DE102011112947B3

DE102011112947B3 - Hochdruckpumpensystem

Info

Publication number: DE102011112947B3
Application number: DE201110112947
Authority: DE
Inventors: Torsten Bucher; Frank Grässler; Reiner Zaß; Georgetta Gassmann; Holmer Slocinski; Mattias Reth
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: Woodward LOrange GmbH
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: WO2013037481A1

Abstract

Für ein Hochdruckpumpensystem bei mit Kraftstoffeinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschinen (18) wird eine Ausbildung aufgezeigt, bei der für einen Betrieb mit Kleinstmengeneinspritzung lediglich eine Pumpe (2) der mehrzylindrigen Pumpeneinheit (1) mit Hochdruck fördert, die anderen Pumpen (3 bis 5) aber im Spülbetrieb laufen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdruckpumpensystem, insbesondere für mit Kraftstoffeinspritzung arbeitende Brennkraftmaschinen, gemäß dem Anspruch 1.
Bei mehrzylindrigen Pumpeneinheiten, wie sie insbesondere in Hochdruckpumpensystemen für mit Common Rail-Systemen ausgerüstete Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, ergeben sich teilweise sehr große Unterschiede bezüglich der jeweils geforderten Fördermenge. So werden teilweise auch Kleinstfördermengen gefordert, bei denen sich für die jeweilige Pumpe eine Mindestdurchsatzmenge ergibt, bei der die notwendige Schmierung und Kühlung der Pumpe nicht mehr sichergestellt ist.
Aus der JP 58 158 368 A ist ein Hochdruckpumpensystem mit einer mehrzylindrigen, mindestens zwei Pumpen umfassenden Pumpeneinheit bekannt. Die Pumpen weisen Förderkennlinien mit über der Drehzahl unterschiedlicher Steigung auf, so dass sich in Anpassung an die seitens der Brennkraftmaschine zu erbringende Leistung für die Pumpeneinheit im Verlauf gleiche, in der Steigung aber unterschiedliche Förderkennlinien dadurch realisieren lassen, dass nur jeweils eine der Pumpen oder überlagert mehrere der Pumpen der Pumpeneinheit betrieben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Hochdruckpumpensystem dahingehend auszugestalten, dass unter Beibehalt von dessen Grundaufbau ein betriebssicherer Betrieb von dessen Pumpeneinheit auch bei sehr großen Unterschieden zwischen Mindest- und Höchstfördermenge gewährleistet ist.
Erreicht wird dies mit einem Hochdruckpumpensystem gemäß den Merkmalen des Anspruches 1.
Ausgangspunkt hierfür ist, dass die Pumpeneinheit mit den in ihr zusammengefassten Pumpen auf eine zwischen dem Niederdruckbereich und dem Hochdruckbereich des Kraftstoff-Versorgungssystems liegende Anschlussverbindung fördert und dass durch die Gruppierung der Pumpen in Zuordnung zu bei Kleinstmengenförderung gegeneinander abgegrenzten, einerseits mit dem Niederdruckbereich und andererseits mit dem Hochdruckbereich verbundenen Teilen der Anschlussverbindung für die Kleinstmengenförderung eine, insbesondere nur eine der Pumpen verwendet wird. Dies, ohne dass in den Betrieb der anderen Pumpen hinsichtlich ihrer Förderung eingegriffen wird, wenn der diesen Pumpen zugeordnete und gegen den anderen, hochdruckseitigen Anschlussteil abgegrenzte niederdruckseitige Anschlussteil gegen den Niederdruckbereich geöffnet wird, und somit diese Pumpen im Spülbetrieb betrieben werden.
Die Anschlussverbindung kann gegebenenfalls als Kraftstoffspeicher ausgebildet sein.
Die Abgrenzung der beiden Anschlussteile gegeneinander kann auf Grund des Druckgefälles über ein funktional einfaches Rückschlagventil erfolgen, und es ist auch für die Öffnung des mit den im Spülbetrieb zu betreibenden Pumpen verbundenen, niederdruckseitigen Anschlussteiles gegen den Niederdruckbereich der Einsatz von einfachen Ventilen möglich, beispielsweise einfachen Wegeventilen, Druckregelventilen, aber auch mit Verstelldrosseln oder dergleichen.
Insbesondere liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die im Rahmen der Kleinstmengenförderung für die Hochdruckerzeugung genutzte Pumpe unabhängig von der Auslegung der anderen Pumpen in ihrer Größe an die jeweils geforderte Kleinstfördermenge angepasst auszulegen, beispielsweise durch Anpassung des Kolbendurchmesser.
Bei der erfindungsgemäßen mehrzylindrigen Hochdruckpumpeneinheit mit gemeinsamen Anschluss der Pumpen zu einem nachfolgenden Hochdruckspeicher kann im Rahmen der Erfindung insbesondere auch die Pumpeneinheit bereits einen oder mehrere Hochdruckräume beinhalten. Da die einzelnen Pumpen auf einen gemeinsamen Speicher fördern, bietet sich erfindungsgemäß die Möglichkeit, durch Teilung dieses Speichers einen niederdruckseitigen Teil – als Spülbereich – und einen hochdruckseitigen Teil gegeneinander abzugrenzen. Diese Abgrenzung kann durch ein einfaches Rückschlagventil erfolgen, wobei das Rückschlagventil entsprechend der Druckbeaufschlagung vom hochdruckseitigen Teil zum niederdruckseitigen Teil geschlossen ist, aber insbesondere selbsttätig bei Nutzung auch der für den Spülbetrieb einsetzbaren Pumpen zur Hochdruckerzeugung öffnet.
Bei geöffnetem niederdruckseitigen Anschlussteil wird der entsprechende Speicherteil der Pumpeneinheit – gebildet durch diesen Anschlussteil der Anschlussverbindung – weitgehend drucklos, so dass die Pumpen dieses Bereiches praktisch nur gespült, und somit gekühlt und geschmiert werden. Bei geschlossenem Spülventil werden die für den Spülbetrieb nutzbaren Pumpen für die Hochdruckförderung eingesetzt, ohne dass mit diesem Wechsel der Nutzung funktionale Nachteile verbunden wären. Wird als Spülventil ein Druckventil eingesetzt, so bietet sich eine zusätzliche Möglichkeit der Ausregelung von Druckspitzen in transienten Betriebszuständen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung fördert mindestens ein Zylinder der Pumpeneinheit in den hochdruckseitigen Teil des in die Pumpeneinheit integrierten Speichervolumens, das insbesondere durch die Anschlussverbindung gebildet ist. Durch einfache Anpassung von Zylinderdurchmesser und Durchmesser des zugehörigen Kolbens ist auch für diese Pumpe eine Leistungsanpassung möglich.
Dabei zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer mehrzylindrigen Hochdruckpumpeneinheit, wie sie insbesondere als kleinstmengenfähige Common Rail-Pumpeneinheit zur Aufladung eines Hochdruckspeichers eingesetzt wird, über den die auf die Brennräume einer Brennkraftmaschine einspritzenden Kraftstoffinjektoren versorgt werden, wobei die Kraftstoffhochdruckpumpeneinheit im Übergang eines Niederdruckbereiches des Kraftstoffversorgungssystems zu dem hochdruckseitig auf die Pumpe folgenden Common Rail mit nachgeordneter Brennkraftmaschine angedeutet ist und als Anschlussverbindung für die symbolisch angedeuteten Pumpen eine Speicherbohrung aufweist, und
2 eine der 1 im Wesentlichen entsprechende Darstellung, in der die Anschlussverbindung über zwei Speicherbohrungen erfolgt, an die die Pumpenzylinder angeschlossen sind.
In 1 ist mit 1 eine mehrzylindrige Pumpeneinheit bezeichnet, deren Pumpen 2 bis 5 durch ihre Zylinder Z1 bis Z4 symbolisiert sind, welche mit einer Speicherbohrung 6 als zwischen Niederdruckbereich und Hochdruckbereich verlaufender Anschlussverbindung 7 über Kanäle 8 verbunden sind.
Die Speicherbohrung 6 ist dargestellt als über das Gehäuse der Pumpeneinheit 1 durchlaufende Bohrung, die zum Niederdruckbereich hin über ein Spülventil 9 absperrbar ist und die gegenüberliegend über einen Stopfen 10 verschlossen ist. Ferner ist in der durch die Speicherbohrung 6 vorgesehenen Anschlussverbindung 7, diese axial unterteilend, ein Ventil 11 vorgesehen, das zwischen einem niederdruckseitigen Anschlussteil 12 und einem hochdruckseitigen Anschlussteil 13 der Anschlussverbindung 7 liegt, wobei mit dem Anschlussteil 13 die Pumpe 2 und mit dem Anschlussteil 12 die Pumpen 3 bis 5 verbunden sind. Vom hochdruckseitigen Anschlussteil 13 geht ferner eine Verbindung 14 zum schematisch angedeuteten Common Rail 15 aus, über das die Injektoren 16 versorgt werden, über die Kraftstoff auf die angedeuteten Zylinder 17 der Brennkraftmaschine 18 eingespritzt werden.
Falls über die Speicherbohrung 6 ein ausreichend großes Volumen zur Verfügung gestellt werden kann, so kann anstelle eines Common Rail auch lediglich ein Verteilerrohr vorgesehen werden.
Bei der dargestellten mehrzylindrigen Pumpeneinheit 1 für ein Hochdruckpumpensystem sind die Pumpen 2 bis 5 kraftstoffgeschmiert und gekühlt. Dies bedingt für die jeweilige Pumpe 2 bis 5 eine entsprechende Mindestfördermenge, damit sie betriebssicher betrieben werden kann. Solche Fördermengen der einzelnen Pumpen 2 bis 5 der Pumpeneinheit 1 sind aber dann nicht erforderlich, wenn für die zugehörige Brennkraftmaschine 18 ein entsprechender Leistungsbedarf nicht gegeben ist. Wird dennoch, um Schmierung und Kühlung sicherzustellen, für die Pumpen 2 bis 5 eine entsprechende Fördermenge vorgegeben, so bedeutet dies nicht nur einen unnötigen Energieverbrauch, sondern insbesondere auch eine zusätzliche Aufheizung und einen entsprechenden Verschleiß. Insbesondere gilt dies auch, wenn nur sehr kleine Einspritzmengen erforderlich sind, wie z. B. bei Dual-Fuel-Motoren.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist erfindungsgemäß die Pumpeneinheit 1, wie strichpunktiert angedeutet, für Arbeitsbereiche, in denen nur geringe Fördermengen für den Betrieb der Brennkraftmaschine 18 benötigt werden, funktional in einen im Spülbetrieb zu betreibenden Niederdruckförderteil oder Spülbereich 19 und einen Hochdruckförderteil 20 unterteilt.
Ist brennkraftmaschinenseitig die volle Förderleistung der Pumpeneinheit 1 auf Grund der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gefordert, so kann, bei entsprechender Auslegung der Pumpen 2 bis 5 der Pumpeneinheit 1, der reguläre Pumpenbetrieb gefahren werden. Ist dagegen brennkraftmaschinenseitig, wie z. B. bei Dual-Fuel-Systemen, nur eine Klein- oder Kleinstmengenförderung erforderlich, die einen Betrieb aller Pumpen 2 bis 5 unter Sicherstellung von Schmierung und Ölkühlung nur mit entsprechenden Verlusten möglich macht, so werden die Pumpen 3 bis 5 im Spülbetrieb betrieben, und es wird lediglich die Pumpe 2 des Hochdruckförderteiles 20 zur Förderung auf den Hochdruckbereich herangezogen.
Um dies bei dem geschilderten Aufbau zu ermöglichen, sind bezogen auf die Anschlussverbindung 7 der hochdruckseitige Anschlussteil 13 und der niederdruckseitige Anschlussteil 12 über das Ventil 11 gegeneinander abgegrenzt, das in einfacher Weise als gegen den niederdruckseitigen Anschlussteil 12 absperrendes Rückschlagventil ausgebildet ist und gegen den niederdruckseitigen Anschlussteil 12 geschlossen ist, wenn dieser durch Öffnen des Spülventiles 9 auf einem niedrigen Druckniveau gehalten wird. Dieses Druckniveau lässt sich über ein gesteuertes Spülventil 9, zum Beispiel ein Wegeventil, ein Spülventil mit zusätzlicher Druckregelfunktion oder dergleichen in bekannter Weise einstellen.
Für den Klein- oder Kleinstmengenförderbetrieb wird die Pumpeneinheit 1 bezüglich der Pumpen 2 bis 5 somit dahingehend genutzt, dass lediglich die dem Hochdruckförderteil 20 zugehörige Pumpe 2 als Hochdruckförderpumpe eingesetzt wird, die Pumpen 3 bis 5 praktisch aber als Spülpumpen, und dies ohne Eingriff in die Pumpen 2 bis 5 als solche oder in deren Steuerung, bei entsprechender Absperrung des niederdruckseitigen Anschlussteiles 12 zum hochdruckseitigen Anschlussteil 13 über das Ventil 11 und Freigabe eines Spülkreislaufes über das Spülventil 9.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht weitgehend jenem gemäß 1, abweichend von der Darstellung gemäß 1 ist aber eine zusätzliche Speicherbohrung 21 vorgesehen, und dadurch eine über zwei Speicherbohrungen 6 und 21 gebildete Anschlussverbindung 22 geschaffen, wodurch bei gleichem funktionalem Verhalten ein größeres, in die Pumpeneinheit 1 integriertes Speichervolumen erreichbar ist. Beide Speicherbohrungen 6 und 21, sind analog zur Ausbildung in 1, über Querkanäle 8 mit dem jeweiligen Zylinder Z2 bis Z4 verbunden.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet insbesondere auch den Vorteil, die dem Hochdruckförderteil 20 zugeordnete Pumpe 2, die auf den hochdruckseitigen Anschlussteil 13 der Anschlussverbindung 7 fördert, in ihrer Dimensionierung abweichend von den Pumpen 3 bis 5 zu gestalten, beispielsweise mit einem geringeren Kolbendurchmesser, so dass ungeachtet der Auslegung der Pumpen 3 bis 5 eine Auslegung der Pumpe 2 auf auch kleinste Fördermengen möglich ist.
Erfindungsgemäß ist eine große Variationsbreite durch die Abteilung des Hochdruckförderteiles 20 innerhalb der Pumpeneinheit 1 erreicht, indem einzelne Zylinder oder Zylindergruppen abgetrennt werden. Damit ist eine Kleinstmengenförderung durch Reduzierung der für die Hochdruckförderung genutzte(n) Pumpe(n) möglich, bei Betrieb der restlichen Pumpen im Spülbetrieb, in dem die Kühlung und Schmierung derer Zylinder gewährleistet ist. Unbeeinflusst von diesen Möglichkeiten bleibt der Betrieb der Pumpeneinheit 1 bei geschlossenem Spülventil 9 unter voller Nutzung der Pumpenleistung aller Pumpen 2 bis 5.
Wird das gesteuerte Spülventil 9 als Spülventil mit zusätzlicher Druckregelfunktion ausgelegt, so ist damit auch ein verbessertes Ausregeln transienter Vorgänge im Bereich voller Förderung aller Pumpen 2 bis 5 der Pumpeneinheit 1 möglich.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit eine Pumpeneinheit 1 geschaffen, die als Hochdruckpumpeneinheit bei voller Leistung dauerhaft eingesetzt werden kann und die in gleicher Weise auch für eine Kleinstmengenförderung nutzbar und einsetzbar ist. Dies bei einfachem Aufbau ohne zusätzliche Baugruppen und die Notwendigkeit zusätzlicher externer Ventile, wobei ggf. auch auf ein zusätzliches Rail-System verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Pumpeneinheit
2: Pumpe
3: Pumpe
4: Pumpe
5: Pumpe
6: Speicherbohrung
7: Anschlussverbindung
8: Kanäle
9: Spülventil
10: Stopfen
11: Ventil
12: niederdruckseitiger Anschlussteil
13: hochdruckseitiger Anschlussteil
14: Verbindung
15: Common Rail
16: Injektoren
17: Zylinder
18: Brennkraftmaschine
19: Niederdruckförderteil/Spülbereich
20: Hochdruckförderteil
21: Speicherbohrung
22: Anschlussverbindung

Claims

Hochdruckpumpensystem, insbesondere für mit Kraftstoffeinspritzung arbeitende Brennkraftmaschinen (18), das eine mehrzylindrige Pumpeneinheit (1) mit zumindest zwei Pumpen (2 bis 5) aufweist, die in der Verbindung eines Niederdruckbereiches zu einem Hochdruckbereich liegen und auf eine Anschlussverbindung (7) mit einem ersten, auf den Hochdruckbereich ausmündenden hochdruckseitigen Anschlussteil (13) und einem zweiten, zum Niederdruckbereich absperrbar verbundenen, niederdruckseitigen Anschlussteil (12) fördern, wobei die Anschlussteile (12, 13) gegeneinander bei geöffnetem niederdruckseitigen Anschlussteil (12) und druckbeaufschlagtem hochdruckseitigem Anschlussteil (13) abgesperrt sind und der hochdruckseitige Anschlussteil (13) mit einer in ihrer Förderung auf einen Mindestbedarf für den Betrieb der Brennkraftmaschine ausgelegten Pumpe (2) verbunden ist.
Hochdruckpumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussverbindung (7) als Speicher ausgebildet ist.
Hochdruckpumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang vom niederdruckseitigen Anschlussteil (12) zum hochdruckseitigen Anschlussteil (13) der Anschlussverbindung (7) ein Ventil (11), insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist.
Hochdruckpumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang vom niederdruckseitigen Anschlussteil (12) zum Niederdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems ein gesteuertes Spülventil (9) mit Druckregelfunktion angeordnet ist.
Hochdruckpumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einen Mindestbedarf für den Betrieb der Brennkraftmaschine ausgelegte, dem Hochdruckbereich zugehörige Pumpe (2) unabhängig von der Auslegung der anderen, der Pumpeneinheit zugehörigen Pumpen (3 bis 5) für eine Hochdruck-Kleinstmengenförderung dimensioniert ist.