Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckkraftstoffpumpe für
eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem
Pumpenelement, mit einem Kraftstoffzulauf, mit einer
Hochdruckleitung, wobei das Pumpenelement Kraftstoff aus
dem Kraftstoffzulauf in die Hochdruckleitung fördert, und
mit einer Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen im
Kraftstoffzulauf.
-
Bei dieser Hochdruckkraftstoffpumpe, die bspw. in Common-
Rail-Einspritzanlagen von Otto-Motoren mit Benzin-
Direkteinspritzung eingesetzt wird, dient die Einrichtung
zum Dämpfen von Druckstößen dazu, die während des Betriebs
auftretenden Druckstöße im Kraftstoffzulauf zu dämpfen und
eine ausreichende Versorgung des Förderraums mit Kraftstoff
während des Saughubs des oder der Pumpenelemente zu
gewährleisten.
-
Die Fördermengenregelung dieser Hochdruckkraftstoffpumpe
erfolgt über ein Mengensteuerventil, welches zu diesem
Zweck eine hydraulische Verbindung zwischen dem Förderraum
des Pumpenelements und dem Kraftstoffzulauf herstellen
kann. Wenn diese Verbindung hergestellt ist, fördert das
Pumpenelement nicht mehr in die Hochdruckleitung, sondern
in den Kraftstoffzulauf. Durch diese Regelung der
Kolbenpumpe wird der Nutzungsgrad der
Hochdruckkraftstoffpumpe verbessert, da sich die
Arbeitsaufnahme des Pumpenelements stark verringert, wenn
diese nur gegen den niedrigen Druck im Kraftstoffzulauf
Arbeit verrichten muss.
-
Mit dem Öffnen des Mengensteuerventils wird der
Kraftstoffzulauf schlagartig mit einem Druckstoß
beaufschlagt, der zu erheblichen mechanischen
Beanspruchungen der Einspritzanlage führt. Die Einrichtung
zum Dämpfen von Druckstößen dient dazu, diese Druckstöße
mindestens teilweise abzubauen und zu dämpfen.
-
Während des Saughubs des Pumpenelements herrscht im
Kraftstoffzulauf ein sehr geringer Druck, was die Gefahr
von Dampfblasenbildung und Kavitation mit sich bringt. Der
geringe Druck im Kraftstoffzulauf entsteht, weil kurzzeitig
die von der Kolbenpumpe angesaugte Kraftstoffmenge größer
ist als die von einer Niederdruckpumpe in den
Kraftstoffzulauf geförderte Kraftstoffmenge. In diesem
Betriebszustand hält die Einrichtung zum Dämpfen von
Druckstößen den Druck im Kraftstoffzulauf mindestens
teilweise aufrecht, so dass die unerwünschte
Dampfblasenbildung wirksam unterdrückt wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Hochdruckkraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine mit
einer einfach aufgebauten Einrichtung zum Dämpfen von
Druckstößen mit einem guten Dämpfungsverhalten
bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Hochdruckkraftstoffpumpe für
eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem
Pumpenelement, mit einem Kraftstoffzulauf, mit einer
Hochdruckleitung, wobei das Pumpenelement Kraftstoff aus
dem Kraftstoffzulauf in die Hochdruckleitung fördert, und
mit einer Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen im
Kraftstoffzulauf dadurch gelöst, dass die Einrichtung zum
Dämpfen von Druckstößen im Kraftstoffzulauf einen
Leitungsabschnitt aufweist, und dass die Volumenzunahme des
Leitungsabschnitts bei einer Beaufschlagung mit Innendruck
sehr viel größer als die Kompressibilität des in dem
Leitungsabschnitt befindlichen Kraftstoffs ist.
-
Vorteile der Erfindung
-
Durch den Einsatz eines Leitungsabschnitts, der sich bei
Beaufschlagung mit einem Innendruck in radialer und, falls
möglich, auch in axialer Richtung ausdehnt, steht eine sehr
kompakt und einfach aufgebaute Dämpfungseinrichtung zur
Verfügung. Wegen der Biegsamkeit und Elastizität des
Leitungsabschnitts kann dieser in nahezu beliebige freie
Bauräume in der unmittelbaren Umgebung der
Kraftstoffhochdruckpumpe gelegt werden, so dass der
Platzbedarf minimal ist. Außerdem kann durch die Wahl eines
geeigneten Materials des Leitungsabschnitts, dessen
Wandstärke, Innendurchmesser und Länge das
Dämpfungsverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung in
weiten Grenzen und auf einfache Weise variiert werden.
Somit kann die erfindungsgemäße Einrichtung zum Dämpfen von
Druckstößen auf einfachste Weise an verschiedenste
Brennkraftmaschinen und Hochdruckkraftstoffpumpen adaptiert
werden.
-
Bei einer Variante ist vorgesehen, dass der
Leitungsabschnitt ein erstes Ende und ein zweites Ende
aufweist, dass das erste Ende des Leitungsabschnitts mit
dem Kraftstoffzulauf hydraulisch in Verbindung steht, und
dass das zweite Ende des Leitungsabschnitts verschlossen
ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung
wird der Leitungsabschnitt als Schlauch ausgeführt, so dass
die Herstellungskosten sehr gering sind und aufgrund der
guten Dämpfungseigenschaften handelsüblicher
Hydraulikschläuche ein gutes Dämpfungsverhalten erzielt
wird.
-
In einer alternativen Ausgestaltung kann der
Leitungsabschnitt auch als Faltenbalg ausgeführt sein, so
dass die Volumenzunahme bei Beaufschlagung mit Innendruck
vornehmlich in axialer Richtung des Leitungsabschnitts
erfolgt. Durch die Dimensionierung des Faltenbalgs kann das
Dämpfungsverhalten in weiten Grenzen eingestellt werden.
Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist auch,
dass ein solcher Faltenbalg aus einem metallischen
Werkstoff hergestellt werden kann und dieser Faltenbalg
nahezu keiner Alterung unterliegt.
-
In weiterer Ergänzung der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass das zweite Ende des Leitungsabschnitts gut
wärmeleitend mit einem Bauteil der
Hochdruckkraftstoffpumpe, der Einspritzanlage oder der
Brennkraftmaschine verbunden ist, und dass dieses Bauteil
bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine eine über der
Verdampfungstemperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf
liegende Temperatur aufweist. Dadurch wird eine Dampfblase
am zweiten Ende des Leitungsabschnitts bewusst erzeugt,
welche die Funktion einer Gasfeder bzw. eines Gasdämpfers,
übernimmt. Durch diese Gasblase wird das Ansprechverhalten
der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Dämpfen von
Druckstößen weiter verbessert. Außerdem kann durch eine
geeignete Abstimmung des Dämpfungsverhaltens des
Leitungsabschnitts ohne und mit Kraftstoffdampfblase bei
nahezu allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
bzw. der Hochdruckkraftstoffpumpe ein gutes
Dämpfungsverhalten erreicht werden. Außerdem kann,
unabhängig davon, ob eine Dampfblase im Leitungsabschnitt
vorhanden ist oder nicht, die Länge des Leitungsabschnitts
so gewählt werden, dass der Leitungsabschnitt als Resonator
wirkt und innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs die
Druckstöße durch Reflexion tilgt.
-
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Dämpfung
von Druckstößen wird erfindungsgemäß weiter verbessert,
wenn die hydraulische Verbindung zwischen Leitungsabschnitt
und Kraftstoff in unmittelbarer Nähe des Einlassventils des
Pumpenelements hergestellt wird.
-
Bei einer fertigungstechnisch günstigen Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Ende des
Leitungsabschnitts an einem Deckel des Pumpenelements
befestigt ist, und dass über den Deckel die hydraulische
Verbindung zwischen Leitungsabschnitt und Kraftstoffzulauf
hergestellt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es
auch ohne Weiteres möglich, einen aus dem Stand der Technik
bekannten Membranspeicher durch eine erfindungsgemäße
Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen zu ersetzen, ohne
dass an der Hochdruckkraftstoffpumpe Änderungen vorgenommen
werden müssen. Anstelle des Membranspeichers wird lediglich
der genannte Deckel aufgeschraubt.
-
Zur weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens der
erfindungsgemäßen Einrichtung zur Dämpfung von Druckstößen
kann außerdem vorgesehen werden, dass in dem
Leitungsabschnitt eine Drossel oder Blende angeordnet ist,
so dass vor allem beim Vorhandensein einer Dampfblase die
Dämpfung erhöht wird.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den
Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten
Ausführungsbeispiels einer Einspritzanlage mit
einer erfindungsgemäßen Hochdruckkraftstoffpumpe
und
-
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Hochdruckkraftstoffpumpe.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten
Ausführungsbeispiels einer mit einer erfindungsgemäßen
Hochdruckkraftstoffpumpe 1 ausgestatteten Einspritzanlage
für Brennkraftmaschinen. Die Hochdruckkraftstoffpumpe 1
wird über einen Kraftstoffzulauf 3, 3a, 3b mit Kraftstoff
aus einem Tank 5 versorgt. Der Kraftstoff wird von einer
elektrischen Niederdruckkraftstoffpumpe 7 aus dem Tank 5 in
den Kraftstoffzulauf 3 gefördert. Ein Niederdruckregler 9
regelt den Druck im Kraftstoffzulauf 3 auf beispielsweise 4
bis 6 bar.
-
Die erfindungsgemäße Hochdruckkraftstoffpumpe 1 fördert im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
Hochdruckleitung 11 in einen Common-Rail 13, der wiederum
mit Injektoren 15 verbunden ist. Am Common-Rail 13 sind ein
Druckbegrenzungsventil 17 und ein Drucksensor 19
angeordnet. Nicht dargestellt in Fig. 1 sind ein
Steuergerät, welches die Regelung und Steuerung der
Einspritzanlage übernimmt, Signalleitungen, elektrische
Versorgungsleitungen und anderes mehr.
-
Die Hochdruckkraftstoffpumpe 1 weist bspw. mindestens ein
Pumpenelement 21 mit einem Kolben (nicht dargestellt) und
einem Zylinder (nicht dargestellt) auf. Das Pumpenelement
21 fördert Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 3 in die
Hochdruckleitung 11. Um ein Rückströmen des Kraftstoffs aus
der Hochdruckleitung 11 in das Pumpenelement 21 und aus dem
Pumpenelement 21 in den Kraftstoffzulauf 3b zu unterbinden,
sind ein Auslassventil 23 in der Hochdruckleitung 11 und
ein Einlassventil 25 im Kraftstoffzulauf 3b vorgesehen.
-
Die Mengenregelung der Hochdruckkraftstoffpumpe 1 erfolgt
über einen Bypass 27, welcher einen nicht dargestellten
Förderraum des Pumpenelements 21 und den Kraftstoffzulauf 3
miteinander verbindet, und ein im Bypass 27 angeordnetes
Mengensteuerventil 29.
-
Wenn das Mengensteuerventil 29, wie in Fig. 1 dargestellt,
geöffnet ist, fördert das Pumpenelement 21 keinen
Kraftstoff in die Hochdruckleitung 11, sondern
ausschließlich in den Bypass 27.
-
Sobald das Mengensteuerventil 29 geschlossen wird, baut
sich während des Förderhubs des Pumpenelements 21 ein Druck
im Förderaum (nicht dargestellt) des Pumpenelements 21 auf
und das Pumpenelement 21 fördert in die Hochdruckleitung
11, sobald der Druck im Förderraum (nicht dargestellt)
höher ist als der Druck in der Hochdruckleitung 11 hinter
dem Auslassventil 23.
-
Wenn das Mengensteuerventil 29 während des Förderhubs
geöffnet wird, wird der Kraftstoff im Bypass 27 und
anschließend im Kraftstoffzulauf 3 mit einem Druckstoß
beaufschlagt, welcher die dem Pumpenelement 21
vorgelagerten Komponenten wie Tank 5,
Niederdruckkraftstoffpumpe 7, Niederdruckregler 9 oder
nicht dargestellte Verbindungselemente, wie z. B.
Schnellanschlüsse der Kraftstöffhochdruckpumpe, beschädigen
können.
-
Um diese Druckstöße abzubauen, ist im Kraftstoffzulauf 3
eine Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen
vorgesehen. Der Aufbau und das Betriebsverhalten dieser
Einrichtung 31 wird nachfolgend anhand der Fig. 2 im Detail
erläutert. Zunächst genügt es davon auszugehen, dass die
Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen die in dem in
dem Druckstoß enthaltene Energie absorbiert und teilweise
speichert.
-
Wenn das Pumpenelement 21 während des Saughubs mit hoher
Geschwindigkeit Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 3
ansaugt, führt dies zu einem starken Druckabfall im
Kraftstoffzulauf 3, 3a und 3b, da die Förderleistung der
Niederdruckkraftstoffpumpe 7 nicht ausreicht, um diese
Bedarfsspitze abzufahren. Sobald der Druck im
Kraftstoffzulauf 3 absinkt, fördert die Einrichtung 31 zur
Dämpfung von Druckstößen Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf
3. Die Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen hat also
zwei Funktionen: Sie schützt die Einspritzanlage vor
schädlichen Druckstößen und sie gewährleistet einen
ausreichenden Kraftstofffluss aus dem Kraftstoffzulauf 3b
in das Pumpenelement 21 während des Saughubs.
-
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Hochdruckkraftstoffpumpe ausschnittsweise
dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und es gilt das betreffend der Fig.
1 Gesagte entsprechend.
-
In Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, dass bei diesem
Ausführungsbeispiel das Pumpenelement 21 aus einem Kolben
33, der in einer Zylinderbohrung 35 geführt ist, besteht.
-
Die Zylinderbohrung 35 und der Kolben 33 begrenzen einen
Förderraum 37. Über das Einlassventil 25 kann der
Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 3 in den Förderraum 55
gelangen, wenn der Kolben 33 sich in der in Fig. 2
dargestellten Anordnung nach unten bewegt. Dies ist der
sog. Saughub.
-
Sobald der Kolben 33 sich wieder nach oben in Richtung des
Einlassventils 25 bewegt, verringert sich das Volumen des
Förderraums 37, das Einlassventil 25 schließt und
Kraftstoff wird über das Auslassventil 23 in die
Hochdruckleitung 11 ausgeschoben, vorausgesetzt, das
Mengensteuerventil 29 ist geschlossen.
-
Wenn der Kolben 33 ausreichend Kraftstoff in die
Hochdruckleitung 11 gefördert hat, wird das
Mengensteuerventil 29 geöffnet. Diese Schaltstellung des
Mengensteuerventils 29 ist in Fig. 2 dargestellt. Durch
das geöffnete Mengensteuerventil 29 kann der vom Kolben 33
geförderte Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf 3
ausgeschoben werden. Daraus resultiert der bereits erwähnte
Druckstoß im Kraftstoffzulauf 3, welcher durch die
erfindungsgemäße Einrichtung 31 zur Dämpfung von
Druckstößen gedämpft wird.
-
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 der erfindungsgemäßen
Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen besteht aus
einem Deckel 39, der mit dem Pumpenelement 21 verschraubt
ist (die Verschraubung ist in Fig. 2 nicht dargestellt). An
den Deckel 39 ist ein Stutzen 41 ausgebildet, auf den ein
Stück Schlauch 43 aufgeschoben ist. Als Schlauch 43 kann
jeder handelsübliche kraftstoffbeständige Schlauch
verwendet werden, der mit den auftretenden Drücken von etwa
4-6 bar statischem Druck sowie den oben mehrfach
beschriebenen Druckstöße beaufschlagbar ist. Je nach Wahl
des Schlauchs kann das Dämpfungsverhalten der
erfindungsgemäßen Einrichtung 31 zum Dämpfen von
Druckstößen in weiten Grenzen an die Erfordernisse der
Hochdruckkraftstoffpumpe (nicht dargestellt) adaptiert
werden.
-
Der Schlauch 43 wird mit seinem ersten Ende 45 auf den
Anschlussstutzen 41 aufgeschoben. An seinem zweiten Ende 47
wird der Schlauch 43 durch ein Verschlussstück 49
verschlossen. Das Verschlussstück 49 weist ein
Befestigungsauge 51 mit einer Befestigungsbohrung 53 auf.
Mit diesem Befestigungsauge 51 kann das Verschlussstück 49
an einem temperaturführenden Bauteil der
Hochdruckkraftstoffpumpe, der Einspritzanlage oder der
Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) befestigt werden.
Dieses Bauteil soll bei Betriebstemperatur der
Brennkraftmaschine eine Temperatur erreichen, die oberhalb
der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffs im
Kraftstoffzulauf 3 bzw. im Schlauch 43 liegt, so dass sich
eine Dampfblase im Schlauch 43 bildet, sobald die
Brennkraftmaschine Betriebstemperatur erreicht hat. Diese
Dampfblase (nicht dargestellt) wirkt wie eine Gasfeder und
erhöht die Dämpfungswirkung der erfindungsgemäßen
Einrichtung 31. Um eine gute Wärmeübertragung von dem
temperaturführenden Bauteil der Brennkraftmaschine auf die
Einrichtung 31 zu gewährleisten, empfiehlt es sich, das
Verschlussstück 49 aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff,
insbesondere einem gut wärmeleitenden Metall, herzustellen.
-
Da der Deckel 39 nicht die gleiche Temperatur wie das
Verschlussstück 49 aufweist, dehnt sich die Dampfblase
(nicht dargestellt) nicht so weit aus, dass sie in den
Kraftstoffzulauf 3 gelangen kann. Dies wäre unerwünscht, da
eine solche Dampfblase im Kraftstoffzulauf 3 das
Förderverhalten des Pumpenelements 21 beeinträchtigt.
-
Um das Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung
31 weiter steuern zu können, kann bspw. im Deckel 39,
insbesondere im Bereich des Anschlussstutzes 41, eine
Drossel (nicht dargestellt) vorgesehen werden.
-
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung (nicht
dargestellt) kann der Schlauch 43 durch einen Faltenbalg,
insbesondere aus Metall, ersetzt werden. Ein
Metallfaltenbalg erlaubt eine Volumenänderung infolge von
einer Beaufschlagung mit Innendruck in seiner
Längsrichtung. Durch die Dimensionierung des Faltenbalgs
und der Materialwahl kann das Dämpfungsverhalten eines
solchen Faltenbalgs an die Erfordernisse der
Hochdruckkraftstoffpumpe adaptiert werden.