DE102004028615A1

DE102004028615A1 - Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004028615A1
Application number: DE102004028615A
Authority: DE
Inventors: Helmut Rembold; Ruediger Schnell; Bernd Schroeder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2004-06-12
Publication date: 2005-06-02

Abstract

Es wird eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der das Regelverhalten im Leerlauf und unteren Teillastbetrieb soweit verbessert wird, dass auf ein gesondertes Druckregelventil im Hochdruckbereich der Kraftstoffeinspritzanlage verzichtet werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum allgemeinen Stand der Technik auf diesem Gebiet wird auf die DE 102 36 314 A1 und die DE 198 53 103 A1 verwiesen.

Speziell geht die Erfindung aus von einem sogenannten Common Rail System (CR-System). Die Besonderheit bei derartigen CR-Systemen besteht darin, dass die zur Einspritzung benötigte Kraftstoffmenge durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe auf einen veränderlichen vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängigen Druck gebracht werden muss. Hierbei wird die Kraftstoffhochdruckpumpe motordrehzahlabhängig angetrieben, was zum Beispiel durch die Nockenwellen der Brennkraftmaschine geschehen kann. Die mögliche Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe ist so ausgelegt, dass in jedem Betriebszustand ein Überschuss an Kraftstoff, das heißt mehr als das Rail zum gewünschten Druckaufbau benötigt, gefördert werden kann.

Aus der DE 198 53 103 A1 ist eine Kraftstoffzumesseinheit bekannt, bei der die Durchflussmenge von einem Ventilkolben gesteuert wird. Zur Steuerung des Durchflusses gibt der Ventilkolben eine oder mehrere Steueröffnungen ganz oder teilweise frei.

Bei dieser Kraftstoffzumesseinheit, die als Schieberventil ausgebildet ist, tritt im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine, das heißt wenn die Kraftstoffhochdruckpumpe keinen Kraftstoff fördern soll, während der Saugphase der Pumpenelemente der Kraftstoffhochdruckpumpe eine Leckage auf, so dass die Kraftstoffhochdruckpumpe ungewollterweise Kraftstoff ansaugt. Dieser Kraftstoff wird im darauf folgenden Arbeitshub unter hohen Druck gebracht und in den Common-Rail gefördert. Dort findet ein im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine unerwünschter Druckaufbau statt, der durch ein vom Steuergerät der Einspritzanlage angesteuertes Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil abgebaut beziehungsweise begrenzt wird. Da auch die Kraftstoffzumesseinheit vom Steuergerät der Einspritzanlage angesteuert werden muss und im Normalbetrieb die Fördermengenregelung der Kraftstoffhochdruckpumpe ausschließlich über die Kraftstoffzumesseinheit erfolgt, sind bei dieser Kraftstoffeinspritzanlage zwei Baugruppen, nämlich das Druckbegrenzungsventil und die Kraftstoffzumesseinheit, vom Steuergerät anzusteuern.

Vorteile der Erfindung

Bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Pumpenelement zur Förderung von Kraftstoff von einer Saugseite zu einer Druckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe, mit einer saugseitigen Einrichtung zur Steuerung der Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe, mit einem saugseitig angeordneten ersten Rückschlagventil und mit einem druckseitig angeordneten zweiten Rückschlagventil ist erfindungsgemäß eine Entlastungseinrichtung vorgesehen, die – entgegen der Durchflussrichtung des ersten Rückschlagventils – einen mindestens teilweisen Druckausgleich zwischen Einlass und Auslass des ersten Rückschlagventils ermöglicht.

Durch diese Maßnahme ist es möglich, beispielsweise im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine, einen unerwünschten Druckaufbau während des Förderhubs in den Förderräumen der Pumpenelemente zu verhindern, so dass kein Kraftstoff in den Common-Rail gefördert wird. Infolgedessen erhöht sich auch der Druck im Common-Rail nicht und der unerwünschte Druckanstieg im Common-Rail wird zuverlässig verhindert. Deshalb kann auf ein vom Steuergerät angesteuertes Druckregelventil verzichtet werden. Ein einfaches Druckbegrenzungsventil ist ausreichend.

Außerdem kann nach dem Ende des Schiebebetriebs, weil der Druck im Common-Rail nicht angestiegen ist, mit niedrigem Raildruck auch eine sehr kleine Kraftstoffmenge in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt werden, so dass ein sanfter Übergang vom Schiebebetrieb in den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine möglich ist.

Zusätzlich ist es durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme möglich, die Fördermengenregelung der Kraftstoffhochdruckpumpe auf niedrigere Fördermengen auszuweiten, da die beispielsweise während des Leerlaufs der Brennkraftmaschine in der Kraftstoffzumesseinheit entstehende Leckage nicht in den Common-Rail gefördert wird, sondern während des Saughubs der Pumpenelemente durch die Entlastungseinrichtung wieder auf die Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe gefördert wird. Dies ist deswegen von großer Bedeutung, weil die Leckage einer Kraftstoffzumesseinheit etwa von gleicher Größenordnung sein kann wie die im Leerlauf eingespritzte Kraftstoffmenge. Dies bedeutet, dass ohne die erfindungsgemäße Maßnahme in manchen ungünstigen Konstellationen eine Leerlaufregelung der Brennkraftmaschine nicht in zufriedenstellender Weise möglich ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme wird in allen Betriebszuständen sicher gewährleistet, dass die Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe an den Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.

Bei einer ersten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Entlastungseinrichtung einen Einlass und Auslass des ersten Rückschlagventils verbindende erste Bypass-Leitung mit einer ersten Drossel umfasst. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die im Leerlauf oder im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine auftretende Leckage der Kraftstoffzumesseinheit, die während des Saughubs des Pumpenelements angesaugt wird, beim darauf folgenden Förderhub des Pumpenelements wieder auf die Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe zurückzuschieben.

Alternativ kann die Entlastungseinrichtung auch in das erste Rückschlagventil integriert sein. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das erste Rückschlagventil als Sitzventil ausgebildet und dass eine Kerbe, welche die Funktion einer Drossel hat, vorgesehen ist. Die Kerbe kann einen rechteckigen, halbrunden oder ovalen Querschnitt aufweisen und beispielsweise durch elektrochemisches Abtragen oder durch Umformen, insbesondere durch Prägen, hergestellt werden. Diese Ausführungsvariante ist sehr einfach herstellbar und sehr robust im Betrieb und kann problemlos auch an bereits in Serie gefertigten Kraftstoffeinspritzanlagen, deren erstes Rückschlagventil als Sitzventil ausgebildet ist, nachgerüstet werden.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das erste Rückschlagventil eine Gegenplatte mit einem Ventilsitz und ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilglied aufweist, und dass die Kerbe zwischen Ventilsitz und Ventilglied, insbesondere in der Gegenplatte, vorgesehen ist.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Entlastungseinrichtung auch dadurch bereitgestellt werden, dass als saugseitige Einrichtung zur Steuerung der Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe eine Kraftstoffzumesseinheit dient, dass die Kraftstoffzumesseinheit ein von einem Elektromagnet mittels eines Ankerbolzens betätigtes Regelventil mit einem Ventilkolben aufweist, und dass das erste Rückschlagventil mit dem Ankerbolzen aufsteuerbar ist.

Durch diese Maßnahme kann die Funktionalität der Kraftstoffzumesseinheit ohne zusätzlichen Aufwand vergrößert werden. Die Kraftstoffzumesseinheit ist nämlich im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine wie aus dem Stand der Technik bekannt für die Fördermengenregelung der Kraftstoffhochdruckpumpe zuständig. Wenn die Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe weiter abgesenkt werden soll als die Leckagemenge der Kraftstoffzumesseinheit, kann durch Aufsteuern des ersten Rückschlagventils während des Förderhubs des Pumpenelements mit Hilfe der Kraftstoffzumesseinheit die Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe weiter reduziert werden. Insbesondere im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine kann dadurch zuverlässig gewährleistet werden, dass kein Kraftstoff in den Common-Rail gefördert wird und somit auch keine Druckerhöhung im Common-Rail stattfindet.

Für den Fall, dass die Zumesseinheit offen klemmt, empfiehlt es sich allerdings, am Common-Rail ein Druckbegrenzungsventil, welches nicht vom Steuergerät angesteuert werden muss, sondern welches direkt über den Druck im Common-Rail gesteuert wird, vorzusehen.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ventilkolben der Kraftstoffzumesseinheit in einem Ventilgehäuse geführt ist, wobei in der Wandung des Ventilgehäuses mindestens eine, vorzugsweise mehrere radiale Steueröffnungen angeordnet sind, und dass das erste Rückschlagventil durch den Ankerbolzen erst aufgesteuert wird, wenn die Steueröffnungen geschlossen sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist besonders darauf zu achten, dass der Ventilkolben mit einem sehr geringen Spiel im Ventilgehäuse eingepasst wird, so dass die Leckagemenge möglichst gering ist. In diesem Fall ist es dann nur von Zeit zu Zeit im Leerlaufbetrieb notwendig, das erste Rückschlagventil auf zusteuern, um die Druckerhöhung im Common-Rail durch ungewollt geförderten Kraftstoff zu unterbinden.

Um zu gewährleisten, dass die Kraftstoffzumesseinheit unabhängig von der Lage des Ventilkolbens im Ventilgehäuse arbeitet, besitzt der Ventilkolben an seiner zylindrischen Umfangsfläche eine Ausdrehung und ist im Ventilgehäuse eine mit der Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe verbundene Radialbohrung derart angeordnet, dass die Steueröffnungen durch die Ausdrehung im Ventilkolben mit der radialen Bohrung im Ventilgehäuse verbindbar sind.

In weiterer Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein den Innenraum des Regelventils und die Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe verbindende zweite Bypass-Leitung mit einem zweiten Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist. Der Öffnungsdruck des zweiten Druckbegrenzungsventils kann beispielsweise 0,3 bar betragen, so dass hohe Drücke im Förderraum der Pumpenelemente und in der Kraftstoffzumesseinheit beim Ausschieben der Leckage auf die Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe vermieden werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Einlass und Auslass der Einrichtung zur Steuerung der Fördermenge verbindende zweite Bypass-Leitung mit einem zweiten Druckbegrenzungsventil vorgesehen. Diese Einrichtung erlaubt vor allem in Verbindung mit der Einlassventilsteuerung durch den Ankerbolzen der Kraftstoffzumesseinheit ein vorgegebenes Druckniveau im Innenraum der Kraftstoffzumesseinheit einzuhalten.

In Verbindung mit einer einen Einlass und Auslass des zweiten Rückschlagventils verbindenden dritten Bypass-Leitung mit einer zweiten Drossel kann ein gezielter Druckabbau im Rail während des Schiebebetriebs der Brennkraftmaschine erfolgen. Dadurch kann die Einspritzung der zunächst kleinen Kraftstoffeinspritzmengen beim Übergang vom Schubbetrieb in den Normalbetrieb aus einem von einem niedrigeren Druckniveau im Common-Rail erfolgen, was die Zumessgenauigkeit der Kraftstoffeinspritzung verbessert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe sind hydraulisch in Reihe zu der zweiten Drossel ein drittes Druckbegrenzungsventil und ein drittes Rückschlagventil vorgesehen. Dieses dritte Druckbegrenzungsventil hat einen Öffnungsdruck von beispielsweise 5 – 10 MPa, was in etwa dem Druckniveau beim Hochdruckstart der Brennkraftmaschine entspricht. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Druckabbaufunktion während des Hochdruckstarts nicht wirksam ist und damit der volumetrische Wirkungsgrad der Kraftstoffhochdruckpumpe deutlich verbessert wird.

Wenn die Kraftstoffhochdruckpumpe mehrere Pumpenelemente aufweist, ist es ausreichend, dass erste Rückschlagventil eines Pumpenelements in der zuvor beschriebenen Weise anzusteuern oder eine Druckausgleichseinrichtung an einem Pumpenelement vorzusehen.

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

Zeichnung
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Einspritzanlage,
2-4, 6, 8 und 9 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kraftstoffhochdruckpumpen,
5 eine erfindungsgemäß ausgebildete Gegenplatte, und
7 ein Diagramm, aus dem sich die Ansteuerung der Kraftstoffzumesseinheit ergibt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist beispielhaft eine Einspritzanlage als Blockschaltbild dargestellt, wobei die Erfindung nicht auf diese Einspritzanlage beschränkt ist. Eine erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe 101 weist eine Saugseite 103 und eine Druckseite 105 auf. Druckseitig sind an die Kraftstoffhochdruckpumpe 101 ein Common-Rail 107 sowie mehrere Injektoren 109 angeschlossen. Am Common-Rail 107 ist ein Drucksensor 111 sowie ein erstes Druckbegrenzungsventil 113 angeordnet. Vom ersten Druckbegrenzungsventil 113 führt eine Verbindungsleitung 115 zur Saugseite 103 der Kraftstoffhochdruckpumpe 101.
Die Saugseite 103 der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 ist mit einer in einem Tank 117 angeordneten Niederdruckpumpe 119 verbunden. Die Niederdruckpumpe 119 kann beispielsweise eine elektrische Kraftstoffpumpe sein. Zwischen einer Druckseite 121 der Niederdruckpumpe 119 und der Saugseite 103 der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 ist im Tank 117 ein Druckregelventil 123 angeordnet. Das Druckregelventil 123 sorgt dafür, dass der Druck auf der Saugseite 103 der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 während des Betriebs der Brennkraftmaschine annähernd konstant gehalten wird. Üblicherweise beträgt der Druck auf der Saugseite 103 zwischen 3 und 6 bar.
Das Druckbegrenzungsventil 113 verhindert unzulässig hohe Drücke im Common-Rail 107 und wird direkt über den Druck im Common-Rail 107 angesteuert (nicht dargestellt).
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 101 schematisch dargestellt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Pumpenelement 127, mit einem Kolben 129, einer Zylinderbohrung 131 und einem von Kolben 129 und Zylinderbohrung 131 begrenzten Förderraum 133.
Auf der Saugseite 103, welche die Kraftstoffhochdruckpumpe 101 mit dem Tank 117 (siehe 1) verbindet, sind eine Kraftstoffzumesseinheit ZME und ein erstes Rückschlagventil 135 in Reihe geschaltet.
Der Kolben 129 führt eine oszillierende Bewegung, welche in 2 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, aus. Während des Saughubs bewegt sich der Kolben 129 in 2 von oben nach unten, das heißt das Volumen des Förderraums 133 vergrößert sich. Während dieses Saughubs saugt der Kolben 129 Kraftstoff von der Saugseite 103 durch die Zumesseinheit ZME und das erste Rückschlagventil 135 in den Förderraum 133. Im darauf folgenden Förderhub, wenn sich der Kolben 129 von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt bewegt, nimmt das Volumen des Förderraums 133 ab, der im Förderraum 133 befindliche Kraftstoff wird unter Druck gesetzt, bis er schließlich durch ein zweites Rückschlagventil 137 hindurch zur Förderseite 105 und anschließend in den Common-Rail 107 (siehe 1) ausgeschoben wird.
Die Zumesseinheit ZME ist als Schieberventil ausgeführt und dient dazu, die vom Kolben 129 während des Saughubs angesaugte Kraftstoffmenge zu regeln. Sie ist in der Regel als Proportionalventil mit stufenloser Querschnittsverstellung ausgeführt.
Wenn beispielsweise im Leerlauf der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) nur eine sehr geringe Kraftstoffmenge in den Förderraum 133 angesaugt werden soll, dann tritt eine Leckage an der Kraftstoffzumesseinheit ZME, wie bei jedem Schieberventil, auf. Dies bedeutet, dass an den Steueröffnungen der Kraftstoffzumesseinheit ZME vorbei Kraftstoff in unkontrollierter Weise von der Saugseite 103 in den Förderraum 133 gelangt. Da diese Leckage vom Volumen her etwa so groß ist wie die im Leerlauf der Brennkraftmaschine von der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 zu fördernde Kraftstoffmenge, kann der Leerlauf der Brennkraftmaschine nicht mit ausreichender Genauigkeit geregelt werden.
Im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine, wenn kein Kraftstoff eingespritzt werden soll, führt die Leckage bei der vorbekannten Kraftstoffzumesseinheit ZME dazu, dass Kraftstoff über die Druckseite 105 in den Common-Rail 107 gefördert wird, ohne dass Kraftstoff aus den Injektoren 109 in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Infolgedessen steigt der Druck im Common-Rail 107 an, bis das erste Druckbegrenzungsventil 113 nach Erreichen eines zulässigen Maximaldrucks öffnet und den Druck im Common-Rail 107 auf den höchsten zulässigen Wert begrenzt.
Wenn aus dem Schiebebetrieb in den Normalbetrieb gewechselt werden soll, ist es in der Regel erwünscht, einen geringen Druck im Common-Rail zu haben, da es dann leichter möglich ist, in der Übergangsphase vom Schiebebetrieb in den Normalbetrieb kleinste Kraftstoffmengen einzuspritzen und somit einen weichen Übergang zwischen diesen beiden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zu erreichen. Dieser hohe Druck im Common-Rail 107 erschwert das Einspritzen kleinster Kraftstoffmengen, so dass auch der Druckanstieg im Schiebebetrieb aufgrund der Leckage der Kraftstoffzumesseinheit ZME unerwünscht ist.
In einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 101 ist eine erste Bypass-Leitung 139 mit einer ersten Drossel 141 vorgesehen, welche das erste Rückschlagventil 135 umgeht. Der Strömungswiderstand der ersten Drossel 141 ist so gewählt, dass bei Teillast und bei Volllast der Brennkraftmaschine die durch die erste Drossel 141 zur Saugseite 103 zurückgeförderte Kraftstoffmenge gegenüber der in die Druckseite 105 geförderten Kraftstoffmenge vernachlässigbar ist.
Im Leerlauf der Brennkraftmaschine wird die vom Kolben 129 geförderte Kraftstoffmenge so zwischen der Druckseite 105 und der Saugseite 103 aufgeteilt, dass die einzuspritzende Kraftstoffmenge in die Druckseite 105 gefördert wird, während eine der Leckagemenge der Kraftstoffzumesseinheit 103 entsprechende Kraftstoffmenge zurück in die Saugleitung gefördert wird. Damit ist die Fördermengenregelung der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 auch im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine und trotz der in der Kraftstoffzumesseinheit ZME auftretenden Leckage möglich.
Auch im Schiebebetrieb, wenn kein Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, kann die Leckagemenge der Kraftstoffzumesseinheit ZME während des Förderhubs des Kolbens 129 über die erste Bypass-Leitung 139 und die erste Drossel 141 am ersten Rückschlagventil 135 vorbei in die Saugleitung zurückgefördert werden. Dadurch wird der unerwünschte Druckanstieg im Common-Rail 107 wirkungsvoll und auf einfachste Weise unterbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe durch das Vorsehen einer zweiten Bypass-Leitung 143 mit einem zweiten Druckbegrenzungsventil 145, welche die Kraftstoffzumesseinheit ZME umgehen, weiter verbessert.
Das zweite Druckbegrenzungsventil 145 hat einen relativ niedrigen Öffnungsdruck, von beispielsweise 0,3 bar. Dadurch wird die Leckagemenge, welche vom Förderraum 133 in die Saugleitung 103 zurückgefördert wird, nicht durch die Kraftstoffzumesseinheit mit ihrem in geschlossenem Zustand relativ großen Strömungswiderstand, sondern über die zweite Bypass-Leitung 143 gefördert. Dadurch verringert sich die Arbeitsaufnahme des Pumpenelements 127 im Leerlauf und die Druckbelastungen in der Kraftstoffzumesseinheit ZME und im Pumpenelement 127 werden verringert.
Die Druckregelung im Common-Rail 107 beim Hochdruckstart erfolgt über die Kraftstoffzumesseinheit ZME.
Die Kraftstoffzumesseinheit ZME nach 4 basiert auf einem Elektromagneten 10 mit integriertem Regelventil 11. Im einzelnen besteht der Elektromagnet 10 im wesentlichen aus einer Magnetspule 12, einem Anker 13 mit Ankerbolzen 14 und einem Magnettopf 15, der die Magnetspule 12 und den Anker 13 teilweise umschließt.
Die gesamte Baueinheit Elektromagnet 10 mit integriertem Regelventil 11 ist in einer (nicht dargestellten) Kraftstoff-Hochdruckpumpe 101 (siehe 1) angeordnet. Der Magnettopf 15 dient hierbei gleichzeitig als Abdichtelement, als magnetischer Rückschluss und als Befestigungselement (16) des Elektromagneten 10 in der Kraftstoffhochdruckpumpe.
Die Magnetspule 12 wird, nachdem sie in den Magnettopf 15 eingesetzt ist, vollständig umspritzt. Durch die mit 17 bezeichnete Umspritzung ist ein optimaler Wärmeübergang von der Spule 12 an den Magnettopf 15 gewährleistet. Einer Überhitzung in kritischen Betriebszuständen kann hierdurch entgegengewirkt werden. Weiterhin führt die Umspritzung 17 zu einer guten Schwing- und Schüttelfestigkeit, wodurch eine Befestigung der Kraftstoffzumesseinheit ZME an hochbelasteten Stellen, zum Beispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe, in Bezug auf Schwingungen, Temperatur- und Umweltbelastungen ermöglicht wird.
Des Weiteren wird durch die Umspritzung 17 der Magnetspule 12 im Zusammenwirken mit zwei Abdichtstellen 18, 19 gewährleistet, dass die Kontaktstellen der Spule 12 zu den Steckerfahnen (nicht gezeigt) "trocken" sind. Magnetspulenwicklung und Kontaktstellen sind somit vor Angriffen korrosiver Medien optimal geschützt.
Zur Kontrolle, dass die Umspritzung 17 die Magnetspule 12 vollständig umschließt, sind am Umfang des Magnettopfes 15 "Überlaufbohrungen" 20, 21 vorgesehen.
Das Regelventil 11 besitzt ein Ventilgehäuse 22, welches in eine flanschartige Verbreiterung 23 übergeht, die zugleich den stirnseitigen Abschluss des Magnettopfes 15 bildet. In dem Ventilgehäuse 22 ist eine Axialbohrung 24 ausgebildet, die koaxial zu dem Ankerbolzen 14 des Elektromagneten 10 angeordnet ist. Die Axialbohrung 24 nimmt einen verschiebbaren hülsenförmigen Ventilkolben 25 auf, in dessen Innenraum 26 eine Druckfeder 27 angeordnet ist. Die Druckfeder 27 stützt sich vorderseitig an einem Boden 28 des Ventilkolbens 25 und rückseitig an einem in der Axialbohrung 24 des Ventilgehäuses 22 befindlichen Federteller 29 ab. Ein Absatz 30 an der Innenwandung des Ventilkolbens 25 sorgt dafür, dass die Druckfeder 27 weitgehend berührungsfrei von der Innenwandung in dem Ventilkolben 25 liegt. Außen steht der Ventilkolbenboden 28 und damit der Ventilkolben 25 mit dem vorderen Ende des Ankerbolzens 14 in Anlage.
In dem Ventilgehäuse 22 sind mehrere radial gerichtete Steueröffnungen angeordnet, von denen in 4 nur eine sichtbar und mit 32 beziffert ist. Die Steueröffnungen 32 stehen mit der Saugseite 103 der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 in hydraulischer Wirkverbindung. Die Saugseite 103 bildet also den Zulauf zu der Kraftstoffzumesseinheit ZME.
Eine Öffnung 31 verbindet den Innenraum 26 des Ventilkolbens 25 mit dem ersten Rückschlagventil 135, welches bei diesem Ausführungsbeispiel als Sitzventil ausgeführt ist
Die obere Hälfte der 4 – oberhalb der gemeinsamen Mittelachse 33 von Ventilbohrung 24, Ventilkolben 25 und Ankerbolzen 14 – zeigt das Regelventil 11 in Öffnungsstellung, in der die Steueröffnung 32 durch den Ventilkolben 25 vollständig freigegeben ist. In der unteren Hälfte der 4 dagegen ist das Regelventil 11 in vollständiger Schließstellung dargestellt. Hierbei wirkt die Magnetkraft des bestromten Elektromagneten 10 über den Ankerbolzen 14 auf den Ventilkolben 25 und bewegt diesen entgegen dem Widerstand der Druckfeder 27 in die besagte Schließstellung des Regelventils 11. Umgekehrt vermag die Druckfeder 27 den Ventilkolben 25 in Öffnungsstellung (obere Hälfte von 4) zu verschieben, wenn die Bestromung des Elektromagneten 10 und damit dessen auf Anker 13 und Ankerbolzen 14 wirkende Magnetkraft entsprechend verringert wird.
In Öffnungsstellung des Regelventils 10 strömt der dem Regelventil 11 von der Saugseite 103 und durch die Steueröffnung 32 zugeführte Kraftstoff durch die Öffnung 31 zum ersten Rückschlagventil 135 in den Förderraum 133 des Pumpenelements 127.
Das erste Rückschlagventil 135 besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 aus einer Gegenplatte 147 mit einer Bohrung 149 und einem Ventilsitz 151. Durch eine zweite Druckfeder 153, welche sich einenends am Gehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 abstützt, wird ein Ventilglied 155 auf den Ventilsitz 151 der Gegenplatte 147 gepresst.
In 5 ist die Gegenplatte 147 vergrößert und perspektivisch dargestellt. In dieser Darstellung sind die Bohrung 149 und der umlaufende Dichtsitz 151 gut erkennbar. In dem Ventilsitz 151 ist eine Kerbe 157 eingearbeitet, welche die Funktion der ersten Drossel 141 der Ausführungsbeispiele gemäß den 2 und 3 übernimmt.
Aus der Zusammenschau der 4 und 5 wird ohne Weiteres deutlich, dass bei geschlossenem erstem Rückschlagventil 135, wenn das Ventilglied 155 auf dem Ventilsitz 157 der Gegenplatte 147 aufliegt, eine hydraulische Verbindung durch die Kerbe 157 zwischen Förderraum 133 und Saugseite 103 besteht. Die Kerbe 157 hat somit die Funktion der ersten Drossel 141 (siehe 2 und 3). Je nachdem wie groß der Querschnitt der Kerbe 157 ist, kann die Drosselwirkung der Kerbe 157 eingestellt werden.
Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass sich der Querschnitt der Kerbe 157 über die Lebensdauer des ersten Rückschlagventils 135 kaum ändert, da die Auflagefläche des Ventilglieds 147 auf dem Ventilsitz 151 relativ groß ist. Durch die bei jedem Schließen des ersten Rückschlagventils 135 zwangsläufig auftretenden Quetschströmungen ist außerdem gewährleistet, dass sich in der Kerbe 157 auch nach vielen Betriebsjahren keine Verunreinigungen ablagern, welche den Querschnitt der Kerbe 157 verringern, beziehungsweise die Kerbe 157 sogar vollständig verschließen können. Dadurch ist gewährleistet, dass die Druckausgleichsfunktion der Kerbe 157 über die gesamte Lebensdauer der erfindungsgemäßen Einspritzanlage nahezu konstant ist. Ein Filter oder sonstige teure und fehleranfällige Schutzeinrichtungen für die Kerbe 157 sind nicht erforderlich. Außerdem kann gegenüber den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 eine erste Bypass-Leitung 139 entfallen.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 101 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Rückschlagventil 135 ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ausgeführt. Allerdings weist der Ventilsitz 151 in der Gegenplatte 147 des ersten Rückschlagventils 135 keine Kerbe 157 auf. Dies bedeutet, dass das Ventilglied 155 die hydraulische Verbindung zwischen dem Innenraum 26 der Kraftstoffzumesseinheit ZME und dem Förderraum 133 vollständig unterbricht, sobald sie auf dem Ventilsitz der Gegenplatte 147 aufliegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ankerbolzen 14 durch den Ventilkolben 25 und die erste Druckfeder 27 hindurch verlängert. Der Gesamthub des Ankerbolzens 14 ist in 6 mit S_Z bezeichnet. Um die Steueröffnungen 32 vollständig zu öffnen und vollständig zu schließen, ist ein Stellweg S_R des Ankerbolzens 14 erforderlich. Dieser Stellweg S_R ist kleiner als der Gesamtstellweg S_Z des Ankerbolzens 14. Wenn die Steueröffnungen 32 vollständig verschlossen sind, wie dies im unteren Teil der 6 dargestellt ist, befindet sich das Ende des Ankerbolzens 14 in unmittelbarer Nähe des Ventilglieds 155, ohne es zu berühren.
Wenn nun die Fördermenge des Kolbens 129 im Leerlauf oder im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine kleiner als die Leckagemenge der Kraftstoffzumesseinheit ZME sein soll, dann wird der Ankerbolzen 14 durch den Anker 13 und die Magnetspule 12 so weit nach rechts bewegt, dass der Ankerbolzen 14 das Ventilglied 155 vom Ventilsitz 151 der Gegenplatte 147 abhebt und somit Kraftstoff aus dem Förderraum 133 während des Förderhubs des Kolbens 129 in die Kraftstoffzumesseinheit ZME und damit auch die Saugseite 103 zurückströmen kann. Dadurch wird der Druckaufbau im Förderraum 133 unterbunden und es findet keine Förderung von Kraftstoff auf die Druckseite 105 der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 statt.
Der Abstand zwischen dem Ankerbolzen 14 und dem Ventilglied 155 bei geschlossenen Steueröffnungen 32 ist in 6 mit S_V bezeichnet. Damit das erste Rückschlagventil 135 durch den Ankerbolzen 14 geöffnet werden kann, muss der Gesamtstellweg S_Z des Ankerbolzens 14 größer sein als der zur Fördermengenregelung benötigte Stellweg S_R plus der Abstand S_V zwischen Ankerbolzen 14 und Ventilglied 155 bei geschlossenen Steueröffnungen 32.
Vorzugsweise erfolgt im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine die Steuerung der Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 durch die Variation des Förderbeginns des Pumpenelements. Diese Steuerung ist in
7 in Diagrammform dargestellt. Im oberen Teil der 7 ist mit einer ersten Linie 159 die Stellung des Kolbens 129 dargestellt. Der Kolben 129 bewegt sich zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT hin und her. Wenn sich der Kolben 129 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt, vergrößert sich das Volumen des Förderraums 133 und es findet der sogenannte Saughub statt. In dieser Phase saugt der Kolben 129 trotz geschlossener Kraftstoffzumesseinheit oder bei nur geringfügig geöffneter Kraftstoffzumesseinheit ZME Kraftstoff von der Saugseite 103 an, die ohne zusätzliche Maßnahmen im anschließenden Förderhub, bei dem sich der Kolben 129 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT bewegt, in die Druckseite 105 gefördert wird. Dies ist jedoch, wie bereits mehrfach erläutert, in manchen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine unerwünscht und wird deshalb durch eine geeignete Ansteuerung der Kraftstoffzumesseinheit ZME unterbunden.
Bei dieser Ansteuerung wird die Kraftstoffzumesseinheit ZME so angesteuert, dass vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt und darüber hinaus bis zum Förderbeginn F_B das erste Rückschlagventil 135 geöffnet ist. Diese Zeitspanne ist durch den Doppelpfeil 135_offen in 7 dargestellt. Während der Bewegung des Kolbens 129 vom unteren Totpunkt UT bis zum Förderbeginn F_B wird die Leckagemenge durch das geöffnete erste Rückschlagventil 135 in die Saugleitung 103 zurückgeschoben. Dieses Zeitintervall ist in 7 durch den Doppelpfeil 161 dargestellt. Anschließend wird die Kraftstoffzumesseinheit ZME so angesteuert, dass das erste Rückschlagventil 135 schließt, was in 7 durch den Doppelpfeil 135_geschlossen angedeutet ist . In diesem Zeitintervall zwischen Förderbeginn FB und oberem Totpunkt OT, wird der für den Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine benötigte Kraftstoff zur Druckseite 105 gefördert.
Im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine bleibt das erste Rückschlagventil während des gesamten Förderhubs geöffnet (F_B = OT), so dass keine Förderung zur Druckseite 105 stattfindet. Die Steuerspannung der Kraftstoffzumesseinheit ist in 7 mit einer zweiten Linie 163 angedeutet.
Die Ausführungsbeispiele gemäß der 8 und 9 basieren auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 und betreffen Maßnahmen zur weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens der Kraftstoffhochdruckpumpe 101. Um die Übersichtlichkeit zu bewahren, sind in den 8 und 9 nicht alle Bezugszeichen eingetragen. Es wird hiermit auf die Bezugszeichen in den vorangegangenen Figuren Bezug genommen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist eine dritte Bypass-Leitung 169 mit einer zweiten Drossel 171 vorgesehen, welche das zweite Rückschlagventil 137 auf der Druckseite 105 umgeht.
Auf der Druckseite 105 kann in Verbindung mit der im Zusammenhang mit 6 beschriebenen Steuerung des ersten Rückschlagventils 135 ein gezielter Druckabbau im Common-Rail 107 während des Schiebebetriebs erfolgen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine unmittelbar vor dem Schiebbetrieb mit Volllast betrieben wurde und somit der Druck im Common-Rail 107 hoch ist. Am Ende des Schiebebetriebs ist es nämlich wünschenswert, wenn der Druck im Common-Rail 107 relativ niedrig ist, um den Übergang vom Schiebebetrieb in den Lastbetrieb möglichst sanft und komfortabel gestalten zu können. Dazu ist der niedrige Druck im Common-Rail 107 hilfreich, da er die genaue und präzise Zumessung kleinster Einspritzmengen erleichtert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 sind zusätzlich zu der zweiten Drossel 171 noch ein drittes Druckbegrenzungsventil 173 und ein drittes Rückschlagventil 175 vorgesehen. Das dritte Druckbegrenzungsventil 173 hat beispielsweise einen Öffnungsdruck von 5 – 10 MPa, was in etwa dem Druckniveau beim Hochdruckstart entspricht. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt darin, dass die Druckabbaufunktion der zweiten Drossel 171 beim Hochdruckstart nicht wirksam ist und damit der volumetrische Wirkungsgrad der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 weiter verbessert wird. Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das dritte Druckbegrenzungsventil 173 näher am Förderraum 133 als die zweite Drossel 171 angeordnet, was den volumetrischen Wirkungsgrad wegen des daraus resultierenden verringerten Totvolumens weiter verbessert. Allerdings ist auch die umgekehrte Anordnung ohne Weiteres möglich.
In 9 ist ein weiteres Pumpenelement 177 mit einem saugseitigen Rückschlagventil 181 und einem druckseitigen Rückschlagventil 179 schematisch dargestellt. Mit dieser Darstellung soll darauf hingewiesen werden, dass die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe 101 nicht auf Kraftstoffhochdruckpumpen mit einem Pumpenelement 127 beschränkt ist, sondern dass auch mehrere Pumpenelemente 127 und 177 in der Kraftstoffhochdruckpumpe 101 vorhanden sein können. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Rückführung der Leckage in die Saugleitung 103 müssen jedoch nicht bei allen Pumpenelementen 127 und 177 durchgeführt werden. Es reicht in der Regel aus, wenn ein Pumpenelement 127 beziehungsweise ein erstes Rückschlagventil 135 und ein zweites Rückschlagventil 137 erfindungsgemäß ausgebildet sind.
Die druckseitig vorgesehenen Maßnahmen zur Verbesserung des Betriebsverhaltens, insbesondere die zweite Drossel 171, das dritte Druckbegrenzungsventil 173 und das dritte Rückschlagventil 175 sind nicht auf die Ausführungsbeispiele gemäß der 8 und 9 beschränkt, sondern können bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt und beispielhaft aus 2 ersichtlich, ist das Regelventil 11 in dem Magnettopf 15, 33 des Elektromagneten 10 integriert und die komplette Kraftstoffzumesseinrichtung 10, 11 ist direkt in die Kraftstoffhochdruckpumpe eingeschraubt. Dadurch ist ein optimal kleiner Bauraum und eine kostengünstige Fertigung garantiert. Das dadurch erreichbare minimale Totvolumen sorgt für exakte Zumessung der jeweils benötigten Kraftstoffmenge und schnelle Reaktionszeiten auf wechselnden Mengenbedarf der Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. der Brennkraftmaschine.
Aus den vorangehenden Ausführungen wird bereits deutlich, dass für das Ventil einer Kraftstoffzumesseinrichtung exakte Regelbarkeit wichtig ist. Die Ansteuerung des Elektromagneten 10 erfolgt pulsbreitenmoduliert. Dies führt zu verringerter Reibhysterese und guter Dynamik der Kraftstoffzumesseinheit.

Claims

Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Pumpenelement (127) zur Förderung von Kraftstoff von einer Saugseite (103) zu einer Druckseite (105) der Kraftstoffhochdruckpumpe (101), mit einer saugseitigen Einrichtung (ZME) zur Steuerung der Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe (101), mit einem saugseitig angeordneten ersten Rückschlagventil (135) und mit einem druckseitig angeordneten zweiten Rückschlagventil (137), dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlastungseinrichtung vorgesehen ist, und dass die Entlastungseinrichtung entgegen der Durchflussrichtung des ersten Rückschlagventils (135) einen mindestens teilweisen Druckausgleich zwischen Einlass und Auslass des ersten Rückschlagventils (135) ermöglicht.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungseinrichtung einen Einlass und Auslass des ersten Rückschlagventils (135) verbindende erste Bypass-Leitung (139) mit einer ersten Drossel (141) umfasst.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungseinrichtung in das erste Rückschlagventil (135) integriert ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungseinrichtung als Kerbe (157) in einem als Sitzventil ausgebildeten ersten Rückschlagventil (135) ausgeführt ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe (157) einen rechteckigen, halbrunden oder ovalen Querschnitt aufweist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe (157) durch elektrochemisches Abtragen (ECM) oder durch Umformen, insbesondere durch Prägen, hergestellt wird.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rückschlagventil (135) eine Gegenplatte (147) mit einem Ventilsitz (151) und ein mit dem Ventilsitz (151) zusammenwirkendes Ventilglied (155) aufweist, und dass die Kerbe (157) zwischen Ventilsitz (151) und Ventilglied (155), insbesondere in der Gegenplatte (147), vorgesehen ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als saugseitige Einrichtung (ZME) zur Steuerung der Fördermenge der Kraftstoffhochdruckpumpe (101) eine Kraftstoffzumesseinheit (ZME) dient, dass die Kraftstoffzumesseinheit ein von einem Elektromagnet (10) mittels eines Ankerbolzens (14) betätigtes Regelventil (11) mit einem Ventilkolben (25) aufweist, und dass das erste Rückschlagventil (135) mit dem Ankerbolzen (14) aufsteuerbar ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (25) in einem Ventilgehäuse (22) geführt ist, wobei in der Wandung des Ventilgehäuses (22) mindestens eine, vorzugsweise mehrere radiale Steueröffnungen (32) angeordnet sind, und dass das erste Rückschlagventil (135) durch den Ankerbolzen (14) erst aufgesteuert wird, wenn die Steueröffnungen (32) geschlossen sind.
Kraftstoffzumesseinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (25) hülsenförmig ausgebildet ist und in seinem Innenraum (26) die ihn in Öffnungsstellung beaufschlagende Druckfeder (27) aufnimmt und dass die Druckfeder (27) sich rückseitig an einem in der Ventilbohrung (24) des Ventilgehäuses (22) angeordneten Federteller (29) abstützt.
Kraftstoffzumesseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (11) durch entsprechende axiale Verschiebung und anschließende Fixierung des Federtellers (29) in der Ventilbohrung (24) einstellbar ist.
Kraftstoffzumesseinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (25) an seiner zylindrischen Umfangsfläche eine Ausdrehung besitzt und im Ventilgehäuse (22) eine mit der Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe (101) verbundene Radialbohrung angeordnet ist, derart, dass in Schließstellung des Ventilkolbens (25) die radialen Steueröffnungen (32) durch die Ventilkolben-Ausdrehung mit der radialen Bohrung im Ventilgehäuse (22) hydraulisch verbunden sind.
Kraftstoffzumesseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dem Ventilkolben (25) zugewandten Rand des Federtellers (29) ein axialer Dichtsitz (51) ausgebildet ist, der in Schließstellung des Ventilkolbens (25) mit dessen dem Federteller (29) zugewandten Rand (52) dichtend zusammenwirkt.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Innenraum (26) des Regelventils (11) und die Saugseite (103) der Kraftstoffhochdruckpumpe (101) verbindende zweite Bypass-Leitung (143) mit einem zweiten Druckbegrenzungsventil (145) vorgesehen ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Einlass und Auslass des zweiten druckseitig angeordneten Rückschlagventils (137) verbindende dritte Bypass-Leitung (169) mit einer zweiten Drossel (171) vorgesehen ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass hydraulisch in Reihe zu der zweiten Drossel (171) und dem zweiten Rückschlagventil (137) ein drittes Druckbegrenzungsventil (173) parallel geschaltet zu einem dritten Rückschlagventil (175) vorgesehen sind.