Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst eine Kraftstoffpumpe,
insbesondere Hochdruck-Kraftstoffpumpe für
Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, mit mindestens
einer Antriebswelle, mit einer Mehrzahl von Pumpelementen,
welche von der Antriebswelle angetrieben werden und jeweils
einen Arbeitsraum begrenzen, mit einem Niederdruckbereich
und einem Hochdruckbereich, und mit mindestens einer
ansteuerbaren Ventileinrichtung zur Steuerung oder Regelung
der Fördermenge.
Eine derartige Kraftstoffpumpe ist als Radialkolbenpumpe
vom Markt her bekannt. Die bekannte Radialkolbenpumpe
umfasst drei sternförmig angeordnete Zylinder, in denen
jeweils ein Pumpkolben axial verschieblich aufgenommen ist.
Über Rückschlagventile sind die Arbeitsräume der Zylinder
mit einem einlassseitigen Niederdruckbereich der
Kraftstoffpumpe verbunden. Ebenso sind die Arbeitsräume
über Rückschlagventile mit einem auslassseitigen
Hochdruckbereich der Kraftstoffpumpe verbunden.
Unter dem Begriff "Arbeitsraum" wird vorliegend jener Raum
verstanden, in den während eines Arbeitsspiels des dem
Arbeitsraum zugeordneten Pumpelements der Kraftstoff
einströmt bzw. aus diesem vom Pumpelement wieder verdrängt
wird. Im Idealfall, wenn bspw. keinerlei Leckage vorhanden
ist, entspricht das Volumen des Arbeitsraums dem
Fördervolumen.
Die Steuerung bzw. Regelung der Fördermenge der
Kraftstoffpumpe erfolgt über ein Schaltventil, mit dem der
gemeinsame auslassseitige Bereich der Zylinder mit dem
einlassseitigen Niederdruckbereich kurzgeschlossen werden
kann. Im Falle eines solchen Kurzschlusses wird also der
Kraftstoff nicht zum Hochdruck-Auslass hin, sondern zurück
zum einlassseitigen Niederdruckbereich gefördert.
Im Hochdruckbereich der Kraftstoffpumpe, welcher
üblicherweise mit einer Kraftstoff-Sammelleitung, gemeinhin
auch als "Rail" bezeichnet, verbunden ist, herrscht im
Allgemeinen ein recht hoher Druck. Bei sehr hohen
Systemdrücken, bspw. von über 200 bar, kann es dann, wenn
das Schaltventil öffnet, zu sehr starken Druckstößen im
einlassseitigen Niederdruckbereich kommen. Diese Druckstöße
können die im einlassseitigen Niederdruckbereich
verwendeten Elemente der Kraftstoffpumpe beschädigen. Auch
die Verbindungsleitungen, welche mit dem Einlass der
Kraftstoffpumpe verbunden sind, können durch diese
Druckstöße beschädigt werden.
Um derartige Schäden zu vermeiden, ist der Einsatz von
hochwertigem und damit teurem Material und hochwertiger und
damit teurer Anschlusstechnik erforderlich. Um die
Steuerung der Fördermenge darüber hinaus in der gewünschten
Art und Weise durchführen zu können, ist der Einsatz eines
hochdynamischen Schaltventils erforderlich. Bei diesem
handelt es sich üblicherweise um ein Magnetventil. Dieses
und die entsprechende Endstufe sind relativ teuer.
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, eine
Kraftstoffpumpe der eingangs genannten Art so
weiterzubilden, dass mit ihr die Fördermenge einfach und
schnell eingestellt werden kann und ihre Komponenten im
Betrieb nur gering belastet werden. Auch die im
einlassseitigen Niederdruckbereich der Kraftstoffpumpe
verwendeten Komponenten sowie die Zuleitungen zur
Kraftstoffpumpe sollen möglichst preiswert gebaut werden
können.
Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoffpumpe der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens einem
Arbeitsraum eine individuell ansteuerbare Ventileinrichtung
zugeordnet ist, mit der dieser Arbeitsraum mit dem
Niederdruckbereich zwangsweise verbunden werden kann, so
dass aus diesem Arbeitsraum wenigstens zeitweise nicht in
den Hochdruckbereich gefördert wird.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe wird zur
Reduzierung der Fördermenge nicht mehr der unter hohem
Druck stehende Hochdruckbereich mit dem einlassseitigen
Niederdruckbereich verbunden, was zu den unerwünschten
Druckstößen im einlassseitigen Niederdruckbereich führt.
Stattdessen wird durch die Ventileinrichtung der
Arbeitsraum individuell mit dem einlassseitigen
Niederdruckbereich verbunden. Dies ermöglicht es, den
Kraftstoff aus diesem Arbeitsraum bei relativ niedrigem
Druck in den einlassseitigen Niederdruckbereich
zurückzuführen, wobei die Hochdruckförderung aus einem
anderen Arbeitsraum beibehalten wird.
Somit kann die insgesamt von der Kraftstoffpumpe zum
Hochdruckbereich geförderte Kraftstoffmenge reduziert
werden, ohne dass unerwünschte Druckstöße in den
einlassseitigen Niederdruckbereich eingeleitet werden. Ggf.
kann die gesamte, während eines Fördertaktes aus dem
entsprechenden Arbeitsraum abströmende Kraftstoffmenge zum
einlassseitigen Niederdruckbereich zurückgeführt werden. In
diesem Fall wird die Förderung aus dem besagten Arbeitsraum
in den Hochdruckbereich komplett unterbunden. Bei einer
Kraftstoffpumpe mit einzelnen Zylindern könnte man auch
sagen, dass mindestens einer der Zylinder vollständig
"abgeschaltet" werden kann. Durch die Abschaltung
entsprechender Zylinder kann die gewünschte Fördermenge
wenigstens grob eingestellt werden. Dabei wird auch der
Leistungsbedarf der Kraftstoffpumpe reduziert.
Indem keine oder nur noch sehr geringe Druckstöße im
einlassseitigen Niederdruckbereich auftreten, kann dieser
einfacher bauen, wodurch Kosten gespart werden können.
Gleiches gilt auch für jene Komponenten, die außerhalb der
Kraftstoffpumpe in den Zuleitungen zum einlassseitigen
Niederdruckbereich verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
Unteransprüchen angegeben.
Bspw. ist es möglich, dass mindestens einem Arbeitsraum
keine ansteuerbare Ventileinrichtung zugeordnet ist, mit
der dieser mit dem Niederdruckbereich zwangsweise verbunden
werden kann, so dass aus diesem dauernd in den
Hochdruckbereich gefördert wird. Dieser Weiterbildung liegt
der Gedanke zugrunde, dass ein bestimmter minimaler
Kraftstoffbedarf immer vorhanden ist. Dieser kann durch die
dauernde Förderung aus einem Arbeitsraum abgedeckt werden,
bei dem somit kein Bedarf besteht, die Förderung zeitweise
unterbrechen zu können. Die Einsparung mindestens einer
Ventileinrichtung führt zu einer Kostenreduzierung der
erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe.
Besonders einfach und kompakt baut die erfindungsgemäße
Kraftstoffpumpe dann, wenn die Ventileinrichtung als
Einlassventil ausgebildet ist und zwei Schaltstellungen
aufweist, wobei in der einen Schaltstellung ein Durchfluss
mindestens vom Arbeitsraum zum Niederdruckbereich und in
den anderen Schaltstellung nur ein Durchfluss vom
Niederdruckbereich zum Arbeitsraum hin möglich ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Kraftstoffpumpe drei
Arbeitsräume mit entsprechenden Pumpelementen aufweist,
wobei aus einem Arbeitsraum ständig in den Hochdruck-Auslass
gefördert wird und den beiden anderen Arbeitsräumen
jeweils eine individuell ansteuerbare Ventileinrichtung
zugeordnet ist, mit der diese Arbeitsräume jeweils mit dem
Niederdruckbereich zwangsweise verbunden werden können, so
dass aus diesen Arbeitsräumen wenigstens zeitweise nicht in
den Hochdruck-Auslass gefördert wird. Mit einer solchen
Kraftstoffpumpe kann der unterschiedliche Kraftstoffbedarf,
welcher beim Betrieb einer Brennkraftmaschine auftritt,
bereits recht gut abgedeckt werden, ohne dass die
Kraftstoffpumpe groß und kompliziert baut.
Dabei wird besonders bevorzugt, wenn sich das Fördervolumen
mindestens eines Arbeitsraums von dem Fördervolumen eines
anderen Arbeitsraums unterscheidet. Am Beispiel der o. a.
Kraftstoffpumpe mit drei Arbeitsräumen können so vier
unterschiedliche Fördermengenstufen erzielt werden, wenn
die Ventileinrichtungen der entsprechenden Arbeitsräume
während eines vollständigen Fördertaktes des entsprechenden
Arbeitsraumes geöffnet sind. Diese vier Förderstufen
beinhalten eine Förderung nur aus einem Arbeitsraum, eine
Förderung aus dem ersten und dem zweiten Arbeitsraum, eine
Förderung aus dem ersten und dem dritten Arbeitsraum, und
eine Förderung aus allen drei Arbeitsräumen.
Sich unterscheidende Fördervolumen können auf einfache Art
und Weise durch Kolben mit unterschiedlichen
Kolbendurchmessern und/oder Kolben, welche unterschiedliche
Hübe ausführen, realisiert werden.
Indem sich die Fördervolumina der Arbeitsräume voneinander
unterscheiden, ist es möglich, die Kraftstoffpumpe im
Hinblick auf eine minimale Leistungsaufnahme optimal an
eine spezifische Applikation anzupassen.
Besonders bevorzugt wird bei einer Kolbenpumpe, dass jener
Arbeitsraum, welcher ständig in den Hochdruck-Auslass
fördert, das kleinste Fördervolumen aufweist. Da das
Pumpelement, welches diesem Arbeitsraum zugeordnet ist, die
längste Betriebszeit unter Last hat und daher die größte
Lebensdauer aufweisen muss und gleichzeitig die
Grundleistung, welche die Kraftstoffpumpe erbringen muss,
nur gering ist, kann der dauerfördernde Kolben den
kleinsten Durchmesser aufweisen. Damit werden die
Belastungen an den kritischen Stellen wie z. B.
Kolbenführung, Aufstandspunkt zwischen Kolben und
Antriebswelle, Lager der Antriebswelle etc. minimiert.
Besonders günstig lässt sich eine Radialkolbenpumpe
erfindungsgemäß ausführen. Bei ihr sind die notwendigen
Ventileinrichtungen einfach unterzubringen, ohne dass die
Gesamtabmessungen der Kraftstoffpumpe größer werden.
Besonders bevorzugt ist auch jene Weiterbildung, bei der
die Kraftstoffpumpe eine Antriebswelle mit Exzentern und
mehrere längs der Antriebswelle angeordnete Zylinderebenen
aufweist, wobei die Exzenter einer Zylinderebene relativ zu
denen einer anderen Zylinderebene um 180 ° versetzt
angeordnet sind. Mit einer solchen Kraftstoffpumpe können
auch größere Fördermengen erbracht werden. Durch die
versetzte Anordnung der Exzenterabschnitte werden die
Lagerkräfte der Antriebswelle reduziert.
Prinzipiell kann die zweite Zylinderebene im Hinblick auf
die Ventileinrichtungen gleich wie die erste Zylinderebene
ausgebildet sein. Denkbar ist jedoch auch, dass eine
Zylinderebene nur einen einzigen Arbeitsraum ohne
individuell ansteuerbare Ventileinrichtung und eine andere
Zylinderebene nur einen einzigen Arbeitsraum mit
individuell ansteuerbarer Ventileinrichtung aufweist.
Hierdurch wird der Bau- und Ansteueraufwand bei
gleichzeitig ausreichender Variabilität der Fördermenge
reduziert.
Eine optimale Anpassung an die üblichen Betriebspunkte der
Brennkraftmaschine, bei der die erfindungsgemäße
Kraftstoffpumpe eingesetzt wird, wird dann nochmals
erleichtert, wenn sich die Fördervolumina der Arbeitsräume
von einer Zylinderebene zu einer anderen Zylinderebene
unterscheiden. Durch eine Abschaltung einzelner Zylinder
können von der Kraftstoffpumpe sehr fein abgestufte
Fördermengen bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftstoffsystem zur
Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine mit einem
Kraftstoffbehälter, mit mindestens einer Kraftstoffpumpe,
mit mindestens einer Kraftstoff-Sammelleitung, welche von
der Kraftstoffpumpe gespeist wird, und mit mindestens einer
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, welche mit der Kraftstoff-Sammelleitung
verbunden ist und über die der Kraftstoff in
den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Um die erforderliche Leistungsaufnahme zum Betrieb eines
solchen Kraftstoffsystems zu verringern und um möglichst
einfache und preisgünstige Komponenten vor allem auf der
Einlassseite der Kraftstoffpumpe des Kraftstoffsystems
verwenden zu können, wird vorgeschlagen, dass die
Kraftstoffpumpe in der obigen Art ausgebildet ist. Durch
ein solches Kraftstoffsystem kann der Kraftstoff in
unterschiedlichen Mengenstufen den Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
bereitgestellt werden.
Zur Einstellung des Einspritzdrucks für die bereitgestellte
Kraftstoffmenge kann ein ansteuerbares Drucksteuerventil
vorgesehen werden, welches mit der Kraftstoff-Sammelleitung
verbunden ist.
Die Einstellung der vom Kraftstoffsystem bereitzustellenden
Kraftstoffmenge wird dadurch erleichtert, dass ein
Drucksensor vorhanden ist, welcher den Druck in der
Kraftstoff-Sammelleitung erfasst, und ein Steuer- und/oder
Regelgerät vorhanden ist, welches die mindestens eine
individuell ansteuerbare Ventileinrichtung der
Kraftstoffpumpe und/oder das Drucksteuerventil in
Abhängigkeit von den Signalen des Drucksensors ansteuert.
In diesem Fall ist eine sehr präzise Steuerung bzw.
Regelung der bereitgestellten Kraftstoffmenge möglich.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben
eines Kraftstoffsystems zur Kraftstoffversorgung einer
Brennkraftmaschine, bei dem mindestens eine Kraftstoffpumpe
mit mehreren Arbeitsräumen aus einem Kraftstoffbehälter zu
einer Kraftstoff-Sammelleitung hin fördert und bei dem der
Kraftstoff über mindestens eine mit der Kraftstoff-Sammelleitung
verbundene Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in
den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Um den zum Betrieb des Kraftstoffsystems erforderlichen
Energiebedarf und die Kosten der erforderlichen Komponenten
zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass aus mindestens
einem Arbeitsraum der Kraftstoffpumpe mindestens zeitweise
nicht gefördert wird, um eine geringere Fördermenge in die
Kraftstoff-Sammelleitung zu erreichen, und aus diesem
Arbeitsraum der Kraftstoffpumpe mindestens zeitweise wieder
gefördert wird, um eine höhere Fördermenge in die
Kraftstoff-Sammelleitung zu erreichen.
Eine stufenweise Einstellung der Fördermenge der
Kraftstoffpumpe wird dadurch erreicht, dass aus mindestens
einem Arbeitsraum während seines gesamten Fördertaktes
nicht gefördert wird, um eine geringere Fördermenge in die
Kraftstoff-Sammelleitung zu erreichen. Eine solche
Ansteuerung der Kraftstoffpumpe ist relativ preiswert
realisierbar. Soll die Fördermenge der Kraftstoffpumpe
nicht in Stufen, sondern kontinuierlich variiert werden
können, kann auch nur zu Beginn eines Fördertaktes aus
einem Arbeitsraum nicht gefördert werden. Durch die Länge
des Zeitraums, während dem nicht gefördert wird, kann die
gewünschte Fördermenge eingestellt werden. Auf diese Weise
sind beliebige unterschiedliche Fördermengen von der
Kraftstoffpumpe förderbar, wobei bei geringen Fördermengen
auch der Leistungsbedarf der Kraftstoffpumpe geringer wird.
In Weiterbildung dieses Verfahrens ist es auch vorteilhaft,
dass die Förderung aus mindestens einem bestimmten
Arbeitsraum der Kraftstoffpumpe nie unterbrochen wird.
Hierdurch wird eine gewisse Grundmenge an Kraftstoff
sichergestellt, welche durch das erfindungsgemäß betriebene
Kraftstoffsystem bereitgestellt wird.
Um die Belastung der Kraftstoffpumpe möglichst gering zu
halten und auch um die Schwingungen, welche im Betrieb der
Kraftstoffpumpe auftreten, möglichst gering zu halten, wird
vorgeschlagen, dass die Förderung aus den entsprechenden
Arbeitsräumen zyklisch unterbrochen wird.
Besonders bevorzugt wird jene Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die mindestens eine
Ventileinrichtung abhängig vom Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung
und/oder abhängig von mindestens einem
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine angesteuert wird.
Die Ansteuerung abhängig vom Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung
bietet den Vorteil eines einfachen
geschlossenen Regelkreises. Eine Ansteuerung abhängig von
einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, bspw. einer
Drehzahl einer Kurbelwelle, einer Luftfüllung etc. hat den
Vorteil einer besonders schnellen Reaktion auf eine
Änderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches
zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn
es auf einem Computer durchgeführt wird. Dabei wird
besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem
Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory,
abgespeichert ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuer- und/oder
Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welches
eingangsseitig mit mindestens einem Drucksensor einer
Kraftstoff-Sammelleitung oder mindestens einer Einrichtung
verbindbar ist, welche mindestens einen Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine bereitstellt, und welches
ausgangsseitig mit einer Kraftstoffpumpe der obigen Art
verbindbar ist. Die Montage der Brennkraftmaschine ist
besonders einfach und der Betrieb der Brennkraftmaschine
zuverlässig möglich, wenn das Steuer- und/oder Regelgerät
zur Steuerung und/oder Regelung des obigen Verfahrens
geeignet ist.
Dabei wird wiederum besonders bevorzugt, wenn das Steuerund/oder
Regelgerät einen Speicher umfasst, auf dem ein
Computerprogramm der obigen Art gespeichert ist.
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine
Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche
ein Kraftstoffsystem umfasst mit einem Kraftstoffbehälter,
mit mindestens einer Kraftstoffpumpe, mit einer Kraftstoff-Sammelleitung,
die von der Kraftstoffpumpe gespeist wird,
und mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung,
über die der Kraftstoff in einen Brennraum der
Brennkraftmaschine gelangen kann.
Um diese Brennkraftmaschine leistungsoptimal betreiben zu
können, wird vorgeschlagen, dass das Kraftstoffsystem in
der obigen Art ausgebildet ist.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im
Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1
- eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit
einem Kraftstoffsystem mit einem ersten
Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffpumpe;
- Figur 2
- einen Schnitt durch einen Bereich der
Kraftstoffpumpe von Fig. 1, in dem ein als
Magnetventil ausgeführtes Einlassventil sichtbar
ist;
- Figur 3
- eine Schnittdarstellung einer Variante der
Kraftstoffpumpe von Fig. 1, aus der die Anordnung
der Zylinder hervorgeht;
- Figur 4
- eine Prinzipskizze, aus der die Anordnung der
Zylinder eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
Radialkolbenpumpe mit zwei Zylinderebenen
hervorgeht;
- Figur 5
- einen teilweisen Längsschnitt durch die
Radialkolbenpumpe von Fig. 4;
- Figur 6
- ein Balkendiagramm, in dem die Fördervolumina der
ersten Zylinderebene der Radialkolbenpumpe der
Fign. 4 und 5 dargestellt sind;
- Figur 7
- ein Balkendiagramm, in dem die Fördervolumina der
zweiten Zylinderebene der Radialkolbenpumpe der
Fign. 4 und 5 dargestellt sind;
- Figur 8
- einen Tabelle, in der die möglichen
Schaltkombinationen der Zylinder der
Radialkolbenpumpe der Fign. 4 und 5 dargestellt
sind;
- Figur 9
- ein Balkendiagramm ähnlich Figur 6 mit einer
anderen Verteilung der Fördervolumina auf die
Zylinder;
- Figur 10
- ein Balkendiagramm ähnlich Figur 7 mit einer
anderen Verteilung der Fördervolumina auf die
Zylinder; und
- Figur 11
- ein Balkendiagramm, in dem mögliche Gesamt-Fördervolumina
der Radialkolbenpumpe entsprechend
der Fign. 9 und 10 dargestellt sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 weist das Bezugszeichen 10 auf eine
Brennkraftmaschine hin. Diese umfasst ein Kraftstoffsystem
12. Teil des Kraftstoffsystems 12 ist wiederum eine
Radialkolbenpumpe 14 mit drei Zylindern 15 a - 15c. Deren
Niederdruckbereich 18 ist wiederum an eine Niederdruck-Kraftstoffleitung
16 angeschlossen. Ein Hochdruckbereich 20
der Radialkolbenpumpe 14 ist mit einer Hochdruck-Kraftstoffleitung
22 verbunden, die zu einer Kraftstoff-Sammelleitung
24 führt. An die Kraftstoff-Sammelleitung 24
sind insgesamt vier Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 26,
vorliegend Injektoren, angeschlossen, über die der
Kraftstoff in entsprechende Brennräume 28 der
Brennkraftmaschine 10 gelangt.
An die Kraftstoff-Sammelleitung 24, welche gemeinhin auch
als "Rail" bezeichnet wird, ist ein Drucksteuerventil 30
angeschlossen, welches von einem Steuer- und Regelgerät 32
angesteuert wird. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung
24 wird von einem Drucksensor 34 erfasst, der entsprechende
Signale dem Steuer- und Regelgerät 32 bereitstellt. Das
Drucksteuerventil 30 ist über eine Rücklaufleitung 36 mit
der Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 verbunden.
Die Radialkolbenpumpe 14 umfasst eine Antriebswelle 38, an
der ein Exzenterabschnitt 40 vorgesehen ist. Am
Exzenterabschnitt 40 sind über den Umfang verteilt drei
Gleitabschnitte 42a, 42b und 42c befestigt. An diesen
liegen Kolben 44a, 44b und 44c an. Die Kolben 44a bis 44c
begrenzen zusammen mit einem nur schematisch dargestellten
Gehäuse 46 jeweils einen Arbeitsraum 48a, 48b bzw. 48c.
Der in Fig. 1 obere Arbeitsraum 48a ist über ein
Rückschlagventil 50a mit dem Niederdruck-Bereich 18
verbindbar. Das Rückschlagventil 50a öffnet zum Arbeitsraum
48a hin. Der Arbeitsraum 48a ist ferner über ein vom
Arbeitsraum 48a weg öffnendes Rückschlagventil 52a mit dem
Hochdruckbereich 20 verbindbar.
Die Arbeitsräume 48b und 48c der Zylinder 15b und 15c sind
ebenfalls jeweils über von den Arbeitsräumen 48b und 48c
weg öffnende Rückschlagventile 52b und 52c mit dem
Hochdruckbereich 20 verbindbar. Im Gegensatz zum
Arbeitsraum 48a sind die Arbeitsräume 48b und 48c mit dem
Niederdruck-Bereich 18 jeweils über schaltbare
Ventileinrichtungen 54b und 54c verbindbar. Diese weisen
jeweils zwei Schaltstellungen 56b bzw. 56c sowie 58b bzw.
58c auf. In der Schaltstellung 56b bzw. 56c ist ein freier
Durchfluss in beiden Richtungen möglich, d. h. vom
einlassseitigen Niederdruckbereich 18 zum Arbeitsraum 48b
bzw. 48c und aus dem Arbeitsraum 48b bzw. 48c zum
einlassseitigen Niederdruckbereich 18 hin.
In der anderen Schaltstellung 58b bzw. 58c ist ein
Durchfluss nur vom einlassseitigen Niederdruckbereich 18
zum Arbeitsraum 48b bzw. 48c möglich, wohingegen die andere
Strömungsrichtung gesperrt ist. In der Schaltstellung 58b
bzw. 58c wirkt die Ventileinrichtung 54b bzw. 54c also wie
ein Rückschlagventil, welches zum Arbeitsraum 48b bzw. 48c
hin öffnet und zum einlassseitigen Niederdruckbereich 18
hin sperrt. Die Ventileinrichtungen 54b bzw. 54c sind
magnetbetätigt und werden von einer Feder (ohne
Bezugszeichen) in die Ruhe-Schaltstellung 56b bzw. 56c
gedrückt.
Die in Fig. 1 dargestellte Radialkolbenpumpe 14 arbeitet
folgendermaßen: Um eine optimale Einspritzung des
Kraftstoffs durch die Injektoren 26 in die Brennräume 28 zu
gewährleisten, muss der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung
24 relativ konstant auf einem bestimmten Wert
gehalten werden. Dieser Wert beträgt üblicherweise ungefähr
120, ggf. aber auch bis zu 200 bar. Die Druck-Konstanthaltung
in der Kraftstoff-Sammelleitung 24 wird
durch eine geschlossene Regelstrecke gewährleistet, welche
den Drucksensor 34, das Steuer- und Regelgerät 32 sowie die
Radialkolbenpumpe 14 und das Drucksteuerventil 30 umfasst.
Bei einer geringen Leistungsanforderung an die
Brennkraftmaschine 10 muss von den Injektoren 26 nur
relativ wenig Kraftstoff in die Brennräume 28 eingespritzt
werden. In der Folge muss die Radialkolbenpumpe 14 nur
relativ wenig Kraftstoff in die Kraftstoff-Sammelleitung 24
fördern, um den Druck in dieser konstant zu halten. Vom
Steuer- und Regelgerät 32 werden die Ventileinrichtungen
54b und 54c daher in eine dauernd offene Schaltstellung 56b
und 56c gesteuert.
Trotz der durch die Drehung der Antriebswelle 38 bewirkten
axialen Hubbewegung der Kolben 44b und 44c erfolgt aus den
Arbeitsräumen 48b und 48c in diesem Fall keine Förderung
zum Hochdruckbereich 20 hin. Stattdessen wird der in die
Arbeitsräume 48b und 48c während des Ansaugtaktes
angesaugte Kraftstoff während des Fördertaktes wieder zum
einlassseitigen Niederdruckbereich 18 ausgestoßen. Die
Zylinder 15b und 15c sind also "ausgeschaltet".
In diesem Betriebszustand fördert allein der Zylinder 15a.
Dieser saugt während eines Saugtaktes vom einlassseitigen
Niederdruckbereich 18 über das Rückschlagventil 50a den
Kraftstoff in den Arbeitsraum 48a ein. Während eines
Fördertaktes stößt der Kolben 44a den sich im Arbeitsraum
48a befindlichen komprimierten Kraftstoff über das
Rückschlagventil 52a zum Hochdruck-Auslass 20 und weiter in
die Kraftstoff-Sammelleitung 24 aus. Das Fördervolumen des
dauerfördernden Zylinders 15a ist so bemessen, dass der
Kraftstoffbedarf bei einer typischen Drehzahl von 2.000
Umdrehungen pro Minute und einem mittleren Druck in den
Brennräumen 28 von ungefähr 2 bar abgedeckt ist. Dieser
Betriebspunkt entspricht ungefähr 20 % der Volllast der
Brennkraftmaschine 10.
Bei einer höheren Leistung der Brennkraftmaschine 10 muss
mehr Kraftstoff über die Injektoren 26 in die Brennräume 28
eingespritzt werden. In der Folge muss auch von der
Radialkolbenpumpe 14 mehr Kraftstoff in die Kraftstoff-Sammelleitung
24 gefördert werden, um den Druck in dieser
konstant zu halten. Das Steuer- und Regelgerät 32 steuert
daher abhängig von den Signalen vom Drucksensor 34 zunächst
die Ventileinrichtung 54b in die dauernde Schaltstellung
58. In dieser Schaltstellung der Ventileinrichtung 54 ist
der Zylinder 15b wieder "eingeschaltet", d. h. er fördert
genau wie der Zylinder 15a Kraftstoff zum Hochdruck-Auslass
20 hin. Da bei der in Fig. 1 dargestellten
Radialkolbenpumpe 14 die Fördervolumina der einzelnen
Zylinder 15a bis 15c identisch sind, wird durch die
Hinzuschaltung des Zylinders 15b die von der
Radialkolbenpumpe 14 geförderte Kraftstoffmenge - konstante
Drehzahl der Antriebswelle 40 vorausgesetzt - verdoppelt.
Soll bei einer entsprechenden Leistung der
Brennkraftmaschine 10 von der Radialkolbenpumpe 14 noch
mehr Kraftstoff in die Kraftstoff-Sammelleitung 24
gefördert werden, um den Druck in dieser konstant zu
halten, wird vom Steuer- und Regelgerät 32 abhängig von den
Signalen vom Drucksensor 34 auch noch die Ventileinrichtung
54c in die Schaltstellung 58c gesteuert. In diesem Fall
wird also von allen drei Zylindern 15a bis 15c Kraftstoff
zum Hochdruck-Auslass 20 hin gefördert. Die Förderleistung
der Radialkolbenpumpe 14 beträgt nun das Dreifache
gegenüber jenem Zustand, in dem die Zylinder 15b und 15c
"ausgeschaltet" waren.
Man erkennt ohne Weiteres, dass das Ausschalten eines
Zylinders 15b bzw. 15c zu keinerlei Druckstößen im
einlassseitigen Niederdruckbereich 18 und in der
Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 führt. Dieser Effekt wird
auch dann erreicht, wenn die Zylinder 15b und 15c nicht,
wie oben beschrieben, während eines Fördertaktes
vollständig ausgeschaltet sind, sondern wenn die
Ventileinrichtung 54b bzw. 54c nur zu Beginn eines
Fördertaktes sich in der offenen Schaltstellung 56b bzw.
56c befindet. In diesem Fall wird also der Förderbeginn der
Zylinder 15b und 15c verzögert. Durch einen derart
verzögerten Förderbeginn können beinahe beliebige
Fördermengen der Radialkolbenpumpe 14 realisiert werden.
Werden allerdings die Zylinder 15b und 15c während des
gesamten Fördertaktes ausgeschaltet, kann die Fördermenge
der Radialkolbenpumpe 14 nur in Stufen eingestellt werden.
Zur Feineinstellung des Drucks in der Kraftstoff-Sammelleitung
24 wird daher vom Steuer- und Regelgerät 32
das Drucksteuerventil 30 entsprechend angesteuert und
überschüssiger Kraftstoff aus der Kraftstoff-Sammelleitung
über die Rückleitung 36 zum Niederdruckbereich 18
abgeleitet.
In einem alternativen, jedoch nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel sind die Durchmesser der Kolben 44a,
44b und 44c unterschiedlich. Entsprechend variieren auch
die maximalen Fördervolumina der jeweiligen Zylinder 15a,
15b und 15c. Auf diese Weise können die einzelnen
Mengenstufen optimal an die spezifischen Anforderungen der
jeweiligen Brennkraftmaschine 10 angepasst werden. Aus
Lebensdauergründen sollte der Kolben des dauerfördernden
Zylinders in diesem Falle den kleinsten Durchmesser
aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel für die Integration einer
Ventileinrichtung 54 in einen Zylinder 15b ist in Fig. 2
dargestellt. Die Ventileinrichtung 54 umfasst ein Gehäuse
60, welches zylindrisch ausgeführt ist. In seinem oberen
Bereich ist eine Magnetspule 62 aufgenommen, die auf einen
beweglichen Magnetanker 64 wirkt. Der Magnetanker 64 stützt
sich über eine Druckfeder 66 an einem Deckel 68 ab.
Am Magnetanker 64 ist ein Ventilstößel 70 befestigt, der
durch eine Öffnung 72 in einen Ventilraum 74
hindurchgeführt ist. An die Öffnung 72 ist ein sich in Fig.
2 nach unten erstreckender Kragen 76 angeformt, welcher
einen Ventilsitz für ein Ventilglied 78 bildet. Dessen
Oberseite stützt sich am Ende des Ventilstößels 70 ab,
wohingegen die Unterseite des Ventilglieds 78 über eine
Druckfeder 80 an einer unteren Platte 82 abgestützt ist.
Die untere Platte 82 ist fest mit dem Gehäuse 60 verbunden.
Die Ventileinrichtung 54b ist in eine Öffnung 84 im Gehäuse
46 der Radialkolbenpumpe 14 eingeführt. Die untere Platte
82 der Ventileinrichtung 54, das Gehäuse 46 der
Radialkolbenpumpe 14 und der Kolben 44b begrenzen den
Arbeitsraum 48b.
In der Schaltstellung 56 (Fig. 1) wird die Magnetspule 62
nicht bestromt. Durch die Druckfeder 66 wird der
Magnetanker 64, der Ventilstößel 70 und durch diesen das
Ventilglied 78 nach unten gedrückt, so dass das Ventilglied
78 nicht am Ventilsitz 76 anliegt. Der Arbeitsraum 48b ist
somit ständig mit dem einlassseitigen Niederdruckbereich 18
verbunden. Eine axiale Bewegung des Kolbens 44b führt somit
nicht zu einer Förderung von Kraftstoff über das
Rückschlagventil 52 zum Hochdruckbereich 20.
In der Schaltstellung 58 (Fig. 1) wird die Magnetspule 62
bestromt und der Magnetanker 64 gegen die Kraft der
Druckfeder 66 nach oben bewegt. Somit kann das Ventilglied
78 unter der Wirkung der Druckfeder 80 am Ventilsitz 76
anliegen. Das Ventilglied 78, der Ventilsitz 76 und die
Druckfeder 80 bilden nun ein Rückschlagventil, über welches
während eines Ansaughubes des Kolbens 44b Kraftstoff in den
Arbeitsraum 48 gelangen kann, welches während eines
Förderhubes den Fluidweg aus dem Arbeitsraum 48b zum
einlassseitigen Niederdruckbereich 18 hin verschließt, so
dass eine Förderung über das Rückschlagventil 52b zum
Hochdruckbereich 20 hin erfolgt.
Eine weitere Ausführung einer dreizylindrigen
Radialkolbenpumpe 14 ist in Fig. 5 im Schnitt dargestellt.
Auch hier tragen solche Elemente, welche
funktionsäquivalent zu oben bereits aufgeführten Elementen
sind, die gleichen Bezugszeichen. Der einlassseitige
Niederdruckbereich 18 ist hier mit jener Bohrung im Gehäuse
46 der Radialkolbenpumpe 14 verbunden, in der die
Antriebswelle 38 angeordnet ist. Entsprechende Bohrungen 86
verlaufen von den Ventileinrichtungen 54 schräg nach innen.
Die Ventileinrichtungen 54b und 54c sind seitlich an den
Zylindern 15b und 15c angebracht.
Die Fign. 6 - 10 betreffen eine Radialkolbenpumpe 14 mit
zwei Zylinderebenen 86 und 88. In der ersten Zylinderebene
86 sind drei sternförmig angeordnete Zylinder 15a bis 15c
vorhanden, wohingegen in der zweiten Zylinderebene 88
nochmals drei sternförmig angeordnete Zylinder 15d bis 15f
vorhanden sind. Die einzelnen Zylinder 15 sind in Fig. 6
nur strichpunktiert angedeutet. Die Zylinder 15d bis 15f
der zweiten Zylinderebene 88 sind um 180 ° gegenüber den
Zylindern 15a bis 15c der ersten Zylinderebene 86 versetzt
angeordnet. Dies geht besonders gut auch aus der
Darstellung in Fig. 7 hervor. Aus dieser ist auch
ersichtlich, dass die Antriebswelle 38 neben dem
Exzenterabschnitt 40 für die erste Zylinderebene 86 noch
einen weiteren Exzenterabschnitt 90 für die zweite
Zylinderebene 88 aufweist.
Bei der in den Fign. 6 und 7 dargestellten
Radialkolbenpumpe 14 fördert der Zylinder 15a der ersten
Zylinderebene 86 dauernd, wohingegen die Zylinder 15b und
15c Ventileinrichtungen (nicht dargestellt) aufweisen, über
die sie abgeschaltet werden können. In der zweiten
Zylinderebene 88 sind die Zylinder 15d und 15e
dauerfördernd, wohingegen der Zylinder 15f durch eine
Ventileinrichtung (nicht dargestellt) abgeschaltet werden
kann.
Die Exzentrizität des zweiten Exzenterabschnitts 90 ist
geringfügig geringer als die Exzentrizität des ersten
Exzenterabschnitts 40 der Antriebswelle 38. Ferner
unterscheiden sich noch die Durchmesser der Kolben 44 der
ersten Zylinderebene 86 untereinander sowie die Kolben 92
der zweiten Zylinderebene 88 ebenfalls untereinander. Die
unterschiedlichen Fördervolumina der einzelnen Zylinder 15a
bis 15f sind als Balkendiagramme in den Fign. 8 und 9
dargestellt.
Auf diese Weise ergeben sich acht unterschiedliche
Kombinationsmöglichkeiten ausgeschalteter und
eingeschalteter Zylinder 15a bis 15f, welche zu acht
unterschiedlichen Fördermengenstufen der Radialkolbenpumpe
14 führen (vgl. Fig. 10).
Möglich ist aber auch bei dieser Radialkolbenpumpe 14, dass
die einzelnen Zylinder 15 während eines Fördertaktes nicht
vollkommen abgeschaltet werden, sondern dass die
Ventileinrichtung 54 nur zu Beginn eines Fördertaktes
geöffnet wird. Auf diese Weise sind beliebige Fördermengen
durch die Radialkolbenpumpe 14 erbringbar, ohne dass es zu
unerwünschten Druckstößen in einem einlassseitigen
Niederdruckbereich der Radialkolbenpumpe 14 kommt.
Möglich ist aber auch, dass die schaltbaren Zylinder 15b
und 15c der ersten Zylinderebene 86 das gleiche
Fördervolumen aufweisen und auch die nicht schaltbaren
Zylinder 15d und 15e der zweiten Zylinderebene 88 das
gleiche Volumen aufweisen. Dies ist in den Fign. 11 und 12
dargestellt. In diesem Fall ergeben sich fünf
unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten bzw.
Fördermengenstufen, wie aus Fig. 13 ersichtlich ist. Eine
Fördermengenstufe kann dabei auf zwei unterschiedliche
Arten erzielt werden: Die gleiche Fördermenge ergibt sich
bei einer Kombination der Fördervolumina der nichtschaltbaren
Zylinder 15a, 15d und 15e mit den
Fördervolumina der schaltbaren Zylinder 15b oder 15c. Im
Hinblick auf eine gleichmäßige Beanspruchung kann dann,
wenn diese Fördermengenstufe aktiv ist, zwischen einem
Einschalten des Zylinders 15b und einem Einschalten des
Zylinders 15c zyklisch variiert werden.
In den obigen Ausführungsbeispielen erfolgte die
Ansteuerung der Ventileinrichtungen 54 abhängig vom Signal
des Drucksensors 34. Möglich ist aber auch eine Ansteuerung
der Ventileinrichtungen 54 abhängig von Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine. Hierzu gehören z. B. die Drehzahl
einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, ein Drehmoment,
eine Luftfüllung der Brennkraftmaschine etc. Möglich ist
auch eine direkte Kopplung an die Stellung eines Gaspedals,
mit dem die Brennkraftmaschine bedient wird. In diesen
Fällen ist eine besonders schnelle Anpassung der
Förderleistung der Radialkolbenpumpe 14 an den geforderten
Betriebszustand der Brennkraftmaschine möglich.
Andererseits kann der Leistungsbedarf der Kraftstoffpumpe
bspw. bei geringer Drehmomentanforderung sofort reduziert
werden.