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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Einspritzanlage
von Brennkraftmaschinen, mit mindestens zwei Pumpenelementen zur
Förderung
von Kraftstoff in einen Hochdruckanschluss.
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Solche
Kraftstoffhochdruckpumpen sind beispielsweise als Axialkolbenpumpen,
Radialkolbenpumpen oder Reiheneinspritzpumpen bekannt.
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Zur
Regelung der Fördermenge
ist es bekannt, entweder über
eine Ansaugdrosselung mit Hilfe einer sogenannten Zumesseinheit
den von den Pumpenelementen angesaugten Kraftstoff auf die gewünschte Fördermenge
zu beschränken.
Nachteilig an dieser Fördermengenregelung
sind die aufwendige Zumesseinheit und die hohen Drosselverluste,
welche sich beim Ansaugen des Kraftstoffs durch die als Drossel
wirkende Zumesseinheit ergeben. Außerdem kann bei dieser Fördermengenregelung
Kavitation in den Pumpenelementen auftreten.
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Es
ist weiterhin bekannt, die Fördermengenregelung
von Kraftstoffhochdruckpumpen auf deren Hochdruckseite vorzusehen.
Nachteilig an dieser Fördermengenregelung
sind die hohen Dissipationsverluste, da der Kraftstoff zunächst auf
ein hohes Druckniveau gebracht wird und anschließend der überschüssige Kraftstoff in einem Druckregelventil entspannt
wird.
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Aus
der
US 5,538, 403 ist
eine Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt, bei der zwei Pumpenelemente
durch eine steuerbare hydraulische Verbindung miteinander gekoppelt
sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffhochdruckpumpe
bereitzustellen, deren Fördermenge
einfach regelbar ist. Außerdem
soll der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
in allen Lastpunkten annähernd gleich
gut sein.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Einspritzanlage
von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch
die steuerbare hydraulische Verbindung zwischen den Pumpenelementen
wird erreicht, dass im Teillastbetrieb das Pumpenelement, welches sich
im Förderhub
befindet, eine Teilmenge in das Pumpenelement fördert, welches sich gerade
im Saughub befindet. Dadurch verringert sich die erforderliche Pumpenarbeit
und es wird nur die benötigte Kraftstoffmenge
auf den Einspritzdruck gebracht. Dadurch ist der Wirkungsgrad der
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe auch
im Teillastbereich relativ gut.
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Durch
die erfindungsgemäße Zwischenschaltung
von Druckräumen
zwischen die Pumpenkolben und die Förderräume befindet sich lediglich
in den Förderräumen Kraftstoff.
Im Druckraum und in den Pumpenelementen, insbesondere zwischen Kolben
und Zylinder der Pumpenelemente, befindet sich ein geeignetes Druckfluid,
welches vorzugsweise gute Schmiereigenschaften aufweist und nicht
zur Kavitation neigt.
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Alternativ
kann die hydraulische Verbindung durch mindestens ein Schaltventil
oder mindestens ein Regelventil gesteuert werden. Bei der Verwendung
von Schaltventilen, wird der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
weiter gesteigert, da die hydraulische Verbindung bei geöffnetem
Schaltventil einen geringen Strömungswiderstand
hat.
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Wenn
die hydraulische Verbindung durch ein Regelventil gesteuert wird,
ist gewährleistet,
dass keine Druckstöße im Niederdruck-
oder im Hochdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe auftreten
und sich somit insgesamt die Belastungen der Kraftstoffhochdruckpumpe
auf ein Minimum reduzieren.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Regelventil einen
in einem Gehäuse
geführten
Längsschieber
aufweist, dass in dem Gehäuse
Steuerschlitze vorhanden sind, die mit den Pumpenelementen hydraulisch
in Verbindung stehen, und dass die Überdeckung von Längsschieber
und Steuerschlitzen einstellbar ist, so dass sich die gewünschte Drosselwirkung
im Regelventil auf einfache und wirkungsvolle Weise realisieren
lässt.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass das Regelventil einen in einem Gehäuse geführten Längsschieber
aufweist, dass in dem Längsschieber Steuernuten
ausgebildet sind, dass in dem Gehäuse Bohrungen, die mit den
Pumpenelementen hydraulisch in Verbindung stehen, vorhanden sind,
und dass die hydraulische Verbindung zwischen den Bohrungen durch
die Längsschieber
einstellbar ist.
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Eine
weitere alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
sieht vor, dass das Regelventil einen synchron zu den Pumpenelementen
angetriebenen Drehschieber aufweist, dass in dem Drehschieber eine
hydraulische Verbindung vorgesehen ist, dass die hydraulische Verbindung
an ihren Enden je eine Steuernut aufweist, dass die Steuernuten
mit Steuerschlitzen in einem Gehäuse
des Regelventils zusammenwirken, dass die Steuerschlitze mit den
Pumpenelementen hydraulisch in Verbindung stehen, und dass die Überdeckung
von Steuernuten und Steuerschlitzen einstellbar ist. Bei dieser
Ausführungsform
lässt sich
die Fördermenge
besonders feinfühlig
einstellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Phasenverschiebung
der Steuernuten und der Steuerschlitze und die Phasenverschiebung
der Pumpenelemente der Kraftstoffhochdruckpumpe übereinstimmen.
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In
weiterer Ergänzung
der Erfindung kann die Kraftstoffhochdruckpumpe eine erste Membran an
jedem Pumpenelement aufweisen, die einen Förderraum der Pumpenelemente
begrenzt, und die steuerbare hydraulische Verbindung die Förderräume der
Pumpenelemente verbinden. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
können
die Vorteile einer an sich bekannten Membranpumpe auch für eine erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe nutzbar
gemacht werden.
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Die
erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe
kann vorteilhafterweise auch in Verbindung mit einem Common-Rail
eingesetzt werden. Gerade bei Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen ist die Regelung
der Fördermenge
und damit auch des Drucks im Common-Rail von großer Bedeutung, so dass die
erfindungsgemäßen Vorteile
sich bei solchen Einspritzsystemen besonders positiv bemerkbar machen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer als Axialkolbenpumpe ausgeführten erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe;
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2 einen
Querschnitt durch eine Axialkolbenpumpe eines zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß 1;
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3 einen
Längsschnitt
entlang der Linie A-B in 2 durch ein Regelventil gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel;
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4 und 5 Ausführungsbeispiele
weiterer Regelventile;
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6 eine
Radialkolbenpumpe nach dem Stand der Technik;
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7 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;
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8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;
und
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9 ein
Ausführungsbeispiel
für ein
Regelventil zur Fördermengenregelung
der Radialkolbenpumpe gemäß 7 und 8.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Einspritzanlage
von Brennkraftmaschinen schematisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Kraftstoffhochdruckpumpe 1 als Axialkolbenpumpe
ausgebildet. In dem Längsschnitt
gemäß 1 sind
zwei Pumpenelemente 3 erkennbar, die von einer Taumelscheibe 5 in
an sich bekannter Weise angetrieben werden. Die Taumelscheibe 5 wiederum
wird von einer Antriebswelle 7 angetrieben.
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Die
Pumpenelemente 3 bestehen im Wesentlichen aus einem Pumpenkolben 9,
der in einer Zylinderbohrung 11 geführt ist. An der der Taumelscheibe 5 abgewandten
Stirnseite der Pumpenkolben 9 sind eine erste Membran 13 und
eine zweite Membran 15 angeordnet. Die erste Membran 13 trennt
einen mit Kraftstoff (nicht dargestellt) gefüllten Förderraum 17 vom Rest
des Pumpenelements 3.
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Über einen
Niederdruckanschluss 19 werden die Förderräume 17 während des
Saughubs der Pumpenkolben 9 mit Kraftstoff gefüllt. Um
ein Rückströmen von
Kraftstoff während
des Förderhubs
der Pumpenelemente 3 zu verhindern, ist in dem Niederdruckanschluss
je Pumpenelement 3 ein erstes Rückschlagventil 21 angeordnet.
Der von dem Pumpenelementen 3 während des Förderhubs aus den Förderräumen 17 geförderte Kraftstoff
gelangt über zweite
Rückschlagventile 23 in
einen Hochdruckanschluss 25. Über den Hochdruckanschluss 25 kann beispielsweise
ein nicht dargestellter Common-Rail oder Injektoren (ebenfalls nicht
dargestellt) mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt werden.
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Die
erste Membran 13 und die zweite Membran 15 begrenzen
einen Druckraum 27. Die Druckräume 27 können mit
einem Druckfluid (nicht dargestellt), insbesondere Öl, gefüllt sein.
Die Verwendung eines besonderen Druckfluids kann. wegen seiner günstigen
tribologischen Eigenschaften und geringen Kavitationsneigung vorteilhaft
sein. Auch der Pumpenkolben 9 kann von Druckfluid, insbesondere Öl, umgeben
sein, so dass die Schmierung des Pumpenkolbens 9 in der
Zylinderbohrung 11 sowie der Taumelscheibe 5 stets
gewährleistet
ist.
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Um
die Fördermenge
der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 1 stufenlos
regeln zu können,
ist eine hydraulische Verbindung 29 zwischen den Druckräumen 27a und 27b der
Pumpenelemente 3 vorgesehen. Die hydraulische Verbindung 29 kann
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als
Bohrung in einem Gehäuse 31 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 1 ausgebildet sein. In der hydraulischen Verbindung 29 ist
ein Regelventil 33 angeordnet. Alternativ kann das Regelventil 33 auch
als Schaltventil ausgebildet sein. Durch das Regelventil 33 kann
die hydraulische Verbindung 29 bei Bedarf vollständig geschlossen
werden, so dass die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe 1 wie
eine aus dem Stand der Technik bekannte Axialkolbenpumpe arbeitet.
Alternativ kann das Regelventil 33 die hydraulische Verbindung 29 auch
mehr oder weniger freigeben, so dass die Druckdifferenz in den Druckräumen 27a und 27b beschränkt wird.
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Wenn
das Regelventil 33 vollständig geöffnet ist, findet ein nahezu
vollständiger
Druckausgleich zwischen den Druckräumen 27a und 27b statt.
Dies bedeutet, dass auch während
des Förderhubs
eines der Pumpenelemente 3 kein nennenswerter Druckanstieg
im zugehörigen
Druckraum 27 und im Förderraum 17 stattfindet.
Infolgedessen wird kein Kraftstoff aus dem Förderraum 17 in den
Hochdruckanschluss 25 gefördert. Somit ist in diesem
Betriebszustand eine Nullförderung
eingestellt.
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Wenn
das Regelventil 33 in einer Zwischenstellung zwischen vollständig geöffnet und
vollständig
geschlossen ist, kann sich ein gewisser Druckaufbau in den Druckräumen 27a und 27b einstellen, wenn
der zugehörige
Pumpenkolben 9 sich im Förderhub befindet. Dieser Druck
wird über
die erste Membran 13 auf den zugehörigen Förderraum 17 übertragen.
Sobald der Druck im Förderraum 17 größer als
im Hochdruckanschluss 25 ist, öffnet das zugehörige zweite
Rückschlagventil 23,
und es wird eine bestimmte Kraftstoffmenge aus dem Förderraum 17 in
den Hochdruckanschluss 25 gefördert. In diesem Betriebszustand ist
die Fördermenge
der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 größer als Null und kleiner als
die Fördermenge
bei geschlossenem Regelventil 33. Je nach Stellung des
Regelventils 33 kann die Fördermenge zwischen 0 und 100
% eingestellt werden.
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Alternativ
kann das Regelventil 33 auch als Schaltventil ausgeführt werden
(nicht dargestellt). In diesem Fall wird die Fördermengenregelung durch Öffnen und
Schließen
des Schaltventils vorgenommen. Wenn die gewünschte Fördermenge von den Pumpenelementen 3 gefördert wurde,
wird das Schaltventil geöffnet,
so dass ein Druckausgleich zwischen den Druckräumen 27a und 27b stattfindet und
infolgedessen kein weiterer Kraftstoff mehr in den Hochdruckanschluss 25 gefördert wird.
Je größer die
hydraulischen Querschnitte der hydraulischen Verbindung 29 und
des Schaltventils sind, desto verlustarmer kann diese Art der Fördermengenregelung
erfolgen. Wenn die Fördermengenregelung durch Öffnen des
Schaltventils nach Erreichen der gewünschten Fördermenge erfolgt, werden die Druckstöße im Niederdruckbereich
und im Hochdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 minimiert.
Diese Fördermengenregelung
ist besonders vorteilhaft.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe im
Form einer Axialkolbenpumpe im Querschnitt stark vereinfacht dargestellt.
In dieser Darstellung sind drei um 120° zueinander versetzt angeordnete Pumpenelemente 3 andeutungsweise
dargestellt. Der Hochdruckanschluss und der Niederdruckanschluss
sind in dieser Darstellung nicht dargestellt, ebenso wie die Taumelscheibe.
Bezüglich
dieser Details und auch der Ausbildung von Druckraum und Förderraum
wird auf das Ausführungsbeispiel
gemäß 1 verwiesen.
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In 2 ist
auch die hydraulische Verbindung 29 zwischen den Pumpenelementen 3 dargestellt.
In der Mitte der sternförmig
angeordneten hydraulischen Verbindung 29 ist ein Regelventil 33 angeordnet,
welches anhand der 3, die einen Schnitt entlang
der Linie A-B in 2 darstellt, nachfolgend näher erläutert wird.
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In
einem Gehäuse 31 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 1 ist eine Bohrung 35 ausgespart.
In dieser Bohrung 35 ist ein Drehschieber 37 angeordnet, der über eine
Welle 39 in Drehung versetzt wird. Die Drehzahl und Phasenlage
des Drehschiebers 37 stimmen mit der Drehzahl und der Phasenlage
der Taumelscheibe (nicht dargestellt in 2 und 3) der
Axialkolbenpumpe überein.
Die Drehbewegung von der Welle 39 wird über eine Nut 41 im
Drehschieber 37 sowie einen Nutenstein 43 von
der Welle 39 auf den Drehschieber 37 übertragen.
Die hydraulische Verbindung 29 setzt sich im Drehschieber 37 fort.
Dort, wo die hydraulische Verbindung 29 im Drehschieber
endet, sind Steuernuten 45 vorgesehen. Die im Gehäuse 31 vorhandenen
hydraulischen Verbindungen 29 münden in einen Steuerschlitz 47. Die
Steuerschlitze 47 münden
in der Bohrung 35 im Gehäuse 31.
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Der
Drehschieber 37 ist über
einen Aktor 49 in Längsrichtung,
angedeutet durch die Doppelpfeile 51, verschiebbar. Je
nach Überdeckung
von Steuerschlitzen 47 und Steuernuten 45 wird
die hydraulische Verbindung 29 mehr oder weniger geöffnet und somit
die gewünschte
Fördermenge
eingestellt. Diese Art der Fördermengenregelung
wurde anhand der 1 bereits ausführlich erläutert, und
es wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf diese Erläuterungen
verwiesen.
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In
den 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele
von Regelventilen 33 dargestellt. Die Konfiguration dieser
Regelventile 33 in einer Axialkolbenpumpe entspricht derjenigen
des Ausführungsbeispiels
gemäß 3.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 münden die
hydraulischen Verbindungen 29 im Gehäuse 31 in Steuerschlitze 47.
Ein Aktor 49 betätigt
einen Längsschieber 53 in Richtung
des Doppelpfeils 51. In Abhängigkeit der Position des Längsschiebers 53 deckt
die Steuerkante 55 des Längsschiebers 53 die
Steuerschlitze 47 vollständig, teilweise oder gar nicht
ab. In 4 ist eine Position des Längsschiebers 53 dargestellt,
bei dem die Steuerschlitze 47 nahezu vollständig vom Längsschieber 53 abgedeckt
sind. Dies bedeutet, dass nur ein geringer Druckausgleich zwischen
den Druckräumen 27 (nicht
dargestellt) über
die hydraulischen Verbindungen 29 erfolgen kann. Infolgedessen
fördert
die ebenfalls nicht dargestellte Kraftstoffhochdruckpumpe 1 nahezu
die volle Fördermenge. Wenn
der Längsschieber 53 in 4 durch
den Aktor 49 weiter nach rechts verschoben wird, ist ein
besserer Druckausgleich zwischen den nicht dargestellten Druckräumen 27 möglich, so
dass die Fördermenge sinkt.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Regelventils 33 dargestellt, bei dem die hydraulischen
Verbindungen 29 im Gehäuse 31 direkt in
die Bohrung 35 münden.
In den Längsschieber 53 ist
eine umlaufende Steuernut 45 eingearbeitet. In der in 5 dargestellten
Position des Längsschiebers 53 verschließt dieser
die hydraulischen Verbindungen 29, so dass kein Druckausgleich
zwischen den Pumpenelementen (nicht dargestellt) stattfinden kann
und somit die volle Fördermenge
gefördert
wird. Wenn der Längsschieber 53 in 5 nach
links verschoben wird, ermöglicht
die Steuernut 45 eine Verbindung der hydraulischen Verbindungen 29,
so dass ein teilweiser oder vollständiger Druckausgleich zwischen
den nicht dargestellten Druckräumen
stattfindet und somit die Fördermenge
reduziert wird.
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Alternativ
kann auch auf die zweite Membran 15 verzichtet werden.
In diesem Fall muss die hydraulische Verbindung 29 die
Förderräume 17 der Pumpenelemente 3 miteinander
verbinden. In diesem Fall findet der Druckausgleich nicht zwischen den
Druckräumen,
sondern zwischen den Förderräumen 17 statt,
was sich in gleicher Weise auf die Fördermenge der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
auswirkt. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist der geringere
Bauaufwand und Platzbedarf.
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In 6 ist
eine Radialkolbenpumpe nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Nach
diesem Ausführungsbeispiel
sind die drei Pumpenelemente 3 radial zu einer Antriebswelle 9 angeordnet
und werden von einem exzentrischen Abschnitt 57 der Antriebswelle 9 angetrieben.
Bei dieser Kraftstoffhochdruckpumpe ist an jedem Niederdruckanschluss 19 ein
Schaltventil 59 vorgesehen. In der in 6 dargestellten
Position der Schaltventile kann während des Förderhubs der Pumpenelemente 3 der Kraftstoff
wieder zurück
in den Niederdruckanschluss 19 fließen, so dass sich eine Nullförderung
einstellt. Wenn die Schaltventile 59 in die zweite, in 6 nicht
dargestellte Schaltstellung gebracht werden, haben die Schaltventile 59 die
Funktion der ersten Rückschlagventile 21 (siehe 1),
so dass die Pumpenelemente 3 in den Hochdruckanschluss 25 fördern. Je
nachdem zu welchem Zeitpunkt die Schaltventile 59 betätigt werden,
kann die Fördermenge
der Radialkolbenpumpe eingestellt werden. Allerdings muss die Steuerung
der Schaltventile 59 sehr genau erfolgen und es sind drei
aufwendige Schaltventile 59 erforderlich.
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Anhand
der 7 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe,
welche als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist, dargestellt. In dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 7 verbindet
die hydraulische Verbindung 29 die Förderräume 17a, 17b und 17c von drei
nicht dargestellten Pumpenelementen 3 einer Radialkolbenpumpe,
wie sie in 6 beschrieben wurde, miteinander.
Zu jedem Förderraum 17a, 17b und 17c ist
ein Regelventil 33 vorgesehen. Die Regelventile 33 werden
gemeinsam angesteuert.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
als Radialkolbenpumpe ausgeführten
Kraftstoffhochdruckpumpe 1 dargestellt. Die drei Pumpenelemente 3,
welche von einer Antriebswelle 7 angetrieben werden, weisen
je einen Niederdruckanschluss 19 mit einem ersten Rückschlagventil 21 und einen
Hochdruckanschluss 25 mit einem zweiten Rückschlagventil 23 auf.
Von den Förderräumen 17a, 17b und 17c der
drei Pumpenelemente 3 führt
jeweils eine hydraulische Verbindung 29 zu einem Regelventil 61. Über das
Regelventil 61 kann eine hydraulische Verbindung der Förderräume 17a, 17b und 17c untereinander
hergestellt werden. Wenn diese hydraulische Verbindung geschlossen
ist, fördert
die Radialkolbenpumpe die volle Fördermenge. Wenn die Verbindung
vollständig
geöffnet
ist, stellt sich eine Nullförderung
ein. Durch geeignetes Ansteuern des Regelventils 61 kann
jede gewünschte
Fördermenge zwischen
0 % und 100 % eingestellt werden.
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In 9 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Regelventils 61 im Längsschnitt dargestellt. Bei
diesem Regelventil 61 werden die hydraulischen Verbindungen 29 durch
einen Längsschieber 53 geschlossen
oder mehr oder weniger geöffnet.
Je nach Stellung des Längsschiebers 53 kann
somit ein mehr oder weniger großer
Druckausgleich zwischen den Förderräumen 17a, 17b oder 17c der
Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. den Druckräumen 27a oder 27b (s. 1)
erfolgen.
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Alle
in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.