Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine

mit Direkteinspritzung

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Brennraum der

Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffhochdruckpumpe in Strömungsrichtung des Kraftstoffes aufeinander folgend folgendes aufweist, einen Niederdruckanschluss für einen Niederdruckkraftstoff zum Zuführen von Niederdruckkraftstoff an die

Kraftstoffhochdruckpumpe, eine Niederdrückkraftstoff-Vorlaufkammer, ein

Pumpenelement und einen Hochdruckanschluss zum Abführen von Kraftstoff aus der Kraftstoffhochdruckpumpe, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 10 2006 034 017 A1 ist eine Kraftstoffversorgungseinrichtung für Mehrstoff- Brennkraftmaschinen mit Zweitanklösung bekannt, bei der entsprechend dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine optimale Mischung eingestellt wird. Eine Dosier- und/oder Fördereinrichtung weist zumindest zwei voneinander getrennte

Pumpräume auf, welche Kraftstoff einer bestimmten Kraftstoffart jeweils separat im entsprechenden Pumpraum fördern. Stromab der Druckseiten der beiden Pumpräume ist eine Vermischung beider Kraftstoffarten vorgesehen, welcher dann im vermischten Zustand über eine anschließende Hochdruckpumpe im Druck erhöht und über ein Common-Rail verteilt entsprechenden Einspritzinjektoren der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Aus der DE 103 20 558 A1 ist eine Einspritzregelung eines

Kraftstoffdirekteinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail- Direkteinspritzsystems, bekannt, bei dem Flüssiggas (LPG) oder Ottokraftstoff wahlweise direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die beiden

Kraftstoffart Ottokraftstoff und LPG werden mittels eines einzigen, gemeinsamen

Einspritzsystems direkt in eine Brennkammer in einem Zylinderkopf der

Brennkraftmaschine eingespritzt. Hierbei ist es speziell bei LPG notwendig, durch Pumpen und Druckregelventile den Kraftstoff an jeder Stelle seines Weges vom Tank bis in die Brennkammer im Zylinderkopf so stark unter Druck zu setzen, dass er an jeder Stelle oberhalb der Dampfdruckkurve seines Bestandteiles Propan und damit flüssig bleibt. Ein zusätzliches Problem ist die kritische Temperatur von 96,8°C des

Autogasbestandteils Propan, deren Erreichung an irgendeiner Stelle im Motorraum, sei es in der Hochdruckpumpe oder in der Rail, den Stillstand des Motors zur Folge hätte. Bei dem Kraftstoffdirekteinspritzsystem wird ein Niederdruckkraftstoff (Ottokraftstoff) zu einem Eingang einer Hochdruckpumpe geführt. An der gleichen Stelle mündet eine Zuführungsleitung eines Mitteldruckkraftstoffes (LPG) ein. Ein Temperaturmessfühler misst an dieser Stelle die Kraftstofftemperatur. Der Messwert wird an eine Regeleinheit geleitet, welche bei Überschreiten einer aus der Dampfdruckkurve von Propan abgeleiteten Temperatur Magnetventile in der Zuleitung des Mitteldruckkraftstoffes schließt, die Pumpen für den Mitteldruckkraftstoff abschaltet, die

Niederdruckkraftstoffpumpen einschaltet und ein Magnetventil in der

Niederdruckkraftstoffleitung öffnet, so dass der Betrieb der Brennkraftmaschine auf den Niederdruckkraftstoff umgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffsystem für zwei in getrennten Vorratsbehältern gespeicherten Kraftstoffen mit Kraftstoffversorgung und

Kraftstoffumschaltung für direkteinspritzende Ottomotoren zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe eine Mitteldruckkraftstoff- Vorlaufkammer und einen Mitteldruckkraftstoffanschluss, welcher in die

Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer mündet, zum Zuführen von Mitteldruckkraftstoff an die Kraftstoffhochdruckpumpe aufweist, wobei ein Kraftstoff-Umschaltventil derart angeordnet und ausgebildet ist, dass das Kraftstoff-Umschaltventil wahlweise die Niederdruckkraftstoff-Vorlaufkammer oder die Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer fluidleitend mit dem Pumpenelement verbindet.

Dies hat den Vorteil, dass eine vereinfachte Umschaltung zwischen einem

Mitteldruckkraftstoff, wie beispielsweise LPG, und einem Niederdruckkraftstoff, wie beispielsweise Benzin oder Ottokraftstoff, die auf unterschiedlichen Druckniveaus arbeiten, zur Verfügung steht. Hierbei ist eine nur noch minimale Mischung beider Kraftstoffarten nach einer Umschaltung gewährleistet, da die Kraftstoffe direkt vor dem Hochdruckpumpenraum vorgewählt werden. Eine einfache und genau Mengensteuerung des von dem Hochdruckanschluss abgeführten Kraftstoffes erzielt man dadurch, dass zwischen dem Pumpenelement und dem Kraftstoff-Umschaltventil ein Mengensteuerventil angeordnet ist.

Ein Rückschlagventil am Niederdruckanschluss kann dadurch entfallen, dass ein eine Hochdruckseite des Pumpenelementes mit einer Niederdruckseite des

Pumpenelementes zwischen dem Mengensteuerventil und dem Kraftstoff-Umschaltventil verbindendes Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist.

Eine besonders effektive Zuführung von Kraftstoff erzielt man dadurch, dass der

Hochdruckanschluss zum fluidleitenden Verbinden mit einem Common-Rail der

Brennkraftmaschine ausgebildet ist.

Zum Herstellen eines kontinuierlichen Stromes von Mitteldruckkraftstoff durch die Kraftstoffhochdruckpumpe, so dass sich eine entsprechende Kühlwirkung ergibt, ist mindestens eine Rücklaufleitung für den Mitteldruckkraftstoff vorgesehen, die mit der Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer fluidleitend verbunden ist.

Eine universell für beide Kraftstoff arten verwendbare Rücklaufleitung stet dadurch zur Verfügung, dass mindestens eine Rücklaufleitung vorgesehen ist, die stromab des Kraftstoff-Umschaltventil und stromauf des Pumpenelementes abzweigt.

Ein unerwünschtes Verdampfen des Mitteldruckkraftstoffes aufgrund eines Druckabfalls ist dadurch verhindert, dass in der Rücklaufleitung ein hydraulischer Widerstand angeordnet ist, welcher derart angeordnet und ausgebildet ist, dass stromauf des Widerstandes ein vorbestimmter Druck für den Mitteldruckkraftstoff herrscht.

Zum Steuern des internen Rücklaufes ist in der Rücklaufleitung ein Abschaltventil (40) angeordnet.

Einen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe mit herkömmlichen, überall erhältlichen Kraftstoff erzielt man dadurch, dass der Niederdruckkraftstoff ein Kraftstoff ist, welcher bei einem Druck von 4 bis 6 bar flüssig ist, insbesondere Ottokraftstoff.

Einen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe mit besonders kostengünstigem Kraftstoff erzielt man dadurch, dass der Mitteldruckkraftstoff ein Kraftstoff ist, welcher bei einem Druck von 20 bis 30 bar flüssig ist, insbesondere Autogas oder LPG (Liquefied

Petroleum Gas).

Eine besonders funktionssichere und langlebige Kraftstoffhochdruckpumpe mit hohen Ausgangsdrücken bei gleichzeitig kostengünstiger Fertigung erzielt man dadurch, dass das Pumpenelement eine Kolbenpumpe ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform

einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer dritten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer fünften bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer sechsten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,

Fig. 7 eine beispielhafte mechanische Ausführungsform für die erste, dritte bzw.

fünfte bevorzugte Ausführungsform gemäß der Fig. 1 , 3 und 5 mit einem Rücklauf in einem Vorlaufvolumen in Vorderansicht,

Fig. 8 die beispielhafte mechanische Ausführungsform gemäß Fig. 7 in

Seitenansicht,

Fig. 9 die beispielhafte mechanische Ausführungsform gemäß Fig. 7 in einer Ansicht von oben bei abgenommenem Deckel, Fig. 10 eine beispielhafte mechanische Ausführungsform für die zweite, vierte bzw. sechste bevorzugte Ausführungsform gemäß der Fig. 2, 4 und 6 mit einem Rücklauf vor bzw. stromauf eines Mengensteuerventils,

Fig. 11 die beispielhafte mechanische Ausführungsform gemäß Fig. 10 in

Seitenansicht und

Fig. 12 die beispielhafte mechanische Ausführungsform gemäß Fig. 10 in einer

Ansicht von oben bei abgenommenem Deckel.

Die in Fig. 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 10 umfasst einen Niederdruckanschluss 12 der in eine Niederdruckkraftstoff-Vorlaufkammer 14 mündet und einen Mitteldruckanschluss 16, der in eine Mitteldruckkraftstoff- Vorlaufkammer 18 mündet. Hierdurch erfolgt eine getrennte Zuführung von Niederdruckkraftstoff und Mitteldruckkraftstoff an getrennte

Vorlaufkammern 14, 18 in der Kraftstoffhochdruckpumpe 10. Ein Kraftstoff- Umschaltventil 20 verbindet wahlweise die Niederdruckkraftstoff-Vorlaufkammer 14 oder die Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer 18 über ein Mengensteuerventil 22 mit einem Pumpenraum 24 eines Pumpenelementes 26. Das Pumpenelement 26 ist als

Kolbenpumpe ausgebildet. Eine Hochdruckseite 28 des Pumpenelementes 26 ist mit einem Hochdruckanschluss 28 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 fluidleitend verbunden. Pfeile 32 veranschaulichen eine Flussrichtung des jeweiligen Kraftstoffes.

Von der Mitteldruckkraftstoff- Vorlaufkammer 18 zweigt ein Rücklauf 34 für

Mitteldruckkraftstoff ab. Dieser Rücklauf 34 weist ein hydraulisches Widerstandselement 36 auf. Hierdurch ist ein kontinuierlicher Volumenstrom des Mitteldruckkraftstoffes zum Kühlen der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 gewährleistet.

Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Kraftstoffhochdruckpumpe 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 , bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 zweigt die Rücklaufleitung 34 nicht von der Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer 18 sondern stromab des Kraftstoff-Ümschaltventils und stromauf des Mengensteuerventils 22 ab. Hierdurch kann diese Rücklaufleitung 34 wahlweise sowohl für den Rücklauf von Mitteldruckkraftstoff als auch für den Rücklauf von Niederdruckkraftstoff verwendet werden. Fig. 3 bzw. 4 zeigen eine dritte bzw. vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 bzw. Fig. 2 verwiesen wird. Im

Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bzw. zur zweiten

Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein zusätzliches Druckbegrenzungsventil 38 vorgesehen, welches eine Hochdruckseite 28 des Pumpenelementes 26 mit einer Niederdruckseite des Pumpenelementes 26 zwischen dem Mengensteuerventil 22 und dem Kraftstoff-Umschaltventil 20 fluidleitend verbindet. In dem Niederdruckanschluss 12 ist das Rückschlagventil hierdurch entbehrlich und in Fig. 3 bzw. Fig. 4

dementsprechend nicht mehr enthalten.

Fig. 5 bzw. 6 zeigen eine fünfte bzw. sechste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 bzw. Fig. 2 verwiesen wird. Im

Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 bzw. zur zweiten

Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein zusätzliches Abschaltventil 40 im Rücklaufleitung 34 für Mitteldruckkraftstoff vorgesehen. Optional ist dies auch mit der jeweiligen dritten bzw. vierten Ausführungsform gemäß der Fig. 3 und 4 kombiniert.

Auch bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 1 , 2, 5 und 6 kann vorgesehen sein, dass das Rückschlagventil in dem Niederdruckanschluss 12

weggelassen ist. Bei allen zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 1 bis 6 kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass das Rückschlagventil in dem Mitteldruckanschluss 16 weggelassen ist.

In einer weiteren, nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können auch zwei oder mehr Rücklaufleitungen 34 vorgesehen sein, die, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, abzweigen, so dass die beiden Ausführungsformen gemäß der Fig. 1 und 2 miteinander kombiniert sind.

Der Niederdruckkraftstoff ist beispielsweise Benzin bzw. Ottokraftstoff bei einem niedrigen Druck von ca. 4 bar bis 6 bar und der Mitteldruckkraftstoff ist beispielsweise Autogas oder LPG bei einem mittleren Druck von ca. 20 bar bis 30 bar. Im Grenzfall können sich die Druckbereiche für den Mitteldruckkraftstoff und den Niederdruckkraftstoff überlappen, so dass ggf. beide bei gleichem Vorlaufdruck der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 über die Anschlüsse 12, 16 zugeführt werden. Mit anderen Worten herrscht dann in den Vorlaufkammern 14, 18 ein identischer Vorlaufdruck. Die beiden Kraftstoffsorten sind in getrennten Vorratsbehältern angeordnet und werden getrennt, also nicht gemischt, der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zugeführt.

In die zwei voneinander getrennten und beispielsweise von einem Deckel (nicht dargestellt) abgedichteten Kraftstoff-Vorlaufkammern 14, 18 strömen über den

Niederdruckanschluss 12 und den Mitteldruckanschluss 16 die beiden Kraftstoffsorten mit Vorlaufdruck. Die Kraftstoffsorten können dabei zwei gleiche sowie zwei

unterschiedliche Druckniveaus aufweisen. Letzteres ist beispielsweise für die

Kombination von Ottokraftstoff als Niederdruckkraftstoff und LPG als Mitteldruckkraftstoff der Fall. Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist die Mitteldruckkraftstoff- Vorlaufkammer 18 für LPG den Rücklauf 34 mit hydraulischem Widerstand 36 auf, so dass bei LPG ein kontinuierlicher Volumenstrom unabhängig von der Stellung des Kraftstoff-Umschaltventils 20 und der von der Brennkraftmaschine abgenommenen Kraftstoffmenge strömt, der zur Kühlung der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 und damit zur Vermeidung von unerwünschten Dampfblasen im LPG dient. Der hydraulische

Widerstand 36 ist derart ausgebildet, dass im Vorlauf bzw. der Vorlaufkammer 18 immer ein ausreichender Druck (beispielsweise 20 bar 30 bar je nach Tankdruck) vorherrscht. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird ggf. der Druck in beiden

Vorlaufkammern 14, 18 aufrecht erhalten. Beide Vorlaufkammern 14, 18 weisen

Steigbohrungen zum Mengensteuerventil (MSV) 22 auf. Das Kraftstoff-Umschaltventil 20 verschließt wahlweise die Steigbohrung der einen oder der anderen Kammer 14, 18 zum MSV 22. Der so vorgewählte Kraftstoff strömt nun in Abhängigkeit von der Stellung des MSV 22 in den Hochdruckpumpenraum 24 und wird dort auf das gewünschte

Hochdruckniveau gebracht und dann über den Hochdruckanschluss 30 einem

Kraftstoffrail (nicht dargestellt) der direkt einspritzenden Brennkraftmaschine zugeführt. Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, dass das Volumen zwischen dem Kraftstoff- Umschaltventil 20 und dem Eintritt zum Hochdruckpumpenraum 24 sehr gering ist. Damit kann der Druckunterschied zwischen den Kraftstoffsorten beim Umschalten von der einen zu anderen Kraftstoffsorte mit einem einzigen "Pumpenhub" des

Pumpenelementes 26 abgebaut werden.

Die Erfindung stellt eine direkte Vorwahl der Kraftstoffsorte in der

Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zur Verfügung. Hierdurch kann auf eine der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 vorgelagerte Umschalteinheit verzichtet werden. Eine minimal mögliche Mischung beider Kraftstoffsorten ist nur noch im Rail vorhanden, da die Kraftstoffe direkt vor dem Hochdruckpumpenraum 24 vorgewählt werden.

In den Fig. 7 bis 9 ist eine beispielhafte mechanische Ausführungsform einer

Kraftstoffhochdruckpumpe für die erste, dritte bzw. fünfte bevorzugte Ausführungsform gemäß der Fig. 1 , 3 und 5 dargestellt, wobei der Rücklauf 34 an der Mitteldruckkraftstoff- Vorlaufkammer 18 (Vorlaufvolumen 2) angeordnet ist. Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 , 3 und 5 bezeichnet, so dass zu deren

Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 , 3 und 5 verwiesen wird. Die mechanische Ausführungsform gemäß der Fig. 7 bis 9 weist ein Pumpengehäuse 42 und einen Deckel 44 auf. Wie insbesondere aus Fig. 9 erkennbar, ist der Rücklauf 34 über eine zentrale Öffnung 46 im Deckel 44 mit der Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer 18 (Vorlaufvolumen 2) fluidleitend verbunden.

In den Fig. 10 bis 12 ist eine beispielhafte mechanische Ausführungsform einer

Kraftstoffhochdruckpumpe für die zweite, vierte bzw. sechste bevorzugte

Ausführungsform gemäß der Fig. 2, 4 und 6 dargestellt, wobei der Rücklauf 34 vor bzw. stromauf das Mengensteuerventils 22 angeordnet ist. Funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 2, 4 und 6 bezeichnet, so dass zu deren

Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 2, 4 und 6 verwiesen wird. Die mechanische Ausführungsform gemäß der Fig. 10 bis 12 weist ein Pumpengehäuse 42 und einen Deckel 44 auf.

Bei den beiden oben erläuterten mechanischen Ausführungsbeispielsen der Fig. 7 bis 12 ist die Trennung der beiden Vorlaufkammern lediglich beipsielhaft. Es ist auch ein System mit zwei an ein Umschaltventil angeschlossenen, separaten

Vorlaufkammern/Dämpfereinheiten möglich. Bezugszeichenliste

Kraftstoffhochdnjckpumpe

Niederdruckanschluss

Niederdruckkraftstoff-Vorlaufkammer

Mitteldruckanschluss

Mitteldruckkraftstoff-Vorlaufkammer

Kraftstoff-Umschaltventil

Mengensteuerventil

Pumpenraum

Pumpenelement

Hochdruckseite

Hochdruckanschluss

Pfeile

Rücklauf

hydraulisches Widerstandselement

Druckbegrenzungsventil

Abschaltventil

Pumpengehäuse

Deckel

zentrale Öffnung im Deckel 44