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Hintergrund und Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des beigefügten unabhängigen Patentanspruchs. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug gemäß den abhängigen Patentansprüchen.
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Ein Verbrennungsmotor wie ein Dieselmotor oder ein Ottomotor ist mit einer Kraftstoffanlage zum Pumpen von Kraftstoff von einem oder mehreren Kraftstofftanks zur Einspritzung des Verbrennungsmotors ausgestattet. Die Kraftstoffanlage umfasst eine oder mehrere Kraftstoffpumpen, die mechanisch vom Verbrennungsmotor oder von einem Elektromotor angetrieben werden können. Die Kraftstoffpumpen erzeugen einen Kraftstoffstrom und einen Druck zum Pumpen des Kraftstoffs zur Einspritzung des Verbrennungsmotors, der die Brennkammer des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff versorgt.
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Die Kraftstoffanlage umfasst ebenfalls einen oder mehrere Kraftstofffilter, durch die der Kraftstoff auf dem Weg zum Verbrennungsmotor strömt und gefiltert wird. Die Kraftstofffilter verstopfen durch Partikel im Kraftstoff, die bei der Kraftstofffilterung in den Filtern hängen bleiben. Wenn ein Kraftstofffilter durch Partikel verstopft oder teilweise verstopft ist, wird das Strömen von Kraftstoff von den Kraftstofftanks zur Einspritzung des Verbrennungsmotors behindert oder erschwert, da der Kraftstoff nicht mehr so leicht durch den Kraftstofffilter strömen kann. Bei bestimmten Betriebsbedingungen fällt ebenfalls Paraffin im Kraftstoff aus, bleibt in dem Kraftstofffilter hängen und verstopft diese, wodurch das Pumpen des Kraftstoffs zusätzlich behindert und erschwert wird.
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Bei einem Kaltstart, bei dem der Kraftstofffilter schnell verstopft, oder bei einer hohen Drehmomentleistung des Verbrennungsmotors kann ein besonders hoher Kraftstoffstrom die Gefahr von Betriebsunterbrechungen des Verbrennungsmotors verringern. Bei einer mechanischen Kraftstoffpumpe, die vom Verbrennungsmotor angetrieben und gesteuert wird, gibt es allerdings keine Möglichkeit, einen zusätzlichen Kraftstoffstrom und -druck zu erzeugen, wenn die Kraftstofffilter verstopft sind.
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Nach dem Stand der Technik kann eine von einem Elektromotor angetriebene Kraftstoffpumpe in einer Kraftstoffanlage angeordnet werden, die eine vom Verbrennungsmotor mechanisch angetriebene Kraftstoffpumpe umfasst.
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Die Patentschrift
WO 2004/037595 A1 beschreibt eine Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, die zwei Kraftstoffpumpen umfasst. Eine der Pumpen ist eine von einem Verbrennungsmotor angetriebene Kraftstoffpumpe und die andere Pumpe ist eine Transferpumpe, die Kraftstoff von einem ersten zu einem zweiten Kraftstofftank pumpt. Gemäß einer Ausführungsform kann die Transferpumpe über ein Dreiwegeventil Kraftstoff in Reihe mit der vom Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftstoffpumpe Kraftstoff fördern, um den Kraftstoffstrom während der Versorgung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Die vom Verbrennungsmotor angetriebene Kraftstoffpumpe kann keinen ausreichenden Kraftstoffstrom während der Versorgung des Verbrennungsmotors erzeugen.
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Der Stand der Technik sieht ebenfalls das Anordnen von zwei von einem Elektromotor angetriebenen Kraftstoffpumpen in einer Kraftstoffanlage vor, die in Reihe oder parallel zum Pumpen von Kraftstoff von einem Kraftstofftank zur Einspritzung eines Verbrennungsmotors angeordnet sein können.
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Die Patentschrift
DE 10 2004 061 249 B3 beschreibt eine Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, die zwei von Elektromotoren angetriebene Kraftstoffpumpen umfasst, die in Reihe oder parallel angeschlossen sein können, um einen Verbrennungsmotor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen mit Kraftstoff zu versorgen. Bei parallel angeschlossenen Pumpen kann der Kraftstoffstrom über ein größeres Stromintervall gesteuert werden, und bei in Reihe angeschlossenen Pumpen kann der Kraftstoffdruck über ein größeres Druckintervall im Vergleich zur Verwendung von nur einer Pumpe gesteuert werden.
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Die Patentschriften
US 7 546 835 B1 ,
US 2010/024770 A1 und
US 2010/0024789 A1 beschreiben Kraftstoffzuführsysteme mit zwei Tanks sowie einer in jedem der Tanks angeordneten Pumpe. Die Patentschriften
US 6 276 342 B ,
US 2007/0023014 A1 ,
US 7 069 913 B1 ,
US 6 371 153 B1 und
US 2014/0014073 A1 beschreiben Kraftstoffzuführsysteme mit einem einzigen Satteltank und darin angeordneten Pumpen. Die Patentschrift
US 2014/0014073 A1 beschreibt darüber hinaus einen Kraftstofffilter, der stromabwärts von der einen Pumpe angeordnet ist.
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Trotz der Lösungen nach dem Stand der Technik auf diesem Gebiet besteht ein Bedarf zur Entwicklung einer Kraftstoffanlage, welche die Gefahr von Betriebsunterbrechungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors verringert, die den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors senkt und die eine höhere Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen eine Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, welche die Gefahr von Betriebsunterbrechungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors verringert.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Bereitstellen einer Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, die den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors senkt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Bereitstellen einer Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor, die eine höhere Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden von der Kraftstoffanlage der anfangs beschriebenen Art erfüllt, welche die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Entsprechende Aufgaben werden ebenfalls von einem Verbrennungsmotor und einem Fahrzeug mit solch einer Kraftstoffanlage erfüllt.
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Durch Anordnen einer von einem Elektromotor gesteuerten Hauptförderpumpe und einer von einem Elektromotor gesteuerten Transferpumpe in einem Niederdruckkreis in einer Kraftstoffanlage ist ein breiteres Steuerintervall möglich als mit einer mechanischen Pumpe, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben und gesteuert wird. Die vom Elektromotor gesteuerte Hauptförderpumpe kann nach anderen Parametern gesteuert werden als die Motordrehzahl, beispielsweise Verstopfungsgrad des Kraftstofffilters und Druck in den Kraftstoffleitungen. Bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen mit Anforderungen außerhalb der aktuellen Spezifikationen kann die vom Elektromotor gesteuerte Hauptförderpumpe mehr Kraftstoff fördern und dadurch eine flexiblere Regelung der Kraftstoffversorgung erzielen, was die Gefahr von Betriebsunterbrechungen verringert. Die Hauptförderpumpe und die Transferpumpe sind geeigneterweise Niederdruckpumpen.
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Ein Ventil ist in Verbindung mit der Transferpumpe angeordnet, so dass die Transferpumpe über das Ventil mit der anderen Kraftstoffleitung verbunden ist. Somit kann die Transferpumpe Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank zur zweiten Kraftstoffleitung und weiter zum Verbrennungsmotor fördern. Der Kraftstoffstrom von der Transferpumpe zusammen mit dem Kraftstoffstrom von der Hauptförderpumpe führt dazu, dass der gesamte Kraftstoffstrom zum Verbrennungsmotor zunimmt. Auf diese Weise wird eine Kraftstoffanlage bereitgestellt, die eine erhöhte Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ermöglicht. Eine vorübergehende Zunahme des Stroms kann ebenfalls Paraffin in den Kraftstofffiltern lösen, was die Gefahr von Betriebsunterbrechungen verringert.
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Durch Anordnen einer von einem Elektromotor gesteuerten Hauptförderpumpe in der Kraftstoffanlage ist eine genauere Regelung der Kraftstoffversorgung wie bei einer mechanischen Förderpumpe möglich, die vom Verbrennungsmotor angetrieben und gesteuert wird. Auf diese Weise wird eine Kraftstoffanlage bereitgestellt, die eine erhöhte Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Vorzugsweise sind Hauptförderpumpe, Transferpumpe und Ventil über einen CAN-Bus mit einer Steuervorrichtung verbunden. Somit wird eine kompakte Kraftstoffanlage bereitgestellt, die einfach zu steuern ist und somit für eine ordnungsgemäße Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors sorgt.
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Geeigneterweise ist der erste Kraftstofftank zur Aufnahme eines kleineren Volumens als der zweite Kraftstofftank ausgebildet. Vorzugsweise nimmt der erste Kraftstofftank 20 bis 50 Liter und der zweite Kraftstofftank 300 bis 1.000 Liter auf. Dadurch nimmt der erste Kraftstofftank weniger Platz ein und ist in einem Chassis mit beengtem Raum einfacher anzuordnen. Ferner sorgt ein kleinerer Kraftstofftank dafür, dass die Kraftstoffanlage den Verbrennungsmotor bei einem niedrigeren Kraftstoffstand mit Kraftstoff versorgen kann, wie wenn das gleiche Kraftstoffvolumen dem größeren zweiten Kraftstofftank zugeführt wird. Somit werden Betriebsunterbrechungen bei einem niedrigen Kraftstoffstand im Kraftstofftank vermieden.
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Durch Anordnen der Hauptförderpumpe im ersten Kraftstofftank ist die Hauptförderpumpe vor der Umwelt geschützt und es wird eine natürliche Kühlung des Kraftstoffs im ersten Kraftstofftank erzielt. Die Transferpumpe ist innerhalb des ersten Kraftstofftanks angeordnet. Bei Anordnung der Hauptförderpumpe und der Transferpumpe innerhalb des ersten Kraftstofftanks wird eine platzsparende Kraftstoffanlage erzielt.
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Weitere kennzeichnende Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend ist eine beispielhafte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen dargelegt.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs, das eine Kraftstoffanlage für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
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2 zeigt ein Kopplungsdiagramm für eine Kraftstoffanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt ein Fließbild eines Verfahrens zum Steuern einer Kraftstoffanlage.
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Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 1, wobei das Fahrzeug eine Kraftstoffanlage 4 für einen Verbrennungsmotor 2 umfasst. Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einem Getriebe 6 verbunden, das wiederum über eine Übertragung mit den Antriebsrädern 8 des Fahrzeugs 1 verbunden ist. Das Fahrzeug umfasst ebenfalls ein Chassis 10.
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2 zeigt ein Kopplungsdiagramm für die Kraftstoffanlage 4. Die Kraftstoffanlage 4 umfasst mehrere Komponenten, von denen ein Hauptkraftstofffilter 12, eine Hochdruckpumpe 14, ein Speicher in Form eines sogenannten Common-Rail-Systems 16 und eine schematisch dargestellte Einspritzung 18 in Form einer Kraftstoffeinspritzdüse im Verbrennungsmotor 2 angeordnet sind. Alternativ kann das Common-Rail-System 16 durch eine andere Form einer Einspritzung beispielsweise eine Piezo- oder Blockeinspritzung ersetzt werden. Die Kraftstoffanlage 4 umfasst ebenfalls einen ersten Kraftstofftank 20, einen zweiten Kraftstofftank 22, einen dritten Kraftstofftank 24, eine Hauptförderpumpe 26, eine Transferpumpe 28, ein Vorfilter 30 und ein Ventil 32. Diese Komponenten können am Chassis 10 des Fahrzeugs angeordnet sein. Der Hauptkraftstofffilter 12 ist stromabwärts von der Hauptförderpumpe 26 und stromaufwärts von der Hochdruckpumpe 14 in der Kraftstoffanlage 4 angeordnet. Ferner umfasst die Kraftstoffanlage 4 eine Rücklaufleitung 13, durch die überschüssiger Kraftstoff von Einspritzung 18, Common-Rail-System 16, Hochdruckpumpe 14 und Hauptkraftstofffilter 12 zurück zum ersten Kraftstofftank 20 fließt.
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Alle drei Tanks 20, 22, 24 sind jeweils an ihren oberen Teilen mit einem Entlüftungsrohr 50 verbunden, das über einen Luftfilter 51 mit der Umwelt verbunden ist. Das Entlüftungsrohr 50 stellt sicher, dass der Druck in den jeweiligen Tanks 20, 22, 24 stets dem Luftdruck der Umwelt entspricht, ungeachtet dessen, wie viel Kraftstoff sich in den jeweiligen Tanks befindet. Der Luftfilter 51 verhindert, dass Verunreinigungen in der Umgebungsluft in das Entlüftungsrohr 50 beim Entlüften der Tanks dringen.
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Der erste Kraftstofftank 20 ist so ausgebildet, dass er ein kleineres Volumen aufnimmt als der zweite Kraftstofftank 22 und der dritte Kraftstofftank 24. Der zweite Kraftstofftank 22 und der dritte Kraftstofftank 24 nehmen im Wesentlichen das gleiche Volumen auf und weisen einen selbstregulierenden Strom untereinander über ein zwischen dem unteren Teil des zweiten Kraftstofftanks 22 und dem dritten Kraftstofftank 24 angeordnetes Verbindungsrohr 34 auf. Die Transferpumpe 28 ist gemäß 2 zwischen dem ersten Kraftstofftank 20 und dem zweiten Kraftstofftank 22 angeordnet. Die Transferpumpe 28 wird von einem ersten Elektromotor M1 angetrieben und dient hauptsächlich dazu, Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 22 zum ersten Kraftstofftank 20 über eine erste Kraftstoffleitung 36 zu pumpen. Zwischen dem ersten Kraftstofftank 20 und dem zweiten Kraftstofftank 22 ist eine zusätzliche Leitung 38 angeordnet, so dass Kraftstoff vom ersten Kraftstofftank 20 zum zweiten Kraftstofftank 22 strömen kann, wenn der erste Kraftstofftank 20 zu voll wird. Die Hauptförderpumpe 26 ist innerhalb des ersten Kraftstofftanks 20 angeordnet, ist somit vor der Umwelt geschützt und wird durch den Kraftstoff gekühlt. Die Hauptförderpumpe 26 wird von einem zweiten Elektromotor M2 angetrieben und pumpt den Kraftstoff vom ersten Kraftstofftank 20 über eine zweite Kraftstoffleitung 40 durch den Hauptkraftstofffilter 12 zur Hochdruckpumpe 14. Der Kraftstoff wird anschließend unter einem hohen Druck zum Common-Rail-System 16 und weiter zur Einspritzung 18 gepumpt. Die Hauptförderpumpe 26 und die Transferpumpe 28 werden von einer Steuervorrichtung 42 über einen CAN-Bus 44 gesteuert.
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Im zweiten Kraftstofftank 22 ist stromaufwärts von der Transferpumpe 28 ein grobmaschiges Sieb 52 angeordnet, durch das die Transferpumpe 28 Kraftstoff ansaugt. Das grobmaschige Sieb 52 filtert Partikel über einer bestimmten vorgegebenen Größe aus. Der Vorfilter 30 ist stromabwärts von der Transferpumpe 28 angeordnet und filtert den vom zweiten Kraftstofftank 22 zugeführten Kraftstoff vor. Das Ventil 32 ist stromabwärts vom Vorfilter 30 angeordnet und umfasst einen mit der Transferpumpe 28 verbundenen Einlauf, einen mit der ersten Kraftstoffleitung 36 verbundenen ersten Auslauf und einen mit der zweiten Kraftstoffleitung 40 verbunden zweiten Auslauf. Das Ventil 32 ist mit dem CAN-Bus 44 verbunden und wird in einer Ausgangsstellung so gesteuert, dass die Transferpumpe 28 mit dem ersten Auslauf und somit mit der ersten Kraftstoffleitung 36 verbunden ist. In dieser Ausgangsstellung pumpt somit die Transferpumpe 28 Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 22 zum ersten Kraftstofftank 20. Im ersten Kraftstofftank 20 ist ein erster Füllstandsensor 46 angeordnet, um den Kraftstoffstand im ersten Kraftstofftank 20 zu ermitteln. Ein zweiter Füllstandsensor 48 ist im zweiten Kraftstofftank 22 angeordnet, um den Kraftstoffstand im zweiten Kraftstofftank 22 zu ermitteln. Der erste Füllstandsensor 46 und der zweite Füllstandsensor 48 sind mit dem CAN-Bus 44 und der Steuervorrichtung 42, welche die Transferpumpe 28 und die Hauptförderpumpe 26 steuert, verbunden.
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Bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen kann es zweckmäßig sein, die Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors 2 zu erhöhen. Solch eine Betriebsbedingung kann beispielsweise bei einem Kaltstart, einer Verstopfung des Kraftstofffilters oder einem hohen Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 vorliegen. Bei solch einer Betriebsbedingung wird das Ventil 32 in eine zweite Stellung gesteuert, so dass die Transferpumpe 28 mit dem zweiten Auslauf und somit der zweiten Kraftstoffleitung 40 verbunden ist. Die Transferpumpe 28 pumpt somit Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 22 zur zweiten Kraftstoffleitung 40, stromabwärts von der Hauptförderpumpe 26, und der gesamte Kraftstoffstrom zum Verbrennungsmotor 2 wird somit vergrößert.
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3 zeigt ein Fließbild eines Verfahrens zum Steuern der Kraftstoffanlage 4. Das Verfahren umfasst den Schritt (a) zum Versorgen des ersten Kraftstofftanks 20 mit Kraftstoff durch Antreiben der Transferpumpe 28 mit dem ersten Elektromotor M1, um Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 22 zum ersten Kraftstofftank 20 zu pumpen. Der erste Füllstandsensor 46 im ersten Kraftstofftank 20 ermittelt den Kraftstoffstand im ersten Kraftstofftank 20 und bei einem bestimmten vorgegebenen Kraftstoffstand wird ein Signal über den CAN-Bus 44 gesendet, um die Transferpumpe 28 zu steuern. Das Ventil 32 wird in seiner ersten Stellung so gesteuert, dass die Transferpumpe 28 mit dem ersten Auslauf des Ventils 32 verbunden ist, und die Transferpumpe 28 wird somit mit der ersten Kraftstoffleitung 36 verbunden, die zum ersten Kraftstofftank 20 führt. Die Transferpumpe 28 pumpt somit Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 22 zum ersten Kraftstofftank 20.
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Das Verfahren umfasst ebenfalls den Schritt (b) zum Versorgen des Verbrennungsmotors 2 mit Kraftstoff durch Antreiben der Hauptförderpumpe 26 mit dem zweiten Elektromotor M2, um Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 20 über die zweite Kraftstoffleitung 40 zum Verbrennungsmotor 2 zu pumpen.
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Das Verfahren umfasst ebenfalls den zusätzlichen Schritt (c) zum Steuern des Ventils 32 in eine zweite Stellung bei vorab definierten Betriebsbedingungen, so dass die Transferpumpe 28 mit dem zweiten Auslauf des Ventils 32 verbunden ist. Somit wird die Transferpumpe 28 mit der zweiten Kraftstoffleitung 40 verbunden, die zum Verbrennungsmotor 2 führt. Die Transferpumpe 28 pumpt auf diese Weise Kraftstoff vom zweiten Kraftstofftank 22 zur zweiten Kraftstoffleitung 40 und zum Verbrennungsmotor 2. Die gesamte Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors 2 wird somit erhöht. Wenn die Kraftstoffanlage 4 bestimmt, dass die Betriebsbedingung mit erhöhtem Kraftstoffbedarf nicht mehr besteht, wird das Ventil 32 wieder in die erste Stellung gesteuert.
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Die zuvor beschriebenen Komponenten und Merkmale können im Rahmen der Erfindung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden.
