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DE10111837B4 - Kraftstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckpumpen (HDP)-Modul - Google Patents

Kraftstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckpumpen (HDP)-Modul Download PDF

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DE10111837B4
DE10111837B4 DE10111837A DE10111837A DE10111837B4 DE 10111837 B4 DE10111837 B4 DE 10111837B4 DE 10111837 A DE10111837 A DE 10111837A DE 10111837 A DE10111837 A DE 10111837A DE 10111837 B4 DE10111837 B4 DE 10111837B4
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fuel
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fuel metering
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Thomas Dr. Ludwig
Gottlob Haag
Michael Dr. Huebel
Juergen Stein
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Kraftstoffzumesssystem (11) für eine Brennkraftmaschine (1), umfassend eine Vorförderpumpe (13), die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter (12) in einen Niederdruckbereich (ND) des Kraftstoffzumesssystems (11) fördert, mindestens eine Hochdruckpumpe (14), die Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich (ND) in einen Hochdruckbereich (HD) fördert, in dem der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck (p_r) anliegt, mehrere Einspritzventile (9), die aus dem Hochdruckbereich (HD) abzweigen und über die Kraftstoff mit dem Einspritzdruck (p_r) in Brennräume (4) der Brennkraftmaschine (1) einspritzbar ist, einen Drucksensor (24) zum Erfassen des Einspritzdrucks (p_r) und eine elektronische Regeleinheit (30) zur Regelung des Einspritzdrucks (p_r), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzumesssystem (11) mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (29) zum Antrieb der oder jeder Hochdruckpumpe (14) aufweist, wobei die mindestens eine Hochdruckpumpe (14) als eine in einen Rotor (33) des oder jeden Antriebsmotors (29) integrierte Kolbenpumpe ausgebildet ist und die mindestens eine Hochdruckpumpe (14), der der mindestens eine elektrische Antriebsmotor (29), der Drucksensor (24) und die elektronische...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffzumesssystem für eine Brennkraftmaschine, umfassend eine Vorförderpumpe, die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems fördert, und mindestens eine Hochdruckpumpe, die Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich in einen Hochdruckbereich fördert, in dem der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck anliegt. Aus dem Hochdruckbereich zweigen mehrere Einspritzventile ab, über die Kraftstoff mit dem Einspritzdruck in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Das Kraftstoffzumesssystem umfasst außerdem einen Drucksensor zum Erfassen des Einspritzdrucks und eine elektronische Regeleinheit zur Regelung des Einspritzdrucks.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochdruckpumpen (HDP)-Modul eines Kraftstoffzumesssystems für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung.
  • Derartige Systeme zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine sind beispielsweise zur Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung (BDE) aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solches Kraftstoffzumesssystem weist eine üblicherweise als Elektrokraftstoffpumpe (EKP) ausgebildete Vorförderpumpe auf, die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems fördert. Mindestens eine Hochdruckpumpe des Kraftstoffzumesssystems fördert Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich in einen Hochdruckspeicher, der in einem Hochdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems angeordnet ist.
  • Der Hochdruckspeicher ist beispielsweise als eine Verteilerleiste eines Common-Rail (CR) Kraftstoffzumesssystems ausgebildet. von dem Hochdruckspeicher zweigen Einspritzventile ab, über die Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher mit dem dort herrschenden Einspritzdruck (Raildruck) in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
  • Die Einspritzventile werden von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine angesteuert. Das Steuergerät hat des weiteren die Aufgabe, über einen Druckregelkreis den in dem Hochdruckspeicher herrschenden Einspritzdruck zu regeln bzw. zu steuern. Eine Erhöhung des Einspritzdrucks kann durch geeignetes Ansteuern der Hochdruckpumpe, also durch Erhöhung der Kraftstoffzufuhr in den Hochdruckspeicher, erzielt werden. Eine Reduzierung des Einspritzdrucks kann durch geeignetes Ansteuern eines aus dem Hochdruckspeicher abzweigenden Steuerventils, also durch Erhöhung des Kraftstoffablaufs aus dem Hochdruckspeicher, oder durch Reduktion der Förderleistung der Hochdruckpumpe erzielt werden. Das Steuerventil ist beispielsweise als ein Mengensteuerventil (z.B. bei 1-Zylinder-Kolben-Hochdruckpumpen) oder als ein Drucksteuerventil (z.B. bei 3-Zylinder-Radialkolben-Hochdruckpumpen) ausgebildet. Zum Erfassen des in dem Hochdruckspeicher herrschenden Einspritzdrucks ist in dem Hochdruckspeicher ein Drucksensor angeordnet. Zur Steuerung bzw. Regelung des in dem Hochdruckspeicher herrschenden Einspritzdrucks ist ein Steuergerät vorgesehen, das eine elektronische Regeleinheit umfasst. Die Regeleinheit erhält einen Ist-Wert des Einspritzdrucks von dem Drucksensor. In Abhängigkeit des Ist-Werts und einem vorgebbaren Soll-Wert des Einspritzdrucks erzeugt die Regeleinheit geeignete Ausgangssignale zum Erhöhen oder Erniedrigen des Einspritzdrucks. Der Soll-Wert wird von dem Steuergerät vorgegeben und kann z.B. drehzahl- oder lastabhängig variiert werden.
  • Die Hochdruckpumpen der bekannten Kraftstoffzumesssysteme werden üblicherweise über eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine mechanisch angetrieben. Die Nockenwelle dient üblicherweise zur Betätigung von Einlass- und Auslassventilen (sog. Ladungswechselventilen) der Brennkraftmaschine. Die Hochdruckpumpe ist im Bereich der Nockenwelle von außen an einem Gehäuse der Brennkraftmaschine angeflanscht. Der mechanische Antrieb der Hochdruckpumpe hat den Nachteil, dass die Pumpendrehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig ist und deshalb bei einem Kaltstart der gewünschte Einspritzdruck im Hochdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems relativ langsam aufgebaut wird und damit nicht unmittelbar nach dem Start zur Verfügung steht. Das kann zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, erhöhten Abgasemissionen und einer erhöhten Geräuschentwicklung führen. Außerdem kann die Hochdruckpumpe nur an bestimmten Stellen, nämlich im Bereich der Nockenwelle, an die Brennkraftmaschine angeflanscht werden. Dadurch ergeben sich relativ große Beschränkungen bezüglich der Anordnung der Hochdruckpumpe im Motorraum eines Kraftfahrzeugs. Schließlich sind bei den bekannten Kraftstoffzumesssystemen die für die Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung erforderlichen Bauteile, insbesondere die Hochdruckpumpe, der Drucksensor zum Erfassen des Einspritzdrucks und die elektronische Regeleinheit räumlich getrennt voneinander angeordnet. Dadurch gestaltet sich die Montage des Kraftstoffzumesssystems äußerst zeit- und arbeitsaufwendig, da zunächst die einzelnen für die Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung notwendigen Bauteile an verschiedenen Stellen im Motorraum angeordnet und dann elektrisch bzw. hydraulisch miteinander verbunden werden müssen.
  • Aus der FR 2 775 319 A1 ist ein Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Hochdruckpumpe von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird. Der in dem Hochdruckbereich herrschende Einspritzdruck wird über die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors gesteuert bzw. geregelt. Wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten mechanisch angetriebenen Hochdruckpumpe sind bei dem hier offenbarten Kraftstoffzumesssystem jedoch ebenfalls die Hochdruckpumpe, der Drucksensor zum Erfassen des Einspritzdrucks und die elektronische Regeleinheit zur Regelung des Einspritzdrucks räumlich getrennt voneinander angeordnet.
  • Aus der EP 0 725 212 A2 ist ein Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Hochdruckpumpe ebenfalls von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird. Der in dem Hochdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems herrschende Einspritzdruck wird durch eine PID-Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors geregelt. Allerdings sind auch bei dem in dieser Druckschrift offenbarten Kraftstoffzumesssystem die Hochdruckpumpe, ein Drucksensor zum Erfassen des Einspritzdrucks und eine elektronische Regeleinheit zur Regelung des Einspritzdrucks räumlich getrennt voneinander angeordnet.
  • Aus der DE 195 39 885 A1 ist ein Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art bekannt, bei dem allerdings die Hochdruckpumpe mechanisch angetrieben wird und die zur Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung erforderlichen Bauteile getrennt voneinander angeordnet sind.
  • Aus der US 5,626,121 ist ein Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art mit einer mechanisch angetriebenen Hochdruckpumpe bekannt. Bei dem offenbarten Kraftstoffzumesssystem sind die Hochdruckpumpe und ein Steuerventil zur Hochdruckregelung, das in einem Rücklauf von einem Hochdruckspeicher in einen Kraftstoffvorratsbehälter zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich angeordnet ist, zu einem Hochdruckpumpen (HDP)-Modul zusammengefasst. Da die Hochdruckpumpe jedoch mechanisch angetrieben wird, muss das HDP-Modul nach wie vor im Bereich der Nockenwelle an die Brennkraftmaschine angeflanscht werden. Zudem umfasst das bekannte HDP-Modul nicht alle zur Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung erforderlichen Bauteile eines Kraftstoffzumesssystems. Ein Drucksensor und eine elektronische Regeleinheit sind nach wie vor als gesonderte Bauteile vorhanden, die räumlich getrennt von der Hochdruckpumpe angeordnet sind.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die Montage der zur Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung notwendigen Bauteile vereinfacht und die Positionierung der Bauteile im Bereich der Brennkraftmaschine flexibler wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art vor, dass das Kraftstoffzumesssystem mindestens einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb der oder jeder Hochdruckpumpe aufweist, wobei die oder jede Hochdruckpumpe als eine in einen Rotor des oder jeden Antriebsmotors integrierte Kolbenpumpe ausgebildet ist und die oder jede Hochdruckpumpe, der oder jeder elektrische Antriebsmotor, der Drucksensor und die elektronische Regeleinheit zu einem Hochdruckpumpen (HDP)-Modul zusammengefasst sind.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, alle zur Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung notwendigen Bauteile eines Kraftstoffzumesssystems in ein einziges HDP-Modul zu integrieren. Um das HDP-Modul an einer beliebigen Stelle im Bereich der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs anordnen zu können, erfolgt der Antrieb der Hochdruckpumpe unabhängig von der Nockenwelle. Vielmehr wird ein elektrischer Antriebsmotor in dem HDP-Modul vorgesehen, der die Hochdruckpumpe unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine antreibt. Dadurch kann selbst bei einem Kaltstart vor bzw. bereits unmittelbar nach dem Start ein gewünschter Einspritzdruck in dem Hochdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems zur Verfügung gestellt werden, was zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, der Abgasemissionen und der Geräuschentwicklung führt.
  • Das HDP-Modul des erfindungsgemäßen Kraftstoffzumesssystems weist lediglich zwei hydraulische Anschlüsse auf, einen ersten Anschluss an den Niederdruckbereich und einen zweiten Anschluss an den Hochdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems. Über die hydraulischen Anschlüsse kann das HDP-Modul auf einfache Weise in den Hydraulikkreislauf des übrigen Kraftstoffzumesssystems integriert werden. Die elektronische Regeleinheit wird über einen elektrischen Anschluss des HDP-Moduls, vorzugweise über eine Buchsen-/Steckerkombination, an die Spannungsversorgung, das Steuergerät der Brennkraftmaschine und an den Kabelbaum des Fahrzeugs angeschlossen.
  • Es ist denkbar, die Mengenregelung der Hochdruckpumpe allein durch die Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors auszuführen, so dass auf ein gesondertes aus dem Hochdruckspeicher abzweigendes Steuerventil (Mengensteuerventil oder Drucksteuerventil) verzichtet werden kann. Das erfindungsgemäße HDP-Modul ist als eine Einheit besonders einfach handhabbar und innerhalb kürzester Zeit an einem beliebigen Einbauort im Motorraum des Kraftfahrzeugs befestigt und in das übrige Kraftstoffzumesssystem elektrisch und hydraulisch integriert.
  • In der Regel wird das HDP-Modul nur eine Hochdruckpumpe und einen Antriebsmotor zum Antrieb der Hochdruckpumpe aufweisen. Die Hochdruckpumpe kann einen oder mehrere Pumpenkolben aufweisen. Bei Brennkraftmaschinen mit einem relativ großen Hubraum bzw. bei Brennkraftmaschinen mit beispielsweise 6 oder mehr Zylindern kann es jedoch sinnvoll sein, mehrere Hochdruckpumpen einzusetzen, um stets eine zuverlässige Kraftstoffversorgung sicherzustellen. Mehrere Hochdruckpumpen werden entweder einzeln oder zu mehreren von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben. Bei mehreren Hochdruckpumpen und/oder Antriebsmotoren in einem Kraftstoffzumesssystem können die Hochdruckpumpen und die entsprechenden Antriebsmotoren alle in einem HDP-Modul oder jeweils eine Hochdruckpumpe und ein Antriebsmotor in einem HDP-Modul angeordnet sein.
  • Durch die Integration einer als Kolbenpumpe ausgebildeten Hochdruckpumpe in den Rotor des Antriebsmotors benötigen die Hochdruckpumpe und der Antriebsmotor zusammen besonders wenig Bauraum. Da die Hochdruckpumpe und der Antriebsmotor in einem gemeinsamen nach außen abgedichteten Gehäuse untergebracht werden können, entfällt außerdem eine verschleißanfällige Wellenabdichtung nach außen einschließlich der damit verbundenen Leckagen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Mengensteuerventil (MSV) in dem HDP-Modul angeordnet ist, über das der Ausgang der mindestens einen Hochdruckpumpe mit ihrem Eingang in Verbindung steht. Das MSV ist also in einer Rücklaufleitung von dem Hochdruckbereich zu dem Niederdruckbereich des Kraftstoffzumesssystems angeordnet. Auch die Rücklaufleitung ist in das HDP-Modul integriert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. wird vorgeschlagen, dass an dem Ausgang der mindestens einen Hochdruckpumpe ein Rückschlagventil in dem HDP-Modul angeordnet ist. Die Rücklaufleitung mit dem darin angeordneten MSV zweigt zwischen der Hochdruckpumpe und dem Rückschlagventil aus dem Hochdruckbereich ab. Insbesondere wenn die Förderleistung der Hochdruckpumpe über die Drehzahl des Antriebsmotors allein nicht ausreichend dynamisch geregelt werden kann, bietet sich die Regelung des Einspritzdrucks über das zusätzlich in das HDP-Modul integrierte MSV mit nachgeschaltetem Rückschlagventil an. Das MSV verhindert, dass bspw. bei einem auslaufenden Antriebsmotor der Einspritzdruck in dem Hochdruckbereich weiter erhöht wird. Das MSV steuert den dann noch geförderten Kraftstoff-Volumenstrom über die Rücklaufleitung in den Niederdruckbereich zurück. Alternativ kann die Drehzahl des Antriebsmotors etwas höher als nötig gefahren werden, wobei der nicht in die Brennräume der 8rennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoff-Volumenstromanteil über das MSV in den Niederdruckbereich zurückströmen kann. Auf diese Weise kann auf eine starke Bedarfserhöhung durch Schließen des MSV besonders schnell reagiert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Hochdruckpumpe ein mit dem Rotor des mindestens einen Antriebsmotors drehfest verbundenes Betätigungselement mit mindestens einer Betätigungsfläche und mindestens einen Pumpenkolben aufweist, der mit einem Gehäuse des Antriebsmotors in Verbindung steht, wobei ein erstes Ende des mindestens einen Pumpenkolbens während einer Rotation des Rotors um eine Rotationsachse der Relativbewegung der Betätigungsfläche folgt und das zweite Ende des mindestens einen Pumpenkolbens einen Pumpenraum der Hochdruckpumpe begrenzt. Durch eine Rotation des Rotors des Antriebsmotors wird also der mindestens eine Pumpenkolben der Hochdruckpumpe in eine pumpende Bewegung versetzt.
  • Vorteilhafterweise ist die Betätigungsfläche als eine relativ zu der Rotationsachse des Rotors schräge Gleitfläche ausgebildet und der mindestens eine Pumpenkolben ist mit seiner Längsachse im wesentlichen parallel zu der Rotationsachse des Rotors angeordnet, wobei das erste Ende des Pumpenkolbens in einem Berührungspunkt auf der Gleitfläche aufliegt und der Berührungspunkt in einem Abstand zu dem Schnittpunkt zwischen der Rotationsachse des Rotors und der Gleitfläche liegt. Wenn die Längsachse des mindestens einen Pumpenkolbens parallel zu der Rotationsachse des Rotors verläuft, wird die Hochdruckpumpe als eine Axialkolbenpumpe bezeichnet. Die Hochdruckpumpe funktioniert jedoch auch, wenn die Längsachsen der Pumpenkolben relativ zu der Rotationsachse des Rotors schräg angeordnet sind. Das erste Ende des mindestens einen Pumpenkolbens wird bspw. mittels eines Federelements gegen die Gleitfläche gedrückt, so dass das erste Ende während einer Rotation des Rotors der Relativbewegung der Gleitfläche folgt und der mindestens eine Pumpenkolben in eine Pumpbewegung versetzt wird.
  • Es ist denkbar, durch eine besonders ausgestaltete Form der Gleitfläche, bei einer gleichmäßigen Rotationsbewegung des Rotors die Geschwindigkeit der Pumpbewegung des mindestens einen Pumpenkolbens zu beeinflussen. So wäre es bspw. denkbar, die Gleitfläche derart auszubilden, dass die Geschwindigkeit des mindestens einen Pumpenkolbens im oberen und im unteren Totpunkt verlangsamt wird und ihr Maximum zwischen oberem und unterem Totpunkt erreicht. Vorzugsweise ist die Gleitfläche jedoch eben ausgebildet.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass Kraftstaff aus dem Niederdruckbereich über ein Saugventil in den mindestens einen Pumpenraum gelangt. Der Kraftstoff aus dem mindestens einen Pumpenraum gelangt vorzugsweise über ein Druckventil in den Hochdruckbereich. Durch den Einsatz von Ventilen statt der üblichen Steuerkanten in der Hochdruckpumpe kann eventuell auftretende Kavitation vermieden werden.
  • Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Kraftstoffführung von dem Niederdruckbereich aus durch den Innenraum des Gehäuses des Antriebsmotors zu dem Pumpenraum der Hochdruckpumpe vorgesehen ist. Durch die Kraftstoffführung durch den Antriebsmotor hindurch wird dieser gekühlt, wodurch der Wirkungsgrad des Antriebsmotors ansteigt. Vorteilhafterweise führt die Kraftstoffführung den Kraftstoff von dem Niederdruckbereich aus zunächst durch die elektronische Regeleinheit hindurch, anschließend durch den Innenraum des Antriebsmotors, dann weiter die Hochdruckpumpe schließlich in den Pumpenraum. In der elektronischen Regeleinheit ist u.a. die Leistungselektronik integriert, die während des Betriebs besonders viel Abwärme entwickelt. Diese kann durch den daran vorbeigeleiteten Kraftstoff wirkungsvoll abgeführt werden.
  • Vorteilhafterweise ist ein gemeinsames druckfestes Gehäuse für den Antriebsmotor und die Hochdruckpumpe vorgesehen. Das gemeinsame druckfeste Gehäuse ist mit Kraftstoff gefüllt und steht unter dem von der Vorförderpumpe erzeugten Vordruck (EKP-Druck). Deshalb gibt es keine Medienvermischung durch Leckagen an dem Pumpenkolben.
  • Um die Gleitfähigkeit des ersten Endes des Pumpenkolbens auf der Gleitfläche zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass an dem ersten Ende des Pumpenkolbens ein Gleitschuh bewegbar befestigt ist, der bei einer Rotation des Rotors über die Gleitfläche gleitet. Der Gleitschuh kann bspw. über ein Kugelgelenk an dem ersten Ende des Pumpenkolbens befestigt sein, sodass er relativ zu dem Pumpenkolben beliebig drehbar und in alle Richtungen begrenzt kippbar ist. Die Gleitfläche kann aus einem besonders gleitfähigen Material bestehen oder mit einem solchen beschichtet sein. Denkbar ist bspw. eine dünne keramische Beschichtung der Gleitfläche. Der Gleitschuh besteht bspw. aus einem gegenüber Kraftstoff widerstandsfähigen Kunststoff oder einem beliebigen anderen Material. Die Fläche des Gleitschuhs, die auf der Gleitfläche gleitet, kann ebenfalls mit einem besonders gleitfähigen Material, bspw. einer dünnen keramischen Beschichtung, beschichtet sein.
  • Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einem Hochdruckpumpen (HDP)-Modul für ein Kraftstoffzumesssystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass in dem HDP-Modul der mindestens eine elektrische Antriebsmotor zum Antrieb der Hochdruckpumpe, die Hochdruckpumpe, der Drucksensor zum Erfassen eines in dem Hochdruckbereich herrschenden Einspritzdrucks und die elektronische Regeleinheit zur Regelung des Einspritzdrucks zusammengefasst sind, wobei die Hochdruckpumpe als eine in einen Rotor des Antriebsmotors integrierte Kolbenpumpe ausgebildet ist.
  • Zeichnungen
  • Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Kraftstaffzumesssystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffzumesssystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; und
  • 3 eine in den Rotor eines elektrischen Antriebsmotors integrierte Hochdruckpumpe eines Kraftstoffzumesssystems nach 1 oder 2.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Kraftstoff Direkteinspritzung für ein Kraftfahrzeug dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und mit dem Auslassventil 6 ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
  • Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragen ein Einspritzventil 9 und eine Zündkerze 10 in den Brennraum 4. Über das Einspritzventil 9 kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 10 kann ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Brennraum 4 entzündet werden.
  • Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoffs in dem Brennraum 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen wird und auf diese ein Drehmoment ausübt.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Kraftstoffzumesssystem 11 auf, durch das der über das Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoff zugeführt wird. Das Kraftstoffzumesssystem 11 weist einen Kraftstoffvorratsbehälter 12 auf, aus dem von einer als Elektrokraftstoffpumpe (EKP) ausgebildeten Vorförderpumpe 13 Kraftstoff in einen Niederdruckbereich ND des Kraftstoffzumesssystems 11 gefördert wird. Eine Hochdruckpumpe 14 fördert Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich ND in einen Hochdruckspeicher 16 in einem Hochdruckbereich HD. Die Hochdruckpumpe 14 ist als eine 1-Zylinder-Hochdruckpumpe mit zwei Rückschlagventilen, einem Saugventil 17a am Eingang der Hochdruckpumpe 14 und einem Druckventil 17b am Ausgang der Hochdruckpumpe 14, und einem Mengensteuerventil 18 ausgebildet. Durch das Mengensteuerventil 18 kann eine Rücklaufleitung 19 geöffnet bzw. geschlossen werden. Bei einer geöffneten Rücklaufleitung 19 wird der angesaugte Kraftstoff wieder in den Niederdruckkreislauf zurückgeschoben, anstatt in den Hochdruckkreislauf gefördert zu werden. Das Mengensteuerventil 18 wird mittels Steuersignalen T angesteuert. Alternativ kann die Hochdruckpumpe 14 auch als eine 3- oder mehr-Zylinder-Hochdruckpumpe mit einem Drucksteuerventil ausgebildet sein, das mittels eines anderen Ansteuersignals angesteuert wird.
  • Der Hochdruckspeicher 16 ist als eine Speicherleiste eines Common-Rail (CR)-Kraftstoffzumesssystems ausgebildet. Zwischen der Hochdruckpumpe 14 und dem Hochdruckspeicher 16 ist ein Drucksensor 24 angeordnet, der den in dem Hochdruckbereich HD herrschenden Einspritzdruck erfasst und ein entsprechendes Sensorsignal pr erzeugt. Aus dem Hochdruckspeicher 16 zweigen mehrere – im vorliegenden Fall vier – Einspritzventile 9 ab, über die Kraftstoff in die Brennräume 4 der Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt wird. Zum Einspritzen von Kraftstoff werden die Einspritzventile 9 mit einem entsprechenden Ansteuersignal ES angesteuert. Die Zündkerze 10 wird durch ein Ansteuersignal ZW angesteuert.
  • Um den Druck in dem Niederdruckbereich ND des Kraftstoffzumesssystems 11 auf einem vorgebbaren Wert zu halten, ist in dem Niederdruckbereich ND ein Niederdruckregler 20 angeordnet, über den Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich ND zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 12 fließen kann, falls der Druck in dem Niederdruckbereich ND einen vorgebbaren Druckwert übersteigt. Zwischen der Vorförderpumpe 13 und der Hochdruckpumpe 14 ist ein Kraftstofffilter 21 angeordnet.
  • Ein Steuergerät 22 der Brennkraftmaschine 1 ist von Eingangssignalen 23 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 oder andere Eingangsgrößen darstellen. Das Steuergerät 22 ist beispielsweise mit einem Luftmassensensor, einem Lambda-Sensor, einem Drehzahlsensor oder dem Drucksensor 24 verbunden. Das Steuergerät 22 erzeugt Ausgangssignale 25, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Das Steuergerät 22 ist beispielsweise mit dem Einspritzventil 9 (Ansteuersignal ES), der Zündkerze 10 (Ansteuersignal ZW), dem Mengensteuerventil 18 (Ansteuersignal T), dem Drucksteuerventil oder einer in dem Ansaugrohr 7 angeordneten Drosselklappe verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
  • Das Steuergerät 22 ist unter anderem dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Das Steuergerät 22 steuert bzw. regelt die von dem Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse und den Zündzeitpunkt des in dem Brennraum 4 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffemission. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 22 mit einem Mikroprozessor 26 versehen, der in einem Speicherelement, insbesondere in einem Flash-Memory 27, ein Computerprogramm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die genannte Steuerung bzw. Regelung durchzuführen.
  • Die Brennkraftmaschine 1 aus 1 kann in einer Vielzahl von Betriebsarten betrieben werden. So ist es beispielsweise möglich, die Brennkraftmaschine in einem Homogenbetrieb, einem Schichtbetrieb oder einem homogenen Magerbetrieb zu betreiben. Zwischen den genannten Betriebsarten der Brennkraftmaschine 1 kann umgeschaltet werden. Derartige Umschaltungen werden von dem Steuergerät 22 durchgeführt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffzumesssystem 11 sind alle zur Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung erforderlichen Bauteile in ein Hochdruckpumpen (HDP)-Modul 28 integriert. Das HDP-Modul 28 umfasst die Hochdruckpumpe 14, einen elektrischen Antriebsmotor 29 zum Antrieb der Hochdruckpumpe 14, den Drucksensor 24 zum Erfassen des Einspritzdrucks pr und eine elektronische Regeleinheit 30 zur Regelung des Einspritzdrucks prsoll oder einer anderen Ausgangsgröße. Sie sind Bestandteil der Ausgangsgrößen 25, die von dem Steuergerät 22 ermittelt werden. In Abhängigkeit von dem Soll-Wert prsoll und dem Ist-Wert pr für den Einspritzdruck ermittelt die Regeleinheit 30 das Ansteuersignal T für das Mengensteuerventil 18 und ein oder mehrere Ansteuersignale nHDP zu dem Antriebsmotor 29. Die elektronische Regeleinheit 30 umfasst auch eine Leistungselektronik über die das Mengensteuerventil 18 und der Antriebsmotor 29 direkt angesteuert werden.
  • In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffzumesssystems 11 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem HDP-Modul 28 kein Mengensteuerventil 18 vorgesehen. Der in dem Hochdruckbereich HD herrschende Einspritzdruck wird allein über die Drehzahl des elektrischen Antriebmotors 29 für die Hochdruckpumpe 14 gestellt.
  • In dem Ausführungsbeispiel aus 2 ist der elektrische Antriebsmotor 32 der als EKP ausgebildeten Vorförderpumpe 13 dargestellt. Der Antriebsmotor 32, die Vorförderpumpe 13 und der Filter 21 sind zu einem Tankmodul 31 zusammengefasst.
  • In 3 ist eine besonders kompakte Bauform einer elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpe 14 dargestellt, die sich insbesondere für den Einsatz in einem HDP-Modul 28 eignet. Die Hochdruckpumpe 14 ist dabei als eine in den Rotor 33 des Antriebmotors 29 integrierte Axialkolbenpumpe ausgebildet. Die Antriebs-Pumpen-Kombination 14, 29 ist in einem gemeinsamen druckdichten Gehäuse 34 angeordnet. An dem Gehäuse 34 befestigt ist der Stator 46 des Antriebmotors 29. Die Hochdruckpumpe 14 weist ein mit dem Rotor 33 des Antriebmotors 29 drehfest verbundenes Betätigungselement 35 auf. Um eine Rotationsachse 36 des Rotors 33 herum sind mit einem Winkelabstand von jeweils 120° zueinander drei Pumpenelemente einer 3-Zylinder-Axialkolbenpumpe ausgebildeten Hochdruckpumpe 14 angeordnet, von denen in 3 nur eines dargestellt ist. Die Pumpenelemente stehen mit dem Gehäuse 34 drehfest in Verbindung.
  • Ein erstes Ende 37a der Pumpenkolben 37 der Pumpenelemente folgt während einer Rotation des Rotors 33 um die Rotationsachse 36 der Relativbewegung einer relativ zu der Rotationsachse 36 geneigten Gleitfläche 38 des Betätigungselements 35, so dass die Pumpenkolben 37 durch eine Rotation des Betätigungselements 35 in eine axiale Pumpbewegung versetzt werden. Das erste Ende 37a der Pumpenkolben 37 wird bspw. mittels eines geeigneten Federelements (nicht dargestellt) in Richtung auf die Gleitfläche 38 gedrückt. Ein zweites Ende 37b der Pumpenkolben 37 begrenzt einen Pumpenraum 39 der Hochdruckpumpe 14.
  • Zwischen dem ersten Ende 37a der Pumpenkolben 37 und der Gleitfläche 38 des Betätigungselements 35 ist ein Gleitschuh 41 vorgesehen. Der Rotor 33 und das Betätigungselement 35 sind an einer gemeinsamen Welle 40 in dem Gehäuse 34 kugelgelagert.
  • Der Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich ND des Kraftstoffzumesssystems 11 durchströmt zunächst die elektronische Regeleinheit 30, die u.a. auch die Leistungselektronik umfasst. Über einen ersten Anschluss 42 gelangt der Kraftstoff dann in den Innenraum des Gehäuses 34. Der Kraftstoff durchströmt den gesamten Innenraum es Gehäuses 34 und gelangt über eine Zuführleitung 43 und das Saugventil 17a in die Pumpenräume 39 der Pumpenelemente der Hochdruckpumpe 14. Von dort aus gelangt der komprimierte Kraftstoff dann über eine Ablaufleitung 44 und das Druckventil 17b zu einem Anschluss 45, der an den Hochdruckbereich HD des Kraftstoffzumesssystems 11 angeschlossen ist. Die beschriebene Kraftstoffführung ermöglicht eine besonders wirkungsvolle Kühlung der in dem HDP-Modul 28 angeordneten Bauteile zur Hochdruckerzeugung und Hochdruckregelung durch den daran vorbeigeleiteten Kraftstoff.
    •

Claims (13)

  1. Kraftstoffzumesssystem (11) für eine Brennkraftmaschine (1), umfassend eine Vorförderpumpe (13), die Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter (12) in einen Niederdruckbereich (ND) des Kraftstoffzumesssystems (11) fördert, mindestens eine Hochdruckpumpe (14), die Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich (ND) in einen Hochdruckbereich (HD) fördert, in dem der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck (p_r) anliegt, mehrere Einspritzventile (9), die aus dem Hochdruckbereich (HD) abzweigen und über die Kraftstoff mit dem Einspritzdruck (p_r) in Brennräume (4) der Brennkraftmaschine (1) einspritzbar ist, einen Drucksensor (24) zum Erfassen des Einspritzdrucks (p_r) und eine elektronische Regeleinheit (30) zur Regelung des Einspritzdrucks (p_r), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzumesssystem (11) mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (29) zum Antrieb der oder jeder Hochdruckpumpe (14) aufweist, wobei die mindestens eine Hochdruckpumpe (14) als eine in einen Rotor (33) des oder jeden Antriebsmotors (29) integrierte Kolbenpumpe ausgebildet ist und die mindestens eine Hochdruckpumpe (14), der der mindestens eine elektrische Antriebsmotor (29), der Drucksensor (24) und die elektronische Regeleinheit (30) zu einem Hochdruckpumpen (HDP)-Modul (28) zusammengefasst sind.
  2. Kraftstoffzumesssystem (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mengensteuerventil (MSV) (18) in dem HDP-Modul (28) angeordnet ist, über das der Ausgang der mindestens einen Hochdruckpumpe (14) mit ihrem Eingang in Verbindung steht.
  3. Kraftstoffzumesssystem (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ausgang der mindestens einem Hochdruckpumpe (14) ein Rückschlagventil (17b) in dem HDP-Modul (28) angeordnet ist.
  4. Kraftstoffzumesssystem (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Hochdruckpumpe (14) ein mit dem Rotor (33) des mindestens einen Antriebsmotors (29) drehfest verbundenes Betätigungselement (35) mit mindestens einer Betätigungsfläche und mindestens einen Pumpenkolben (37) aufweist, der mit einem Gehäuse (34) des Antriebsmotors (29) in Verbindung steht, wobei ein erstes Ende (37a) des mindestens einen Pumpenkolbens (37) während einer Rotation des Rotors (33) um eine Rotationsachse (36) der Relativbewegung der Betätigungsfläche folgt und das zweite Ende (37b) des mindestens einen Pumpenkolbens (37) einen Pumpenraum (39) der mindestens einen Hochdruckpumpe (14) begrenzt.
  5. Kraftstoffzumesssystem (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsfläche als eine relativ zu der Rotationsachse (36) des Rotors (33) schräge Gleitfläche (38) ausgebildet ist und der mindestens eine Pumpenkolben (39) mit seiner Längsachse im wesentlichen parallel zu der Rotationsachse (36) des Rotors (33) angeordnet ist, wobei das erste Ende (37a) des Pumpenkolbens (37) in einem Berührungspunkt auf der Gleitfläche (38) aufliegt und der Berührungspunkt in einem Abstand zu dem Schnittpunkt zwischen der Rotationsachse (36) des Rotors (33) und der Gleitfläche (38) liegt.
  6. Kraftstoffzumesssystem (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (38) eben ist.
  7. Kraftstoffzumesssystem (11) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich (ND) über ein Saugventil (17a) in den mindestens Pumpenraum (39) gelangt.
  8. Kraftstoffzumesssystem (11) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 soweit er auch den Anspruch 3 rückbezogen ist, durch gekennzeichnet, dass Kraftstoff aus dem Pumpenraum (39) über das Rückschlagvenlit (17b) als Druckventil in den Hochdruckbereich (HD) gelangt.
  9. Kraftstoffzumesssystem (11) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffführung von dem Niederdruckbereich (ND) aus durch den Innenraum des Gehäuses (34) des Antriebsmotors (29) zu dem mindestens einen Pumpenraum (39) der Hochdruckpumpe (14) vorgesehen ist.
  10. Kraftstoffzumesssystem (11) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffführung den Kraftstoff von dem Niederdruckbereich (ND) aus zunächst durch die elektronische Regeleinheit (30) hindurch, anschließend durch den Innenraum des Antriebsmotors (29), dann weiter durch die Hochdruckpumpe (14) schließlich in den mindestens einen Pumpenraum (39) leitet.
  11. Kraftstoffzumesssystem (11) nach einem der Ansprüche 4. bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Antriebsmotor (29) und die Hochdruckpumpe (14) das Gehäuse das Antriebsmotors (29) als gemeinsames druckfestes Gehäuse (34) vorgesehen ist.
  12. Kraftstoffzumesssystem (11) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Ende (37a) des mindestens einen Pumpenkolbens (37) ein Gleitschuh (41) bewegbar befestigt ist, der bei einer Rotation des Rotors (33) über die Gleitfläche (38) gleitet.
  13. Hochdruckpumpen (HDP)-Modul (28) eines Kraftstoffzumesssystems (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem HDP-Modul (28) der mindestens eine elektrische Antriebsmotor (29) zum Antrieb der mindestens einen Hochdruckpumpe (14), die mindestens eine Hochdruckpumpe (14), der Drucksensor (24) zum Erfassen eines in dem Hochdruckbereich (HD) herrschenden Einspritzdrucks (p_r) und die elektronische Regeleinheit (30) zur Regelung des Einspritzdrucks (p_r) zusammengefasst sind, wobei die mindestens eine Hochdruckpumpe (14) als eine in einen Rotor (33) des mindestens einen Antriebsmotors (29) integrierte Kolbenpumpe ausgebildet ist.
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