EP2467591B1

EP2467591B1 - Kraftstofffördereinrichtung für eine kraftstoffeinspritzeinrichtung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP2467591B1
Application number: EP10740608.4A
Authority: EP
Inventors: Guenter Veit; Sylvain Besancon; Stefan Kieferle; Paulo Jorge Ferreira Goncalves; Cord Fitschen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: CN102472209B; WO2011020693A1; EP2467591A1; CN102472209A; DE102010031628A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.
Eine solche Kraftstofffördereinrichtung ist durch die EP 1195 514 A2 bekannt. Diese Kraftstofffördereinrichtung weist eine elektrisch angetriebene Förderpumpe auf, durch die Kraftstoff zur Saugseite einer Hochdruckpumpe gefördert wird. Durch die Hochdruckpumpe wird Kraftstoff in einen Hochdruckbereich gefördert, aus dem zumindest mittelbar wenigstens ein Injektor der Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Kraftstoff versorgt wird. Es ist eine elektrische Steuereinrichtung vorgesehen, die über eine Sensoreinrichtung ein Signal für den im Hochdruckbereich herrschenden Druck erhält. Durch die elektrische Steuereinrichtung wird der elektrische Antrieb der Förderpumpe variabel angesteuert, so dass die Fördermenge der Förderpumpe variabel ist. Zwischen der Förderpumpe und der Saugseite der Hochdruckpumpe führt eine Bypassverbindung zu einem Niederdruckbereich ab, der hier ein Antriebsbereich der Hochdruckpumpe ist. Zwischen der Förderpumpe und der Saugseite der Hochdruckpumpe ist eine Drosselstelle angeordnet. In der Verbindung zwischen der Förderpumpe und der Saugseite der Hochdruckpumpe ist eine Sensoreinrichtung angeordnet, durch die der elektrischen Steuereinrichtung ein Signal für den dort herrschenden Druck zugeführt wird. Durch die elektrische Steuereinrichtung wird der elektrische Antrieb der Förderpumpe derart angesteuert, dass sich in der Verbindung zwischen der Förderpumpe und der Saugseite der Hochdruckpumpe ein vorgegebener Druck einstellt. In Abhängigkeit von dem auf der Saugseite der Hochdruckpumpe herrschenden Druck ist die von der Hochdruckpumpe geförderte Kraftstoffmenge veränderlich. Infolge der auf der Saugseite der Hochdruckpumpe angeordneten Drosselstelle ergibt sich jedoch eine nichtlineare Förderkennlinie der Hochdruckpumpe abhängig von dem auf der Saugseite herrschenden Druck. Hierdurch ist eine Regelung der von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffmenge erschwert. Bei der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist außerdem eine mit der elektrischen Steuereinrichtung verbundene Sensoreinrichtung vorgesehen, durch die der Druck im Hochdruckbereich erfasst wird. Im Hochdruckbereich ist ein elektrisch betätigtes Druckregelventil angeordnet, das durch die elektrische Steuereinrichtung derart angesteuert wird, dass sich im Hochdruckbereich ein vorgegebener Druck einstellt. Insgesamt ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung daher aufwendig aufgebaut und die Regelung des im Hochdruckbereich herrschenden Drucks ist aufwendig, da hierzu mit der Förderpumpe und dem Druckregelventil zwei separate Steller vorhanden sind.
Weitere gattungsgemäße Kraftstofffördereinrichtungen sind in der EP 1 298 306 A2 und DE 198 18 421 A1 offenbart.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass diese einfach aufgebaut ist und auch einen einfachen Aufbau der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ermöglicht. Die Förderpumpe wird dabei direkt zur Einstellung eines vorgegebenen Drucks im Hochdruckbereich angesteuert, so dass kein weiterer Steller erforderlich ist.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung angegeben. Da es unter Umständen schwierig ist die Fördermenge der Förderpumpe bis auf Null zu reduzieren ist es vorteilhaft wenn die Durchflussbegrenzungseinrichtung wie im Anspruch 2 angegeben dimensioniert ist, da dann die Förderpumpe kontinuierlich betrieben werden kann. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist sichergestellt, dass die Fördermenge der Hochdruckpumpe bis auf Null reduziert werden kann auch wenn die Förderpumpe Kraftstoff fördert. Die Ausbildung gemäß Anspruch 5 ermöglicht eine besonders einfache Regelung der Fördermenge der Hochdruckpumpe.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Parallelschaltung zweier Durchflussbegrenzungseinheiten in der Bypassverbindung, da durch die Kombination eine breitere Variation der Durchflussmenge abhängig vom Druck in der Bypassverbindung möglich ist. Dieser Vorteil kann durch ein zusätzliches Stellglied, welches die Durchflussbegrenzungseinrichtung abhängig vom Druck oder von der Temperatur im Zulauf der Durchflussbegrenzungseinrichtung oder im Zulauf der Hochdruckpumpe ab- oder zugeschaltet, verstärkt werden.
Vorteilhaft ist, dass der Querschnitt der Drossel durch ein Stellglied abhängig vom Druck oder von der Temperatur im Zulauf der Durchflussbegrenzungseinrichtung verändert werden kann, da die Drossel nicht an eine feste Durchflusskennlinie gebunden ist, sondern dass die Durchflusskennlinie der Drossel durch Variation des Querschnittes je nach Betriebssituation der Kraftstofffördereinrichtung angepasst werden kann.
Besonders vorteilhaft ist ein großer Querschnitt der Drossel bei tiefen Temperaturen oder niedrigen Druck im Zulauf der Drossel, und ein reduzierter Querschnitt bei steigender Temperatur oder steigenden Druck, da durch diese Maßnahmen bei Volllast der Hochdruckpumpe ein geringerer Rückfluss durch die Bypassverbindung stattfindet, so dass die Förderpumpe energieeffizienter betrieben werden kann.
Einen weiteren Vorteil bietet die Benutzung eines Wachselementes, da mit einem einfachen Bauteil die Umsetzung der temperaturabhängigen Regelung des Querschnittes realisiert wird. Vorteilhaft ist der Einsatz einer Wirbeldrossel, da ohne zusätzliches Stellglied eine druckabhängige Regelung der Durchflussmenge umgesetzt werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
Figur 2 eine Kennlinie einer Förderpumpe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
Figur 3 eine Kennlinie einer Bypassverbindung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
Figur 4 eine Kennlinie einer Hochdruckpumpe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
Figur 6a) ein schematische Darstellung einer Wirbeldrossel und Figur 6b) eine Kennlinie einer Wirbeldrossel und
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt, die eine Kraftstofffördereinrichtung aufweist. Die Kraftstofffördereinrichtung weist eine Förderpumpe 10 auf, die Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 12 ansaugt. Die Förderpumpe 10 weist einen elektrischen Antrieb 14 auf, der mit veränderlicher Leistung und damit variabler Drehzahl betrieben werden kann, so dass die Fördermenge und der erzeugte Förderdruck variabel ist. Durch die Förderpumpe 10 wird Kraftstoff zur Saugseite wenigstens einer Hochdruckpumpe 16 gefördert, die ebenfalls Bestandteil der Kraftstofffördereinrichtung ist. Durch die wenigstens eine Hochdruckpumpe 16 wird Kraftstoff in einen Hochdruckbereich 18 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gefördert, der beispielsweise einen Hochdruckspeicher umfasst. Aus dem Hochdruckbereich 18 werden ein oder mehrere Injektoren 20 mit Kraftstoff versorgt, wobei jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Injektor 20 zugeordnet ist.
Die Förderpumpe 10 kann beispielsweise als Strömungspumpe, Zahnradpumpe, Innenzahnradpumpe, Flügelzellenpumpe oder Rollenzellenpumpe aufgebildet sein. Die Förderpumpe 10 kann an der Hochdruckpumpe 16 angeordnet, in diese integriert sein oder entfernt von der Hochdruckpumpe 16 angeordnet sein, beispielsweise im Vorratsbehälter 12 oder in einer hydraulischen Leitung zwischen dem Vorratsbehälter 12 und der Hochdruckpumpe 16. Die Hochdruckpumpe 16 weist wenigstens ein Pumpenelement 22 auf, das wiederum einen in einer Zylinderbohrung 24 dicht geführten Pumpenkolben 26 aufweist, der in einer Hubbewegung angetrieben wird. Die Hochdruckpumpe 16 kann eine eigene Antriebswelle 17 aufweisen, durch die über einen Nocken oder Exzenter die Hubbewegung des Pumpenkolbens 26 bewirkt wird. Die Antriebswelle 17 der Hochdruckpumpe 16 wird mechanisch, beispielsweise über ein Getriebe oder einen Riementrieb von der Brennkraftmaschine angetrieben, so dass die Drehzahl der Hochdruckpumpe 16 proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Hochdruckpumpe 16 keine eigene Antriebswelle aufweist und die Hubbewegung des Pumpenkolbens 26 durch einen Exzenter oder Nocken einer Welle der Brennkraftmaschine bewirkt wird, beispielsweise der Nocken- oder Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Dabei können auch mehrere Hochdruckpumpen 16 vorgesehen sein, die jeweils ein Pumpenelement 22 aufweisen, dessen Pumpenkolben 26 durch die Welle der Brennkraftmaschine bewegt wird. Durch den Pumpenkolben 26 jedes Pumpenelements 22 wird in dessen Zylinderbohrung 24 ein Pumpenarbeitsraum 28 begrenzt, der beim Saughub des Pumpenkolbens 26 mit Kraftstoff befüllt wird und aus dem beim Förderhub des Pumpenkolbens 26 Kraftstoff in den Hochdruckbereich 18 verdrängt wird. Jedes Pumpenelement 22 weist ein Einlassventil 30 in Form eines federbelasteten Rückschlagventils auf, das beim Saughub des Pumpenkolbens 26 öffnet, so dass von der Förderpumpe 10 geförderter Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum 28 gelangt. Jedes Pumpenelement 22 weist außerdem ein Auslassventil 32 in Form eines federbelasteten Rückschlagventils auf, das beim Förderhub des Pumpenkolbens 26 öffnet, so dass Kraftstoff in den Hochdruckbereich 18 verdrängt werden kann.
Die Förderpumpe 10 kann entfernt von der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 angeordnet sein, beispielsweise auch im Vorratsbehälter 12. Die Förderpumpe 10 ist dabei über eine hydraulische Leitung 36 mit der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 verbunden. In der Leitung 36 kann ein Kraftstofffilter 38 angeordnet sein, um zu verhindern, dass Schmutzpartikel in die Hochdruckpumpe 16 und in den Hochdruckbereich 18 gelangen. Von der Leitung 36 zweigt stromabwärts nach dem Kraftstofffilter 38 eine Bypassverbindung 40 ab, die zu einem Niederdruckbereich führt. In der Bypassverbindung 40 ist eine Durchflussbegrenzungseinrichtung in Form einer Drosselstelle 42 vorgesehen, durch die die über die Bypassverbindung 40 abströmende Kraftstoffmenge der von der Förderpumpe 10 geförderten Kraftstoffmenge begrenzt wird. In der Bypassverbindung 40 kann zusätzlich zur Durchflussbegrenzungseinrichtung 42 auch noch ein Überdruckventil angeordnet sein, das die Bypassverbindung 40 erst bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet. Der Niederdruckbereich, in den die Bypassverbindung 40 mündet, kann beispielsweise ein Antriebsbereich der Hochdruckpumpe 16 mit deren Antriebswelle 17 sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Hochdruckpumpe 16 eine eigene Antriebswelle 17 aufweist und eine Schmierung und/oder Kühlung des Antriebsbereichs durch Kraftstoff erfolgt. Die Drosselstelle 42 kann in der Bypassverbindung 40 beispielsweise im Bereich des Eintritts in den Antriebsbereich der Hochdruckpumpe 16 angeordnet sein. Alternativ kann der Niederdruckbereich, in den die Bypassverbindung 40 mündet, auch ein Rücklauf zum Vorratsbehälter 12 sein. Dies kann insbesondere vorgesehen sein, wenn die wenigstens eine Hochdruckpumpe 16 keine eigene Antriebswelle aufweist und eine Schmierung des Antriebsbereichs der Hochdruckpumpe 16 durch Schmieröl der Brennkraftmaschine erfolgt.
Im Hochdruckbereich 18 ist eine Sensoreinrichtung 44 vorgesehen, durch die der im Hochdruckbereich 18 herrschende Druck erfasst wird. Die Sensoreinrichtung 44 ist mit einer elektrischen Steuereinrichtung 46 verbunden, der somit ein Signal für den im Hochdruckbereich 18 herrschenden Druck zugeführt wird. Durch die elektrische Steuereinrichtung 46 wird der elektrische Antrieb 14 der Förderpumpe 10 mit veränderlicher Leistung und damit variabler Drehzahl angesteuert, derart, dass sich im Hochdruckbereich 18 ein vorgegebener Druck einstellt. Der im Hochdruckbereich 18 erforderliche Druck kann abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine unterschiedlich hoch sein. Durch die elektrische Steuereinrichtung 46 wird auch die Kraftstoffeinspritzung durch die Injektoren 20 gesteuert, beispielsweise hinsichtlich Einspritzzeitpunkt und Einspritzmenge.
In Figur 2 ist eine Kennlinie für die Fördercharakteristik der Förderpumpe 10 dargestellt. Dabei ist in Figur 2 der Förderstrom, das bedeutet Fördermenge pro Zeiteinheit, der Förderpumpe 10 über dem Förderdruck der Förderpumpe 10 aufgetragen. Die Kennlinie weist einen zumindest annähernd linearen Verlauf auf, das heißt, dass der Förderstrom und damit die Fördermenge der Förderpumpe 10 linear mit dem Förderdruck zunimmt. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Ansteuerungsleistung und damit Drehzahl des elektrischen Antriebs 14 der Förderpumpe 10 die von dieser geförderte Förderstrom bzw. Kraftstoffmenge und der von dieser auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 erzeugte Förderdruck zumindest annähernd linear zunimmt. Um einen stabilen Betrieb der Förderpumpe 10 zu gewährleisten ist es meistens erforderlich, dass diese mit einer bestimmten Mindestansteuerungsleistung und damit Mindestdrehzahl betrieben wird, so dass Förderstrom bzw. Fördermenge sowie der Förderdruck nicht auf Null zurückgefahren werden können. Vorzugsweise wird die Förderpumpe 10 daher mit einer bestimmten Mindestleistung angesteuert und mit einer Mindestdrehzahl betrieben, wobei sich eine Mindestfördermenge bzw. ein Mindestförderstrom Q0 sowie ein Mindestförderdruck p0 einstellen. Der Mindestförderdruck p0 kann beispielsweise etwa 2 bar absolut oder größer sein. Mindestförderdruck p0 und Mindestfördermenge bzw. Mindestförderstrom werden vorzugsweise möglichst gering gewählt, um die Belastung der Förderpumpe 10 und den Energiebedarf gering zu halten.
In Figur 3 ist eine Kennlinie für die Durchflusscharakteristik der Bypassverbindung 40 mit der Drosselstelle 42 dargestellt. Dabei ist in Figur 3 der Durchflussstrom, das bedeutet Durchflussmenge pro Zeiteinheit, durch die Bypassverbindung 40 mit der Drosselstelle 42 über dem Förderdruck der Förderpumpe 10, also dem auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 herrschenden Druck, aufgetragen. Die Kennlinie weist einen degressiven Verlauf auf, das heißt, dass die Steigerung des Durchflussstroms bzw. der Durchflussrmenge durch die Bypassverbindung 40 mit zunehmendem Förderdruck der Förderpumpe 10 geringer wird. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem von der Förderpumpe auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 erzeugtem Förderdruck der Durchflussstrom bzw. die Durchflussmenge durch die Bypassverbindung weniger stark zunimmt.
Der Öffnungsdruck des oder der Einlassventile 30 der Hochdruckpumpe 16 ist so hoch, dass diese bei dem Mindestförderdruck p0 auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 zumindest im Wesentlichen geschlossen sind. Somit fördert die Hochdruckpumpe 16 bei dem von der Förderpumpe 10 erzeugten Mindestförderdruck p0 auf deren Saugseite zumindest im Wesentlichen keinen Kraftstoff in den Hochdruckbereich 18. Der gesamte Mindestförderstrom Q0 der Förderpumpe 10 strömt somit durch die Bypassverbindung 40 mit der Drosselstelle 42 in den Niederdruckbereich ab. Die Drosselstelle 42 in der Bypassverbindung 40 ist so dimensioniert, dass der gesamte Mindestförderstrom Q0 der Förderpumpe 10 durch diese abströmen kann ohne dass der Druck auf der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 über den Mindestförderdruck p0 ansteigt und das oder die Einlassventile 30 der Hochdruckpumpe 16 öffnen würden. Ein weiteres Auslegungskriterium der Drosselstelle 42 kann es sein eine ausreichende Schmier- und/oder Kühlmenge für den Antriebsbereich der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 sicherzustellen. Erst wenn der Förderdruck auf der Saugseite der wenigstens einen Höchdruckpumpe 16 über den Mindestförderdruck p0 und den Öffnungsdruck des oder der Einlassventile 30 ansteigt öffnen diese und es erfolgt eine Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe 16 in den Hochdruckbereich 18. Der Öffnungsdruck des oder der Einlassventile 30 der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 kann beispielsweise etwa 2 bar absolut oder größer betragen.
In Figur 4 ist eine Kennlinie für die Fördercharakteristik der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 dargestellt. Dabei ist in Figur 4 der Förderstrom, das bedeutet Fördermenge pro Zeiteinheit, der Hochdruckpumpe 16 über dem Förderdruck der Förderpumpe 10, also dem auf der Saugseite des Hochdruckpumpe 16 herrschenden Druck, aufgetragen. Wie bereits vorstehend erläutert erfolgt eine Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe 16 erst wenn der Druck auf deren Saugseite höher ist als der Mindestförderdruck p0, der beispielsweise etwa 2 bar absolut betragen kann. Die Kennlinie weist ab dem Mindestförderdruck p0 einen stetig monotonen Verlauf, vorzugsweise einen zumindest annähernd linearen Verlauf auf, das heißt, dass der Förderstrom und damit die Fördermenge der Hochdruckpumpe 16 zumindest annähernd linear mit dem von der Förderpumpe 10 erzeugten Förderdruck, also dem auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 herrschenden Druck, zunimmt. Das oder die Einlassventile 30 der wenigstens einen Hochdruckpumpe besitzt eine Auslegung, die über steigenden Druck auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 oberhalb des Öffnungsdrucks eine stetig zunehmende Füllung des Pumpenarbeitsraums 28 des oder der Pumpenelemente 22 der Hochdruckpumpe 16 gewährleistet. Die Zunahme des von den Einlassventilen 30 freigegebenen Strömungsquerschnitts in Abhängigkeit des Drucks auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 ist dabei so zu wählen, dass die maximale Fördermengenanforderung der Hochdruckpumpe 16 bei üblichen maximalen Förderdrücken gebräuchlicher Förderpumpen erreicht wird, die beispielsweise bis etwa 5 bar absolut betragen können. Durch eine Variation der elektrischen Ansteuerung des Antriebs 14 der Förderpumpe 10 mittels der elektrischen Steuereinrichtung 46 wird eine exakt einstellbare Fördermenge der Hochdruckpumpe 16 in den Hochdruckbereich 18 über den gesamten erforderlichen Fördermengenbereich ermöglicht. Die resultierende Fördermengenvariation der Hochdruckpumpe 16 ist über der elektrischen Ansteuervariation des elektrischen Antriebs 14 der Förderpumpe 10 mittels der elektrischen Steuereinrichtung 46 im Verhalten stetig und monoton und damit als Stellgröße für eine Regelung des im Hochdruckbereich 18 herrschenden Drucks geeignet.
Die Leitung 36, über die die Förderpumpe 10 mit der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 verbunden ist, weist vorzugsweise eine hohe hydraulische Steifigkeit auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Regelung des Drucks im Hochdruckbereich 18 mittels variabler Ansteuerung des Antriebs 14 der Förderpumpe 10 nicht durch Elastizitäten der Leitung 36 beeinflusst wird. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, den Abschnitt 36a der Leitung 36 zwischen der Förderpumpe 10 und dem Kraftstofffilter 38 mit großer hydraulischer Steifigkeit auszuführen und den Abschnitt 36b der Leitung 36 zwischen dem Kraftstofffilter 38 und der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe 16 mit geringerer hydraulischer Steifigkeit auszuführen. Hierdurch kann die Ausbreitung von durch die wenigstens eine Hochdruckpumpe 16 erzeugten Druckschwankungen gedämpft werden.
Die Auslegung und Abstimmung der Einlassventile 30 der Hochdruckpumpe 16, der Bypassverbindung 40 mit der Drosselstelle 42 und der Förderpumpe 10 erfolgt nach folgenden Kriterien. Der Öffnungsdruck der Einlassventile 30 erfordert ein Mindestdruckniveau auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 um folgendes sicherzustellen. Bei einem definierten Mindestdruck p0 auf der Saugseite (relativem Überdruck zur Umgebung), der gleichzeitig dem minimalen Förderdruck der Förderpumpe 10 entspricht, muss sich die Fördermenge der Hochdruckpumpe 16 auf ein gefordertes Mindestmaß reduzieren lassen, vorzugsweise auch vollständig abstellen lassen, für eine sogenannte Nullförderung. Bei diesem definierten Mindestdruck p0 (verbleibender relativer Überdruck) resultiert eine von der Auslegung der Bypassverbindung 40 mit der Drosselstelle 42 abhängige Mindestfördermenge der Förderpumpe 10, die bei Bedarf wie vorstehend erläutert als Schmier- und/oder Kühlmenge für den Antriebsbereich der Hochdruckpumpe 16 verwendet werden kann.
Der Mindestdruck p0 auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 ist über die Höhe des Öffnungsdrucks der Einlassventile 30 der Hochdruckpumpe 16 so hoch zu wählen, dass die Kraftstofffördereinrichtung einerseits ausreichend robust ist, beispielsweise gegenüber Toleranzen von Leitungsdruckabfällen und gegenüber Umgebungsdruckschwankungen, und andererseits keine unnötig hohen Förderleistungsanforderungen an die Förderpumpe 10 resultieren. Als Beispiel kann der Öffnungsdruck der Einlassventile im Bereich von etwa 2 bar absolut gewählt werden, so dass ein Förderdruckbereich der Förderpumpe 10 von größer etwa 1 bar relativ resultiert. Die Einlassventile 30 der Hochdruckpumpe 16 sind so ausgelegt, dass diese mit steigendem Druck auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 oberhalb des Öffnungsdrucks eine stetig zunehmende Füllung der Hochdruckpumpe 16 gewährleisten. Die Zunahme des freigegebenen Strömungsquerschnitts der Einlassventile 30 über der Druckdifferenz, zwischen dem Druck auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 und dem Druck im Pumpenarbeitsraum 28, ist dabei so ausgelegt, dass die maximale Fördermengenanforderung der Hochdruckpumpe 16 bei üblichen Förderdrücken von gebräuchlichen kostengünstigen Förderpumpen 10 mit elektrischem Antrieb 14 erreicht wird. Der maximale Förderdruck kann dabei etwa 4 bar relativ bzw. 5 bar absolut betragen.
Durch die Bypassverbindung 40 mit der Drosselstelle 42 wird eine große Fördermengenvariation der Hochdruckpumpe 16 über eine begrenzte Variation des von der Förderpumpe 10 erzeugten Drucks auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 16 erreicht. Die Variation der durch die Bypassverbindung 40 abströmenden Kraftstoffmenge wird durch die Drosselstelle 42 bestimmt und ist begrenzt. Die Auslegung der Drosselstelle 42 in der Bypassverbindung 40 erfolgt derart, dass die durch die Bypassverbindung 40 abströmende Kraftstoffmenge einerseits möglichst gering ist, andererseits jedoch groß genug ist, um eine ausreichende Schmierung und/oder Kühlung des Antriebsbereichs der Hochdruckpumpe 16 sicherzustellen und auch die eventuell erforderliche Mindestfördermenge der Förderpumpe 10 nicht unterschritten wird.
Die Förderpumpe 10 und deren elektrischer Antrieb 14 sind derart ausgelegt, dass ein stabiler Betrieb über den gesamten Arbeitsbereich, das heißt von minimaler Fördermenge bzw. Förderstrom und Förderdruck bis zur maximalen Fördermenge bzw. Förderstrom und Förderdruck gewährleistet ist. Die minimale Fördermenge bzw. Förderstrom bei minimalem Förderdruck ist festgelegt durch den Öffnungsdruck der Einlassventile 30 der Hochdruckpumpe 16 und die daraus resultierende Kraftstoffmenge bzw. Kraftstoffstrom, der durch die Bypassverbindung 40 abströmt. Die maximale Fördermenge bzw. Förderstrom bei maximalem Förderdruck ist festgelegt durch den erforderlichen Fülldruck der Hochdruckpumpe 16 für die Nennleistung der Brennkraftmaschine zuzüglich eventueller Leitungs-und Filterdruckabfälle bei maximaler Fördermengenanforderung im Hochdruckbereich 18 zuzüglich der durch die Bypassverbindung 40 abströmenden Kraftstoffmenge.
In Figur 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem der Querschnitt der Drossel 42 durch ein mechanisches oder elektrisches Stellglied 44 variiert werden kann. Dieses Stellglied 44 kann den Querschnitt der Drossel 42 abhängig vom Druck oder der Temperatur in der Bypassverbindung 40 oder im Zulauf der Drossel 42 steuern. Dies ermöglicht eine Variation der Durchflussmenge des Kraftstoffes durch die Bypassverbindung 40 abhängig vom Druck oder der Temperatur des Kraftstoffes. Ist ein elektrisch gesteuertes Stellglied 44 vorgesehen, so kann dieses über eine Software in der elektrischen Steuereinrichtung 46 geregelt werden.
Da bei niedrigen Kraftstofftemperaturen oft ein großer Mindestförderstrom, Fördermenge pro Zeiteinheit, der Förderpumpe 10 eingestellt werden muss, ist es von Vorteil, wenn der maximale Querschnitt der Drossel 42 bei niedrigen Kraftstofftemperaturen geöffnet ist. Um zu verhindern, dass dieser hohe Kraftstoffrücklauf auch bei hohen Kraftstofffördermengen oder bei Vollförderung der Hochdruckpumpe 16 auftritt, kann der Querschnitt der Drossel 42 bei steigenden Temperaturen kontinuierlich reduziert werden.
Das Stellglied 44 kann den Querschnitt der Drossel auch abhängig vom Druck im Zulauf zur Hochdruckpumpe 16 oder abhängig vom Druck in der Bypassverbindung 40 bzw. im Zulauf zur Drossel 42 variieren. Auch hier sollte bei einem niedrigen Druck der maximale Querschnitt der Drossel 42 geöffnet sein und bei steigenden Drücken reduziert werden.
Durch den verringerten Querschnitt der Drossel 42 wird bei Vollförderung der Hochdruckpumpe 16 eine hohe Rücklaufmenge des Kraftstoffes durch die Bypassverbindung 40 vermieden, so dass die Kraftstofffördereinrichtung energieeffizienter und kostengünstiger ausgelegt werden kann.
Es können aber auch andere Arten der Steuerung des Querschnitts der Drossel 42 vorgesehen werden, wie z.B. eine Querschnittsreduzierung in Stufen oder eine Vergrößerung des Querschnittes bei steigendem Druck oder bei steigender Temperatur.
Als mögliches Stellglied 44 zur temperaturabhängigen Steuerung der Drossel bietet sich ein Wachselement oder Bimetallelement an.
Figur 6a zeigt eine Wirbeldrossel durch deren Einsatz sich eine Reduzierung der Durchflussmenge durch die Bypassverbindung 40 bei steigendem Druck realisieren lässt. Bei einer Wirbeldrossel steigt der Durchfluss bei steigenden Druck geringer an als bei einer Standarddrossel. Figur 6b zeigt ein Diagramm, in dem der Förderstrom über dem anliegendem Druck für eine Standarddrossel (A) und eine Wirbeldrossel (B) dargestellt sind.
Des Weiteren bietet sich die Möglichkeit anstelle von einer Durchflussbegrenzungseinrichtung 42 mindestens zwei Durchflussbegrenzungseinrichtungen 42 in der Bypassverbindung 40 wie in Fig. 7 dargestellt parallel anzuordnen. Wie in den vorherigen Abschnitten beschrieben, kann dabei mindestens eine Drossel 42 durch ein zusätzliches mechanisches oder elektrisches Stellglied 44 bezüglich ihres Querschnittes abhängig vom Druck oder der Temperatur variiert werden. Es sind alle bisher genannten Varianten zur Variation des Drosselquerschnittes möglich.
Ein weiteres mechanisches oder elektrisches Stellglied 52, welches sich vor oder hinter mindestens einer Drossel 42 befindet, kann dazu genutzt werden, um den
Durchfluss durch die hydraulische Leitung, in der sich die Drossel 42 befindet, zu unterbrechen. Handelt es sich um ein elektrisches Stellglied 52 wird es über die elektrische Steuereinrichtung 46 geregelt. Das Stellglied 52 kann abhängig von einer im Zulauf der Bypassverbindung 40 gemessenen Temperatur oder einem im Zulauf der Bypassverbindung 40 gemessenen Druck die hydraulische Leitung öffnen oder schließen. Vorteilhaft ist es die hydraulische Leitung bei niedrigen Drücken oder niedrigen Temperaturen zu öffnen und ansonsten zu schließen, da dadurch ein hoher Durchfluss bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken möglich ist. Bei hohen Temperaturen und hohen Drücken, die mit einer hohen Förderleistung der Hochdruckpumpe 16 korrespondieren, fließt dagegen nur eine geringe Kraftstoffmenge durch die Bypassverbindung 40.

Claims

Kraftstofffördereinrichtung für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einer elektrisch angetriebenen Förderpumpe (10) und mit wenigstens einer Hochdruckpumpe (16) mit wenigstens einem Pumpenelement (22), wobei durch die Förderpumpe (10) Kraftstoff zur Saugseite der Hochdruckpumpe (16) gefördert wird und durch die Hochdruckpumpe (16) Kraftstoff in einen Hochdruckbereich (18) gefördert wird, mit einer elektrischen Steuereinrichtung (46), der über eine Sensoreinrichtung (44) ein Signal für den im Hochdruckbereich (18) herrschenden Druck zugeführt wird und durch die der elektrische Antrieb (14) der Förderpumpe (10) variabel angesteuert wird, wobei von der Verbindung (36) zwischen der Förderpumpe (10) und der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) eine Bypassverbindung (40) zu einem Niederdruckbereich (12;17) abführt, wobei in der Bypassverbindung (40) mindestens eine Drosselstelle (42) vorgesehen ist und wobei durch die elektrische Steuereinrichtung (46) der elektrische Antrieb (14) der Förderpumpe (10) zur Einstellung eines vorgegebenen Drucks im Hochdruckbereich (18) variabel angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (42) in der Bypassverbindung (40) so dimensioniert ist, dass die für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Förderpumpe (10) erforderliche Mindestfördermenge der Förderpumpe (10) durch die Bypassverbindung (40) abströmen kann, ohne dass die wenigstens eine Hochdruckpumpe (16) Kraftstoff fördert.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hochdruckpumpe (16) saugseitig für jedes Pumpenelement (22) ein federbelastetes Einlassventil (30) aufweist, und dass das Einlassventil (30) erst bei einem höheren Druck auf der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) öffnet als bei dem Druck, der sich bei Förderung der Mindestfördermenge der Förderpumpe (30) auf der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) einstellt.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (30) bei einem Absolutdruck auf der Saugseite der wenigstens Höchdruckpumpe (16) von mindestens etwa 2 bar oder höher öffnet.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (10) und das Einlassventil (30) derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei über dem Öffnungsdruck des Einlassventils (30) liegendem Druck auf der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) bei monoton stetiger Änderung des Drucks auf der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) eine monoton stetige Änderung der Fördermenge der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) ergibt.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (10) entfernt von der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) angeordnet ist und mit der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) über eine Leitung (36) mit hoher hydraulischer Steifigkeit verbunden ist.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (10) entfernt von der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) angeordnet ist, dass in der Verbindung zwischen der Förderpumpe (10) und der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) ein Kraftstofffilter (38) angeordnet ist, dass die Verbindung zwischen der Förderpumpe (10) und dem Kraftstofffilter (38) eine Leitung (36a) mit hoher hydraulischer Steifigkeit umfasst und dass die Verbindung zwischen dem Kraftstofffilter (38) und der Saugseite der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) eine Leitung (36b) mit geringer hydraulischer Steifigkeit umfasst.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassverbindung (40) zu einem Antriebsbereich (17) der wenigstens einen Hochdruckpumpe (16) führt.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassverbindung (40) zu einem Kraftstoffvorratsbehälter (12) führt.
Kraftstofffördereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassverbindung (40) mindestens zwei Drosselstellen (42) aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Stellglied (52) die Drosselstelle (42) abhängig vom Druck oder von der Temperatur im Zulauf der Drosselstelle (42) ab- oder zugeschaltet.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Drossel (42) durch ein mechanisches oder elektrisches Stellglied (44) abhängig vom Druck oder von der Temperatur im Zulauf der Drossel (42) oder der Hochdruckpumpe (16) verändert wird.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher Temperatur ein kleinerer Querschnitt der Drossel (42) geöffnet ist als bei niedrigerer Temperatur.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Drossel (42) bei steigender Temperatur kontinuierlich reduziert wird.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohem Druck ein kleinerer Querschnitt der Drossel (42) geöffnet ist als bei niedrigem Druck.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Drossel (42) bei steigender Temperatur kontinuierlich reduziert wird.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wachselement den Querschnitt der Drossel (42) steuert.
Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Drosselstelle (42) eine Wirbeldrossel (50) ist.