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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Diesel-Brennkraftmaschine.
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Kraftstoffhochdruck-Steckpumpen sind Pumpenanordnungen, die keinen eigenen Antrieb haben, sondern in einen Motorblock einer Brennkraftmaschine eingesteckt sind, und von beispielsweise einer Welle, die in diesem Motorblock ohnehin angeordnet ist, angetrieben werden. Mittlerweile werden solche Kraftstoffhochdruck-Steckpumpen auch für Diesel-Brennkraftmaschinen verwendet und beaufschlagen Dieselkraftstoff mit Hochdruck, um ihn dann hochdruckbeaufschlagt einem nachgelagerten sogenannten Common-Rail zur Verfügung zu stellen. Solche Kraftstoffhochdruck-Steckpumpen weisen zumeist einen Pumpenkolben auf, der sich in einem Druckraum translatorisch auf- und ab bewegt und damit einen in dem Druckraum befindlichen Kraftstoff komprimiert, um so den Hochdruck zu erzeugen. Bei Diesel-Brennkraftmaschinen wird dabei ein Hochdruck in dem Kraftstoff in einem Bereich von 2000 bar bis 3000 bar erzeugt.
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Kraftstoffhochdruck-Steckpumpen für Diesel-Brennkraftmaschinen weisen zumeist ein relativ großes Niederdruckvolumen auf, da der Dieselkraftstoff gleichzeitig zum Schmieren und Kühlen der Einzelteile der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe verwendet wird. In diesem relativ großen Niederdruckvolumen werden Druckpulsationen, die beispielsweise durch die Bewegung des Pumpenkolbens erzeugt werden, relativ gut kompensiert.
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Seit neuestem werden in diesen speziellen Diesel-Kraftstoffhochdruck-Steckpumpen für Common-Rail-Systeme elektromagnetische Schaltventile als Einlassventile verwendet, die digital schalten können. Diese Schaltventile sind eine weitere Quelle für Druckpulsationen im Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe und können zu Dauerhaltbarkeitsproblemen an Bauteilen der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe beispielsweise durch Kavitation, aber auch zu unerwünschten Geräuschentwicklungen führen.
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Bislang wurden diese Nachteile dadurch verringert, dass ein Zulaufdruck des Dieselkraftstoffes zu dem Druckraum der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe deutlich angehoben wurde. Dieses Anheben des Zulaufdruckes resultiert jedoch in einem Verbrauchsnachteil der Diesel-Brennkraftmaschine, da mehr Energie für den zu erzeugenden Druck im Niederdruck-Zulaufbereich des Dieselkraftstoffes aufgewendet werden muss als bisher. Ein höherer Verbrauch resultiert gleichzeitig in einem vergrößerten CO2-Ausstoß, was jedoch nicht gewünscht ist.
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DE 11 2012 000 452 T5 beschreibt eine Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe mit einem Druckraum, einem Niederdruck-Zulaufbereich und einem elektromagnetischen Schaltventil als Einlassventil, wobei in dem Niederdruck-Zulaufbereich ein Niederdruckdämpfer zum Dämpfen von durch das elektromagnetische Schaltventil verursachten Druckpulsationen angeordnet ist.
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US 2013/0276929 A1 offenbart eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Niederdruckdämpfer mit unterschiedlich großen Kompensationsvolumina.
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In
JP 2012-251467 A ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Niederdruckdämpfer offenbart, die eine Verbindungsbohrung zwischen dem Niederdruckdämpfer und dem Einlassventil aufweist, wobei ein Verhältnis der Länge der Verbindungsbohrung zu deren Durchmesser etwa 2 beträgt. Eine entsprechende Verbindungsbohrung, die in
US 2011/0110807 A1 gezeigt ist, weist ein Verhältnis von etwa 4 auf.
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EP 2 541 039 A1 und
DE 10 2012 218 552 A1 offenbaren jeweils eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Zulaufbohrung zum Zuführen von Kraftstoff in einen Leckagebereich der Kraftstoffhochdruckpumpe, wobei der Kraftstoff weiter von dem Leckagebereich über eine Spülbohrung in einen Niederdruckdämpfer geführt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe für eine Diesel-Brennkraftmaschine vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Diesel-Brennkraftmaschine weist einen Druckraum zum Beaufschlagen von Dieselkraftstoff mit Hochdruck und einen Niederdruck-Zulaufbereich zum Zuführen des Diesel-Kraftstoffes zu dem Druckraum auf. Weiter umfasst die Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe ein elektromagnetisches Schaltventil als Einlassventil zum Einlassen des Dieselkraftstoffes in den Druckraum. In dem Niederdruck-Zulaufbereich ist ein Niederdruckdämpfer zum Dämpfen von durch das elektromagnetische Schaltventil verursachten Druckpulsationen angeordnet.
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Statt dem Problem der durch das elektromagnetische Schaltventil verursachten Druckpulsationen mit einer Anhebung des Zulaufdruckes des Dieselkraftstoffes zu dem Druckraum zu begegnen, wird nun vorgeschlagen, stattdessen in dem Niederdruck-Zulaufbereich einen Niederdruckdämpfer vorzusehen, der diese Druckpulsationen abfedern kann. Dies ist ein vollkommen neuer Ansatz, da es bisher nicht üblich war, Niederdruckdämpfer, die aus Benzin-Kraftstoffhochdruckpumpen bekannt sind, auch bei Diesel-Kraftstoffhochdruckpumpen zu verwenden.
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Vorteilhaft ist in der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe ein Pumpenkolben vorgesehen, der sich im Betrieb in dem Druckraum zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt translatorisch bewegt, wobei der Druckraum und der Pumpenkolben am unteren Totpunkt ein Saugvolumen definieren, wobei der Druckraum und der Pumpenkolben am oberen Totpunkt ein Druckvolumen definieren. Ein Hubvolumen der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe entspricht dabei einer Differenz zwischen dem Saugvolumen und dem Druckvolumen.
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Vorteilhaft liegt ein Kompensationsvolumen des Niederdruckdämpfers in einem Bereich zwischen 0,8 mal bis 5 mal dieses Hubvolumens.
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Vorteilhaft ist der Niederdruckdämpfer in einer Sacklochbohrung angeordnet, die ein Dämpferaufnahmevolumen definiert. Das Einlassventil ist über eine Verbindungsbohrung mit dieser Sacklochbohrung verbunden. Die Sacklochbohrung und die Verbindungsbohrung definieren ein zwischen dem Einlassventil und dem Niederdruckdämpfer angeordnetes Niederdruck-Zulaufvolumen.
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Vorteilhaft ist der Niederdruckdämpfer mit einem definierten Abstand und mit einem vorgelagert angeordneten Volumen zur effektiven Dämpfung der Druckpulsationen durch das elektromagnetische Schaltventil von dem elektromagnetischen Schaltventil beabstandet angeordnet. Der definierte Abstand und das vorgelagert angeordnete Volumen werden durch die Verbindungsbohrung und die Sacklochbohrung definiert.
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Das Niederdruck-Zulaufvolumen liegt dabei in einem Bereich zwischen 3 mal bis 20 mal des Hubvolumens. Vorteilhaft ist das Niederdruck-Zulaufvolumen sogar noch größer als das 20-fache des Hubvolumens.
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Durch die vorteilhaften Volumenverhältnisse zwischen Hubvolumen, Kompensationsvolumen und Niederdruck-Zulaufvolumen können die Druckpulsationen, die einerseits von der Bewegung des Pumpenkolbens, aber andererseits auch von dem elektromagnetischen Schaltventil verursacht werden, ausreichend kompensiert werden, sodass es einerseits weder zu einem Verschleiß an den Bauteilen der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe, und andererseits auch nicht zu einer erhöhten Geräuschentwicklung kommt.
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Vorzugsweise liegt eine Länge der Verbindungsbohrung in einem Bereich zwischen 10 mm und 40 mm, wobei ein Verhältnis der Länge der Verbindungsbohrung zu einem Durchmesser der Verbindungsbohrung in einem Bereich von 2 bis 4 liegt. Durch diese vorteilhafte Ausbildung der Verbindungsbohrung wird eine Verstärkung der Druckpulsationen durch Reflektion in der Verbindungsbohrung verhindert.
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Vorteilhaft ist ein Leckagebereich zur Aufnahme von Leckagekraftstoff aus dem Druckraum vorgesehen, wobei eine Spülbohrung zwischen dem Leckagebereich und dem Niederdruck-Zulaufvolumen angeordnet ist, wobei eine Zulaufbohrung zum Zuführen von Dieselkraftstoff von außerhalb der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe vorgesehen ist. Die Zulaufbohrung ist derart fluidisch mit dem Leckagebereich in Verbindung, dass ein Dieselkraftstoff, der von der Zulaufbohrung von außen zugeführt wird, zunächst in den Leckagebereich fließt, wobei der Leckagebereich, die Zulaufbohrung und das Niederdruck-Zulaufvolumen gemeinsam ein Gesamtvolumen definieren, das wenigstens dem 10-fachen des Hubvolumens entspricht.
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Das Gesamtvolumen, das durch Leckagebereich, Zulaufbohrung und Niederdruck-Zulaufvolumen gebildet wird, entspricht vorteilhaft dem dreifachen Volumen, das bislang bei Dieselsteckpumpen verwendet wird.
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Durch die Verbindung der Zulaufbohrung mit dem Leckagebereich und damit auch mit der Spülbohrung kann die Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe effektiv gekühlt werden, weil heißer Leckagekraftstoff aus dem Druckraum mit kühlem Dieselkraftstoff aus der Zulaufbohrung der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe vermischt wird.
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Vorzugsweise weist der Leckagebereich eine Ringnut auf, die die Spülbohrung und die Zulaufbohrung verbindet. Weiter weist der Leckagebereich benachbart zu der Ringnut eine von einer Stangendichtung begrenzte Leckagebohrung auf, wobei eine Länge der Leckagebohrung entlang einer Kolbenlängsachse des Pumpenkolbens in einem Bereich von 0,5 mal bis 2 mal einer Pumpenkolbenhublänge des Pumpenkolbens liegt.
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Damit ist vorteilhaft eine Nut für die Aufnahme des entlang des Pumpenkolbens aus dem Druckraum fließenden Leckagekraftstoffes, die aus einer Leckagebohrung unterhalb der Ringnut gebildet ist, so ausgebildet, dass die Stangendichtung, die die Leckagebohrung begrenzt, vor Druckpulsationen und somit vor Verschleiß geschützt werden kann.
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Das elektromagnetische Schaltventil verursacht im Betrieb in dem Niederdruck-Zulaufbereich Druckpulsationen mit einer Pulsationsfrequenz. Eine Eigenfrequenz des Niederdruckdämpfers ist größer als die Grundschwingung dieser Pulsationsfrequenz. Dabei beträgt die Eigenfrequenz des Niederdruckdämpfers mehr als 165 Hz.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten einzigen Figur näher erläutert, die eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Diesel-Brennkraftmaschine zeigt.
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In der Figur ist eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 gezeigt, die dazu vorgesehen ist, einen Dieselkraftstoff 12 mit Hochdruck zu beaufschlagen. Die Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 umfasst ein Gehäuse 14, in dem eine Gehäusebohrung 16 angeordnet ist, in welcher sich ein Pumpenkolben 18 in einem Druckraum 20 translatorisch zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegt. Durch diese Bewegung des Pumpenkolbens 18 in dem Druckraum 20 wird der darin befindliche Dieselkraftstoff 12 mit Hochdruck beaufschlagt.
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Der Dieselkraftstoff 12 wird dem Druckraum 20 von einem Niederdruck-Zulaufbereich 22 her zugeführt. Der Einlass des Dieselkraftstoffes 12 aus dem Niederdruck-Zulaufbereich 22 in den Druckraum 20 wird von einem Einlassventil 24 gesteuert, das als elektromagnetisches Schaltventil 26 ausgebildet ist.
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Der Niederdruck-Zulaufbereich 22 umfasst eine Zulaufbohrung 28, über die der Dieselkraftstoff 12 von außerhalb der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 in die Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 eingebracht werden kann. In dieser Zulaufbohrung 28 ist eine entsprechende Anschlusstülle 30 mit einem Filter 32 vorgesehen, der unerwünschte Partikel aus dem Dieselkraftstoff 12 herausfiltert.
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Der Niederdruck-Zulaufbereich 22 weist weiter ein Niederdruck-Zulaufvolumen 34 auf, das direkt benachbart zu dem elektromagnetischen Schaltventil 26 angeordnet ist, und von wo der Dieselkraftstoff 12 nach Öffnen des elektromagnetischen Schaltventils 26 in den Druckraum 20 fließen kann. Das Niederdruck-Zulaufvolumen 34 ist gebildet durch eine Sacklochbohrung 36 in dem Gehäuse 14 und eine Verbindungsbohrung 38, die die Sacklochbohrung 36 mit dem elektromagnetischen Schaltventil 26 verbindet. In der Sacklochbohrung 36 ist ein Niederdruckdämpfer 40 angeordnet, der Druckpulsationen in dem Niederdruck-Zulaufbereich 22 kompensieren kann. Damit der Niederdruckdämpfer 40 in dem Gehäuse 14 einfach befestigt werden kann, bildet die Sacklochbohrung 36 ein entsprechendes Dämpferaufnahmevolumen 42.
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Während des Betriebes der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 bewegt sich der Pumpenkolben 18 in dem Druckraum 20 entlang einer Kolbenführung 44, die durch die Gehäusebohrung 16 gebildet ist. Bauartbedingt fließt Leckagekraftstoff 45 zwischen dieser Kolbenführung 44 und dem Pumpenkolben 18 aus dem Druckraum 20, und schmiert und kühlt so den Pumpenkolben 18 während seiner Bewegung. Zur Aufnahme dieses Leckagekraftstoffes 45 ist entlang einer Kolbenlängsachse 46 des Pumpenkolbens 18 gegenüberliegend des Druckraums 20 am anderen Ende des Pumpenkolbens 18 ein Leckagebereich 48 vorgesehen. Der Leckagebereich 48 umfasst einerseits eine Ringnut 50, in der der Leckagekraftstoff 45 zunächst gesammelt wird, aber auch andererseits eine sich von der Ringnut 50 entgegengesetzt zu dem Pumpenkolben 18 erstreckende Leckagebohrung 52, die koaxial ist mit dem Pumpenkolben 18. Diese Leckagebohrung 52 wird von einer Stangendichtung 54 abgedichtet.
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Um eine effektive Kühlung der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 im Betrieb zu erreichen, fließt der Dieselkraftstoff 12, der über die Zulaufbohrung 28 von außen zugeführt wird und relativ kühl ist, nicht direkt zu dem Niederdruck-Zulaufvolumen 34, sondern zunächst durch den Leckagebereich 48, der über eine Spülbohrung 56 fluidisch mit dem Niederdruck-Zulaufvolumen 34, insbesondere mit der Sacklochbohrung 36, in Verbindung ist. Durch diese spezielle hydraulische Anordnung wird der heiße Leckagekraftstoff 45 aus dem Druckraum 20 mit dem kühlen Dieselkraftstoff 12 aus der Zulaufbohrung 28 vermischt und so eine effektive Kühlung herbeigeführt.
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Die Verwendung von elektromagnetischen Schaltventilen 26 für Kraftstoffhochdruck-Steckpumpen 10, die Dieselkraftstoff 12 verdichten, ist relativ neu. Das elektromagnetische Schaltventil 26 verursacht im Betrieb Druckpulsationen mit einer bestimmten Pulsationsfrequenz, die einerseits zu Dauerhaltbarkeitsproblemen in den einzelnen Bauteilen der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 führen können, und andererseits auch unerwünschte Geräusche verursachen. Bislang wurde versucht, diese Druckpulsationen durch eine Erhöhung des Zulaufdruckes des zugeführten Dieselkraftstoffes 12 abzufedern. Dies ist jedoch nur möglich, wenn mehr Energie aufgewandt wird, um diesen höheren Zulaufdruck in dem Dieselkraftstoff 12 zu erzeugen. Dies hat zur Folge, dass in der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 insgesamt mehr Energie verbraucht wird, was sich insgesamt auf einen höheren Kraftstoffverbrauch des Dieselkraftstoffes 12 und damit auch einen größeren CO2-Ausstoß auswirkt. Dies ist jedoch nicht gewünscht.
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Daher wird nun vorgeschlagen, statt einfach den Zulaufdruck des Dieselkraftstoffes 12 zu erhöhen, einen Niederdruckdämpfer 40 an der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 vorzusehen, obwohl dies bei bisherigen Dieselhochdruckpumpen nicht üblich war.
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Um insbesondere den Druckpulsationen, die durch das elektromagnetische Schaltventil 26 verursacht werden, entgegenzuwirken, wird eine Eigenfrequenz des Niederdruckdämpfers 40, das heißt des Feder-Masse-Systems des Niederdruckdämpfers 40, verwendet, die größer ist als die Grundschwingung der Pulsationsfrequenz der Druckpulsationen, die vom elektromagnetischen Schaltventil 28 verursacht werden. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass dabei eine Eigenfrequenz von größer als 165 Hz vorteilhaft ist.
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Grundsätzlich ist es möglich, die einzelnen Volumina des Niederdruck-Zulaufbereiches 22 so groß wie nur irgendwie denkbar auszubilden, um so den Druckpulsationen im System zu begegnen. Dem steht jedoch entgegen, dass eine Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 möglichst kompakt ausgebildet sein sollte. Daher ist die vorgeschlagene Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 hinsichtlich dieser beiden Rahmenbedingungen optimiert ausgestaltet.
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Deshalb ist die in der Figur gezeigte Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 mit einem bestimmten Volumenverhältnis der Einzelvolumina in dem Niederdruck-Zulaufbereich 22 im Verhältnis zu einem Hubvolumen VH des Pumpenkolbens 18 ausgebildet, um so weiter Druckpulsationen abdämpfen zu können.
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Das Hubvolumen VH des Pumpenkolbens 18 entspricht dabei einer Differenz zwischen einem Saugvolumen und einem Druckvolumen, wobei das Saugvolumen am unteren Totpunkt des Pumpenkolbens 18 von dem Pumpenkolben 18 und dem Druckraum 20 definiert wird, und wobei das Druckvolumen am oberen Totpunkt des Pumpenkolbens 18 von dem Pumpenkolben 18 und dem Druckvolumen 20 definiert wird.
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Der Niederdruckdämpfer 40 in dem Niederdruck-Zulaufvolumen 34 ist dabei so ausgebildet, dass sein Kompensationsvolumen VK zwischen dem 0,8-fachen und dem 5-fachen des Hubvolumens VH liegt.
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Vorteilhaft beträgt das Niederdruck-Zulaufvolumen 34 vor dem Niederdruckdämpfer 40 mindestens das 3- bis 20-fache des Hubvolumens VH.
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Ein Gesamtvolumen VG in dem Niederdruck-Zulaufbereich 22, das dem gesamten Volumen aus Leckagebereich 48, Zulaufbohrung 28 und Niederdruck-Zulaufvolumen 34, das heißt dem Niederdruckdämpfer 40 mit Sacklochbohrung 36 und Verbindungsbohrung 38 entspricht, beträgt mindestens dem 10-fachen des Hubvolumens VH. Damit ist die Hydraulik im Niederdruck-Zulaufbereich 22 so ausgelegt, dass das Gesamtvolumen VG innerhalb der Kraftstoffhochdruck-Steckpumpe 10 etwa dem dreifachen dessen entspricht, was bislang bei Diesel-Steckpumpen bekannt ist.
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Um eine effektive Dämpfung des Niederdruckdämpfers 40 zu erreichen, ist der Niederdruckdämpfer 40 in einem definierten Abstand und mit einem vorgelagert angeordneten Volumen relativ zu dem elektromagnetischen Schaltventil 26 angeordnet. Daher liegt eine Länge LV der Verbindungsbohrung 38 in einem Bereich zwischen 10 mm und 40 mm. Die Länge LV der Verbindungsbohrung 38 im Verhältnis zu einem Durchmesser D der Verbindungsbohrung 38 entspricht vorteilhaft dem 2- bis 4-fachen. Durch die spezielle Länge LV und das spezielle Verhältnis der Länge LV zum Durchmesser D wird eine Verstärkung der Druckpulsationen durch eine Reflektion in der Verbindungsbohrung 38 verhindert.
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Weiter ist es auch wichtig, die Stangendichtung 54 vor Beschädigungen durch die Druckpulsationen zu schützen. Daher ist der Leckagebereich 48 nicht als einfache Ringnut 50 aufgebaut, sondern weist weiter eine senkrecht von der Ringnut 50 nach unten in Richtung auf die Stangendichtung 54 sich erstreckende Leckagebohrung 52 auf, die somit einen Abstand zwischen Ringnut 50 und Stangendichtung 54 herstellt. Um die Stangendichtung 54 effektiv zu schützen, entspricht eine Länge LL der Leckagebohrung 52 dem 0,5- bis 2-fachen einer Pumpenkolbenhublänge des Pumpenkolbens 18.
