DE19619469C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 6.

Kraftstoffpumpen werden bei Brennkraftmaschinen dazu verwen­ det, um den Kraftstoff einer Einspritzanlage zuzuführen, wo­ bei die Kraftstoffpumpe dazu von der Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine angetrieben wird und die Drehzahl der Kraft­ stoffpumpe von der Drehzahl der Brennkraftmaschine vorgegeben wird.

Bei Common-Rail-Einspritzanlagen sorgt die Kraftstoffpumpe zusammen mit einer Druckregeleinrichtung dafür, daß in einem Hochdruckspeicher (Common-Rail) der Kraftstoff entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine unter einem vorge­ gebenen Druck steht.

Durch den Antrieb der Kraftstoffpumpe über die Kurbelwelle sind beim Anlassen der Brennkraftmaschine aufgrund der Kom­ pressibilität des Kraftstoffes mehrere Motorumdrehungen not­ wendig, um den erforderlichen Kraftstoffdruck im Hochdruck­ speicher aufzubauen. Zudem ist es bei einem Übergang von niedriger fast zu hoher Last nachteilig, daß die Kraftstoff­ pumpe relativ lange Zeit benötigt, um einen entsprechend ho­ hen Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher aufzubauen. Dies hat zur Folge, daß eine Drehzahlerhöhung der Brennkraftmaschine verzögert durchgeführt wird.

Weiterhin ist es aus der DE 42 42 756 A1 bekannt, eine Kraft­ stoffpumpe über ein elektrisches Antriebselement unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine anzutreiben. Dies er­ fordert jedoch ein zusätzliches elektrisches Antriebselement, das zusätzliche Kosten verursacht und zudem elektrische Ener­ gie zum Antreiben der Kraftstoffpumpe benötigt.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, eine einfache Vor­ richtung und ein einfaches Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Kraftstoffpumpe zeitweise unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine anzutreiben, wobei zudem re­ lativ wenig elektrische Energie verbraucht wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Anspruch 1 und den Anspruch 6 gelöst. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 hat den Vorteil, daß zwischen der Kurbelwelle und der Kraftstoffpumpe ein Freilauf angeordnet ist und die Kraftstoffpumpe zudem über ein elektrisches Antriebselement antreibbar ist, so daß die Kraftstoffpumpe beim Anlassen der Brennkraftmaschine mit einer erhöhten Drehzahl antreibbar ist und die Kurbelwelle nach dem Starten der Brennkraftmaschine unabhängig von der Drehzahl der Kraftstoffpumpe hochdrehen kann.

Das Verfahren nach Anspruch 6 bietet den Vorteil, daß die Kraftstoffpumpe unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftma­ schine durch den Anlasser angetrieben wird und dadurch ein schneller Aufbau des Kraftstoffdruckes möglich ist, ohne daß ein zusätzliches Antriebselement benötigt wird.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Er­ findung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1 eine erste Anordnung und

Fig. 2 eine zweite Anordnung zum Antreiben einer Kraftstoff­ pumpe.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 13 mit ei­ ner Kurbelwelle 7, die über ein zweites Zahnrad 6 mit einem ersten Zahnrad 5 in Eingriff steht. Das erste Zahnrad 5 ist auf einer Drehachse fest mit einem dritten Zahnrad 8 und mit einem Eingang eines ersten Freilaufs 3 verbunden. Der Ausgang des ersten Freilaufs 3 ist an die Drehachse eines sechstes Zahnrad 11 angeschlossen, das fest mit der Drehachse der Kraftstoffpumpe 2 verbunden ist. Die Drehachse der Kraft­ stoffpumpe 2 wird vorzugsweise direkt von dem Anlasser 1, der zum Starten der Brennkraftmaschine 13 verwendet wird, ange­ trieben. Anstelle des Anlassers 1 kann auch ein anderes elek­ trisches Antriebselement vorgesehen werden. Der Anlasser 1 ist über eine Steuereinheit 17, der z. B. mit dem Zündschloß in Verbindung steht, ansteuerbar. Das dritte Zahnrad 8 greift in ein viertes Zahnrad 9 ein. Das vierte Zahnrad 9 ist mit einer Eingangsachse eines zweiten Freilaufs 4 verbunden. Die Ausgangsachse des zweiten Freilaufs 4 ist an die Drehachse eines fünften Zahnrades 10 angeschlossen, das in das sechste Zahnrad 11 eingreift.

Die Kraftstoffpumpe 2, in die eine Druckregeleinrichtung in­ tegriert ist, ist über eine Tankleitung 16 mit einem Kraft­ stofftank 14 verbunden. Weiterhin ist die Kraftstoffpumpe 2 über eine Kraftstoffleitung 15 mit einer Einspritzanlage 18 der Brennkraftmaschine 13 verbunden. Die Einspritzanlage 18 ist beispielsweise eine Common-Rail-Einspritzanlage mit einem Hochdruckspeicher, in dem der einzuspritzende Kraftstoff ent­ sprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine un­ ter einem vorgegebenen Druck gespeichert ist. Der Druck wird von der Kraftstoffpumpe 2 in Abhängigkeit von der von der Kraftstoffpumpe 2 in den Hochdruckspeicher geförderten Kraft­ stoffmenge festgelegt.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Anordnung der Fig. 1 erläutert:
In Fig. 1 treibt der Anlasser 1 die Kraftstoffpumpe 2 direkt an. Beim Starten der Brennkraftmaschine 13 wird über die Steuereinheit 17 der Anlasser 1 bestromt, so daß sich der An­ lasser 1 mit zweitausend Umdrehungen pro Minute dreht. Damit dreht sich auch die Kraftstoffpumpe 2 und das sechste Zahnrad 11 mit zweitausend Umdrehungen pro Minute. Diese Drehzahl wird über den Freilauf 3 auf das erste Zahnrad 5 übertragen. Das erste Zahnrad 5 treibt das zweite Zahnrad 6 und damit die Kurbelwelle 7 an. Entsprechend der gewählten Übersetzung zwi­ schen dem ersten Zahnrad 5 und dem zweiten Zahnrad 6 ist die Drehzahl der Kurbelwelle 7 festgelegt.

Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem ersten Zahnrad 5 und dem zweiten Zahnrad 6 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ein Zehntel, so daß sich die Kurbelwelle 7 mit zweihundert Um­ drehungen pro Minute dreht.

Da sich die Kraftstoffpumpe 2 mit einer höheren Drehzahl als die Kurbelwelle 7 dreht, steht der erforderliche Kraftstoff­ druck im Hochdruckspeicher für den Startvorgang der Brenn­ kraftmaschine 13 innerhalb kürzester Zeit zur Verfügung.

Nach dem Starten der Brennkraftmaschine 13 dreht sich die Kurbelwelle 7 mit einer größeren Drehzahl als zweihundert Um­ drehungen pro Minute, so daß sich der erste Freilauf 3 löst und die Kurbelwelle 7 mit einer Drehzahl läuft, die unabhän­ gig von der Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 ist. Die Kraft­ stoffpumpe 2 läuft mit der vom Anlasser 1 vorgegebenen Dreh­ zahl weiter, bis entweder der Anlasser 1 nicht mehr von der Steuereinheit 17 angesteuert wird oder die Kurbelwelle 7 die Kraftstoffpumpe 2 über das zweite Zahnrad 6, das erste Zahn­ rad 5, das dritte Zahnrad 8, das vierte Zahnrad 9, den zwei­ ten Freilauf 4, das fünfte Zahnrad 10 und das sechste Zahnrad 11 antreibt.

Der zweite Freilauf 4 treibt ab einem vorgegebenen Drehzahl­ verhältnis zwischen der Kurbelwelle 7 und dem Anlasser 1 bzw. der Kraftstoffpumpe 2 die Kraftstoffpumpe 2 mit einer zur Drehzahl der Kurbelwelle 7 proportionalen Drehzahl an, wobei jedoch die Kraftstoffpumpe 2 von dem Anlasser 1 auch mit ei­ ner höheren Drehzahl angetrieben werden kann.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind das erste, das zweite, das dritte, das vierte, das fünfte und das sechste Zahnrad 5, 6, 8, 9, 10, 11 in der Weise abgestimmt, daß bei laufendem Anlasser 1 die Kraftstoffpumpe 2 erst von der Kur­ belwelle 7 über den zweiten Freilauf 4 angetrieben wird, wenn die Drehzahl der Kurbelwelle 7 doppelt so groß ist wie die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2.

Wird der Anlasser 1 von der Steuereinheit 17 abgeschaltet und dreht in diesem Moment die Kurbelwelle 7 langsamer als dop­ pelt so schnell wie die Kraftstoffpumpe 2, so fällt die Dreh­ zahl der Kraftstoffpumpe 2 so lange ab, bis der zweite Frei­ lauf 4 greift und die Kraftstoffpumpe 2 über das erste Zahn­ radpaar, das aus dem ersten und zweiten Zahnrad 5, 6, das zweite Zahnradpaar, das aus dem dritten und vierten Zahnrad 8, 9 und das dritte Zahnradpaar, das aus dem fünften und sechsten Zahnrad 10, 11 besteht, angetrieben wird und ent­ sprechend der gewählten Übersetzungen der Zahnradpaare mit halber Drehzahl der Kurbelwelle 7 läuft.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung bietet den Vorteil, daß für eine Beschleunigung aus niedriger Motordrehzahl heraus, z. B. bei einer Vollastbeschleunigung, ein schneller Aufbau des Kraftstoffdruckes in dem Hochdruckspeicher der Einspritz­ anlage erreicht wird, indem der Anlasser 1 über die Steuer­ einheit 17 bestromt wird, wodurch der zweite Freilauf 4 ge­ löst wird und die Kraftstoffpumpe 2 mit der Drehzahl des An­ lassers 1 angetrieben wird.

Da das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 zu der Drehzahl der Kurbelwelle 7 über den ersten Freilauf 3, das erste und das zweite Zahnrad 5, 6 ein Verhältnis von eins zu zehn aufweist, kann in dem vorliegen­ den Beispiel, die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 das zehnfa­ che der Drehzahl der Kurbelwelle 7 erreichen, bevor der erste Freilauf 3 die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 begrenzt.

Die Ansteuerung der Kraftstoffpumpe 2 für einen Beschleuni­ gungsvorgang durch den Anlasser 1 bietet den Vorteil, daß das Hubvolumen der Kraftstoffpumpe 2 nur entsprechend dem statio­ nären Verbrauch des Einspritzsystems ausgelegt werden muß, da im stationären Betrieb die Kraftstoffpumpe über die Kurbel­ welle 7 und den zweiten Freilauf 4 angetrieben wird und im instationären Betrieb, wie bei Vollast, der Anlasser 1 die Kraftstoffpumpe 2 antreibt.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung entsprechend Fig. 1, wobei je­ doch der Anlasser 1 über einen dritten Freilauf 12 mit dem fünften Zahnrad 10 in Verbindung steht und somit über das fünfte Zahnrad 10 und das sechste Zahnrad 11 die Kraftstoff­ pumpe 2 antreibt. Der dritte Freilauf 12 kann bei einer ein­ fachen Ausführung der Erfindung auch entfallen, so daß der An­ lasser 1 direkt mit dem fünften Zahnrad 10 verbunden ist.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Anordnung der Fig. 2 näher erläutert:
Die Anordnung nach Fig. 2 bietet den Vorteil, daß die Dreh­ zahl der Kraftstoffpumpe 2 besser an den Startvorgang der Brennkraftmaschine angepaßt ist und das erste Zahnradpaar 5, 6 und das zweite Zahnradpaar 8, 9 so gewählt werden können, daß unnötig hohe Drehzahlen des ersten und des zweiten Zahn­ radpaares 5, 6; 8, 9 vermieden werden, wodurch eine höhere Lebensdauer erreicht wird.

Beim Starten der Brennkraftmaschine 13 wird der Anlasser 1 über die Steuereinheit 17 bestromt und dreht mit zweitausend Umdrehungen pro Minute. Dabei treibt der Anlasser 1 über das dritte Zahnradpaar 10, 11 die Kraftstoffpumpe 2 mit z. B. ein­ tausend Umdrehungen pro Minute und der Freilauf 3 die Kurbel­ welle 7 über das erste Zahnradpaar 5, 6 mit z. B. zweihundert Umdrehungen pro Minute an.

Der erforderliche Kraftstoffdruck für den Startvorgang der Brennkraftmaschine 13 steht nach einigen Zehntel einer Kur­ belwellenumdrehung zur Verfügung. Nach dem Starten der Brenn­ kraftmaschine 13 löst sich der Freilauf 3, so daß die Kurbel­ welle 7 unabhängig von der Kraftstoffpumpe 2 und dem Anlasser 1 läuft. Die Kraftstoffpumpe 2 läuft so lange mit der Dreh­ zahl des Anlassers 1 weiter, wie dieser bestromt wird und die Drehzahl der Kurbelwelle 7 die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 nicht um den Faktor zwei übersteigt. Der Faktor zwei ist von der Auslegung der Übersetzungsverhältnisse des ersten, des zweiten und des dritten Zahnradpaares 5, 6; 8, 9; 10, 11 ab­ hängig.

Nach dem Abschalten des Anlassers 1 fällt die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 ab, wenn in diesem Moment die Kurbelwelle 7 langsamer dreht als der Anlasser 1 und dementsprechend der zweite Freilauf 4 noch nicht greift. In diesem Betriebszu­ stand greift dann der zweite Freilauf 4 und die Kraftstoff­ pumpe 2 wird von der Kurbelwelle 7 über das erste, das zwei­ te, und das dritte Zahnradpaar 5, 6; 8, 9; 10, 11 angetrieben und läuft in dem gewählten Ausführungsbeispiel mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 7.

In einer Weiterbildung der Erfindung,wie in Fig. 2 darge­ stellt, ist der Anlasser 1 durch einen dritten Freilauf 12 von dem sechsten Zahnrad 11 getrennt, wodurch Verlustleistung eingespart wird.

Die Anordnung nach Fig. 2 bietet den Vorteil, daß das erste Zahnrad 5 und das dritte Zahnrad 8 um das Übersetzungsver­ hältnis zwischen dem fünften Zahnrad 10 und dem elften Zahn­ rad 6 langsamer drehen als in der Anordnung nach Fig. 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Überset­ zungsverhältnis vom fünften Zahnrad 10 zu dem sechsten Zahn­ rad 11 den Faktor zwei, so daß das erste Zahnrad 5 und das dritte Zahnrad 8 nur mit fünffacher Drehzahl der Kurbelwelle 7 laufen, wodurch das erste und das dritte Zahnrad 5, 8 geringer beansprucht werden.

Für einen schnellen Aufbau des Kraftstoffdruckes im Hoch­ druckspeicher ist es bei einer Beschleunigung aus einer nied­ rigen Motordrehzahl heraus von Vorteil, die Kraftstoffpumpe 2 über den Anlasser 1 anzutreiben. Dazu wird über die Steuer­ einheit 17 der Anlasser 1 bestromt, so daß sich der zweite Freilauf 4 löst und die Kraftstoffpumpe 2 vom Anlasser 1 an­ getrieben wird und dabei mit halber Drehzahl des Anlassers 1 dreht. Bei dem gewählten Übersetzungsverhältnis kann die Kraftstoffpumpe 2 bis auf das fünffache der Drehzahl der Kur­ belwelle gedreht werden, bevor der erste Freilauf 3 greift. Die maximale Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 ist jedoch durch die Leistungs- und Drehzahlgrenze des Anlassers 1 und die Übersetzung des dritten Zahnradpaares 10, 11 bestimmt und liegt beispielsweise bei 1500 Umdrehungen pro Minute.

Die Anordnung nach Fig. 2 bietet durch die Übersetzung der Drehzahl zwischen dem Anlasser 1 und der Kraftstoffpumpe 2 eine nicht so schnelle Erhöhung des Kraftstoffdruckes im Hochdruckspeicher, wie im Beispiel der Fig. 1. Die maximal erreichbare Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 von z. B. 1500 Um­ drehungen pro Minute reicht jedoch für einen schnellen Aufbau des Kraftstoffdruckes im Hochdruckspeicher aus.

In den Anordnungen der Fig. 1 und 2 sind als Übertragungs­ mittel zwischen dem Anlasser 1, der Kraftstoffpumpe 2 und der Kurbelwelle 7, Zahnräder 6, 8, 9, 10, 11 bzw. Zahnradpaare verwendet worden. Die Übertragungsmittel können jedoch auch durch beliebig andere Übertragungsmittel wie z. B. Ketten oder Riemen dargestellt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bieten den Vorteil, daß ein schneller Druckaufbau beim Starten der Brennkraftmaschine erreicht wird, und daß zudem ein schneller Druckaufbau im dynamischen Betrieb, das heißt bei Beschleunigungsvorgängen, erreicht wird, wodurch bessere Beschleunigungswerte und verbesserte Abgasemmissions­ werte ermöglicht werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe (2), die mit einem elektrischen Antriebselement (1) in Wirkverbindung steht, das die Kraftstoffpumpe (2) antreibt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffpumpe (2) zusätzlich mit der Kurbelwelle (7) einer Brennkraftmaschine (13) über einen Freilauf (3) in Wirkverbindung steht, so daß die Kraftstoffpumpe (2) abhängig von der eigenen Drehzahl eine Mindestdrehzahl der Kurbelwelle (7) vorgibt, die sich auch schneller drehen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebselement (1) der Anlasser der Brennkraftmaschine (13) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (7) über ein Übertragungselement (6, 5, 8, 9) mit einem zweiten Freilauf (4) verbunden ist, daß der zweite Freilauf (4) über Übertagungsmittel (10, 11) in Wirkverbindung mit der Kraftstoffpumpe (2) steht, so daß die Kurbelwelle (7) entsprechend der eigenen Drehzahl eine Mindestdrehzahl der Kraftstoffpumpe (2) vorgibt, die sich auch schneller drehen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anlasser (1) und der Kraftstoffpumpe (2) ein dritter Freilauf (12) geschaltet ist, so daß der Anlasser (1) eine Mindestdrehzahl der Kraftstoffpumpe (2) vorgibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente (6, 5, 8, 9, 10, 11) zwischen der Kurbel­ welle (7) und der Kraftstoffpumpe (2) und/oder zwischen der Kurbelwelle (7) und dem Antriebselement (1) und/oder zwischen der Kraftstoffpumpe (2) und dem Antriebselement (1) geeignete Übersetzungsverhältnisse aufweisen.

6. Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe (2) mit ei­ nem elektrischen Antriebselement (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffpumpe (2) nur bei vorgegebenen Betriebszu­ ständen des Kraftfahrzeuges unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine angetrieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand einen Startvorgang oder einen Be­ schleunigungsvorgang der Brennkraftmaschine (13) darstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antreiben der Kraftstoffpumpe (2) der Anlasser (1) der Brennkraftmaschine (13) verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffpumpe (2) von der Brennkraftmaschine (13) angetrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffpumpe (2) von der Kurbelwelle (7) der Brennkraftmaschine (13) angetrieben wird.