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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Dual-Fuel-Einspritzsystem, das der Einspritzung von Dieselkraftstoff und eines weiteren Kraftstoffs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs dient. Der weitere Kraftstoff ist vorzugsweise ebenfalls ein flüssiger Kraftstoff, aber kein Dieselkraftstoff. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Dual-Fuel-Einspritzsystem zum Einspritzen von Dieselkraftstoff und einem weiteren, vorzugsweise ebenfalls flüssigen Kraftstoff mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe.
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Stand der Technik
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Einspritzsysteme zur Einspritzung von Dieselkraftstoff, insbesondere Common-Rail-Einspritzsysteme, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. In der Regel umfassen diese einen Tank zur Bevorratung des Dieselkraftstoffs, eine Vorförderpumpe zur Entnahme des Dieselkraftstoffs aus dem Tank und eine Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung des Dieselkraftstoffs. Die Hochdruckpumpe ist üblicherweise als Kolbenpumpe, insbesondere als Radialkolbenpumpe, ausgeführt und umfasst mindestens ein Pumpenelement mit einem hin- und herbeweglichen Pumpenkolben, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Durch die Hin- und Herbewegungen des Pumpenkolbens wird abwechselnd Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum angesaugt bzw. der angesaugte Kraftstoff verdichtet. Das Ansaugen von Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum erfolgt über ein Saug- oder Einlassventil. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird anschließend über ein Auslassventil und eine Hochdruckleitung einem Hochdruckspeicher, dem sogenannten Rail, zugeführt. Mit Hilfe mindestens eines an das Rail angeschlossenen Einspritzventils kann dann der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden.
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Darüber hinaus sind Einspritzsysteme bekannt, die der Einspritzung zweier unterschiedlicher Kraftstoffe dienen, sogenannte Dual-Fuel-Einspritzsysteme. Hierbei kann es sich beispielsweise um Erdgas als erstem Kraftstoff und um Dieselkraftstoff als zweitem Kraftstoff handeln. Der Dieselkraftstoff wird in diesen Systemen zum Zünden des Erdgases genutzt und kurz vor dem Erdgas im Wege einer Piloteinspritzung in den Brennraum eingespritzt. Die Einspritzung beider Kraftstoffe kann mit Hilfe eines Dual-Fuel-Injektors realisiert werden, der hierzu zwei getrennt ansteuerbare Düsennadeln besitzt. Alle übrigen Komponenten des Einspritzsystems, insbesondere der Tank, die Vorförderpumpe, die Hochdruckpumpe und das Rail sind demgegenüber doppelt vorzusehen, wodurch sich der konstruktive Aufwand deutlich erhöht.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufwand bei der Einspritzung zweier unterschiedlicher Kraftstoffe zu verringern. Insbesondere soll die Teilezahl reduziert werden. Auf diese Weise kann zugleich Bauraum und Gewicht eingespart werden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Dual-Fuel-Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird eine Hochdruckpumpe für ein Dual-Fuel-Einspritzsystem, das der Einspritzung von Dieselkraftstoff und eines weiteren, vorzugsweise ebenfalls flüssigen Kraftstoffs zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs dient. Die Hochdruckpumpe umfasst mindestens ein Pumpenelement mit einem hin- und herbeweglichen Pumpenkolben, der einerseits einen Pumpenarbeitsraum begrenzt und andererseits über einen Rollenstößel an einer Nockenwelle abgestützt ist. Die Rotation der Nockenwelle wird auf diese Weise in eine translatorische Bewegung des Pumpenkolbens umgesetzt. Erfindungsgemäß sind drei in Reihe angeordnete Pumpenelemente vorgesehen, von denen ein Pumpenelement der Förderung von Dieselkraftstoff dient und zwei Pumpenelemente der Förderung des weiteren Kraftstoffs dienen. Das heißt, dass die vorgeschlagene Hochdruckpumpe sowohl zur Hochdruckbeaufschlagung des Dieselkraftstoffs als auch zur Hochdruckbeaufschlagung des weiteren Kraftstoffs einsetzbar ist. Entsprechend kann eine Hochdruckpumpe eingespart werden.
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Hochdruckpumpen mit mehreren Pumpenelementen sind grundsätzlich bekannt. Diese werden jedoch nur zur Förderung eines einzigen Kraftstoffs eingesetzt. Die mehreren Pumpenelemente sind daher gleich aufgebaut und gleich ausgelegt. Da die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe der Förderung zweier unterschiedlicher Kraftstoffe dient, die sich hinsichtlich Brennwert und/oder Dichte unterscheiden können, müssen die Pumpenelemente ggf. entsprechend modifiziert werden. Insbesondere kann es erforderlich sein, das Fördervolumen eines Pumpenelements an den jeweiligen Kraftstoff anzupassen.
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Bei dem weiteren Kraftstoff kann es sich beispielsweise um Methanol, Dimethylester oder einen sonstigen synthetischen Kraftstoff handeln. In der Regel weisen diese Kraftstoffe einen geringeren Brennwert und eine geringere Dichte als Dieselkraftstoff auf. Das Fördervolumen ist dementsprechend zu erhöhen.
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Da die Pumpenkolben aller drei Pumpenelemente über ein und dieselbe Nockenwelle angetrieben werden, kann die Drehzahl zur Erhöhung des Fördervolumens nicht nach Pumpenelementen getrennt variiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Pumpenkolben der Pumpenelemente, die der Förderung des weiteren Kraftstoffs dienen, jeweils einen Kolbendurchmesser D2 aufweisen, der gegenüber einem Kolbendurchmesser D1 des Pumpenkolbens des Pumpenelements, das der Förderung des Dieselkraftstoffs dient, vergrößert ist. Über die Vergrößerung des Kolbendurchmessers kann das Fördervolumen einfach angehoben werden und an den jeweiligen Brennwert bzw. die jeweilige Dichte des Kraftstoffs angepasst werden.
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Mit der Vergrößerung des Kolbendurchmessers ändert sich auch die Belastung im Abstützbereich des Pumpenkolbens am Rollenstößel bzw. an der Nockenwelle. Damit die Belastung bei allen drei Pumpenelementen möglichst gleich ist, wird vorgeschlagen, dass der maximale Einspritzdruck entsprechend dem Kolbenflächenverhältnis (D2/D1)2 im Vergleich zum Pumpenelement für den Dieselkraftstoff reduziert wird, so dass auf den Rollenstößel die gleiche Kraft wirkt.
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Bevorzugt sind mindestens zwei der drei Pumpenelemente fremdgeschmiert und weisen einen auf dem Pumpenkolben angeordneten Kolbendichtring zur Medientrennung auf. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um die beiden Pumpenelemente für den weiteren Kraftstoff, beispielsweise Methanol, Dimethylester oder einen sonstigen synthetischen Kraftstoff. Denn diese Kraftstoffe weisen in der Regel schlechte Schmiereigenschaften auf. Anders verhält es sich bei Dieselkraftstoff, so dass das Pumpenelement, das der Förderung von Dieselkraftstoff dient, auch mit Dieselkraftstoff geschmiert werden kann. In diesem Fall ist ein Kolbendichtring zur Medientrennung verzichtbar. Die beiden anderen Pumpenelemente sind dann vorzugsweise ebenfalls dieselgeschmiert. Alternativ kann aber auch das dieselfördernde Pumpenelement wie die beiden anderen ölgeschmiert sein und einen Pumpenkolben mit einem Kolbendichtring aufweisen.
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Des Weiteren bevorzugt weisen die Pumpenkolben der Pumpenelemente, die der Förderung des weiteren Kraftstoffs dienen, jeweils einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser D3 auf. Im Bereich des Abschnitts mit reduziertem Durchmesser D3 kann der Kolbendichtring auf dem Pumpenkolben angeordnet werden. Vorzugsweise entspricht der reduzierte Durchmesser D3 dem Kolbendurchmesser D1 des Pumpenkolbens des Pumpenelements, das der Förderung des Dieselkraftstoffs dient. Denn in diesem Fall kann ein standardisierter Kolbendichtring aus ölgeschmierten Dieselpumpen verwendet werden.
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Idealerweise sind die Pumpenkolben der Pumpenelemente, die der Förderung des weiteren Kraftstoffs dienen, jeweils als Stufenkolben ausgeführt. Die Ausführung als Stufenkolben erleichtert die Montage des Kolbendichtrings, wenn der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser D3 im Fußbereich angeordnet wird. Eine ggf. verkürzte Dichtlänge des Kolbendichtrings ist aufgrund des niedrigeren Drucks hinnehmbar.
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Wie bereits eingangs erwähnt, kann es sich bei dem weiteren Kraftstoff um Methanol, Dimethylester oder einen sonstigen synthetischen Kraftstoff handeln. Wird aufgrund des geringeren Brennwerts und der geringeren Dichte dieser Kraftstoffe gegenüber Dieselkraftstoff das Fördervolumen angehoben, muss entsprechend der Durchfluss durch das Saugventil zur Befüllung des Pumpenarbeitsraums mit Kraftstoff erhöht werden. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass die Sitzgeometrie des Saugventils entsprechend modifiziert wird. Alternativ oder ergänzend kann die Federkraft der Schließfeder verändert werden. Da in der Regel das Auslassventil als Kalotten-Druckventil ausgeführt ist, bedarf dieses keiner Modifikation, da diese Ventile bereits für einen höheren Durchfluss geeignet sind.
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Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe ist insbesondere darin zu sehen, dass weitgehend die gleichen Pumpenbauteile und Bauteilgruppen wie bei einer Hochdruckpumpe für ein Common-Rail-Einspritzsystem verwendet werden können. Dadurch können die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden.
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Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Dual-Fuel-Einspritzsystem zum Einspritzen von Dieselkraftstoff und einem weiteren, vorzugsweise ebenfalls flüssigen Kraftstoff, zeichnet sich dadurch aus, dass es eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe sowie ein erstes und ein zweites Rail zur Hochdruckspeicherung der beiden Kraftstoffe umfasst. Das Dual-Fuel-Einspritzsystem besitzt demnach nur eine Hochdruckpumpe zur Hochdruckbeaufschlagung beider Kraftstoffe. Dadurch können insbesondere Bauraum und Gewicht eingespart werden und der einzige am Verbrennungsmotor vorhandene Antrieb für eine Dieselhochdruckpumpe ist ausreichend.
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Bevorzugt ist an das erste und zweite Rail mindestens ein Dual-Fuel-Injektor angeschlossen, der über das erste und zweite Rail mit beiden Kraftstoffen versorgbar ist. Das heißt, dass der Dual-Fuel-Injektor sowohl an das erste Rail als auch an das zweite Rail angeschlossen ist. Der Dual-Fuel-Injektor kann insbesondere zwei koaxial angeordnete Düsennadeln aufweisen, mittels welcher jeweils mindestens eine Einspritzöffnung zum Einspritzen des jeweiligen Kraftstoffs steuerbar ist. Auf diese Weise kann die Teilezahl weiter reduziert werden.
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Ferner bevorzugt sind ein erster Tank für den Dieselkraftstoff und ein zweiter Tank für den weiteren Kraftstoff vorgesehen, wobei jeder Tank über eine Zulaufleitung mit der Hochdruckpumpe verbunden ist. Die beiden Kraftstoffe werden demnach in getrennten Tanks an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und der Hochdruckpumpe über getrennte Zulaufleitungen zugeführt. Die Zuführung kann jeweils mit Hilfe einer Vorförderpumpe realisiert werden. Ferner kann in den Zulaufleitungen jeweils mindestens ein Kraftstofffilter angeordnet sein, der verhindert, dass etwaige im Kraftstoff enthaltene schädliche Partikel in die Hochdruckpumpe gelangen.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Hochdruckpumpe über eine erste Rücklaufleitung mit dem ersten Tank und über eine zweite Rücklaufleitung mit dem zweiten Tank zur Rückführung überschüssiger Kraftstoffmengen in den jeweiligen Tank verbunden ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dual-Fuel-Einspritzsystems mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Pumpenelement der Hochdruckpumpe der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Dual-Fuel-Einspritzsystem dient der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen, wobei ein Kraftstoff Dieselkraftstoff ist. Der weitere Kraftstoff ist vorzugsweise ebenfalls flüssig und kann beispielsweise Methanol sein. Die beiden Kraftstoffe werden in separaten Tanks 11, 12 bevorratet und mit Hilfe separater Vorförderpumpen 15, 16 über Zulaufleitungen 13, 14 einer gemeinsamen Hochdruckpumpe 1 zur Hochdruckbeaufschlagung zugeführt. In den Zulaufleitungen 13, 14 ist jeweils ein Kraftstofffilter 17, 18 angeordnet, um den Eintrag von Partikeln in die Hochdruckpumpe 1 zu vermeiden. Die Hochdruckpumpe 1 weist zur Hochdruckbeaufschlagung des Dieselkraftstoffs ein erstes Pumpenelement 2 auf, das in Reihe mit zwei weiteren Pumpenelementen 2 für den weiteren Kraftstoff angeordnet ist. Während das erste Pumpenelement 2 für den Dieselkraftstoff in ein erstes Rail 8 fördert, fördern die beiden weiteren Pumpenelemente 2 den weiteren Kraftstoff in ein weiteres Rail 9. Sowohl der Dieselkraftstoff als auch der weitere Kraftstoff werden mit Hilfe eines Dual-Fuel-Injektors 10 in einen Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt, der hierzu an beide Rails 8, 9 angeschlossen ist. Zur Druckregelung ist jedes Rail 8, 9 mit einem Druckregelventil 21, 22 ausgestattet, das jeweils stirnseitig an dem entsprechenden Rail 8, 9 angeordnet ist. Zur Rückführung überschüssiger Kraftstoffmengen sind die Hochdruckpumpe 1, die beiden Rails 8, 9 und der Dual-Fuel-Injektor 10 über Rücklaufleitungen 19, 20 mit dem jeweiligen Tank 11, 12 verbunden. Das dargestellte Dual-Fuel-Einspritzsystem weist den Vorteil auf, dass nur eine Hochdruckpumpe 1 zur Hochdruckbeaufschlagung der beiden Kraftstoffe benötigt wird.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist jedes Pumpenelement 2 der Hochdruckpumpe 1 einen hin- und herbeweglichen Pumpenkolben 3 auf, der einerseits einen Pumpenarbeitsraum 4 begrenzt und andererseits über einen Rollenstößel 5 an einer Nockenwelle 6 abgestützt ist. Die Drehbewegung der Nockenwelle 6 wird auf diese Weise in eine translatorische Bewegung des Pumpenkolbens 3 umgesetzt. Dem Pumpenkolben 3 liegt am Pumpenarbeitsraum 4 ein Saugventil 23 gegenüber, das elektromagnetisch ansteuerbar ist. Das Abführen von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 4 erfolgt über ein Auslassventil 24, das als Kalotten-Druckventil ausgeführt ist.
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Das in der 2 dargestellte Pumpenelement 2 dient der Hochdruckbeaufschlagung des weiteren Kraftstoffs. Da das Pumpenelement 2 fremdgeschmiert ist, ist auf dem Pumpenkolben 3 ein Kolbendichtring 7 zur Medientrennung angeordnet. Im Bereich des Kolbendichtrings 7 weist der Pumpenkolben 3 einen Abschnitt mit verringertem Durchmesser auf, so dass ein Standard-Kolbendichtring 7 verwendbar ist. Denn im Übrigen ist der Kolbendurchmesser des Pumpenkolbens 3 gegenüber dem Pumpenkolben 3 des Pumpenelements 2 für den Dieselkraftstoff vergrößert. Auf diese Weise kann das Fördervolumen des Pumpenelements 2 erhöht werden, um einen geringeren Brennwert und eine geringere Dichte des weiteren Kraftstoffs gegenüber dem Dieselkraftstoff zu kompensieren. Der Durchfluss des Saugventils 23 wurde zudem an das erhöhte Fördervolumen des Pumpenelements 2 angepasst.
