DE102008045741B4

DE102008045741B4 - Geräuscharme Kraftstoffeinspritzpumpe

Info

Publication number: DE102008045741B4
Application number: DE102008045741.8A
Authority: DE
Inventors: John M. Beardmore; Thomas V. Timmons
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: US20090065292A1; CN101382106A; CN101382106B; US7610902B2; DE102008045741A1

Abstract

Kraftstoffpumpeneinheit (24F; 24G) zum Unterdrucksetzen von Kraftstoff (19), wobei die Pumpeneinheit (24F; 24G) aufweist:
eine eine Pumpenkammer (59) definierende Pumpenbuchse (50);
einen in der Pumpenkammer (59) angeordneten Plunger (48F; 48G), der innerhalb der Pumpenkammer (59) beweglich ist, um den Kraftstoff (19) unter Druck zu setzen, wobei der Plunger (48F; 48G) eine Bewegungshauptachse (55) aufweist;
ein Nockenstößelelement, das mit dem Plunger (48F; 48G) in ununterbrochenem Kontakt steht und in Antwort auf eine Bewegung einer Motorkomponente (42) zusammen mit dem Plunger (48F; 48G) entlang der Hauptachse (55) beweglich ist; und
mindestens eine Elastizitätsvorrichtung (92E; 92F), die dafür konfiguriert ist, eine Hydraulikgeräuschkomponente entlang der Hauptachse (55) zu dämpfen;
wobei die mindestens eine Elastizitätsvorrichtung (92E; 92F) einen Hohlraum aufweist, der zur Verwendung als ein Hydraulikdruckspeicher zum Vergrößern eines Totvolumens im Plunger (48F; 48G) geeignet ist, wobei der Hohlraum über eine Steueröffnung (27) mit der Pumpenkammer (59) in Fluidverbindung steht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Direkt-Hochdruckpumpeneinheit mit einer höheren hydraulischen und/oder mechanischen Elastizität zum Minimieren einer Hydraulikgeräuschkomponente während eines Verdichtungshubs der Hochdruckpumpeneinheit.
Hintergrund der Erfindung
Eine Kraftstoffpumpe wird zum Bewegen einer Kraftstoffmenge von einer Kratftstoffquelle zu einem Kraftstoffzufuhrsystem eines Verbrennungsmotors verwendet. In Abhängigkeit vom Typ des Kraftstoffzufuhrsystems, das beispielsweise ein Vergasersystem, ein Drosselklappeneinspritzsystem, ein Porteinspritzsystem oder ein Direkt-Kraftstoffeinspritzsystem sein kann, kann der Kraftstoff mit einem relativ niedrigen oder hohen Druck zugeführt werden. Beispielsweise erfordert ein Kraftstoffeinspritzsystem typischerweise, dass der Kraftstoff mit einem höheren Druck als bei einem Vergasersystem zugeführt werden muss.
Motoren mit Direkteinspritzung und Funkenzündung (SIDI) verwenden typischerweise eine Hochdruckkraftstoffpumpe, die durch eine Nockenwelle angetrieben wird, die für eine Ventiltriebbetätigung des Verbrennungsmotors verwendet wird. Es ist vorteilhaft, die Kraftstoffpumpe durch die Nockenwelle oder einen Nockenwellenantriebsmechanismus anzutreiben, weil bestimmte Aspekte des Pumpenbetriebs möglicherweise mit dem Motor synchronisiert sein müssen.
Mögliche Vorteile von SIDI-Motoren beinhalten eine wesentliche Erhöhung der Motorleistung, einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, einen glatteren Anlass- oder Startvorgang und verminderte Emissionen am Auspuffendrohr. Weil mit SIDI-Motoren verwendete Kraftstoffeinspritzpumpensysteme, die mit höheren Drücken betrieben werden, typischerweise Verteilerleistendrücke von etwa 150 bis 200 bar verwenden, kann die Leistungsfähigkeit derartiger Einheiten unter bestimmten Bedingungen jedoch geringer sein als optimal, insbesondere während Perioden, in denen der Motor mit einer relativ niedrigen Drehzahl läuft.
US 6 053 208 A offenbart eine Kraftstoffpumpenanordnung zur Bereitstellung von Kraftstoff für Einspritzventile einer Brennkraftmaschine. Die Anordnung umfasst eine Hochdruckkraftstoffpumpe mit einer Druckkammer und einem Kolben, an dessen Ende ein Stößel angebracht ist. Zur Absorption von Druckwellen des unter Druck gesetzten Kraftstoffs ist in dem Gehäuse der Kraftstoffpumpenanordnung eine Hochdruckdämpfungseinrichtung vorgesehen. Weiterer Stand der Technik ist aus EP 1 084 345 B1 , DE 199 57 591 A1 und DE 1 940 231 A bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoffpumpeneinheit mit einer Vorrichtung zur Reduzierung einer Hydraulikgeräuschkomponente in der Kraftstoffpumpeneinheit bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Kraftstoffpumpeneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Die vorstehend erwähnten Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Techniken zum Implementieren der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Hochdruck(HD)kraftstoffpumpeneinheit;
2 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Teils einer HD- Kraftstoffpumpeneinheit;
2A zeigt eine schematische Darstellung zum Beschreiben einer Beziehung zwischen einem Plungerhub und einem Nockenwinkel;
3 zeigt eine andere schematische Querschnittansicht eines anderen Teils der HD-Kraftstoffpumpeneinheit von 2;
3A zeigt eine Teil-Querschnittansicht eines Nockenstößelabschnitts der in den 2 und 3 dargestellten HD-Kraftstoffpumpeneinheit;
4A zeigt eine schematische Teil-Querschnittansicht eines repräsentativen Buchsenabschnitts einer HD-Kraftstoffpumpeneinheit;
4B zeigt eine Teil-Querschnittansicht eines alternativen Buchsenabschnitts der HD-Kraftstoffpumpeneinheit der 2 und 3, wobei der Buchsenabschnitt zwei miteinander verbundene Volumina aufweist, die einen Druckspeicher bilden;
4C zeigt eine schematische Teil-Querschnittansicht eines alternativen Buchsenabschnitts der HD-Kraftstoffpumpeneinheit der 2 und 3 mit einem in einem der beiden miteinander verbundenen Volumina angeordneten Kolbendruckspeicher;
4D zeigt eine schematische Teil-Querschnittansicht eines alternativen Buchsenabschnitts der HD-Kraftstoffpumpeneinheit der 2 und 3 mit einem in einem der beiden miteinander verbundenen Volumina angeordneten Scheibendämpfer;
5A zeigt eine Teil-Querschnittansicht eines Plungers mit einer erhöhten hydraulischen Elastizität;
5B zeigt eine schematische Teil-Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Plungers von 5A; und
5C zeigt eine schematische Teil-Querschnittansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform des Plungers von 5A und 5B.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gemäß den Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnlichen oder gleichen Komponenten zugeordnet sind, und beginnend mit 1 weist ein Fahrzeug 10 einen mit einem Getriebe 14 antriebsmäßig verbundenen Motor 12 auf. Das Getriebe 14 weist ein Abtriebselement 20 auf, das mit mehreren Rädern (nicht dargestellt) antriebsmäßig verbunden ist, um ein Drehmoment oder Leistung vom Motor 12 zu den Rädern (nicht dargestellt) zu übertragen und das Fahrzeug 10 anzutreiben. In einer Ausführungsform ist der Motor 12 ein Motor mit Direkteinspritzung und Funkenzündung (SIDI), der Motor 12 kann jedoch auch ein Dieselmotor oder ein andersartiger Motor mit einer Hochdruckkraftstoffeinspritzung sein, dessen Funktionsweise Fachleuten bekannt ist.
Das Fahrzeug 10 weist einen Niederdruckkraftstoffspeicherbehälter oder Tank 15 auf, der einen verbrennbaren Kraftstoff 19, z.B. Benzin- oder Dieselkraftstoff, enthält. Eine Niederdruckförderpumpe 22, die in 1 auch mit dem Buchstaben „L“ bezeichnet ist, um einen Niederdruck darzustellen, ist innerhalb des Tanks 15 angeordnet und betreibbar, um eine Kraftstoffmenge über eine Kraftstoffleitung 11 einer erfindungsgemäßen Hochdruck(HD)pumpeneinheit 24 zuzuführen, die in 1 auch mit dem Buchstagen „H“ bezeichnet ist. Die HD-Pumpeneinheit 24 ist betreibbar, um den Kraftstoff 19 in einer Ausführungsform schnell auf etwa 150 bis 200 bar unter Druck zu setzen, die HD-Pumpeneinheit 24 kann jedoch dafür konfiguriert sein, den Kraftstoff 19 auf einen beliebigen Druck unter Druck zu setzen, der für die spezifische Konstruktion des Motors 12 erforderlich ist.
Der unter Druck gesetzte Kraftstoff 19A wird dann über die Hochdruckkraftstoffleitung 11A einer Kraftstoffverteilerleiste 16 zugeführt, die mindestens einen Drucksensor 13 aufweist, der dazu geeignet ist, einen Fluiddruck an oder in der Nähe der Kraftstoffverteilerleiste 16 zu erfassen. Von der Kraftstoffverteilerleiste 16 wird der unter Druck gesetzte Kraftstoff 19A dann durch eine Serie von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 16A direkt in den Motor 12 eingespritzt. Eine elektronische Steuereinheit oder ein Controller 17 ist mit dem Motor 12, der Kraftstoffverteilerleiste 16, der Förderpumpe 22 und der HD-Pumpeneinheit 24 elektrisch verbunden und stellt die erforderliche Steuerung und/oder Synchronisation der verschiedenen Komponenten der HD-Pumpeneinheit 24 bereit.
Gemäß 2 weist die HD-Pumpeneinheit 24 einen Zylinder oder eine Pumpenbuchse 50, einen Kolben oder Plunger 48, eine Plungerwelle 46, ein Nockenstößelelement 44 und verschiedene Fluidverbindungskanäle und Fluidsteuerventile auf, wie nachstehend beschrieben wird. Die HD-Pumpeneinheit 24 ist zur Verdeutlichung schematisch dargestellt, und die nachstehend beschriebenen verschiedenen Fluidverbindungskanäle können nach Erfordernis bezüglich der Pumpenbuchse 50 dimensioniert, konfiguriert und/oder geführt oder verlegt sein, um den innerhalb der HD-Pumpeneinheit 24 verfügbaren Raum am effizientesten auszunutzen.
Die Pumpenbuchse 50 ist aus einem hochfesten Material hergestellt, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder einer anderen geeigneten Metalllegierung, und definiert einen zylindrischen Hohlraum oder eine Pumpenkammer 59 mit einer kontinuierlichen zylindrischen Innenwand 59A. Der Plunger 48 ist allgemein zylinderförmig und innerhalb der Pumpenkammer 59 angeordnet und derart betätigbar, dass er in Antwort auf eine durch eine Motorkomponente, z.B. einen Nockenabschnitt 42, ausgeübte Kraft innerhalb der Pumpenkammer 59 in Richtung der Pfeile A und B alternierend gleitet oder bewegt wird, wie später beschrieben wird. Die Abdichtung des Plungers 48 innerhalb der Pumpenbuchse 50 basiert auf einem Präzisionssitz oder einer Präzisionspassung mit einer Toleranz von beispielsweise etwa 2 - 3 µm, die aber nicht auf diesen Bereich beschränkt ist.
Die HD-Pumpeneinheit 24 ist, wie dargestellt, mit einem doppeltwirkenden Plunger konfiguriert, wobei der Plunger 48 innerhalb der Pumpenkammer 59 eine untere Kammer 51A von einer oberen Kammer 51B trennt. Die Innenwand 59A der Pumpenkammer 59 und eine untere Fläche 48B des Plungers 48 definieren im Wesentlichen die untere Kammer 51A, und die Innenwand 59A der Pumpenkammer 59 und eine obere Fläche 48A des Plungers 48 definieren im Wesentlichen die obere Kammer 51B. Ein Übertragungsport 79 führt zu einem unteren Übertragungskanal 61, wobei der untere Übertragungskanal 61 mit einem Einlasskanal 18A in Fluidverbindung steht. Ein Menge unverbrauchten, nicht unter Druck gesetzten oder anderweitig überflüssigen Kraftstoffs 19 kann dann durch die Bewegung des Plungers 48 von der unteren Kammer 51A zur Kraftstoffleitung 11 zurück strömen.
Der Plunger 48 kann mit der Plungerwelle 46 funktional verbunden oder integral ausgebildet sein, wobei die Plungerwelle 46 innerhalb einer in einem unteren Abschnitt 31 der Pumpenbuche 50 ausgebildeten Öffnung 63 konzentrisch angeordnet ist und sich durch sie hindurch erstreckt.
Eine Dichtung 60, z.B. eine O-Ring- oder eine andere geeignete Fluiddichtung, verhindert, dass Fluid über die Öffnung 63 zwischen der Plungerwelle 46 und der Pumpenbuchse 50 umgeleitet wird. Der Plunger 48 und die Plungerwelle 46 können aus einem einzelnen zusammenhängenden Stück integral ausgebildet sein, um eine maximale Materialfestigkeit zu erhalten. Ähnlicherweise können die Durchmesser des Plungers 48 und der Plungerwelle 46 im Wesentlichen gleich sein, oder die Plungerwelle 46 kann einen kleineren Durchmesser als der Plunger 48 haben, wie in 2 dargestellt ist.
Die HD-Pumpeneinheit 24 wird durch den Motor 12 (vergl. 1) funktional angetrieben. Zum Übertragen von Leistung vom Motor 12 zum Plunger 48 steht hierfür ein Antriebsmechanismus 23 in ununterbrochenem Kontakt mit der HD-Pumpeneinheit 24, wobei der Antriebsmechanismus 23 dafür konfiguriert ist, den Plunger 48 in Richtung des Pfeils A zu bewegen. Der Antriebsmechanismus 23 kann beispielsweise den drehbaren Nockenabschnitt 42 aufweisen, der als mit Vorsprüngen versehener Nockenabschnitt mit im Wesentlichen gleichen Seiten konfiguriert ist, wobei alle Seiten eine im Wesentlichen identische Oberfläche 43 aufweisen. Der Nockenabschnitt 42 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Vorsprüngen aufweisen, d.h. 1, 2, 3 oder 4 Vorsprünge, was die typischsten Vorsprungkonfigurationen darstellt. Ein Nockenabschnitt mit drei Vorsprüngen ist in 2 dargestellt, wobei im weiteren Verlauf der Beschreibung eine derartige Nockenkonfiguration mit drei Vorsprüngen vorausgesetzt wird. Der Nockenabschnitt 42 ist über eine sich durch ihn erstreckende Welle 69 mit dem Motor 12 (vergl. 1) funktional verbunden, wobei die Welle 69 mit dem Motor 12 direkt oder indirekt verbunden ist und dadurch Leistung vom Motor 12 empfängt, so dass die Welle sich in Richtung des Pfeils C dreht.
Die Plungerwelle 46 oder der Plunger 48, falls der Plunger 48 und die Plungerwelle 46 ein einzelnes einheitliches Element bilden, stehen/ steht mit einer Nockenkupplung oder einem Nockenstößelelement 44 (vergl. auch 3A) in ununterbrochenem Kontakt oder Eingriff. In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt der ununterbrochene Kontakt zwischen der Plungerwelle 46 und dem Nockenstößelelement 44 über eine zwischengeschaltete mechanische Isolatoreinheit oder eine Dämpfungsvorrichtung 92, die zwischen dem Plunger 46 und einem Mittenabschnitt 74 des Nockenstößelelements 44 angeordnet ist, wie später unter Bezug auf die 3 und 3A beschrieben wird.
Das Nockenstößelelement 44 kann aus einem zylindrischen Element aus Metall oder einem anderen ausreichend rauen Material konstruiert sein und ist über einen Verbindungsbolzen oder eine Verbindungsachse 41 mit einem Scheiben- oder Rollenelement 44A funktional verbunden. Das Rollenelement 44A steht mit einer Außenfläche 43 des Nockenabschnitts 42 in ununterbrochenem dynamischem oder Rollkontakt. Durch die Drehbewegung des Nockenabschnitts 42 wird der Plunger 48 zunächst in Richtung des Pfeils A gedrückt oder bewegt, um eine Verdichtungsphase oder einen Aufwärtshub des Plungers 48 zu veranlassen. Daraufhin übt eine zwischen dem Nockenstößelelement 44 und dem unteren Abschnitt 31 der Pumpenbuchse 50 angeordnete Rückstellfeder 89 eine ausreichende Rückstellkraft in Richtung des Pfeils A aus, um eine Reaktion oder Bewegung des Plungers 48, der Plungerwelle 46 und des Nockenstößelelements 44 in Richtung des Pfeils B entlang ihrer gemeinsamen Bewegungsachse 55 zu veranlassen. Auf diese Weise wird ein ununterbrochener Kontakt zwischen dem Rollenelement 44A und dem Nockenabschnitt 42 aufrechterhalten.
Gemäß weiterem Bezug auf 2 weist die HD-Pumpeneinheit 24 ein Einlassventil 72 auf, das z.B. durch einen Solenoid 56 oder einen anderen geeigneten Steuermechanismus selektiv betätigt wird, um der Pumpenbuchse 50 Kraftstoff 19 vom Tank 15 (vergl. 1) über einen Einlassport 80 zuzuführen, wie durch den Pfeil I dargestellt ist. Der Einlasskanal 18A steht mit dem Tank 15 (vergl. 1) über die Kraftstoffleitung 11 in Fluidverbindung, wobei der Kraftstoff 19 dem Einlassventil 72 über die Kraftstoffleitung 11 und den unteren Übertragungskanal 61 zugeführt wird. Ein mit einem Auslassport 81 der Pumpenbuchse 50 in Fluidverbindung stehendes Auslassventil 71 ist dafür konfiguriert, in Antwort auf einen niedrigen Differenzdruck ΔP, z.B. einem niedrigen Differenzdruck ΔP über das Auslassventil 71, betätigt zu werden. Innerhalb des Umfangs der Erfindung kann die tatsächliche Winkelausrichtung des Auslassventils 71 bezüglich des Einlassventils 72 variieren, weil eine derartige Ausrichtung basierend auf spezifischen Anforderungen für Kraftstoffleitungsführungsanforderungen auswählbar sind. Daher ist, obwohl das Auslassventil 71 in 2 zur Verdeutlichung schematisch gegenüberliegend dem Einlassventil 72 dargestellt ist, für Fachleute ersichtlich, dass das Auslassventil 71 nicht direkt gegenüberliegend dem Einlassventil 72 angeordnet sein muss. Verdichteter Kraftstoff 19A kann über den Auslasskanal 18B, wie durch den Pfeil O dargestellt ist, und die Hochdruckkraftstoffleitung 11A entweichen, über die er schließlich der Kraftstoffverteilerleiste 16 (vergl. 1) zugeführt wird, wie vorstehend beschrieben wurde.
Ein Druckentlastungskanal 58 führt vom Auslasskanal 18B zurück zum Einlassventil 72, wobei, wie dargestellt ist, ein Überdruckventil 70 im Druckentlastungskanal 58 angeordnet ist. Das Überdruckventil 70 ist dazu geeignet, in Antwort auf einen ausreichend hohen Gegendruck betätigt zu werden, wie durch einen Pfeil F dargestellt ist. In einer Ausführungsform beträgt der Gegendruckgrenzwert etwa 210 bis 230 bar, obwohl erfindungsgemäß andere Druckgrenzwerte wählbar sind. Durch den Druckentlastungskanal 58 wird daher eine Druckrückführschleife bereitgestellt, die zum Freigeben eines Überdrucks durch Zurückführen eines unverbrauchten Teils von verdichtetem Kraftstoff 19A nach Bedarf zum offenen Einlassventil 72 geeignet ist.
Wie für Fachleute ersichtlich ist, können Geräusche in einer Pumpeneinheit, z.B. in der HD-Pumpeneinheit 24, aus einer Kombination aus Hydraulikgeräuschimpulsen (wie schematisch durch den Stern F dargestellt ist), die innerhalb der Pumpenbuchse 50 auftreten, sowie elektromechanischen Schlägen oder Stößen bestehen, die innerhalb des Solenoids 56 auftreten. Während elektromechanische Stöße minimiert werden können, indem alle stoßausübenden Elemente (nicht dargestellt) innerhalb des Solenoids 56 näher betrachtet werden, kann die Dämpfung der Hydraulikgeräuschkomponente innerhalb der Pumpenbuchse 50 aufgrund der Weise, auf die in der Pumpenbuchse 50 ein Hochdruck schnell erzeugt wird, komplexer sein.
Die Hochdruckentwicklung innerhalb der HD-Pumpeneinheit 24 beginnt mit einem Abwärtshub des Plungers 48 in Richtung des Pfeils B, d.h. mit dem Ansaug- oder Einlasshub, wodurch der Pumpenbuchse 50 Kraftstoff 19 vom Tank 15 über das Einlassventil 72 zugeführt wird. Wenn der Druck an der Kraftstoffverteilerleiste 16 (vergl. 1) unter einen Druck-Sollwert oder kalibrierten Druckwert abfällt, was beispielsweise durch den Drucksensor 13 (1) angezeigt werden kann, wird der Solenoid 56 aktiviert, um das Einlassventil 72 zu schließen.
Der Schließzeitpunkt des Einlassventils 72 ändert sich bezüglich eines erforderlichen Kraftstoffdrucks und kann an einer beliebigen Stelle während eines Aufwärtshubs des Plungers 48, d.h. einer Bewegung des Plungers 48 in Richtung des Pfeils A, auftreten. Bei einer weit geöffneten Drosselklappe (WOT), bei der eine maximale Kraftstoffmenge zugeführt und ein maximaler Kraftstoffdruck erzeugt werden muss, wird das Einlassventil 72 durch den Controller 17 derart zeitgesteuert, dass es zu dem Zeitpunkt geschlossen wird, zu dem der Plunger 48 beginnt, sich von einem in 2 durch BDC abgekürzten unteren Totpunkt aufwärts zu bewegen.
Gemäß den 2 und 2A beträgt für einen in der nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform von 2 dargestellten Nockenabschnitt 42 mit drei Vorsprüngen der in 2A durch θ dargestellte gesamte maximale Zufuhr- oder Nockenwinkel, d.h. der Punkt 29, bei dem der Nockenabschnitt 42 von 2 den Plunger 48 zu seinem in den 2 und 2A durch TDC abgekürzten oberen Totpunkt zwingt oder bewegt, 60°, wobei die Y-Achse in 2A den Hub des Plungers 48 entlang seiner Achse 55 bezeichnet. Während einer kleinen Kraftstoffvolumen- und/oder niedrigen Druckanforderung, z.B. bei einem Leerlaufbetrieb des Motors oder bei einem Betrieb mit niedriger Drehzahl, schließt der Solenoid 56 bis etwa zur Mitte des Hubs des Plungers 48, d.h. bis zu einem durch den Punkt 27 dargestellten Nockenwinkel von etwa 30°, nicht, sondern schließt irgendwo innerhalb des Schließbereichs oder des durch den Bereich 28 bezeichneten Bereichs.
Gemäß 2 wird, weil die Plungergeschwindigkeit sich in der Nähe eines Maximalwertes befindet, wenn das Einlassventil 72 schließt, ein übermäßig scharfer Druckpuls (Stern F) erzeugt. Beispielsweise kann der über dem Plunger 48 erzeugte Druck schnell, d.h. in weniger als 1 ms, auf etwa 150 bar oder mehr ansteigen. Dieser Puls kann innerhalb der Pumpenbuchse 50 erzeugt werden und wirkt als Kraft in Richtung des Pfeils D. Die durch den Druckpuls übertragene Kraft ruft eine Reaktion sowohl in der gleichen als auch in der entgegengesetzten Richtung hervor, so dass die Kraft des Pulses nicht nur in der Pumpenbuchse 50 nach oben gerichtet ist, sondern gleichermaßen auch als Welle nach unten entlang der Achse 55 zum Nockenstößelelement 44 hin übertragen wird, wie durch den Pfeil E (vergl. 2) dargestellt ist.
Eine derartige abrupte, nahezu momentane Druckerhöhung ist eine primäre Quelle der Hydraulikgeräuschkomponente innerhalb der HD-Pumpeneinheit 24, die sich als Welle (vergl. Pfeil E in 2) entlang der Achse 55 nach unten ausbreitet. Obwohl bestimmte „glättende“ Steuerungsalgorithmen im Controller 17 einprogrammiert oder gespeichert sein können, um den Druckanstieg im Inneren der Pumpenbuchse 50 mit der Geschwindigkeit des Plungers 48 zu koordinieren, haben derartige Steuerungsalgorithmen in einigen Fällen, z.B. während eines Kaltstarts, eine weniger als optimale Wirkung auf die Dämpfung der Hydraulikgeräuschkomponenten.
Für eine optimale Verminderung einer Hydraulikgeräuschkomponente in der HD-Pumpeneinheit 24 zielt die Erfindung daher darauf ab, eine Erhöhung der Elastizität der HD-Pumpeneinheit zu erreichen, wobei der Ausdruck „Elastizität“ hierin das Gegenteil der hydraulischen Steifigkeit bezeichnet, wie für Fachleute ersichtlich ist. Innerhalb des Umfangs der Erfindung kommen zwei primäre Verfahren in Betracht, durch die eine Elastizität in der HD-Pumpeneinheit 24 eingeführt oder erhöht wird, wobei beide Verfahren dazu dienen, die vorstehend diskutierte Hydraulikgeräuschkomponente zu reduzieren, zu absorbieren oder anderweitig zu dämpfen durch: (1) Beeinflussen des Volumens und der Form einer über dem Plunger 48 in der oberen Kammer 51B eingeschlossenen Kraftstoffmenge, d.h. durch eine hydraulische Elastizitätsvorrichtung, und (2) Erhöhen der mechanischen Elastizität des Plungers 48 und der Plungerwelle 46 entlang der Achse 55 unter Verwendung einer mechanischen Elastizitätsvorrichtung. Daher können eine oder mehrere hydraulische oder mechanische Elastizitätsvorrichtungen ausgewählt werden, wie nachstehend beschrieben wird, um einen bestimmten Grad einer hydraulischen und/oder mechanischen Elastizität zum Erzielen des optimalen Gleichgewichts bereitzustellen, wobei mindestens eine derartige Elastizitätsvorrichtung innerhalb der HD-Pumpeneinheit 24 bereitgestellt wird, wie nachstehend unter Bezug auf die 3 bis 5C beschrieben wird.
Die Steifigkeit einer derartigen Menge oder Säule unter Druck gesetzten Kraftstoffs 19A kann durch die Gleichung $K = [A^{2} B] / V$
dargestellt werden, wobei A = Querschnittsfläche des Plungers 48, V = Gesamtvolumen der eingeschlossenen Kraftstoffmenge, und B = Elastizitätsmodul des verwendeten Fluids bezeichnen, d.h. des Kraftstoffs 19. Für Benzin beträgt B = 1035 MPa. In 2 kann das Gesamtvolumen „V“ bestimmt werden durch Addieren des verdrängten Volumens V1 in der Pumpenbuchse 50 und des Totvolumens V2, d.h. des Volumens, das in der Pumpenbuchse 50 verbleibt, wenn der Kolben 48 sich am oberen Totpunkt (TDC) befindet.
Gemäß 3 weist die HD-Pumpeneinheit 24 eine Achse 55 und eine Pumpenbuchse 50 auf, wie vorstehend unter Bezug auf 2 beschrieben wurde. Die Pumpenbuchse 50 weist einen oberen Abschnitt 52 und einen unteren Abschnitt 31 auf. Befestigungsbolzen 73 oder andere geeignete Befestigungselemente verbinden die HD-Pumpeneinheit 24 mit einer Fahrzeugfläche 10A des Fahrzeugs 10 (vergl. 1), z.B. mit einem Buchsen- oder Lagerkopf, einem Motorblock oder einer anderen geeigneten Fläche. Die HD-Pumpeneinheit 24 weist den Plunger 48 (vergl. 2) auf, der in 3 nicht sichtbar ist und mit der Plungerwelle 46 funktional verbunden oder integral ausgebildet ist. Eine erste Elastizitätsvorrichtung 92 als Dämpfungsvorrichtung ist innerhalb des Nockenstößelelements 44 zwischen einem Federhalter 65 (vergl. 3A) und einem Mittenabschnitt 74 eines innerhalb des Nockenstößelelements 44 ausgebildeten Hohlraums 76 angeordnet, wie nachstehend unter Bezug auf 3A diskutiert wird.
Gemäß 3A ist die erste Elastizitätsvorrichtung 92 als eine Federdämpfungseinheit dargestellt, die innerhalb des Hohlraums 76 des Nockenstößelelements 44 angeordnet ist. Die erste Elastizitätsvorrichtung 92 besteht aus einem Kontaktknopf 86 mit einer oberen Fläche 87, die einen Radius r bildet. Die obere Fläche 87 steht in Kontakt mit einem End-, Spitzen- oder Wellenabschnitt 46A der Plungerwelle 46, d.h. mit einem Abschnitt der Plungerwelle 46, der sich durch den Federhalter 65 erstreckt oder durch ihn hervorsteht.
Um eine ausreichende mechanische Elastizität entlang der Achse 55 bereitzustellen, ist eine Federvorrichtung 88 innerhalb des Hohlraums 76 des Nockenstößelelements 44 angeordnet. Die Federvorrichtung 88 kann eine beliebige Einrichtung mit einer vorgegebenen Federkraft sein, z.B. eine zusammendrückbare oder auslenkbare Federscheibe, wie dargestellt, beispielsweise eine Tellerfeder, oder alternativ eine eingepresste Federvorrichtung 88A, wie in Phantomansicht dargestellt ist, wobei die eingepresste Federvorrichtung 88A eine schalenförmige Einrichtung ist, die derart konfiguriert und/oder dimensioniert ist, dass sie gegen eine Innenwand 76A des Hohlraums 76 einpressbar ist, um die Halterung der Federvorrichtung 88A innerhalb des Hohlraums 76 zu optimieren. Die Steifigkeit der Federvorrichtung 88, 88A kann derart ausgewählt werden, dass ein gewünschter Gesamtgrad der mechanischen Elastizität erhalten wird.
Der Knopf 86 wird zum Überbrücken der Strecke zwischen dem Wellenabschnitt 46A und der Federvorrichtung 88 sowie zum Kompensieren kleiner Fehlausrichtungen der HD-Pumpeneinheit 24 verwendet (vergl. 2 und 3). Beispielsweise kann durch ungleichmäßiges Festziehen der Befestigungsbolzen 73 (vergl. 3) ein Verbindungszustand des Plungers 48 (vergl. 2) innerhalb der Pumpenbuche 50 verursacht werden. Der Radius (r), d.h. die konvexe obere Fläche 87 des Knopfes 86, wird dadurch eingedrückt, um einen größeren Grad einer derartigen Fehlausrichtung aufzunehmen.
Außerdem können die Steifigkeit der Federvorrichtung 88, 88A sowie der Abstand „x“ zwischen dem Knopf 86 und dem Mittenabschnitt 74 des Hohlraums 76 derart ausgewählt und/oder konfiguriert werden, dass innerhalb eines vorgegebenen Druckbereichs die Auslenkung begrenzt und eine optimale Geräuschunterdrückung erhalten wird. Bei einem Betrieb bei niedrigen Drücken kann beispielsweise die Federvorrichtung 88, 88A mit einer Steifigkeit von etwa 2400 bis 2700 N/mm und einer Auslenkung von etwa 0,3 bis 0,4 mm konfiguriert sein, obwohl innerhalb des Umfangs der Erfindung andere Steifigkeitsbereiche und/oder Auslenkungen verwendbar sind.
Um eine ausreichende hydraulische Elastizität bereitzustellen, ist die Pumpenbuchse 50 außerdem auf eine besondere Weise angepasst, wie nachstehend unter Bezug auf die 4A - 4B beschrieben wird. Der volumetrische Wirkungsgrad einer Pumpe ist der entlang einer Achse des Pumpenplungers, z.B. entlang der Achse 55 der HD-Pumpeneinheit 24 in den 2, 2A und 3, gemessenen Steifigkeit umgekehrt proportional. Eine prozentuale Änderung des volumetrischen Wirkungsgrades, ΔVE(%), kann daher in einer Gleichungsform dargestellt werden durch: $Δ VE (%) = (A^{2} \cdot B) / V_{displ} \cdot [(K_{x} - K_{ref}) / (K_{x} \cdot K_{ref})]$
wobei A = Querschnittsfläche des Plungers 48, B = Elastizitätsmodul des verwendeten Fluids, d.h. des Kraftstoffs 19, V_displ = verdrängtes Volumen, d.h. V1 in 2, K_x = kombinierte hydraulische und mechanische Steifigkeit im Zustand „x“ und Kref = kombinierte Referenzsteifigkeit oder Basissteifigkeit. Die vorstehende Gleichung zeigt einen Kompromisseffekt hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, der sich durch Vermindern der hydraulischen Steifigkeit einer vorgegebenen Pumpeneinheit, d.h. durch Erhöhen ihrer Elastizität, ergibt, z.B. wird durch eine Verminderung der Steifigkeit der Wirkungsgrad der Pumpeneinheit vermindert. Daher kann, wie vorstehend erwähnt wurde, die Auslenkung des Federabschnitts 88, 88A auf einen bestimmten Bereich oder Wert begrenzt werden, der zum Bereitstellen einer Geräuschunterdrückung nur innerhalb eines bestimmten Druckbereichs, z.B. innerhalb eines Bereichs relativ niedriger Betriebsdrücke, ausreichend ist, in dem eine derartige Geräuschunterdrückung am wünschenswertesten ist, wobei die Konfiguration derart sein kann, dass am Mittenabschnitt 74 eine „Abflachung“ auftritt, um im Wesentlichen eine starre, kontinuierliche Verbindung zwischen der Plungerwelle 46 und dem Nockenstößel 44 zu erhalten.
4A zeigt einen Abschnitt einer HD-Pumpeneinheit 24A zur Verdeutlichung in einer vereinfachten schematischen Querschnittansicht, wobei die HD-Pumpeneinheit 24A wie die HD-Pumpeneinheit 24 in den 2 und 3 konfiguriert ist. Die 4B bis 4D zeigen nicht erfindungsgemäße Ausführungsformen der HD-Pumpeneinheit 24, die als HD-Pumpeneinheiten 24B, 24C bzw. 24D bezeichnet sind.
Beginnend mit 4A weist die HD-Pumpeneinheit 24A, die einen Abschnitt der in den 2 und 3 dargestellten HD-Pumpeneinheit 24 ist, die Pumpenbuchse 50 und den darin angeordneten Plunger 48 auf, wobei der Plunger 48 in Richtung der Pfeile A und B bewegbar ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Eine Hydraulikgeräuschkomponente oder -welle (Pfeil E) breitet sich in Antwort auf einen Druckpuls entlang der Achse 55 aus. Obwohl dies in den 4A bis 4D nicht dargestellt ist, könnte diese Hydraulikgeräuschkomponente (Pfeil E) unter Verwendung der vorstehend beschriebenen und in den 3 und 3A dargestellten Elastizitätsvorrichtung 92 entlang der Achse 55 mechanisch absorbiert oder gedämpft werden. Ein Basisanteil einer hydraulischen Elastizität wird jedoch auch über das verdrängte Volumen V1 und jegliches vorhandene Totvolumen V2 bereitgestellt, wie unter Bezug auf 2 beschrieben wurde.
Gemäß 4B ist eine alternative HD-Pumpeneinheit 24B mit einer Steueröffnung 296 mit einem Durchmesser „d“ zwischen der oberen Kammer 51B und einer zweiten Elastizitätsvorrichtung 92A, z.B. einem Hohlraum oder Volumen V2A, angeordnet, die durch mehrere Seitenwände 297 definiert ist, die gegenüberliegend der oberen Kammer 51B in der Pumpenbuchse 50A ausgebildet sind. Wie in 4B dargestellt ist, kann der Durchmesser d der Steueröffnung 296 gegebenenfalls unter Verwendung einer Solenoidvorrichtung (S) selektiv gesteuert oder als fester Durchmesser d konfiguriert sein. Das Totvolumen V2 wird effektiv vergrößert, wodurch das Volumen des darin eingeschlossenen unter Druck gesetzten Kraftstoffs 19A (nicht dargestellt) erhöht wird.
Der Durchmesser d der Steueröffnung 296 und das Volumen V2A werden jeweils derart ausgewählt, dass eine ausreichende hydraulische Elastizität innerhalb eines vorgegebenen Druckbereichs erhalten wird, wobei die Steueröffnung 296 derart dimensioniert ist, dass sie oberhalb eines ausgewählten Schwellenwertes eine vernachlässigbare Wirkung auf die Elastizität hat. D.h., bei kleinen Geschwindigkeiten des Plungers 48 werden das kombinierte Volumen V1 + V2 und das Volumen V2A über die Steueröffnung 296, die unter Verwendung des Solenoids S selektiv geöffnet werden kann oder einfach mit einem geeignet dimensionierten Durchmesser konfiguriert ist, wirksam „kommunizieren“, um einen erhöhten Grad oder ein erhöhtes Maß einer hydraulischen Elastizität zu erhalten. Dies wird durch Vermindern der Steifigkeit des unter Druck gesetzten Kraftstoffs 19A (nicht dargestellt) erreicht, während bei höheren Geschwindigkeiten die feste Zeitkonstante der Steueröffnung 296 das Volumen V2A im Wesentlichen entkoppeln würde. Daraufhin würde die hydraulische Steifigkeit zunehmen, wodurch ein besserer Pumpenwirkungsgrad erhalten wird. Auf diese Weise kann durch Glätten von Druckpulsationen innerhalb der Pumpenbuchse 50A eine ausreichende Minderung einer Hydraulikgeräuschkomponente bei niedrigen Drücken erzielt werden, ohne dass während eines Betriebs bei höheren Drücken Kompromisse hinsichtlich des Wirkungsgrades der HD-Pumpeneinheit, die den Abschnitt 24B aufweist, gemacht werden müssen.
Gemäß 4C weist eine alternative HD-Pumpeneinheit 24C eine alternative Pumpenbuchse 50B auf. In der Ausführungsform von 4C ist die vorstehend beschriebene Steueröffnung 296 zwischen der oberen Kammer 51B und einem Hohlraum oder Volumen V2B angeordnet, der/das durch mehrere Seitenwände 297A definiert ist. Obwohl dies in 4C nicht dargestellt ist, kann auch ein Solenoid S (vergl. 4B) zum Steuern des Durchmessers d der Steueröffnung 296 bereitgestellt werden, wie vorstehend unter Bezug auf 4B beschrieben wurde. Eine dritte Elastizitätsvorrichtung 92B weist einen auslenkbaren oder mindestens teilweise beweglichen Mechanismus auf, d.h. eine mechanische Vorrichtung, die in Antwort auf eine ausgeübte Kraft in eine Richtung ausgelenkt oder bewegt wird. Beispielsweise kann im Volumen V2A eine Kolbendruckspeichervorrichtung 298 mit einem Druckspeicherkolben 298A und einer Rückstellfeder 93 angeordnet sein, wie in 4C dargestellt ist. In dieser alternativen Ausführungsform wird durch das Vorhandensein der Rückstellfeder 93 eine zusätzliche Steuervariable eingeführt, deren Eigenschaften derart auswählbar sind, dass über den gewünschten Druckbereich eine optimale Federkraft erhalten wird.
Schließlich weist gemäß 4D eine weitere alternative HD-Pumpeneinheit 24D eine Steueröffnung 296 auf, die zwischen der oberen Kammer 51B und einem Volumen V2C angeordnet ist, das ähnlich wie bei den in den 4B und 4C dargestellten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsformen durch mehrere Seitenwände 297B definiert ist. Obwohl dies in 4D nicht dargestellt ist, kann ebenfalls ein Solenoid S (vergl. 4B) den Durchmesser d der Steueröffnung 296 steuern, wie vorstehend unter Bezug auf 4B beschrieben wurde. Eine vierte Elastizitätsvorrichtung 92C mit einem anderen auslenkbaren Mechanismus, z.B. einer dünnen Scheibendämpfungsvorrichtung 299 mit einer durch Pfeile E dargestellten Auslenkkraft, ist im Volumen V2C angeordnet. In dieser nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die dünne Scheibendämpfungsvorrichtung 299 derart ausgewählt werden, dass sie über den gewünschten Druckbereich eine optimale Auslenkkraft (Pfeile E) aufweist.
Nachstehend wird auf die 5A bis 5C Bezug genommen, die jeweils alternative Ausführungsformen einer HD-Pumpeneinheit 24E, 24F und 24G zeigen, die jeweils einen Plunger 48E, 48F bzw. 48G aufweisen, der derart konfiguriert ist, dass eine hydraulische Elastizität durch effektives Vergrößern des Volumens der eingeschlossenen unter Druck gesetzten Kraftstoffs 19A unter Verwendung eines spezifisch konfigurierten Plungers 48 erhöht wird, wie nachstehend beschrieben wird. In 5A weist ein Abschnitt einer HD-Pumpeneinheit 24E einen nicht erfindungsgemäßen Plunger 48E auf, der mit einer fünften Elastizitätsvorrichtung 92D mit einem Innenvolumen V2D konfiguriert ist, das beispielsweise durch Bohren oder Aushöhlen des Plungers 48E entlang der Achse 55 ausgebildet wird. Das Innenvolumen V2D erhöht das Gesamtvolumen des eingeschlossenen unter Druck gesetzten Kraftstoffs 19A, das zuvor auf das an der oberen Hubposition, d.h. am oberen Totpunkt (TDC), des Plungers 48E verbleibende Totvolumen V2 innerhalb der Pumpenbuchse 50 begrenzt war, wodurch die Steifigkeit vermindert wird, wie vorstehend erläutert wurde.
Gemäß 5B weist eine HD-Pumpeneinheit 24F einen erfindungsgemäßen Plunger 48F mit einer sechsten Elastizitätsvorrichtung 92E mit einem Innenvolumen V2D und einer Steueröffnung 27 auf. Bei niedrigen Geschwindigkeiten des Plungers 48F, d.h. bei niedrigen Drehzahlen des Motors 12 (vergl. 1), kommunizieren die Volumina V1 und V2 über die Steueröffnung 27 effektiv mit den Volumen V2D, wodurch eine höhere hydraulische Elastizität erhalten wird. Wenn die Geschwindigkeit des Plungers 48F zunimmt, wird dieser Effekt durch die feste Zeitkonstante der Steueröffnung 27 effektiv eliminiert, die derart wirkt, dass das Volumen V2D von den Volumina V1 und V2 entkoppelt wird, so dass der Pumpenwirkungsgrad bei hohen Motordrehzahlen zunehmen kann.
Schließlich weist, wie in 5C dargestellt ist, eine HD-Pumpeneinheit 24G einen alternativen erfindungsgemäßen Plunger 48G mit einer siebenten Elastizitätsvorrichtung 92F auf, die ein Ventil 93 aufweist, das mit einer Feder 93A mit einer vorgegebenen Federkraft konfiguriert ist. Die Feder 93A ist zwischen den Volumina V1 und V2 und dem Volumen V2D angeordnet. In der in 5C dargestellten Ausführungsform ist das Ventil 93 als ein Tellerventil konfiguriert, das für einen gewünschten „Schalt“druck kalibriert ist, um ein Abhängigkeit von der Position des Ventils 93 ein zweistufiges Systemvolumen, d.h. die Volumina V1 und V2 und die kombinierten Volumina V1, V2 und V2D, bereitzustellen. Auf diese Weise wird veranlasst, dass das Innenvolumen V2D bei niedrigen Motordrehzahlzuständen selektiv verfügbar ist, um die hydraulische Elastizität zu erhöhen, wobei das Ventil 93 geschlossen wird, um das Volumen V2D abzusperren, wenn die Motordrehzahl über einen Drehzahlschwellenwert hinaus zunimmt.
Obwohl die besten Techniken zum Implementieren der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, sind für diejenigen, die mit dem mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung stehenden Fachgebiet vertraut sind, innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs verschiedenartige alternative Konstruktionen und Ausführungsformen ersichtlich, gemäß denen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann.

Claims

Kraftstoffpumpeneinheit (24F; 24G) zum Unterdrucksetzen von Kraftstoff (19), wobei die Pumpeneinheit (24F; 24G) aufweist: eine eine Pumpenkammer (59) definierende Pumpenbuchse (50); einen in der Pumpenkammer (59) angeordneten Plunger (48F; 48G), der innerhalb der Pumpenkammer (59) beweglich ist, um den Kraftstoff (19) unter Druck zu setzen, wobei der Plunger (48F; 48G) eine Bewegungshauptachse (55) aufweist; ein Nockenstößelelement, das mit dem Plunger (48F; 48G) in ununterbrochenem Kontakt steht und in Antwort auf eine Bewegung einer Motorkomponente (42) zusammen mit dem Plunger (48F; 48G) entlang der Hauptachse (55) beweglich ist; und mindestens eine Elastizitätsvorrichtung (92E; 92F), die dafür konfiguriert ist, eine Hydraulikgeräuschkomponente entlang der Hauptachse (55) zu dämpfen; wobei die mindestens eine Elastizitätsvorrichtung (92E; 92F) einen Hohlraum aufweist, der zur Verwendung als ein Hydraulikdruckspeicher zum Vergrößern eines Totvolumens im Plunger (48F; 48G) geeignet ist, wobei der Hohlraum über eine Steueröffnung (27) mit der Pumpenkammer (59) in Fluidverbindung steht.
Kraftstoffpumpeneinheit (24F; 24G) nach Anspruch 1, ferner mit einem innerhalb des Hohlraums angeordneten beweglichen Mechanismus (93), wobei der bewegliche Mechanismus (93) in eine Richtung beweglich ist, um die enthaltene Fluidmenge des Hohlraums zu vergrößern, und in eine andere Richtung, um die enthaltene Fluidmenge des Hohlraums zu verkleinern.
Kraftstoffpumpeneinheit (24G) nach Anspruch 2, wobei der Hohlraum innerhalb des Plungers (48G) angeordnet ist, und wobei der bewegliche Mechanismus ein Ventil (93) aufweist, das betätigbar ist, um in Antwort auf eine vorgegebene Bedingung einen Teil der Fluidmenge selektiv in den Hohlraum einzulassen.
Kraftstoffpumpeneinheit (24G) nach Anspruch 3, wobei das Ventil (93) ein Tellerventil mit einem kalibrierten Schaltdruck ist, und wobei die vorgegebene Bedingung ein dem kalibrierten Schaltdruck entsprechender Motordrehzahlschwellenwert ist.