Speicherkammer (35) vorgesehen ist, welche über eine dritte hydraulische Druckmittelleitung (43) mit der Rückstellkammer (28) hydraulisch verbunden ist und in welcher ein auf die Rückstellkammer (28) übertragbarer Rückstelldruck für den Kolbenstößel (24) erzeugbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Rückstelldrucks ein mit der Antriebseinrichtung (30) zusammenwirkender Rückstellstößel (34) auf die Speicherkammer (35) einwirkt.
Förderpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammer (35) über eine vierte hydraulische Druckmittelleitung (44) mit einer ersten Druckmittelleitung (41) hydraulisch verbunden ist, wobei über die erste hydraulische Druckmittelleitung (41) der Kopplerraum (29) von einer Druckmittelpumpe (40) mit Druckmittel befüllbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkammer (28) über eine zweite hydraulische Druckmittelleitung (42) mit einem zweiten Rückschlagventil (62) mit einem drucklosen Druckmittelbehälter (46) hydraulisch verbunden ist, und dass mittels des zweiten Rückschlagventils (62) der Rückstelldruck in der Rückstellkammer (28) einstellbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein hydraulisches Schaltventil (50) vorgesehen ist, welches den Kopplerraum (29) und/oder die Rückstellkammer (28) ansteuert.
Förderpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über das hydraulische Schaltventil (50) der Kopplerraum (29) mit der Speicherkammer (35) hydraulisch verbindbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (50) in der ersten hydraulische Druckmittelleitung (41) in Förderrichtung der Druckmittelpumpe (40) hinter der hydraulischen Verbindung mit der vierten Druckmittelleitung (44) angeordnet ist.
Förderpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über das hydraulische Schaltventil (50) die Rückstellkammer (28) mit dem Kopplerraum (29) hydraulisch verbindbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Schaltventil (50) in einer fünften hydraulischen Druckmittelleitung (45) angeordnet ist, welche die zweite hydraulische Druckmittelleitung (42) in Öffnungsrichtung vor dem zweiten Rückschlagventil (62) mit der ersten hydraulischen Druckmittelleitung (41) hydraulisch verbindet.
Förderpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der fünften hydraulischen Druckmittelleitung (45) mit der ersten hydraulischen Druckmittelleitung (41) zwischen einem ersten und einem vierten Rückschlagventil (61, 64) liegt, die jeweils gegen die Förderrichtung der Druckmittelpumpe (40) sperren.
Förderpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes hydraulisches Schaltventil (51) und ein zweites hydraulisches Schaltventil (52) vorgesehen sind, und dass über das erste Schaltventil (51) der Kopplerraum (29) mit der Speicherkammer (35) und über das zweite Schaltventil (52) die Rückstellkammer (28) mit dem Kopplerraum (29) hydraulisch verbindbar ist.
Förderpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltventil (51) in der ersten hydraulischen Druckmittelleitung (41) in Förderrichtung der Druckmittelpumpe (40) hinter der hydraulischen Verbindung mit der vierten Druckmittelleitung (44) angeordnet ist, und dass das zweite Schaltventil (52) in einer fünften hydraulischen Druckmittelleitung (45) angeordnet ist, welche die zweite hydraulische Druckmittelleitung (42) in Öffnungsrichtung vor dem zweiten Rückschlagventil (62) mit der ersten hydraulischen Druckmittelleitung (41) hydraulisch verbindet.
Förderpumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kopplerraum (29) und Rückstellkammer (28) eine Druckausgleichsleitung (54) vorgesehen ist, die hubabhängig im oberen Totpunkt des Pumpenelements (21) von einer Steuerkante geschaltet wird.