DE10138362A1

DE10138362A1 - Einstempel-Einspritzpumpe für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE10138362A1
Application number: DE10138362A
Authority: DE
Inventors: Walter Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-08-04
Publication date: 2002-10-17

Abstract

Es wird eine Einstempel-Einspritzpumpe für schnelllaufende Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, die, bedingt durch ihre kompakte Bauweise und dem guten volumetrischen Wirkungsgrad in Verbindung mit einer hohen Oszillationsfrequenz des Kolbens, eine einer Mehrstempel-Einspritzpumpe vergleichbare Fördermenge hat, ohne dass die Drehmomentspitzen beim Antrieb der Einstempel-Einspritzpumpe unzulässig hoch werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einspritzpumpe für ein Common- Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Gehäuse angeordneten Pumpenzylinder, mit einem in dem Pumpenzylinder oszillierenden Kolben, wobei der Druck des aus einem Kraftstoffzulauf in den Zylinder angesaugten Kraftstoffs durch den Kolben erhöht wird und mit einem Mengensteuerventil, wobei das Mengensteuerventil einen in das Gehäuse integrierten, direkt angesteuerten Steuerkolben aufweist, wobei das Mengensteuerventil den Förderstrom des Kolbens in einen Ablauf oder eine mit einem Common-Rail in Verbindung stehende Hochdruck-Bohrung steuert.

Die aus der DE-OS 42 21 921 A1 bekannte Einspritzpumpe ist für den Einsatz in Brennkraftmaschinen mit mehr als einem Zylinder nur geeignet, wenn sie eine der Zylinderzahl entprechende Zahl von Pumpenzylindern aufweist. Mit der Zahl der Pumpenzylinder steigen auch die Herstellungskosten.

Bei sog. Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen besteht prinzipiell die Möglichkeit die Zylinderzahl der Brennkraftmaschine und die Zahl von Pumpenzylindern der Kraftstoffhochdruckpumpe zu entkoppeln. Wegen der großen temporären Fördermenge und der daraus resultierenden Drehmomentspitze sowie der bisher ungelösten Füllung des Pumpenzylinders in sehr kurzer Zeit, wurden bislang keine Einstempel-Einspritzpumpen zu Kraftstoffversorgung von Common-Rails von Brennkraftmaschinen mit mehr als einem Zylinder eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einstempel- Einspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit mehr als einem Zylinder, die mit einem Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem ausgerüstet sind, darzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einspritzpumpe für ein Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Gehäuse angeordneten Pumpenzylinder, mit einem in den Pumpenzylinder oszillierenden Kolben, wobei der Druck des aus einem Kraftstoffzulauf in den Pumpenzylinder angesaugten Kraftstoffs durch den Kolben erhöht wird, und mit einem Mengensteuerventil, wobei das Mengensteuerventil einen in das Gehäuse integrierten, direkt angesteuerten Steuerkolben aufweist, wobei das Mengensteuerventil den Förderstrom des Kolbens in einen Ablauf oder eine mit einem Common-Rail in Verbindung stehende Hochdruck-Bohrung steuert und wobei der Kolben mit einer Frequenz größer oder gleich der halben Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine oszilliert. Alternativ kann die Einstempelpumpe auch durch ein Saugdrosselventil gesteuert werden.

Vorteile der Erfindung

Wegen der kompakten Bauweise der erfindungsgemäßen Einspritzpumpe hat diese ein kleines Totvolumen, so dass der Wirkungsgrad der Einspritzpumpe verbessert wird. Wegen des guten Wirkungsgrads der Einspritzpumpe kann der Kolben klein dimensioniert werden, so dass dessen Oszillation mit einer Frequenz größer als die halbe Kurbelwellendrehzahl möglich ist. Dadurch ist es möglich, die Ungleichförmigkeit der zeitlichen Fördermenge einspritzsynchron zu legen. Außerdem kann, bei gleicher Förderleistung, erreicht werden, dass die Drehmomentspitzen zum Antrieb der erfindungsgemäßen Einspritzpumpe verringert werden. Wegen des kleinen Kolbendurchmessers verringert sich die Leckage zwischen Pumpenzylinder und Kolben, so dass eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads und damit auch des Gesamtwirkungsgrads erzielt wird.

Außerdem verformt sich das Gehäuse wegen der kleinen Oberflächen durch die Druckkräfte und durch die thermisch bedingten Spannungen nur in sehr geringem Umfang, was ein verringertes Kaltlaufspiel ermöglicht und somit einen weiter verbesserten Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Einspritzpumpe mit sich bringt.

Durch die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Merkmale ist es gelungen, eine funktionsfähige Einstempel-Einspritzpumpe Brennkraftmaschinen mit einem Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen, welche wegen der genannten Vorteilen sehr kompakt baut und wegen der geringen Zahl von Bauteilen auch kostengünstig herstellbar ist.

Bei einer Variante der Erfindung wird der Kolben von einer Nockenwelle oder einer Nockenscheibe mit mindestens einem Nocken betätigt, so dass auf einfache Weise die Oszillationsfrequenz des Kolbens erhöht werden kann. Je nachdem, von welcher Welle der Brennkraftmaschine (Nockenwelle, Ausgleichswelle, Kurbelwelle) die erfindungsgemäße Einspritzpumpe angetrieben wird, kann die Zahl der Nocken abhängig vom Förderbedarf gewählt werden.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist die Geschwindigkeit des Kolbens während des Saughubs geringer als während des Förderhubs, so dass Kavitationserscheinungen während des Saughubs weitestgehend vermieden werden.

Bei einer anderen Ausgestaltungen der Erfindung ist der Pumpenzylinder als Sackloch ausgebildet, so dass das Totvolumen und die Leckageverluste weiter verringert werden. Zur Verringerung des Totvolumens trägt auch die Mengenregelung der Einspritzpumpe durch die Variation des Vorhubs des Kolbens bei. Durch diese Mengenregelung fördert der Kolben immer bis zum oberen Totpunkt (OT), so dass das Totvolumen minimal wird.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ablauf durch einen Dichtsitz zwischen Gehäuse und Steuerkolben abdichtbar ist, und dass der Durchmesser des Dichtsitzes kleiner als der Durchmesser der Aufnahmebohrung im Gehäuse für den Steuerkolben ist, so dass die Öffnungsbewegung des Steuerkolbens durch die von dem unter Druck stehenden Kraftstoff unterstützt wird. Weiterhin ist es möglich, dass die Öffnungsbewegung des Mengensteuerventils von einer Feder unterstützt wird, so dass eine Verringerung der Öffnungszeiten und ein verbessertes Anlaufverhalten der Brennkraftmaschine erreicht werden. Darüber hinaus lassen sich die niederdruckseitigen Druckkräfte in einer Variante durch zwei Kolbenflächen, die ähnlich groß sind, weitgehend ausgleichen.

Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass die Längsachse des Steuerkolbens mit der Längsachse des Kolbens einen Winkel von 90° einschließt und/oder dass in dem Ablauf ein als Niederdruckspeicher wirkender Druckentlastungsraum vorgesehen ist, so dass eine besonders kompakte Bauweise mit entsprechend geringem Totvolumen erreicht wird und dass der Niederdruckspeicher die Befüllung des Pumpenzylinders während des Saughubs unterstützt. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls der Kavitation vorgebeugt.

Durch die Verwendung von Keramik für den Kolben und eine eventuell vorhandene Stößelrolle können die Trägheitskräfte verringert werden und somit die Belastung der Einspritzpumpe verringert werden. Außerdem kann wegen des guten Verschleiß- und Verformungsverhaltens von Keramik das Spiel zwischen Kolben und Zylinder verringert werden, so dass sich eine weitere Steigerung des volumetrischen Wirkungsgrads ergibt.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in das Gehäuse ein Common-Rail integriert ist, so dass das Totvolumen weiter verringert wird.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist der Förderhub der Einspritzpumpe zum Einspritzzeitpunkt der Brennkraftmaschine einspritzsynchron fasenverschoben. Je nachdem wie groß die Fasenverschiebung gewählt wird, können evtl. vorhandene Druckstöße im Hochdruckbereich der Einspritzpumpe zum Aufbau eines möglichst hohen Einspritzdrucks genutzt werden oder die Einspritzung erfolgt zu einem Zeitpunkt an dem keine oder nur in geringem Umfang Druckstöße vorhanden sind. Bei der zweiten Variante verbessert sich die Genauigkeit der Zumessung des Kraftstoffs bei der Einspritzung.

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

Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einstempel-Einspritzpumpe,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einstempel-Einspritzpumpe und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einstempel-Einspritzpumpe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einstempel-Einspritzpumpe. In einem Gehäuse 1 ist ein Kolben 3 mit einem Pumpenzylinder 5 geführt. Angetrieben wird der Kolben 3 von einer Nockenwelle 7. Ein exzentrischer Abschnitt 9 der Nockenwelle 7 wirkt über eine Stößelrolle 11 auf den Kolben 3. Der exzentrische Abschnitt 9 ist ein Nocken im Sinne der Erfindung. Allerdings können die Nocken auch andere Geometrien als ein exzentrisch angeordneter Kreis haben. Der Kolben 3 wird über eine nur andeutungsweise dargestellte Rückholfeder 13 auf die Stößelrolle 11 gepresst.

Oberhalb des Pumpenzylinders 5 ist im Gehäuse 1 ein Steuerkolben 15 eines als Magnetventil ausgeführten Mengensteuerventils 17 rechtwinklig zur Längsachse des Pumpenzylinders 5 angeordnet. Der Steuerkolben 15 weist eine Schulter 19 auf, die zusammen mit einem entsprechend ausgebildeten Absatz 21 einen Dichtsitz bilden. Wenn das Mengensteuerventil 17 geschlossen ist, liegt die Schulter 19 auf dem Absatz 21 auf und der vom Kolben 3 geförderte Kraftstoff wird in eine Hochdruck-Bohrung 23 gefördert. Diese Hochdruck-Bohrung 23 ist über eine nicht dargestellte Hochdruckleitung mit dem ebenfalls nicht dargestellten Common-Rail des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden. Ein Rückschlagventil 25 in der Hochdruck-Bohrung 23 verhindert, dass Kraftstoff aus dem Common-Rail in die Einspritzpumpe zurückströmt. Die Kolbenfläche 34 schließt den Niederdruckraum 29 ab und gleicht die niederdruckseitigen Kräfte auf die Nadel weitgehend aus.

Bei geöffnetem Mengensteuerventil 17 fördert der Kolben 3 in den Niederdruckraum 29 oder saugt während des Saughubs der Einspritzpumpe Kraftstoff über den Kraftstoffzulauf 27 aus dem Niederdruckraum 29 in den Pumpenzylinder 5. Wenn während des Förderhubs das Mengensteuerventil 17 geschlossen wird, baut sich im Pumpenzylinder 5 ein Druck auf, der zum Öffnen des Rückschlagventils 25 führt und anschließend die Förderung von Kraftstoff aus dem Pumpenzylinder 5 in das nicht dargestellte Common-Rail ermöglicht. Je früher das Mengensteuerventil 17 schließt, desto größer ist die je Förderhub des Kolbens 3 in das Common-Rail geförderte Kraftstoffmenge. Durch die Wahl des Schließzeitpunkts des Mengensteuerventils 17 kann die je Förderhub geförderte Menge zwischen 0 und 100% des Pumpenhubraumes gesteuert werden.

Durch die äußerst kompakte und steife Bauweise der Einspritzpumpe und die kleinen Totvolumina der Einspritzpumpe hat diese einen guten Wirkungsgrad. Dadurch kann der Kolben 3 kleiner dimensioniert werden, was die Leckageverlust zwischen Pumpenzylinder 5 und Kolben 3 weiter verringert. Außerdem muss, wegen des kleinen Hubraums des Kolbens 3, nur eine geringe Kraftstoffmenge während des Saughubs aus dem Kraftstoffzulauf 29 in den Pumpenzylinder 5 gefördert werden, was das Auftreten von Kavitation verringert. Die Kavitationsneigung kann durch eine entsprechende Gestaltung des in Fig. 1 dargestellten des exzentrischen Abschnitts 9 der Nockenwelle 7 weiter verringert werden. Wenn die Geschwindigkeit des Kolbens 3 während des Saughubs geringer ist als während des Förderhubs, verringert sich die Kavitationsneigung beim Ansaugen von Kraftstoff.

Wegen der kleinen Abmessungen des Kolbens 3 und dessen kleiner Masse wird auch bei großen Beschleunigungen des Kolbens 3 und hohen Drücken während des Förderhubs die zulässige Hertz'sche Pressung zwischen Stößelrolle 11 und exzentrischem Abschnitt 9 der Nockenwelle 7 nicht überschritten.

Der Steuerkolben 15 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 durch eine Druckfeder 31, welche sich gegen einen Deckel 33 des Gehäuses 1 abstützt, unterstützt. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist keine Druckfeder 31 vorhanden und der Deckel 33 ist teilweise als Membran ausgebildet. Direkt hinter dem aus Schulter 19 und Absatz 21 gebildeten Dichtsitz ist eine Ausnehmung 35 im Gehäuse 1 vorhanden, welche zusammen mit dem entsprechend gestalteten Deckel 33 einen Druckentlastungsraum 37 bildet. Die in dem Druckentlastungsraum 37 während des Vorförderhubs gespeicherte Druckenergie unterstützt das Ansaugen von Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 29 in den Pumpenzylinder 5 und verringert somit die Kavitationsneigung während des Saughubs. Wenn der Durchmesser des Dichtsitzes kleiner als der Durchmesser einer Aufnahmebohrung 39 im Gehäuse 1 für den Steuerkolben 15 ist, wird die Öffnungsbewegung des Steuerkolbens 15 durch die hydraulischen Kräfte zusätzlich unterstützt. Durch die hohe Oszillationsfrequenz des Kolbens 3 ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs während des Saughubs geringer als wenn die gleiche Kraftstoffmenge bei einem Saughub je zwei Kurbelwellenumdrehungen angesaugt wird.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzpumpe dargestellt. Wie auch beim zweiten Ausführungsbeispiel werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das oben Gesagte entsprechend. Bei dieser Einspritzpumpe ist die Nockenwelle 7 Teil der Brennkraftmaschine und das Gehäuse 1 wird direkt in eine entsprechende Aussparung 41 der Brennkraftmaschine eingesetzt. Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise. Außerdem kann, wenn die Nockenwelle 7 Teil einer ohnehin an der Brennkraftmaschine vorhandenen Welle ist, der Fertigungsaufwand verringert und damit Kosten vermieden werden. Diese Einspritzpumpe benötigt keine eigenständige Nockenwelle mit Lagerung und Antrieb, was sich positiv auf die Herstellungskosten auswirkt.

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

Claims

1. Einspritzpumpe für ein Common-Rail- Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Gehäuse (1) angeordneten Pumpenzylinder (5), mit einem in dem Pumpenzylinder (5) oszillierenden Kolben (3), wobei der Druck des aus einem Kraftstoffzulauf (29) in den Pumpenzylinder (5) angesaugten Kraftstoffs durch den Kolben (3) erhöht wird, und mit einem Mengensteuerventil (17), wobei das Mengensteuerventil (17) einen in das Gehäuse (1) integrierten, direkt angesteuerten Steuerkolben (15) aufweist, wobei das Mengensteuerventil (17) den Förderstrom des Kolbens (3) in einen Kraftstoffzulauf (27) oder eine mit einem Common-Rail in Verbindung stehende Hochdruck-Bohrung (23) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) mit einer Frequenz größer oder gleich der halben Kurbelwellendrehzahl der Brennkraftmaschine oszilliert.

2. Einspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) von einer Nockenwelle (7) oder einer Nockenscheibe mit mindestens einem Nocken betätigt wird.

3. Einspritzpumpe Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Kolbens (3) während des Saughubs geringer als während des Förderhubs ist.

4. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenzylinder (5) als Sackloch ausgebildet ist.

5. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenregelung der Einspritzpumpe durch die Variation des Vorhubs des Kolbens (3) erfolgt.

6. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Kraftstoffzulauf (27) und Pumpenzylinder (5) durch einen Dichtsitz zwischen Gehäuse (1) und Steuerkolben (15) abdichtbar ist, und dass der Durchmesser des Dichtsitzes kleiner als der Durchmesser einer Aufnahmebohrung (39) im Gehäuse (1) für den Steuerkolben (15) ist.

7. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsbewegung des Mengensteuerventils (17) von einer Druckfeder (31) unterstützt wird.

8. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Steuerkolbens (15) mit der Längsachse des Kolbens (3) einen Winkel von 90° einschließt.

9. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftstoffzulauf (27) ein als Niederdruckspeicher wirkender Druckentlastungsraum (37) vorgesehen ist.

10. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) und eine evtl. vorhandene Stößelrolle (11) aus Keramik hergestellt sind.

11. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (1) ein Common-Rail integriert ist.

12. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderhub der Einspritzpumpe zum Einspritzzeitpunkt der Brennkraftmaschine einspritzsynchron fasenverschoben ist.

13. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (17) als stromlos geöffnetes Magnetventil ausgebildet ist.

14. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (7) oder die Nockenscheibe Teil der Brennkraftmaschine ist.

15. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge durch eine Saugdrosselregelung geregelt wird.