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Stand
der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Vom
Markt her bekannt sind Kraftstoffpumpen, die bei Common-Rail-Einspritzsystemen
von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Mit diesen zumeist als
Radialkolbenpumpe ausgebildeten Kraftstoffpumpen wird der Kraftstoff
auf einen sehr hohen Druck komprimiert und in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher
(Rail) gefördert.
An diesen sind mehrere Injektoren angeschlossen, die den Kraftstoff
direkt in ihnen zugeordnete Brennräume einspritzen.
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Zur
Steuerung der Fördermenge
einer solchen Kraftstoffpumpe sind zwei unterschiedliche Prinzipien
bekannt: Beim ersten Prinzip ist stromaufwärts von der Kraftstoffpumpe
eine einstellbare Drossel angeordnet, die auch als "Zumesseinheit" bezeichnet wird.
Diese mit einem elektromagnetisch betätigten Aktor ausgestattete
Zumesseinheit gestattet eine variable Androsselung der angesaugten
Füllmenge.
Dieses Prinzip kommt vor allem bei Diesel-Brennkraftmaschinen zum Einsatz. Ein
zweites Prinzip kommt vor allem bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung
(BDE) zum Einsatz. Bei diesen wird ein elektromagnetisch betätigter Aktor fördersynchron
angesteuert, der ein Einlassventil der Hochdruckpumpe während eines
Fördertaktes zwangsweise öffnen kann
("Mengensteuerventil"). Bei geöffnetem
Einlassventil wird der Kraftstoff nicht zum Rail, sondern wieder
zurück
in einen Niederdruckbereich gefördert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffpumpe der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, dass sie einfach und preiswert
hergestellt werden kann. Auch soll der Aufwand für die Mengensteuerung der Kraftstoffpumpe
reduziert werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kraftstoffpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Weitere wichtige Merkmale
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den
Zeichnungen offenbart. Die besagten Merkmale können dabei in ganz unterschiedlichen
Kombinationen für
die Erfindung wesentlich sein.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe werden
die Vorteile einer Fördermengensteuerung mittels
einer Zumesseinheit und mittels eines Mengensteuerventils miteinander
kombiniert. Beispielsweise entfällt
die bei einer Zumesseinheit vorhandene Restleckage, die dort aufgrund
von zwingend vorhandener Kolbenspiele vorliegt, so dass auch eine entsprechende
Nullförderdrossel
stromaufwärts
von der Kraftstoffpumpe nicht erforderlich ist. Überhaupt entfällt die
Zumesseinheit als zusätzliches
Bauteil, welches zusätzliche
Toleranzen und Kosten verursacht. Andererseits ist auch die fördersynchrone
Ansteuerung eines Mengensteuerventils nicht erforderlich, die eine
aufwändige
Elektronik, entsprechende Sensoren und eine entsprechende Software
benötigt.
Die erfindungsgemäß vorgesehene
Beeinflussung des maximal möglichen Öffnungshubs
kann dagegen kontinuierlich mit einem entsprechend einfach bauenden
Aktor eingestellt werden.
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Soll
die Kraftstoffpumpe überhaupt
keinen Kraftstoff fördern
("Nullförderung"), wird der maximal mögliche Öffnungshub
auf null begrenzt, das Ventilelement also während eines Saughubs im Ventilsitz gehalten.
Das Einlassventil bleibt damit geschlossen und ist dicht. Bei Vollförderung
wird dagegen der während
eines Saughubs des Förderkolbens
maximal mögliche Öffnungshub
des Ventilelements maximiert, das Einlassventil kann also beim Ansaugen vollständig öffnen.
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Besonders
einfach kann die erfindungsgemäß vorgesehene
Beeinflussung des maximal möglichen Öffnungshubs
des Ventilelements des Einlassventils dadurch realisiert werden,
dass die Betätigungseinrichtung
die Stellung eines Hubanschlags für das Ventilelement beeinflusst.
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Dabei
ist es wiederum vorteilhaft, wenn die Stellung stufenlos beeinflusst
werden kann. Damit können
beliebige Fördermengen
bei der Kraftstoffpumpe eingestellt werden.
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Eine
einfache und kostengünstige
Realisierung der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe
besteht darin, dass die Betätigungseinrichtung
eine zum Einlassventil koaxiale und axial bewegliche Hülse umfasst,
in der ein Anschlagelement, insbesondere ein Federteller des Einlassventils
aufgenommen ist und die einen mit dem Anschlagelement zusammenwirkenden
und den Hubanschlag bildende Endfläche aufweist.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Hülse um ihre
Längsachse
drehbar mit einer nockenartigen Randkontur ausgebildet ist, die
mit einem gehäuseseitigen
Teil so zusammenwirkt, dass einer bestimmten Winkellage eine bestimmte
Axialposition der Hülse
zugeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der besonderen
Robustheit.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Hülse ein
geschlitztes Rohr umfasst, welches an dem dem Einlassventil zugewandten
Ende eine U-förmige,
den Hubanschlag bildende Endfläche
aufweist. Hierdurch wird die Montage der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe
vereinfacht.
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Die
Betätigungseinrichtung
kann einen preiswerten elektromagnetischen Aktor umfassen. Vor allem
dann, wenn die Betätigungseinrichtung
größere Kräfte aufnehmen
oder aufbringen soll, ist es vorteilhaft, wenn die Betätigungseinrichtung
hydraulisch arbeitet.
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Eine
einfache Realisierung einer solchen hydraulischen Betätigungseinrichtung
kann darin bestehen, dass die Betätigungseinrichtung einen Druckraum
umfasst, der mindestens mittelbar vom Ventilelement des Einlassventils
begrenzt wird, wobei der Druck in dem Druckraum verändert werden kann.
Hierdurch wird die Anzahl der Teile der Kraftstoffpumpe reduziert.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass ein Federteller von
einer Feder gegen einen Stützabschnitt
des Ventilelements beaufschlagt wird, und der Federteller als kolbenartiges
und fluiddicht in einem Gehäuse
geführtes
Teil ausgebildet ist, das den Druckraum begrenzt. Hierdurch werden
die erforderlichen Teile nochmals reduziert und damit der Aufbau
der Kraftstoffpumpe vereinfacht.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe;
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2 einen
teilweisen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Hochdruckpumpe
von 1;
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3 eine
Darstellung ähnlich 2 einer zweiten
Ausführungsform;
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4 eine
Darstellung ähnlich 2 einer dritten
Ausführungsform;
und
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5 eine
perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung eines Bereichs
der Kraftstoffpumpe von 4.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine Vorförderpumpe 14 Kraftstoff
in eine Niederdruckleitung 16 fördert. Der Druck in der Niederdruckleitung 16 wird
durch ein Drucksteuerbeziehungsweise Druckregelventil 18 eingestellt.
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Die
Niederdruckleitung 16 führt
zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20. Diese wird mechanisch
von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben. Sie verdichtet
den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn zu einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 22,
der auch als "Rail" bezeichnet wird.
An diesen sind mehrere Injektoren 24 angeschlossen, die
den Kraftstoff unter hohem Druck in ihnen direkt zugeordnete Brennräume 26 einspritzen.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und
Regeleinrichtung 28 gesteuert und geregelt. Hierzu erhält die Steuer-
und Regeleinrichtung 28 Signale von verschiedenen Sensoren,
beispielsweise von einem Drucksensor 30, der den Druck
in dem Rail 22 erfasst. Angesteuert werden von der Steuer- und
Regeleinrichtung 28 beispielsweise die Injektoren 24.
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Die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 ist, wie weiter unten noch
im Detail erläutert
werden wird, als Ein-Zylinder-Kolbenpumpe ausgebildet. Sie umfasst ein
als Feder-Rückschlagventil
ausgebildetes und druckdifferenzbetätigtes Einlassventil 32 und
ein ebenfalls als Feder-Rückschlagventil
ausgebildetes druckdifferenzbetätigtes
Auslassventil 34. Das Einlassventil 32 ist mit
einer Betätigungseinrichtung 36 verbunden,
durch die, wie weiter unten ebenfalls stärker im Detail dargestellt
werden wird, ein maximal möglicher Öffnungshub
eines Ventilelements des Einlassventils 32 beeinflusst
werden kann. Hierzu wird die Betätigungseinrichtung 36 ebenfalls
von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 angesteuert. Auf diese
Weise kann die Förderleistung
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 beeinflusst werden.
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Eine
erste Ausführungsform
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 und der zugehörigen Betätigungseinrichtung 36 ist
in 1 dargestellt. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 umfasst
ein Gehäuse 38,
in dem ein Förderkolben 40 längs verschieblich aufgenommen
ist. Der Förderkolben 40 wird
im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 von einem nicht dargestellten
Nocken, der wiederum von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben
wird, in eine Hin- und Herbewegung versetzt. Der Förderkolben 40 begrenzt mit
seinem in 2 oberen Ende einen Förderraum 42.
Dieser wird nach oben hin von dem Einlassventil 32 begrenzt,
welches von einer Verschlussschraube 44 in Einbaulage gehalten
wird. Vom Förderraum 42 zweigt
auch ein Auslasskanal 46 ab, der zum Auslassventil 34 führt.
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Das
Einlassventil 32 umfasst ein Ventilgehäuse 48, bei dem es
sich im Wesentlichen um einen rotationssymmetrischen zylindrischen
Körper
handelt, der mit einer in Längsrichtung
des Ventilgehäuses 48 verlaufenden
Durchgangsöffnung 50 versehen
ist. Von dieser zweigen mehrere radial verlaufende Einlasskanäle 52 ab,
die in einen zwischen dem Ventilgehäuse 48 und dem Gehäuse 38 der
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 liegenden Einlass-Ringraum 54 münden. In
diesen mündet
auf in 2 nicht sichtbare Art und Weise die Niederdruckleitung 16.
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In
der Durchgangsöffnung 50 des
Ventilgehäuses 48 ist
ein längliches
Ventilelement 56 aufgenommen. An seinem in 2 unteren
Ende weist dieses einen Ventilteller 58 auf der in der
in 2 gezeigten geschlossenen Stellung des Einlassventils 32 mit
einem am Ventilgehäuse 48 vorhandenen Ventilsitz 60 zusammenarbeitet.
An dem in 2 oberen Ende des Ventilelements 56 ist
in dessen Mantelfläche
eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 62 vorhanden, in
die ein Sprengring 64 eingelegt ist. An diesem stützt sich
in 2 von unten her ein Federteller 66 ab.
Zwischen letzterem und dem Ventilgehäuse 48 ist eine Ventilfeder 68 verspannt,
durch die der Federteller 66 gegen den Sprengring 64 gedrückt und
insgesamt das Ventilelement 56 in seine geschlossene Stellung
beaufschlagt wird.
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Zum
Einlassventil 32 koaxial ist eine längs geschlitzte (in 2 nicht
sichtbar, da außerhalb
der Zeichnungsebene liegend) Hülse 70 angeordnet,
in der der Federteller 66 aufgenommen ist. Am in 2 unteren
Ende der Hülse 70 ist
ein sich nach radial einwärts
erstreckender Abschnitt 72 vorhanden, der den Federteller 66 im
Bereich von dessen Rand untergreift. Die zum Federteller 66 gewandte
Endfläche 74 des
Abschnitts 72 hat daher U-förmige Gestalt und bildet, wie
weiter unten noch im Detail dargestellt ist, einen Hubanschlag für das Ventilelement 56 des Einlassventils 32.
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Die
Hülse 70 ist
in der Verschlussschraube 44 axial gleitend geführt. Ihre
axiale Position wird durch einen elektromagnetischen Aktor 76 eingestellt,
der wiederum von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 angesteuert
wird. Die Hülse 70 und
der elektromagnetische Aktor 76 gehören zu der bereits im Zusammenhang
mit 1 eingeführten
Betätigungseinrichtung 36,
mit der ein maximal möglicher Öffnungshub
des Ventilelements 56 des Einlassventils 32 beeinflusst
werden kann.
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Die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 mit der Betätigungseinrichtung 36 arbeitet
folgendermaßen: Bei
einem Förderhub
des Förderkolbens 40 in 2 nach
oben wird im Förderraum 42 vorhandener
Kraftstoff komprimiert und schließlich über das Auslassventil 34 in
das Rail 22 gefördert.
Die Menge des im Förderraum 42 vorhandenen
Kraftstoffes wird vorliegend durch den Hub des Ventilelements 56 des
Einlassventils 32 während
eines Saughubs des Förderkolbens 40 in 2 nach
unten eingestellt. In dem in 2 dargestellten
einen Extremfall ist dieser Öffnungshub
gleich null, denn der Ventilteller 58 liegt am Ventilsitz 60 an
und die Hülse 70 mit
dem Hubanschlag 74 ist vom elektromagnetischen Aktor 76 in eine
solche axiale Position gebracht worden, dass der Federteller 66 in
der geschlossenen Position des Einlassventils 32 am Hubanschlag 74 anliegt.
Das Ventilelement 56 ist also in der geschlossenen Position
blockiert. Während
eines Saughubs des Förderkolbens 40 bleibt
daher das Einlassventil 32 geschlossen, es kann kein Kraftstoff
von der Niederdruckleitung 16 in den Förderraum 42 gelangen.
Es wird daher in diesem ersten Extremfall von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 überhaupt
kein Kraftstoff gefördert.
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Für den anderen
Extremfall wird die Hülse 70 von
dem elektromagnetischen Aktor 76 nach unten bewegt. Bei
geschlossenem Ventilelement ist also nun ein Spalt zwischen dem
Federteller 66 und dem Hubanschlag 74 vorhanden.
Bei einem Saughub des Förderkolbens 44 kann
nun das Ventilelement 56 mit dem Ventilteller 58 aufgrund
der Druckdifferenz zwischen der Niederdruckleitung 16 und
dem Förderraum 42 vom
Ventilsitz 60 abheben, und zwar um eine maximale Strecke.
Der Öffnungshub
ist also maximal, die in den Förderraum 42 gelangende
Kraftstoffmenge ist maximal, und somit ist auch die von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 bei
einem Förderhub
in das Rail 22 geförderte
Kraftstoffmenge maximal.
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Die
axiale Position der Hülse 70 kann
von dem elektromagnetischen Aktor 76 stufenlos eingestellt
werden in Zwischenpositionen, die zwischen den beiden oben beschriebenen
Extrempositionen liegen. Damit kann der Spalt, der bei geöffnetem
Ventilelement 56 zwischen dem Ventilteller 58 und
dem Ventilsitz 60 vorhanden ist, und damit auch die in
den Förderraum 42 gelangende
Kraftstoffmenge beeinflusst werden. Letztlich wird auf diese Weise
also die Förderleistung
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 beeinflusst. Dabei kann
die Stellung des Hubanschlags 74 stufenlos beeinflusst
werden, da beliebige axiale Zwischenstellungen der Hülse 70 von
dem elektromagnetischen Aktor 76 hergestellt werden können.
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Eine
alternative Ausführungsform
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 ist in 3 gezeigt. Dabei
gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, die äquivalente
Funktionen zu vorab beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die
gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
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Der
Unterschied der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 von 3 zu
jener von 2 betrifft die Betätigungseinrichtung 36:
Diese arbeitet bei der in 3 dargestellten
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 hydraulisch.
Hierzu ist der Federteller 66 kolbenartig ausgebildet und
in einer Ausnehmung 78 in der Verschlussschraube 44 fluiddicht
und axial beweglich geführt.
Auf diese Weise ist zwischen dem Federteller 66 und der
Verschlussschraube 44 ein Druckraum 80 gebildet.
In einem zwischen dem Federteller 66 und dem Ventilgehäuse 48 gelegenen
Bereich 81, in dem auch die Ventilfeder 68 angeordnet
ist, herrscht der in der Niederdruckleitung 16 vorliegende
Druck, da dieser Bereich mit dem Einlass-Ringraum 54 verbunden
ist. Dieser Druck ist im Wesentlichen konstant.
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Der
Druckraum 80 ist über
eine Leitung 82 mit einer einstellbaren Drossel 84 verbunden,
durch die der Druck im Druckraum 80 gezielt verändert und Fluid
aus dem Druckraum 80 abgeführt oder in diesen eingefüllt werden
kann und die von der Steuer- und Regeleinrichtung 28 angesteuert
wird. Für
eine Nullförderung
wird der Druck im Druckraum 80 abgesenkt, wodurch der Federteller 66 in
seiner in 3 obersten Stellung festgelegt
wird, in der er den Ventilteller 58 gegen den Ventilsitz 60 blockiert.
Für eine Maximalförderung
wird der Druck im Druckraum 80 erhöht. Während eines Saughubs des Förderkolbens 40 stellt
sich somit unter Berücksichtigung
des Drucks in dem Zwischenraum 81 und der Kraft der Ventilfeder 68 ein
Kräftegleichgewicht
bei einem bestimmten Öffnungshub
des Ventilelements 56 ein.
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Eine
nochmals abgeänderte
Ausführungsform
ist in den 4 und 5 gezeigt:
Diese ähnelt jener
von 2. Die Verstellung der Axialposition der Hülse 70 wird
jedoch durch eine Rotation dieser Hülse 70 bewirkt, und
zwar um deren Längsachse
entsprechend der Pfeile 86 in den 4 und 5. Hierzu
ist die Oberseite des Ventilgehäuses 48 mit
einer nockenartig gekrümmten
Wirkfläche 88 versehen,
die mit einer komplementär
ausgebildeten unteren Randkontur 90 der Hülse 70 zusammenarbeitet. Auf
diese Weise ist einer bestimmten Winkellage der Hülse 70 eine
bestimmte Axialposition zugeordnet.