DE102011007182A1 - Hydraulische Fördereinrichtung - Google Patents
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Abstract
Eine hydraulische Fordereinrichtung, insbesondere als Kraftstoffpumpe fur eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor, umfasst einen Einlass zum Aufnehmen eines Fluids, einen Auslass zum Ausstoßen des Fluids, ein Pumpelement zur Förderung des Fluids vom Einlass zum Auslass und ein Volumenventil zur Steuerung eines Stroms des Fluids vom Einlass zum Pumpelement. Dabei ist das Volumenventil hydraulisch auf der Basis eines im Bereich des Auslasses herrschenden Drucks gesteuert.
Description
- Die Erfindung betrifft eine hydraulische Fordereinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine hydraulische Fordereinrichtung zum Einsatz als Kraftstoffpumpe für eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor.
- Ein Verbrennungsmotor, wie er an einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, umfasst eine Einspritzanlage mit einem Druckspeicher. Eine solche Speichereinspritzung, auch Common Rail-Einspritzung genannt, erfordert zum Betrieb eine Fördereinrichtung, um Kraftstoff in einem Druckspeicher, dem Rail, auf einen konstanten, vorbestimmten Druck zu bringen.
- Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors variiert das Volumen des Kraftstoffs pro Zeiteinheit, das aus dem Druckspeicher entnommen wird, so dass die Fördereinrichtung unterschiedliche Forderleistungen erbringen muss. Um Herstellungskosten an der Fördereinrichtung gering zu halten, kann ein Überströmventil vorgesehen werden, das Kraftstoff aus dem Druckspeicher ablässt, wenn der Druck im Druckspeicher oberhalb des vorbestimmten Drucks liegt. Der abgelassene Kraftstoff wird der Fördereinrichtung zur erneuten Förderung bereit gestellt. Dadurch sinkt jedoch einerseits die Effizienz der Fordereinrichtung und andererseits besteht die Gefahr, dass sich der Kraftstoff beim mehrfachen Durchlaufen der Fördereinrichtung erwärmt, wodurch eine Funktionalität bzw. Effizienz einer aus dem Druckspeicher gespeisten Einspritzanlage gefährdet sein kann.
- Eine alternative Vorgehensweise sieht vor, ein elektromagnetisches Einlassventil („digital inlet valve”, DIV) zu verwenden, um das durch die Fördereinrichtung geförderte Volumen des Kraftstoffs zu begrenzen. Die Steuerung des Einlassventils erfolgt dabei auf der Basis des im Bereich des Druckspeichers herrschenden Drucks. Eine derartige Steuerung der Fördereinrichtung, insbesondere in Verbindung mit dem Ablassventil, ist jedoch aufwendig und somit kostenintensiv. Um eine kostengunstige Einspritzanlage trotzdem effizient zu gestalten, ist es somit eine Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Fördereinrichtung anzubieten, welche die Nachteile des Überströmventils uberwindet.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine hydraulische Fordereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wider.
- Offenbarung der Erfindung
- Eine hydraulische Fordereinrichtung umfasst einen Einlass zum Aufnehmen eines Fluids, einen Auslass zum Ausstoßen des Fluids, ein Pumpelement zur Forderung des Fluids vom Einlass zum Auslass und ein Volumenventil zur Steuerung eines Stroms des Fluids vom Einlass zum Pumpelement. Dabei ist das Volumenventil hydraulisch auf der Basis eines im Bereich des Auslasses herrschenden Drucks gesteuert.
- Erfindungsgemäß kann sich das gute Regelverhalten eines elektromechanisch gesteuerten Volumenventils mit dem geringen Herstellungsaufwand eines (Überströmventils kombinieren lassen. Dadurch kann die hydraulische Fördereinrichtung kostengunstiger, zuverlässiger und langlebiger als eine bekannte Fordereinrichtung sein. Insbesondere an einem Verbrennungsmotor, an dem eine Steuerung des Volumenventils an keine weiteren Parameter geknüpft werden soll, kann die hydraulisch gesteuerte Fördereinrichtung vorteilhaft eingesetzt werden. Der geforderte Kraftstoff durchläuft die Fördereinrichtung allgemein nur einmal, so dass eine übermaßige Erwarmung des Kraftstoffs vermieden werden kann.
- Das Volumenventil kann dazu eingerichtet sein, den Durchfluss des Fluids vom Einlass zum Pumpelement zu erhöhen, falls der im Bereich des Auslasses herrschende Druck unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, und andernfalls den Durchfluss zu drosseln. Dadurch kann auf einfache und zuverlässige Weise ein konstanter Druck im Bereich des Auslasses bereitgestellt werden, der weitgehend unabhangig von einer Entnahmemenge des Fluids am Auslass ist.
- In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Volumenelement ein Schließelement mit einem Ventilsitz, ein Federelement, das dazu eingerichtet ist, das Schließelement von dem Ventilsitz abzuheben, um den Durchfluss des Fluids zu erhöhen, und einen beweglichen Kolben zum Drucken des Schließelements gegen den Ventilsitz in Abhängigkeit von einem im Bereich des Auslasses herrschenden Druck. Das hydraulisch gesteuerte Volumenventil weist somit nur noch vier wesentliche Elemente auf, von denen nur drei beweglich sind. Dadurch können Herstellungskosten reduziert und eine Zuverlassigkeit erhoht sein.
- Das Schließelement kann insbesondere eine Kugel umfassen, wobei der Kolben dem Federelement bezüglich der Kugel gegenüberliegt und das Federelement im Strom des Fluids liegt. Ein derartiges Volumenventil kann kompakt aufgebaut und derartig gestaltet sein, dass es ein bekanntes elektromechanisches Volumenventil ersetzen kann. Dadurch konnen Herstellungs- und Entwicklungsaufwande der Fordereinrichtung weiter gesenkt werden.
- Es kann ein Rückschlagventil zum selektiven Ermoglichen des Strömens des Fluids vom Volumenventil zum Pumpelement vorgesehen sein. Dadurch kann insbesondere ein Ansprechverhalten bei einer sich ändernden Entnahmemenge des Fluids pro Zeiteinheit im Bereich des Auslasses verbessert sein.
- Das Ansprechverhalten kann weiter verbessert sein, indem ein hydraulisches Volumen zwischen dem Volumenventil und dem Rückschlagventil minimiert ist. Insbesondere kann so eine Forderleistung der Fördereinrichtung rasch reduziert werden, wenn eine Entnahmemenge des Fluids am Auslass schlagartig zurückgeht.
- In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist ein hydraulischer Dampfer im Bereich zwischen den Einlass und dem Volumenventil zur Minderung eines Pulsierens des Drucks des Fluids vorgesehen. Dadurch kann eine Neigung der Fordereinrichtung zu einem Druckstoß („Wasserhammer”) minimiert sein, der zu Schaden des hydraulischen Systems im Bereich des Einlasses fuhren kann.
- Das Pumpelement kann eine Kolbenpumpe mit einem Pumpkolben umfassen, wobei eine vom Volumenventil abgewandte Seite des Pumpkolbens hydraulisch mit der dem Einlass zugewandten Seite des Volumenventils verbunden ist. Diese Maßnahme kann ebenfalls vorteilhaft bezüglich der Vermeidung von Druckschlagen sein.
- In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Fördereinrichtung Element einer Kraftstoffpumpe fur eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor.
- Die Erfindung wird nun Bezug auf die beigefugten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 ein hydraulisches Schaltbild einer Fördereinrichtung; -
2 ein Volumenventil der Fördereinrichtung von1 ; -
3 ein Durchflussdiagramm der Fördereinrichtung der1 bis2
darstellt. -
1 zeigt ein hydraulisches Schaltbild einer Fördereinrichtung100 . Ein Einlass105 ist zum Aufnehmen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs wie Benzin oder Diesel aus einer mit einem Tank verbundenen Kraftstoffleitung vorgesehen. Der Kraftstoff wird ublicherweise durch eine vorgeschaltete, elektrisch betriebene Pumpe mit einem vorbestimmten Druck bereitgestellt, beispielsweise ca. 3 bar. Vom Einlass105 fließt der Kraftstoff zu einem optionalen Filter110 . In Durchflussrichtung vor oder hinter dem Filter110 ist ein hydraulischer Dämpfer115 angeordnet. Der hydraulische Dampfer115 hat die Aufgabe, Druckschwankungen des Kraftstoffs zu dämpfen bzw. auszugleichen. In einer Ausführungsform umfasst der hydraulische Dämpfer115 ein Volumen mit Elementen zum Bremsen von durchfließendem Kraftstoff. - Der Kraftstoff fließt weiter zu einer ersten Abzweigung
120 . Von der ersten Abzweigung120 aus führt eine Fluidleitung zu einem Volumenventil125 . Eine weitere Fluidleitung führt vom Volumenventil125 zu einem ersten Rückschlagventil130 . Das Volumenventil125 ist außerdem mit einer hydraulischen Steuerleitung135 verbunden. In Abhangigkeit eines in der hydraulischen Steuerleitung135 herrschenden Drucks steuert das Volumenventil125 eine Durchflussmenge von Kraftstoff pro Zeiteinheit von der ersten Abzweigung120 zum ersten Rückschlagventil130 . - Das erste Ruckschlagventil
130 , das auch passives Servoventil genannt wird, erlaubt einen Fluss des Kraftstoffs vom Volumenventil125 zu einem mit dem ersten Rückschlagventil130 verbundenen Pumpenelement140 , verhindert jedoch einen Fluss des Kraftstoffs in umgekehrter Richtung. - Das Pumpenelement
140 umfasst einen Kolben145 , der in einem Zylinder150 hin und her bewegt wird. Hierzu wird der Kolben145 mittels eines nicht dargestellten Antriebsmotors angetrieben. Das Pumpenelement140 ist mit einem zweiten Ruckschlagventil155 verbunden. Entsprechend dem ersten Rückschlagventil130 erlaubt das zweite Rückschlagventil155 ein Fließen des Kraftstoffs aus dem Pumpenelement140 heraus, verhindert jedoch das Fließen von Kraftstoff in umgekehrter Richtung. - Bewegt sich der Kolben
145 im Zylinder150 in der Darstellung von1 nach unten, so sperrt das zweite Ruckschlagventil155 und das erste Rückschlagventil130 offnet, so dass Kraftstoff durch das erste Rückschlagventil130 in den Zylinder150 strömt. Bewegt sich der Kolben145 anschließend wieder nach oben, sperrt das erste Ruckschlagventil130 und das zweite Ruckschlagventil155 öffnet, so dass unter Druck stehender Kraftstoff aus dem Zylinder150 durch das zweite Ruckschlagventil155 ausgestoßen wird. Ein unterhalb des Kolbens145 befindliches Volumen des Pumpelements140 ist mittels einer Ausgleichsleitung160 mit der ersten Abzweigung120 verbunden. - Das zweite Ruckschlagventil
155 mundet in eine zweite Abzweigung165 . Die zweite Abzweigung165 ist mit der hydraulischen Steuerleitung135 verbunden. Ferner führt eine Leitung zu einem optionalen weiteren Filter170 und von dort zu einem Auslass175 . Der Auslass175 ist dazu eingerichtet, mit einem Druckspeicher („Common Rail”) eines Verbrennungsmotors verbunden zu werden. - Die Fördereinrichtung
100 ist insbesondere dazu eingerichtet, als Kraftstoffpumpe fur eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt zu werden. -
2 zeigt eine Ausführungsform des Volumenventils125 der Fordereinrichtung100 aus1 . Das Volumenventil125 umfasst einen Kolben205 , der beweglich in einem Ende der hydraulischen Steuerleitung135 aufgenommen ist. Ein oberes Ende des Kolbens205 steht in Kontakt mit Kraftstoff in der Steuerleitung135 , die zur zweiten Abzweigung165 in1 führt. Ein unteres Ende des Kolbens205 liegt an einer Ventilkugel210 an. Auf einer entgegengesetzten Seite des Kolbens205 liegt an der Ventilkugel210 ein oberes Ende einer Feder215 an. Ein unteres Ende der Feder215 ist in einer Zuleitung220 gehalten, die zur ersten Abzweigung120 in1 führt. Die Feder215 ist vorzugsweise eine Spiralfeder, so dass Kraftstoff der Lange nach durch die Feder215 strömen kann. - Im Bereich zwischen dem oberen Ende der Feder
215 und der Ventilkugel210 befindet sich ein Ventilsitz, der die Zuleitung220 hydraulisch mit einer Ableitung230 verbindet. Die Ableitung230 führt zum ersten Ruckschlagventil130 . - Die Feder
215 drückt die Ventilkugel210 mit konstanter Kraft nach oben, vom Ventilsitz225 ab. Wird die Ventilkugel210 abgehoben, so wird ein Fluss von Kraftstoff ermöglicht, der von der ersten Abzweigung120 durch die Zuleitung220 , durch einen Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz225 und der Ventilkugel210 und durch die Ableitung230 zum ersten Rückschlagventil130 verläuft. In Abhängigkeit eines in der Steuerleitung135 herrschenden Drucks ubt der Kolben205 eine Kraft auf die Ventilkugel210 aus, um diese nach unten gegen den Ventilsitz225 zu drücken. Senkt sich die Ventilkugel210 auf den Ventilsitz225 ab, so ist der Kraftstofffluss von der ersten Abzweigung120 zum ersten Rückschlagventil130 reduziert bzw. unterbrochen. - Durch die wirksame Oberfläche des Kolbens
205 und die Federkraft der Feder215 ist ein hydraulisches Gleichgewicht definiert, das den Kraftstofffluss von der ersten Abzweigung120 zum ersten Ruckschlagventil130 bei einem vorgegebenen hydraulischen Druck in der Steuerleitung135 ermoglicht. Dadurch wird in der hydraulischen Fordereinrichtung100 aus1 der hydraulische Druck im Bereich der zweiten Abzweigung165 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert, beispielsweise ca. 70 Bar. - Da auch der im Bereich der Zuleitung
220 herrschende hydraulische Druck eine Kraft auf die Ventilkugel210 nach oben ausubt, um diese vom Ventilsitz225 abzuheben, kann die Feder215 entsprechend dimensioniert werden, um diesen Druck zu berücksichtigen. In bekannter Weise kann ein maximales Abheben der Ventilkugel210 vom Ventilsitz225 bestimmt werden, um einen maximalen Durchfluss von Kraftstoff von der ersten Abzweigung120 zum ersten Rückschlagventil130 zu ermöglichen, und in Abhangigkeit des maximalen Abhebens eine Federhärte und eine Vorspannung der Feder215 bestimmt. Die Federharte215 bestimmt auch eine Öffnungscharakteristik des Volumenventils125 , wenn der Druck in der Steuerleitung135 unter den vorbestimmten Wert abfällt. -
3 zeigt ein Durchflussdiagramm400 der Fordereinrichtung100 der1 bis2 . - In einer horizontalen Richtung ist ein Druck p im Bereich des Auslasses
175 angetragen. In vertikaler Richtung ist ein Durchfluss V in Litern pro Minute durch das Volumenventil125 der -
1 bis2 angetragen. Ein Verlauf405 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Druck p und dem Durchfluss V. Dabei wird von einem Eingangsdruck im Bereich der ersten Abzweigung120 von ca. 3,5 Bar ausgegangen. - Unterhalb eines Drucks p von ca. 68 Bar ist das Volumenventil
125 aus den1 und2 vollständig geoffnet und der Durchfluss betragt ca. 6,4 l/min. - Bei einem Druck im Bereich des Auslasses
175 zwischen ca. 68 und ca. 73 Bar schließt das Volumenventil125 annahernd linear und erlaubt oberhalb von ca. 73 Bar praktisch keinen Durchfluss V mehr. - Die leichte Abweichung des Verlaufs
405 im Bereich zwischen ca. 68 und ca. 73 Bar von einem linearen Zusammenhang geht auf die öffnende Wirkung des hydraulischen Drucks in der Zuleitung220 des Volumenventils125 zurück.
Claims (9)
- Hydraulische Fördereinrichtung (
100 ), die folgende Elemente umfasst: – einen Einlass (105 ) zum Aufnehmen eines Fluids; – einen Auslass (175 ) zum Ausstoßen des Fluids; – ein Pumpelement (140 ) zur Förderung des Fluids vom Einlass zum Auslass; – ein Volumenventil (125 ) zur Steuerung eines Stroms des Fluids vom Einlass (105 ) zum Pumpelement (140 ) auf der Basis eines im Bereich des Auslasses (175 ) herrschenden Drucks, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuerung des Volumenventils (125 ) hydraulisch erfolgt. - Fördereinrichtung (
100 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenventil (125 ) dazu eingerichtet ist, den Durchfluss des Fluids vom Einlass (105 ) zum Pumpelement (140 ) zu erhohen, falls der im Bereich des Auslasses (175 ) herrschende Druck unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, und andernfalls den Durchfluss zu drosseln. - Fördereinrichtung (
100 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenventil (125 ) folgendes umfasst: – ein Schließelement (210 ) mit einem Ventilsitz (225 ); – ein Federelement (215 ), das dazu eingerichtet ist, das Schließelement (210 ) von dem Ventilsitz (225 ) abzuheben, um den Durchfluss des Fluids zu erhöhen; und – einen beweglichen Kolben (205 ) zum Drücken des Schließelements (210 ) gegen den Ventilsitz (225 ) in Abhängigkeit von einem im Bereich des Auslasses (175 ) herrschenden Druck. - Fordereinrichtung (
100 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (210 ) eine Kugel umfasst, wobei der Kolben (205 ) dem Federelement (215 ) bezuglich der Kugel (210 ) gegenüber liegt und das Federelement (215 ) im Strom des Fluids liegt. - Fordereinrichtung (
100 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Rückschlagventil (130 ) zum selektiven Ermöglichen des Stromens des Fluids vom Volumenventil (125 ) zum Pumpelement (14 ). - Fordereinrichtung (
100 ) Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, ein hydraulisches Volumen zwischen dem Volumenventil (125 ) und dem Rückschlagventil (130 ) minimiert ist. - Fordereinrichtung (
100 ) nach einem der vorangehenden Anspruche, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Dämpfer (115 ) im Bereich zwischen dem Einlass (105 ) und dem Volumenventil (125 ) zur Minderung eines Pulsierens des Drucks des Fluids. - Fordereinrichtung (
100 ) nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpelement (140 ) eine Kolbenpumpe mit einem Pumpkolben (145 ) umfasst, wobei eine vom Volumenventil (125 ) abgewandte Seite des Pumpkolbens (145 ) hydraulisch mit der dem Einlass (105 ) zugewandten Seite des Volumenventils (125 ) verbunden ist. - Kraftstoffpumpe (
100 ) für eine Speichereinspritzung an einem Verbrennungsmotor, wobei die Kraftstoffpumpe eine Fördereinrichtung (100 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
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DE201110007182 Ceased DE102011007182A1 (de) | 2011-04-12 | 2011-04-12 | Hydraulische Fördereinrichtung |
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- 2011-04-12 DE DE201110007182 patent/DE102011007182A1/de not_active Ceased
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