-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zum Anheben eines Druckniveaus eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs.
-
Bei Common-Rail-Einspritzsystemen wie auch dazu alternativen Kraftstoffzuführsystemen ist es von erheblicher Bedeutung, dass ein einem Verbrennungsvorgang zuzuführender Kraftstoff einen hohen Druck aufweist. Hierfür übliche Systemdrücke für entsprechende Hochdruckpumpen liegen im Bereich von 250 bis zu 2500 bar.
-
Um den gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff auf ein solches Druckniveau zu bringen, weist die Hochdruckpumpe einen Pumpraum auf, dessen Volumen über einen bewegbaren Kolben verringerbar ist. Wird nun Kraftsoff auf Niederdruckniveau in den Pumpraum eingebracht, der Pumpraum verschlossen und über eine Kolbenbewegung der Pumpraum verringert, führt dies zu einem Druckanstieg des in dem Pumpraum vorhandenen Kraftstoffs. Ein entsprechendes Auslassventil sorgt für ein Auslassen von Kraftstoff, der ein gewünschtes Druckniveau erreicht hat.
-
Bewegt sich der Kolben von seinem unteren Totpunkt hin zu seinem oberen Totpunkt, vergrößert also das Volumen des Pumpraums, wird Kraftstoff vom Niederdruckniveau in den Pumpraum eingelassen und der beschriebene Zyklus beginnt von vorne.
-
Eine Kolbenkühlung wird über den Durchfluss im Niederdruckkreis vor dem Einlassventil realisiert. Der intervallartig in den Pumpraum einströmende Kraftstoff wird dabei vor einem Durchtritt des Einlassventils als Kühlmedium für vom Kolben abgegebene Wärme benutzt. Hierzu kann eine entsprechende Leitungsführung vorgesehen sein, die den zum Einlassventil geführten Kraftstoff vorab Nahe an den Kolben bringt, um diesen zu kühlen.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Einlassventil als digitales Einlassventil umgesetzt ist, so dass, wenn keine Förderung von Hochdruck gewünscht ist, das Einlassventil offen bleibt, was dazu führt, dass in den Pumpraum eindringender Kraftstoff wieder zurück in den Niederdruckkreis gefördert wird. Um auch hierbei die Wirksamkeit der Kolbenkühlung aufrechtzuerhalten, wird kontinuierlich ein definiertes Leckagevolumen vor dem Einlassventil abgeführt, um Wärme abzuführen.
-
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Hochdruckpumpe der eingangs beschriebenen Art und Weise fortzubilden, damit diese auch über eine Volumenstromregelung betreibbar ist. Dies gelingt mit einer Hochdruckpumpe, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
-
Aus ökonomischen und prozesstechnischen Gründen wird großer Wert auf eine hohe Anzahl an Gleichteilen gelegt, damit der Tausch von Pumpen möglichst einfach und ohne viel Aufwand erfolgen kann. So wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Leckagerücklauf bei Anwendung eines digitalen Einlassventils (nach dem Stand der Technik) als auch der Volumenstromregelung (nach der Erfindung) der gleichen Anschlusslogik folgt, um die Kolbenkühlung bei beiden Varianten zu realisieren. Hierdurch bedingt, ergibt sich die besondere Problematik, dass bei einem geschlossenen Volumenstromregelventil kein Durchfluss mehr im Niederdruckkreis herrscht, wodurch eine Kolbenkühlung nicht länger möglich - aber dennoch notwendig ist.
-
Nach der Erfindung ist eine Hochdruckpumpe zum Anheben eines Druckniveaus eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs, vorgesehen, die einen bewegbaren Kolben zum Komprimieren eines Pumpraums, ein Einlassventil zum Einlassen des Fluids in den Pumpraum, eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Kolbens mit Hilfe von stromaufwärts des Einlassventils strömenden Fluids, und ein Volumenstromregelventil umfasst, das stromaufwärts der Kühleinrichtung angeordnet ist und einen Volumenstrom des Fluids durch die Kühleinrichtung hin zum Einlassventil beeinflusst Die Pumpe ist gekennzeichnet durch eine Bypassdrossel zum Umgehen des Volumenstromregelventils, und eine Rücklaufdrossel zum Abführen eines Fluids stromabwärts der Kühleinrichtung.
-
Durch das Vorsehen der Bypassdrossel, die das Volumenstromregelventil umgeht, wird auch in einem geschlossenen Zustand des Volumenstromregelventils eine gewisse Fluidströmung erzeugt, die zur Kühlung des Kolbens verwendet werden kann. Das Abströmen des so in die Pumpe einströmenden Fluids erfolgt über eine Ablaufdrossel, die stromabwärts der Kühleinrichtung angeordnet ist.
-
Dadurch wird also auch die Kühlung des Kolbens ermöglicht, wenn die volumenstromgeregelte Hochdruckpumpe eine „0-Förderung“ vollzieht, also kein Fluid von der Niederdruckseite auf die Hochdruckseite fördert. Sämtliche Betriebspunkte der Hochdruckpumpe einschließlich der „0-Förderung“ besitzen demnach eine funktionierende Kühlung des Kolbens.
-
Nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung kann weiter vorgesehen sein, dass das Einlassventil eine Federvorspannung aufweist, und dazu ausgelegt ist, ein Einströmen des Fluids in den Pumpraum nur dann zuzulassen, wenn das Volumenstromregelventil eine geöffnete Position einnimmt.
-
Im Fehlerfall einer geringen Leckage durch das Volumenstromregelventil (in einem geschlossenem Zustand des Volumenstromregelventils) ist durch die Federvorspannung des Einlassventils sichergestellt, dass es nicht zu einem ungewollten Hochdruckförderung von Fluid kommt. Geringe Mengen an Leckage können über die Gesamtlebensdauer des Volumenstromregelventil auftreten, wobei aber durch das Einlassventil mit Federvorspannung verhindert werden kann, dass dies zu einer ungewünschten Hochdruckförderung von Fluid führt. Die Federvorspannung ist dabei so dimensioniert, dass sie nicht bereits bei kleinen durch das Ventil strömenden Fluidmengen (Leckage) einen Fluideintritt in den Pumpraum ermöglicht, sondern hierfür ein bestimmter Schwellenwert überschritten sein muss.
-
Demnach kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Einlassventil mit Federvorspannung dazu ausgelegt ist, ein Einströmen des Fluids in den Pumpraum erst dann zuzulassen, wenn ein bestimmter vom Volumenstromregelventil stammender Volumenstrom des Fluids überschritten ist, um zu verhindern, dass bereits eine geringe Leckage des Volumenstromregelventils zu einem Öffnen des Einlassventils führt.
-
Der bestimmte vom Volumenstromregelventil stammende Volumenstrom, der zu einem Öffnen des Einlassventils führt kann dabei, mindestens 10% des durch das vollständig geöffnete Volumenstromregelventil strömenden Volumenstroms, vorzugsweise mindestens 5% des durch das vollständig geöffnete Volumenstromregelventil strömenden Volumenstroms sein.
-
Ferner kann nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung durch eine entsprechende Strömungsführung des Fluids im Bereich des Kolbens umgesetzt ist. Hierzu kann eine stromaufwärts des Einlassventils angeordnete Fluidverbindung oder auch die zwischen Volumenstromregelventil und Einlassventil vorhandene Fluidverbindung in den Nachbereich des Kolbens geführt sein, damit das in der Fluidverbindung strömende Fluid als Kühlmedium wirken kann.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bypassdrossel parallel zum Volumenstromregelventil geschaltet ist und dieses kurzschließt. Die Bypassdrossel kann dabei so angeordnet sein, dass sie nur das Volumenstromregelventil kurzschließt.
-
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bypassdrossel und die Rücklaufdrossel jeweils dazu ausgelegt sind, das Passieren eines bestimmten Volumenstroms an Fluid zu erlauben, der vorzugsweise für jede der Drosseln identisch ist. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass der bestimmte Volumenstrom der Bypassdrossel geringer ist als der bestimmte Volumenstrom der Rücklaufdrossel.
-
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Bypassdrossel und das Volumenstromregelventil mit einer Fluidquelle verbunden sind und vorzugsweise die Rücklaufdrossel mit einer Fluidsenke verbunden ist.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Pumpe ferner ein Auslassventil zum Auslassen des Fluids aus dem Pumpraum umfasst, wobei das Auslassventil vorzugsweise mit einer Federvorspannung versehen ist, die dafür sorgt, dass das Fluid den Pumpraum erst bei einem gewünschten Druckniveau verlässt, das größer als das Druckniveau stromaufwärts des Einlassventil ist.
-
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Volumenstromregelventil ein 2/2-Wegeventil ist, insbesondere ein 2/2-Magnetventil, das in einer ersten Schaltstellung die an das Ventil heranreichenden Fluidkanäle verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die an das Ventil heranreichenden Fluidkanäle unterbricht.
-
Nach einer Fortbildung der Erfindung kann ebenfalls vorgesehen sein, dass jegliches Ventil stromaufwärts des Einlassventils keine Druckregel- und/oder Druckbegrenzungsfunktion aufweist, vorzugsweise die Hochdruckpumpe kein Druckregel- und/oder Druckbegrenzungsventil aufweist.
-
Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hochdruckpumpe vom Typ einer Rollenstößelpumpe ist. Hierbei wird der bewegbare Kolben durch die Drehung einer mit einem Nocken versehenen Antriebswelle hin- und herbewegt. Die Schnittstelle zwischen Nocken und bewegter Kolbenbaugruppe ist dabei eine Rolle, die auf dem Nocken abrollt.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe nach einer der vorhergehenden Varianten, wobei von einem Kraftstofftank über eine Kraftstoffpumpe geförderter Kraftstoff dem Volumenstromregelventil und der Bypassdrossel zugeführt wird.
-
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Rücklaufdrossel mit dem Kraftstofftank verbunden ist, um über die Rücklaufdrossel aus der Hochdruckpumpe strömenden Kraftstoff dem Kraftstofftank zuzuführen.
-
Ferner betrifft die Erfindung eine Arbeitsmaschine mit einer Hochdruckpumpe nach den vorhergehend beschriebenen Varianten oder einem entsprechendes Kraftstoffei nspritzsystem.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt die einzige Figur:
- 1: einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe.
-
1 zeigt die Hochdruckpumpe 1, die über drei Anschlüsse 11, 12, 13 verfügt. Einen Einlassanschluss 11 zum Zuführen von Fluid mit einem Niederdruckniveau, einen Rücklaufanschluss 12 zum Zurückführen von Fluid mit einem Niederdruckniveau und einen Auslassanschluss 13 zum Abführen von Fluid mit einem Hochdruckniveau.
-
Das Wirkprinzip der Hochdruckpumpe 1 basiert dabei auf dem wiederholten Hin- und Herbewegen des Kolbens 2 in der Zylinderanordnung 10. Durch die Bewegung des Kolbens 2 kann ein Pumpraum 3 in seinem Volumen verringert werden. Der Pumpraum 3 ist über entsprechende Ventile 4, 8 sowohl mit der Niederdruckseite als auch der Hochdruckseite verbunden, so dass man Fluid von der Niederdruckseite in den Pumpraum 3 einströmen lassen kann, solange das Volumen des Pumpraums 3 bei einer entsprechenden Stellung des Kolbens 2 maximal oder nahe an seinem Maximum ist. Durch die anschließende Bewegung des Kolbens 2, die eine Verringerung des Pumpraumvolumens bedingt, wird das Druckniveau des im Pumpraum 3 befindlichen Fluids angehoben, wobei ein Auslass hin zur Hochdruckseite erst erfolgt, wenn das hierfür erforderliche Druckniveau erreicht worden ist. Bewegt sich der Kolben wieder in eine Richtung, die eine Vergrößerung des Pumpraums 3 nach sich zieht, kann wieder Fluid von der Niederdruckseite eingeführt werden und der Vorgang beginnt von neuem.
-
Das ständige Hin- und Herbewegen des Kolbens 2 in der Zylinderanordnung 2 führt zu einem reibungsbedingtem Temperaturanstieg. Um eine Kühlung zu erreichen, wird Fluid der Niederdruckseite, also stromaufwärts des Pumpraums 3 dazu verwendet, die Wärme aufzunehmen und abzuführen. Hierzu wird vom Einlassabschnitt 11 bis hin zum Einlassventil 4 in den Pumpraum 3 eine Fluidführung vorgesehen, mit der die anfallende Temperatur durch das Bewegen des Kolbens 2 in der Zylinderanordnung 10 abgeleitet werden kann. Diese auf die Kühlung der Zylinderanordnung gerichtete Fluidführung wird als Kühleinrichtung 5 bezeichnet.
-
Ist es hingegen nicht gewünscht, dass Fluid auf die Hochdruckseite ausgegeben wird, ist eine Kühlströmung, die sich von dem Einlassanschluss 11 auf der Niederdruckseite hin zum Auslassanschluss 11 auf der Hochdruckseite erstreckt, nicht möglich. Da sich aber auch in einem solchen Fall der Kolben 2 hin- und herbewegt, muss auch hierbei die dabei anfallende Wärme abtransportiert werden.
-
Um dies zu erreichen wird das Volumenstromregelventil 6, das den Volumenstrom des Fluids von der Niederdruckseite steuert, mit einer Bypassdrossel 7 kurzgeschlossen. So kann das an dem Einlassanschluss 11 geführte Fluid nicht nur über das Volumenstromregelventil 6 in das Innere der Hochdruckpumpe 1 einströmen, sondern auch über die Bypassdrossel 7, so dass auch bei einer sogenannten „0-Förderung“, bei der kein Fluid auf der Hochdruckseite abgegeben wird bzw. das Volumenstromregelventil 6 in seiner Schließstellung ist, Fluid in die Pumpe 1 einströmt.
-
Die erforderliche zum Wärmeabtransport notwendige Konvektion des einströmenden Fluids wird durch eine Rücklaufdrossel 9 erreicht, die stromabwärts der Kühleinrichtung 5 angeordnet ist. Diese Rücklaufdrossel 9 lässt das über die Bypassdrossel 7 einströmende Fluid wieder aus der Pumpe 1 heraustreten, so dass das in seiner Temperatur erwärmte Fluid abfließen kann. Trotz geschlossenen Volumenstromregelventil 6 und einer nicht vorhandenen Hochdruck-Fluidausgabe kommt es zu einer Strömung von Fluid der Niederdruckseite, die zur Kühlung der Zylinderanordnung 10 bzw. des Kolbens 2 genutzt wird.
-
Ist nun das Einlassventil 4 in den Pumpraum 3 ein Rückschlagventil mit Federvorspannung, so kann die Federvorspannung so dimensioniert sein, dass eine Leckage des Volumenstromregelventils 6 zusammen mit dem über die Bypassdrossel 7 einströmenden Fluid kein Einströmen von Fluid in den Pumpraum 3 zulässt.
-
Eine Hochdruckförderung erfolgt nur bei einem deutlichen Druckanstieg vor dem Einlassventil 4, wenn sich das Volumenstromregelventil 6 in seinem geöffneten Zustand befindet. Hierbei kann der Öffnungsdruck des Einlassventils 4 den zulässigen Staudruck im Rücklauf bedingen. So kann es bspw. für ein Öffnen des Einlassventils 4 erforderlich sein, dass mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 5%, der Fluidströmung, die in einem offenen Zustand des Volumenstromregelventils 6 strömen würde, durch das Volumenstromregelventil 6 strömen muss, damit es zu einem Einströmen in den Pumpraum 3 kommt.
-
Das Auslassventil 8 kann ebenfalls ein Rückschlagventil mit einer Federvorspannung sein. Dieses Ventil wird nur dann geöffnet, wenn in dem Pumpraum 3 ein Druckniveau erzeugt worden ist, dass dem Druck auf der Hochdruckseite entspricht. Dieser kann dabei im Bereich von 250 bis 2500 bar liegen.
-
Dem Fachmann ist klar, dass der Niederdruckbereich einen Druckbereich von weniger als 15 bar, vorzugsweise weniger als 10 bar und bevorzugterweise weniger als 6 bar beschreibt. Für eine Förderung des Fluids auf der Niederdruckseite wird eine Niederdruckpumpe verwendet, die das Fluid auf der Niederdruckseite auf eine Niveau von mehr als 1 bar, vorzugsweise mehr als 3 bar anhebt.
-
Bei einer Einbettung der Hochdruckpumpe 1 in ein Kraftstoffeinspritzsystem ist diese Förderpumpe für das Fluid auf der Niederdruckseite eine Kraftstoffpumpe, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank hin zur Hochdruckpumpe 1 fördert. Der Rücklaufanschluss 12 ist dabei mit dem Kraftstofftank verbunden, so dass das nicht auf die Hochdruckseite gebrachte Fluid wieder in den Kraftstofftank zurückströmen kann. Der Hochdruckanschluss 13 ist hierbei mit einem Einspritzleitung, bspw. einem Common Rail verbunden, von der aus Kraftstoff unter hohem Druck in einem Verbrennungsraum eines Motors eingespritzt wird. Dabei kann natürlich auch ein Kraftstoffinjektor zwischengeschaltet sein.
