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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems.
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Heutige Kraftstoffeinspritzsysteme von Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Ottomotoren, arbeiten als so genannte Direkteinspritzung (DI) mit Einspritzdrücken von bis zu 200 bar. Der Druck wird mittels einer so genannten Hochdruckpumpe erzeugt, die bei bekannten Kraftstoffeinspritzsystemen mechanisch vom Verbrennungsmotor bzw. Motor angetrieben wird. Ein elektromechanisches, insbesondere elektromagnetisches Mengensteuerventil steuert die von der Hochdruckpumpe pro Zeiteinheit in ein Hochdruckvolumen bzw. einen Hochdruckbereich, ein so genanntes Rail, geförderte Kraftstoffmenge. Zusammen mit einem von einem Hochdrucksensor gemessenen Drucksignal regelt ein Motor-Steuergerät so mittels des Mengensteuerventils den Druck im Hochdruckvolumen auf das gewünschte Niveau.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es derartige Kraftstoffeinspritzsysteme bei gleicher oder nahezu gleicher Funktion kostengünstiger zu gestalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems geschaffen, in der ein Druckregelventil integriert angeordnet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Druckregelung im Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems möglich, ohne dass es dazu eines Drucksensors bedarf. Ferner ist mit der erfindungsgemäßen Lösung eine autarke Druckregelung über ein Druckregelventil, insbesondere ein mechanisches Druckregelventil, möglich, bei dem die Pumpe als ”stand-alone-Pumpe” mit integrierter Druckregelung ohne weitere regelungstechnische oder steuerungstechnische Hilfe auskommt. Gemäß der Erfindung wird der Hochdruck aus der Hochdruckpumpe abgeregelt, insbesondere in einen Niederdruckbereich, wobei diese Regelung des Raildrucks rein mechanisch ohne elektrisch betätigte Ventile erfolgen kann. Dies macht die erfindungsgemäße Lösung mit ihrer Pumpe unabhängig von einem Steuergerät. Es ergeben sich damit geringere Systemkosten durch den Entfall des elektromechanischen Mengensteuerventils und einer elektrischen Endstufe im Steuergerät sowie von Kabeln im Kabelbaum.
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Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäß autarke Pumpenkonzept mit integrierter Regelung einen universellen Einsatz einer Hochdruckpumpe im Kraftstoff einspritzsystem. Die Lösung ist unabhängig von einem speziell passenden Motorsteuergerät bzw. einer Ansteuersoftware. So entfällt z. B. auch eine sonst vergleichsweise aufwändige Ansteuerung des Mengensteuerventils, die derzeit insbesondere exakt phasentreu mit sehr schneller Positionserfassung der Nocken- bzw. Kurbelwelle erfolgen muss. Ferner entfallen mit der erfindungsgemäßen Lösung eine sonst notwendige schnelle Signalausgabe und vergleichsweise aufwändige Endstufen, welche sich durch eine hohe Stromaufnahme eines Mengensteuerventils ergeben.
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Darüber hinaus kann erfindungsgemäß auch ein sonst erforderlicher Hochdrucksensor entfallen. Durch das systematische und reproduzierbare Verhalten des Druckreglers abhängig vom Motorbetriebspunkt lässt sich der eingeregelte Druck gut modellieren. insgesamt ergibt sich mit dem derartigen Entfall von Komponenten ein kostengünstigeres Kraftstoffeinspritzsystem, welches Gewicht einspart und auch im übrigen zu einem insgesamt geringeren Kraftstoffverbrauch führt.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist in das Druckregelventil eine Druckspeicherfunktion integriert. Die Integration der Druckspeicherfunktion erfolgt bevorzugt durch eine spezielle Konstruktion des Druckregelventils mittels eines Kolbens, der wie bei bekannten Speichern gegen ein federndes Element verschoben werden kann. Der Kolben dient dabei zugleich als Stellelement für die Druckregelfunktion des Druckregelventils. Der Kolben übernimmt also eine Doppelfunktion als Stellelement und Speicherelement. Die Speicherung des Kraftstoffs ist insbesondere bei Kaltstarteinspritzung und noch geringer Pumpendrehzahl von Vorteil und macht das erfindungsgemäße System unabhängig von elektrischen Endstufen zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks beim Motorabstellen insbesondere bei Start/Stopp-Systemen.
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In das Druckregelventil ist ferner vorteilhaft eine Druckdämpferfunktion integriert. Die Integration der Druckdämpferfunktion erfolgt ebenfalls bevorzugt durch eine spezielle Konstruktion des Druckregelventils zur Pulsationsdämpfung im Hochdruckbereich bzw. Rail mittels eines speziell angepasst federnd gelagerten Kolbens. Diese Pulsationsdämpfung ist insbesondere bei Pumpen von Vorteil, die als Kolbenpumpen gestaltet sind. Die derartige Konstruktion führt nicht nur zu einer Verringerung von Druckpulsationen, sondern auch zu einer verringerten Belastung der Hochdruckkomponenten, insbesondere des Rails und der zugehörigen Injektoren des Kraftstoffeinspritzsystems.
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In das erfindungsgemäße Druckregelventil ist darüber hinaus vorteilhaft eine Überdrucksicherung integriert. Die Überdrucksicherung bzw. Druckbegrenzungsfunktion ist insbesondere vorteilhaft, wenn z. B. in einer Nachheizphase des zugehörigen Motors es zu einer Erwärmung des Kraftstoffs und damit zu einem Druckanstieg im Kraftstoffeinspritzsystem kommt. Die Überdrucksicherung verhindert sicher eine derartige Druckerhöhung im so genannten Hot-Soak, indem der Kraftstoff bei steigendem Druck über die Überdrucksicherung von der Druckseite der Pumpe in den Niederdruckbereich abgesteuert wird.
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Besonders bevorzugt ist das Druckregelventil als Kolbenschieberventil mit einem über eine Steueröffnung verschiebbaren Kolben gestaltet. Die Steueröffnung ist erfindungsgemäß bevorzugt als Steuerschlitz gestaltet. Der Kolben ist dabei bevorzugt mittels einer Feder, insbesondere einer Schraubenfeder, vorgespannt, so dass er sich erst bei Erreichen eines Sollregeldrucks über die Steueröffnung bewegt. Der Kolben gibt dann dort eine Fläche frei, über die der unter Druck stehende Kraftstoff in den Niederdruckbereich abströmen kann. Der geregelte Druck hängt von der Überströmmenge pro Zeiteinheit ab, wobei Qü = Qpumpe – Qrail/motor (Qü = Überströmmenge pro Zeiteinheit, Qpumpe = Fördermenge der Pumpe pro Zeiteinheit, Qrail/motor = Verbrauchsmenge im Rail pro Zeiteinheit). Je höher die Überströmmenge Qü oder je geringer die Verbrauchsmenge im Rail bzw. die Kraftstoffmenge zum Motor, desto höher stellt sich der Druck ein. Um einen von dem Kraftstoffdurchsatz möglichst unabhängigen konstanten Druck zu erreichen, wird vorzugsweise eine Feder mit sehr flacher Kennlinie, d. h. kleiner Federrate für die federnde Vorspannung des Kobens verwendet.
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Der Kolben und die Steueröffnung sind ferner bevorzugt derart gestaltet und angeordnet, dass das Volumen, welches der Kolben bei seiner Bewegung aus seiner Ruhelage bis zum Erreichen der Steueröffnung freigibt, die Kraftstoffmenge mindestens einer Kaltstarteinspritzung aufnehmen kann. Die derartige Gestaltung realisiert einen axialen Leerweg des Kolbens im Druckregelventil zwischen einem Kolbenanschlag in dessen Ruhelage und dem Beginn der Steueröffnung zur Druckabsteuerung. Während bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen insbesondere bei kleinem Railvolumina, aufgrund der sehr großen im Kaltstart (z. B. bei –30°C) erforderlichen Einspritzmenge und dem bei Kälte zugenommenen E-Modul des Kraftstoffs, der Raildruck stark einbrechen würde, verhindert das erfindungsgemäße Druckregelventil einen zu großen Druckeinbruch durch dessen Kraftstoffspeicherfunktion.
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Wenn dabei insbesondere bei Kaltstart bei niedriger Pumpendrehzahl nach dem Druckaufbau eine Kraftstoffeinspritzung erfolgt, so bewegt sich der mit dem Druckaufbau vorgespannte Kolben wieder zurück in Richtung seiner Ruhelage und fördert dadurch zusätzlich Kraftstoff in Richtung des Rails. Der Kraftstoffdruck sinkt daher nur unwesentlich ab, auch wenn die Pumpe noch nicht bereits nachgefördert hat. Die Kraftstoffförderung mit dem Kolben ist abhängig von der Dimensionierung des Kobens und der zugehörigen Feder sowie deren Federauslegung. Mit anderen Worten wird im Druckbereich zwischen Speicherminimaldruck und Regelungssolldruck (pspeicher,min < p < pregelung,soll) nach dem Motorstart und dem Anlaufen der Pumpe Kraftstoff im Druckregelventil eingelagert. Die eingelagerte Kraftstoffmenge ergibt sich aus V = pi·d2/4·Kolbenhubspeicher (wobei: V = eingelagertes Volumen, pi = Druck, d = Durchmesser des Kolben). Die eingelagerte Kraftstoffmenge wird durch die Federkraft der den Kolben vorspannenden Feder und der insbesondere speziell niedrig gewählten Federrate elastisch gespeichert.
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Bei der nachfolgenden Kaltstart-Kraftstoffeinspritzung, welche eine sehr große einzelne Einspritzmenge im Vergleich zu den nachfolgenden Einspritzungen benötigt, wird damit verhindert, dass bedingt durch den hohen E-Modul des Kraftstoffs und das begrenzte Rail- bzw. Hochdruckvolumen der Druck sehr stark einbrechen und sich die effektive Einspritzmenge verringern würde. Durch die elastische Einlagerung des Kraftstoffs im Druckregelventil sinkt der Druck also lediglich um die äquivalente Kraftänderung durch den Kolbenhub bei der Kraftstoffrückförderung aus dem Druckregelventil
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Ferner ist der Kolben erfindungsgemäß bevorzugt in seiner Ruhelage mit einer Sitzdichtung abgedichtet. Grundsätzlich würde sich beim Motorabstellen, d. h. nach dem Ende der Pumpenförderung, der Systemdruck aufgrund von Restleckage im Hochdruckbereich langsam abbauen. Die erfindungsgemäße Sitzdichtung führt hingegen dazu, dass der Systemdruck nach einem Motorabstellen gespeichert wird und aufrechterhalten bleibt. Die Sitzdichtung senkt gezielt die Leckage am Druckregelventil am Endanschlag des Kolbens in dessen Ruhelage stark ab. Dabei wird besonders bevorzugt mit einem zweiteiligen Dichtkonzept gearbeitet, indem der Kolben im zugehörigen Zylinder mittels einer Kolbenspaltdichtung abgedichtet wird und einer Abdichtung des Kolben am Endanschlag mit der genannten Sitzdichtung erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass insbesondere bei schnellen Wiederstarts des Motors, wie es moderne Start-/Stopp-Systeme erfordern, ein ausreichend hoher Raildruck im Start vorhanden ist.
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An einem Einlass des erfindungsgemäßen Druckregelventils ist ferner vorzugsweise eine Blende vorgesehen. Die Blende dient zum Dämpfen von Schwingungen des sich im Druckregelventil hin- und herbewegenden Kolbens.
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Saugseitig von der erfindungsgemäßen Pumpe, Insbesondere an deren Einlass, ist ferner eine Konstantdrossel oder bevorzugt eine thermisch sensible Drossel vorgesehen. Die Drossel dient zur Reduzierung der Überströmmenge und zur Verringerung der Verlustleistung. Durch die Anordnung der Drossel vor der Pumpe wird die Kraftstoffmenge nur bei hohen Motor- und damit Pumpendrehzahlen wirksam begrenzt. Die Pumpenförderung im Kaltstart, bei geringen Drehzahlen, bleibt hingegen praktisch unbeeinflusst, da der Volumenstrom trotz hoher Einspritzmengen durch die niedrige Kaltstartdrehzahl gering ist. Die Kombination der Pumpe mit einer eingangsseitigen Drossel ist insbesondere sinnvoll, weil die Pumpen in der Regel auf die notwendige Kaltstartmenge ausgefegt sein müssen und dadurch im warmen Betrieb bei höheren Drehzahlen überdimensioniert sind. Idealerweise kann anstelle der Konstantdrossel eine thermisch sensible Drossel eingesetzt werden. Bei höherer Betriebstemperatur und damit höherem Dampfdruck im Kraftstoff wird bei der thermisch sensiblen Drossel deren durchlässige Querschnittsfläche kleiner. Das Ziel ist es dabei die Überströmmenge pro Zeiteinheit über das Druckregelventil zu verringern bzw. zu begrenzen.
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Vorteilhaft ist an der erfindungsgemäßen Pumpe ferner ein Einlass- und/oder ein Auslassventil vorgesehen, das ein gezielt träges Schließverhalten aufweist. Diese Weiterbildung dient ebenfalls dazu, die Pumpenfördermenge bei hohen Drehzahlen zu reduzieren, bei niedrigen Drehzahlen hingegen (Kaltstart) nahezu unbeeinflusst zu lassen. Die Schließzeit eines – typischerweise als Rückschlagventil gestalteten Einlass- oder Auslassventils – ist annähernd konstant und unabhängig von der Pumpendrehzahl. Durch dieses typische Verhalten bzw. diese Charakteristik von Einlass- und Auslassventilen verringert sich mit zunehmender Pumpendrehzahl die maximale Fördermenge der Pumpe. Das Verhältnis zwischen Ansaugzeit der Pumpe und Schließzeit des Einlass- oder Auslassventils wird nämlich mit zunehmender Drehzahl immer kleiner. Das erfindungsgemäß vorteilhaft gezielt träge Schließverhalten eines Einlass- und/oder Auslassventils an der zugehörigen Pumpe kann über die Auslegung der Masse eines zugehörigen Schließkörpers und der Federsteifigkeit einer zugehörigen Schließfeder realisiert werden. Alternativ kann das Schließverhalten auch über ein hydraulisches Dämpfungsglied realisiert werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein hydraulisches Schaubild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems,
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2 einen Längsschnitt einer Pumpe mit integriertem Druckregelventil des Kraftstoffeinspritzsystems gemäß 1 und
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3 einen Längsschnitt des Druckregelventils gemäß 2.
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In 1 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem 10 dargestellt, bei dem flüssiger Kraftstoff, vorliegend Benzin, aus einem Tank 12 mittels einer elektrischen Kraftstoffpumpe 14 durch einen Filter 16 in eine Leitung 18 gefördert werden kann. Ein Niederdruckregler sorgt für ein ausreichend stabiles Niederdruckniveau. Dieses kann auch elektronisch geregelt sein. An der Leitung 18 ist optional ein Niederdruckspeicher bzw. Dämpfer 20 angeschlossen. Die Leitung 18 befindet sich an der Saugseite einer als Hochdruckpumpe gestalteten Pumpe 22, in deren Druckraum 24 ein als Rückschlagventil gestaltetes Einlassventil 26 hineinführt. Der Druckraum 24 der Pumpe 22 ist mittels eines in einem Pumpengehäuse 28 gelagerten Pumpenkolbens 30 in seinem Volumen veränderbar. Aus dem Druckraum 24 führt eine Leitung 32 durch ein als Rückschlagventil gestaltetes Auslassventil 34 in ein ein Hochdruckvolumen bildendes Rail 36. An dem Rail 36 sind Hochdruckeinspritzventile 38 angeordnet, mittels denen der unter Hochdruck bereitgestellte Kraftstoff an einem weiter nicht veranschaulichten Verbrennungsmotor eingespritzt werden kann.
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Die 2 zeigt die Pumpe 22 im Längsschnitt mit ihrem Pumpengehäuse 28, ihrem Druckraum 24, ihrem Pumpenkolben 30 sowie dem ebenfalls im Pumpengehäuse 28 angeordneten Einlassventil 26 sowie dem Auslassventil 34.
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In dem Pumpengehäuse 28 der Pumpe 22 ist ferner ein Druckregelventil 40 integriert angeordnet. Mit dem derartigen Druckregelventil 40 ist eine autarke Druckregelung an der Pumpe 22 auf rein mechanischer Funktion möglich, ohne dass es dazu einer Ansteuerung mittels eines Steuergeräts bedarf. Ferner ist in das Druckregelventil 40 eine Druckspeicherfunktion, eine Druckdämpferfunktion sowie eine Überdrucksicherung integriert.
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Das Druckregelventil 40 ist gemäß 3 als Kolbenschieberventil mit einem Kolben 42 gestaltet, der in einem Zylinder 44 verschieblich gelagert ist. Der Kolben 42 umfasst dabei axial aufeinander folgend einen Steuerabschnitt 43, einen im Durchmesser dünneren Stößelabschnitt 45 und einen Stützabschnitt 47. An dem Stützabschnitt 47 greift ein Federelement bzw. eine Feder in Gestalt einer Schraubenfeder 46 an. Mit dieser Schraubenfeder 46 ist der Kolben 42 gegen einen Endanschlag 48 in seine Ruhelage gedrängt. Die Vorspannung der Schraubenfeder 46 ist mittels einer Einstellschraube 50 einstellbar, die in dem Pumpengehäuse 28 ein- oder ausschraubbar ist. Die Schraubenfeder 46 und der bezogen auf die 2 und 3 rechte Endabschnitt des Stützabschnitts 47 sind von einem Federraum 49 umgeben, wobei mittels einer am Stützabschnitt 47 ausgebildeten Längsnut 51 und einem im Durchmesser entsprechend klein gestalteten Scheibenabschnitt 57 des Stützabschnitts 47 eine druckausgleichende Verbindung, die optional auch dämpfende Wirkung entfalten kann, zwischen der Leitung 18 und dem gesamten Federraum 49 sichergestellt ist.
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In dem Zylinder 44 ist eine als Steuerschlitz gestaltete Steueröffnung 52 ausgebildet, über die der Koben 42 gegen die Kraft der Schraubenfeder 46 verschiebbar ist. Die Kraft zum Verschieben des Kolbens 42 wird vom Druck erzeugt, der in der Leitung 32 hinter dem Auslassventil 34 an der Druckseite der Pumpe 22 vorherrscht. Der Druck wird durch eine im Endanschlag 48 ausgebildete Drossel bzw. Öffnung 54 vor den Kolben 42 geleitet. Mit Erreichen eines Sollregeldrucks in der Leitung 32 hat sich der Kolben 42 über einen Leerweg bis zur Steueröffnung 52 bewegt und gibt dort eine Fläche frei, über die der unter Druck stehende Kraftstoff aus der Leitung 32 in die Leitung 18 in den Niederdruckbereich bzw. auf die Saugseite der Pumpe 22 abströmen kann.
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Die Öffnung 54 wirkt ferner zugleich als eine Blende, mit der Schwingungen des Kolbens 42 in dem Zylinder 44 gedämpft und weitgehend vermieden werden.
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Der Kolben 42 gibt bei seiner Bewegung aus seiner Ruhelage in dem Zylinder 44 ein Volumen bzw. einen Raum 53 frei, bis er mit einer stirnseitigen, bezogen auf 2 und 3 linken Steuerkante 55 die Steueröffnung 52 erreicht und entsprechend Kraftstoff in diese Steueröffnung 52 abströmen kann. In diesen Raum 53 strömt aus der Leitung 32 Kraftstoff unter Hochdruck ein. Dieser Raum 53 dient als Speicher für den Kraftstoff, der vom Kolben 42 aus dem Raum 53 wieder in den Hochdruckbereich zurückgefördert wird, sobald dort der Druck absinkt. Ein solches Absinken des Drucks findet, wie oben erläutert insbesondere bei einem Kaltstart statt. Mit dem Raum 53 ist also die oben genannte Druckspeicherfunktion des Druckregelventils 40 realisiert. Der Raum 53 ist so groß gestaltet, dass er die Kraftstoffmenge vorhält, die bei einer Kaltstarteinspritzung zusätzlich zum Fördervolumen der Pumpe 22 erforderlich ist.
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Ferner ist der Kolben 42 in seiner Ruhelage an dem Endanschlag 48 mittels einer dort ausgebildeten Sitzdichtung abgedichtet. Damit wird beim Motorabstellen sichergestellt, dass sich der Systemdruck nicht aufgrund von Restleckage in der Leitung 32 sowie im Hochdruckbereich des Rails 36 unangemessen schnell abbaut.
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Bei der Pumpe 22 kann saugseitig, insbesondere an deren Einlassventil 26 ferner eine in den Fig. nicht dargestellte Konstantdrossel oder thermisch sensible Drossel vorgesehen werden. Diese Drossel dient dazu, den Raildruck in Abhängigkeit des Arbeitspunkts bzw. der Drehzahl des zugehörigen Motors anzupassen. Ferner sind das Einlassventil 26 und das Auslassventil 34 gezielt mit einem trägen Schließverhalten gestaltet, damit mit zunehmender Drehzahl der Pumpe 22 deren maximale Fördermenge pro Zeiteinheit konstant bleibt bzw. verhältnismäßig kleiner wird.
