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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit mindestens
einem Pumpenelement, das einen Elementraum umfasst, der im geöffneten
Zustand eines Saugventils über einen Saugventilraum mit
einem Niederdruckbereich in Verbindung steht, aus dem Kraftstoff
in den Elementraum angesaugt wird, wo der Kraftstoff durch einen
von einer Antriebswelle angetriebenen Kolben mit Hochdruck beaufschlagt
wird.
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Stand der Technik
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 027 851 A1 ist
ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine
mit einer vorab beschriebenen Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt.
Der Elementraum der Pumpe wird von einem Pumpenkolben begrenzt,
der durch eine Antriebswelle angetrieben ist. Durch eine Saughubbewegung
des Pumpenkolbens wird Kraftstoff über ein geöffnetes
Saugventil, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 026 511
A1 offenbart ist, in den Elementraum angesaugt, durch den
Pumpenkolben mit Hochdruck beaufschlagt und über ein Hochdruckventil
in eine Kraftstoffsammelleitung gefördert, die auch als
Rail bezeichnet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, im Betrieb einer Kraftstoffhochdruckpumpe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unerwünschte
Druckpulsationen in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine
zu reduzieren.
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Die
Aufgabe ist bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit mindestens
einem Pumpenelement, das einen Elementraum umfasst, der im geöffneten
Zustand eines Saugventils über einen Saugventilraum mit
einem Niederdruckbereich in Verbindung steht, aus dem Kraftstoff
in den Elementraum angesaugt wird, wo der Kraftstoff durch einen
von einer Antriebswelle angetriebenen Kolben mit Hochdruck beaufschlagt
wird, dadurch gelöst, dass dem Saugventil eine Mengen-/Druckkompensationseinrichtung
zugeordnet ist. Bei hohen Pumpendrehzahlen kann es passieren, dass
das Saugventil zu Beginn der Förderphase noch nicht vollständig
geschlossen ist. Dann schiebt der Pumpenkolben eine gewisse Menge
Kraftstoff durch das sich schließende Saugventil wieder
zurück in den Niederdruckbereich, insbesondere einen Niederdruckkreis.
Die zurückgeförderte Kraftstoffmenge führt
zu Druckinstabilitäten, zum Beispiel zu Dampfphasenbereichen
und/oder hohen Druckspritzen, im Niederdruckbereich. Mit der erfindungsgemäßen
Mengen-/Druckkompensationseinrichtung können die in den
Niederdruckbereich zurückgeförderten Kraftstoffmengen,
zumindest teilweise, kompensiert und das Druckverhalten des Niederdruckbereichs
stabilisiert werden. Durch die Anordnung der Mengen-/Druckkompen-sationseinrichtung
direkt am Saugventil werden unerwünschte Reflexionen im
Leitungssystem des Niederdruckbereichs deutlich verringert.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen-/Druckkompensationseinrichtung
in dem Saugventilraum angeordnet ist. Vorzugsweise ist in dem Saugventilraum
ein Saugventilkolben und/oder Saugventilschließkörper,
zumindest teilweise angeordnet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen-/Druckkompensationseinrichtung
in einem zu dem Saugventil gehörigen Federtellerraum angeordnet
ist, der mit dem Saugventilraum in Verbindung steht. Der Federtellerraum
ist nach einem Federteller benannt, der einen Anschlag für
eine Saugventilschließfeder darstellt. Die Saugventilschließfeder
dient vorzugsweise dazu, einen Saugventilschließkörper
in eine Schließstellung vorzuspannen. Vorzugsweise ist
die Verbindung zwischen dem Federtellerraum und dem Saugventilraum
druckausgeglichen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen-/Druckkompensationseinrichtung
ein Kolben-Federsystem mit einem Kompensationskolben und einer Kompensationsfeder
umfasst. Der Kompensationskolben ist vorzugsweise mit dem Druck
aus dem Saugventilraum und/oder dem Federtellerraum beaufschlagt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationskolben einen Durchmesser
von etwa 5,5 Millimeter aufweist. Bei im Rahmen der vorliegenden
Erfindung durchgeführten Simulationsrechnungen hat sich
dieser Wert als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsfeder eine Federkonstante
von etwa 2 Newton pro Millimeter und eine Federvorspannung von etwa
5 Newton aufweist. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten
Simulationsrechnungen haben sich diese Werte als besonders vorteilhaft
erwiesen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationskolben mit einer
gedämpften Masse gekoppelt ist. Die gedämpfte Masse
ist vorzugsweise um einen begrenzten Hub hin und her bewegbar.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen-/Druckkompensationseinrichtung
eine Membran aufweist. Bei der Membran kann es sich beispielsweise
um eine anvulkanisierte Gummimembran oder um eine dünne
Metallmembran handeln.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen/Druckkompensationseinrichtung
eine Drucktablette umfasst. Die Drucktablette ist vorzugsweise mit
Gas gefüllt und besitzt zusätzlich eine mechanische
Federsteifigkeit.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe mehrere
Pumpenelemente aufweist, die jeweils einen Elementraum umfassen,
der im geöffneten Zustand eines zugehörigen Saugventils über
einen Saugventilraum mit dem Niederdruckbereich in Verbindung steht,
wobei jedem Saugventil eine Mengen- /Druckkompensationseinrichtung
zugeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass sich zurückgeförderte
Druckwellen und/oder Mengenwellen allenfalls deutlich abgeschwächt
in dem Niederdruckbereich ausbreiten.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben
sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
einen Hydraulikschaltplan eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer
Kraftstoffhochdruckpumpe mit zwei Saugventilen;
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Saugventils mit einer erfindungsgemäßen
Druckkompensationseinrichtung und
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3 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Mengen-/Druckkompensationseinrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Kraftstoffhochdruckpumpe 1 in einer Blockschaltbilddarstellung.
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Die
Kraftstoffhochdruckpumpe 1 ist Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems,
das im Wesentlichen aus einem Tank 3, einer Vorförderpumpe 5,
einem Filter 7, einem Rail 9 und einem Druckbegrenzungsventil 11 besteht.
Die Injektoren, welche an das Rail 9 angeschlossen sind, sind
in 1 nicht dargestellt. Das Druckbegrenzungsventil 11 mündet
in eine Rücklaufleitung 13, in die auch die Leckagemengen
der nicht dargestellten Injektoren abgeführt werden. Die
Rücklaufleitung 13 mündet bei diesem
ersten Ausführungsbeispiel in den Tank 3 und treibt
dort eine Strahlpumpe an.
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Im
Inneren der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 ist ein Temperatursenor
T angeordnet. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 1 ist über
einen Kraftstoffzulauf 15, den Filter 7 und die
Vorförderpumpe 5 hydraulisch mit dem Tank 3 verbunden.
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Innerhalb
der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 zweigt von dem Kraftstoffzulauf 15 eine
erste Zweigleitung 17 ab, in der eine Zumesseinheit 19 angeordnet
ist. Die Zumesseinheit 19 dient dazu, die von Pumpenelementen 21 der
Kraftstoffhochdruckpumpe angesaugte Kraftstoffmenge und damit auch
deren Fördermenge zu steuern. Dazu werden die Saugseiten
der Pumpenelemente 21 über eine Verteilleitung 23 mit
dem Ausgang der Zumesseinheit 19 hydraulisch verbunden.
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Die
Pumpenelemente 21 bestehen im Wesentlichen aus Saugventilen 25,
hochdruckseitigen Rückschlagventilen 27 und einem
Kolben 29, der in einer Zylinderbohrung oszilliert. Die
Kolben 29 der Pumpenelemente 21 werden über
Rollenstößel 31 von Nocken 33 einer
Antriebswelle 35 angetrieben. Die Pumpenelemente 21 fördern
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff über eine Hochdruckleitung 37 in
das Rail 9.
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Die
Nocken 33 sind Teil einer Antriebswelle 35, die
zu beiden Seiten der Nocken 33 in einem ersten Lager und
in einem zweiten Lager in einem (nicht dargestellten) Pumpengehäuse
drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 35 ist in einem
Innenraum 38 des Pumpengehäuses angeordnet. Die
Lager der Antriebswelle 35 sind in dem Blockschaltbild
gemäß 1 als Drosselstelle dargestellt.
Das erste Lager hat in 1 das Bezugszeichen 39,
während das zweite Lager mit dem Bezugszeichen 41 versehen wurde.
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Ein
Kraftstoffrücklauf 43 stellt eine hydraulische
Verbindung zwischen dem Innenraum 38 des Pumpengehäuses
und der Rücklaufleitung 13 her. In dem Kraftstoffrücklauf 43 ist
ein Druckregelventil 45 angeordnet. In das Druckregelventil 45 können
unterschiedliche (nicht dargestellte) Drosseln integriert sein.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ist
das Druckregelventil 45 stromabwärts des Innenraums 38 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 1 angeordnet. Dies bedeutet, dass
in dem Innenraum 38 nahezu der gleiche Druck wie auf der Druckseite
der Vorförderpumpe 5 herrscht. In der Regel beträgt
der Druck auf der Druckseite der Vorförderpumpe 5 und
damit des Innenraums 38 etwa 3 bar bis etwa 6 bar.
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Dieser
im Innenraum 38 herrschende Druck führt zu einer
Verringerung der Kavitationsneigung und damit zur Unterdrückung
von Dampfblasen, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Außerdem
führt der erhöhte Innendruck im Innenraum 38 des
Pumpengehäuses dazu, dass Kraftstoff durch das erste Lager 39 und
das zweite Lager 41 gepresst wird. Dadurch wird, abhängig
von im Innenraum 38 herrschenden Druck, der Viskosität
des Kraftstoffs und dem Strömungswiderstand des ersten
Lagers 39 und des zweiten Lagers 41 eine definierte
Kraftstoffmenge durch die Lager 39 und 41 gepresst.
Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Belastbarkeit
sowohl des ersten Lagers 39, als auch des zweiten Lagers 41.
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Da
das erste Lager 39 und das zweite Lager 41 in
der Regel als Gleitlager ausgebildet sind, bildet sich durch die
zwangsweise Durchströmung der Lager 39 und 41 in
den Lagern 39 und/oder 41 ein hydrostatischer
Schmierkeil aus. Dadurch erhöht sich die Belastbarkeit
des ersten Lagers 39 und des zweiten Lagers 41 erheblich
und gleichzeitig wird auch die Wärmeabfuhr aus dem ersten
Lager 39 und dem zweiten Lager 41 verbessert.
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Um
die Streuung der Kraftstoffmenge, welche durch das erste Lager 39 strömt,
und damit auch die Streuung der Belastbarkeit des ersten Lagers
zu verringern, ist in Reihe mit dem ersten Lager 39 eine erste
optionale Durchflussbegrenzungseinrichtung 47 angeordnet.
Diese erste Durchflussbegrenzungseinrichtung kann, wie in 1 angedeutet,
als Drossel ausgebildet sein. Alternativ kann sie auch als Blende
oder als Stromregelventil ausgebildet sein.
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In 1 ist
im Kraftstoffzulauf 15 ein Filter vorgesehen, der auch
die Funktion einer Dämpfungseinrichtung 49 übernimmt.
Damit können eventuell auftretende Druckschwingungen im
Niederdruckbereich gedämpft werden. Alternativ kann die
Dämpfungseinrichtung 49 auch als Dämpfer
mit einem Gaspolster ausgebildet sein oder entfallen.
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Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der Erfindung wird direkt am Saugventil eine
Mengen-/Druckkompensationseinrichtung angebracht. Speziell bei Mehrkolbenpumpen
ist es wichtig, dass an allen Saugventilen jeweils eine Mengen-/Druckkompensationseinrichtung
angebracht wird. Der Vorteil gegenüber anderen Positionen
ist, dass sich zurückgeförderte Druckwellen und/oder
Mengenwellen nur deutlich abgeschwächt in den Niederdruckbereich
ausbreiten und Reflexionen im Leitungssystem abgeschwächt
werden.
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Dadurch
können unerwünschte Einbrüche in den
Förderkennlinien vermieden werden. Darüber hinaus
werden Gleichförderungsunterschiede zwischen den einzelnen
Pumpenelementen deutlich verringert. Außerdem kann die
maximale Förderrate der Kraftstoffhochdruckpumpe erhöht
werden.
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In 2 ist
ein Saugventil 110, wie es in 1 mit 25 bezeichnet
ist, im Schnitt detailliert dargestellt. Das Saugventil 110 umfasst
ein Gehäuse 112, in dem ein Ventilkolben 114 verschiebbar
gelagert ist. Der Ventilkolben 114 weist an seinem in 2 unteren
Ende einen Ventilteller 116 auf, der in der geschlossenen
Stellung des Saugventils 110 dichtend an einem im Gehäuse 112 vorgesehenen Ventilsitz 118 anliegt.
Die Stirnseite an dem freien Ende des Ventiltellers 116 begrenzt
einen Elementraum 117, der auf der gegenüberliegenden
Seite durch den Pumpenkolben (29 in 1) begrenzt wird.
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Der
Ventilkolben 114 ist mit Hilfe einer Ventilfeder 120 in
die geschlossene Stellung des Saugventils 110 vorgespannt.
Die Ventilfeder 120 stützt sich in der Außenseite
des Gehäuses 112 ab und ist dort mit Hilfe einer
am Gehäuse 112 ausgebildeten Ringschulter 122 positioniert.
Die Ventilfeder 120 wirkt an ihrem vom Gehäuse 112 abgewandten
Ende mit einem Abstützelement 124 zusammen, das
auch als Federteller bezeichnet wird und das über ein Ringelement 126 mit
dem Ventilkolben 114 gekoppelt ist. Das Ende des Ventilkolbens 114 mit
dem Federteller 124 ist in einem Federtellerraum 125 angeordnet.
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In
dem Gehäuse 112 sind mindestens zwei in 2 horizontal
verlaufende Leitungen oder Kanäle 127 und 128 vorgesehen.
Die Kanäle 127 und 128 münden
in einen Saugventilraum 132, dessen Wandung 134 im
Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Der Saugventilraum 132 wird
auch als Ventilkolbenraum bezeichnet.
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Der
Saugventilraum 132 steht (in 2 nicht dargestellt)
mit dem Federtellerraum 125 in Verbindung. Der Federtellerraum 125 erstreckt
sich in einem Sackloch 140, das in einer Verschlussschraube 142 ausgespart
ist. Im Bereich des Bodens des Sacklochs 140, das heißt
in 2 oberhalb des Federtellers 124, ist
eine erfindungsgemäße Mengen-/Druckkompensationseinrichtung 160 angeordnet.
Die Mengen-/Druckkompensationseinrichtung 160 umfasst einen
Ringkörper 162, zum Beispiel aus Aluminium, der
in das Sackloch 140 eingepresst ist. Der Ringkörper 162 begrenzt
in seinem Inneren ein Volumen 163, das mit einem kompressiblen
Medium, zum Beispiel mit Luft, gefüllt ist. Das Volumen 163 ist
gegenüber dem mit Kraftstoff befüllten Federtellerraum 124 durch
eine Membran 164 abgeschlossen.
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Durch
eine gestrichelte Linie 170 ist angedeutet, dass die Menge-/Druckkompensationseinrichtung
auch von einer Drucktablette dargestellt werden kann, die mit einem
Gas gefüllt ist und zusätzlich eine mechanische
Federsteifigkeit aufweist. Die mechanische Federsteifigkeit kann
zum Beispiel durch einen aufgeschäumten Kunststoff realisiert werden.
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In 3 ist
eine Mengen-/Druckkompensationseinrichtung 180 in Form
eines Kolben-Federsystems dargestellt. Das Kolben-Federsystem umfasst eine
Kompensationsfeder 182, die mit einem Ende zum Beispiel
an die Verschlussschraube 142 angebunden ist. An ihrem
anderen Ende ist die Kompensationsfeder 182 mit einem Kompensationskolben 184 gekoppelt,
der, wie durch Pfeile 185, 186 angedeutet ist,
mit dem Druck beaufschlagt ist, der in dem Federtellerraum (125 in 2)
herrscht. Der Kompensationskolben 184 kann aber auch mit
dem Druck beaufschlagt sein, der in dem Saugventilraum (132 in 2)
herrscht. Der Kompensationskolben 184 ist mit einer Masse 188 gekoppelt,
die in einem Zylinder 189 gedämpft und begrenzt
hin und her bewegbar ist. Die der Feder 182 zugewendete
Umgebung der Kolbenfläche ist vom Niederdruckbereich in
der Pumpe entkoppelt. Zur Entkoppelung ist der Raum oberhalb des
Kolbens 184 zum Beispiel an den Pumpenrücklauf
angeschlossen, der keinen bedeutenden Gegendruck zur Kolbenbewegung
erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005027851
A1 [0002]
- - DE 102005026511 A1 [0002]