DE102011077918A1

DE102011077918A1 - Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011077918A1
Application number: DE201110077918
Authority: DE
Inventors: Otto Mueller; Arnold Gente; Matthias Greiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-12-27
Also published as: WO2012175281A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Pumpenkolben (5), der durch eine Antriebswelle (2) zumindest mittelbar in einer Hubbewegung angetrieben wird, wobei die Antriebswelle (2) von der Brennkraftmaschine mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionaler Drehzahl angetrieben wird. Die Antriebswelle (2) weist wenigstens einen Einfach- oder Mehrfachnocken (3) zum Antrieb des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) auf. Durch den wenigstens einen Pumpenkolben (5) wird ein Pumpenarbeitsraum (6) begrenzt, der ein Hubvolumen aufweist. Die Saugphasen des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) sind so bemessen, dass bei geringer Drehzahl der Antriebswelle (2) und der Brennkraftmaschine, insbesondere Startdrehzahl der Brennkraftmaschine, das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums (6) in der Saugphase des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) zumindest im wesentlichen vollständig mit Kraftstoff befüllt wird, und dass bei hoher Drehzahl der Antriebswelle (2) und der Brennkraftmaschine in der Saugphase des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums (6) nur teilweise mit Kraftstoff befüllt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Eine derartige Hochdruckpumpe ist aus der DE 10 2008 041 934 A1 bekannt. Diese Hochdruckpumpe weist einen Pumpenkolben auf, der von einer Pumpenantriebswelle mit einem Nocken angetrieben wird. Die Pumpenantriebswelle wird mechanisch durch die Brennkraftmaschine angetrieben, so dass die Drehzahl der Pumpenantriebswelle proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Durch den Pumpenkolben wird ein Pumpenarbeitsraum mit einem definierten Hubvolumen begrenzt. Durch die Hochdruckpumpe wird Kraftstoff in einen Hochdruckbereich, beispielsweise einen Hochdruckspeicher, gefördert und kann an der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des CO2-Ausstoßes der Brennkraftmaschine wird angestrebt diese bei fehlendem Antriebsbedarf, beispielsweise beim Stillstand eines mit der Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs, abzustellen. Dies wird auch als Start-Stopp-System bezeichnet. Bei abgestellter Brennkraftmaschine wird auch durch die Hochdruckpumpe kein Kraftstoff mehr gefördert. Nachfolgend ist jedoch ein schneller Start der Brennkraftmaschine erforderlich wozu wiederum eine schnelle Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe erforderlich ist. Um ein schnelles Starten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen muss durch die Hochdruckpumpe bereits bei geringer Drehzahl eine große Kraftstoffmenge gefördert werden. Eine entsprechende Auslegung der Hochdruckpumpe gemäß dem Stand der Technik führt jedoch dazu, dass ein hohes Drehmoment zum Antrieb der Pumpenantriebswelle erforderlich ist und dass das erforderliche Antriebsmoment außerdem stark schwankt. Darüber hinaus wird durch die Hochdruckpumpe bei hoher Drehzahl unter Umständen mehr Kraftstoff gefördert als im jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch diese einerseits bereits bei geringer Drehzahl die für ein schnelles Starten der Brennkraftmaschine erforderliche Kraftstoffmenge gefördert wird andererseits jedoch bei hoher Drehzahl nicht zu viel Kraftstoff gefördert wird. Das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums kann dabei entsprechend der Mengenanforderung zum Starten der Brennkraftmaschine ausgelegt werden.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe angegeben. Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass durch die Verkürzung der Saugphasen gegenüber den Förderphasen des Pumpenkolbens sowohl die Befüllung des Pumpenarbeitsraums bei hoher Drehzahl verringert wird, da sich der Liefergrad der Hochdruckpumpe bei hohen Drehzahlen verschlechtert, dieser Effekt kann aber durch eine Vergrößerung des Hubvolumens ausgeglichen werden. Außerdem kann das erforderliche Antriebsmoment zum Antrieb der Hochdruckpumpe reduziert werden, da für die Förderphasen ein größerer Drehwinkelbereich der Pumpenantriebswelle zur Verfügung steht. Der Bauaufwand ist gegenüber einer vorbekannten Hochdruckpumpe quasi unverändert. Die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ermöglicht ein ausreichend großes Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums ohne dass hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Pumpenkolbens und daraus resultierende hohe und schwankende Antriebsmomente für die Pumpenantriebswelle auftreten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind außerdem der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Kolbenpumpe,
2 ein Diagramm mit einer Darstellung eines bekannten Kolbenhubs und eines erfindungsgemäß ausgelegten Kolbenhubs einer Pumpennockenwelle und
3 ein Diagramm mit einer Darstellung einer Kolbengeschwindigkeit eines bekannten Nockens und eines erfindungsgemäß ausgelegten Nockens einer Pumpennockenwelle.
Die in 1 dargestellte Pumpe ist als eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, einer mit Dieselkraftstoff betriebenen selbstzündenden Brennkraftmaschine konzipiert und zur Förderung von Dieselkraftstoff mit einem Druck von mehr als 1600 bar in einen Hochdruckspeicher ausgelegt. Die Kolbenpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf, in dem eine als Pumpennockenwelle 2 ausgebildete Pumpenantriebswelle drehbar gelagert ist. Die Pumpennockenwelle 2 weist einen Doppelnocken 3 auf, der bei einer Rotationsbewegung der Pumpennockenwelle 2 zusammenwirkend mit einem Rollenstößel 4 und einem Pumpenkolben 5 eine translatorische Auf- und Abbewegung des Pumpenkolbens 5 bewirkt. Die Pumpennockenwelle 2 wird mechanisch durch die Brennkraftmaschine angetrieben und die Drehzahl der Pumpennockenwelle 2 ist proportional der Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Ein Pumpenarbeitsraum 6 ist in einen Pumpenzylinderkopf 7 der Hochdruckpumpe eingelassen, wobei der Pumpenzylinderkopf 7 weiterhin einstückig mit einem Pumpenzylinder 8 ausgebildet ist. Der Pumpenzylinder 8 ragt in eine Ausnehmung 9 des Pumpengehäuses 1 hinein und ist zu der Mittelachse der Pumpennockenwelle 2 ausgerichtet.
Der Rollenstößel 4 weist einen Stößelkörper 10 auf, der an dem Pumpenzylinder 8 innengeführt ist und gegenüber diesem mittels einer Verdrehsicherung 11 verdrehgesichert ist. Genauso könnte der Rollenstößel in dem Pumpengehäuse 1 außengeführt und verdrehgesichert sein. Weiterhin weist der Stößelkörper 10 eine sich bis zu einem inneren Ringflansch 18 erstreckende pumpennockenwellenseitige Ausnehmung auf, in die ein Rollenschuh 12 eingesetzt ist. Der Rollenschuh 12 weist eine hohlzylinderförmige Ausnehmung 13 auf, in die eine Laufrolle 14 verliersicher eingesetzt ist. Die Laufrolle 14 läuft bei einer Drehbewegung der Nockenwelle 2 auf der Nockenlaufbahn ab und überträgt so die Drehbewegung der Nockenwelle 2 in eine translatorische Bewegung des Pumpenkolbens 5. Der Pumpenkolben 5 weist einen Pumpenkolbenfuß 15 auf, der über eine Klemmeinrichtung 16 mit dem Rollenstößel 4 beziehungsweise dem Stößelkörper 10 durch ein Einklemmen zwischen dem Rollenschuh 12 und dem inneren Ringflansch 18 verbunden ist. Nicht dargestellt ist in der Figur eine Pumpenfeder, die den Rollenstößel 4 in Richtung zu der Nockenwelle 2 drückt. Die Pumpenfeder ist in einem Raum 17 unterhalb des Pumpenzylinders 8 zwischen diesem und dem inneren Ringflansch 18 des Stößelkörpers 10 angeordnet.
Der Pumpenarbeitsraum 6 steht in Verbindung mit einem Saugventil, über das Kraftstoff von einem Niederdrucksystem zugeführt wird und wobei das Saugventil bei einem Saughub (Abwärtsbewegung) des Pumpenkolbens 5 öffnet und somit Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum 6 eingelassen wird. Bei einem Förderhub (Aufwärtsbewegung) des Pumpenkolbens 5 schließt das Saugventil und Kraftstoff wird aus dem Pumpenarbeitsraum 6 über eine Kraftstoffleitung, ein Rückschlagventil und eine weiterführende Leitung in den Hochdruckspeicher gefördert.
Der Pumpenkolben 5 weist beispielsweise einen Durchmesser von etwa 6 mm bis 9 mm, insbesondere von etwa 6,5 bis 7,5 mm auf und der Hub des Pumpenkolbens 5 beträgt etwa 5 mm bis 8 mm, insbesondere etwa 5 bis 6,5 mm. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Pumpenkolbens 5 größer als der Hub des Pumpenkolbens 5. Bei einem bestimmten Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums 6 ergeben sich bei großem Durchmesser des Pumpenkolbens 5 und geringem Hub des Pumpenkolbens 5 geringere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Pumpenkolbens 5 als bei gleichem Hubvolumen mit kleinerem Durchmesser und größerem Hub des Pumpenkolbens 5.
Das Diagramm gemäß 2 weist eine Abszisse auf, auf die der Nockenwinkel in Grad Pumpennockenwelle 2 dargestellt ist, während die Ordinate den Kolbenhub in Millimeter angibt. Ein bekannter Standardnocken für eine Pumpennockenwelle 2 mit einem Doppelnocken 3 weist einen Nockenverlauf auf, der ausgehend von 0 mm Kolbenhub bei 0° Pumpennockenwelle 2 einen maximalen Kolbenhub von 6,5 mm bei angenähert 90° Pumpennockenwelle 2 erreicht ist und der danach wieder abfällt bis auf einen Kolbenhub von 0 mm bei 180° Pumpennockenwelle 2. Der erfindungsgemäß ausgelegte Nocken 3 (Start-Stopp-Nocken) weist den gleichen maximalen Kolbenhub von angenähert 6,5 mm auf, dieser Kolbenhub wird aber erst bei einem späteren Nockenwinkel von angenähert 105° erreicht. Die Saugphase des Pumpenkolbens 5 erstreckt sich bei dem erfindungsgemäßen Nockens 3 über einen Nockenwinkel von etwa 75° und die Förderphase des Pumpenkolbens 5 erstreckt sich über einen Nockenwinkel von etwa 105°.
In dem Diagramm gemäß 3 ist auf der Abszisse wieder der Nockenwinkel in Grad Pumpennockenwelle 2 angegeben, während die Ordinate die Kolbengeschwindigkeit in m/s bei einer Drehzahl von 1.000 Umdrehungen der Pumpennockenwelle 2 wiedergibt. Ein bekannter Standardnocken ist so ausgelegt, dass dieser einen Pumpenkolben 5 ausgehend von einer Kolbengeschwindigkeit von 0 m/s bis auf einen Maximalwert von 0,6 m/s bei angenähert 20° Pumpennockenwelle 2 beschleunigt und anschließend bei diesem Wert über einen Nockenwinkel von angenähert 40° bis zu einem Nockenwinkel von 60° Pumpennockenwelle 2 verharrt. Ab dem Nockenwinkel von 60° Pumpennockenwelle 2 wird die Kolbengeschwindigkeit reduziert bis zu einem Stillstand bei 90° Pumpennockenwelle (OT), wird dann negativ bis zu einem Minimalwert von angenähert –0,7 m/s (negative Kolbengeschwindigkeit bei der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens) bei ungefähr 135°, um anschließend bis zu einem Nockenwinkel von 180° Pumpenmnockenwelle 2 wieder bis auf eine Kolbengeschwindigkeit von 0 m/s (Stillstand im UT) anzusteigen.
Der erfindungsgemäße Nocken 3 (Start-Stopp-Nocken) erreicht schon bei angenähert 10° Pumpennockenwelle 2 schneller die maximale Kolbengeschwindigkeit von etwas über 0,4 m/s, die über einen Nockenwinkel von angenähert 70° bis zu einem Nockenwinkel von angenähert 80° konstant gehalten wird. Danach wird die Kolbengeschwindigkeit – den Stillstand im OT bei angenähert 105° Pumpennockenwelle 2 erreichend – auf einen Negativwert von – 0,8 m/s bei angenähert 150° Nockenwinkel reduziert, um anschließend bis 180° Pumpennockenwelle 2 wieder auf 0 m/s (Stillstand im UT) zu steigen. Deutlich erkennbar ist die über einen weiten Nockenwinkel von ca. 70° Pumpennockenwelle 2 während der Förderphase reduzierte Kolbengeschwindigkeit, die eine deutliche Reduzierung des Antriebsmoments der Pumpennockenwelle 2 der Kolbenpumpe ermöglicht.
Das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums 6 ist so bemessen, dass bei geringer Drehzahl der Pumpenantriebswelle 2 und der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Startdrehzahl der Brennkraftmaschine, bei der Saugphase des Pumpenkolbens 5 der Pumpenarbeitsraum 6 zumindest im wesentlichen vollständig mit Kraftstoff befüllt wird und somit durch den Pumpenkolben 5 eine zum Starten der Brennkraftmaschine ausreichende Kraftstoffmenge gefördert wird. Die Startdrehzahl der Brennkraftmaschine ist dabei die Drehzahl mit der ein beispielsweise elektrisch betätigter Starter die Brennkraftmaschine antreiben kann. Bei hoher Drehzahl der Pumpennockenwelle 2 und der Brennkraftmaschine wird der Pumpenarbeitsraums 6 wegen der gegenüber der Förderphase verkürzten Saugphase des Pumpenkolbens 5 beim Saughub des Pumpenkolbens 5 nicht mehr voll befüllt, so dass sich bei hoher Drehzahl der Liefergrad der Hochdruckpumpe verringert. Das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums 6 ist jedoch so groß bemessen, dass trotz der Liefergradverringerung auch bei der Drehzahl in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine für deren höchstes Drehmoment und/oder deren höchste Leistung die erforderliche Kraftstoffmenge durch den Pumpenkolben 5 gefördert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008041934 A1 [0002]

Claims

Hochdruckpumpe, insbesondere für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Pumpenkolben (5), der durch eine Antriebswelle (2) zumindest mittelbar in einer Hubbewegung angetrieben wird, wobei die Antriebswelle (2) von der Brennkraftmaschine mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionaler Drehzahl angetrieben wird, wobei die Antriebswelle (2) wenigstens einen Einfach- oder Mehrfachnocken (3) zum Antrieb des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) aufweist, wobei durch den wenigstens einen Pumpenkolben (5) ein Pumpenarbeitsraum (6) begrenzt wird, der ein Hubvolumen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugphasen des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) so bemessen sind, dass bei geringer Drehzahl der Antriebswelle (2) und der Brennkraftmaschine, insbesondere Startdrehzahl der Brennkraftmaschine, das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums (6) in der Saugphase des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) zumindest im wesentlichen vollständig mit Kraftstoff befüllt wird, und dass bei hoher Drehzahl der Antriebswelle (2) und der Brennkraftmaschine in der Saugphase des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums (6) nur teilweise mit Kraftstoff befüllt wird.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einfach- oder Mehrfachnocken (3) der Antriebswelle (2) so ausgebildet ist, dass sich bezogen auf den Drehwinkel der Antriebswelle (2) die Saugphasen des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) über einen kleineren Drehwinkel der Antriebswelle (2) erstrecken als die Förderphasen des wenigstens einen Pumpenkolbens (5).
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubvolumen des Pumpenarbeitsraums (6) so bemessen ist, dass in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit maximalem Drehmoment und/oder maximaler Leistung der Brennkraftmaschine auch bei Teilbefüllung des Hubvolumens des Pumpenarbeitsraums (6) die erforderliche Kraftstoffmenge gefördert wird.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) kleiner ist als der Durchmesser des wenigstens einen Pumpenkolbens (5).
Hochdruckpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Pumpenkolben (5) einen Durchmesser von etwa 6 bis 9 mm, vorzugsweise etwa 6,5 bis 7,5 mm aufweist, und dass der Hub des wenigstens einen Pumpenkolbens (5) etwa 5 bis 8 mm, vorzugsweise etwa 5 bis 6 mm beträgt.