DE19963719A1 - Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit hybrid angetriebener Kraftstoffpumpe - Google Patents
Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine mit hybrid angetriebener KraftstoffpumpeInfo
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Abstract
Es wird ein Kraftstoffversorgungssystem für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffpumpe (1) vorgeschlagen, die sowohl von einem elektrischen Antrieb (19) als auch der Brennkraftmaschine (15) angetrieben werden kann. Daraus resultiert ein gutes Startverhalten der Brennkraftmaschine (13) und ein geringer Bedarf an Antriebsleistung der Kraftstoffpumpe (1) während des Betriebs der Brennkraftmaschine (13).
Description
Die Erfindung geht aus von einem
Kraftstoffversorgungssystem für Brennkraftmaschinen mit
einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffpumpe, wobei die
Saugseite der Kraftstoffpumpe hydraulisch mit einem
Kraftstofftank in Verbindung steht und wobei die Druckseite
der Kraftstoffpumpe mit der Brennkraftmaschine hydraulisch
in Verbindung steht.
Bei diesem bekannten Kraftstoffversorgungssystem fördert
eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe den Kraftstoff
vom Kraftstofftank zur Brennkraftmaschine. Der elektrische
Antrieb der Kraftstoffpumpe muss für die gesamte
Betriebsdauer der Brennkraftmaschine ausgelegt werden. Dies
bedeutet, dass beim Starten der Brennkraftmaschine mit
schwacher Batterie oder bei großer Kälte die Förderleistung
der Kraftstoffpumpe deutlich verringert ist, da die
Spannung im Bordnetz gegenüber der Nennspannung auf etwa 50%
absinkt. Infolgedessen ist die Kraftstoffversorgung der
Brennkraftmaschine und somit auch deren Startverhalten
nicht optimal. Außerdem ist, da die bekannten elektrischen
Antriebe nicht geregelt sind, der Förderstrom der
Kraftstoffpumpe stets gleich dem maximal erforderlichen
Kraftstoffstrom. Im Leerlauf oder bei Teillast wird der
überschüssige Kraftstoff über eine Rücklaufleitung in den
Kraftstofftank zurückgeführt. Daraus ergibt sich ein
unnötig hoher Verbrauch an elektrischer Energie zum Antrieb
der Kraftstoffpumpe. Schließlich werden der elektrische
Antrieb und die Kraftstoffpumpe unnötig teuer.
Es ist auch bekannt, eine Kraftstoffpumpe direkt mit der
Brennkraftmaschine zu koppeln und von dieser anzutreiben.
Der Vorteil bei diesem Antriebskonzept liegt darin
begründet, dass die Förderleistung der Kraftstoffpumpe
ungefähr proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine
und damit auch ungefähr proportional zum
Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ist. Damit kann
der Kraftstoffstrom, der über eine Rücklaufleitung in den
Tank zurückgeführt wird, und somit auch die Antriebsleitung
der Kraftstoffpumpe deutlich verringert werden. Nachteilig
an diesem Antriebskonzept ist allerdings, dass die
Kraftstoffpumpe bei Anlassen der Brennkraftmaschine nur
einen sehr geringen Förderstrom bereitstellt, so dass es
einiger Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine
bedarf, um beispielsweise den erforderlichen Druckaufbau im
Kraftstoffeinspritzsystem der Brennkraftmaschine zu
erreichen. Daraus resultiert ein schlechtes Startverhalten.
Ein weiterer Nachteil dieses Systems ist, dass bei
leergefahrenem Tank oder bei der ersten Füllung des Tanks
im Herstellerwerk der Anlasser der Brennkraftmaschine lange
betätigt werden muss, um die erforderliche
Kraftstoffförderung zu erreichen. Daraus resultieren hohe
Belastungen sowohl der Batterie als auch des Anlassers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Kraftstoffversorgungssystem mit gegenüber dem Stand der
Technik verbessertem Betriebsverhalten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein
Kraftstoffversorgungssystem für Brennkraftmaschinen mit
einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffpumpe, wobei die
Saugseite der Kraftstoffpumpe hydraulisch mit einem
Kraftstofftank in Verbindung steht, wobei die Druckseite
der Kraftstoffpumpe mit der Brennkraftmaschine hydraulisch
in Verbindung steht und wobei die Kraftstoffpumpe
alternativ von der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Durch den Hybridantrieb der Kraftstoffpumpe können die
Vorteile beider Antriebssysteme genutzt werden, ohne deren
Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Beim Start der
Brennkraftmaschine wird die Kraftstoffpumpe elektrisch
angetrieben, so dass trotz geringer Kurbelwellendrehzahl
der Brennkraftmaschine ein ausreichender Förderstrom
erreicht wird und somit die Versorgung der
Brennkraftmaschine mit Kraftstoff ausreichend schnell
erfolgt. Daraus resultiert ein gutes Startverhalten sowie
eine geringe Belastung von Starterbatterie und Anlasser.
Diese Vorteile kommen auch bei der ersten Füllung des
Kraftstofftanks beim Kfz-Hersteller oder bei leergefahrenem
Kraftstofftank zum Tragen.
Sobald die Brennkraftmaschine mit ausreichend hoher
Drehzahl läuft, wird der Antrieb der Kraftstoffpumpe von
der Brennkraftmaschine übernommen. Dadurch ist die Drehzahl
der Kraftstoffpumpe direkt an die Drehzahl der
Brennkraftmaschine gekoppelt. Damit wird eine bessere
Übereinstimmung des Förderstroms der Kraftstoffpumpe und
des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine erreicht.
Dies entspricht einer bedarfsgerechten Kraftstoffförderung.
Außerdem wird vermieden, dass große Teile des
Kraftstoffförderstroms über eine Rücklaufleitung in den
Kraftstofftank zurückgeführt werden. Durch den direkten
Antrieb der Kraftstoffpumpe erhöht sich außerdem der
Wirkungsgrad, da die Umwandlung der Antriebsleistung über
die Lichtmaschine und den elektrischen Antrieb entfällt.
In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass der
elektrische Antrieb der Kraftstoffpumpe ein bürstenloser
Elektromotor ist, so dass, sobald dieser Antrieb stromlos
geschaltet wird und die Kraftstoffpumpe von der
Brennkraftmaschine angetrieben wird, ohne nennenswerte
Verlustleistung mitlaufen kann. Daraus resultiert ein
besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des
erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems. Außerdem
ist bei dieser Ausführungsform ein besonders geräuscharmer
Betrieb gegeben, wenn die Kraftstoffpumpe von der
Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der
elektrische Antrieb bei halber Nennspannung des Bordnetzes
noch funktionsfähig ist, so dass, selbst wenn die
Starterbatterie schwach ist oder aufgrund niedriger
Temperaturen ihre Leistungsfähigkeit reduziert ist, noch
eine ausreichende Förderleistung der Kraftstoffpumpe
erzielt wird. Diese Auslegung ist insofern unbedenklich,
als die Kraftstoffpumpe nur während der Startvorgänge
elektrisch angetrieben wird und nicht während der gesamten
Betriebsdauer der Brennkraftmaschine. Dadurch verringert
sich die Betriebsdauer des elektrischen Antriebs auf einen
Bruchteil der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine, so dass
auch beim kurzzeitigen Betrieb des elektrischen Antriebs
mit der Nennspannung des Bordnetzes noch keine Überlastung
eintritt.
Bei weiteren Varianten der Erfindung ist vorgesehen, dass
zwischen dem elektrischen Antrieb der Kraftstoffpumpe und
der Kraftstoffpumpe ein erster Freilauf angeordnet ist,
sowie, dass zwischen der Brennkraftmaschine und der
Kraftstoffpumpe ein zweiter Freilauf angeordnet ist, so
dass die Kraftstoffpumpe entweder vom elektrischen Antrieb
oder von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und es
nicht zu einer Umkehr des Leistungsflusses, beispielsweise
von der Kraftstoffpumpe auf die Brennkraftmaschine oder von
der Kraftstoffpumpe auf den elektrischen Antrieb, kommen
kann. Dadurch wird die Betriebssicherheit erhöht und der
Energiebedarf für die Kraftstoffpumpe minimiert.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der
Antrieb der Kraftstoffpumpe brennkraftmaschinenseitig von
der Nockenwelle, der Kurbelwelle, einem Zahnriemen, einem
Keilriemen, einer Steuerkette, dem Wasserpumpen- oder
Lichtmaschinenantrieb oder der Kraftstoffhochdruckpumpe
eines Kraftstoffeinspritzsystems erfolgt, so dass eine
optimale Anpassung der Fördermenge der Kraftstoffpumpe
möglich wird. Beispielsweise dreht die Nockenwelle nur mit
der halben Kurbelwellendrehzahl, so dass, je nachdem von
welcher Welle die Kraftstoffpumpe angetrieben wird, die
Drehzahl sich um den Faktor 2 unterscheidet. Durch den
Antrieb der Kraftstoffpumpe über einen Zahnriemen, einen
Keilriemen oder eine Steuerkette kann das Verhältnis der
Drehzahlen von Brennkraftmaschine und Kraftstoffpumpe
nahezu stufenlos gewählt werden. Ein weiteres Kriterium für
die Wahl des brennkraftmaschinenseitigen Antriebs der
Kraftstoffpumpe können auch die baulichen Gegebenheiten im
Bereich der Brennkraftmaschine oder die möglichst einfache
Montage sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren
Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
In der beiliegenden Figur ist schematisch ein
erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem mit einer
Brennkraftmaschine dargestellt.
Eine Kraftstoffpumpe 1 ist auf ihrer Saugseite 3 mit einem
Kraftstofftank 5 über eine erste
Kraftstoffniederdruckleitung 7 hydraulisch verbunden. Die
Druckseite 9 der Kraftstoffpumpe 1 ist über eine zweite
Kraftstoffniederdruckleitung 11 mit einer
Kraftstoffeinspritzpumpe 13 einer Brennkraftmaschine 15
hydraulisch verbunden. Überschüssiger, von der
Kraftstoffpumpe 1 zur Brennkraftmaschine 15 geförderter
Kraftstoff wird über eine Rücklaufleitung 17 wieder dem
Kraftstofftank 5 zugeführt.
Angetrieben wird die Kraftstoffpumpe 1 alternativ durch
einen elektrischen Antrieb 19 oder eine Abtriebswelle 21
der Einspritzpumpe 13. Zwischen dem elektrischen Antrieb 19
und der Kraftstoffpumpe 1 ist ein erster Freilauf 23
vorgesehen. Zwischen der Brennkraftmaschine 15 bzw. der
Abtriebswelle 21 der Einspritzpumpe 13 und der
Kraftstoffpumpe 1 ist ein zweiter Freilauf 25 vorgesehen.
Durch die Freiläufe 23 und 25 wird verhindert, dass die
Kraftstoffpumpe 1 gleichzeitig von der Brennkraftmaschine
15 und dem elektrischen Antrieb 19 angetrieben wird.
Außerdem wird eine Umkehr des Leistungsflusses von der
Kraftstoffpumpe 1 zur Brennkraftmaschine 15 oder von der
Kraftstoffpumpe 1 zum elektrischen Antrieb 19 verhindert.
Der elektrische Antrieb 19 wird beim Starten der
Brennkraftmaschine 15 angesteuert. Dadurch ist der
Förderstrom der Kraftstoffpumpe 1 unabhängig von der
Drehzahl der Brennkraftmaschine 15, so dass diese rasch mit
ausreichend Kraftstoff versorgt wird. Dies ist besonders
von Bedeutung, wenn der Tank leergefahren wurde oder der
Tank zum ersten Mal beim Kfz-Hersteller gefüllt wird.
Sobald die Brennkraftmaschine 15 mit ausreichend hoher
Drehzahl läuft, wird der elektrische Antrieb 19 stromlos
geschaltet und die Kraftstoffpumpe 1 von der
Brennkraftmaschine 15 angetrieben. Dadurch ergibt sich ein
dem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 15
entsprechender Förderstrom der Kraftstoffpumpe 1, so dass
nur wenig Kraftstoff über die Kraftstoffrücklaufleitung 17
von der Brennkraftmaschine 15 bzw. der
Kraftstoffeinspritzpumpe 13 in den Tank 5 zurückgeführt
werden muss. Im Ergebnis führt das erfindungsgemäße
Kraftstoffversorgungssystem zu einem sehr guten
Startverhalten der Brennkraftmaschine 15 auch unter
schwierigen Bedingungen und einer Verringerung des
Antriebsleistungsbedarfs der Kraftstoffpumpe 1 während des
Betriebs der Brennkraftmaschine 15, so dass der
Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 15 entsprechend
zurückgeht.
Aufgrund der gegenüber der Betriebsdauer der
Brennkraftmaschine deutlich reduzierten Betriebsdauer des
elektrischen Antriebs, kann dieser so ausgelegt werden,
dass
er auch bei etwa halber Nennspannung des Bordnetzes noch
funktionsfähig ist. Dadurch wird, auch wenn die
Starterbatterie schwach oder aufgrund niedriger
Temperaturen ihre Leistungsfähigkeit reduziert ist, noch
eine ausreichende Förderleistung der Kraftstoffpumpe
erzielt.
Der brennkraftmaschinenseitige Antrieb der Kraftstoffpumpe
1 durch eine Abtriebswelle 21 der Kraftstoffeinspritzpumpe
13 ist nur eine Möglichkeit des Antriebs von vielen. Der
Antrieb der Kraftstoffpumpe 1 kann
brennkraftmaschinenseitig auch von der Nockenwelle, der
Kurbelwelle, einem Zahnriemen, einem Keilriemen, einer
Steuerkette, dem Wasserpumpen- oder Lichtmaschinenantrieb
erfolgen. Durch die geeignete Wahl des
brennkraftmaschinenseitigen Antriebs kann eine optimale
Anpassung der Fördermenge der Kraftstoffpumpe oder die
baulichen Gegebenheiten im Bereich der Brennkraftmaschine
sowie die Vereinfachung der Montage sein.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander
erfindungswesentlich sein.
Claims (7)
1. Kraftstoffversorgungssystem für Brennkraftmaschinen ()
mit einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffpumpe (1),
wobei die Saugseite (3) der Kraftstoffpumpe (1) hydraulisch
mit einem Kraftstofftank (5) in Verbindung steht und wobei
die Druckseite (9) der Kraftstoffpumpe (1) mit der
Brennkraftmaschine (13, 15) hydraulisch in Verbindung
steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe (1)
alternativ von der Brennkraftmaschine (15) angetrieben
wird.
2. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (19) der
Kraftstoffpumpe (1) ein bürstenloser Elektromotor ist.
3. Kraftstoffversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (16)
bei halber Nennspannung des Bordnetzes noch funktionsfähig
ist.
4. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem elektrischen Antrieb (19) und der
Kraftstoffpumpe (1) ein erster Freilauf (23) angeordnet
ist.
5. Kraftstoffversorgungssystem nach einem, der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Brennkraftmaschine (15) und der
Kraftstoffpumpe (1) ein zweiter Freilauf (25) angeordnet
ist.
6. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Antrieb der Kraftstoffpumpe (1) brennkraftmaschinenseitig
von der Nockenwelle, der Kurbelwelle, einem Zahnriemen,
einem Keilriemen, dem Wasserpumpen- oder
Lichtmaschinenantrieb oder der Kraftstoffhochdruckpumpe
(13) eines Kraftstoffeinspritzsystems erfolgt.
7. Kraftstoffversorgungssystem nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kraftstoffpumpe (1) eine Rollenzellenpumpe oder eine
Zahnradpumpe ist.
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