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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einer solchen Kraftstofffördereinrichtung wird über mindestens ein Pumpenelement einer Hochdruckpumpe Kraftstoff unter hohem Druck in ein sogenanntes Railsystem gefördert und über die Einspritzeinrichtungen in die Brennräume der Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Erfindung betrifft solche Kraftstofffördereinrichtungen, welche mit einer Vorförderpumpe auf Seiten einer Zulaufleitung versehen sind, über welche Kraftstoff aus einem Kraftstofftank gefördert wird und den Pumpenelementen der Hochdruckpumpe mit einem Vorförderdruck permanent zur Verfügung gestellt wird.
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Bei bekannten derartigen Kraftstofffördereinrichtungen werden als Vorförderpumpe beispielsweise mechanische Pumpen eingesetzt, wie eine Außenzahnradpumpe, die über die Nockenwelle der Brennkraftmaschine direkt angetrieben wird. Diese mechanischen Vorförderpumpen arbeiten zumeist in einem sauggedrosselten Betrieb, um die Fördermenge an Kraftstoff zu begrenzen. Dafür ist auf Seiten der Zulaufleitung zur Vorförderpumpe eine Drosseleinrichtung vorgesehen, die die Fördermenge an Kraftstoff, welcher mittels der Vorförderpumpe aus dem Kraftstofftank gefördert werden kann, begrenzt.
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Um derartige Hochdruckpumpen an unterschiedliche Typen von Brennkraftmaschinen und unterschiedliche Fahrzeugtypen anzupassen, werden bisher im Stand der Technik die an sich fixen Drosseldurchmesser für Fördermengenbegrenzungsdrosseln so dimensioniert, dass die Fördermenge an Kraftstoff der Vorförderpumpe für alle Motoren unabhängig von der erforderlichen Hochdruckmenge an Kraftstoff über den gesamten Betriebsbereich ausreichend ist. Der Drosselquerschnitt derartiger bekannter Fördermengenbegrenzungsdrosseln für Hochdruckpumpen ist dabei jeweils fest eingestellt, so dass nach Erreichen eines Betriebsbereichs der Brennkraftmaschine unabhängig von dem tatsächlichen Bedarf an Kraftstoff auf der Hochdruckseite immer eine fest eingestellte Menge an Kraftstoff durch die Vorförderpumpe gefördert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch eine Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung.
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Durch die variable Einstellbarkeit der Drosselung der Fördermengenbegrenzungsdrossel kann mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe die von der Vorförderpumpe geförderte Kraftstoffmenge jeweils an den aktuellen Mengenbedarf im Betrieb der Brennkraftmaschine und des damit ausgestatteten Fahrzeugs angepasst werden. Auf diese Weise wird die überschüssige Menge an von der Vorförderpumpe gefördertem Kraftstoff, der bisher im Stand der Technik durch den Triebwerkraum wieder in eine Zulaufleitung der Hochdruckpumpe zurückgepumpt werden musste, reduziert. Die erforderliche Antriebsleistung zum Betreiben der Hochdruckpumpe nach der Erfindung ist damit verringert gegenüber derjenigen für solche Pumpen aus dem Stand der Technik. Die jeweils im Bedarf mengenmäßig angepasste Fördermenge an Kraftstoff durch die Vorförderpumpe führt damit auch zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch insgesamt. Die Kraftstoffmenge, welche aus dem Kraftstofftank gefördert wird, wird individuell jeweils an die jeweilige Betriebssituation der Brennkraftmaschine angepasst, was insgesamt zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und zu einer Einsparung von Energie führt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung ist die Fördermengenbegrenzungsdrossel mit einem Überströmventil, welches den Druck des Kraftstoffs regelt, der von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe gepumpt wird, mechanisch gekoppelt. Dies ist technisch besonders einfach realisierbar.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fördermengenbegrenzungsdrossel durch eine zusätzliche Steuerkante an einem federbelasteten Ventilkolben des Überströmventils gebildet ist. Neben der eigentlichen Steuerkante solcher Überströmventile ist also eine weitere Steuerkante so vorgesehen, dass sie eine variable Anpassung der Drosselgrenze bedarfsabhängig ermöglicht. Mit solch einer Art mechanischer, variabel anpassbarer Fördermengenbegrenzungsdrossel kann innerhalb eines bestehenden Kraftstoffeinspritzsystems sehr leicht die zusätzliche Funktionalität einer variablen Einstellbarkeit der Drosselgrenze realisiert werden. Der Steuer- bzw. Ventilkolben des Überströmventils, welcher mit einer Feder vorbelastet ist und dafür sorgt, dass der Druck des von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe gepumpten Kraftstoffs einen gewünschten Wert nicht erreicht, und dass der Triebwerksraum der Hochdruckpumpe immer von genügend Kraftstoff zur Schmierung der Lager und Kühlung durchströmt wird, wird einfach mit einer zusätzlichen Steuerkante versehen, die derart vorgesehen ist, dass bei einem Mengenüberschuss an Kraftstoff, welcher aus dem Triebwerkraum abströmt – und dies ist dann der Fall, wenn die Hochdruckpumpe weniger Kraftstoff ins Rail fördert als ihr von der Vorförderpumpe geliefert wird, der Ventilkolben weiter nach hinten gegen eine Feder verschoben wird und somit ein verfügbarer Drosselquerschnitt verringert wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Überströmventil vorgesehen, welches dafür sorgt, dass der Druck des von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe gepumpten Kraftstoffs einen gewünschten Wert nicht erreicht, und wird die Fördermengenbegrenzungsdrossel durch einen mengenabhängigen Druckabfall in einer Absteuerleitung des Überströmventils gesteuert wird. Dieser Druckabfall wird vorteilhafterweise durch eine Festdrossel zwischen zwei Steueranschlüssen der Fördermengenbegrenzungsdrossel herbeigeführt. Eine Veränderung in der durch die Zulaufleitung geförderten Kraftstoffmenge führt dann über den Druckabfall durch die Festdrossel in der Absteuerleitung automatisch zu einer Verstellung des effektiven Drosselquerschnitts in der Fördermengenbegrenzungsdrossel. Hierdurch wird auf hydraulischem Wege eine Variation des Drosselquerschnitts der Fördermengenbegrenzungsdrossel erreicht. Auch hiermit lassen sich Einsparungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und des Energieaufwands für den Antrieb der Hochdruckpumpe realisieren.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe ist die Fördermengenbegrenzungsdrossel als eine elektrisch verstellbare Drossel ausgeführt. Vorzugsweise ist die elektrisch verstellbare Drossel mittels eines Steuerstroms in Abhängigkeit von einem aktuellen Steuersignal einer Zumesseinheit verstellbar. Die Fördermengenbegrenzungsdrossel wird damit in Abhängigkeit von dem Kraftstoffstrom durch die Zumesseinheit verstellt, wobei dies insbesondere auch unter Zugrundelegung von bekannten Kennlinien der Pumpen, die beispielsweise in einem Speicher hinterlegt sein können, erfolgen kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Mittel, insbesondere ein mechanisches Mittel, zur Kopplung des Drosselquerschnitts der Fördermengenbegrenzungsdrossel mit dem durch eine Zumesseinheit aktuell freigegebenen Querschnitt vorgesehen. Auf diese Weise wird eine Art direkte Kopplung zwischen der Zumesseinheit und deren aktueller Fördermenge sowie der variabel einstellbaren Fördermengenbegrenzungsdrossel auf Seiten der Vorförderpumpe hergestellt. Bei einem kleinen Förderquerschnitt der Zumesseinheit ist der Bedarf an Kraftstoff relativ gering, so dass dann auch die Fördermenge auf Seiten der Vorförderpumpe reduziert werden kann. Bei einem hohen Bedarf an Kraftstoff (Zumesseinheit auf) muss der Querschnitt der Fördermengenbegrenzungsdrossel in Richtung Maximum verstellt werden, damit ausreichend Kraftstoff durch die Vorförderpumpe der Hochdruckseite der. Hochdruckpumpe bereitgestellt werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorförderpumpe als eine mechanische Förderpumpe ausgestaltet, insbesondere in Form einer Außenzahnradpumpe, welche von einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Kombination einer variabel im Drosselquerschnitt verstellbaren Fördermengenbegrenzungsdrossel und einer Außenzahnradpumpe als Vorförderpumpe hat den Vorteil einer konstruktiv relativ einfach aufgebauten Vorfördereinheit mit einer dennoch vorteilhaften, weil variabel einstellbaren Fördermenge.
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Die Erfindung wird im Nachfolgenden mehr im Detail anhand von mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben werden, welche im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung dargestellt werden. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fördermengenbegrenzungsdrossel mit variablem Drosselquerschnitt, wie sie in einer Hochdruckpumpe nach der Erfindung eingesetzt wird;
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2 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe mit variabler Fördermengenbegrenzungsdrossel;
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3 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe mit variabler Fördermengenbegrenzungsdrossel; und
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4 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe mit variabler Fördermengenbegrenzungsdrossel.
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Die 1 zeigt im Detail in einer Querschnittsansicht eines Überströmventils 16 mit einer Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 mit variablem Drosselquerschnitt, wie sie in einer in dieser Figur nicht weiter dargestellten Kraftstofffördereinrichtung eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Das Überströmventil 16 ist in einer Leitung 23 angeordnet, die mit einem. Triebwerksraum einer Hochdruckpumpe verbunden ist, der wiederum zu der Fluidverbindung von der Vorförderpumpe zur Hochdruckpumpe gehört. Durch das Überströmventil 16 wird der Druck des von der Vorförderpumpe zu den Einlassventilen der Hochdruckpumpe strömenden und im Triebwerksraum zu Kühlungs- und Schmierzwecken eingesetzten Kraftstoffs geregelt.
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Die Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 ist in einer Zulaufleitung 4 einer mechanischen Vorförderpumpe der Kraftstofffördereinrichtung eingebaut, welche in einem sauggedrosselten Betrieb arbeitet, um die Fördermenge, welche von der mechanischen Vorförderpumpe, wie zum Beispiel einer Außenzahnradpumpe, aus dem Kraftstofftank gefördert wird, zu begrenzen. Die Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 weist einen verstellbaren Drosselquerschnitt auf.
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Damit kann je nach Bedarf und abhängig von der erforderlichen Hochdruckmenge an Kraftstoff, welche von der Vorförderpumpe zu der Hochdruckpumpe zu fördern ist, die von der Vorförderpumpe zur Verfügung gestellte Kraftstoffmenge variabel eingestellt werden. Die Fördermenge an Kraftstoff kann somit in verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine und je nach Bedarf variabel eingestellt werden, so dass der Anteil einer überschüssigen Menge an Kraftstoff, welcher über eine Rücklaufleitung und durch den Triebwerksraum der Hochdruckpumpe gepumpt werden muss, reduziert werden kann. Um den Drosselquerschnitt der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 variabel einstellen zu können, ist bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Einstellmittel 7 in Form einer zusätzlichen (zweiten) Steuerkante 9 an einem federbelasteten Drosselkolben 8 vorgesehen.
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Bei einem Mengenüberschuss an Kraftstoff im Kraftstoffeinspritzsystem wird der verschiebbar in einem Gehäuse gelagerte Drosselkolben 8 aufgrund der erhöhten Durchströmung des Überströmventils 16 entgegen der Feder weiter nach hinten (links in 1) geschoben, wodurch sich die zusätzliche Steuerkante 9 verstellt und der effektive Drosselquerschnitt verändert wird. Auf diese Weise wird eine Art mechanische Kopplung der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 mit dem Überströmventil 16 bereitgestellt, dass die Bewegung der Steuerkante 9 mit der des federbelasteten Drosselkolbens 8 des Überströmventils 16 gekoppelt ist. Die Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 mit variablem Drosselquerschnitt, wie sie in der 1 gezeigt ist, ist in der Zulaufleitung der Vorförderpumpe derart eingebaut, dass sie mit einem Zulaufdruck PZ (meist in etwa Tankdruck) beaufschlagt wird (vgl. Strömungspfeile in 1). Der Ventilkolben 8 des Überströmventils 16 ist mit einem Innendruck oder Triebwerksraumdruck PI in axialer Richtung beaufschlagt, welcher durch eine Absteuermenge von überschüssigem Kraftstoff her kommt. Wenn sich nun die Absteuermenge an Kraftstoff verändert – d. h. ein Überschuss zum Beispiel vorliegt –, wird die Stellung des Ventilkolbens 8 und damit der Querschnitt der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 verändert, so dass die Menge an von der Vorförderpumpe gefördertem Kraftstoff entsprechend variiert. Auf diese Weise können Energieeinsparungen hinsichtlich der erforderlichen Antriebsleistung der Hochdruckpumpe insgesamt erreicht werden. Durch die reduzierte notwendige Antriebsleistung wird auch der Mehrverbrauch an Kraftstoff reduziert, der im Stand der Technik bei derartigen Hochdruckpumpen sonst unabdingbar war.
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In der 2 ist anhand eines schematischen Blockschaltbilds eine Kraftstofffördereinrichtung 25 eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, dargestellt. Sie weist wie nach dem vorherigen Ausführungsbeispiel eine Vorförderpumpe 5 auf, über welche Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 13 über eine Zulaufleitung 4, die ferner mit einem Filter 17 versehen ist, angesaugt wird. Die Vorförderpumpe 5 fördert den Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe 10, welche einen Temperatursensor 18 aufweist und bei diesem Ausführungsbeispiel nach der 2 aus zwei Pumpenelementen 1, 2 besteht, die über einen Nocken 21 angetrieben werden und mittels Auslassventilen 19 und Einlass-Saugventilen 20 den Kraftstoff bei hohem Druck einem Railsystem 14 zuführen, über welches der Kraftstoff auf die verschiedenen (nicht gezeigten) Einspritzeinrichtungen des Kraftstoffeinspritzsystems verteilt wird. Die von der Hochdruckpumpe 10 in das Railsystem 14 geförderte Kraftstoffmenge wird insbesondere durch eine Zumesseinheit 3 gesteuert, wobei überschüssiger Kraftstoff über ein Druckbegrenzungsventil 15 und eine Rücklaufleitung 22 aus dem Railsystem 14 wieder dem Kraftstofftank 13 zugeführt.
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Die Kraftstofffördereinrichtung 25 umfasst ebenfalls ein Überströmventil 16, das den Druck des Kraftstoffs regelt, der von der Vorförderpumpe 5 in den Triebwerksraum 26 der Hochdruckpumpe 10 – wo er Schmier- und Kühlzwecke erfüllt – und von dort weiter zu den Einlassventilen 20 gepumpt wird. In der Zulaufleitung 4 ist in Strömungsrichtung vor der mechanischen Vorförderpumpe 5, welche beispielsweise als eine Außenzahnradpumpe verwirklicht sein kann, eine Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 vorgesehen, die mit Einstellmitteln 7 zum variablen Einstellen des Drosselquerschnitts versehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel nach der 2 ist die Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 mit einem variablen Drosselquerschnitt versehen, der sich in Abhängigkeit von der über das Überströmventil 16 abströmenden Kraftstoffmenge verändert.
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Hierzu ist das Überströmventil 16 über einen Absteuerkanal 11 mit der Zulaufleitung 4 verbunden, und zwar stromaufwärts von der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6. Dieser Absteuerkanal 11 ist mit zwei entgegengesetzt wirkenden Steueranschlüssen der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 verbunden, wobei in einem Zweig eine zusätzliche Festdrossel 24, d. h. ein Drosselelement mit festem Drosselquerschnitt, eingebaut ist, was einen mengenabhängigen Druckabfall und somit eine von der abgesteuerten Kraftstoffmenge abhängige Druckdifferenz zwischen den beiden Steueranschlüssen der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 erzeugt. Dabei sei noch darauf hingewiesen, dass eine Absteuerung von Kraftstoff zur Zulaufleitung 4 hin vom Überströmventil 16 überhaupt erst erfolgt, wenn der Druck im Triebwerksraum 26 einen bestimmten Wert überschreitet.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung 25 mit verstellbarer Fördermengenbegrenzungsdrossel 6, wie es anhand des schematischen Blockschaltbilds nach der 3 gezeigt ist, ist im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel eine mechanische Kopplung des effektiven Drosselquerschnitts der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 mit der elektromagnetisch verstellbaren Zumesseinheit 3 vorgesehen. Dabei tragen zu bereits beschriebenen Elementen und Bereichen funktionsäquivalante Elemente und Bereiche die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail beschrieben.
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Die variable Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 ist hier im Bereich der Zumesseinheit 3 angeordnet, so dass die mechanische Kopplung einfach realisiert werden kann. Die Kopplung bewirkt, dass sich bei einer Veränderung des freigegebenen Querschnitts der Zumesseinheit 3 automatisch der Drosselquerschnitt der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 mitverändert und eine angepasste Kraftstoffmenge durch die mechanische Vorförderpumpe 5 bereitgestellt wird: Bei einem kleinen freigegebenen Querschnitt der Zumesseinheit 3 ist der Bedarf an Kraftstoff auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 10 gering, so dass erfindungsgemäß auch die Kraftstofffördermenge der Vorförderpumpe 5 reduziert werden kann. Umgekehrt ist bei einem großen Bedarf an Kraftstoff von hohem Druck im Railsystem 14 die Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 durch die mechanische Kopplung mit der Zumesseinheit 3 wieder auf einen großen bzw. sogar maximalen Drosselquerschnitt verstellt, so dass dann wieder eine große bzw. maximale Menge an Kraftstoff von der Vorförderpumpe aus dem Kraftstofftank 13 gefördert wird. Alternativ könnte auch eine hydraulische Kopplung statt der hier verwendeten direkten mechanischen Kopplung vorgesehen werden.
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Die 4 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung 25 mit einer variablen Fördermengenbegrenzungsdrossel 6. Die Fördermengenbegrenzungsdrossel 6, welche in Strömungsrichtung in der Zulaufleitung 4 vor der mechanischen Vorförderpumpe 5 eingebaut ist, ist hier als eine elektrisch verstellbare Drossel 12 ausgeführt. Der Ansteuerstrom für die elektrisch verstellbare Drossel 12 der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 richtet sich bei diesem Beispiel nach dem Ansteuerstrom der Zumesseinheit 3, so dass bedarfsgerecht die Menge an Kraftstoff, welche durch die Vorförderpumpe 5 der Hochdruckpumpe 10 bereitgestellt wird, angepasst werden kann. Die Einstellung des Steuerstroms für die elektrisch verstellbare Drossel 12 wird nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise über eine oder mehrere Kennlinien ermittelt, welche den Ansteuerstrom der Zumesseinheit 3 mit dem Ansteuerstrom der Fördermengenbegrenzungsdrossel 6 koppeln.