DE102008059117B4

DE102008059117B4 - Hochdruckpumpenanordnung

Info

Publication number: DE102008059117B4
Application number: DE102008059117A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. 93059 Lingener
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: US20110223040A1; WO2010060700A1; CN102333950A; DE102008059117A1; US9103307B2; CN102333950B

Abstract

Hochdruckpumpenanordnung (1), welche aufweist: – einen Pumpenkörper (2), welcher einen Niederdruckeingang (8) und einen Hochdruckausgang (9) aufweist, – eine innerhalb des Pumpenkörpers (2) vorgesehene Druckaufbaukammer (12), innerhalb derer ein Plunger (3) beweglich gelagert ist und welche über ein Hochdruckventil (7) mit dem Hochdruckausgang (9) verbunden ist, – eine innerhalb des Pumpenkörpers (2) vorgesehene Saugkammer (6), die ein Saugventil (5) aufweist, und – einen innerhalb des Pumpenkörpers (2) vorgesehenen, zwischen dem Niederdruckeingang (8) und der Saugkammer (6) verlaufenden Ansaugkanal (13), wobei – der Niederdruckeingang (8) mit einer elektrisch regelbaren, als Drossel verwendeten Vorförderpumpe (10) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpenanordnung.
Diesel-Common-Rail-Hochdruckpumpen werden heute ublicherweise mit einem Stahlgehäuse oder einem Aluminiumgehäuse sowie einer eigenständigen Nocken- bzw. Excenterwelle ausgeführt.
Aus der DE 10 2007 002 729 B3 sind eine Kraftstoffpumpe für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen sowie Herstellungsverfahren hierfür bekannt. Diese Kraftstoffpumpe umfasst ein Pumpengehäuse mit einer vorbestimmten Einbaulage. In diesem Pumpengehäuse sind eine oder mehrere Pumpeneinheiten und den Pumpeneinheiten jeweils zugeordnete ansaugseitige Rückschlagventile angeordnet, die sich jeweils bei einem vorbestimmten Öffnungsdruck zum Einlass von Kraftstoff in die zugeordnete Pumpeneinheit öffnen. Jede Pumpeneinheit umfasst einen in radialer Richtung bezüglich der Antriebswelle im Pumpengehäuse geführten Pumpkolben. Dieser wird bei einer Drehung der Antriebswelle durch deren exzentrischen Wellenabschnitt und einen davon durchsetzten Exzenterring für eine radiale Hin- und Herbewegung angetrieben.
Auch bei kleinen Dieselmotoren kommen in letzter Zeit Steckpumpen zum Einsatz, die durch eine bereits im Motor vorhandene Nockenwelle angetrieben werden.
Aus der WO 2007/045373 A1 ist ein Steckpumpen-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine als Einspritzpumpe ausgebildete Steckpumpe zugeordnet ist. Jede Steckpumpe weist ein Pumpengehause mit einem Kraftstoffzulaufkanal und einem Kraftstoffrücklaufkanal auf. Im Bereich des Kraftstoffrucklaufkanals jeder Steckpumpe ist ein mit Ausnehmungen versehenes ringförmiges Blech angeordnet, welches in eine umlaufende, einen Teil des Kraftstoffrücklaufkanals bildende Nut des Pumpengehäuses der jeweiligen Steckpumpe eingreift.
Aus der DE 100 58 057 A1 ist ein Verfahren zum schnelleren Erwärmen einer Brennkraftmaschine in einer Startphase bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Brennkraftmaschine über Injektoren mit Kraftstoff versorgt, wobei der Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe verdichtet und zu den Injektoren gefördert wird und wobei in einer Hochdruckleitung zwischen Hochdruckpumpe und Injektoren wenigstens ein Druckregelventil vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einem Tank in Verbindung steht und das zur Regelung des Kraftstoffdrucks an den Injektoren dient. Der am Ausgang des Druckregelventils abgegebene und zum Tank geleitete Kraftstoff wird über einen Wärmetauscher geleitet. Dieser ist in der Startphase der Brennkraftmaschine in einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden und gibt seine überschüssige Wärme über den Kühlkreislauf an das Kühlwasser der Brennkraftmaschine ab. Die Hochdruckpumpe kann mit dem Druckregelventil und einem Vordruckventil bzw. Volumenstromregelventil zu einer Baueinheit zusammengefasst sein.
Aus der EP 1 195 514 B1 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses einer Hochdruckpumpe in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind zwischen dem Kraftstofftank und der Hochdruckpumpe eine motorgesteuerte Niederdruckpumpe, ein Kraftstofffilter und eine Drossel vorgesehen.
Aus der DE 2 214 184 A sind ein Füllungsverfahren bei einer Kolben-Einspritzpumpe für Verbrennungsmotoren und eine Einspritzpumpe zur Durchführung dieses Verfahren bekannt. Dabei wird eine steuerbare Brennstoffmenge durch einen Seiten-Füllkanal dem über dem Kolben der Pumpe herrschenden Unterdruckmilieu zugeführt.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, eine Vorförderpumpe zur Druckanhebung um mehrere Bar auf der Saugseite einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe vorzusehen und in das Gehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zu integrieren. Je nach Anwendungsfall handelt es sich bei dieser integrierten Vorförderpumpe um eine selbstansaugende Pumpe oder es ist eine zusätzliche Pumpe notwendig, um zwischen dem Kraftstofftank und der Vorförderpumpe entstehende Druckverluste kompensieren zu können, d. h. einen gewünschten Mindestdruck aufrechterhalten zu können. Bei der zusätzlichen Pumpe kann es sich um eine im Kraftstofftank vorgesehene elektrische Pumpe handeln.
Weist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe kein eigenständiges Pumpengehäuse auf und wird die Nockenwelle des Kraftfahrzeugs zum Antrieb des Kolbens bzw. Plungers der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verwendet, dann ist die vorstehend beschriebene Integration einer Vorförderpumpe nicht mehr möglich und es wird stattdessen eine eigenständige elektrische Vorförderpumpe verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues Systemdesign für eine Hochdruckpumpenanordnung anzugeben, bei welchem eine Medientrennung zwischen Kraftstoff und Schmieröl sowie eine Volumenstromregelung des Kraftstoffs mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruckpumpenanordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass ein zwischen dem Kraftstofftank und der Hochdruckpumpe vorgesehenes, gesondertes Volumenstromregelventil nicht notwendig ist, dass eine Trennung des Mediums Kraftstoffs vom Medium Schmieröl auf einfache Weise erreicht werden kann und dass aufgrund einer Einsparung von Bauteilen eine Kostenreduzierung der Hochdruckpumpenanordnung erreicht werden kann. Eine Hochdruckpumpenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere im Zusammenhang mit Dieselmotoren mit einer Zylinderanzahl von kleiner oder gleich vier Zylinder und im Zusammenhang mit Dieselmotoren mit mittleren oder kleinen Kraftstoffeinspritzmengen verwendbar.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur.
Diese zeigt eine Hochdruckpumpenanordnung 1, zu welcher eine stufenlos elektrisch regelbare Vorförderpumpe 10 und ein Pumpenkörper 2 gehören. Die Vorförderpumpe 10 bezieht aus einem Kraftstofftank 16 über eine Kraftstoffzuleitung 17, in welcher ein Filter 18 angeordnet ist, Kraftstoff, den sie über eine weitere Kraftstoffzuleitung 19 an den Pumpenkörper 2 weiterleitet. Die Vorförderpumpe 10 ist bezüglich ihrer Drehzahl steuerbar und regelbar. Sie bekommt zu diesem Zweck von der Steuereinheit 11 über eine Signalverbindung 14 Steuersignal zugeführt, beispielsweise PWM-Signale.
Der Pumpenkörper 2 weist einen Niederdruckeingang 8 und einen Hochdruckausgang 9 auf. Des Weiteren ist innerhalb des Pumpenkörpers 2 eine Druckaufbaukammer 12 vorgesehen. Innerhalb dieser Druckaufbaukammer 12 ist ein Plunger 3 beweglich gelagert, um in Abhängigkeit von seiner Bewegungsrichtung den in der Druckaufbaukammer 12 herrschenden Druck zu erhöhen oder zu erniedrigen (saugen). Der Plunger 3 ist von einer Feder 15 umgeben, deren einer Endbereich in einer Aussparung des Pumpenkörpers 2 und deren anderer Endbereich in einem Element 4 gelagert ist, welches mit der Nockenwelle des Kraftfahrzeugs in Wirkverbindung steht. Die Feder 15 wird bei einer Bewegung des Plungers 3 zusammengedrückt bzw. auseinandergezogen. Das Element 4 wirkt mit der Nockenwelle des jeweiligen Kraftfahrzeugs zusammen, um die Auf- und Abbewegung des Plungers 3 zu bewirken.
Die Druckaufbaukammer 12 ist uber ein Hochdruckventil 7 mit dem Hochdruckausgang 9 des Pumpenkörpers 2 verbunden.
Der am Hochdruckausgang 9 bereitgestellte Kraftstoff wird über eine Hochdruckleitung 24 an einen Hochdruckspeicher 20 (Rail) weitergeleitet und von dort aus über weitere Hochdruckleitungen 25 Injektoren 23 zugeführt. Am Hochdruckspeicher 20 sind ein Drucksensor 22 und ein Hochdruckregelventil 21 vorgesehen, welche beide mit der Steuereinheit 11 verbunden sind.
Im Pumpenkörper 2 ist eine Saugkammer 6 vorgesehen, die ein Saugventil 5 aufweist. Die Saugkammer 6 ist über einen Ansaugkanal 13 mit dem Niederdruckeingang 8 des Pumpenkörpers 2 verbunden. Des Weiteren ist der Ansaugkanal 13 auch zur Druckaufbaukammer 12 geführt, um Kraftstoff aus dem Ansaugkanal 13 zu einer Leckageringnut 26 in der Kolbenführung befördern zu können.
Eine Hochdruckpumpenanordnung, wie sie in der Figur gezeigt ist, benotigt weder eine integrierte Vorförderpumpe noch ein gesondertes Volumenstromregelventil. Sie verwendet lediglich eine stufenlos drehzahlgeregelte elektrische Vorforderpumpe 10, die in einem Druckbereich zwischen 0,1 bar und 3 bar Absolutdruck zum Einsatz kommt und gleichzeitig eine Drosselfunktion wahrnehmen kann.
Der Pumpenkörper 2 mit dem darin angeordneten Saugventil 5 und dem Hochdruckventil 7 arbeitet grundsätzlich selbstansaugend. Lediglich in bestimmten Betriebsfällen wird er durch die Vorförderpumpe 10 unterstützt. Zu diesen bestimmten Betriebsfällen gehört beispielsweise eine Kompensation von Druckverlusten in den Kraftstoffzuleitungen, eine Kraftstoffvollförderung, ein Betrieb in einer großen geodätischen Höhenlage sowie der Motorstart.
Eine Volumenstromregelung wird bei der in der Figur gezeigten Hochdruckpumpenanordnung durch eine bedarfsgerechte Kraftstoffförderung bzw. -drosselung mittels der elektrischen Vorförderpumpe 10 realisiert. Diese wird zu diesem Zweck von der Steuereinheit 11 unter Verwendung von Steuersignalen angesteuert, die der Vorförderpumpe 10 über die Signalverbindung 14 zugeführt werden. Vorzugsweise erfolgt durch eine geeignete Ansteuerung der Vorforderpumpe lediglich eine Vorsteuerung des Kraftstoffdruckes. Die eigentliche Regelung des Kraftstoffdruckes erfolgt durch das Hochdruckregelventil 21, welches gleichzeitig die Funktion eines Überdruckventils wahrnimmt und als separates Bauteil am Hochdruckspeicher 20 (Rail) verbaut ist.
Der Kraftstoffdruck in der Saugkammer 6 des Pumpenkörpers 2 wird betriebspunktabhängig so weit reduziert bzw. gedrosselt, bis der gewünschte Effekt einer Saugdrosselung und damit einer Volumenstromregelung erreicht wird. Das Saugventil 5 ist für diesen Betriebsmodus ausgelegt und arbeitet beispielsweise mit einem Öffnungsdruck, der kleiner ist als 1 bar.
Die Medientrennung zwischen Kraftstoff und Schmierol wird dadurch realisiert, dass der Kraftstoffdruck in der Saugkammer 6 derart eingestellt wird, dass stets ein Unterdruck gegenüber Atmosphäre bzw. gegenüber dem Druck im Nockenwellenraum des jeweiligen Kraftfahrzeugs entsteht.
In vorteilhafter Weise ist im Pumpenkörper 2 mindestens eine Leckageringnut 26 vorgesehen, die mit der Saugkammer 6 verbunden ist. Durch den Unterdruck in der Saugkammer 6 entsteht ein Saugeffekt in der Leckageringnut. Dies verhindert ein Übertreten von Kraftstoff in das Schmieröl. Da ein derartiges System nur in seltenen Fallen im Sinne einer Vollförderung betrieben wird, ist die Saugdrosselung und damit der beschriebene Unterdruck der normale Betriebszustand. In den seltenen Fällen einer Vollförderung darf die elektrische Vorförderpumpe nur einen Teil der Druckverluste auf der Saugseite kompensieren, um den Saugeffekt in der Leckageringnut aufrechtzuerhalten.
Die zu erwartende hydraulische Wirkungsgradverschlechterung kann aufgrund der vorzugsweisen kleinen Einspritzmengen in Kauf genommen werden bzw. bei der Pumpenauslegung kompensiert werden.
Der stets vorhandene Unterdruck in der Leckageringnut 26 macht ansonsten notwendige zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung einer Ölverdünnung entbehrlich. Die Position der Leckageringnut 26 im Pumpenkörper 2 ist so gewählt, dass eine Ölverdünnung verhindert wird und ein Eindringen von Schmieröl in den Kraftstoff minimiert wird. Ein Eindringen von Schmieröl in den Kraftstoff könnte einen negativen Einfluss auf ein Verkoken von Einspritzdusen sowie den Verbrennungsprozess haben, was bei einer Hochdruckpumpenanordnung gemäß der Erfindung verhindert wird.
Alternativ zu einer Verbindung der Leckageringnut mit der Saugkammer 6 ist es auch möglich, die Leckageringnut über eine Kraftstoffrückleitung mit dem Kraftstofftank zu verbinden, um Kraftstoff drucklos in den Tank 16 zurückzubefordern. In diesem Fall ist lediglich die Funktion einer Volumenstromregelung durch Saugdrosselung umsetzbar.

Claims

Hochdruckpumpenanordnung (1), welche aufweist: – einen Pumpenkörper (2), welcher einen Niederdruckeingang (8) und einen Hochdruckausgang (9) aufweist, – eine innerhalb des Pumpenkörpers (2) vorgesehene Druckaufbaukammer (12), innerhalb derer ein Plunger (3) beweglich gelagert ist und welche über ein Hochdruckventil (7) mit dem Hochdruckausgang (9) verbunden ist, – eine innerhalb des Pumpenkörpers (2) vorgesehene Saugkammer (6), die ein Saugventil (5) aufweist, und – einen innerhalb des Pumpenkörpers (2) vorgesehenen, zwischen dem Niederdruckeingang (8) und der Saugkammer (6) verlaufenden Ansaugkanal (13), wobei – der Niederdruckeingang (8) mit einer elektrisch regelbaren, als Drossel verwendeten Vorförderpumpe (10) verbunden ist.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch regelbare Vorförderpumpe (10) über eine Signalverbindung (14) mit einer Steuereinheit (11) verbunden ist.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) dazu vorgesehen ist, der elektrisch regelbaren Vorförderpumpe (10) über die Signalverbindung (14) Steuersignale zuzuführen.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (10) bezüglich ihrer Drehzahl stufenlos regelbar ist.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorförderpumpe (10) in einem Kraftstoffdruckbereich von 0,1 bar bis 3 bar Absolutdruck regelbar ist.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie selbstansaugend arbeitet.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Zwecke einer Kompensation von Druckverlusten im Kraftstoffzulauf, bei einer Vollförderung und bei einem Betrieb in geodätischen Höhenlagen durch die Vorförderpumpe (10) unterstützt wird.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgelegt ist, dass mittels der Vorförderpumpe (10) eine Vorsteuerung und mittels eines Hochdruckregelventils (21) eine Regelung des Drucks erfolgt.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckregelventil (21) als Überdruckventil arbeitet.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgelegt ist, dass der Kraftstoffdruck in der Saugkammer (6) betriebspunktabhängig derart reduziert wird, dass eine Volumenstromregelung erreicht wird.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (5) einen Öffnungsdruck aufweist, der kleiner als 1 bar ist.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck in der Saugkammer (6) derart eingestellt wird, dass stets ein Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck und/oder gegenüber dem Druck im Nockenwellenraum eines Kraftfahrzeugs herrscht.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkörper (2) mindestens eine Leckageringnut (26) aufweist.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leckageringnut (26) mit der Saugkammer (6) verbunden ist.
Hochdruckpumpenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart betrieben wird, dass die Vorförderpumpe (10) beim Vorliegen einer Vollförderung lediglich einen Teil der Druckverluste auf der Saugseite kompensiert, um den Saugeffekt in der Leckageringnut (26) aufrechtzuerhalten.
Hochdruckpumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckageringnut (26) über eine Kraftstoffrückleitung drucklos mit dem Kraftstofftank verbunden ist.