DE102014224750B4

DE102014224750B4 - Vakuumsystem für eine Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102014224750B4
Application number: DE102014224750.0A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Pyrdok; Freddy Schönwald; Carsten Sczesny; Daniel Ziehr
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: DE102014224750A1; WO2015193083A1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine mit einem Fluid-Reservoir und einem Fluid-Dampfspeicher, wobei der Fluid-Dampfspeicher über eine erste Verbindungsleitung mit einem Ventil verbunden ist, wobei das Ventil mit einer elektrisch angetriebenen Vakuumpumpe verbunden ist, wobei die elektrisch angetriebene Vakuumpumpe einen ersten Einlass aufweist, der zur Ausführung einer Saugfunktion ausgebildet ist und einen zweiten Einlass aufweist, der zur Ausführung einer Spülfunktion ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vakuumsystem in einem Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Tank und einem damit verbundenen Dampfspeicher, wobei der Dampfspeicher eine Verbindungsleitung zum Spülen aufweist, und einer elektrisch getriebenen Vakuumpumpe, deren Auslass zur Verbrennungskraftmaschine führt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Vakuumsystems.
Stand der Technik
Um den erhöhten Anforderungen des Klimaschutzes gerecht zu werden, sehen sich die Automobilhersteller gezwungen, die CO₂ Emissionen ihrer Fahrzeugflotten zu reduzieren und so den aufkommenden Normen zu entsprechen. Bis sich der Elektroantrieb technisch und wirtschaftlich nachhaltig darstellen lässt, behält der Verbrennungsmotor wohl seine dominierende Stellung als Antriebsquelle für Pkw und Nutzfahrzeuge. Begleitend zu verschiedenen Maßnahmen sollen die Reibungswiderstände der Verbrennungskraftmaschine bezüglich Wasser- und Vakuumpumpen reduziert werden. Anstatt also einen mit dem Motor mitdrehenden Antrieb für Pumpen zu verwenden, sieht man elektrische Pumpen als Lösung an, die nur bei Bedarf zugeschaltet werden und im Ruhezustand keinerlei zusätzlichen Reibwiderstand aufweisen.
Eine elektrische Vakuumpumpe, EVP deckt dabei unter Umständen den gesamten Vakuumbedarf eines Fahrzeugs ab, speziell in Elektro-, Hybrid- und Dieselfahrzeugen, sowie bei der Benzindirekteinspritzung. Darüber hinaus kommt die EVP zum Einsatz, wenn der Verbrennungsmotor moderner Fahrzeuge kein ausreichendes Vakuum zum Betrieb des Bremskraftverstärkers und unterdruckgesteuerter Aktuatoren liefert.
Durch gesteuerten und abrufbaren Unterdruck unabhängig vom Antriebsstrang, trägt eine EVP zur Reduktion des CO2 Ausstoß konventioneller Verbrennungsmotoren bei.
Weiterhin verfügen moderne Kraftfahrzeuge in der Regel über ein Tankentlüftungssystem. Die im Kraftstofftank entstehenden Kraftstoffdämpfe werden in einen Kraftstoffdampfspeicher geleitet. Der Kraftstoffdampfspeicher weist einen Aktivkohlefilter auf. Im Aktivkohlefilter werden die aus dem Kraftstoff austretenden Kohlenwasserstoffe aufgefangen und zurückgehalten. Sobald die maximale Partikelbeladung erreicht ist, muss der Aktivkohlefilter gespült werden.
Über ein Spülluftventil wird der Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Kraftstoffdampfspeicher verbunden und durch Unterdruck ein Volumenstrom durch den Filter gezogen. Die Kraftstoffdämpfe gelangen so in den Luftansaugbereich des Verbrennungsmotors und werden mitverbrannt.
Um politische Emissionsziele zu erreichen, werden oftmals sehr feine Aktivkohlefilter eingesetzt. Diese fungieren aber als Drossel gegenüber der Luftzufuhr, es wird also mehr Unterdruck zur Aufrechterhaltung eines Volumenstroms benötigt. Durch Verkleinerung der Motoren werden diese vermehrt mit offenen Drosselklappen betrieben, so dass das Niveau des Unterdrucks im Ansaugtrakt sinkt, also weniger Unterdruck für einen Spülvorgang zur Verfügung steht.
Somit muss die Spülluftfunktion über eine elektrische Spülpumpe dargestellt werden.
Aus der EP 2 652 306 A1 ist eine Anordnung zum Spülen bekannt. In der Belüftungsleitung für den Kraftstoffdampfspeicher ist eine Spülluftpumpe angeordnet, die in die Ventileinheit zur Steuerung der Belüftung des Kraftstoffdampfspeichers integriert ist.
Um die Anforderungen an CO2-Ausstoßminimierung sowie modernen Kraftstoffdampfrückführungen gerecht zu werden, werden somit unterschiedliche Pumpensysteme verwendet, die wiederum Zusatzgewicht bringen.
DE 10 2013 216 998 A1 zeigt ein Diagnosesystem für einen Motor. Dabei wird eine Vakuumpumpe benutzt, um einen Überdruck in einem Dampfspeicher aufzubauen und so die Undichtigkeit des Kraftstoffsystems zu messen. Die Pumpe weist keinen ersten Einlass und zweiten Einlass auf. US 2010/0 000 207 A1 stellt eine kombinierte Gas- und Flüssigkeitspumpe für eine Brennkraftmaschine dar. Die Pumpe besitzt einem Einlass, der mit einer Gasquelle, einen weiteren Einlass, der mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden ist.
WO 2012/007 125 A2 zeigt eine Flügelzellenpumpe mit Stator, Rotor und mehrere an dem Rotor beweglich gelagerte Flügel, die einen zwischen dem Stator und dem Rotor gebildeten Arbeitsraum in mehrere Arbeitszellen mit variierendem Volumen unterteilen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Vakuumsystem für ein Kraftfahrzeug zu entwickeln, das verschiedenen Druckaufgaben auf einfache Weise im Fahrzeug übernimmt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Vakuumsystem in einem Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Tank und einem damit verbundenen Dampfspeicher, wobei der Dampfspeicher eine Verbindungsleitung zum Spülen aufweist, und einer elektrisch getriebenen Vakuumpumpe, deren mindestens ein Auslass zur Verbrennungskraftmaschine führt, wobei die elektrisch angetriebene Vakuumpumpe einen ersten Einlass aufweist, der als Anschluss an das Vakuumsystems des Fahrzeugs dient und einen zweiten Einlass, der mit der Verbindungsleitung zum Spülen des Dampfspeichers verbunden ist.
Durch die Integration des Spülvorgangs in eine Vakuumpumpe, die bereits im System vorgesehen ist, wird das gesamte Vakuumsystem im Kraftfahrzeug optimiert. Es wird eine zusätzliche Spülpumpe eingespart und das Gesamtsystem dadurch auch kostenmäßig optimiert.
Es ist dabei von Vorteil, dass der erste und der zweite Einlass zu getrennten Druckraumeingängen in der Vakuumpumpe führen. Dadurch ist es möglich die Pumpe für die beiden Funktionen optimal zu verwenden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Druckraumeingänge auch im Arbeitsraum getrennt sind oder nur eine sehr kurze Zeit in einer Kurzschlussverbindung stehen.
Um den Spülvorgang optimal anzusteuern, ist vor dem zweiten Einlass ein Spülluftventil in der Verbindungsleitung zum Dampfspeicher vorgesehen.
Dabei kann das Ventil vor der Vakuumpumpe oder in der Vakuumpumpe angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Steuerung der elektrischen Vakuumpumpe und des Ventils von einem gemeinsamen Steuergerät.
Für den Spülvorgang ist es vorteilhaft, dass die Steuerung mit dem Steuergerät das Ventil temporär öffnet.
Auch kann die Steuerung mit dem Steuergerät mindestens ein weiteres Ventil am ersten Einlass steuern.
Das Vakuumsystem mit der Vakuumpumpe weist drei Betriebszustände auf, indem die Ventile beide geöffnet, oder das eine oder das andere geschlossen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Vakuumpumpe sowohl einen Funktion zur Herstellung von Vakuum für Verbraucher im Kraftfahrzeug als auch eine Funktion zum Spülen eines Dampfspeichers ausführt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wird in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Systems
2 und 3 zeigen jeweils einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Vakuumpumpe mit Rotor in unterschiedlichen Stellungen.
In der 1 ist schematisch ein Vakuumsystem 40 dargestellt, das die erfindungsgemäße Lösung benutzt. Eine Verbrennungskraftmaschine 30 weist eine Ansaugseite 31 und eine Abgasseite 32 auf. Die Verbrennungskraftmaschine 30 ist über eine Kraftstoffzufuhr 34 mit einem Tank 33 verbunden, an dem schematisch eine Einfülleinheit skizziert ist. Dem Tank 33 zugeordnet ist ein Dampfspeicher 35, der einen Aktivkohlefilter enthält. An der Verbrennungskraftmaschine 30 ist eine Vakuumpumpe 1 angeordnet, deren Auslass 17 direkt mit dem Kurbelgehäuse 26 der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Das ist aber nur ein Ausführungsbeispiel, der Auslass 17 wird ganz allgemein mit der Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine verbunden. Eingangsseitig, also auf der Ansaugseite ist die Vakuumpumpe 1 mit einem Verbraucher 14 über einen ersten Einlass 15 verbunden. Vor dem Einlass 15 ist beispielhaft ein Eingangsventil 41 angeordnet. Die Vakuumpumpe 1 weist einen zweiten Einlass 16 auf. Der zweite Einlass 16 steht über eine Verbindungsleitung 37 und ein Spülluftventil 38 mit dem Dampfspeicher zu 35 in Verbindung.
Ein Steuergerät 39 ist über Steuerleitungen sowohl mit dem Spülluftventil 38 als auch mit der Vakuumpumpe 1 verbunden. Weiterhin weist er eine Verbindung zum Eingangsventil 41 auf. Diese Ausführungsform ist ebenfalls beispielhaft, es ist auch möglich getrennte Steuerungen für das Spülluftventil und die Vakuumpumpe bereitzustellen.
In 2 ist eine Vakuumpumpe 1 schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Ausführungsform ist beispielhaft und die Erfindung nicht auf eine Vakuumpumpe in dieser beispielhaften Ausführung beschränkt. Die zuvor definierten Einlässe 15 und 16 sowie der Auslass 17 stehen mit den jeweiligen Arbeitsraum- Ein- und Auslässe der Vakuumpumpe in Verbindung. Die bauliche Ausgestaltung des Gehäuses und der Anschluss an die von der Systemseite definierten Einlässe und den Auslass erfolgt dabei nach fachmännischem Wissen.
Die Vakuumpumpe 1 umfasst ein Gehäuse mit einem Magnetring 2 mit einer Umlaufkontur 4, die auch als Hubkontur bezeichnet wird. Innerhalb des Magnetrings 2 ist ein Rotor 5 drehbar gelagert, der sich im Betrieb in einer Betriebsdrehrichtung dreht, die durch einen Pfeil 6 angedeutet ist.
In einem Flügelaufnahmeschlitz des Rotors 5 ist ein Flügel 8 innerhalb der Umlaufkontur 4 verschiebbar geführt. An den Enden des Flügels 8 ist eine Kappe 9 angebracht, die an der Umlaufkontur 4 anliegen. Der Laufring 23 weist in dieser Ausführung zwei nasenartige radiale Ausbildungen 20 auf, wobei sich die Flügel mit der Kappe 9 zusammen mit dem Rotor 5 in einem Schmiegespalt 25 anschmiegen.
Durch den Rotor 5 und den Flügel 8 wird ein Arbeitsraum der Vakuumpumpe 1 in dem Gehäuse 2 in einen Saugraum 23 in der linken Pumpenhälfte und einen Druckbereich oder Druckraum 21 in der rechten Pumpenhälfte unterteilt. Der Saugraum 23 steht mit einem ersten Druckraum-Eingang 11 der Vakuumpumpe 1 in Verbindung. Über den ersten Druckraum-Eingang 11 wird ein Arbeitsmedium, insbesondere Luft, in den Saugraum 23 eingesaugt und aus dem Druckraum 21 heraus gefördert.
Die Vakuumpumpe, die wegen ihres einen Flügels auch als Monoflügelzellenpumpe bezeichnet wird, wird dazu verwendet, einen Unterdruck, das heißt ein Vakuum, an einem Bremskraftverstärker eines Kraftfahrzeugs anzulegen. Bei dem Verbraucher 14 handelt es sich beispielsweise um den genannten Bremskraftverstärker.
Der Druckraum 21 steht über einen Druckraum-Ausgang 18, mit dem Auslass 17 und beispielsweise mit einem Kurbelgehäuse 26 oder einfach nur der Ansaugseite einer Verbrennungskraftmaschine 30 eines Kraftfahrzeugs in Verbindung. Über den Druckraumausgang 18 wird das durch den Flügel 8 mit Druck beaufschlagte Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum der Vakuumpumpe 1 ausgeschoben, wobei die Zwischenschaltung eines Rückschlagventils möglich ist.
Erfindungsgemäß weist die Vakuumpumpe einen zweiten Druckraum-Eingang 12 auf, der beabstandet vom ersten Druckraumeingang 11 angeordnet ist. Der erste Druckraumeingang 11 ist dabei mit dem ersten Einlass 15 der Vakuumpumpe verbunden und der zweite Druckraumeingang 12 mit dem zweiten Einlass 16. In der 2 befindet sich der Flügel 8 in einer Position, in der die beiden Druckraum-Eingänge voneinander getrennt sind. In der 3 befindet sich der Flügel 8 in einer Position, in der die beiden Druckraum-Eingänge 11,12 in einer Kurzschlussposition sind. Sobald der Flügel in der Drehrichtung des Pfeils 6 über den zweiten Druckraumeingang, ist die Kurzschlussposition beendet.
Um das erfindungsgemäße Vakuumsystem optimal zu betreiben, fällt der Steuerung der Vakuumpumpe eine große Rolle zu.
Da die elektrische Vakuumpumpe im Gegensatz zur mechanischen Vakuumpumpe nicht von der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine abhängt, kann ihr Fördervolumen nach Bedarf eingestellt werden.
Die Ansteuerung kann die Leistungsaufnahme die Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe 1 hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs im Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs optimieren und die Pumpe bei Nichtgebrauch teilweise deaktivieren. Wird im Vakuumsystem zusätzlicher Unterdruck angefordert, beispielsweise bei eingeleiteten Bremsvorgängen, kann die Vakuumpumpe in einfacher Art und Weise auf ihrer optimales Fördervolumen hochgefahren werden.
Die elektrische Vakuumpumpe wird über einen BLDC-Motor angetrieben und kann über die Elektronik drehzahlgesteuert werden. Die Drehzahlsteuerung ermöglicht konstante Durchflüsse, wenn den normalen Aufgaben der Vakuumpumpe weitere Funktionen, in diesem Fall die Spülluftfunktion dazu geschaltet wird.
Im Gegensatz zu einer elektrischen Vakuumpumpe mit Bürstenmotor erfolgt keine Drehzahländerung durch Änderung des Drehmomentes, wenn sowohl Spülluftfunktion als auch normale Vakuumfunktion im Betrieb sind.
Das Spülluftventil 38 ist in dieser Ausführungsform nicht Umfang der elektrischen Vakuumpumpe, sondern befindet sich in der Verbindungsleitung 37. In einer alternativen Ausführungsform ist das Spülluftventil 38 dagegen am zweiten Einlass 16 an der Vakuumpumpe integriert.
Die Ansteuerung des Vakuumsystems erfolgt über das Steuergerät 39. Während des Betriebes der Vakuumpumpe oder eine Anforderung an einen Spülvorgang ist das Spülluftventil 38 geschlossen, das Eingangsventil 41 dagegen zum Verbraucher 14 geöffnet. Damit kann die Vakuumpumpe eine optimale Evakuierung des Verbrauchers beispielsweise des Bremskraftverstärkers erreichen.
Sollte eine Anforderung an das Spülen des Dampfspeichers vorliegen, gibt es zwei mögliche Ausführungsformen. In einer ersten Ausführung wird das Eingangsventil 41 auf der Saugseite und am ersten Einlass 15 der Vakuumpumpe geschlossen. Das Spülluftventil 38 öffnet sich und der Aktivkohlefilter im Dampfspeicher 35 ist allein an die Vakuumpumpe angeschlossen. Das restliche Vakuumsystem ist abgekoppelt und wird in diesem Zustand nicht weiter mit Unterdruck versorgt.
Alternativ dazu ist es möglich, beide Ventile 38 und 41 zu öffnen. In diesem Modus ist es der Vakuumpumpe möglich, sowohl die Spülfunktion auszuführen, als auch eine Saugfunktion und damit Unterdruck für einen Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Die Saugfunktion und der Unterdruck für den Verbraucher können dabei in Abhängigkeit von der Drehzahl, beispielsweise bis zur Hälfte reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Vakuumpumpe
2: Magnetring
4: Umlaufkontur
5: Rotor
6: Pfeil
8: Flügel
9: Kappe
11: erster Druckraum-Eingang
12: zweiter Druckraum-Eingang
14: Verbraucher
15: erster Einlass
16: zweiter Einlass
17: Auslass
18: Druckraum-Ausgang
20: Ausbildungen
21: Druckraum
22: Saugraum
23: Laufring
25: Schmiegespalt
26: Kurbelgehäuse
30: Brennkraftmaschine
31: Ansaugseite
32: Abgasseite
33: Tank
34: Kraftstoffzuführung
35: Dampfspeicher
36: Verbindung
37: Verbindungsleitung
38: Spülluftventil
39: Steuergerät
40: Vakuumsystem
41: Eingangsventil

Claims

Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (30) und einem Tank (33) und einem damit verbundenen Dampfspeicher (35), wobei Dampfspeicher (35) eine Verbindungsleitung (37) zum Spülen aufweist, und einer elektrisch getriebenen Vakuumpumpe (1), deren mindestens eine Auslass (17) zur Verbrennungskraftmaschine oder zum Ansaugtrakt führt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch angetriebene Vakuumpumpe (1) einen ersten Einlass (15) aufweist, der als Anschluss an das Vakuumsystems des Fahrzeugs dient und einen zweiten Einlass (16), der mit der Verbindungsleitung (37) zum Spülen des Dampfspeichers (35) verbunden ist.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Einlass (15, 16) zu getrennten Druckraumeingängen (11, 12) führen.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckraumeingänge (11, 12) auch im Arbeitsraum getrennt sind.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckraumeingänge (11, 12) nur die Zeit in einer Kurzschlussverbindung stehen bis sich ein Flügel (8) über den zweiten Druckraumeingang (12) dreht.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass (16) mit einem Spülluftventil (38) in der Verbindungsleitung (37) zum Dampfspeicher (35) versehen ist.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülluftventil (38) vor der Vakuumpumpe (1) oder in der Vakuumpumpe (1) angeordnet ist.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung mindestens ein weiteres Ventil (41) am ersten Einlass (15) steuert
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der elektrischen Vakuumpumpe und mindestens eines der Ventile von einem gemeinsamen Steuergerät (39) erfolgt.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung das Spülluftventil (38) temporär öffnet.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumsystem drei Betriebszustände für die Vakuumpumpe (1) aufweist, indem die Ventile (38, 41) beide geöffnet, oder das eine oder das andere geschlossen ist.
Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (1) von einem BLDC Motor getrieben ist.
Verfahren zum Betrieb eines Vakuumsystem (40) in einem Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (1) sowohl eine Funktion zur Herstellung von Vakuum für Verbraucher (14) im Kraftfahrzeug als auch eine Funktion zum Spülen eines Dampfspeichers (35) eines Tanks (33) ausführt.