Titel:

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich insbesondere um Erdgas G, Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftma schine in flüssiger Form G.Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausge legten Tank bevorratet wird.

Stand der Technik

Aus der EP 2 541 062 Al ist eine Kolbenpumpe für kryogene Kraftstoffe, insbesondere für Erdgas, mit einem hin und her beweglichen Pumpenkolben bekannt. Der Pumpen kolben begrenzt einen Pumpenarbeitsraum, der mit flüssigem Erdgas befüllbar ist, so dass im Pumpenarbeitsraum vorhandenes flüssiges Erdgas über eine Hubbewegung des Pumpenkolbens mit Hochdruck beaufschlagbar ist. Andernends begrenzt der Pumpenkolben einen Antriebsraum, der mit einem hydraulischen Druckmittel befüllbar ist, um den Pumpenkolben in einer Hubbewegung anzutreiben. Alternativ wird ein elektrischer, pneumatischer oder mechanischer Antrieb vorgeschlagen.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraft stoffe mit einer als Kolbenpumpe ausgeführten Kraftstoffhochdruckpumpe anzugeben, die hydraulisch antreibbar ist und eine gesteigerte Dynamik besitzt. Zur Lösung der Aufgabe wird die Kraftstofffördereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe umfasst eine Kolbenpumpe zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck. Die Kolben pumpe weist einen hin und her beweglichen Pumpenkolben auf, der einerseits einen Kompressionsraum und andererseits einen mit einem hydraulischen Druckmittel be aufschlagbaren Antriebsraum begrenzt. Erfindungsgemäß ist in die Kolbenpumpe min destens eine ein Hauptstromventil und ein Pilotventil umfassende Ventilanordnung in tegriert, mittels welcher der Antriebsraum mit einer Hochdruckleitung und/oder einer Niederdruckleitung für ein hydraulisches Druckmittel verbindbar ist.

Sofern nur eine Ventilanordnung vorgesehen ist, kann diese zur Druckbeaufschlagung oder zur Entlastung des Antriebsraums eingesetzt werden. Bei einer Druckbeaufschla gung des Antriebsraums bewegt sich der Pumpenkolben in Richtung des Kompressi onsraums, so dass der Pumpenkolben einen Arbeitshub ausführt. Bei einer Entlastung des Antriebsraums, wird hydraulisches Druckmittel aus dem Antriebsraum abgeführt, so dass der Pumpenkolben in seine Ausgangsstellung zurückgestellt werden kann. Bevorzugt sind eine erste Ventilanordnung zur Druckbeaufschlagung und eine zweite Ventilanordnung zur Entlastung des Antriebsraums vorgesehen. Da jede Ventilanord nung über ein Hauptstromventil und ein Pilotventil verfügt, sind beide Ventilanordnun gen getrennt ansteuerbar.

Mit der vorgeschlagenen Ventilanordnung bzw. den vorgeschlagenen Ventilanordnun gen lässt sich ein hoher Durchfluss bei geringem Druckabfall am Hauptstromventil rea lisieren. Gleichzeitig lassen sich sehr geringe Schaltzeiten erreichen, so dass der An triebsraum schnell befüllt und/oder entleert werden kann. Somit können hohe Pumpen frequenzen erzielt werden, so dass die Dynamik der Kolbenpumpe steigt.

Da jedem Hauptstromventil ein Pilotventil zugeordnet ist, können Arbeitshub und Saughub des Pumpenkolbens getrennt voneinander geschaltet werden. Ferner können Teilhübe des Pumpenkolbens realisiert werden, die eine bedarfsgerechte Fördermen genanpassung ermöglichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Hauptstromventil ein hydraulisch betätigbares 2/2-Wegeventil. Auf diese Weise kann die Robustheit der Ventilanordnung gesteigert werden. Zudem ermöglicht das 2/2-Wegeventil eine kom pakte Bauweise. Das 2/2-Wegeventil umfasst vorzugsweise einen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden, hin- und herbeweglichen Ventilkolben, dessen Hin- und Herbe wegung hydraulisch gesteuert wird.

Das Pilotventil der Ventilanordnung ist vorzugsweise ein elektrisch betätigbares 2/2- Wegeventil, mittels dessen der Steuerdruck in einem Steuerraum veränderbar ist, der vorzugsweise von dem Ventilkolben des Hauptstromventils begrenzt wird. Auf den Ventilkolben lastet somit der Steuerdruck im Steuerraum, der in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Pilotventils veränderbar ist.

In einer ersten Schaltstellung, in der das Pilotventil geöffnet ist, ist vorzugsweise der Steuerraum über eine Ablaufdrossel an die Niederdruckleitung angeschlossen, so dass hydraulisches Druckmittel aus dem Steuerraum in die Niederdruckleitung abströmt und der Steuerdruck im Steuerraum sinkt. Dies ermöglicht es dem Ventilkolben des Haupt stromventils zu öffnen. Über das geöffnete Hauptstromventil wird dann - je nach Funk tion des Hauptstromventils - eine Druckbeaufschlagung oder Entlastung des Antriebs raums der Kolbenpumpe bewirkt.

In einer zweiten Schaltstellung, in der das Pilotventil geschlossen ist, ist vorzugsweise der Steuerraum über eine Zulaufdrossel an die Hochdruckleitung angeschlossen, so dass hydraulisches Druckmittel in den Steuerraum strömt und der Steuerdruck im Steuerraum wieder angehoben wird. Dies hat zur Folge, dass der Ventilkolben des Hauptventils in den Ventilsitz zurückgestellt wird und das Hauptstromventil schließt.

Zum Schalten des Pilotventils ist nur ein geringer Schaltstrom erforderlich, so dass die Energieeffizienz gesteigert wird, was sich zudem kostensenkend auswirkt. Ferner kön nen aus der Injektortechnik bekannte Magnetventile als Pilotventile eingesetzt werden, die bereits in großen Stückzahlen hergestellt werden und damit besonders kosten- günstig sind. Derartige Magnetventile zeichnen sich zudem durch eine hohe Robust heit aus.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kolbenpumpe über die Hochdruckleitung mit der Druckseite einer Hydraulikpumpe verbunden ist. Über die Hydraulikpumpe kann der erforderliche Druck in der Hochdruckleitung aufgebaut wer den. Die Hydraulikpumpe kann beispielsweise ebenfalls als Kolbenpumpe ausgeführt sein. Der Antrieb der Hydraulikpumpe kann in diesem Fall über eine Nockenwelle er folgen, die mit der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Anstelle eines Nockentriebs kann auch ein Kurbeltrieb zum Antreiben der Hydraulikpumpe verwendet werden.

Das hydraulische Druckmittel kann beispielsweise ein Öl, insbesondere ein Motoröl sein. Das hydraulische Druckmittel kann somit zugleich als Schmiermittel eingesetzt werden.

Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass in der Hochdrucklei tung ein Zwischenspeicher angeordnet ist. Die Hydraulikpumpe fördert somit in den Zwischenspeicher. Auf diese Weise kann bei zyklisch fördernder Hydraulikpumpe und/oder zyklisch abnehmender Ventilanordnung ein Druckeinbruch in der Hochdruck leitung verhindert werden.

Weiterhin bevorzugt ist die Kolbenpumpe über die Niederdruckleitung mit einer Rück laufleitung und/oder einem Tank zur Bevorratung des hydraulischen Druckmittels ver bunden. Das hydraulische Druckmittel kann auf diese Weise direkt oder indirekt über die Rücklaufleitung in den Tank zurückgeführt werden, so dass ein Kreislauf entsteht. Über die Rücklaufleitung kann zugleich eine Leckagemenge der Kolbenpumpe in den Tank zurückgeführt werden.

Vorteilhafterweise ist der Pumpenkolben mehrteilig ausgeführt. Insbesondere kann der Pumpenkolben einen Antriebskolben zur Begrenzung des Antriebsraums umfassen, wobei vorzugsweise der Antriebskolben einen größeren Außendurchmesser als der ei gentliche Pumpenkolben aufweist. Auf diese Weise kann die auf den Pumpenkolben wirkende hydraulische Druckkraft erhöht werden. Die mehrteilige Ausführung des Pumpenkolbens erleichtert in diesem Fall die Montage der Kolbenpumpe. Um den Pumpenkolben nach einem Arbeitshub in seine Ausgangslage zurückzustel len, kann der Pumpenkolben von der Federkraft einer Rückstellfeder beaufschlagt sein. Die mechanische Rückstellung des Pumpenkolbens mittels einer Feder kann beson ders einfach und kostengünstig realisiert werden. Beispielsweise kann eine Schrau bendruckfeder verwendet werden, die einen Pumpenkolbenabschnitt umgibt und sich am Antriebskolben abstützt.

Alternativ kann die Rückstellung des Pumpenkolbens hydraulisch bewirkt werden. In diesem Fall weist vorzugsweise der Pumpenkolben eine dem Antriebsraum abgewand te hydraulisch wirksame Fläche auf, die zur Rückstellung des Pumpenkolbens mit ei ner hydraulischen Druckkraft beaufschlagbar ist. Die hydraulisch wirksame Fläche des Pumpenkolbens kann beispielsweise am Antriebskolben des Pumpenkolbens ausge bildet sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraft stofffördereinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich des Antriebs der Kolben pumpe.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung dient der Versorgung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs mit einem kryogenen Kraftstoff, wobei es sich insbesondere um Erdgas handeln kann. Die Kraftstofffördereinrichtung umfasst eine Kolbenpumpe 1, mittels welcher der Kraft stoff auf Hochdruck gefördert wird. Die Kolbenpumpe 1 weist einen hin- und herbeweg lichen Pumpenkolben 2 auf, der einen Kompressionsraum 3 begrenzt, in dem der Kraftstoff verdichtet wird. Über einen Zulauf 21 und ein Einlassventil 22 ist der Kom- pressionsraum 3 mit Kraftstoff befüllbar. Nach dem Verdichten wird der Kraftstoff über ein Auslassventil 23 einem Hochdruckabgang 24 zugeführt.

Der Pumpenkolben 2 der Kolbenpumpe 1 begrenzt andernends einen Antriebsraum 4, der über eine erste Ventilanordnung A mit einer Hochdruckleitung 7 und über eine zweite Ventilanordnung B mit einer Niederdruckleitung 8 verbindbar ist. Ist eine Verbin dung mit der Hochdruckleitung 7 hergestellt, wird der Antriebsraum 4 mit Hochdruck beaufschlagt, so dass auf den Pumpenkolben 2 eine hydraulische Druckkraft wirkt, die den Pumpenkolben 2 in Richtung des Kompressionsraums 3 bewegt. Der Pumpenkol ben 2 führt einen Arbeitshub aus. Die Rückstellung des Pumpenkolbens 2 wird vorlie gend mittels einer Rückstellfeder 19 bewirkt. Die Rückstellung erfolgt, wenn der An triebsraum 4 über die zweite Ventilanordnung B mit der Niederdruckleitung 8 verbun den ist, so dass der Antriebsraum 4 entlastet wird.

Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, umfassen beide Ventilanordnungen A, B jeweils ein Hauptstromventil 5.1, 5.2 und ein Pilotventil 6.1, 6.2. Beide Hauptstrom ventile 5.1, 5.2 sind jeweils als hydraulisch betätigbares 2/2-Wegeventil ausgeführt, das einen mit einem Ventilsitz 9.1, 9.2 zusammenwirkenden, hin- und herbeweglichen Ven tilkolben 10.1, 10.2 aufweist. Die Ventilkolben 10.1, 10.2 der beiden Hauptstromventi le 5.1, 5.2 begrenzen jeweils einen Steuerraum 11.1, 11.2, in dem ein Steuerdruck herrscht, der mittels des zugehörigen Pilotventils 6.1, 6.2 veränderbar ist. Bei geöffne tem Pilotventil 6.1, 6.2 ist über eine Ablaufdrossel 12.1, 12.2 eine Verbindung des Steuerraums 11.1, 11.2 mit der Niederdruckleitung 8 hergestellt, so dass der Steuer druck im Steuerraum 11.1, 11.2 sinkt und das Hauptstromventil 5.1, 5.2 öffnet. Bei ge öffnetem Hauptstromventil 5.1 der ersten Ventilanordnung A wird der Antriebsraum 4 mit Hochdruck beaufschlagt, so dass der Pumpenkolben 2 einen Arbeitshub ausführt. Bei geöffnetem Hauptstromventil 5.2 der zweiten Ventilanordnung B wird der Antriebs raum 4 entlastet, so dass die Rückstellfeder 19 den Pumpenkolben 2 in seine Aus gangsstellung zurückzustellen vermag. Es versteht sich von selbst, dass die beiden Ventilanordnungen A, B nicht zeitgleich betätigt werden, sondern zeitlich versetzt zuei nander, wobei die beiden Pilotventile 6.1, 6.2 ein separates Schalten ermöglichen.

Um den Steuerdruck in einem der Steuerräume 11.1, 11.2 wieder anzuheben, wird das jeweilige Pilotventil 6.1, 6.2 wieder geschlossen. Über eine Zulaufdrossel 13.1, 13.2, welche den Steuerraum 11.1, 11.2 mit der Hochdruckleitung 7 verbindet, wird dann der Steuerraum 11.1, 11.2 mit dem hydraulischen Druckmittel befüllt, so dass der Steuer druck wieder ansteigt und das Hauptstromventil 5.1, 5.2 schließt. Wie insbesondere der Figur 1 zu entnehmen ist, weist die dargestellte Kraftstoffförder einrichtung neben der Kolbenpumpe 1 eine weitere Pumpe auf. Hierbei handelt es sich um eine Hydraulikpumpe 14, mittels welcher der Kolbenpumpe 1 das hydraulische Druckmittel zuführbar ist. Zur Bevorratung des hydraulischen Druckmittels ist ein Tank 17 vorgesehen, aus dem das hydraulische Druckmittel mittels der Hydraulikpum- pe 14 angesaugt und zunächst einem Zwischenspeicher 15 zugeführt wird, der in der

Hochdruckleitung 7 angeordnet ist. Die Rückführung des hydraulischen Druckmittels in den Tank 17 erfolgt über eine Rücklaufleitung 16, in welche die Niederdruckleitung 8 mündet. Auf diese Weise wird ein separater Hydraulikkreislauf geschaffen. Gemäß einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Kraftstofffördereinrichtung erfolgt die Rückstellung des Pumpenkolbens 2 ebenfalls hydraulisch. Eine Rückstellfeder 19 ist in diesem Fall entbehrlich. Ein Raum 25, der von einer hydraulisch wirksamen Fläche 20 des Pumpenkolbens 2 begrenzt wird, die an einem Antriebskolben 18 des Pumpenkolbens 2 ausgebildet ist, wird hierzu mit ei- nem hydraulischen Druckmittel beaufschlagt.