DE10061621A1

DE10061621A1 - Kraftstoffhochdruckpumpe mit integrierter Überdrucksicherung

Info

Publication number: DE10061621A1
Application number: DE2000161621
Authority: DE
Inventors: Andreas Roth; Thomas Frenz; Matthias Kuesell
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2002-06-27

Abstract

Es wird eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit integrierter Überdrucksicherung vorgeschlagen. Dadurch kann auf ein Überdruckventil im Hochdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe ist vor allem zum Einsatz in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung geeignet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einer Zylinderbohrung oszillierenden Kolben, wobei der Kolben Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung in einen Förderraum ansaugt und anschließend in eine Hochdruckleitung fördert, mit einem Förderraum und Niederdruckleitung verbindenden, nach außen öffnenden Mengensteuerventil und mit einem parallel zu dem Mengensteuerventil zwischen Niederdruckleitung und Förderraum angeordneten separaten Saugventil, wobei das Mengensteuerventil ein Ventilglied und eine Betätigungseinrichtung aufweist, die das Ventilglied in geschlossenem Zustand des Mengensteuerventils gegen einen Ventilsitz presst.

Bei einer solchen, aus der DE 198 34 120 bekannten Kraftstoffhochdruckpumpe ist aus Sicherheitsgründen im Hochdruckbereich ein Überdruckventil erforderlich. Das Überdruckventil soll unter allen Umständen verhindern, dass Bauteile des Kraftstoffeinspritzsystems mit unzulässig hohen Drücken beaufschlagt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen, bei der gewährleistet ist, dass unter keinen Umständen unzulässig hohe Drücke im Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage auftreten können und die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einer Zylinderbohrung oszillierenden Kolben, wobei der Kolben Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung in einen Förderraum ansaugt und anschließend in eine Hochdruckleitung fördert, mit einem Förderraum und Niederdruckleitung verbindenden, nach außen öffnenden Mengensteuerventil und mit einem parallel zu dem Mengensteuerventil zwischen Niederdruckleitung und Förderraum angeordneten separaten Saugventil, wobei das Mengensteuerventil ein Ventilglied und eine Betätigungseinrichtung aufweist, die das Ventilglied im geschlossenen Zustand des Mengensteuerventils gegen ein Ventilsitz presst und wobei die resultierende Schließkraft des Mengensteuerventils auf eine maximale Schließkraft begrenzt ist.

Vorteile der Erfindung

Durch die Begrenzung der Schließkraft des Mengensteuerventils auf eine maximale Schließkraft wird erreicht, dass beim Überschreiten eines zulässigen Drucks im Förderraum bzw. in der an dem Förderraum anschließenden Hochdruckleitung die Druckkraft des Kraftstoffs auf das Ventilglied die resultierende Schließkraft überwindet und somit das Ventilglied geöffnet wird. Wenn das Mengensteuerventil geöffnet ist, kann Kraftstoff aus dem Förderraum in die Niederdruckleitung abfließen, so dass ein Druckabbau im Förderraum und in der Hochdruckleitung stattfindet. Das erfindungsgemäße Mengensteuerventil hat somit zusätzlich die Funktion eines Überdruckventils, so dass ein separates Überdruckventil entfallen kann. Dadurch werden Herstellungs- und Montagekosten sowie Bauraum eingespart.

Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Betätigungseinrichtung in Richtung der Öffnungsbewegung des Ventilglieds verschiebbar ist, und dass die Betätigungseinrichtung mit der maximalen Schließkraft F_max in Richtung der Schließbewegung des Ventilglieds gedrückt wird, so dass, wenn der zulässige Höchstdruck im Förderraum überschritten wird, die Betätigungseinrichtung über das Ventilglied in Öffnungsrichtung des Ventilglieds verschoben wird und somit das Ventilglied vom Ventilsitz abhebt. Bei dieser Variante sind die Schließkraft der Betätigungseinrichtung und die Begrenzung der resultierenden Schließkraft des Mengensteuerventils auf eine maximale Schließkraft voneinander entkoppelt, so dass die Funktion des Mengensteuerventils als Überdrucksicherung unabhängig von der ordnungsgemäßen Funktion des Betätigungsglieds ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Betätigungseinrichtung von einem Federelement oder mindestens einer Tellerfeder, in Richtung der Schließbewegung des Ventilglieds gedrückt wird, so dass die Schließkraft mit ausreichender Genauigkeit und bei geringem Platzbedarf begrenzt wird. Außerdem ist durch die Verwendung eines Federelements die Anpassung an verschiedene zulässige Höchstdrücke einfach möglich. Vorteilhaft an der Verwendung eines Federelements ist außerdem, dass die Überdrucksicherung auch bei einem Ausfall der elektrischen Stromversorgung der Kraftstoffhochdruckpumpe in vollem Umfang gewährleistet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Betätigungseinrichtung einen Elektromagnet, der eine Schließkraft auf einen fest mit dem Ventilglied verbundenen Tauchanker oder einen einstückig mit dem Ventilglied ausgebildeten Tauchanker ausüben kann, wobei die vom Elektromagnet auf den Tauchanker übertragbare Schließkraft begrenzt ist. Die Schließkraftbegrenzung kann dadurch erreicht werden, dass der elektrische Strom im Elektromagnet begrenzt wird, oder dass der Elektromagnet mit Erreichen der maximalen Schließkraft am Ventilglied in Sättigung geht, so dass das Ventilglied vom Ventilsitz abgehoben wird, sobald der Druck im Förderraum oder der Hochdruckleitung den zulässigen Höchstdruck übersteigt. Vorteilhaft an diesen Ausführungsformen der Erfindung ist, dass die Funktion der Überdrucksicherung ohne zusätzlichen Bauaufwand realisierbar ist und trotzdem eine sehr hohe Ausfallsicherheit erreicht wird.

Bei weiteren Varianten der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mengensteuerventil stromlos geöffnet ist, so dass auch beim Ausfall der elektrischen Stromversorgung keine unzulässig hohen Drücke auftreten können.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Mengensteuerventil stromlos geschlossen, wobei die Schließkraft im stromlosen Zustand des Mengensteuerventils der maximalen Schließkraft F_max entspricht.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe kann in einem Ottomotor, insbesondere einem direkteinspritzenden Ottomotor, der mit einem Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem ausgerüstet ist eingesetzt werden, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile auch diesen Brennkraftmaschinen zugute kommen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe in drei verschiedenen Betriebszuständen mit einem Hub-Drehwinkel- Diagramm und die

Fig. 2-4 Ausführungsbeispiele von Mengensteuerventilen einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine aus einem Kolben 10, der in einem Zylinder 11 geführt und von einer Nockenwelle 12 mit zwei Nocken 13 angetrieben wird, bestehende Kraftstoffhochdruckpumpe schematisch dargestellt. Der Kolben 10 begrenzt einen Förderraum 14, in den eine Niederdruckleitung 15 und eine Hochdruckleitung 16 münden. Zwischen Hochdruckleitung 16 und Förderraum 14 ist ein Auslaßventil 17 vorgesehen, welches ein Rückströmen des in der Hochdruckleitung 16 befindlichen Kraftstoffs in den Förderraum 14 verhindert. Die Hochdruckleitung 16 kann in ein nicht dargestelltes Common-Rail münden oder direkt mit Injektoren oder Einspritzdüsen verbunden sein.

Der in der Niederdruckleitung 15 anstehende Kraftstoff kann über ein Saugventil 18 in den Förderraum 14 gesaugt werden, wenn sich der Kolben 10, wie in Fig. 1a dargestellt, nach unten bewegt und somit den Förderraum 14 vergrößert. Alternativ kann über ein Mengensteuerventil 19 eine hydraulische Verbindung zwischen Förderraum 14 und Niederdruckleitung 15 hergestellt werden. In Fig. 1a ist das als Magnetventil ausgebildete Mengensteuerventil 19 geschlossen. Wenn sich der Kolben 10 von einem in Fig. 1a nicht eingezeichneten oberen Totpunkt (OT) in Richtung des Pfeils 20 zum unteren Totpunkt (UT), der ebenfalls in Fig. 1a nicht dargestellt ist, bewegt, strömt Kraftstoff von der Niederdruckleitung 15 über das Saugventil 18 in den Förderraum 14. Das Mengensteuerventil 19 ist während des Saughubs geschlossen. Sobald die Nockenwelle 12 sich soweit gedreht hat, dass der Punkt 21 den Kolben 10 berührt, ist der UT erreicht. Anschließend beginnt der Förderhub.

Beim Durchgang des Kolbens 10 durch den UT herrscht im Förderraum 14 und in der Niederdruckleitung 15 der gleiche Druck, so dass das federbelastete Saugventil 18 schließt. Sobald sich der Kolben 10 in Richtung des Pfeils 22 (Fig. 1b) nach oben bewegt, erhöht sich der Druck im Förderraum 14. Wenn die Druckkraft im Förderraum 14 größer als die Summe der vom Kraftstoff in der Hochdruckleitung 16 auf das Auslaßventil 17 ausgeübet Druckkraft und der Federkraft des Auslaßventils 17 ist, öffnet das Auslaßventil 17 und die Förderung von Kraftstoff in die Hochdruckleitung 16 beginnt. Dieser Zustand ist in der Fig. 1b dargestellt. Das Saugventil 18 und das Mengensteuerventil 19 sind geschlossen.

Wenn ausreichend Kraftstoff aus dem Förderraum 14 in die Hochdruckleitung 16 gefördert wurde, wird das Mengensteuerventil 19 geöffnet. Dadurch bricht der Druck im Förderraum 14 zusammen und das Auslaßventil 17 schließt. Damit ist die Förderung von Kraftstoff aus dem Förderraum 14 in die Hochdruckleitung 16 beendet. Bis zum Erreichen des OT fördert der Kolben 10 Kraftstoff aus dem Förderraum 14 in die Niederdruckleitung 15. Wegen des geringen Drucks in der Niederdruckleitung 15 ist die Förderarbeit des Kolbens 10 in diesem Schaltzustand (Fig. 1c) sehr gering.

In der oberen Hälfte von Fig. 1 ist der Hub 23 des Kolbens 10 über den Drehwinkel ϕ_NW der Nockenwelle 12 schematisch dargestellt. Die in der Fig. 1a, 1b und 1c dargestellten Zustände sind durch Linien 24, 25 und 26 den entsprechenden Abschnitten in dem o. g. Diagramm zugeordnet. In diesem Diagramm ist auch die Schaltstellung des Mengensteuerventils 19 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass durch das Öffnen des geschlossenen Mengensteuerventils 19 die Förderung von Kraftstoff in die Hochdruckleitung 16 beendet wird.

Abhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine, welche mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ausgerüstet ist, kann das Öffnen des Mengensteuerventils 19 innerhalb eines Bereichs 27 zwischen UT und OT variiert werden.

Die Nockenwelle 12 weist bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Nocken 13 auf, so dass mit einer Nockenwellenumdrehung je zwei Saug- und Förderhübe vom Kolben 10 ausgeführt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Nockenwllen 12 mit 2 Nocken beschränkt.

Nachfolgend wird an Hand der Fig. 2a bis 2c die Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe näher erläutert. Das Mengensteuerventil 19 ist als Magnetventil ausgebildet und weist einen Elektromagneten 29 auf. Der Elektromagnet 29 umschließt einen einstückig mit einem Ventilglied 31 ausgebildeten Tauchanker. Der Elektromagnet 29 und der Tauchsanker bilden eine Betätigungseinrichtung im Sinne der Patentansprüche. Das Ventilglied 21 wird von einem ersten Federelement 33, welches sich einenends gegen einen Absatz 35 des Ventilglieds 31 und anderenends am Mengensteuerventil 19 abstützt, geöffnet, wenn die vom Elektromagnet 29 auf den Tauchanker ausgeübte magnetische Kraft kleiner ist als die Federkraft des Federelements 33. Bei dieser Ausführungsform ist das Mengensteuerventil 19 geöffnet, wenn der Elektromagnet 29 stromlos ist. In diesem Zustand, der in Fig. 2a dargestellt ist, dichtet das Ventilglied 31 die Niederdruckleitung 15 nicht an einem Ventilsitz 37 gegen den Förderraum 14 ab.

In Fig. 2b ist der Elektromagnet 29 bestromt, so dass das Ventilglied 31 in den Ventilsitz 37 gepresst wird und somit der Förderraum 14 gegen die Niederdruckleitung 15 abgedichtet ist. In diesem Zustand kann der Kolben 10 (siehe Fig. 1) Kraftstoff in die Hochdruckleitung 16 fördern.

Sobald die Druckkraft, welche der im Förderraum 14 befindlichen Kraftstoff auf das Ventilglied 31 ausübt, größer als die resultierende Schließkraft F_res ist, wird das Ventilglied 31 vom Ventilsitz 37 abgehoben und gibt somit die Verbindung von Förderraum 14 und Niederdruckleitung 15 frei. Dadurch stellt sich eine Druckabsenkung im Förderraum 14 und der Hochdruckleitung 16 ein. Die resultierende Schließkraft F_res ergibt sich aus der vom Elektromagnet 29 auf das Ventilglied 31 ausgeübten Schließkraft F_magn abzüglich der vom Federelement 33 ausgeübten Kraft F_Feder.

Durch eine geeignete Dimensionierung des Elektromagneten 29, bzw. des Stroms, welcher durch den Elektromagneten 29 fließt, des Federelements 33 sowie der Bohrung 39, welche Ventilsitz 37 und Förderraum 14 verbindet, kann der zulässige Höchstdruck eingestellt werden.

Fig. 2c zeigt ein durch den Druck im Förderraum 14 geöffnetes Mengensteuerventil 19.

In den Fig. 3a und 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den Fig. 2a und 2b beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Federelement 33 in Schließrichtung (siehe Pfeil 41) auf das Ventilglied 31 wirkt. Dies bedeutet, dass das Mengensteuerventil 19 im stromlosen Zustand geschlossen ist (siehe Fig. 3b). Die Kraft F_magn des Elektromagneten 29 wirkt ebenfalls in Schließrichtung.

Sobald die über die Bohrung 39 auf das Ventilglied 31 wirkende Druckkraft des Kraftstoffs im Förderraum 14 die Federkraft F_Feder des Federelements 33 und die vom Elektromagnet 29 auf das Ventilglied 31 ausgeübte Kraft F_magn übersteigt, öffnet das Mengensteuerventil 19, wie in Fig. 3c dargestellt ist.

Den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 gemeinsam ist, dass das Mengensteuerventil 19 fest mit einem Gehäuse 43 verschraubt ist.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist das Mengensteuerventil 19 in einer Hülse 45 entgegen der Richtung des Pfeils 41 verschiebbar geführt und somit relativ zum Ventilsitz 37 bewegbar. Die Hülse 45 ist im Gehäuse 43 der Kraftstoffhochdruckpumpe eingeschraubt.

Die Funktionsweise des Mengensteuerventils 19 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Das Mengensteuerventil 19 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiels wird von einem zweiten Federelement 47 in Schließrichtung des Ventilglieds 31 gegen einen Absatz 49 gedrückt. Der Absatz 49 gewährleistet eine definierte Position des Mengensteuerventils 19 relativ zum Ventilsitz 37 unter normalen Betriebsbedingungen. In Fig. 4a befindet sich das Mengensteuerventil 19 am zweiten Anschlag 49 und ist außerdem geöffnet. In Fig. 4b befindet sich das Mengensteuerventil 19 ebenfalls am zweiten Anschlag 49 und ist geschlossen.

Sobald nun die vom Kraftstoff im Förderraum über die Bohrung 39 auf das Ventilglied 31 ausgeübte Druckkraft größer ist als die Schließkraft des zweiten Federelements 47 bewegt sich das gesamte Mengensteuerventil 19 vom zweiten Anschlag 49 entgegen der Schließrichtung weg, so dass das Ventilglied 31 vom Ventilsitz 37 abgehoben wird. Das Abheben des Ventilglieds 31 vom Ventilsitz 37 erfolgt bei Überdruck im Förderraum 14 unabhängig von der Bestromung des Elektromagneten 29. Bei dieser Ausführungsform sind die Funktionen "Überdrucksicherung" und "Kraftstoffzumessung" vollständig voneinander getrennt. Durch das Auswechseln des zweiten Federelements 47 kann der Maximaldruck im Förderraum 14 auf einfache Weise verändert werden.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe ist besonders zum Einsatz in Brennkraftmaschinen mit Benzin- Direkteinspritzung geeignet.

Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

1. Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einer Zylinderbohrung oszillierenden Kolben (10), wobei der Kolben (10) Kraftstoff aus einer Niederdruck-Leitung (15) in einen Förderraum (14) ansaugt und anschließend in eine Hochdruck-Leitung (16) fördert, mit einem Förderraum (14) und Niederdruckleitung (15) verbindenden, nach außen öffnenden Mengensteuerventil (19) und mit einem parallel zu dem Mengensteuerventil (19) zwischen Niederdruck-Leitung (15) und Förderraum (14) angeordneten separaten Saugventil (18), wobei das Mengensteuerventil (18) ein Ventilglied (31) und eine Betätigungseinrichtung aufweist, die das Ventilglied (31) im geschlossenen Zustand des Mengensteuerventils (19) gegen einen Ventilsitz (37) presst, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Schließkraft (F_res) des Mengensteuerventils (19) auf eine maximale Schließkraft begrenzt ist.

2. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung in Richtung der Öffnungsbewegung des Ventilglieds (31) verschiebbar ist, und dass die Betätigungseinrichtung mit der maximalen Schließkraft F_max in Richtung der Schließbewegung des Ventilglieds (31) gedrückt wird.

3. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung von einem zweiten Federelement (47) in Richtung der Schließbewegung des Ventilglieds () gedrückt wird.

4. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (47) eine Spiralfeder oder mindestens eine Tellerfeder enthält.

5. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung einen Elektromagnet (29) umfasst, und dass mit dem Elektromagnet (29) eine Schließkraft (F_magn) auf einen fest mit dem Ventilglied (31) verbundenen Tauchanker oder einen einstückig mit dem Ventilglied (31) ausgebildeten Tauchanker ausübbar ist, und dass die vom Elektromagnet (29) auf den Tauchanker übertragbare Schließkraft (F_magn) begrenzt ist.

6. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom im Elektromagnet (29) begrenzt wird.

7. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (29) mit Erreichen der maximalen Schließkraft (F_max) am Ventilglied (31) in Sättigung geht.

8. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (18) stromlos geöffnet ist.

9. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (18) stromlos geschlossen ist, und dass die Schließkraft im stromlosen Zustand des Mengensteuerventils (19) der maximalen Schließkraft (F_max) entspricht.

10. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (19) von einem ersten Federelement (33) geöffnet oder geschlossen wird.

11. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (33) eine Spiralfeder oder mindestens eine Tellerfeder enthält.

12. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (19) von einem Steuergerät in Abhängigkeit der Drehzahl, der Last, der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Spannung des Bordnetzes und der Temperatur der Ansaugluft und des Drucks im Common-Rail geregelt wird.

13. Verwendung einer Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Otto-Motor, insbesondere einem direkt einpritzenden Otto-Motor.

14. Verwendung einer Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Common-Rail- Kraftstoff-Einspritzsystem.