DE202010014506U1

DE202010014506U1 - Kraftstoffversorgungssystem für einen Motorenprüfstand

Info

Publication number: DE202010014506U1
Application number: DE202010014506U
Authority: DE
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2020-10-22

Abstract

Kraftstoffversorgungssystem für einen Motorenprüfstand mit einer Vorlaufleitung (1) zur Zuführung von Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Mengenregler zur Regelung einer über die Vorlaufleitung (1) zugeführten Kraftstoffmenge vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem für einen Motorenprüfstand mit einer Vorlaufleitung zur Zuführung von Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor, sowie einen Motorenprüfstand für Verbrennungsmotoren mit einem solchen Kraftstoffversorgungssystem.
Kraftstoffversorgungssysteme sind an Motorenprüfständen dazu vorgesehen, einen an dem Prüfstand zu betreibenden Prüfling, zum Beispiel einen Verbrennungsmotor, mit Kraftstoff zu versorgen. Kraftstoffversorgungssysteme nach dem Stand der Technik stellen dabei einen konstanten Kraftstoffdruck in einer Vorlaufleitung zur Zuführung von Kraftstoff an den Verbrennungsmotor zur Verfügung. Ein Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass bei Verbrennungsmotoren, deren internes Kraftstoffsystem ebenfalls eine Regelung des Kraftstoffdrucks vorsieht, die prüfstandseitige Druckregelung und die motorinterne Druckregelung gegeneinander arbeiten, was einen Betrieb des Verbrennungsmotors unter Prüfstandbedingungen erheblich stören kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kraftstoffversorgungssystem für einen Motorenprüfstand derart zu verbessern, dass ein störungsfreier oder zumindest störungsärmerer Betrieb von Verbrennungsmotoren mit interner Regelung des Kraftstoffdrucks an dem Prüfstand ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Schutzansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem für einen Motorenprüfstand mit einer Vorlaufleitung zur Zuführung von Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor weist einen Mengenregler zur Regelung einer über die Vorlaufleitung zugeführten Kraftstoffmenge auf. Ein Vorteil dessen, dass die zugeführte Kraftstoffmenge anstelle des Kraftstoffdrucks geregelt wird, liegt darin, dass regelungstechnische Probleme vermieden werden, auch wenn der Kraftstoffdruck durch eine interne Regelung des Verbrennungsmotors geregelt wird.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem weist dazu vorzugsweise einen einstellbaren Mengenteiler als Mengenregler auf. Die Vorlaufleitung weist also insbesondere eine Abzweigung auf, über welche der von einer Kraftstoffpumpe geförderte Kraftstoff aufgeteilt wird, nämlich in einem ersten Anteil, welcher dem Verbrennungsmotor über die Vorlaufleitung zugeführt wird und einen zweiten Anteil, welcher nicht zu dem Verbrennungsmotor gelangt. In der Regel wird ein solcher Abzweig als Bypass ausgeführt sein, also eine den Verbrennungsmotor umgehende Leitung, welche den zweiten Anteil in eine Rücklaufleitung einleitet, über die nichtverbrauchter Kraftstoff von dem Verbrennungsmotor zurück zum Prüfstand gefördert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Kraftstoffversorgungssystems ist vorgesehen, dass der Mengenregler einen Druckregler an einem Ausgang einer Kraftstoffpumpe aufweist, wobei dieser Druckregler einen Kraftstoffdruck am Ausgang der Kraftstoffpumpe begrenzt. Der Gegendruck der Kraftstoffpumpe wird so vorteilhaft konstant gehalten und die Kraftstoffpumpe arbeitet dadurch stets nur auf einem Punkt ihrer Pumpenkennlinie. Dies bedeutet ferner, dass die Fördermenge der Kraftstoffpumpe ebenfalls konstant ist. Als Druckregler kommt beispielsweise ein Überströmregler oder ein Druckhalteventil zum Einsatz.
Weiterhin bevorzugt weist der Mengenregler einen Bypass auf, wobei dieser Bypass zwischen dem Ausgang der Kraftstoffpumpe und dem Druckregler abzweigt und insbesondere in eine Rücklaufleitung zur Rückforderung von nicht verbrauchtem Kraftstoff von dem Verbrennungsmotor mündet. Der gesamte von der Kraftstoffpumpe geförderte Kraftstoffvolumenstrom teilt sich also vorteilhaft auf, in einen Volumenstrom über den Bypass und einen Volumenstrom über den Druckregler. Der Gesamtvolumenstrom ist auf Grund der permanent in einem Arbeitspunkt der Kennlinie arbeitenden Kraftstoffpumpe, wie oben bereits beschrieben, konstant. Des Weiteren ist der Volumenstrom über den Bypass stets konstant, da dieser eine konstante Druckdifferenz aufweist. Daraus folgt, dass auch der Volumenstrom über den Druckregler und damit zu dem Verbrennungsmotor konstant sein muss. Der Strömungswiderstand des Bypass ist vorzugsweise einstellbar, beispielsweise mittels einer Drosselvorrichtung. Die beschriebene Ausführungsform ist vorteilhaft besonders einfach im konstruktiven Aufbau und daher leicht in einen bestehenden Motorenprüfstand einzurüsten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Kraftstoffversorgungssystems ist vorgesehen, dass ein zweiter Druckregler zur Regelung des Kraftstoffdrucks in der Vorlaufleitung in Strömungsrichtung des Kraftstoffs hinter dem Mengenregler vorgesehen ist. Eine solche Ausführungsform ermöglicht besonders vorteilhaft auch den Betrieb von Verbrennungsmotoren mit einer Hochdruckpumpe, wie sie beispielsweise bei Dieselmotoren zum Einsatz kommt. Die Hochdruckpumpe saugt in diesem Fall an dem zweiten Druckregler, welcher einen konstanten Niederdruck bei konstantem Durchfluss in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Druckregler einstellt.
Eine alternative Ausführungsform dazu besteht darin, dass ein zweiter Bypass in Strömungsrichtung hinter den Mengenregler von der Vorlaufladung abzweigt, wobei ein zweiter Druckregler in dem zweiten Bypass zur Begrenzung des Kraftstoffdrucks in der Vorlaufleitung vorgesehen ist. Dabei ist vorzugsweise ein Überströmventil oder ein Druckhalteventil als zweiter Druckregler vorgesehen. Auch diese alternative Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Hochdruckpumpe für den Kraftstoff an einem Motorenprüfstand mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystem. Hier wird ein konstanter Überdruck bei konstantem Durchfluss im Vorlauf zum Motor eingestellt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Motorenprüfstand für Verbrennungsmotoren, welcher ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem, wie hier zuvor beschrieben, aufweist. Es besteht die Möglichkeit, einen bestehenden Motorenprüfstand auf das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem umzurüsten, oder aber das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem an einem Motorenprüfstand nachzurüsten, so dass zwei Kraftstoffversorgungssysteme parallel, gegebenenfalls umschaltbar, vorhanden sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Es zeigen
1 ein Kraftstoffversorgungssystem eines Motorenprüfstands in schematischer Darstellung nach dem Stand der Technik, welches mit einem Kraftstoffsystem eines Verbrennungsmotors verbunden ist;
2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems für einen Motorenprüfstand in schematischer Darstellung, ebenfalls verbunden mit dem Kraftstoffsystem eines Verbrennungsmotors;
3 eine zweite Ausführungsform des Kraftstoffversorgungssystems gemäß 2;
4 eine dritte Ausführungsform des Kraftstoffversorgungssystems gemäß 2.
In der 1 ist ein Kraftstoffversorgungssystem nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt, wie es in einem Motorenprüfstand verwendet wird. Das Kraftstoffversorgungssystem besteht im wesentlichen aus einer Kraftstoffpumpe 4 zur Förderung des Kraftstoffs aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung 1, welche mit einem Kraftstoffsystem 15 eines Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Von dem Verbrennungsmotor 10 nicht verbrauchter Kraftstoff wird über eine Rücklaufleitung 7 zurück zur Saugseite der Kraftstoffpumpe 4 geleitet. Um einen konstanten Kraftstoffdruck in der Vorlaufleitung 1 zu gewährleisten, ist diese über eine Bypassleitung 20 mit der Rücklaufleitung 7 verbunden, wobei der Druck in der Vorlaufleitung 1 durch einen Druckregler 21 konstant gehalten wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist interne, den Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffsystem 15 beeinflussende Regelelemente 14 auf. Es handelt sich dabei beispielsweise einen motoreigenen Druckregler 14, welcher den Differenzdruck von Saugrohrdruck zu Kraftstoffvorlauf auf einen vorgegebenen Wert von etwa 3,2 bar bis 3,5 bar regelt. Daraus ergibt sich eine Kraftstoffvorlaufdruck von 3,6 bar bis 5,6 bar.
Es kommt bei dem dargestellten Kraftstoffversorgungssystem nach dem Stand der Technik zu einer Beeinflussung des Druckreglers 21 und des motorinternen Druckreglers 14 untereinander, welche nachteilig gegeneinander arbeiten, um ihre jeweiligen, untereinander nicht kompatiblen Regelvorgaben zu erreichen.
In der 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems für einen Motorenprüfstand schematisch dargestellt. Das Kraftstoffversorgungssystem besteht hier ebenfalls aus einer Kraftstoffpumpe 4, welche Kraftstoff aus einem nicht dargestellten Kraftstoffvorrat über eine Vorlaufleitung 1 an das Kraftstoffsystem 15 des Verbrennungsmotors 10 liefert. Überschüssiger Kraftstoff, welcher in dem Verbrennungsmotor 10 nicht verbraucht wird, läuft über eine Rücklaufleitung 7 zurück. Das Kraftstoffsystem 15 des Verbrennungsmotors 10 weist den Kraftstoffdruck beeinflussende Elemente 14 auf, die zuvor mit Bezug auf 1 bereits beschrieben worden sind.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem verfügt über einen Mengenregler zur Regelung einer über die Vorlaufleitung 1 zugeführten Kraftstoffmenge, welche durch die interne Druckregelung 14 des Verbrennungsmotors 10 nicht negativ beeinflusst wird. Im Folgenden wird auf den Mengenregler näher eingegangen. Als Mengenregler ist ein Mengenteiler vorgesehen, welcher den in der Kraftstoffleitung 5 am Ausgang der Kraftstoffpumpe 4, also in Strömungsrichtung hinter der Kraftstoffpumpe 4 Kraftstoffmengenstrom aufteilt, nämlich zum einen auf die Vorlaufleitung 1 und zum anderen auf einen Bypass 6. Der Kraftstoffdruck am Ausgang 5 der Kraftstoffpumpe 4 wird durch einen Druckregler 2 konstant gehalten. Der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Druckhalteventil bzw. Überströmventil dargestellte Druckregler 2 empfängt den aktuellen Kraftstoffdruck am Ausgang 5 der Kraftstoffpumpe 4 beziehungsweise in der Leitung 5 hinter der Kraftstoffpumpe 4, was durch die gestrichelte Signalleitung 3 dargestellt ist. Der Druckregler 2 verfügt über eine Ventil, welches derart öffnet oder schließt, dass der Kraftstoffdruck in der Leitung 5 hinter der Kraftstoffpumpe 4 konstant gehalten wird. Dies hat zur Folge, dass die Kraftstoffpumpe 4 ständig in nur einem Betriebspunkt ihrer Pumpenkennlinie betrieben wird, was wiederum bedeutet, dass die von der Kraftstoffpumpe 4 geförderte Kraftstoffmenge konstant ist. In der Bypassleitung 6, welche mit der Rücklaufleitung 7 verbunden ist, ist eine Drosselvorrichtung 8 vorgesehen, welche insbesondere regelbar ist, um die von der Kraftstoffpumpe 4 geförderte Kraftstoffmenge einstellen zu können. Über den auf einen konstanten Wert eingestellten Strömungswiderstand der Drossel 8 fließt eine konstante Kraftstoffmenge, woraus sich ergibt, dass auch über den Druckregler 2 ein konstanter Kraftstoffmengenstrom in der Vorlaufleitung 1 zur Verfügung gestellt wird. Diese einfache Mengenregelung der in der Vorlaufleitung 1 zur Verfügung gestellten Kraftstoffmenge arbeitet unabhängig von der Beeinflussung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffsystem 15 durch den internen Druckregler 14 des Verbrennungsmotors 10.
In den 3 und 4 sind zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen des Kraftstoffversorgungssystems entsprechend 2 schematisch dargestellt, wobei gleichbleibende Elemente identische Bezeichnungen tragen und nicht erneut erläutert werden. Der Verbrennungsmotor 10 ist in den 3 und 4 ohne seinen internen Aufbau dargestellt. Es handelt sich bei dem Verbrennungsmotor 10 jeweils um einen Verbrennungsmotor mit Hochdruckpumpe, beispielsweise einen entsprechenden Dieselmotor. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich zu dem Kraftstoffversorgungssystem gemäß 2 ein zweiter Druckregler 9 zur Regelung des Kraftstoffdrucks in der Vorlaufleitung 1 in Strömungsrichtung hinter dem Mengenregler, hier also hinter dem ersten Druckregler 2 vorgesehen. Die Hochdruckpumpe des Motors 10 saugt in diesem Fall an dem zweiten Druckregler 9, welcher einen konstanten Niederdruck von 0,7 bar bis 2 bar bei konstantem Durchfluss in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Druckregler 9 einstellt. Bei der dritten Ausführungsform gemäß 4 hingegen ist ein zweiter Bypass 11 in Strömungsrichtung hinter dem Mengenregler, welcher von der Vorlaufleitung 1 abzweigt, vorgesehen. Ein zweiter Druckregler 12 in dem zweiten Bypass 11 ist zur Begrenzung des Kraftstoffdrucks in der Vorlaufleitung 1 vorgesehen. Hier wird ein konstanter Überdruck bei konstantem Durchfluss im Vorlauf 1 zum Motor 10 eingestellt. Sowohl die zweite als auch die dritte Ausführungsform sind vorteilhaft dazu geeignet, einen Dieselmotor mit Hochdruckpumpe an einem Motorenprüfstand zu betreiben.
Die erste Ausführungsform des Kraftstoffversorgungssystems gemäß 2 wurde im Rahmen von Versuchen getestet, welche nachfolgend beschrieben werden.
In einem ersten Versuch wurde hinter dem Bypass ein Volumenstromerfasser installiert, um den Volumenstrom zum Verbrennungsmotor zu erfassen. Der Verbrennungsmotor wurde bei dem ersten Versuch wie folgt simuliert. Zum Einstellen des Gegendrucks des Verbrennungsmotors wurde ein Kugelhahn verwendet. Der Verbrauch des Verbrennungsmotors wurde über ein Ventil simuliert und der Kraftstoffverbrauch gemessen.
Die 5 zeigt eine Tabelle mit dem durchgeführten Versuchsprogramm. Dabei sind Werte für den im Versuch eingestellten Volumenstrom in Liter pro Stunde in Spalte A, der Druck hinter dem Bypass in bar, also der simulierte Gegendruck des Verbrennungsmotors in Spalte B und der simulierte Verbrauch des Verbrennungsmotors in Liter pro Stunde in Spalte C angegeben.
In den 6 bis 10 sind aufgezeichnete Diagramme dieser Versuchsreihe für die fünf verschiedenen Volumenstromwerte gemäß Spalte A der Tabelle in 5 dargestellt. Auf den jeweils mit D bezeichneten Abszissen ist die Zeit in Sekunden abgetragen. Die jeweils linke Ordinate E trägt die Maßzahlen für den Durchfluss in Liter pro Stunde und die jeweils rechte Ordinate F den Druck in bar. Die Kurven A, B, C entsprechen den aufgezeichneten Daten der Werte gemäß den entsprechenden Spalten A, B, C in der Tabelle in 5, also den eingestellten Volumenstrom A, den simulierten Gegendruck des Motors B (Druck hinter dem Bypass) und den simulierten Verbrauch des Verbrennungsmotors C. Die Kurve P zeigt den aufgezeichneten Druck in bar vor dem Druckhalteventil.
Es hat sich gezeigt, dass ein konstanter Volumenstrom A leicht einstellbar ist. Der simulierte Verbrauch C hat ist erkennbar praktisch keinen Einfluss auf den eingestellten Volumenstromwert. Der Gegendruck B hat dagegen durchaus Einfluss auf den eingestellten Volumenstrom A. Die Schwankung des Volumenstroms A lag jedoch in einem hinnehmbaren Rahmen. Eine mögliche Ursache der Schwankung kann darin liegen dass das Druckhalteventil nicht empfindlich genug auf Druckschwankungen reagiert. Der Testaufbau mit einem Kugelhahn als Gegendrucksimulation hat sich als problematisch herausgestellt.
In einem zweiten Versuch wurde das erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungssystem gemäß 2 an einem Motorenprüfstand im realen Betrieb getestet. Die Aufzeichnung ist als Diagramm in der 11 dargestellt. Die Abszisse D zeigt wieder die Zeit in Sekunden, die Ordinaten E, F sind gegenüber den 6 bis 10, vertauscht, zeigen aber dennoch den Druck in bar einerseits (F) und den Durchfluss in Liter pro Stunde andererseits (E). Gemessen wurde der Volumenstrom (Kurve A), der Gegendruck vom Verbrennungsmotor (Druck nach Bypass, Kurve B), sowie der Druck vor dem Druckregler 2 (vgl. 2), einem Druckhalteventil (Kurve P) und der Verbrauch des Verbrennungsmotors in Kilogramm pro Stunde (nicht skaliert, Kurve C'). Die Kurve Q gibt den durch die motorinterne Regelung (14, vgl. 2) eingestellten Differenzdruck in bar von Saugrohrdruck zu Kraftstoffvorlauf auf einen vorgegebenen Wert von hier etwa 3,3 bar an. Aufgezeichnet wurden die Werte während eines Hochlaufs des Verbrennungsmotors um etwa 2000 Umdrehungen pro Minute „von geschleppt bis Volllast”. Der Volumenstrom A bleibt erkennbar konstant und wird von der internen Kraftstoffdruckregelung des Verbrennungsmotors praktisch nicht beeinflusst.
Bezugszeichenliste

1: Vorlaufleitung
2: Druckregler
3: Signal
4: Kraftstoffpumpe
5: Leitung am Ausgang der Kraftstoffpumpe
6: Bypass
7: Rücklaufleitung
8: Strömungswiderstand/Drosselvorrichtung
9: zweiter Druckregler
10: Verbrennungsmotor
11: Zweiter Bypass
12: Zweiter Druckregler
14: Interne Druckreglung des Verbrennungsmotors
15: Kraftstoffsystem des Verbrennungsmotors
A: Volumenstromwerte
B: Gegendruckwerte
C, C': Verbrauchswerte
D: Abszisse
E, F: Ordinaten
P: Druck vor Druckregler
Q: Differenzdruck Saugrohr/Kraftstoffvorlauf

Claims

Kraftstoffversorgungssystem für einen Motorenprüfstand mit einer Vorlaufleitung (1) zur Zuführung von Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Mengenregler zur Regelung einer über die Vorlaufleitung (1) zugeführten Kraftstoffmenge vorgesehen ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einstellbarer Mengenteiler als Mengenregler vorgesehen ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenregler einen Druckregler (2) an einem Ausgang (5) einer Kraftstoffpumpe (4) aufweist, wobei der Druckregler einen Kraftstoffdruck an dem Ausgang der Kraftstoffpumpe begrenzt.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenregler einen Bypass (6) aufweist, wobei der Bypass zwischen dem Ausgang (5) der Kraftstoffpumpe und dem Druckregler (2) abzweigt und in eine Rücklaufleitung (7) zur Rückförderung von nicht verbrauchtem Kraftstoff von dem Verbrennungsmotor (10) mündet.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überströmventil oder ein Druckhalteventil als Druckregler vorgesehen ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass einen einstellbaren Strömungswiderstand (8) aufweist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Druckregler (9) zur Regelung des Kraftstoffdrucks in der Vorlaufleitung (1) in Strömungsrichtung hinter dem Mengenregler vorgesehen ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bypass (11) in Strömungsrichtung hinter dem Mengenregler von der Vorlaufleitung (1) abzweigt, wobei ein zweiter Druckregler (12) in dem zweiten Bypass (11) zur Begrenzung des Kraftstoffdrucks in der Vorlaufleitung (1) vorgesehen ist.
Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überströmventil oder ein Druckhalteventil als zweiter Druckregler (12) vorgesehen ist.
Motorenprüfstand für Verbrennungsmotoren mit einem Kraftstoffversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.