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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 über ein hydraulisch vorgesteuertes Wegeventil abwechselnd mit einer Hochdruckleitung und einer Niederdruckleitung verbindbar.
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Ist eine Verbindung mit der Hochdruckleitung hergestellt, füllt sich der Antriebsraum mit dem hydraulischen Druckmittel, so dass auf den Pumpenkolben eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Pumpenkolben zu einem Förderhub antreibt. Wird anschließend eine Verbindung mit der Niederdruckleitung hergestellt, so dass kein hydraulisches Druckmittel mehr in den Antriebsraum nachströmt, kann die Rückstellung des Pumpenkolbens im Saugbetrieb der Kolbenpumpe bewirkt werden. Dabei strömt Druckmittel aus dem Antriebsraum in die Niederdruckleitung ab. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Kolbenpumpe kann die Rückstellung des Pumpenkolbens mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch bewirkt werden.
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Der Einsatz eines Wegeventils, das hydraulisch vorgesteuert ist, ermöglicht mit vergleichsweise geringen Kräften eine schnelle Druckbeaufschlagung bzw. Entlastung des Antriebsraums der Kolbenpumpe. 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 3/2-Wegeventil. Das heißt, dass das Wegeventil drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen aufweist. Über einen ersten Anschluss ist das Wegeventil mit dem Antriebsraum der Kolbenpumpe verbunden. Jeweils ein weiterer Anschluss dient der Anbindung des Wegeventils an die Hochdruckleitung bzw. an die Niederdruckleitung. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des Wegeventils ist der erste Anschluss mit der Hochdruckleitung oder der Niederdruckleitung verbunden.
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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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Das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil kann in ein Gehäuseteil der Kolbenpumpe integriert oder - mit eigenem Gehäuse - an die Kolbenpumpe angebaut sein. In beiden Fällen kann eine kompaktbauende Anordnung erreicht werden.
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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. Der Anschluss des Steuerraums an die Niederdruckleitung erfolgt vorzugsweise über eine Ablaufdrossel, um die Steuermengen möglichst gering zu halten. Der Drosselquerschnitt der Ablaufdrossel ist dabei größer als der Drosselquerschnitt der Zulaufdrossel zu wählen, damit es zu der erwähnten Entlastung 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, dass 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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Vorteilhafterweise wirkt der Schieberkolben auf der dem Steuerraum abgewandten Seite mit einem Ventilsitz zusammen. Wird der Schieberkolben durch den im Steuerraum herrschenden Steuerdruck gegen den Ventilsitz zurückgestellt, dichtet der Schieberkolben den Anschluss an die Hochdruckleitung ab. Auf diese Weise wird eine höhere Dichtigkeit erzielt, die einer Leckage aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich über eine außenumfangseitige Steuerkante entgegen wirkt. Der Ventilsitz definiert zugleich eine Endlage des Schieberkolbens. Vorzugsweise wird der Ventilsitz durch einen Ventilsitzkörper ausgebildet, der in die Hülse des Wegeventils eingesetzt, beispielsweise eingepresst, ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Vorsteuerkolben eine Schulter aufweist, die mit einem gehäuseseitigen Anschlag zusammenwirkt. Über den Anschlag kann eine weitere Endlage des Schieberkolbens definiert werden.
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Wird der Antriebsraum der Kolbenpumpe über das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil mit der Hochdruckleitung verbunden, wird der Pumpenkolben der Kolbenpumpe mit einer hydraulischen Kraft beaufschlagt, die den Pumpenkolben zu einem Förderhub antreibt. Wird anschließend der Antriebsraum mit der Niederdruckleitung verbunden, führt dies allein noch nicht zu einer Rückstellung des Pumpenkolbens. Die Rückstellung erfordert weitere Maßnahmen bzw. Mittel. Eine Möglichkeit der Rückstellung besteht über den Vorförderdruck des kryogenen Kraftstoffs. Dieser erzeugt eine rückstellende Kraft, welche aber so gering ist, dass die nötige Dynamik des Gesamtsystems nicht ausreicht.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass der Pumpenkolben der Kolbenpumpe in Richtung des Antriebsraums von der Federkraft einer Druckfeder beaufschlagt ist. Die Rückstellung des Pumpenkolbens wird in diesem Fall mechanisch bewirkt, was sich besonders einfach und kostengünstig realisieren lässt.
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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 beispielsweise 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 somit zugleich als Schmiermittel eingesetzt werden.
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Als weiterbildende Maßnahme wird ferner 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 eine vergrößerte Darstellung der hydraulischen Vorsteuerung des Wegeventils der 1 und 2.
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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 begrenzt andernends einen Antriebsraum 4, der über ein hydraulisch vorgesteuertes Wegeventil 5 abwechselnd mit einer Hochdruckleitung 6 und einer Niederdruckleitung 7 verbindbar ist. Ist eine Verbindung mit der Hochdruckleitung 6 hergestellt, herrscht im Antriebsraum 4 Hochdruck, der eine auf den Pumpenkolben 2 in Richtung des Kompressionsraums 3 wirkende hydraulische Kraft bewirkt. Der Pumpenkolben 2 wird auf diese Weise zu einem Förderhub angetrieben Die Rückstellung des Pumpenkolbens 2 wird mittels einer Druckfeder 17 bewirkt, die den Pumpenkolben 2 in Richtung des Antriebsraums 4 vorspannt. Die Rückstellung erfolgt, wenn der Antriebsraum 4 über das Wegeventil 5 mit der Niederdruckleitung 7 verbunden wird, so dass die Federkraft der Druckfeder 17 zur Rückstellung ausreicht.
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Die in der 1 dargestellte Kraftstofffördereinrichtung umfasst ferner eine Hydraulikpumpe 18, die das hydraulische Druckmittel aus einem Tank 20 in Richtung des Wegeventils 5 fördert. Dabei füllt die Hydraulikpumpe 18 einen in der Hochdruckleitung 6 angeordneten Zwischenspeicher 19, der bei variabler abgenommener Menge einen Druckeinbruch in der Hochdruckleitung 6 verhindert. Die Niederdruckleitung 7 ist über eine Rücklaufleitung 21 an den Tank 20 angebunden, so dass ein Hydraulikkreislauf geschaffen wird.
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Das hydraulisch vorgesteuerte Wegeventil 5 ist in der 2 vergrößert dargestellt. In der 2a) ist das Wegeventil 5 in einer ersten Schaltstellung dargestellt, die zu einer Hochdruckbeaufschlagung des Antriebsraums 4 der Kolbenpumpe 1 führt, so dass der Pumpenkolben 2 einen Förderhub ausführt. In der 2b) ist das Wegeventil 5 in einer zweiten Schaltstellung dargestellt, in der eine Verbindung des Antriebsraums 4 mit der Niederdruckleitung 7 besteht, so dass die zur mechanischen Rückstellung des Pumpenkolbens 2 erforderliche Entlastung des Antriebsraums 4 bewirkt wird.
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Das Wegeventil 5 ist als 3/2-Wegeventil ausgeführt und weist einen in einer Hülse 8 hin- und herbeweglich aufgenommenen Schieberkolben 9 auf, über den - in Abhängigkeit von der jeweiligen Schaltstellung - eine Verbindung des Antriebsraums 4 mit der Hochdruckleitung 6 oder mit der Niederdruckleitung 7 herstellbar ist. Der Schieberkolben 9 ist mit einem Vorsteuerkolben 10 gekoppelt, der einen Steuerraum 11 begrenzt. Der Steuerraum 11 ist über eine Zulaufdrossel 13 an die Hochdruckleitung 6 angeschlossen, so dass bei geschlossenem Steuerventil 12 im Steuerraum 11 Hochdruck herrscht. Wird jedoch das Steuerventil 12 geöffnet, ist über eine Ablaufdrossel 14 eine Verbindung des Steuerraums 11 mit der Niederdruckleitung 7 hergestellt, so dass der auf den Vorsteuerkolben 10 lastende Steuerdruck schnell abnimmt. Der Vorsteuerkolben 10 und der Schieberkolben 9 bewegen sich somit nach oben (siehe 2a). Der Schieberkolben 9 gibt dabei einen Ventilsitz 15 frei, der durch einen in die Hülse 8 eingesetzten Ventilsitzkörper 16 ausgebildet wird, so dass hierüber eine Verbindung des Antriebsraums 4 mit der Hochdruckleitung 6 hergestellt ist. Der Pumpenkolben 2 der Kolbenpumpe 1 bewegt sich dementsprechend nach unten. Wird zur Rückstellung des Pumpenkolbens 2 das Steuerventil 12 wieder geschlossen, baut sich über die Zulaufdrossel 13 erneut Hochdruck im Steuerraum 11 auf, der den Vorsteuerkolben 10 einschließlich des Schieberkolbens 9 aufgrund des Flächenverhältnissen der am Vorsteuerkolben 10 und am Schieberkolben 9 ausgebildeten hydraulisch wirksamen Flächen wieder nach unten drückt bis der Schieberkolben 9 wieder zur Anlage am Ventilsitz 15 gelangt (siehe 2b).
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Eine detailliertere Darstellung des Steuerventils 12 ist der 3 zu entnehmen. Der Vorsteuerkolben 10 ist abschnittsweise in einer Führungshülse 27 aufgenommen, in der auch der Steuerraum 11 ausgebildet ist. Die Führungshülse 27 bildet zugleich einen Ventilsitz 28 für ein kugelförmiges Ventilschließelement 29 des Steuerventils 12 aus, in den die Ablaufdrossel 14 mündet. Andernends weist der Vorsteuerkolben 10 eine Schulter 22 auf, die mit einem gehäuseseitigen Anschlag 23 zusammenwirkt. Über den Anschlag 23 ist die obere Endlage des Schieberkolbens 9 definiert. Die untere Endlage ist durch den Ventilsitz 15 des Wegeventils 5 vorgegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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