DE102014207303A1

DE102014207303A1 - Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014207303A1
Application number: DE102014207303.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-10-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe. Die Hochdruckpumpe ist als Zahnradpumpe 20 ausgebildet.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik bekannte Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen weisen Hochdruckpumpen auf, die als Kolbenpumpen ausgebildet sind. Ein entsprechendes System ist beispielsweise in der der DE 10322595 A1 offenbart.
Wenngleich Kraftstoffsysteme mit einem derartigen Aufbau im Bereich der Benzindirekteinspritzung bereits eine große kommerzielle Verbreitung gefunden haben, weisen sie einige immanente Schwächen auf, beispielsweise eine gewisse Geräuschentwicklung und Druckpulsationen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt hingegen ein alternatives Konzept für ein Kraftstoffsystem da, das zudem den Vorteil hat, dass kaum Druckpulsationen auftreten und eine Geräuschentwicklung gering ist.
Erfindungsgemäß ist dies durch ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine realisiert, dass eine Hochdruckpumpe aufweist, die als Zahnradpumpe ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch die entsprechenden Zahnradpumpen als solche.
Wenngleich andere Ausführungen möglich sind, ist die Zahnradpumpe bevorzugt als Innenzahnradpumpe ausgebildet.
Unter einer Hochdruckpumpe ist hierbei eine Pumpe zu verstehen, die zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang eine hohe Druckdifferenz zu erzeugen vermag, so dass hohe Drücke erzeugbar sind, wie sie bei der Benzindirekteinspritzung typischerweise zum Einsatz kommen. Beispielsweise handelte sich um Pumpen zur Erzeugung von Druckdifferenzen von mindestens 30 bar, bevorzugt sogar mindestens 50 bar. Neueren Entwicklungen zufolge dienen derartige Hochdruckpumpen zur Erzeugung noch viel höherer Drücke, beispielsweise mindestens 200 bar, 300 bar oder sogar 600 bar. Auch auf solche Hochdruckpumpen ist die vorliegende Erfindung insbesondere anwendbar.
Bei der Zahnradpumpe kann es sich insbesondere um eine radialspaltkompensierte und/oder axialspaltkompensierte Innenzahnradpumpe handeln, wie sie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist.
Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass die Zahnradpumpe einen elektrischen Antrieb, beispielsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor umfasst. Der elektrische Antrieb ermöglicht beispielsweise über eine Leistungsversorgung aus einem Bordnetz eine Verfügbarkeit bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine. Die Auslegung von elektrischem Antrieb und Zahnradpumpe ermöglicht eine gemeinsame Optimierung hinsichtlich eines Gesamtwirkungsgrads und damit des Kraftstoffverbrauchs. Der Volumenstrom der Zahnradpumpe kann durch Drehzahlveränderung des elektrischen Antriebs dem Bedarf der Brennkraftmaschine sehr flexibel angepasst werden.
Der elektrische Antrieb kann ferner mit Verdrängerelementen in der Zahnradpumpe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Rotor und/oder der Stator des elektrischen Antriebs radial um die Verdrängerelemente herum angeordnet ist oder dass die Verdrängerelemente sogar zugleich als Rotor und/oder Stator des elektrischen Antriebs wirken. Derartige Anordnungen sind grundsätzlich bekannt, und beispielsweise in der US 8,449,269 B2 im Detail dargestellt.
Wenngleich die erfindungsgemäß vorgesehene Hochdruckpumpe in dem Kraftstoffsystem mit einer stromaufwärts angeordneten Niederdruckpumpe zusammen arbeiten kann, ist es auch möglich, auf letztere zu verzichten. In diesem Fall ist die erfindungsgemäß vorgesehene Zahnradpumpe die einzige druckerzeugende Komponente des Kraftstoffsystems. In dieser Konfiguration kommen bevorzugt Zahnradpumpen zum Einsatz, die niederdruckseitig eine Saugwirkung zu erzeugen vermögen.
Zur Erzeugung sehr hohe Drücke kommen bevorzugt Zahnradpumpen zum Einsatz, die über mehrere Getriebestufen verfügen. Unter einer Getriebestufe ist hierbei insbesondere eine Einheit zu verstehen, die jeweils über mindestens ein Ritzel und ein Hohlrad verfügt.
Die mehreren Getriebestufen sind bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Das Gehäuse der Zahnradpumpe besteht vorzugsweise ganz oder zumindest teilweise aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff oder Polymercompound und ist vorzugsweise benzinbeständig. Insbesondere kann auf diese Weise eine Dichtwirkung des Gehäuses gegenüber kraftstoffführenden Bauteilen erreicht werden, vorzugsweise ohne weitere Maßnahmen.
Weiterbildungen der Erfindungen sehen vor, dass, insbesondere innerhalb des Gehäuses, Mittel vorgesehen sind, die der Überwachung eines Betriebszustands der Zahnradpumpe dienen. Beispielsweise können Drucksensoren und/oder Temperatursensoren in die Zahnradpumpe integriert sein, beispielsweise in verschleißsensitiven Baugruppen der Zahnradpumpe wie den Zähnen der von der Zahnradpumpe umfassen Verdrängerelemente.
Die Auslegung des geometrisch definierten Verdrängungsvolumens der Verdrängerelemente und damit insbesondere die Zuordnung zu Brennkraftmaschinen gemäß des erforderlichen Einspritzvolumens kann als Baukasten durch Festlegung der Breite der beispielsweise innen- und/oder außenverzahnten Zahnräder erfolgen.
Im Kraftstoffsystem kann die beschriebene Pumpe entweder allein die Versorgung des nachgeschalteten Hochdruckspeichers (Rail) und der nachgeschalteten Einspritzventile (HDEV) übernehmen oder es wird eine konventionelle elektrische Vorförderpumpe (EKP) und die hier beschriebene Hochdruckpumpe realisiert. Elektrisch können in diesem Fall die Ansteuerungssignale für bei Pumpen gekoppelt und/oder synchronisiert werden.
Zeichnung
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
2 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
3 eine Zahnradpumpe, bei der ein elektrischer Antrieb und Verdrängerelemente in axialer Richtung hintereinander in einem Gehäuse angeordnet sind
4 eine Zahnradpumpe, bei der ein elektrischer Antrieb und Verdrängerelemente in axialer Richtung parallel zueinander in einem Gehäuse angeordnet sind
5 ein Verdrängerelement einer Zahnradpumpe in deren Zähnen Sensoren angeordnet sind
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems 10 mit einem Tank 31, einer Niederdruckpumpe 32, einem Filter 33 einer Rücklaufleitung 34 einer als Innenzahnradpumpe ausgebildeten Zahnradpumpe 20, einem elektrischen Antrieb 21 zum Antrieb der Zahnradpumpe 20, einem stromabwärts der Zahnradpumpe 20 angeordneten Rückschlagventil 35 einem der Zahnradpumpe 20 parallelgeschalteten, in Stromrichtung öffnenden Notlaufventil 36, einem der Zahnradpumpe 20 und dem Notlaufventil 36 parallelgeschalteten Druckbegrenzungsventil 37, das entgegen der Strömungsrichtung öffnet. Diese Ventile 36, 37 sind im Beispiel als Kugelventile ausgeführt. Stromabwärts dem Rückschlagventil 35 ist über eine Drossel 38 ein Hochdruckrail 39 angeschlossen, das als Druckspeicher dient und über das Injektoren 40 Kraftstoff in Brennräume einer in der 1 nicht zeichnerisch dargestellten Brennkraftmaschine einzuspritzen vermögen.
Bei der Zahnradpumpe 20 handelt es sich um eine radialspaltkompensierte und axialspaltkompensierte Innenzahnradpumpe. Der elektrische Antrieb 21 ist als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet und zusammen mit den Verdrängerelementen 22 der Innenzahnradpumpe im gleichen Gehäuse 23 angeordnet. Das Gehäuse 23 besteht im Beispiel aus einem benzinbeständigen Polymer, beispielsweise aus PFA oder dergleichen, so dass ohne weitere Maßnahmen eine Dichtwirkung zwischen dem Gehäuse 23 und kraftstoffführenden Bauteilen der Zahnradpumpe 20 resultiert.
In 2 ist eine alternative Ausführung eines Kraftstoffsystems ersichtlich, dass sich von dem vorangehenden durch Verzicht nicht notwendigerweise benötigter Komponenten unterscheidet. Eine Zahnradpumpe 20 saugt direkt aus einem Tank 31 und fördert unmittelbar in ein Hochdruckrail 39, dass wie oben Injektoren 40 einer Brennkraftmaschine versorgt. In Abhängigkeit der Saugleistung der Zahnradpumpe 20 kann diese, wie in der Figur gezeigt, in der Nähe (< 50 cm) des Tanks 31 und/oder alternativ in der Nähe (< 50 cm) der Brennkraftmaschine angeordnet sein.
In 3 ist eine Zahnradpumpe 20 dargestellt, bei der ein elektrischer Antrieb 21 und Verdrängerelemente 22 in bezüglich der auftretenden Rotation axialer Richtung hintereinander in einem Gehäuse 23 angeordnet sind. Hierbei ist der elektrische Antrieb 21 auf der Seite des Niederdruckanschlusses 41 angeordnet, die Verdrängerelemente 22 sind auf der Seite des Hochdruckanschlusses 42 angeordnet.
Eine hierzu alternative Anordnung von elektrischem Antrieb 21 und Verdrängerelemente 22 ist in der 4 dargestellt. Es handelt sich um eine Zahnradpumpe 20, bei der ein elektrischer Antrieb 21 und Verdrängerelemente 22 in bezüglich der auftretenden Rotation axialer Richtung parallel zueinander in einem Gehäuse 23 angeordnet sind. Es ergibt sich die Möglichkeit, dass die Verdrängerelemente 22 zugleich als Rotor 24 und/oder Stator 25 des elektrischen Antriebs 21 wirken. Zu weiteren Details dieses Pumpentyps wird auf den hierzu eingangs genannten Stand der Technik verwiesen.
In 5 ist ein Verdrängerelement 22 einer Zahnradpumpe 20 in deren Zähnen 45 Sensoren 50 angeordnet sind, die der Aufnahme und Weiterleitung von Informationen über Druck und/oder Temperatur dienen, dargestellt. Beispielsweise kann es sich um Mikro-Drucksensoren auf Basis von Dickschichttechnologien handeln, wie sie beispielsweise in der DE 4423596 A1 offenbart sind. Auch Mikro-Mantelthermoelemente können zum Einsatz kommen und in die Zähne 45 eines Verdrängerelements 22 integriert sein.
Eine Überwachung eines Betriebszustands der Pumpe kann insbesondere über die Überwachung eines Motorstroms des elektrischen Antriebs 21 erfolgen. Damit kann eine einfache Einbindung in zukünftige Konzepte wie „Internet of Machines“ und/oder „Wear in the Cloud-Konzepte“ realisiert werden.
Die messtechnische Überwachung der Signale von Versorgungsspannungen und/oder Antriebsströmen des elektrischen Antriebs 21 ermöglicht ferner, insbesondere nach einer Kalibrierung, eine Möglichkeit, Abweichungen im Betriebsverhalten, die z.B. auf Verschleiß hindeuten, aus dem Signalverlauf zu detektieren. Zusätzlich kann eine dem elektrischen Antrieb 21 zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung mit einem hochfrequenten Spannungssignal überlagert werden, das gezielt auf zuverlässigkeitsrelevante Baugruppen der Pumpe abgestimmt wurde.
Eine eventuell auftretende Störung kann rechtzeitig erkannt werden und z.B. durch Vernetzung der Brennkraftmaschine bzw. eines zugehörigen Stationärmotors oder Fahrzeugs an webbasierte Diagnosesysteme als Information weitergeleitet werden. Damit steht die Möglichkeit zur Verfügung, gezielt von diesen Diagnosesystemen die Betriebsparameter der Zahnradpumpe 21 zu beeinflussen, um ein sicheres Erreichen eines Serviceintervalls oder einer Servicestation zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10322595 A1 [0001]
US 8449269 B2 [0009]
DE 4423596 A1 [0028]

Claims

Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe eine Zahnradpumpe (20) ist.
Kraftstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (20) eine Innenzahnradpumpe, insbesondere eine radialspaltkompensierte und/oder axialspaltkompensierte Innenzahnradpumpe ist.
Kraftstoffsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (20) einen elektrischen Antrieb (21), insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bevorzugt eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, umfasst.
Kraftstoffsystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (20) Verdrängerelemente (22) umfasst, die mit dem elektrischen Antrieb (21) in einem gemeinsamen Gehäuse (23) angeordnet sind.
Kraftstoffsystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerelemente (22) zugleich als Rotor (24) und/oder Stator (25) des elektrischen Antriebs (21) wirkten.
Kraftstoffsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnradpumpe (20) innerhalb des Kraftstoffsystems (10) die einzige druckerzeugende Komponente ist.
Kraftstoffsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Zahnradpumpe (20) mehrere Getriebestufen umfasst, die insbesondere jeweils mindestens eine Ritzel und ein Hohlrad umfassen und in einem gemeinsamen Gehäuse (23) angeordnet sind
Kraftstoffsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (23) zumindest teilweise aus einem, insbesondere benzinbeständigen, thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff oder Polymercompound besteht.
Kraftstoffsystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (23) ohne weitere Maßnahmen gegenüber kraftstoffführenden Bauteilen dichtet.
Kraftstoffsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, zur Überwachung eines Betriebszustands der Zahnradpumpe (10).