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Vorrichtung und Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe - Dokument DE19619469C1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19619469C1 27.11.1997
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Birkner, Christian, 84085 Langquaid, DE;
Krüger, Hinrich, Dr., 93053 Regensburg, DE;
Wenzlawski, Klaus, Dr., 90429 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 14.05.1996
DE-Aktenzeichen 19619469
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse F02M 37/08
IPC-Nebenklasse F02M 37/06   
Zusammenfassung Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe, insbesondere für eine Common-Rail-Einspritzanlage, bei der die Kraftstoffpumpe beim Starten der Brennkraftmaschine und beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine von dem Anlasser der Brennkraftmaschine unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben wird, wobei ab einer vorgegebenen Drehzahldifferenz zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und der Kraftstoffpumpe die Kraftstoffpumpe von der Brennkraftmaschine angetrieben wird.

Beschreibung[de]

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

Kraftstoffpumpen werden bei Brennkraftmaschinen dazu verwendet, um den Kraftstoff einer Einspritzanlage zuzuführen, wobei die Kraftstoffpumpe dazu von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird und die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 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 vorgegebenen Druck steht.

Durch den Antrieb der Kraftstoffpumpe über die Kurbelwelle sind beim Anlassen der Brennkraftmaschine aufgrund der Kompressibilität des Kraftstoffes mehrere Motorumdrehungen notwendig, um den erforderlichen Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher aufzubauen. Zudem ist es bei einem Übergang von niedriger fast zu hoher Last nachteilig, daß die Kraftstoffpumpe relativ lange Zeit benötigt, um einen entsprechend hohen 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 Kraftstoffpumpe über ein elektrisches Antriebselement unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine anzutreiben. Dies erfordert jedoch ein zusätzliches elektrisches Antriebselement, das zusätzliche Kosten verursacht und zudem elektrische Energie zum Antreiben der Kraftstoffpumpe benötigt.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, eine einfache Vorrichtung und ein einfaches Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Kraftstoffpumpe zeitweise unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine anzutreiben, wobei zudem relativ 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 Brennkraftmaschine 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 Erfindung 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 Kraftstoffpumpe.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 13 mit einer 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 Kraftstoffpumpe 2 wird vorzugsweise direkt von dem Anlasser 1, der zum Starten der Brennkraftmaschine 13 verwendet wird, angetrieben. Anstelle des Anlassers 1 kann auch ein anderes elektrisches 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 integriert ist, ist über eine Tankleitung 16 mit einem Kraftstofftank 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 entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unter einem vorgegebenen Druck gespeichert ist. Der Druck wird von der Kraftstoffpumpe 2 in Abhängigkeit von der von der Kraftstoffpumpe 2 in den Hochdruckspeicher geförderten Kraftstoffmenge 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 Anlasser 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 zwischen 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 Umdrehungen pro Minute dreht.

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

Nach dem Starten der Brennkraftmaschine 13 dreht sich die Kurbelwelle 7 mit einer größeren Drehzahl als zweihundert Umdrehungen pro Minute, so daß sich der erste Freilauf 3 löst und die Kurbelwelle 7 mit einer Drehzahl läuft, die unabhängig von der Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 ist. Die Kraftstoffpumpe 2 läuft mit der vom Anlasser 1 vorgegebenen Drehzahl 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 Zahnrad 5, das dritte Zahnrad 8, das vierte Zahnrad 9, den zweiten Freilauf 4, das fünfte Zahnrad 10 und das sechste Zahnrad 11 antreibt.

Der zweite Freilauf 4 treibt ab einem vorgegebenen Drehzahlverhältnis 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 einer 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 Kurbelwelle 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 doppelt so schnell wie die Kraftstoffpumpe 2, so fällt die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 so lange ab, bis der zweite Freilauf 4 greift und die Kraftstoffpumpe 2 über das erste Zahnradpaar, 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 entsprechend 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 Einspritzanlage erreicht wird, indem der Anlasser 1 über die Steuereinheit 17 bestromt wird, wodurch der zweite Freilauf 4 gelöst wird und die Kraftstoffpumpe 2 mit der Drehzahl des Anlassers 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 vorliegenden Beispiel, die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 das zehnfache der Drehzahl der Kurbelwelle 7 erreichen, bevor der erste Freilauf 3 die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 2 begrenzt.

Die Ansteuerung der Kraftstoffpumpe 2 für einen Beschleunigungsvorgang durch den Anlasser 1 bietet den Vorteil, daß das Hubvolumen der Kraftstoffpumpe 2 nur entsprechend dem stationären Verbrauch des Einspritzsystems ausgelegt werden muß, da im stationären Betrieb die Kraftstoffpumpe über die Kurbelwelle 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 jedoch 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 Kraftstoffpumpe 2 antreibt. Der dritte Freilauf 12 kann bei einer einfachen Ausführung der Erfindung auch entfallen, so daß der Anlasser 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 Drehzahl 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 Zahnradpaares 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. eintausend Umdrehungen pro Minute und der Freilauf 3 die Kurbelwelle 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 Kurbelwellenumdrehung zur Verfügung. Nach dem Starten der Brennkraftmaschine 13 löst sich der Freilauf 3, so daß die Kurbelwelle 7 unabhängig von der Kraftstoffpumpe 2 und dem Anlasser 1 läuft. Die Kraftstoffpumpe 2 läuft so lange mit der Drehzahl 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 abhängig.

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 Betriebszustand greift dann der zweite Freilauf 4 und die Kraftstoffpumpe 2 wird von der Kurbelwelle 7 über das erste, das zweite, 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 dargestellt, ist der Anlasser 1 durch einen dritten Freilauf 12von 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 Übersetzungsverhältnis zwischen dem fünften Zahnrad 10 und dem elften Zahnrad 6 langsamer drehen als in der Anordnung nach Fig. 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Übersetzungsverhältnis vom fünften Zahnrad 10 zu dem sechsten Zahnrad 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 Hochdruckspeicher ist es bei einer Beschleunigung aus einer niedrigen Motordrehzahl heraus von Vorteil, die Kraftstoffpumpe 2 über den Anlasser 1 anzutreiben. Dazu wird über die Steuereinheit 17 der Anlasser 1 bestromt, so daß sich der zweite Freilauf 4 löst und die Kraftstoffpumpe 2 vom Anlasser 1 angetrieben 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 Kurbelwelle 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 2eine 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 Umdrehungen pro Minute reicht jedoch für einen schnellen Aufbau des Kraftstoffdruckes im Hochdruckspeicher aus.

In den Anordnungen der Fig. 1 und 2 sind als Übertragungsmittel 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 Abgasemmissionswerte ermöglicht werden.


Anspruch[de]
  1. 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. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebselement (1) der Anlasser der Brennkraftmaschine (13) vorgesehen ist.
  3. 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. 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. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente (6, 5, 8, 9, 10, 11) zwischen der Kurbelwelle (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. 6. Verfahren zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe (2) mit einem elektrischen Antriebselement (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffpumpe (2) nur bei vorgegebenen Betriebszuständen des Kraftfahrzeuges unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand einen Startvorgang oder einen Beschleunigungsvorgang der Brennkraftmaschine (13) darstellt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antreiben der Kraftstoffpumpe (2) der Anlasser (1) der Brennkraftmaschine (13) verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffpumpe (2) von der Brennkraftmaschine (13) angetrieben wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffpumpe (2) von der Kurbelwelle (7) der Brennkraftmaschine (13) angetrieben wird.






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