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Die Erfindung betrifft ein Versorgungsverfahren sowie eine Versorgungsvorrichtung, mit denen ein Hochdruckraum einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung versorgt werden kann.
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Kraftstoffhochdruckpumpen in Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen werden dazu verwendet, einen Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen im Bereich von 100 bar bis 600 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen im Bereich von 1500 bar bis 3000 bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung des Kraftstoffes in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
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Insbesondere bei Direkteinspritzsystemen bzw. in Common-Rail-Systemen werden Kraftstoffhochdruckpumpen verwendet, die ein sogenanntes Mengenregelventil aufweisen, welches die in einem Hochdruckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe mit Druck zu beaufschlagende Kraftstoffmenge variabel steuern kann. Solche Mengenregelventile verursachen beim Schließen und Öffnen zumeist eine mechanische Anregung, beispielsweise eines Gehäuses der Kraftstoffhochdruckpumpe, wodurch die gesamte Kraftstoffhochdruckpumpe angeregt wird ähnlich eines kleinen Stoßes bzw. eines Hammerschlages, und dadurch in Schwingung gerät. Die dabei entstehende Anregung verursacht Schallwellen und somit eine Geräuschentwicklung. Diese Geräuschentwicklung und eine daraus folgende Geräuschemission kommt besonders bei einem stehenden Fahrzeug im Leerlauf bzw. bei langsamer Fahrt zum Tragen. Die Geräuschkulisse wird häufig als sehr störend empfunden, sodass es Bemühungen gibt, die Geräuschkulisse zu minimieren. Insbesondere bei schnellerer Fahrt und höherer Drehzahl der Brennkraftmaschine ist die durch das Mengenregelventil entstehende Geräuschkulisse wieder zu vernachlässigen, da andere Nebengeräusche dominieren.
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Bisher wurden beispielsweise die folgen Maßnahmen ergriffen, um die Geräuschkulisse des Mengenregelventils zu minimieren:
Es wurde ein Bestromungsprofil des Mengenregelventils angepasst, um so ein weiches Öffnen und Schließen eines Schließelementes des Mengenregelventils zu realisieren.
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Über zusätzlich eingebaute Drosseln und beispielsweise zusätzliche Ventile an einem Anker des Mengenregelventils konnte eine Dämpfung erreicht werden.
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Zusätzlich konnte beispielsweise ein magnetisches Ankerprellen minimiert werden.
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Weiter ist es bekannt, das gesamte Pumpendesign anzupassen, indem beispielsweise die Masse erhöht, die Steifigkeit des Materials verändert, die abstrahlenden Oberflächen optimiert, Resonanzbereiche angepasst und das innere Dämpfungsvolumen erhöht werden.
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Es ist auch bekannt, eine verminderte Anregung des Pumpengehäuses durch eine Wegreduzierung eines Ankers am Mengenregelventil zu erzielen, da dadurch eine geringere Stoßenergie erzeugt wird.
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Weiter ist es auch bekannt, Abdeckungen der gesamten Kraftstoffhochdruckpumpe vorzusehen, um die Geräuschemission zu vermindern.
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Sämtliche bekannten Maßnahmen sind mit einem hohen Aufwand und damit einhergehend auch mit hohen Kosten verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, alternative Möglichkeiten zu finden, mit denen eine durch den Betrieb eines Mengenregelventils entstehende Geräuschkulisse verringert werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Versorgungsverfahren zum Versorgen eines Hochdruckraums einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Eine Versorgungsvorrichtung, mit der insbesondere das Versorgungsverfahren durchgeführt wird, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einem Versorgungsverfahren zum Versorgen eines Hochdruckraumes einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung werden die folgen Schritte durchgeführt:
Zunächst wird ein schaltbares Mengenregelventil zum Versorgen des Hochdruckraumes mit einer variierbaren Kraftstoffmenge aus der Niederdruckleitung und gleichzeitig auch eine mechanische Druckregeleinrichtung zum Versorgen des Hochdruckraums mit einem konstanten Kraftstoffdruck bereitgestellt. Dann wird ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfasst, wobei die Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebszustand eine niedrigere Drehzahl aufweist als in einem zweiten Betriebszustand. In dem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird das Mengenregelventil abgeschaltet und in dem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird das Mengenregelventil eingeschaltet.
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Das bedeutet, dass das Mengenregelventil nur dann betrieben wird, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand befindet, in dem eine höhere Geräuschkulisse durch andere Nebengeräusche als den Betrieb des Mengenregelventils zu erwarten ist. Sind solche Nebengeräusche weniger vorhanden, wird das Mengenregelventil nicht betrieben, sodass auch keine Anregung des Pumpengehäuses durch Stöße und Prellen innerhalb des Mengenregelventils stattfindet. Damit jedoch der Hochdruckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe und somit auch das gesamte Kraftstoffeinspritzsystem weiterhin mit Kraftstoff und somit mit Hochdruck versorgt werden kann, erfolgt die Druckregelung in der Zeitspanne, in der das Mengenregelventil abgeschaltet ist, durch die mechanische Druckregeleinrichtung. Das bedeutet, die Druckregelung des Kraftstoffes innerhalb des Hochdruckraumes erfolgt mit zwei Mechanismen. Bei der Druckregelung mittels Mengenregelventil kann dabei eine variable Druckregelung stattfinden, da das Mengenregelventil zwischen mehreren Offenstellungen schaltbar ist. Die mechanische Druckregeleinrichtung kann zwar keinen variierbaren Kraftstoffdruck und damit unter konstanten Temperaturbedingungen auch keine variierbare Kraftstoffmenge für den Hochdruckraum zur Verfügung stellen, kann jedoch dafür sorgen, dass das Pumpprinzip prinzipiell möglich bleibt und sorgt zumindest dafür, dass ein Konstantdruck in dem Hochdruckraum eingestellt und geregelt wird.
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Vorzugsweise wird, beispielsweise in einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine, eine Grenzfunktion hinterlegt, die definiert, ab wann ein Abschalten bzw. Einschalten des Mengenregelventils nötig ist, damit zwischen einer mechanischen konstanten Druckregelung und einer variablen Druckregelung gewechselt werden kann.
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Vorzugsweise wird ein Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine als der erste Betriebszustand definiert.
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Das Mengenregelventil wird daher während des Leerlaufbetriebs der Brennkraftmaschine – gegebenenfalls auch bei erhöhtem Leerlauf – komplett ausgeschaltet, sodass keine Anregung des Pumpengehäuses stattfindet. Der Systemdruck während des Leerlaufes wird mechanisch durch die mechanische Druckregeleinrichtung geregelt. Die mechanische Druckregeleinrichtung ermöglicht keinen variablen Systemdruck während des Leerlaufbetriebes der Brennkraftmaschine, sondern einen Konstantdruck. Wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine nun erhöht, hat man die Möglichkeit, das Mengenregelventil wieder einzuschalten, beispielsweise indem es bestromt wird bzw. angesteuert wird, um damit eine Druckregelung über das Mengenregelventil zu realisieren.
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Das Geräusch verursachende bzw. anregende Mengenregelventil wird daher während des Leerlaufbetriebes der Brennkraftmaschine ausgeschaltet, beispielsweise nicht bestromt, sodass es keine Geräuschemission mehr gibt. In diesem Fall wird die mechanische Druckregeleinrichtung verwendet, um den Saugtakt der Kraftstoffhochdruckpumpe zu gewährleisten und zu einem bestimmten Zeitpunkt des Pumptaktes den Hochdruckraum zu schließen.
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Als Mengenregelventil wird vorzugsweise ein Magnetventil zum Einlassen von Kraftstoff aus der Niederleitung in den Hochdruckraum bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei dem Magnetventil um ein stromlos offenes Magnetventil handelt. Dadurch stellt das Magnetventil keine Beeinträchtigung gegen den Zufluss von Kraftstoff in den Hochdruckraum, geregelt durch die mechanische Druckregeleinrichtung, dar.
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Als mechanische Druckregeleinrichtung wird vorteilhaft ein Druckbegrenzungsventil zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum in die Niederdruckleitung bei Überschreiten eines konstanten vorbestimmten Öffnungsdruckes in dem Hochdruckraum bereitgestellt. Wenn wenigstens ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist, das bei einem nicht gewünschten Aufbau von Überdruck in dem Hochdruckraum Kraftstoff aus dem Hochdruckraum absteuert, kann zumindest in dem Hochdruckraum ein konstanter Kraftstoffdruck eingestellt werden, sodass zumindest eine Hochdruckeinspritzung stattfinden kann, wenn sich die Brennkraftmaschine im Leerlaufbetrieb befindet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils so eingestellt wird, dass beispielsweise erforderliche Abgaswerte weiterhin eingehalten werden können.
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Zusätzlich zu dem Druckbegrenzungsventil in der mechanischen Druckregeleinrichtung ist innerhalb eines Hochdruckbereiches des Kraftstoffeinspritzsystems noch ein Sicherheitsventil vorgesehen, das ebenfalls als Druckbegrenzungsventil ausgebildet ist. Dieses Sicherheitsventil ist dazu vorgesehen, den Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystems unterhalb eines maximal zulässigen Druckes zu halten, oberhalb dessen die Gefahr einer Beschädigung von Bauteilen der hochdruckführenden Teile des Kraftstoffeinspritzsystems auftreten könnte. Dieses Sicherheitsventil ist zwar ebenfalls als Druckbegrenzungsventil ausgebildet, hat aber eine andere Funktion als das Druckbegrenzungsventil in der mechanischen Druckregeleinrichtung. Das Druckbegrenzungsventil in der mechanischen Druckregeleinrichtung und soll daher nicht mit diesem Sicherheitsventil verwechselt werden.
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Eine Versorgungsvorrichtung zum Versorgen eines Hochdruckraumes einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung ist insbesondere ausgebildet, um das oben beschriebene Versorgungsverfahren durchzuführen. Die Versorgungseinrichtung weist ein schaltbares Mengenregelventil zum Versorgen des Hochdruckraumes mit einer variierbaren Kraftstoffmenge aus der Niederdruckleitung und eine mechanische Druckregeleinrichtung zum Versorgen des Hochdruckraumes mit einem konstanten Kraftstoffdruck auf. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des Mengenregelventils, insbesondere zum Steuern einer Position eines Schließelementes des Mengenregelventils, vorgesehen. Weiterhin umfasst die Versorgungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Betriebszustandes, insbesondere einer Drehzahl, der Brennkraftmaschine. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, das Mengenregelventil in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine abzuschalten und in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine einzuschalten.
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Vorteilhaft ist das Mengenregelventil als ein stromlos offenes Magnetventil ausgebildet und ist insbesondere als Einlassventil zum Einlassen einer über eine Position eines Schließelementes variierbaren Kraftstoffmenge in den Hochdruckraum ausgebildet. Wird der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckraum lediglich über die mechanische Druckregeleinrichtung eingestellt, da das schaltbare Mengenregelventil ausgeschaltet ist, ist es, wenn es als offenes Magnetventil ausgebildet ist, einem Kraftstoffstrom in den Hochdruckraum hinein daher vorteilhaft nicht im Weg.
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Die mechanische Druckregeleinrichtung umfasst vorteilhaft ein Druckbegrenzungsventil, das dazu ausgebildet ist, Kraftstoff aus dem Hochdruckraum abzulassen, wenn ein konstanter, vorbestimmter Öffnungsdruck im dem Hochdruckraum überschritten wird. Besonders bevorzugt ist das Druckbegrenzungsventil dazu ausgebildet, den abgelassenen Kraftstoff in die Niederdruckleitung abzusteuern. Dadurch kann, wenn das Mengenregelventil ausgeschaltet ist, zumindest ein konstanter Kraftstoffdruck in dem Hochdruckraum eingestellt werden.
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Vorzugsweise umfasst die mechanische Druckregeleinrichtung ein mechanisches Saugventil als Einlassventil zum Einlassen von Kraftstoff in den Hochdruckraum. Ein solches mechanisches Einlassventil hat den Vorteil, dass es einerseits den Saugtakt der Kraftstoffhochdruckpumpe gewährleisten kann, wenn das Mengenregelventil stromlos geöffnet ist, und sich anderseits zu einem bestimmten Zeitpunkt des Pumptaktes nach Beginn des Pumptaktes schließen kann. Der vorbestimmte Konstantdruck bzw. Systemdruck in dem Hochdruckraum wird dann nach Schließen des Saugventils durch das Druckbegrenzungsventil geregelt.
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Vorteilhaft ist das Druckbegrenzungsventil hydraulisch in Reihe zu dem Mengenregelventil angeordnet. Ist dabei das Druckbegrenzungsventil zwischen dem Hochdruckraum und dem Mengenregelventil angeordnet, entstehen vorteilhaft keine Druckpulsationen am Mengenregelventil durch die Druckänderungen in dem Kraftstoff, der in dem Hochdruckraum verdichtet wird. Weiter besteht der Vorteil, dass das Mengenregelventil nicht dauerhaft mit dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils belastet ist.
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Vorzugsweise ist das Saugventil hydraulisch parallel zu dem Druckbegrenzungsventil bzw. zu dem Mengenregelventil angeordnet. Dadurch wird das Mengenregelventil vorteilhaft von der Saugseite her lediglich mit dem Öffnungsdruck des Saugventils beaufschlagt, wenn es in der Offenposition gehalten ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Druckbegrenzungsventil auch hydraulisch parallel zu dem Mengenregelventil angeordnet sein. Auch dadurch können Druckpulsationen am Mengenregelventil vermieden werden und ist das Mengenregelventil nicht dauerhaft mit dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils belastet.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hochdruckraum zwei Kammern mit jeweils einem Auslassventil zum Auslassen eines in dem Hochdruckraum druckbeaufschlagten Kraftstoffes aus dem Hochdruckraum in eine gemeinsame Hochdruckleitung aufweist. Dadurch kann einem der Kraftstoffhochdruckpumpe nachgeordneten Rail ein unterschiedlicher Kraftstoffdruck zugeführt werden, nämlich aus den beiden unterschiedlichen Kammern des Hochdruckraumes, die in die gemeinsame Hochdruckleitung münden. Vorzugsweise ist dabei das Mengenregelventil hydraulisch mit einer ersten Kammer des Hochdruckraumes und die mechanische Druckregeleinrichtung hydraulisch mit einer zweiten Kammer des Hochdruckraumes verbunden. Eine solche Anordnung kann beispielsweise durch einen gestuften Pumpenkolben und einen entsprechend gestuften Hochdruckraum realisiert werden.
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Vorzugsweise sind die Auslassventile dabei als Rückschlagventile mit unterschiedlichen Öffnungsdrücken ausgebildet.
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Vorteilhaft ist hydraulisch vor und/oder nach dem Druckbegrenzungsventil und/oder dem Saugventil eine Drossel zur Verringerung einer Schwingungsbildung innerhalb des jeweiligen Ventils angeordnet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn diese mechanischen Ventile aufgrund hoher Strömungen in Schwingung geraten könnten. Über die vorteilhaft verwendete Drossel kann zusätzlich eine Geräuschreduktion während des Pumpenbetriebes erzielt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Mengenregelventil und einer mechanischen Druckregeleinrichtung zum Versorgen eines Hochdruckraumes mit Kraftstoff;
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2 eine Detailansicht auf das Mengenregelventil aus 1;
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3 ein Flussdiagramm, das schematisch Schritte zeigt, die in einem Versorgungsverfahren zum Versorgen des Hochdruckraumes der Kraftstoffhochdruckpumpe aus 1 mit Kraftstoff durchgeführt werden;
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4 eine Grafik, die eine durch das Versorgungsverfahren aus 3 erzielbare Geräuschreduktion im Vergleich zu üblichen Kraftstoffhochdruckpumpen darstellt;
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5 eine erste Ausführungsform einer Versorgungsvorrichtung, die das Versorgungsverfahren gemäß 3 ausführen kann;
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6 eine zweite Ausführungsform einer Versorgungsvorrichtung, die das Versorgungsverfahren gemäß 3 ausführen kann;
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7 eine dritte Ausführungsform einer Versorgungsvorrichtung, die das Versorgungsverfahren gemäß 3 ausführen kann; und
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8 eine vierte Ausführungsform einer Versorgungsvorrichtung, die das Versorgungsverfahren gemäß 3 ausführen kann.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10, die einen Hochdruckraum 12 aufweist, in dem ein Pumpenkolben 14 so angeordnet ist, dass er durch eine translatorische Bewegung ein Volumen des Hochdruckraumes 12 periodisch vergrößern und verkleinern kann. Der Hochdruckraum 12 ist hydraulisch mit einer Niederdruckleitung 16 und mit einer Hochdruckleitung 18 verbunden. Von der Niederdruckleitung 16 wird dem Hochdruckraum 12 ein Kraftstoff zugeführt, sodass dieser in dem Hochdruckraum 12 mit Druck beaufschlagt werden kann, und dann aus dem Hochdruckraum 12 in die Hochdruckleitung 18 ausgelassen, um dann beispielsweise einem der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 nachgelagerten Rail zugeführt zu werden.
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Um den Hochdruckraum 12 mit dem Kraftstoff aus der Niederdruckleitung 16 zu versorgen, ist in Strömungsrichtung des Kraftstoffes eine Versorgungsvorrichtung 20 vorgesehen, mit deren Hilfe dem Hochdruckraum 12 Kraftstoff zugeführt werden kann. Die Versorgungsvorrichtung 20 weist ein Mengenregelventil 22 auf, das ein Schließelement 24 umfasst, über das eine Kraftstoffmenge in dem Hochdruckraum 12 und somit auch ein sich in dem Hochdruckraum 12 aufbauender Kraftstoffdruck variabel gehalten werden kann. Weiter umfasst die Versorgungsvorrichtung 20 eine mechanische Druckregeleinrichtung 26. Diese weist in der vorliegenden Ausführungsform ein Druckbegrenzungsventil 28 und ein Saugventil 30 auf, das Saugventil 30 kann jedoch auch optional weggelassen werden. In der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl das Druckbegrenzungsventil 28 als auch das Saugventil 30 als Rückschlagventile ausgebildet, wobei jeweils ein konstanter Öffnungsdruck der beiden Ventile 28, 30 über die jeweilige Feder 32 der Rückschlagventile eingestellt ist.
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An der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist zur Geräuschminimierung insbesondere von Schwingungsvibrationen in der Niederdruckleitung 16 ein Dämpfer 34 angeordnet, der jedoch auch optional weggelassen werden kann.
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Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 36 vorgesehen, mit der eine Position des Schließelementes 24 des Mengenregelventils 22 gesteuert werden kann. Die Steuereinrichtung 36 ist dabei dazu ausgebildet, dafür zu sorgen, dass das Mengenregelventil 22 nicht nur in einzelnen Positionen mit bestimmten Strommengen beaufschlagt wird, sondern auch vollständig unbestromt verbleiben kann, d.h. abgeschaltet ist. Das Mengenregelventil 22 ist vorteilhaft als stromlos offenes Mengenregelventil 22 ausgebildet, sodass es im unbestromten Zustand in einer Offenstellung verbleibt und somit einen Fluss des Kraftstoffes von der Niederdruckleitung 16 in den Hochdruckraum 12 hinein nicht blockiert.
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Zusätzlich ist eine Erfassungseinrichtung 38 vorgesehen, die einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfasst. Dies kann beispielsweise eine Drehzahl der Brennkraftmaschine sein, die in einem Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine niedriger ist als in sonstigen Betriebszuständen.
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Das Mengenregelventil 22 ist in 2 in größerem Detail dargestellt. Das Mengenregelventil 22 ist als Magnetventil 40 ausgebildet und weist daher ein Polstück 42, einen Anker 44 und eine Spule 46 auf. Der Anker 44 ist mit dem Schließelement 24 verbunden und bewegt somit bei seiner eigenen Bewegung das Schließelement 24 entlang dessen Längsachse. Da es sich bei dem Magnetventil 40 um ein stromlos offenes Ventil handelt, sind der Anker 44 und somit auch das Schließelement 24 im stromlosen Zustand so angeordnet, dass das Magnetventil 40 sich in einer offenen Position befindet. Dabei liegt der Anker 44 nicht an dem Polstück 42 an. Wird nun das Magnetventil 40 und somit auch die Spule 46 bestromt, bewegt sich der Anker 44 auf das Polstück 42 zu, sodass diese beiden Elemente aneinanderschlagen. Wird das Magnetventil 40 dann wieder entstromt, bewegt sich der Anker 44 zusammen mit dem Schließelement 24 wieder von dem Polstück 42 weg, was auf der dem Polstück 42 gegenüberliegenden Seite zu einem Anschlagen des Schließelementes 24 auf einer Scheibe 48 führt. Sowohl der Stoß durch den Ankeranzug beim Bestromen als auch durch das Prellen des Schließelementes 24 beim Entstromen führt zu Anregungen eines umgebenden Gehäuses 50 und somit zu einer starken Geräuschentwicklung.
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Diese Geräuschentwicklung ist insbesondere dann besonders störend, wenn weitere umgebende Nebengeräusche der Brennkraftmaschine eher gering sind. Dies ist beispielsweise bei einem Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine der Fall, kann aber beispielsweise auch bei langsamer Fahrt zum Tragen kommen.
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Daher wird nun vorgeschlagen, das Mengenregelventil 22 in solchen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen die Brennkraftmaschine selbst nur eine geringe Geräuschkulisse erzeugt, vollständig auszuschalten, und nur dann zuzuschalten, wenn die Nebengeräuschkulisse der Brennkraftmaschine so hoch ist, dass die durch das Mengenregelventil 22 erzeugten Geräusche nicht mehr auffallen.
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Ein entsprechendes Versorgungsverfahren, mit dem der Hochdruckraum 12 mit Kraftstoff versorgt wird, ist in 3 anhand eines Flussdiagramms schematisch dargestellt.
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Dabei werden zunächst die Betriebszustände definiert, in denen eine geringe Geräuschkulisse bzw. eine hohe Geräuschkulisse durch die Brennkraftmaschine erzeugt wird und diese Betriebszustände als erster Betriebszustand (niedrige Geräuschkulisse) bzw. zweiter Betriebszustand (hohe Geräuschkulisse) definiert. Dies kann abhängig von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine sein. Um den Übergang von dem ersten Betriebszustand zu dem zweiten Betriebszustand zu bestimmen, wird ein Grenzwert für den Betriebszustand definiert.
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In einem zweiten Schritt wird dann der Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfasst, beispielsweise indem die Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst wird.
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In einem nächsten Schritt wird dann entschieden, ob der Betriebszustand den Grenzwert unterschreitet. Ist dies der Fall, handelt es sich um den ersten Betriebszustand mit einer niedrigen Geräuschkulisse und das Mengenregelventil 22 wird abgeschaltet. Liegt jedoch der Betriebszustand über dem definierten Grenzwert handelt es sich um den zweiten Betriebszustand mit einer hohen Geräuschkulisse, sodass das Mengenregelventil 22 eingeschaltet wird.
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4 zeigt eine schematische Grafik, in der ein Schalldruckpegel dB(A) in beliebigen Einheiten gegen ein Frequenzband in Hz aufgetragen ist. Die senkrechten Balken markieren dabei einen Bereich, in dem eine Verringerung der Geräuschentwicklung, die durch das Mengenregelventil 22 verursacht wird, gewünscht ist. Die oberen Kurven a und b sind von Kraftstoffhochdruckpumpen 10 erzeugt worden, in denen das Mengenregelventil 22 wie üblich nur in Abhängigkeit der angeforderten Kraftstoffmenge bzw. des angeforderten Kraftstoffdruckes gesteuert worden ist. Dagegen zeigt die Kurve c den Schalldruckpegel, der vorherrscht, wenn das Mengenregelventil 22 wie zuvor beschrieben, gar nicht angesteuert wird. In dem betreffenden Frequenzbereich, in dem sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet, kann so eine deutlich geringere Geräuschentwicklung erzeugt werden.
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Das Problem der Geräuschemission wird daher derart gelöst, dass das Mengenregelventil 22 während des Leerlaufbetriebes und gegebenenfalls auch bei erhöhtem Leerlauf komplett ausgeschaltet wird, sodass es keine Anregung des Gehäuses 50 durch das Mengenregelventil 22 mehr gibt. Damit jedoch weiterhin eine ausreichende Menge an druckbeaufschlagtem Kraftstoff zur Verfügung steht, erfolgt die Druckregelung durch die mechanische Druckregeleinrichtung 26. Damit das Mengenregelventil 22 hier den Kraftstofffluss von der Niederdruckleitung 16 in den Hochdruckraum 12 nicht blockiert, ist es von Vorteil, wenn es als stromlos offenes Magnetventil 40 ausgebildet ist. Der Systemdruck während des Leerlaufbetriebes wird beispielsweise mechanisch durch ein Druckbegrenzungsventil 28 geregelt (vgl. 1). Dieses Druckbegrenzungsventil 28 ermöglicht jedoch keinen variablen Systemdruck wie das Mengenregelventil 22, sondern einen Konstantdruck während des Leerlaufbetriebes, da der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils 28 mechanisch eingestellt ist. Wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine nun erhöht, hat man die Möglichkeit, das Mengenregelventil 22 wieder zu bestromen bzw. anzusteuern und damit die Druckregelung über das Mengenregelventil 22 zu realisieren. In der Steuereinrichtung 36 ist eine Grenzfunktion hinterlegt, die definiert, ab wann ein Zuschalten bzw. Abschalten des Mengenregelventils 22 nötig ist, sodass zwischen mechanischer konstanter Druckregelung und variabler Druckregelung gewechselt werden kann. Der mechanisch geregelte Konstantdruck kann je nach Anforderung eingestellt werden, beispielsweise über eine Federkraft der Feder 32.
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Das Druckbegrenzungsventil 28 lässt im offenen Zustand des Mengenregelventils 22 Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 12 in die Niederdruckleitung 16 ab, wenn sein vorbestimmter Öffnungsdruck in dem Hochdruckraum 12 überschritten worden ist. So kann in dem Hochdruckraum 12 ein konstanter Kraftstoffdruck eingestellt werden.
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Die mechanische Druckregelung in dem Hochdruckraum 12 kann daher durch das Druckbegrenzungsventil 28 alleine realisiert werden. Es ist jedoch von Vorteil, wenn zusätzlich noch das Saugventil 30 vorgesehen ist, das eine kontrollierte gesteuerte Ansaugung von Kraftstoff aus der Niederdruckleitung 16 in den Hochdruckraum 12 ermöglicht.
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Insgesamt werden daher zwei Mechanismen zur Druckregelung verwendet: Bei der Druckregelung mittels Mengenregelventil 22 kann eine variable Druckregelung stattfinden, jedoch mit dem Kompromiss, dass eine erhöhte Geräuschatmosphäre vorherrscht, insbesondere durch das Klackern des Ankers 44, wobei das Gehäuse 50 als Lautsprecher dient und das Geräusch noch verstärkt.
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Bei der Druckregelung mittels der mechanischen Druckregeleinrichtung 26, beispielsweise im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, wird aber das Mengenregelventil 22 ausgeschaltet. Dadurch, dass das Mengenregelventil 22 stromlos geöffnet ist, stellt es keine Beeinträchtigung dar. Der Anreger für die Geräuschemission ist somit deaktiviert und die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 arbeitet deutlich leiser. Nun kommen die zusätzlich verbauten mechanischen Ventile wie das Druckbegrenzungsventil 28 und das Saugventil 30 zum Einsatz. Das Saugventil 30 als mechanisches Einlassventil 42 sorgt dafür, dass das Pumpprinzip möglich bleibt. Das zusätzlich verbaute mechanische Druckbegrenzungsventil 28 sorgt dafür, dass ein Konstantdruck in dem Hochdruckraum 12 eingestellt und geregelt wird, und somit eine Hochdruckeinspritzung im Leerlaufbetrieb stattfinden kann.
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Dadurch erfolgt eine Geräuschreduktion im relevanten Bereich, nämlich im Leerlaufbetrieb, und es können andere Maßnahmen zur Geräuschabschirmung vermieden werden, was mit einer deutlichen Kostenersparnis einhergeht. Die Geräuschreduktion kann mit einem deutlich geringeren technischen Aufwand als zuvor erzielt werden. Zusätzlich entsteht der Vorteil, dass durch das unbestromte Mengenregelventil 22 keine elektrische Leistung verbraucht wird. Weiter ist es möglich, die Druckpulsationen in der Niederdruckleitung 16 gering zu halten. In besonders günstigen Fällen kann sogar der Dämpfer 34 an dem Gehäuse 50 entfallen.
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5 bis 8 zeigen vier unterschiedliche denkbare Ausführungsformen, wie das Mengenregelventil 22 und die mechanische Druckregeleinrichtung 26 in der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 angeordnet sein können.
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In 5 ist dabei eine erste Ausführungsform gezeigt, bei der das Mengenregelventil 22 in Reihe zu dem Druckbegrenzungsventil 28 angeordnet ist, wobei das Druckbegrenzungsventil 28 hydraulisch zwischen dem Hochdruckraum 12 und dem Mengenregelventil 22 angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass an dem Mengenregelventil 22 keine Druckpulsationen entstehen, und das Mengenregelventil 22 nicht dauerhaft mit dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils 28 belastet ist. In dieser Ausführungsform ist das Saugventil 30 hydraulisch parallel sowohl zu dem Mengenregelventil 22 als auch zu dem Druckbegrenzungsventil 28 angeordnet.
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In einer zweiten Ausführungsform, gezeigt in 6, ist das Saugventil 30 hydraulisch nur zu dem Druckbegrenzungsventil 28 parallel geschaltet. Dabei ist das Druckbegrenzungsventil 28 wie in 5 in Reihe zu dem Mengenregelventil 22 und hydraulisch zwischen dem Mengenregelventil 22 und dem Hochdruckraum 12 angeordnet. Auch hier besteht der Vorteil darin, dass keine Druckpulsationen am Mengenregelventil 22 vorherrschen und das Mengenregelventil 22 nicht dauerhaft mit dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils belastet ist.
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7 zeigt eine dritte mögliche Ausführungsform, bei der das Druckbegrenzungsventil 28 wie in 6 hydraulisch parallel zu dem Saugventil 30 und in Reihe zu dem Mengenregelventil 22 angeordnet ist, jedoch nicht zwischen dem Mengenregelventil 22 und dem Hochdruckraum 12, sondern in dieser Ausführungsform ist das Mengenregelventil 22 hydraulisch zwischen dem Druckbegrenzungsventil 28 und dem Hochdruckraum 12 angeordnet.
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8 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Anordnung, bei der kein Saugventil 30 vorhanden ist, und das Druckbegrenzungsventil 28 hydraulisch parallel zu dem Mengenregelventil 22 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist der Hochdruckraum 12 mit einer ersten Kammer 54 und einer zweiten Kammer 56 ausgebildet, die über eine Stufenbohrung 58 realisiert sind. Gleichzeitig ist der Pumpenkolben 14 ebenfalls gestuft ausgeführt, so dass durch die Bewegung des Pumpenkolbens 14 die beiden Kammern 54, 56 während des Pumpzyklus voneinander getrennt werden. Das Mengenregelventil 22 ist dabei mit der ersten Kammer 54 hydraulisch verbunden und das Druckbegrenzungsventil 28 mit der zweiten Kammer 56. Jeder Kammer 54, 56 ist ein eigenes Auslassventil 60 zugeordnet, wobei die Auslassventile 60 gemeinsam in eine gemeinsame Hochdruckleitung 18 münden. Die beiden Auslassventile 60 haben vorteilhaft unterschiedliche Öffnungsdrucke. Bewegt sich der Pumpenkolben 14, wird zuerst Kraftstoff in der ersten Kammer 54 verdichtet und über das zugeordnete Auslassventil 60 in die Hochdruckleitung 18 geführt. Bei einer weiteren Bewegung des Pumpenkolbens 14 wird dann auch der Kraftstoff in der zweiten Kammer 56 verdichtet und über das dort zugeordnete Auslassventil 60 in die Hochdruckleitung 18 geführt. Übersteigt der Druck in der zweiten Kammer 56 einen vorbestimmten Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventiles 28, öffnet dieses und steuert den Kraftstoff in die Niederdruckleitung 16 ab. Auch in dieser Anordnung besteht der Vorteil darin, dass an dem Mengenregelventil 22 keine Druckpulsationen von dem Hochdruckraum 12 her anliegen, und dass das Mengenregelventil 22 nicht dauerhaft mit dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventiles 28 belastet ist.
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Der oben beschriebene Mechanismus ermöglicht es, die Geräusche einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10 beispielsweise im Leerlauf und in einem erhöhten Leerlauf stark zu reduzieren, da ausschließlich mechanische Ventile die Pumpfunktion sicherstellen. Dabei sind keine elektrischen Ventile aktiv, wodurch elektromechanische Geräusche oder auch entsprechende Beschleunigungen vermieden werden. Da das geräuschverursachende und anregende Mengenregelventil 22 während des Leerlaufes ausgeschaltet, d. h. nicht bestromt, ist, kann eine Geräuschemission vermieden werden. Die mechanische Druckregeleinrichtung 26 wird nun verwendet, um den Saugtakt zu gewährleisten, wobei das Mengenregelventil 22 stromlos geöffnet ist, und um zu einem bestimmten Zeitpunkt des Pumpentaktes zu schließen. Beispielsweise regelt das Druckbegrenzungsventil 28 mit Verbindung zu dem Hochdruckraum 12 den voreingestellten Systemdruck in diesem Fall mechanisch.
