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Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2 541 062 A1 ist eine Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe, insbesondere für Erdgas, mit einem hin und her beweglichen Pumpenkolben bekannt. Der Pumpenkolben begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, der mit flüssigem Erdgas befüllbar ist, so dass im Pumpenarbeitsraum vorhandenes flüssiges Erdgas über eine Hubbewegung des Pumpenkolbens mit Hochdruck beaufschlagbar ist. Andernends begrenzt der Pumpenkolben einen Antriebsraum, der mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbar ist, um den Pumpenkolben in einer Hubbewegung anzutreiben. Alternativ wird ein elektrischer, pneumatischer oder mechanischer Antrieb vorgeschlagen.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit einer als Kolbenpumpe ausgeführten Kraftstoffhochdruckpumpe anzugeben, die hydraulisch antreibbar ist und eine gesteigerte Dynamik besitzt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe umfasst eine Kolbenpumpe zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck, wobei die Kolbenpumpe einen hin und her beweglichen Pumpenkolben aufweist, der einerseits einen Kompressionsraum und andererseits einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Antriebsraum begrenzt. Erfindungsgemäß ist der Antriebsraum durch den Pumpenkolben in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt, die gegengleich über ein hydraulisch vorgesteuertes Wegeventil abwechselnd mit einer Hochdruckleitung und einer Niederdruckleitung verbindbar sind.
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„Gegengleich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass bei einer Verbindung der ersten Kammer mit der Hochdruckleitung die zweite Kammer mit der Niederdruckleitung verbunden ist bzw. umgekehrt. Dies führt zu einem unterschiedlichen Druckniveau in beiden Kammern, so dass auf den Pumpenkolben eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Pumpenkolben in eine erste Richtung, und zwar in Richtung eines Förderhubs, oder - zur Rückstellung - in eine zweite Richtung antreibt, wobei die zweite Richtung der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Der zeitgleiche Anschluss der jeweils anderen Kammer an die Niederdruckleitung gewährleistet, dass in der Kammer, die durch die Bewegung des Pumpenkolbens verkleinert wird, kein die Bewegung des Pumpenkolbens hemmendes Druckpolster ausgebildet wird.
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Durch das wechselseitig mit Hochdruck beaufschlagbare Zweikammerprinzip kann der Antrieb der Kolbenpumpe rein hydraulisch bewirkt werden. Das heißt, dass beispielsweise eine mechanische Feder zur Rückstellung des Pumpenkolbens entfallen kann.
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Dadurch, das zur Druckbeaufschlagung der beiden Kammern ein hydraulisch vorgesteuertes Wegeventil eingesetzt wird, kann mit vergleichsweise geringen Kräften eine schnelle Druckbeaufschlagung der Kammern bewirkt werden, wobei zeitgleich jeweils immer nur eine Kammer druckbeaufschlagt und eine Kammer entlastet wird. Auf diese Weise können schnelle und zugleich präzise Bewegungen des Pumpenkolbens realisiert werden. Zugleich wird eine hohe Pumpfrequenz der Kolbenpumpe erreicht. Die hohe Pumpfrequenz wiederum ermöglicht eine Verkleinerung des Hubs und/oder des Durchmessers des Pumpenkolbens, so dass die Effizienz der Kraftstofffördereinrichtung gesteigert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil ein 4/2-Wegeventil. Das heißt, dass das Wegeventil vier Anschlüsse und zwei Schaltstellungen aufweist. Über jeweils einen Anschluss sind die beiden Kammern des Antriebsraums abwechselnd mit der Hochdruckleitung oder der Niederdruckleitung bzw. den entsprechenden Anschlüssen des Wegeventils verbindbar. Das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil kann in ein Gehäuseteil der Kolbenpumpe integriert oder - mit eigenem Gehäuse - an die Kolbenpumpe angebaut sein. In beiden Fällen wird eine kompaktbauende Anordnung erreicht.
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Bevorzugt umfasst das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil einen in einer Hülse zwischen zwei Schaltstellungen hin- und herbeweglich aufgenommenen Schieberkolben, der unmittelbar oder mittelbar über einen Vorsteuerkolben einen Steuerraum begrenzt, der an die Hochdruckleitung angeschlossen und über ein Steuerventil mit der Niederdruckleitung verbindbar ist. Bei geschlossenem Steuerventil herrscht im Steuerraum Hochdruck, der als Steuerdruck (unmittelbar oder mittelbar über den Vorsteuerkolben) auf dem Schieberkolben lastet. Wird das Steuerventil geöffnet, strömt hydraulisches Druckmittel aus dem Steuerraum in die Niederdruckleitung ab und der Schieberkolben wird entlastet, so dass sich dieser in Richtung des Steuerraums bewegen kann.
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Im Vergleich zu den Öffnungsquerschnitten des Wegeventils muss das Steuerventil nur einen kleinen Öffnungsquerschnitt bereitstellen, so dass auch der Hub des Steuerventils klein ausfallen kann. Auf diese Weise lassen sich hohe Schaltgeschwindigkeiten mit vergleichsweise geringen Kräften realisieren. Die Kräfte können durch einen entsprechend kleinen Aktor bereitgestellt werden, wobei es sich insbesondere um einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor handeln kann.
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Das Prinzip der hydraulischen Vorsteuerung ist aus der Injektortechnik bereits bekannt und gut beherrscht. Daher kann auf diese Technik, insbesondere auf bereits vorhandene Komponenten, zurückgegriffen werden. Dies hilft Kosten zu sparen. Auch bei der Kraftstoffeinspritzung mittels eines Kraftstoffinjektors kommt es auf schnelle und präzise Bewegungen eines Ventilglieds (hier: die Düsennadel) an, so dass die Erfahrungen aus der Injektortechnik auf den vorliegenden Anwendungsfall übertragbar sind. Die Düsenbaugruppe wird beispielsweise einfach gegen ein Wegeventil ausgetauscht.
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Der mittels des Steuerventils entlastbare Steuerraum ist vorzugsweise über eine Zulaufdrossel an die Hochdruckleitung angeschlossen, so dass der Zulauf in den Steuerraum gedrosselt erfolgt. Dadurch ist sichergestellt, dass mit Öffnen des Steuerventils weniger Druckmittel in den Steuerraum nachströmt als abströmt und die erforderliche Entlastung bewirkt wird. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum mit der Niederdruckleitung über eine Ablaufdrossel verbindbar bzw. - bei geöffnetem Steuerventil - verbunden ist. Über die Ablaufdrossel können die Steuermengen reduziert werden. Der Drosselquerschnitt der Ablaufdrossel ist dabei größer als der Drosselquerschnitt der Zulaufdrossel gewählt, damit es zur erforderlichen Entlastung des Steuerraums kommt. Die Abstimmung der Drosselquerschnitte ist ebenfalls aus der Injektortechnik bekannt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Schieberkolben auf der dem Steuerraum abgewandten Seite dauerhaft mit Hochdruck beaufschlagt ist. In jeder Schaltstellung des Wegeventils wirkt somit auf den Schieberkolben eine hydraulische Kraft, die den Schieberkolben in Richtung des Steuerraums beaufschlagt. Wird das Steuerventil geöffnet, so dass der Steuerdruck im Steuerraum abfällt, führt die auf der dem Steuerraum abgewandten Seite auf den Schieberkolben wirkende hydraulische Kraft dazu, das sich der Schieberkolben in Richtung des Steuerraums bewegt. Wird anschließend das Steuerventil wieder geschlossen, baut sich im Steuerraum erneut Hochdruck auf, so dass ein Druckgleichgewicht herrscht. Vorzugsweise ist das Flächenverhältnis der hydraulisch wirksamen Flächen derart gewählt, dass auf den Schieberkolben eine rückstellende Kraftresultierende wirkt. Beispielsweise kann der Steuerraum durch einen Vorsteuerkolben begrenzt werden, der einen größeren Durchmesser als der Schieberkolben aufweist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Vorsteuerkolben eine Schulter aufweist, die mit einem gehäuseseitigen Anschlag zusammenwirkt. Über den Anschlag kann eine Endlage des Schieberkolbens definiert werden. Um beide Endlagen des Schieberkolbens vorzugeben, weist bevorzugt der Vorsteuerkolben zwei Schultern auf, die beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten eines Ringbundes des Vorsteuerkolbens ausgebildet sein können. Jede Schulter wirkt dabei mit einem gehäuseseitigen Anschlag zusammen. Der andernends auf dem Schieberkolben lastende Hochdruck stellt sicher, dass der Schieberkolben den Kontakt zum Vorsteuerkolben nicht verliert. Eine feste Verbindung zwischen dem Schieberkolben und dem Vorsteuerkolben ist demnach nicht zwingend erforderlich.
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Der Pumpenkolben der Kolbenpumpe ist vorzugsweise mehrteilig ausgeführt und umfasst einen im Antriebsraum aufgenommenen Antriebskolben, der zur Begrenzung der beiden Kammern einen vergrößerten Außendurchmesser aufweist. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Herstellung und/oder die Montage des Pumpenkolbens, wobei vorzugsweise die mehreren Teile des Pumpenkolbens nicht miteinander verbunden sind. Die Kopplung der Kolbenteile bzw. des Antriebskolbens mit dem Pumpenkolben kann durch Kraftschluss und/oder hydraulisch bewirkt werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Kolbenpumpe über die Hochdruckleitung mit der Druckseite einer Hydraulikpumpe verbunden, so dass über die Hydraulikpumpe der erforderliche Druck in der Hochdruckleitung aufbaubar ist. Die Hydraulikpumpe kann ebenfalls als Kolbenpumpe ausgeführt sein. Der Antrieb der Hydraulikpumpe kann in diesem Fall über eine Nockenwelle erfolgen, die mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Anstelle eines Nockentriebs kann auch ein Kurbeltrieb zum Antreiben der Hydraulikpumpe verwendet werden.
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Das hydraulische Druckmittel kann beispielsweise ein Öl, insbesondere ein Motoröl sein. Das hydraulische Druckmittel kann in diesem Fall zugleich als Schmiermittel eingesetzt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der Hochdruckleitung ein Zwischenspeicher angeordnet ist. Die Hydraulikpumpe fördert somit in den Zwischenspeicher. Auf diese Weise kann bei zyklisch fördernder Hydraulikpumpe und/oder zyklisch abnehmendem Wegeventil ein Druckeinbruch in der Hochdruckleitung verhindert werden.
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Weiterhin bevorzugt ist die Kolbenpumpe über die Niederdruckleitung mit einer Rücklaufleitung und/oder einem Tank zur Bevorratung des hydraulischen Druckmittels verbunden. Das hydraulische Druckmittel kann auf diese Weise direkt oder indirekt über die Rücklaufleitung in den Tank zurückgeführt werden, so dass ein Kreislauf entsteht. Über die Rücklaufleitung kann zugleich eine Leckagemenge der Kolbenpumpe in den Tank zurückgeführt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
- 2 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Wegeventils, a) im Förderbetrieb und b) im Saugbetrieb der Kolbenpumpe, und
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch das Wegeventil der Kolbenpumpe der Kraftstofffördereinrichtung der 1 und 2, und
- 4 eine vergrößerte Darstellung der hydraulischen Vorsteuerung des Wegeventils der 3.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs mit einem kryogenen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Kolbenpumpe 1, mittels welcher der Kraftstoff auf Hochdruck gefördert wird. Die Kolbenpumpe 1 weist einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben 2 auf, der einen Kompressionsraum 3 begrenzt, in dem der Kraftstoff verdichtet wird. Über einen Zulauf 24 ist der Kompressionsraum 3 mit Kraftstoff befüllbar. Der verdichtete Kraftstoff verlässt den Kompressionsraum 3 über einen Hochdruckabgang 25, in dem ein Rückschlagventil 26 ausgebildet ist.
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Der Pumpenkolben 2 der Kolbenpumpe 1 weist andernends einen Antriebskolben 19 auf, der in einem Antriebsraum 4 aufgenommen ist und den Antriebsraum 4 in eine erste Kammer 4.1 und eine zweite Kammer 4.2 unterteilt. Über ein hydraulisch vorgesteuertes Wegeventil 5, das vorliegend als ein 4/2-Wegeventil 5 ausgeführt ist, können beide Kammern 4.1, 4.2 abwechselnd mit Hochdruck beaufschlagt werden. Die jeweilige Kammer 4.1, 4.2 wird hierzu über das Wegeventil 5 mit einer Hochdruckleitung 6 verbunden, während die jeweils andere Kammer 4.2, 4.1 mit einer Niederdruckleitung 7 verbunden wird. An den gegenüberliegenden Seiten des Antriebskolbens 19 liegt demnach abwechselnd Hochdruck an, so dass auf den Pumpenkolben 2 eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Pumpenkolben 2 zu einem Förderhub antreibt oder in seine Ausgangslage zurückstellt. Eine Rückstellfeder ist daher zur Rückstellung des Pumpenkolbens 2 nicht erforderlich.
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Zur Versorgung der Kolbenpumpe 1 mit dem hydraulischen Druckmittel weist die Kraftstofffördereinrichtung der 1 eine Hydraulikpumpe 20 auf, die das hydraulische Druckmittel aus einem Tank 23 über die Hochdruckleitung 6 zunächst in einen Zwischenspeicher 21 fördert. Der Zwischenspeicher 21 verhindert, dass es bei variabler abgenommener Menge zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckleitung 6 kommt. Die Niederdruckleitung 7 ist über eine Rücklaufleitung 22 an den Tank 23 angebunden, so dass ein Hydraulikkreislauf geschaffen wird.
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In der 2 ist das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil 5 der Kraftstofffördereinrichtung der 1 vergrößert dargestellt, und zwar in einer ersten Schaltstellung zur Realisierung eines Förderhubs des Pumpenkolbens 2 (2a) und in einer zweiten Schaltstellung zur Rückstellung des Pumpenkolbens 2 (2b).
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Zur Realisierung eines Förderhubs des Pumpenkolbens 2 (2a) wird die erste Kammer 4.1 des Antriebsraums 4 der Kolbenpumpe 1 über das Wegeventil 5 mit der Hochdruckleitung 6 verbunden, während die zweite Kammer 4.2 mit der Niederdruckleitung 7 verbunden wird. Ein in einer Hülse 8 hin- und herbeweglich aufgenommener Schieberkolben 9 des Wegeventils 5 wird hierzu von einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung bewegt. Die Bewegung wird dadurch initiiert, dass ein mittelbar über einen Vorsteuerkolben 10 auf den Schieberkolben 9 wirkender Steuerdruck in einem Steuerraum 11 aktiv abgesenkt wird, während andernends weiterhin Hochdruck am Schieberkolben 9 anliegt. Auf den Schieberkolben 9 wirkt somit eine Kraftresultierende, die den Schieberkolben 9 einschließlich des Vorsteuerkolbens 10 in Richtung des Steuerraums 11 bewegt. Das aktive Absenken des Steuerdrucks im Steuerraum 11 wird mittels eines Steuerventils 12 bewirkt, über welches der Steuerraum 11 mit der Niederdruckleitung 7 verbindbar ist. Öffnet das Steuerventil 12 strömt hydraulisches Druckmittel über eine Ablaufdrossel 14 aus dem Steuerraum 11 in die Niederdruckleitung 7 ab und der Steuerdruck im Steuerraum 11 sinkt.
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Zur Rückstellung des Pumpenkolbens 2 (2b) wird die Verbindung des Steuerraums 11 mit der Niederdruckleitung 7 über das Steuerventil 12 unterbrochen, so dass sich erneut Druck im Steuerraum 11 aufbauen kann. Der Steuerraum 11 ist hierzu über eine Zulaufdrossel 13 mit der Hochdruckleitung 6 verbunden. Da der Vorsteuerkolben 10 einen größeren Durchmesser als der Schieberkolben 9 aufweist, führt der Druckanstieg im Steuerraum 11 zu einer Kraftresultierenden, die den Vorsteuerkolben 10 und den Schieberkolben 9 wieder nach unten bewegt. In dieser Schaltstellung ist eine Verbindung der zweiten Kammer 4.2 des Antriebsraums 4 der Kolbenpumpe 1 mit der Hochdruckleitung 6 hergestellt, während die erste Kammer 4.1 mit der Niederdruckleitung 7 verbunden ist. Die auf den Antriebskolben 19 des Pumpenkolbens 2 wirkende Kraftresultierende führt schließlich zur Rückstellung des Pumpenkolbens 2.
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Etwas detailliertere Darstellungen des 4/2-Wegeventils 5 und des Steuerventils 12 zur hydraulischen Vorsteuerung des 4/2-Wegeventils 5 sind den 3 und 4 zu entnehmen. Die 3 macht deutlich, dass das Steuerventil 12 analog einem Magnetventil zur Steuerung einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors aufgebaut sein kann, so dass zum Teil gleiche Komponenten verbaut werden können. Analog einem Kraftstoffinjektor kann der Steuerraum 11 in einer Führungshülse 27 ausgebildet sein, in der - anstelle einer Düsennadel - der Vorsteuerkolben 10 abschnittsweise aufgenommen ist. Die Führungshülse 27 bildet zugleich einen Ventilsitz 28 für ein Ventilschließelement 29 des Steuerventils 12 aus, wobei in den Ventilsitz 28 die Ablaufdrossel 14 mündet (siehe 4).
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Wie ferner der 4 zu entnehmen ist, weist der Vorsteuerkolben 10 an seinem dem Steuerraum 11 abgewandten Ende einen Ringbund zur Ausbildung einer ersten und einer zweiten Schulter 15, 16 auf, die jeweils mit einem gehäuseseitigen Anschlag 17, 18 zusammenwirken. Über die Schultern 15, 16 und die Anschläge 17, 18 sind die Endlagen des Vorsteuerkolbens 10 und des Schieberkolbens 9 vorgebbar. Denn der unten am Schieberkolben 9 anliegende Hochdruck stellt sicher, dass auf den Schieberkolben 9 eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Schieberkolben 9 in Kontakt mit dem Vorsteuerkolben 10 hält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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