EP1554486B1

EP1554486B1 - Pumpeneinheit

Info

Publication number: EP1554486B1
Application number: EP03757927A
Authority: EP
Inventors: Andreas Glenz; Eberhard Holder; Guenter Hoenig; Martin Matt; Andreas Posselt
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Daimler AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-10-26
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: DE10249953A1; US7055511B2; JP4169005B2; JP2006504027A; WO2004038211A1; EP1554486A1; US20050224056A1; DE50313425D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine. Die in der Kraftstoffversorgungsanlage enthaltene Gasförderpumpe, die Kraftstoffpumpe und der Elektromotor bilden eine Pumpeneinheit, wobei der Elektromotor derart eingebaut ist, daß er beide Pumpen antreiben kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Eine derartige Kraftstoffversorgungsanlage ist aus DE 197 34 493 Cl bekannt. Diese Kraftstoffversorgungsanlage ist mit einem Kraftstofftank für flüssigen Kraftstoff, von dem aus eine Kraftstoffzuleitung zu einer Einspritzvorrichtung führt, mit einer Verdampfungs- und Kondensierungseinrichtung für niedrig siedende Kraftstoffanteile, die mit dem Kraftstofftank verbunden ist, mit einem der Verdampfungs- und Kondensierungseinrichtung nachgeschalteten Zwischentank für das Kondensat, von dem aus eine Kondensatleitung zu einem die Zufuhr zu der Einspritzeinrichtung regelnden Steuerventil führt, und mit einer die in der Verdampfungsund Kondensierungseinrichtung anfallenden höher siedenden Restkraftstoffanteile abführenden Restkraftstoffrückleitung versehen. Die Restkraftstoffrückleitung mündet in einen Zusatztank, von dem aus eine Restkraftstoffzuleitung zu einem in der Kraftstoffzuleitung angeordneten Umschaltventil führt. Die Steuerung des Ventils ist derart, daß der Restkraftstoff aus der Restkraftstoffzuleitung in die zu der Einspritzeinrichtung führende Kraftstoffzuleitung wenigstens teilweise bei Vollast der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Ein weileres Beispiel für eine solche Kraftstoff versorgungsanlage ist in US 6067969 gegeben.
Aufgrund der heute weltweit geforderten Einhaltung der gesetzlich festgeschriebenen Abgasemissionsgrenzwerte werden an Bord eines mit Verbrennungsmotoren betriebenen Kraftfahrzeugs eine Kraftstoffversorgungsanlage mit einer Kraftstoff-fraktionierungseinrichtung zur Herstellung von niedrig siedenden Kraftstoffanteilen benötigt, um die während des Betriebs des Kraftfahrzeuges entstehenden Schadstoffemissionen in der Kaltstart- und/oder Warmlaufphase zu reduzieren und den Schadstoffausstoß insgesamt zu vermindern. Solche Anlagen sind häufig apparativ relativ komplex und aufwendig konzipiert und benötigen daher ein großes Bauvolumen mit einem entsprechendem Baugewicht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die nur ein geringes Bauvolumen und ein geringes Baugewicht in Verbindung mit einer während der verschiedenen Betriebsphasen des Kraftfahrzeugs reduzierten Schadstoffemission aufweist.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.
Die Erfindung löst obengenannte Aufgabe, indem die Gasförderpumpe, der Elektromotor und die Kraftstoffpumpe in der Kraftstoffversorgungsanlage eine Pumpeneinheit bilden, wobei der Elektromotor derart eingebaut ist, daß er beide Pumpen antreiben kann. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoff-versorgungsanlage ist zwischen Kraftstoffpumpe und Elektromotor und/oder zwischen Elektromotor und Gasförderpumpe eine Kupplung vorgesehen. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 2 darin, daß auf der Saug- und Druckseite der Kraftstoffpumpe mindestens ein Regelventil derart angeordnet ist, daß flüssiger Kraftstoff aus dem Kraftstofftank, auch als Hauptkraftstofftank bezeichnet, oder Kraftstoff mit niedrig siedenden Anteilen aus dem Zusatztank, auch als Startkraftstofftank bezeichnet, mit der Kraftstoffpumpe wahlweise förderbar ist. Erfindungsgemäß ist außerdem mittels Kraftstoffpumpe überschüssiger Kraftstoff mit niedrig siedenden Anteilen über eine Kraftstoffrückleitung in den Zusatztank rückführbar. Als ein weiterer Vorteil läßt sich auf diese Weise ein einmal gewonnener Startkraftstoff sparen, um ihn beispielsweise in Kaltstartsituationen zur Reduzierung der Abgasemissionen in kürzester Zeit zur Verfügung zu haben. Durch die deutliche Verminderung der Schadstoffemission, insbesondere bei der Emission von Kohlenwasserstoffen, resultiert daraus vorteilhafterweise zum einen eine Reduzierung des Edelmetallgehalts bei den Abgaskatalysatoren, zum anderen ein Wegfall der motornahen Katalysatoren, die aufgrund der hohen Temperaturen in diesem Bereich einer starken Alterung unterworfen wären.
Als ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Pumpeneinheit der Kraftstoffversorgungsanlage in den Kraftstofftank eines Fahrzeugs eingebaut.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich aufgrund der genannten Vorteile für den Einsatz in allen mobilen Systemen, wie Personen- und Nutzfahrzeuge.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt in schematischer Darstellung als ein Beispiel:

Fig. 1: eine bevorzugte Ausführungsform des Gesamtsystems einer Kraftstoffversorgungsanlage
Fig. 2: den Betrieb einer Kraftstoffversorgungsanlage mit Hauptkraftstoff nach Abschluß des Warmlaufs bzw. beim Warmstart des Kraftfahrzeugs
Fig. 3: eine Spülung der Kraftstoffpumpe mit Startkraftstoff vor dem Start des Verbrennungsmotors
Fig. 4: den Betrieb einer Kraftstoffversorgungsanlage mit Startkraftstoff beim Kaltstart und Warmlauf des Kraftfahrzeugs
Fig. 5: eine Erstbefüllung mit Startkraftstoff
Fig. 6: den Betrieb der Gasförderpumpe

Fig. 1 umfaßt als Gesamtsystem einer Kraftstoffversorgungs-anlage die in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Betriebsarten oder Funktionen der Anlage: Betrieb mit Hauptkraftstoff, Spülung mit Startkraftstoff, Betrieb mit Startkraftstoff, Erstbefüllung mit Startkraftstoff und den Betrieb der Gasförderpumpe, welche nachstehend erläutert werden. Das Gesamtsystem erlaubt vorteilhafterweise zum einen die Herstellung von Startkraftstoff und zum anderen gleichzeitig das Managen der Förderung von Hauptkraftstoff und Startkraftstoff. Fig. 1 zeigt eine Pumpeneinheit bestehend aus einer Kraftstoffpumpe 2, einem Elektromotor 3 und einer Gasförderpumpe 4. Zwischen Kraftstoffpumpe 2 und dem Elektromotor 3 ist eine Kupplung 7 bzw. zwischen Elektromotor 3 und Gasförderpumpe 4 ist eine Kupplung 8 vorgesehen. Die zwischen einem Ventil 5 und 6 angeordnete Kraftstoffpumpe 2 saugt Hauptkraftstoff aus dem Hauptkraftstofftank 1 an, bei entsprechender Ventilstellung 5. Über ein Ventil 6 gelangt der Hauptkraftstoff in die Hauptkraftstoffleitung 9 zum einem Einspritzventil 12. Zwischen Ventil 6 und dem Einspritzventil 12 befindet sich in der Hauptkraftstoffleitung 9 ein Kraftstoffdruckregler 11, wobei ausgehend von dem Kraftstoffdruckregler 11 eine Rücklaufleitung 14 zum Hauptkraftstofftank 1 vorgesehen ist. Zwischen Ventil 6 und dem Kraftstoffdruckregler 11 befindet sich in der Hauptkraftstoffleitung 9 noch ein zusätzliches Ventil 10.
Das Ventil 5 ist nun so eingestellt, daß die durch den Elektromotor 3 angetriebene Kraftstoffpumpe 2 Startkraftstoff aus einem Startkraftstofftank 13 ansaugt, welcher entweder über das Ventil 6 in die Hauptkraftstoffleitung 9 oder in die Startkraftstoffleitung 15 eingebracht werden kann. Zwischen Ventil 6 und dem Einspritzventil 12 befindet sich in der Startkraftstoffleitung 15 ein Kraftstoffdruckregler 17, wobei ausgehend von dem Kraftstoffdruckregler 17 eine Rücklaufleitung 18 zum Startkraftstofftank 13 vorgesehen ist. Zwischen Ventil 6 und dem Kraftstoffdruckregler 17 befindet sich ebenfalls ein zusätzliches Ventil 16.
Wie in Fig. 2 beispielhaft dargestellt, zeigt die Prinzipzeichnung den Betrieb einer Kraftstoffversorgungsanlage mit Hauptkraftstoff nach Abschluß des Warmlaufs bzw. beim Warmstart des Kraftfahrzeugs. Hierzu treibt der Elektromotor 3 über die geschlossene Kupplung 7 die Kraftstoffpumpe 2 an, wobei die Kupplung 8 offen ist. Ventil 5, insbesondere ein 3-Wege-Ventil, bevorzugt ein elektrisch betriebenes Magnetventil, ist so eingestellt, daß die Kraftstoffpumpe 2 Hauptkraftstoff aus dem Hauptkraftstoff-Fahrzeugtank 1 ansaugt. Über ein Ventil 6, insbesondere ein 3-WegeVentil, bevorzugt ein elektrisch betriebenes Magnetventil, gelangt der Hauptkraftstoff in die Hauptkraftstoffleitung 9 zum Einspritzventil 12, das die Einspritzung in den nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor steuert. Statt eines Einspritzventils mit seitlichem Rückschlagventil kann auch ein lanzenförmiger Kraftstoffverteiler mit in die Lanze integriertem Rückschlagventil vorgesehen sein. Ein Kraftstoffdruckregler 11 reguliert den Einspritzdruck in den Verbrennungsmotor. Zwischen Ventil 6 und dem Kraftstoffdruckregler 11 befindet sich in der Hauptkraftstoffleitung ein zusätzliches Ventil 10, bevorzugt ein Rückschlagventil.
Fig. 3 beschreibt schematisch eine Spülung der Kraftstoffpumpe 2 mit Startkraftstoff vor dem Starten des noch kalten Verbrennungsmotors. In der Kraftstoffpumpe 2 befindet sich ein Totvolumen, das mit Hauptkraftstoff aus dem letzten Abstellvorgang des Fahrzeugs gefüllt ist. Um jedoch den Verbrennungsmotor gleich zu Beginn des Starts mit reinem Startkraftstoff versorgen zu können, ist eine Spülung mit Startkraftstoff erforderlich. Hierzu treibt der Elektromotor 3 über die geschlossene Kupplung 7 die Kraftstoffpumpe 2 an. Kupplung 8 ist bei diesem Vorgang offen. Das Ventil 5 ist so eingestellt, daß die Kraftstoffpumpe 2 Startkraftstoff aus dem Startkraftstofftank 13 ansaugt und über ein Ventil 6 in die Hauptkraftstoffleitung 9 fördert. Der Startkraftstoff gelangt über einen Kraftstoffdruckregler 11 und eine Kraftstoffrücklaufleitung 14 in den Hauptkraftstofftank 1. Das Einspritzventil 12 für den Verbrennungsmotor bleibt bei diesem Vorgang noch geschlossen. Nach kurzer Zeit wird Ventil 6 derart umgeschaltet, daß der Startkraftstoff in die Startkraftstoffleitung 15, dargestellt in Fig. 4, gelangt. Zwischen Ventil 6 und einem Kraftstoffdruckregler 17 befindet sich in der Startkraftstoffleitung 15 noch ein zusätzliches Ventil 16, bevorzugt ein Rückschlagventil. Der kalte Verbrennungsmotor kann jetzt gestartet werden. Beim Kaltstart und Warmlauf des Motors erfolgt der Betrieb mit Startkraftstoff.
Nachdem die Spülung mit Startkraftstoff entsprechend Fig. 3 erfolgt ist, wird das Ventil 6, wie in Fig. 4 gezeigt, so eingestellt, daß der überschüssige Startkraftstoff über den Kraftstoffdruckregler 17 und eine Startkraftstoffrücklauf-leitung 18 zurück in den Startkraftstofftank 13 gelangt. Dies spart in äußerst vorteilhafterweise Startkraftstoff. Nach Abschluß des Warmlaufs wird in den Betrieb mit Hauptkraftstoff umgeschaltet, wie dies in Fig. 2 beschrieben ist.
Die Erstbefüllung mit Startkraftstoff erfolgt, wie in Fig. 5 gezeigt, bei Erstbetriebnahme oder nach einer Reparatur, da sich in dieser Situation noch kein Startkraftstoff im Startkraftstofftank 13 und in der Starkraftstoffleitung 15 befindet. Damit trotzdem bereits der erste Start mit Startkraftstoff erfolgen und die Startkraftstoffleitung 15 gefüllt werden kann, wird eine kleine Menge Startkraftstoff in den Hauptkraftstofftank 1 eingefüllt. Der Elektromotor 3 treibt über die geschlossene Kupplung 7 die Kraftstoffpumpe 2 an. Die Kupplung 8 ist hierbei geöffnet. Ventil 5 ist dabei so eingestellt, daß die Kraftstoffpumpe 2 Startkraftstoff aus dem Hauptkraftstofftank 1 ansaugt. Über das Ventil 6 gelangt der Startkraftstoff in die Startkraftstoffleitung 15 zum Einspritzventil 12 des Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor kann jetzt gestartet werden. Über den Kraftstoffregler 17 und der Startkraftstoffrückleitung 18 gelangt der überschüssige Startkraftstoff zurück in den Startkraftstofftank 13 und füllt diesen auf. Wird während des Warmlaufs vom Füllstandsmesser 19 im Startkraftstofftank der obere Grenzwert angezeigt, so wird das Ventil 5 in der Weise umgeschaltet, daß die Kraftstoffpumpe 2 jetzt Startkraftstoff aus dem Startkraftstofftank ansaugt, wie in Fig. 4 gezeigt, bis der Warmlauf abgeschlossen ist. Danach kann der Hauptkraftstofftank 1 mit Hauptkraftstoff gefüllt werden.
Nach Abschluß des Warmlaufs muß durch den Betrieb der Gasförderpumpe 4 der Kraftstofffraktionierungseinheit der verbrauchte Startkraftstoff wieder ergänzt werden. Dies ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Dabei wird während des Betriebs mit Hauptkraftstoff die Kupplung 8 geschlossen, so daß auch die Gasförderpumpe 4 angetrieben wird. Diese saugt Luft und Kraftstoffdampf aus dem Hauptkraftstofftank 1 ab und komprimiert das Gemisch. In einem nachfolgenden Wärmetauscher 20 kühlt das Gemisch ab, so daß die Kraftstoffanteile kondensieren. Die verbliebene Luft fördert das Kraftstoffkondensat in den Startkraftstofftank 13, wird nach dem Druckentlastungsventil 21 auf Umgebungsdruck entspannt und gelangt über ein Verteilerrohr wieder in den Hauptkraftstofftank 1. Beim Aufsteigen der Luftblasen reichern sich diese mit der niedriger siedenden Kraftstoffkomponente an. Der Kreislauf beginnt erneut. Zeigt der Füllstandsmesser 19 während der Fraktionierung den oberen Grenzwert an, wird durch Öffnen der Kupplung 8 die Fraktionierung beendet. Sollte vor Erreichen des oberen Grenzwerts zwischenzeitlich der Verbrennungsmotor abgestellt werden, bedeutet dies ein gleichzeitiges Abstellen der Kraftstoffpumpe 2. Damit die Fraktionierung trotzdem bis zum Erreichen der oberen Füllstandsmarke fortführbar ist, kann die Kupplung 7 geöffnet werden und zu Ende fraktioniert werden.
Bisher bekannte Lösungen beschreiben einen Kraftstoffkreislauf eines Fahrzeugs mit einem zusätzlichen Startkraftstoffkreislauf zur Emissionsverminderung insbesondere in der Kaltstartphase. Dabei erfolgt die Förderung des Hauptkraftstoffs getrennt von der Förderung des Startkraftstoffs. Dies impliziert zwei getrennte Antriebe für die jeweiligen Pumpen der beiden getrennten Systeme.
Entsprechend dem vorliegenden Erfindungsgedanken ergeben sich durch das Zusammenfassen der Kraftstoffversorgungseinheit, enthaltend eine Pumpeneinheit und einen Startkraftstofftank - welche in den Hauptkraftstofftank einer Brennkraftmaschine integriert sind- zu einer Baueinheit, vorteilhafterweise zum einen eine Reduktion des Volumens einer solchen Kraftstoffversorgungseinheit wie auch ein wesentlich geringerer Bauaufwand, zum anderen entfällt durch die Verwendung des Elektromotors als Antrieb für beide Pumpensysteme - Kraftstoffpumpe und Gasförderpumpe- ein zusätzlicher Antrieb, wie es im Falle eines getrennten Betriebes beider Systeme notwendig gewesen wäre. Der Wegfall des zusätzlichen Antriebs führt daher zu einer Kostenreduktion bei der Herstellung des Bauteils. Ferner läßt sich im Falle einer Wartung der Kraftstoffversorgungseinheit diese ohne großen Aufwand aus dem Kraftstoffbehälter ausbauen. Durch die Kapselung der Pumpeneinheit ergibt sich weiterhin eine gedämpfte Geräuschentwicklung. Außerdem läßt sich die so gestaltete Kraftstoffversorgungseinheit problemlos in jeden Kraftstoffbehälter integrieren, ohne daß der jeweilige Kraftstoffbehälter daran angepaßt werden muß. Dies verkürzt die Enzwicklungszeiten erheblich und erspart die Kosten der Anpassung an den jeweiligen Kraftstoffbehälter eines Fahrzeugs. Die Erfindung erlaubt außerdem bei Erstinbetriebnahme eines Fahrzeugs mittels einer Pumpe (der Kraftstoffpumpe 2) durch entsprechendes Schalten der Ventile 5 und 6 die sofortige Befüllung des Hauptkraftstofftanks mit Startkraftstoff. Dies trägt an dieser Stelle wiederum zur Emissionsverminderung bei.
Die Arbeitsweise der Kraftstofffraktionierungseinheit beruht auf dem Gedanken der Schleppgasfraktionierung und ist in der Patentschrift DE 199 27 177 C1 ausführlich beschrieben.

Claims

Kraftstoffversorgungsanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstofftank für flüssigen Kraftstoff, von dem aus eine Kraftstoffzuleitung zu einer Einspritzvorrichtung führt, mit einer Fraktionierungseinrichtung zur Abtrennung niedrig siedender Kraftstoffanteile, enthaltend eine Funktions-und eine Speichereinheit, wobei die Funktionseinheit eine Gasförderpumpe (4) und einen Elektromotor (3) und die Speichereinheit einen Zusatztank für die niedrig siedenden Kraftstoffanteile umfasst, und mit einer Kraftstoffpumpe,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasförderpumpe (4), der Elektromotor (3) und die Kraftstoffpumpe (2) eine Pumpeneinheit bilden, wobei der Elektromotor (3) derart eingebaut ist, daß er beide Pumpen antreiben kann.
Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Saug- und Druckseite der Kraftstoffpumpe mindestens ein Regelventil derart angeordnet ist, daß flüssiger Kraftstoff aus dem Kraftstofftank oder Kraftstoff mit niedrig siedenden Anteilen aus dem Zusatztank mit der Kraftstoffpumpe wahlweise förderbar ist.
Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpeneinheit in den Kraftstofftank eines Fahrzeugs eingebaut ist.
Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß überschüssiger Kraftstoff mit niedrig siedenden Anteilen mittels Kraftstoffpumpe über eine Kraftstoffrückleitung in den Zusatztank rückführbar ist.
Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Kraftstoffpumpe und Elektromotor und/oder zwischen Elektromotor und Gasförderpumpe eine Kupplung vorgesehen ist.
Kraftstoffversorgungsanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Erstinbetriebnahme oder Reparatur eines Kraftfahrzeugs über eine entsprechende Ansteuerung der Regelventile mittels Kraftstoffpumpe eine Erstbefüllung des Zusatztanks mit Startkraftstoff aus dem Kraftstofftank durchführbar ist.