DE102014214811A1

DE102014214811A1 - Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102014214811A1
Application number: DE102014214811.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Heber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-02-04
Also published as: WO2016015912A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, aufweisend einen einen Pumpenzylinder beinhaltenden Pumpenzylinderkopf 1, in dem ein Pumpenarbeitsraum 3 gebildet ist, der über ein von einem Elektromagneten 10 gegen die Kraft einer Druckfeder 14 verstellbares Einlassventil 4 mit einem Einlasskanal 9 und über ein Auslassventil 5 mit einem Hochdruckauslass 6 verbunden ist. Erfindungsgemäß wird eine Hochdruckpumpe bereitgestellt, die hinsichtlich ihrer Funktion verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass die Federvorspannung der Druckfeder 14 einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, aufweisend einen einen Pumpenzylinder beinhaltenden Pumpenzylinderkopf, in dem ein Pumpenarbeitsraum gebildet ist, der über ein von einem Elektromagneten gegen die Kraft einer Druckfeder verstellbares Einlassventil mit einer Fluidzuführung und über ein Auslassventil mit einem Hochdruckauslass verbunden ist.
Stand der Technik
Eine derartige Hochdruckpumpe ist aus der DE 10 2008 056 001 A1 bekannt. Diese Hochdruckpumpe ist als Kraftstoffhochdruckpumpe ausgebildet und weist ein elektromagnetisch betätigtes Einlassventil auf. Das Einlassventil ist gegen die Kraft einer Druckfeder verstellbar. Dabei stützt sich die Druckfeder an dem Einlassventil und einem Gehäuseteil der Hochdruckpumpe ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hochdruckpumpe bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Funktion verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Federvorspannung der Druckfeder einstellbar ist. Dieser Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zu Grunde, dass ein von einem Elektromagneten gegen die Kraft einer Druckfeder betätigtes Einlassventil einer Hochdruckpumpe im unbestromten Zustand permanent geöffnet sein muss, um eine ungewünschte Förderung der Hochdruckpumpe zu verhindern. Bestimmend für die Federvorspannung der Druckfeder ist der maximal auftretende Förderfall von Volumen bei einer maximalen Betriebsdrehzahl der Hochdruckpumpe. Dieser Betriebszustand wird aber nur bei einem sogenannten Verschalter und somit nur kurzzeitig über der Lebensdauer der Hochdruckpumpe erreicht. Im Normalbetrieb muss dagegen die so bestimmte Federkraft der Druckfeder bei jedem Arbeitshub des Einsatzventils durch den Elektromagneten überwunden werden. Daraus ergeben sich die Bestromungsparameter für den Elektromagneten zu dessen Betrieb. Dadurch, dass die Federvorspannung der Druckfeder einstellbar ist, können mehrere Vorteile erreicht werden. Bei einer Einstellung der Federvorspannung der Druckfeder auf einen geringen Wert W₁ kann das Einlassventil von einer geringen elektromagnetischen Kraft betätigt werden, während das Einlassventil bei einer Einstellung der Federvorspannung auf einen hohen Wert W₂ nur von einer hohen elektromagnetischen Kraft betätigt werden kann. Ist der Elektromagnet nur zur Erzeugung einer geringen elektromagnetischen Kraft ausgelegt, kann das Einlassventil dann nicht betätigt werden und somit kann von der Hochdruckpumpe zu förderndes Medium nicht in einen Hochdruckauslass gefördert werden. Diese Funktion kann erfindungsgemäß als Sicherheitsfunktion der Hochdruckpumpe eingesetzt werden, bei der bei vorgebbaren Betriebszuständen keine weitere Förderung des Mediums durch die Hochdruckpumpe erfolgt. Andererseits kann dadurch, dass die Federvorspannung der Druckfeder auf einen niedrigen Druckwert einstellbar ist, der gesamte Magnetkreis der Hochdruckpumpe, insbesondere also der Elektromagnet wesentlich kleiner dimensioniert werden. Dadurch kann auch ein den Elektromagneten ansteuerndes Steuergerät beziehungsweise dessen Endstufe wesentlich kleiner und somit zu dem auch kostengünstiger dimensioniert werden. Damit ist eine CO2 Einsparung der so ausgebildeten Hochdruckpumpe über deren Lebensdauer erreicht, in dem eine permanente Energieersparnis bei einer Bestromung des Einlassventils durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Federvorspannung der Druckfeder mechanisch, elektrisch und/oder hydraulisch einstellbar. Hier kann eine Auswahl der jeweiligen Einstellmöglichkeit oder aber auch eine Kombination der Einstellmöglichkeiten nach vorgebbaren Randbedingungen erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Druckfeder zwischen einem Anker des Elektromagneten und einem in einer Zylinderführung in dem Magnetkern geführten Kolben eingespannt. Der Kolben ist in der Zylinderführung vorzugsweise gemäß einer Zweipunkt-Regelung zwischen zwei Endlagen verstellbar. Dadurch kann die Federspannung der Druckfeder auf den niedrigen Wert W₁ und den hohen Wert W₂ eingestellt werden. Es ist aber bei einer entsprechenden Ansteuerung auch möglich, den Kolben in beliebigen Zwischenpositionen zwischen den zuvor beschriebenen Endpositionen zu fixieren, um eine beliebige Änderung der Vorspannung der Druckfeder einzustellen. Diese Einstellung kann zur Erzielung bestimmter Effekte zweckdienlich sein. So ist es beispielsweise vorstellbar, dadurch den Öffnungshub des Einlassventils zu variieren, um beispielsweise eine sehr genaue Fördermengenregelung des von der Hochdruckpumpe zu fördernden Mediums einzustellen.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Zylinderführung gegenüberliegend zu der an den Kolben angreifenden Druckfeder als hydraulischer Arbeitsraum ausgebildet. In diesen hydraulischen Arbeitsraum wird ein Hydraulikfluid eingeleitet, das den Kolben in der zuvor beschriebenen Art und Weise verstellt, um dadurch die Federvorspannung der Druckfeder einzustellen.
In Weiterbildung der Erfindung weist der hydraulische Arbeitsraum eine Anbindung zu einer Verbindungsleitung auf, die mit einem Hochdruckspeicher und oder dem Pumpenarbeitsraum verbunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass insbesondere bei einem hohen Druck in dem Hochdruckspeicher oder dem Pumpenarbeitsraum die Federvorspannung der Druckfeder soweit erhöht wird, dass das Einlassventil von dem Elektromagneten nicht mehr geschlossen werden kann, so dass keine weitere Förderung durch die Hochdruckpumpe erfolgt.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Kolben ein Druckübersetzerkolben. Dadurch ist erreicht, dass insbesondere auch mit geringen Betätigungskräften der Kolben betätigt beziehungsweise verstellt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung wirkt der Kolben auf der der Druckfeder gegenüberliegenden Seite mit einem mechanischen oder elektrischen Steller zusammen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere als Alternative zu der hydraulischen Verstellung des Kolbens vorgesehen, kann aber auch additiv zu der hydraulischen Verstellung vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kolben dichtend in der Zylinderführung geführt. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass insbesondere bei einer Ausbildung des Arbeitsraums als hydraulischer Arbeitsraum der Elektromagnet beziehungsweise dessen Komponenten nicht mit dem Hydraulikfluid in Kontakt kommen und somit hinsichtlich ihrer Funktion behindert werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Federvorspannung oberhalb einer Drehzahl von 5000 U/min (Umdrehungen pro Minute) einer die Hochdruckpumpe betätigenden Antriebswelle von einem niedrigen Wert W₁ auf einen hohen Wert W₂ verstellbar. Insbesondere diese drehzahlabhängige Einstellung der Federvorspannung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, indem nämlich dadurch bei nur in Ausnahmesituationen oder bei denkbaren Fehlfunktionen auftretenden hohen Drehzahlen beispielsweise von bis zu 6000 U/min eine weitere Förderung durch die Hochdruckpumpe unterbunden ist, während bei ansonsten auftretenden normalen Drehzahlen bis 5000 U/min die Federvorspannung herabgesetzt ist und das Einlassventil mit geringen Magnetkräften bewegt beziehungsweise verstellt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckpumpe eine Kraftstoffhochdruckpumpe und ein von der Hochdruckpumpe gefördertes Medium Kraftstoff. Wenn auch der Gegenstand bei einer beliebigen, ein beliebiges Medium fördernden, Hochdruckpumpe eingesetzt werden kann, ist die bevorzugte Anwendung bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe gegeben, die Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff vorzugsweise in einen Hochdruckspeicher fördert, aus der der dort unter einem Druck von bis zu 3000 bar gespeicherte Druck von Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer beispielsweise als selbstzündende Brennkraftmaschine ausgebildeten Brennkraftmaschine entnommen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, die ein in der Zeichnung beschriebenes Ausführungsbeispiel näher beschreiben.
Die einzige 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdruckpumpe.
Eine als Kraftstoffhochdruckpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe weist einen Pumpenzylinderkopf 1 auf, der einstückig mit einem Pumpenzylinder ausgebildet ist. In dem Pumpenzylinderkopf 1 ist ein Pumpenarbeitsraum 3 angeordnet, der über ein Einlassventil 4 mit Kraftstoff befüllbar ist, wobei der in den Pumpenarbeitsraum 3 zugemessene Kraftstoff bei einem Förderhub der Kraftstoffhochdruckpumpe über ein in einem Hochdruckauslass 6 angeordnetes und schematisch dargestelltes Auslassventil 5 in eine weiterführende Hochdruckleitung gefördert wird, die beispielsweise mit einem Hochdruckspeicher verbunden ist. In dem Hochdruckspeicher wird der eingebrachte Kraftstoff unter einem Druck von bis zu 3000 bar gespeichert. Der Hochdruckspeicher ist über Injektorleitungen mit Kraftstoffinjektoren verbunden, mittels denen Kraftstoff gesteuert in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Zur Förderung des Kraftstoffs ist in Verlängerung des Pumpenarbeitsraums 3 eine Zylinderbohrung 7 in den Pumpenzylinderkopf 1 eingelassen, in der ein Pumpenkolben 2 von einer als Nockenwelle oder Exzenterwelle ausgebildeten Antriebswelle auf und ab bewegt werden kann. Die Antriebswelle wird normalerweise mit einer Drehzahl von bis zu 5000 U/min bewegt, kann aber in Sonderfällen mit einer Drehzahl von bis zu 6000 U/min bewegt werden. Auf diesen Umstand wird nachfolgend noch genauer eingegangen.
Im Bereich des Einlassventils 4 ist ein Einlassraum 8 angeordnet, der über einen Einlasskanal 9 in dem Pumpenzylinderkopf 1 mit einer weiterführende Niederdruckleitung verbunden ist. Über die Niederdruckleitung wird dem Einlassraum 8 und somit dem Einlassventil 4 Kraftstoff unter einem geringen Druck zugeführt, der bei geöffnetem Einlassventil 4 und einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 2 in den Pumpenarbeitsraum 3 eingeleitet wird.
Das Einlassventil 4 wird von einem Elektromagneten 10 betätigt, wobei das Einlassventil 4 in nicht bestromten Zustand des Elektromagneten 10 die Strömungsverbindung von dem Einlassraum 8 zu dem Pumpenarbeitsraum 3 freigibt. In dieser Stellung wird zwar bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 2 Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum 3 zugeführt, der aber bei einer nachfolgenden Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 2 durch das geöffnete Einlassventil 4 wieder in den Einlassraum 8 und weiter in den Einlasskanal 9 mangels eines für eine Förderung in den Hochdruckauslass 6 nötigen Druckaufbaus in den Pumpenarbeitsraum 3 zurückgefördert wird.
Der Elektromagnet 10 weist eine in einem Magnetkreisleiter 11 angeordnete Magnetspule 12 auf, die mit einem Magnetanker 13 zusammenwirkt. Der Magnetanker 13 wirkt mit dem Einlassventil 4 zusammen und wird von einer Druckfeder 14 gegen das Einlassventil 4 gedrückt, so dass dieses in die dargestellte geöffnete Stellung bewegt wird. Erst bei einer Bestromung der Magnetspule 12 wird der Magnetanker 13 nach oben gegen einen Magnetkern 26 bewegt und unterstützt von einer über ein Halteelement 15 auf das Einlassventil 4 einwirkenden Schießfeder 16 wird das Einlassventil 4 nach oben bewegt, so dass ein Ventilteller 17 des Einlassventils 4 zur Anlage auf einen in dem Pumpenzylinderkopf 1 eingelassenen Ventilsitz 18 kommt und somit der Pumpenarbeitsraum 3 gegenüber dem Einlassraum 8 abgeschlossen ist. Folglich wird bei einer Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 3 über das Auslassventil 5 in den Hochdruckauslass 6 gefördert. Die Schließbewegung des Einlassventils 4 wird von dem Elektromagneten 10 normalerweise unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle der Hochdruckpumpe eingestellt, wenn eine vorbestimmte Kraftstoffmenge aus der Niederdruckleitung in dem Pumpenarbeitsraum 3 zugeführt worden ist.
Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung stützt sich die Druckfeder 14 an einem Kolben 19 ab, der in einer in dem Pumpenzylinderkopf 1 in Achsrichtung zu dem Pumpenarbeitsraum 3 und der Zylinderbohrung 7 in einer Zylinderführung 20 des Magnetkerns 26, der in einem Magnetgehäuse 25 angeordnet ist, geführt ist. Gegenüberliegend zu der an dem Kolben 19 angreifenden Druckfeder 14 ist die Zylinderführung 20 als hydraulischer Arbeitsraum 21 ausgebildet, der über eine Anbindung 22 und eine weiterführende Verbindungsleitung 23 beispielsweise mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist. In der Zylinderführung 20 ist weiterhin ein Einstellelement 24 angeordnet, das eine Standard-Federvorspannung der Druckfeder 14 bis zu einer Antriebswellendrehzahl von 5.000 Umdrehungen sicherstellt. Bis zu dieser Drehzahl liegt der Kolben 19 an dem Einstellelement 24 an und die Druckfeder 14 ist mit einer Federvorspannung mit einem niedrigen Wert W₁ vorgespannt. Der Elektromagnet 10 und das den Elektromagneten 10 betätigende Steuergerät mitsamt einer Endstufe sind so ausgelegt, dass bei dieser Einstellung das Einlassventil 4 von dem Elektromagneten 10 in die geschlossene Stellung verstellt werden kann. Wird nun beispielsweise durch einen außergewöhnlichen Umstand die Drehzahl der Antriebswelle weiter beispielsweise bis zu einer Drehzahl von 6.000 Umdrehungen erhöht, erhöht sich der Förderdruck der Kraftstoffhochdruckpumpe, wobei diese (zunächst einmal geringfügige) Erhöhung des Drucks sofort über den Hochdruckspeicher in den hydraulischen Arbeitsraum 21 übertragen wird. Diese Druckerhöhung in dem hydraulischen Arbeitsraum 21 verstellt aber den Kolben 19, so dass die Federvorspannung der Druckfeder 14 auf einen hohen Wert W₂ in Richtung zu dem Magnetanker 13 verstellt wird. Bei dieser hohen Federvorspannung reicht die Magnetkraft des Elektromagneten 10 aber nicht mehr aus, den Magnetanker 13 zu verstellen und das Einlassventil 3 in die geschlossene Stellung zu bewegen beziehungsweise in der geschlossenen Stellung zu halten. Folglich erfolgt keine weitere Förderung von Kraftstoff über das Auslassventil 5 in den Hochdruckauslass 6. Dadurch ist sichergestellt, dass der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher nicht weiter erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008056001 A1 [0002]

Claims

Hochdruckpumpe, aufweisend einen einen Pumpenzylinder beinhaltenden Pumpenzylinderkopf (1), in dem ein Pumpenarbeitsraum (3) gebildet ist, der über ein von einem Elektromagneten (10) gegen die Kraft einer Druckfeder (14) verstellbares Einlassventil (4) mit einem Einlasskanal (9) und über ein Auslassventil (5) mit einem Hochdruckauslass (6) verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorspannung der Druckfeder (14) einstellbar ist.
Hochdruckpumpe Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorspannung der Druckfeder (14) mechanisch, elektrisch und/oder hydraulisch einstellbar ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (14) zwischen einem Magnetanker (13) des Elektromagneten (10) und einem in einer Zylinderführung (20) geführten Kolben (19) eingespannt ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderführung (20) gegenüberliegend zu der an dem Kolben (19) angreifenden Druckfeder (14) als ein hydraulischer Arbeitsraum (21) ausgebildet ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Arbeitsraum (21) über eine Anbindung (22) und eine weiterführende Verbindungsleitung mit einem Hochdruckspeicher und/oder dem Pumpenarbeitsraum (3) verbunden ist.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (19) ein Druckübersetzerkolben ist.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (19) auf der der Druckfeder (14) gegenüber liegenden Seite mit einem mechanischen oder elektrischen Steller zusammenwirkt.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (19) in der Zylinderführung (20) dichtend geführt ist.
Hochdruckpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorspannung oberhalb einer Drehzahl von beispielsweise 5000 U/min einer die Hochdruckpumpe betätigenden Antriebswelle von einem niedrigen Wert W₁ auf einen hohen Wert W₂ einstellbar ist.
Hochdruckpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe eine Kraftstoffhochdruckpumpe und ein von der Hochdruckpumpe gefördertes Medium Kraftstoff ist.