DE102011006092A1 - Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff sowie Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoffen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Pumpenelement (1), das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb (2) zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben (3) umfasst, wobei im Saughub des Pumpenkolbens (3) Kraftstoff über ein Saugventil (4) aus einem Niederdruckbereich (5) angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens (3) verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil (6) einem Hochdruckspeicher (7) zugeführt wird. Der Nocken- oder Exzentertrieb (2) ist dabei in einem Triebwerksraum (8) aufgenommen, welcher im Betrieb der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist im mit Kraftstoff gefüllten Triebwerksraum (8) ein Gasvolumen (9) ausgebildet, welches aufgrund der Kompressibilität des Gases einen Ausgleich von Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht. Des Weiteren wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Hochdruckpumpe vorgeschlagen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Hochdruckpumpe.
- Stand der Technik
- Hochdruckpumpen, welche nur ein Hochdruckelement oder mehr als ein Hochdruckelement und einen nicht symmetrischen Hubverlauf aufweisen, sind volumetrisch nicht ausgeglichen. Dies hat zur Folge, dass Druckpulsationen auftreten können, die sich je nach Pumpenlayout im Pumpenzulauf, im Pumpenrücklauf und/oder im Inneren der Pumpe niederschlagen und zu einer erhöhten Belastung der umgebenden Bauteile, beispielsweise der Leitungen, Filter, Dichtelemente und dergleichen, führen. Bei volumetrisch nicht ausgeglichenen Hochdruckpumpen wird daher üblicherweise ein Überströmventil eingesetzt, das durch Einfedern und ggf. teilweises Überströmen in der Lage ist, die Druckpulsationen zumindest teilweise aufzunehmen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derartige Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen, die in der Regel ursächlich für die Druckpulsationen sind, zu verhindern oder zumindest zu verringern, um die Belastung der Hochdruckpumpe herabzusetzen.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Hochdruckpumpe sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe vorgeschlagen.
- Offenbarung der Erfindung
- Die vorgeschlagene Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement auf, das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben umfasst, wobei im Saughub des Pumpenkolbens Kraftstoff über ein Saugventil aus einem Niederdruckbereich angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil einem Hochdruckspeicher zugeführt wird. Der Nocken- oder Exzentertrieb ist in einem Triebwerksraum aufgenommen, welcher im Betrieb der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist im mit Kraftstoff gefüllten Triebwerksraum ein Gasvolumen ausgebildet, welches aufgrund der Kompressibilität des Gases einen Ausgleich von Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht. Der ständige Einschluss eines Gases im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe bewirkt eine passive Druckdämpfung. Denn Druck- bzw. Volumenoszillationen werden über eine Volumenänderung des Gasvolumens ausgeglichen. Die Belastung der Hochdruckpumpe nimmt ab, insbesondere im Bereich der Wellendichtringe. Zugleich ist eine gleichmäßige Schmierung und/oder Kühlung der Wellenlager gewährleistet.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gasvolumen gekapselt. Das Gas selbst steht somit nicht in direktem Kontakt mit dem Kraftstoff. Weiterhin bevorzugt teilt sich das Gasvolumen auf mehrere gekapselte Einzelvolumina auf, welche vorzugsweise zusammenhängend ausgebildet sind. Die Kapselung des Gasvolumens verhindert, dass das Gasvolumen zerfällt und/oder mit dem Kraftstoff aus dem Triebwerksraum abströmt.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Gasvolumen in einem Elastomerkörper eingeschlossen. Der Elastomerkörper kann einen einzigen Hohlraum oder mehrere Hohlräume zur Aufnahme des Gasvolumens aufweisen. Beispielsweise können im Elastomerkörper Kammern oder Zellen ausgebildet sein, welche gasgefüllt sind.
- Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe eine geregelte Elektrokraftstoffpumpe als Vorförderpumpe. Die Vorförderpumpe kann somit zur Mengenregelung eingesetzt werden. Weiterhin bevorzugt ist die Elektrokraftstoffpumpe dynamisch drehzahlgeregelt. Das heißt, dass sie eine berechnete oder anderweitig bestimmte Menge als Grundlast liefert und darüber hinaus eine Menge moduliert, welche der Ungleichförmigkeit der Pumpe in möglichst idealer Weise entspricht und somit ebenfalls einen Ausgleich von Druckpulsationen bewirkt. Über eine vorgebbare Logik wird der zu modulierende Mengenbedarf ermittelt, wobei als Eingangsgröße der aktuelle Pumpenwinkel dienen kann. Der aktuelle Pumpenwinkel kann gemessen oder rechnerisch ermittelt werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit vom Lastfall der Pumpe der Pumpenwinkel anhand eines Triggersignals interpoliert werden. Eine als aktiver Dämpfer einsetzbare dynamisch drehzahlgeregelte Elektrokraftstoffpumpe bringt über das zusätzlich geförderte Kraftstoffvolumen gezielt Druckpulsationen in den Niederdruckbereich der Hochdruckpumpe ein, die gegenläufig zu den unerwünschten Druckpulsationen sind, so dass diese kompensiert werden. Zugleich ist eine optimale Elementbefüllung gewährleistet.
- Des Weiteren wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe vorgeschlagen. Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Niederdruckbereich können somit weitgehend vermieden, zumindest jedoch deutlich verringert werden.
- Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, -
2 ein Diagramm zur Darstellung des Volumen- und Druckverlaufs im Triebwerksraum einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α, -
3a –c schematische Darstellungen gekapselter Gasvolumina, -
4 schematische Darstellungen eines weiteren erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, wobei die obere Darstellung die Hochdruckpumpe bei Ausführung eines Saughubes des Pumpenkolbens und die untere Darstellung bei Ausführung eines Förderhubes des Pumpenkolbens zeigt und -
5 ein Diagramm zur Darstellung des Fördermengenbedarfs bei aktivem Ausgleich durch eine dynamisch geregelte Elektrokraftstoffpumpe. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- Das in der
1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe mit einem Pumpen- bzw. Hochdruckelement1 , dessen Pumpenkolben3 über einen Nockentrieb2 zu einer Hubbewegung antreibbar ist. Der Pumpenkolben3 führt dabei einen Saughub aus, während dessen über ein Saugventil4 Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich5 angesaugt wird. Im Förderhub des Pumpenkolbens3 wird der angesaugte Kraftstoff verdichtet und über ein Auslassventil6 einem Hochdruckspeicher7 zugeführt. Im Niederdruckbereich5 ist eine Elektrokraftstoffpumpe12 als Vorförderpumpe angeordnet, welche der Mengenregelung dient. Die zu fördernde Kraftstoffmenge wird einem Kraftstoffvorratsbehälter13 entnommen und über ein Rückschlagventil14 in einen Förderstrom und einen Schmier-/Kühlstrom aufgeteilt, wobei letzterer in einen Triebwerksraum8 der Hochdruckpumpe gelangt, in welcher der Nockentrieb2 aufgenommen ist. Die Schmier-/Kühlmenge dient insbesondere der Schmierung/Kühlung der Wellenlager15 einer Antriebswelle, welche Bestandteil des Nockentriebes2 ist. Die über die Wellenlager15 abfließende Schmier-/Kühlmenge wird über einen Rücklauf17 dem Kraftstoffvorratsbehälter13 zugeführt. - Im Saughub des Pumpenkolbens
3 wird das Volumen des Triebwerkraums verkleinert, während es im Förderhub des Pumpenkolbens3 wieder eine Vergrößerung erfährt. Bei Hochdruckpumpen mit nur einem Pumpen- bzw. Hochdruckelement1 führt dies zu Druckpulsationen, die es auszugleichen gilt. Denn durch die Druckpulsationen wird die Belastung der Hochdruckpumpe erhöht, insbesondere die Belastung der im Bereich der Wellenlager15 angeordneten Wellendichtringe. Zum Ausgleich derartiger Druckpulsationen bzw. Volumenoszillationen weist die in1 dargestellte erfindungsgemäße Hochdruckpumpe ein Gasvolumen9 im kraftstoffgefüllten Triebwerksraum8 auf, das von einem Elastomerkörper umschlossen ist. Durch die Kompressibilität des Gases werden Druck- bzw. Volumenveränderungen passiv aufgenommen und somit ausgeglichen. Die Zusammenhänge sind schematisch in dem Diagramm der2 dargestellt. - Das Diagramm der
2 umfasst eine untere Kurve, welche den Druckverlauf im Triebwerksraum8 durch Kompression des Gasvolumens9 zeigt. Die beiden darüber liegenden Kurven geben die Veränderung des Kraftstoffvolumens und des Gasvolumens im Triebwerksraum8 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α, d. h. der Winkellage des Nockens des Nockentriebes2 , an. Die als durchgezogene Linie gezeichnete Kurve bezieht sich auf das Kraftstoffvolumen und die mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve auf das Gasvolumen. Die Gegenläufigkeit der beiden Kurven verdeutlicht den Volumenausgleich. Die oberste Kurve des Diagramms zeigt die Schmier-/Kühlmenge, welche durch die Wellenlager15 abgeführt wird. Der Kurvenverlauf ist nicht ganz eben, da sie dem Druckverlauf im Kurbelgehäuse folgt. Die Pulsationen sind jedoch deutlich abgeschwächt. - Alternativ zum Ausführungsbeispiel der
1 kann das Gasvolumen9 auch auf mehrere gekapselte Einzelvolumina aufgeteilt sein. Beispiele hierfür sind in den3a –3c dargestellt. Gemäß den3a und3b kann das Gasvolumen9 in Hohlräumen11 eines Elastomerkörpers10 aufgenommen sein, wobei die Hohlräume11 jeweils nebeneinander angeordnet sind, so dass sich eine „Steppdecken”-ähnliche Form des Elastomerkörpers10 ergibt. In3c ist der Elastomerkörper als geschlossenporiger Werkstoff dargestellt, dessen Poren bzw. Hohlräume11 gasgefüllt sind. Die vielen zusammenhängenden gasgefüllten Poren bzw. Hohlräume11 bilden das Gasvolumen9 aus. - Das zur Kompensation von Druckpulsationen erforderliche Gasvolumen
9 lässt sich berechnen. Ausgehend von der thermischen Zustandsgleichung idealer GaseP·V = m·R·T, pmin·Vmax = pmax(Vmax – VKolben). - Bei einem Mindestdruck der Schmier-/Kühlmenge von etwa 4 bar abs. und einem Maximaldruck von etwa 7 bar abs. sowie einem über den Kolbenhub verdrängtes Volumen von etwa 178 mm3, ergibt sich folgende Gleichung
(pmax – pmin)Vmax = pmax·VKolben. - Hieraus folgt, ein Vmax bei 4 bar abs. = 415 mm3.
- Eine Vergrößerung des gasförmigen Volumens würde eine Abnahme des Delta-Drucks (pmax – pmin) bewirken.
- Das Gasvolumen
9 unter Atmosphärendruck lässt sich wie folgt berechnen:p·V = Konst. p4bar·V4bar = pAtm·V - Setzt man die entsprechenden Werte ein, ergibt sich ein VAtm = 1661 mm3, was 1,661 cm3 entspricht.
- In der
4 ist in zwei Darstellungen ein weiteres Kraftstoffeinspritzsystem dargestellt, wobei die obere Darstellung den Pumpenkolben3 in Ausführung eines Saughubes und die untere Darstellung den Pumpenkolben3 in Ausführung eines Förderhubes zeigt. Entsprechend dem Kraftstoffeinspritzsystem der1 weist auch das in der4 dargestellte System eine Hochdruckpumpe mit einem Pumpen- bzw. Hochdruckelement1 auf, dessen Pumpenkolben3 über einen Nockentrieb2 zu einer Hubbewegung antreibbar ist. Im Saughub des Pumpenkolbens3 wird Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich5 über ein Saugventil4 angesaugt und im Förderhub verdichtet. Der auf Hochdruck verdichtete Kraftstoff gelangt dabei über ein Auslassventil6 in einen Hochdruckspeicher (nicht dargestellt). Eine Elektrokraftstoffpumpe12 dient wiederum als Förderpumpe, welche den Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter13 der Hochdruckpumpe zuführt. Die gesamte Fördermenge gelangt in einen Triebwerksraum8 , in dem der Nockentrieb2 aufgenommen ist. Gemäß der oberen Darstellung der4 bewirkt der Kolbenhub eine Volumenverkleinerung des Triebwerksraums8 , welche den hydraulischen Druck erhöht. Denn der Triebwerksraum8 der Hochdruckpumpe ist vollständig mit Kraftstoff gefüllt. Die Verkleinerung des Volumens des Triebwerkraums8 bewirkt, dass Kraftstoff aus dem Triebwerksraum8 verdrängt werden muss. Hierzu ist ein Überströmventil16 vorgesehen, über welches das Volumen des Triebwerksraums8 mit einem Rücklauf17 verbindbar ist. Das durch den Kolbenhub verdrängte Volumen kann durch Einfedern und teilweises Überströmen durch das Überströmventil16 aufgenommen werden. Wie der unteren Darstellung zu entnehmen ist, wird durch Weiterdrehen der Nockenwelle der Pumpenkolben3 wieder nach oben gedrückt, so dass sich das Volumen des Triebwerksraums8 wieder vergrößert und Kraftstoff nachgesaugt werden muss. Dabei strömt zumindest ein Teil des verdrängten Volumens aus dem Überströmventil16 zurück. Um das verdrängte und nachgesaugte Volumen in der Fördermenge zu berücksichtigen, wird eine Elektrokraftstoffpumpe12 eingesetzt, die dynamisch drehzahlgeregelt ist. Neben einer berechneten Grundlast liefert die Elektrokraftstoffpumpe eine weitere Menge, welche der Volumenzunahme im Triebwerksraum8 der Hochdruckpumpe während des Förderhubes des Pumpenkolbens3 entspricht, so dass die Ungleichförmigkeiten zumindest weitgehend ausgeglichen werden. - Die dynamisch geregelte Elektrokraftstoffpumpe wird bevorzugt in der Weise geregelt, dass das vom Pumpenkolben
3 verdrängte und nachgesaugte Volumen in der Fördermenge berücksichtigt wird. Die dafür erforderliche Fördermenge ergibt sich aus dem Diagramm der5 , wonach in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α ein Volumen QK in das System eingebracht wird. Die von der Vorförderpumpe in das System eingebrachte Gesamtmenge ergibt sich wie folgt:QFP = QHD + QK. - Die geförderte Hochdruckmenge QHD muss dabei in Abhängigkeit von der Motorlast zur Verfügung stehen.
- Die in den Ausführungsbeispielen der
1 und4 dargestellten Maßnahmen ergänzen sich, so dass bevorzugt eine Kombination der Maßnahmen vorgeschlagen wird.
Claims (6)
- Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Pumpenelement (
1 ), das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb (2 ) zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben (3 ) umfasst, wobei im Saughub des Pumpenkolbens (3 ) Kraftstoff über ein Saugventil (4 ) aus einem Niederdruckbereich (5 ) angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens (3 ) verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil (6 ) einem Hochdruckspeicher (7 ) zugeführt wird, wobei der Nocken- oder Exzentertrieb (2 ) in einem Triebwerksraum (8 ) aufgenommen ist, welcher im Betrieb der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im mit Kraftstoff gefüllten Triebwerksraum (8 ) ein Gasvolumen (9 ) ausgebildet ist, welches aufgrund der Kompressibilität des Gases einen Ausgleich von Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht. - Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (
9 ) gekapselt ist. - Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (
9 ) in einem Elastomerkörper (10 ) eingeschlossen ist, der vorzugsweise mehrere Hohlräume (11 ) zur Aufnahme des Gases aufweist. - Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe eine geregelte Elektrokraftstoffpumpe (
12 ) als Vorförderpumpe umfasst, die vorzugsweise dynamisch drehzahlgeregelt ist. - Hochdruckpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geregelte Elektrokraftstoffpumpe (
12 ) neben einer vorgebbaren Kraftstoff-Grundmenge eine zusätzliche Menge liefert, mittels welcher Ungleichförmigkeiten der Hochdruckpumpe ausgleichbar sind. - Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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