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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe
für eine
Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere
mit Common-Rail und Benzin-Direkteinspritzung, mit einem Kolben,
mit Antriebsmitteln zum Antrieb des Kolbens, mit einem Zylinder,
in dem der Kolben geführt
ist, mit einem Auslassventil und einem Mengensteuerventil, wobei das
Mengensteuerventil einen Ventilsitz, ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes
Ventilglied und einen einen Elektromagneten umfassenden, das Ventilglied
verstellenden Stellantrieb aufweist.
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Eine solche Hochdruck-Kraftstoffpumpe
ist aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 101 34 066.4 bekannt. Bei dieser
Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist das Mengensteuerventil vollständig in
einen Zylinderkopf der Hochdruck-Kraftstoffpumpe integriert.
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Das Mengensteuerventil übernimmt
die Versorgung eines Förderraums
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit Kraftstoff und die Steuerung der
Fördermenge
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
Dies geschieht dadurch, dass ein federbelastetes Ventilglied von
seinem Dichtsitz abhebt, sobald im Förderraum während des Saughubs der Kraftstoff-Hochdruckpumpe ein
niedrigerer Druck als vor dem Ventilglied herrscht. Wenn das Ventilglied
von seinem Dichtsitz abgehoben hat, kann Kraftstoff aus einer Niederdruck-Kraftstoffleitung
in den Förderraum
strömen.
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Beim anschließenden Förderhub der Kraftstoff-Hochdruckpumpe
wird das Ventilglied aufgrund der geänderten Druckverhältnisse
und durch eine Schließfeder
in Richtung des Dichtsitzes bewegt. Wenn das Ventilglied auf dem
Dichtsitz aufliegt, steigt der Druck im Förderraum während des Förderhubs schnell an und der
Kraftstoff wird in eine Hochdruck-Kraftstoffleitung ausgeschoben.
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Um die Fördermenge der Kraftstoff-Hochdruckpumpe
steuern zu können,
ist ein elektrischer Stellantrieb im Mengensteuerventil vorgesehen,
welcher über
einen Stößel das
Ventilglied von seinem Dichtsitz fernhalten kann. Dies bedeutet,
dass bei einer entsprechenden Ansteuerung des Stellantriebs im Förderraum
während
des Förderhubs
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe kein Druckaufbau stattfindet, sondern
der im Förderraum
befindliche Kraftstoff in die Niederdruck-Kraftstoffleitung zurückgeschoben wird.
Erst wenn durch eine geänderte
Ansteuerung des Stellantriebs das Ventilglied auf dem Dichtsitz aufliegt,
findet der bereits beschriebene Druckaufbau statt und Kraftstoff
wird aus dem Förderraum
in die Kraftstoff-Hochdruckleitung gefördert. Je nach dem wie lange
das Ventilglied während
des Förderhubs der
Kraftstoff-Hochdruckpumpe offen gehalten wird, ändert sich die Fördermenge
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe.
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Bei dem in der genannten Druckschrift
beschriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe wird der Zylinderkopf mindestens
teilweise mit dem im Förderraum
herrschenden Hochdruck beaufschlagt. Infolgedessen muss die Verbindung
zwischen Zylinderkopf und Zylinder der Hochdruck-Kraftstoffpumpe große Kräfte übertragen
und an die Abdichtung zwischen Zylinderkopf und Zylinder der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
werden hohe Anforderungen gestellt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe,
insbesondere einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem einer
Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung, mit einem Kolben,
mit Antriebsmitteln zum Antrieb des Kolbens, mit einem Zylinder,
in dem der Kolben geführt
ist, mit einem Auslassventil und mit einem Mengensteuerventil, wobei das
Mengensteuerventil einen Ventilsitz, ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes
Ventilglied und einen einen Elektromagneten umfassenden, das Ventilglied
verstellenden Stellantrieb aufweist, ist der Ventilsitz in dem Zylinder
angeordnet. Dadurch sind alle Hochdruck führenden Komponenten der Hochdruckkraftstoffpumpe
im Zylinder integriert. Infolgedessen vereinfacht sich die Abdichtung
der mit Hochdruck beaufschlagten Bereiche der Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
an die Verbindung zwischen Zylinderkopf und Zylinder werden nur
noch geringe Anforderungen gestellt. Außerdem kann die Abdichtung
zwischen Zylinderkopf und Zylinder, da der Zylinderkopf nur noch
mit niederen Drücken
beaufschlagt wird, vereinfacht werden.
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Dadurch ergeben sich erhebliche Vereinfachungen
bei der Herstellung und Montage der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
was sich neben einer erhöhten
Zuverlässigkeit
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe auch in Kostenvorteilen niederschlägt.
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Erfindungsgemäß kann bei einer ersten Variante
vorgesehen sein, dass der Ventilsitz als separates Bauteil ausgeführt ist
und im Zylinder befestigt ist. Dadurch kann der Ventilsitz aus einem
anderen Material als der Zylinder hergestellt werden und die Herstellung
des Ventilsitzes wird vereinfacht, da es sich bei dem separaten
Ventilsitz um ein sehr einfaches Bauteil handelt.
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Erfindungsgemäß weist der Ventilsitz einen zylindrischen
Abschnitt auf, der mit einer zylindrischen Ausnehmung des Zylinders
eine Presspassung bildet. Durch eine Presspassung ist eine kostengünstige und
zuverlässige
Verbindung des Ventilsitzes mit dem Zylinder gewährleistet. Außerdem hat die
Presspassung eine Dichtwirkung, so dass Ventilsitz und Zylinder
nicht noch zusätzlich
abgedichtet werden müssen.
Bei geeigneter Wahl der Presspassung sitz der Ventilsitz so fest
im Zylinder, dass er trotz der förderraumseitigen
Beaufschlagung mit sehr hohen Drücken
nicht "wandert".
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Um die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe zu
verbessern, kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen
sein, dass in der zylindrischen Ausnehmung des Zylinders eine Nut
zur Aufnahme eines Sicherungsrings, insbesondere eines Seeger-Rings vorhanden ist.
Damit kann der Ventilsitz formschlüssig zusätzlich zu der beschriebenen
Presspassung im Zylinder befestigt werden, so dass auch unter ungünstigsten
Umständen
eine sichere Befestigung des Ventilsitzes im Zylinder gewährleistet
ist.
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Alternativ kann der Ventilsitz auch
mit der zylindrischen Ausnehmung des Zylinders verstemmt werden.
Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Ventilsitz
auch ein Außengewinde
aufweisen und in ein Innengewinde des Zylinders eingeschraubt werden.
In diesem Fall ist zwischen Ventilsitz und Zylinder eine zusätzliche
Abdichtung, beispielsweise in Form einer Beißkante an der Stirnseite des
Ventilsitzes vorzusehen.
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Es ist weiter vorteilhaft, wenn in
dem Zylinder eine Entlastungsnut vorhanden ist, die mit dem Niederdruckkreislauf
verbunden ist, so dass die Beaufschlagung der Kolbendichtung zum
Motorraum mit Hochdruck vermieden wird.
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In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
ist der Stellantrieb des Mengensteuerventils in einem Zylinderkopf der
Kraftstoffpumpe angeordnet. Da der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe und
damit auch der Stellantrieb nicht mehr mit den hohen Drücken des
Förderraums
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe beaufschlagt wird, kann der Stellantrieb
auf einfache Weise im Zylinderkopf befestigt werden. Beispielsweise
kann der Stellantrieb im Zylinderkopf verstemmt werden. Dieses Verstemmen
ist sehr kostengünstig
und lässt
sich insbesondere bei großen
Serien vorteilhaft einsetzen.
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In weiterer Ergänzung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist
der Zylinderkopf mit dem Zylinder verschraubt, wobei in einer besonders
bevorzugten Variante der Erfindung, eine der Schrauben zur Befestigung
des Zylinderkopfs als Hohlschraube ausgeführt ist und über diese
Hohlschraube Kraftstoff aus der Entlastungsnut abgeführt wird.
Dadurch entfällt
die Notwendigkeit einen gesonderten Entlastungskanal, der von der
Entlastungsnut bis zu einem Niederdruckanschluss der Hochdruck-Kraftstoffpumpe verläuft, vorzusehen.
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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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Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe
und
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2 ein
Blockschaltbild einer Common-Rail-Kraftstoffeinspritzanlage mit einer
erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckpumpe
im Schnitt dargestellt. Die wesentlichen Baugruppen der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 sind
ein Zylinder 12, ein Zylinderkopf 14, der mit
dem Zylinder 12 verschraubt ist, und ein Mengensteuerventil 16.
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Der Zylinder 12 weist eine
Zylinderbohrung 18 auf, in der ein Kolben 20 oszilliert.
Die Bewegung des Kolbens 20 ist in 1 durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet.
Der Kolben 20 und die Zylinderbohrung 18 begrenzen
zusammen mit dem Mengensteuerventil 16 einen Förderraum 24.
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Von dem Förderraum 24 geht eine
Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 ab. Um ein Rückströmen des
Kraftstoffs (nicht dargestellt) aus der Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 in
den Förderraum 24 zu verhindern,
ist im Zylinder 12 ein Auslassventil 26 vorgesehen.
Das Auslassventil 26 kann beispielsweise als federbelastetes
Kugelventil ausgeführt
werden.
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Über
eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 110, die in einen Niederdruckanschluss
28 im Zylinderkopf 14 mündet,
wird der Förderraum 24 während des
Saughubs der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 mit Kraftstoff
gefüllt.
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Im Zylinderkopf 14 ist eine
Querbohrung 30 vorhanden, welche den Niederdruckanschluss 28 mit einer
Mittenbohrung 32 des Zylinderkopfs 14 verbindet,.
Außerdem
stellt die Querbohrung 30 eine hydraulische Verbindung
zu einem Druckdämpfer 34 her,
welcher ebenfalls am Zylinderkopf 14 angeordnet ist. Der
Druckdämpfer 34 hat
die Aufgabe, die aus der Bewegung des Kolbens 20 und der
Ansteuerung des Mengensteuerventils 16 resultierenden Druckstöße im Niederdruckbereich
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 zu dämpfen. Dadurch verbessert sich das
Betriebsverhalten der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10.
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Das Mengensteuerventil 16 besteht
im wesentlichen aus einem elektrischen Stellantrieb 36 und einem
Ventilglied 38, welches mit einem Ventilsitz 40 zusammenwirkt.
In der in 1 dargestellten
Position des Ventilglieds 38, liegt dieses auf dem Ventilsitz 40 auf,
so dass keine hydraulische Verbindung zwischen dem Förderraum 24 und
dem Niederdruckanschluss 110 besteht. Das Ventilglied 38 wird über eine
Druckfeder 42 in Anlage an dem Ventilsitz 40 gehalten.
Wenn sich der Kolben 20 in Richtung des Ventilglieds 38 bewegt
(Förderhub),
steigt der Druck im Förderraum 24 so
lange an, bis das Auslassventil 26 öffnet und Kraftstoff aus dem
Förderraum 24 in
die Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 ausgeschoben
wird.
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Wenn sich der Kolben 20 von
dem Ventilglied 38 entfernt (Saughub), nimmt der Druck
im Förderraum 24 so
stark ab, dass die auf das Ventilglied 38 wirkenden hydraulischen
Kräfte
die Vorspannung der Druckfeder 42 überwinden und das Ventilglied
38 vom Ventilsitz 40 abhebt. Diese Position ist in 1 nicht dargestellt. Sobald
das Ventilglied 38 vom Ventilsitz 40 abgehoben hat, ist
eine hydraulische Verbindung zwischen Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 über die
Querbohrung 30 und die Mittenbohrung 32 mit dem
Förderraum 24 hergestellt,
so dass Kraftstoff aus der Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 in
den Förderraum 24 einströmt.
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Wenn nun der Kolben nach Erreichen
seines unteren Totpunkts seine Bewegungsrichtung umkehrt und er
sich erneut in Richtung des Ventilglieds 38 bewegt, liegt
das Ventilglied 38 wieder auf dem Ventilsitz 40 auf,
wenn nicht ein Stößel 44 des
Mengensteuerventils 16 dies verhindert. Der Stößel 44 ist Teil
des elektrischen Stellantriebs 36 des Mengensteuerventils 16.
Der elektrische Stellantrieb 36 umfasst neben dem Stößel 44 noch
einen Anker 46, der mit dem Stößel 44 fest verbunden
ist, und einen Elektromagneten
48, welche in bestromtem
Zustand eine Stellkraft auf den Anker 48 ausübt.
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In 1 ist
der Elektromagnet 48 bestromt, so dass der Anker 46 entgegen
einer von einer zweiten Druckfeder 50 ausgeübten Kraft,
sich vom Ventilglied 38 entfernt. In 1 entspricht dieses Entfernen vom Ventilglied 38 einer
Bewegung des Ankers 46 und damit auch des Stößels 44 nach
oben. Die zweite Druckfeder 50 stützt sich mit einem Ende gegen
den Anker 46 und mit dem andere Ende gegen einen Deckel 52 des
Mengensteuerventils 16 ab. Der Deckel 52 ist bei
dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
mit dem Zylinderkopf 14 verstemmt. Diese fertigungstechnisch
sehr einfache Verbindungsart ist bei der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 ausreichend,
da im Zylinderkopf nur der Druck des Niederdruckanschlusses 110 herrscht.
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Wenn der Elektromagnet
18 nicht
bestromt wird, bewegen sich Anker
46 und Stößel
44 so
weit in Richtung Förderraum
24,
dass das Ventilglied
38 nicht mehr auf dem Ventilsitz
40 aufliegt.
Somit kann durch den elektrischen Stellantrieb
36 eine
hydraulische Verbindung zwischen Niederdruck-Kraftstoffleitung
110 und Förderraum
24 aufrechterhalten
werden. Solange diese hydraulische Verbindung besteht, findet kein
Druckaufbau im Förderraum
24 statt und
es wird kein Kraftstoff aus dem Förderraum
24 in die
Hochdruck-Kraftstoffleitung
110 ausgeschoben. Dies
bedeutet, dass durch die geeignete Ansteuerung des elektrischen
Steölantriebs
36 die
Fördermenge
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
10 zwischen 0%
und 100 des Förderraumvolumens
geregelt werden kann. Eine ausführliche
Beschreibung der Wirkungsweise eines Mengensteuerventils
16 findet
sich in der
DE 196
34 120 A1 , auf die hiermit Bezug genommen wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist
der Ventilsitz 40 nicht im Zylinderkopf 14 integriert,
sondern im Zylinder 12 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist der Ventilsitz 40 als
separates Bauteil mit einer zylindrischen Außenfläche 54 ausgeführt. Die
zylindrische Außenfläche 54 des
Ventilsitzes 40 bildet mit einer entsprechend geformten
zylindrischen Ausnehmung 56 des Zylinders 12 eine
Presspassung. Dadurch ist der Ventilsitz 38 sicher im Zylinder 12 befestigt
und es kann kein Kraftstoff durch die Kontaktfläche zwischen zylindrischer
Außenfläche 54 und
zylindrischer Ausnehmung 56 aus dem Förderraum 24 entweichen.
Somit werden alle hydraulischen Kräfte, welche aus den hohen Drücken im
Förderraum 24 resultieren,
vom Zylinder 12 aufgenommen, so dass der Kraftfluss optimiert
wird. In der zylindrischen Ausnehmung 56 ist eine Nut 58 vorgesehen,
in die ein Sicherungsring 60 eingelegt ist. Dadurch wird
der Ventilsitz 38 noch zusätzlich im Zylinder 12 gesichert.
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Da der Ventilsitz 38 als
rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt ist, kann er sehr einfach durch
Drehen und/oder Schleifen mit der erforderlichen Präzision hergestellt
werden. Auch ist es möglich,
den Ventilsitz 40 zu härten,
um dessen Lebensdauer zu erhöhen.
Die erste Druckfeder 42 stützt sich mit einem Ende gegen
das Ventilglied 38 und mit dem anderen Ende gegen einen
Absatz 62 des Ventilsitzes 40 ab.
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Der Antrieb des Kolbens 20,
beispielsweise über
eine Antriebswelle mit einem exzentrischen Abschnitt (nicht dargestellt),
ist in 1 nicht dargestellt.
Solche Antriebe sind jedoch aus dem Stand der Technik bekannt. Befestigt
wird der Zylinder 12 über eine
Spannpratze 64, welche sich an einem Zylinderkopf 66 der
Brennkraftmaschine abstützt
und in eine Aussparung 68 des Zylinders 12 eingreift.
Die Spannpratze 64 wird durch eine Schraube 70 vorgespannt.
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In der Zylinderbohrung 18 ist
eine Entlastungsnut 72 eingearbeitet, über welche die Leckage zwischen
Zylinderbohrung 18 und Kolben 20 abgeführt werden
kann. An die Entlastungsnut 72 schließt eine Entlastungsbohrung 74 an,
welche eine Gewindebohrung 76 im Zylinder 12 anschneidet.
In die Gewindebohrung 76 ist eine Hohlschraube 78 eingedreht,
welche den Zylinderkopf 14 am Zylinder 12 befestigt. Über eine
Längsbohrung 80 und
eine Querbohrung 82 der Hohlschraube 78 wird somit
eine hydraulische Verbindung zwischen der Entlastungsnut 72 und
dem Niederdruckanschluss 28 hergestellt.
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In 2 ist
eine Kraftstoffeinspritzanlage 102 dargestellt. Diese umfasst
einen Kraftstoffbehälter 104,
aus dem Kraftstoff 106 durch eine elektrische Kraftstoffpumpe 108 gefördert wird. Über eine
Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 wird
der Kraftstoff 106 zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 mit
einem Mengensteuerventil 16 gemäß 1 gefördert.
Von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 gelangt
der Kraftstoff 106 über
eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 zu einem Common-Rail 114.
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An den Common-Rail 114 sind
mehrere Einspritzventile 116 angeschlossen, die den Kraftstoff
direkt in Brennräume 118 der
Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) einspritzen.