DE10261780A1

DE10261780A1 - Niederdruckkreislauf für ein Speichereinspritzsystem

Info

Publication number: DE10261780A1
Application number: DE10261780A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Boos; Stefan Kieferle; Matthias Distel; Achim Koehler; Sascha Ambrock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2003-07-03
Also published as: DE10295868D2; AU2002363846A1; EP1321663A3; JP2003222059A; US20030136384A1; EP1321663A2; WO2003052262A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Niederdruckkreislauf (10) für ein Speichereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Hochdruckpumpe (20). Die Hochdruckpumpe (20) weist wenigstens ein Pumpelement (36) auf, das über ein Differenzdruckventil (32) aus einem Saugraum (30) der Hochdruckpumpe (20) mit einem ersten Teil einer Kraftstoffmenge versorgt wird. Dabei ist eine steuerbare Zumesseinheit (18) in einem Kraftstoffpfad zwischen dem Differenzdruckventil (32) und der Niederdruckpumpe (16) angeordnet. Der Niederdruckkreislauf (10) zeichnet sich dadurch aus, dass der an den Saugraum (30) gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge durch die Zumesseinheit (18) soweit verringerbar ist, dass der an den Saugraum (30) gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge nicht zur Erzeugung eines Druckes ausreicht, der das Differenzdruckventil (32) öffnet, wobei ein Abfließen von Kraftstoff aus dem Saugraum (30) nur über wenigstens ein Pumpelement (36) erfolgt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Niederdruckkreislauf für ein Speichereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Hochdruckpumpe, die wenigstens ein Pumpelement aufweist, das über ein Differenzdruckventil aus einem Saugraum der Hochdruckpumpe mit einem ersten Teil einer Kraftstoffmenge versorgt wird, die von einer Niederdruckpumpe gefördert wird, wobei eine steuerbare Zumesseinheit in einem Kraftstoffpfad zwischen dem Differenzdruckventil und der Niederdruckpumpe angeordnet ist.
Bei einem Speichereinspritzsystem sind ein oder mehrere Einspritzdüsen über steuerbare Ventile an einen Kraftstoffspeicher angeschlossen. Der Kraftstoff steht in dem Kraftstoffspeicher unter einem Druck, der zur Einspritzung in Brennräume des Verbrennungsmotors ausreichend ist. Bei einem Diesel-Verbrennungsmotor entspricht dies einem Druck in der Größenordnung von über 1000 bar. Durch öffnendes Ansteuern der Ventile wird Kraftstoff aus dem Speicher in die Brennräume eingespritzt. Der Kraftstoffspeicher ist üblicherweise mehreren Brennräumen gemeinsam zugeordnet und wird daher als Common Rail bezeichnet.
Die Hochdruckpumpe ist häufig als Radialkolbenpumpe mit mehreren Pumpelementen ausgestaltet, die über eine mechanisch von dem Verbrennungsmotor angetriebene Welle betätigt werden. Dabei wird Kraftstoff in Arbeitsräume der Pumpelemente gesaugt, von den radial beweglichen Kolben unter Druck gesetzt und ausgestoßen. Das Ansaugen des Kraftstoffes erfolgt aus einem Saugraum über jeweils ein Differenzdruckventil, das beim Erreichen eines definierten Druckunterschiedes zwischen dem Saugraum und dem Arbeitsraum des Pumpelementes öffnet und damit das Einströmen von Kraftstoff in den Arbeitsraum erlaubt. Beim Verdichtungshub arbeitet das Differenzdruckventil als Rückschlagventil.
Der Kraftstoff wird von einer Niederdruckpumpe geliefert, die Kraftstoff aus einem Tank ansaugt und mit einem Druck von wenigen bar, beispielsweise 1 bis 5 bar, über einen Zulauf für die Hochdruckpumpe bereitstellt. Zwischen Niederdruckpumpe und Saugraum ist die Zumesseinheit angeordnet, die zur Steuerung der an den Speicher gelieferten Hochdruckfördermenge der Hochdruckpumpe durch eine Drosselung des an den Saugraum gelieferten ersten Teils der Kraftstoffmenge dient. Dabei bildet der Saugraum die Gesamtheit aller miteinander kommunizierender Volumina zwischen dem Differenzdruckventil und der Zumesseinheit.
Kraftstoff, der nicht über die Zumesseinheit zum Saugraum gelangt, strömt über wenigstens einen Rücklauf auf die Eingangsseite der Niederdruckpumpe zurück. Eine solche Rückführung schließt den Kreis der unter Niederdruck stehenden Komponenten, die u. a. den Tank, die Niederdruckpumpe, die Zumesseinheit und den Rücklauf umfassen. Die Gesamtheit dieser Komponenten und der zugehörigen Verbindungsleitungen wird daher als Niederdruckkreislauf bezeichnet.

Ein solcher Niederdruckkreislauf ist aus der DE 199 26 308 A1 bekannt.

Es ist wünschenswert, eine Nullförderung der Hochdruckpumpe einstellen zu können, um beispielsweise im Schiebebetrieb des Verbrennungsmotors die Kraftstoffzufuhr zu Brennräumen des Verbrennungsmotors zu unterbrechen, ohne dass dabei der Druck des Kraftstoffes im Kraftstoffspeicher (Rail) auf unerwünscht hohe oder unzulässig hohe Werte ansteigen kann.

Diese Wirkung kann dadurch erreicht werden, dass ein Druckentlastungsventil am Common Rail geöffnet wird, um den Raildruck in erlaubten Grenzen zu halten. In diesem Fall fließt der von der Hochdruckpumpe gelieferte Kraftstoffüberschuß auf niedrigem Druckniveau auf die Eingangsseite des Niederdruckkreislaufs zurück. Daher wird der Druck des Kraftstoffes, der über das Druckentlastungsventil abgeleitet wird, letztlich unnötigerweise durch die Hochdruckpumpe vom Niederdruckniveau (Größenordnung: < 10 bar) auf Raildruckniveau (Größenordnung: > 1000 bar) gehoben, was unnötig Energie kostet und der Lebensdauer der beteiligten Komponenten abträglich ist.

Es hat sich gezeigt, dass üblicherweise verwendete Zumesseinheiten eine Leckage aufweisen, die die Einstellung einer Nullförderung der Hochdruckpumpe durch eine Drosselung der Kraftstoffzufuhr zum Saugraum der Hochdruckpumpe erschweren. Dieses Problem tritt besonders in Verbindung mit ungeregelten Niederdruckförderpumpen auf, die wegen ihrer Konstruktion immer einen gewissen Druck vor der Zumesseinheit aufrechterhalten. Aus diesem Druck resultiert der erwähnte Leckagestrom zum Saugraum. Ein typisches Beispiel einer ungeregelten Niederdruckförderpumpe ist eine mechanisch vom Verbrennungsmotor angetriebene Zahnradpumpe.

Nach der DE 199 26 308 wird der Saugraum über eine Nullförderdrossel mit einem Rücklauf verbunden. Die Drossel ist einerseits so ausgelegt, dass sie bei geöffneter Zumesseinheit einen Druckaufbau im Saugraum erlaubt, der zur Öffnung der Differenzdruckventile ausreichend ist. Die Hochdruckpumpe kann daher Kraftstoff fördern. Andererseits ist die Drossel gleichzeitig so ausgelegt, dass sie bei schließend angesteuerter Zumesseinheit einen verbleibenden Leckagestrom zum Rücklauf abfließen lässt. In diesem Fall wird der zum Öffnen der Differenzdruckventile notwendige Druck im Saugraum nicht erreicht, so dass die Pumpe wunschgemäß nicht fördert.

Die Nullförderdrossel führt, wie bereits erwähnt, bei der DE 199 26 308 auf eine Rücklaufleitung. Diese Rücklaufleitung führt in den Tank und steht daher unter Umgebungsdruck. Der in einer Größenordnung zwischen 0,5 bar und etwa 1 bar schwankende Umgebungsdruck kann dazu führen, dass die Hochdruckpumpe bei erwünschter Nullförderung wegen des an den Differenzdruckventilen herrschenden Rücklaufdruckes Kraftstoff aus der Rücklaufleitung ansaugt. Um dies zu verhindern, müssen die Öffnungsdrücke der Differenzdruckventile ausreichend hoch eingestellt sein. Dadurch wird ein unerwünschtes Öffnen der Differenzdruckventile verhindert. Als Nachteil ergibt sich, dass der hohe Öffnungsdruck bei erwünschter Förderung und niedrigem Umgebungsdruck durch die Niederdruckpumpe überwunden werden muß.

Dadurch wird der wirksame Fülldruck, mit dem die Hochdruckpumpe befüllt wird, verringert. Als Folge verringert sich die Füllrate, d. h. die Füllmenge pro Zeiteinheit in überproportionaler Weise.

Um bei hohen Drehzahlen noch eine ausreichende Förderung der Hochdruckpumpe zu erzielen, muss die Niederdruckpumpe bei dem bekannten Niederdruckkreislauf mit hohem Förderdruck arbeiten (bspw. 5 bar), was die Lebensdauer der Förderpumpe gegenüber einem Betrieb mit geringeren Drücken herabsetzt.

Mit anderen Worten: Der hohe Öffnungsdruck der Differenzdruckventile führt zu einer unerwünschten Drosselung des bekannten Niederdruckkreislaufs, die durch einen Betrieb der Niederdruckpumpe mit erhöhter Antriebsleistung und erhöhtem Druck kompensiert werden muss.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen stabilen, entdrosselten Niederdruckkreislauf mit hinsichtlich Druckniveau und Fördermenge reduzierten Anforderungen an die Förderpumpe anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Niederdruckförderkreislauf der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der an den Saugraum gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge durch die Zumesseinheit soweit verringert werden kann, dass der an den Saugraum gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge nicht zur Erzeugung eines Druckes ausreicht, der das Differenzdruckventil öffnet, wobei ein Abfließen von Kraftstoff aus dem Saugraum nur über wenigstens ein Pumpelement erfolgt.

Die Verwendung einer Zumesseinheit, die die genannte Verringerung erlaubt, stellt eine Voraussetzung der Erfindung dar. Eine mögliche Ausgestaltung einer solchen Zumesseinheit wird weiter im Rahmen eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf die unten erläuterte spezielle Ausgestaltung einer dichten Zumesseinheit sondern richtet sich vielmehr auf die Optimierung eines Niederdruckkreislaufs unter Verwendung einer dichten Zumesseinheit. Die bei der oben verwendeten Angabe der Lösung genannte Zumesseinheit ist eine solche dichte Zumeßeinheit. Dies ergibt sich aus der Forderung, dass der an den Saugraum gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge durch die Zumesseinheit soweit verringerbar ist, dass der an den Saugraum gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge nicht zur Erzeugung eines Druckes ausreicht, der das Differenzdruckventil öffnet, wobei ein Abfließen von Kraftstoff aus dem Saugraum nur über wenigstens ein Pumpelement erfolgt. Insbesondere der letzte Teilsatz schließt die Verwendung der bekannten Nullförderdrossel aus, die bei Zumesseinheiten, die vergleichsweise weniger dicht sind, den unerwünschten Leckagestrom ableitet.

Vorteile der Erfindung

Der Entfall der Nullförderdrossel stellt bereits deshalb einen Vorteil da, weil der Entfall eine vereinfachte und damit kostengünstigere Fertigung des Niederdruckkreislaufs erlaubt.

Ein wesentlicher Vorteil resultiert daraus, dass die störende Ankopplung des Saugraums an den Rücklaufdruck wegfällt.

Die Saugventile können daher mit geringeren Federkräften betrieben werden, was zu der angestrebten Entdrosselung des Niederdruckkreislaufs führt. Dadurch werden bei gleichem Fülldruckniveau bessere Füllungen und damit ein besserer Liefergrad der Hochdruckpumpe erreicht. Dabei entspricht das genannte Fülldruckniveau hier nicht dem Überschussdruckniveau des Saugraums gegenüber dem Arbeitsraum der Pumpelemente beim Ansaugen, sondern dem bei geöffneter Zumesseinheit im Saugraum herrschenden Absolutdruck.

Die Dimensionierung der Öffnungsdrücke der Differenzdruckventile kann daher so optimiert werden, dass die Differenzdruckventile bei fehlender Nullförderdrossel dann schließen, wenn keine Förderung erwünscht ist. Dies verhindert ein Leersaugen des Saugraums. Die mögliche Reduzierung der Differenzventilöffnungsdrücke ergibt sich als Folge des Wegfalls der Nullförderdrossel und damit als Folge der Verwendung einer dichten Zumesseinheit.

Es ist bevorzugt, dass das Differenzdruckventil bei einem Differenzdruck öffnet, der kleiner als 0,9 bar ist.

Es hat sich gezeigt, dass dieses Differenzdruckniveau einen guten Kompromiß zwischen den Forderungen nach einem möglichst hohen Differenzdruckniveau zur Vermeidung des Leersaugens des Saugraums und nach einem möglichst niedrigen Druckniveau zur leichteren Füllung der Pumpelemente darstellt. Bei dem bekannten Niederdruckkreislauf mit einer Nullförderdrossel liegt der notwendige Differenzdruck etwa 1 bar höher.

Es ist weiter bevorzugt, dass ein zweiter Teil des von der Niederdruckförderpumpe geförderten Kraftstoffs vor der Zumesseinheit abgezweigt und über wenigstens einen Rücklauf auf einen Teil des Niederdruckkreislaufs zurückgeführt wird, der auf einer Eingangsseite der Niederdruckpumpe liegt.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass ein von der Niederdruckförderpumpe bereitgestellter Kraftstoffüberschuß auch für andere Zwecke, beispielsweise zur Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe verwendet werden kann. Dabei gilt die mögliche Verwendung als Schmiermittel insbesondere für Dieselkraftstoff. Die Aufteilung der vom Ausgang der Niederdruckpumpe bereitgestellten Kraftstoffmenge in wenigstens einen Förderstrom und einen Schmierstrom, wobei der Förderstrom der ersten Kraftstoffmenge entspricht und wobei der Schmierstrom getrennt von dem Förderstrom über Lager der Hochdruckpumpe geleitet wird, besitzt den Vorteil, dass sich eine Kraftstoffschmierung der Hochdruckpumpe realisieren lässt, ohne dass der Förderstrom über die Lager der Hochdruckpumpe geführt wird, bevor er den Saugraum erreicht. Dadurch wird insbesondere beim Start ein schnelles Einsetzen der Förderung der Hochdruckpumpe erreicht, was eine Voraussetzung für ein schnelles Anspringen der Verbrennungsmotors ist.

Es ist weiter bevorzugt, dass der vor der Zumesseinheit abgezweigte Teil des von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoffs vor der Rückführung über einen ersten Rücklauf wenigstens teilweise als dritter Teil über einen Innenraum der Hochdruckpumpe geführt wird.

Diese Ausgestaltung nutzt vorteilhafterweise den rückzuführenden Kraftstoffanteil an der von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoffmenge für eine Kühlung und/oder Schmierung der Hochdruckpumpe.

Es ist weiter bevorzugt, dass der dritte Teil über ein Schaltventil zu dem Innenraum geführt wird.

Diese Ausgestaltung besitzt den besonderen Vorteil dass die Kühlung und/oder Schmierung im Start des Verbrennungsmotors durch das Schaltventil unterbrochen werden kann, so dass auch der sonst für die Kühlung und/oder Schmierung verwendete Anteil an der von der Niederdruckpumpe geförderten Kraftstoffmenge für eine Förderung durch die Hochdruckpumpe zur Verfügung steht. Das Schaltventil kann ein federbelastetes Ventil sein. Alternativ kann es sich um ein Ventil handeln, das von einer Steuereinrichtung betätigt wird. Durch das Schaltventil wird der schnelle Druckaufbau im Common Rail erleichtert, was zu einem schnellen Start des Verbrennungsmotors nach einem Stillstand beiträgt.

Es ist weiter bevorzugt, dass der dritte Teil über eine Begrenzungsdrossel zu dem Innenraum geführt wird.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Kühl- und/oder Schmierstrom durch die Hochdruckpumpe auf einen durch die Dimensionierung der Begrenzungsdrossel vorbestimmten Maximalwert begrenzt wird. Dadurch kann bspw. eine unerwünschte Erwärmung des Kraftstoffes vermieden werden.

Es ist weiter bevorzugt, dass ein weiterer Teil des zweiten Teils als vierter Teil über ein Überströmventil und einen zweiten Rücklauf auf einen Teil des Niederdruckkreislaufs zurückgeführt wird, der auf der Eingangsseite der Niederdruckpumpe liegt.

Durch dieses Abzweigen wird eine Überströmfunktion erzielt. Als Folge wird vorteilhafterweise vermeiden, dass bei hoher Förderleistung der Niederdruckpumpe und gleichzeitig niedrigem Hochdruckkraftstoffbedarf unzulässig oder unerwünscht hohe Drücke vor der Zumesseinheit aufgebaut werden. Die beschriebenen Randbedingungen können beispielsweise bei einer mit dem Verbrennungsmotor drehsynchron gekoppelten Zahnradpumpe bei hohen Motordrehzahlen im Schiebebetrieb auftreten.

Es ist weiter bevorzugt, dass ein weiterer Teil des zweiten Teils als fünfter Teil über eine Entlüftungsdrossel und den ersten Rücklauf auf den auf der Eingangsseite der Niederdruckpumpe liegenden Teil des Niederdruckkreislaufs zurückgeführt wird.

Diese Ausgestaltung ermöglicht ein Entlüften des Niederdruckkreislaufs nach einem Eindringen von Luft, wie es beispielsweise durch ein zu weitgehendes Leerfahren des Kraftstofftanks verursacht werden kann. Im Niederdruckkreislauf verbleibende Luft könnte sonst zu Störungen der Hochdruckförderung führen.

Es ist weiter bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des als dritter Teil über den Innenraum der Hochdruckpumpe geführten Teils als Lagerschmierstrom über wenigstens ein Lager der Hochdruckpumpe in den ersten Rücklauf geleitet wird.

Diese Ausgestaltung erlaubt vorteilhafterweise eine Zwangsschmierung und Spülung des betreffenden Lagers mit einem definierten Schmierstrom.

Es ist weiter bevorzugt, dass ein weiterer Teil des über den Innenraum der Hochdruckpumpe geführten dritten Teils über eine Lager-Bypassdrossel oder ein Lager-Bypassventil in den ersten Rücklauf geleitet wird.

Diese Ausgestaltungen betreffen eine Aufteilung des Schmierstroms auf Lager und Bypass und erlauben, wegen der Wechselwirkung der Lager- und Bypass-Ströme, eine Beeinflussung eines Schmierstroms über das betreffende Lager.

Es ist weiter bevorzugt, dass der dritte Teil in einen sechster. Teil und einen siebten Teil aufgeteilt wird, dass der sechste Teil als Flanschlagerschmierstrom über Flanschlager zu dem Innenraum der Hochdruckpumpe geführt wird, und dass der siebte Teil als Gehäuselagerschmierstrom über Gehäuselager zu dem Innenraum der Hochdruckpumpe geführt wird.

Diese Ausgestaltung liefert weitere konstruktive Freiheitsgrade und erlaubt damit eine lagerindividuelle Einstellung von Schmierströmen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine erste Ausgestaltung eines Niederdruckkreislaufes;
Fig. 2 schematisch eine zweite Ausgestaltung eines Niederdruckkreislaufs;
Fig. 3 ebenfalls schematisch eine dritte Ausgestaltung eines Niederdruckkreislaufs; und
Fig. 4 eine mögliche Realisierung einer dichten Zumesseinheit.
In Fig. 1 bezeichnet die Ziffer 10 einen Niederdruckkreislauf für ein Speichereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors. Der Niederdruckkreislauf 10 weist einen Tank 12, wenigstens einen Filter 14, eine Niederdruckpumpe 16, eine Zumesseinheit 18, eine Hochdruckpumpe 20 und wenigstens einen Rücklauf 22 auf. Kraftstoff aus dem Tank 12 wird von der Niederdruckpumpe 16 über den Filter 14 angesaugt. Die Niederdruckpumpe 16 kann bspw. eine kontinuierlich vom Verbrennungsmotor angetriebene Zahnradpumpe sein. Zur Beschränkung der Förderleistung der Niederdruckpumpe 16 bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors kann der Niederdruckpumpe 16 eine Drossel 24 vorgeschaltet sein. Nach einem Ausgang 26 der Niederdruckpumpe 16 findet in einer Verzweigung 28 eine Aufteilung der von der Niederdruckpumpe 16 geförderten Kraftstoffmenge in einen ersten Teil und einen zweiten Teil statt.
Der erste Teil dieser Kraftstoffmenge wird über die Zumesseinheit 18 zu einem Saugraum 30 der Hochdruckpumpe 20 gefördert. Der Saugraum 30 der Hochdruckpumpe 20 ist durch Differenzdruckventile 32 von Arbeitsräumen 34 der Hochdruckpumpe 20 getrennt. Ein Pumpelement 36 wird jeweils durch einen Kolben 38 zusammen mit einem Arbeitsraum 34 gebildet. Jeder Arbeitsraum 34 ist darüber hinaus mit einem Hochdruckventil 40 verbunden, das eine Zuleitung 42 zu einem nicht dargestellten Kraftstoffspeicher des Speichereinspritzsystems druckgesteuert öffnet und schließt.
Ein Exzenter 44 ist in einem Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 drehbar beweglich und wird bspw. mechanisch durch den Verbrennungsmotor angetrieben. Durch den Exzenter 44 werden wiederum die Kolben 38 der Pumpelemente 36 in radialer Richtung betätigt, so dass die Arbeitsräume 34 der Pumpelemente 36 periodisch verkleinert und vergrößert werden. Der beim Vergrößern der Arbeitsräume 34 sinkende Druck innerhalb der Arbeitsräume 34 öffnet jeweils ein Differenzdruckventil, so dass Kraftstoff aus dem Saugraum 30 in den betreffenden Arbeitsraum 34 strömen kann. Beim Verkleinern eines Arbeitsraums 34 steigt der Druck, was zunächst zu einem Schließen des Differenzdruckventils 32 führt. Anschließend wird der Druck auf den im Arbeitsraum 34 eingeschlossenen Kraftstoff erhöht, bis schließlich das Hochdruckventil 40 den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff über die Zuleitung 42 in den Kraftstoffspeicher abfließen lässt.
Das Anheben des Kraftstoffdruckes vom Niederdruckpumpenniveau (1 bis 5 bar) auf Hochdruckniveau (größer als 1000 bar) verbraucht Energie und belastet die beteiligten Komponenten mechanisch. Aus diesem Grund soll die Hochdruckpumpe 20 nur soviel Kraftstoff fördern, wie für den Verbrennungsmotor in dessen aktuellem Betriebspunkt tatsächlich erforderlich ist. Diese tatsächlich erforderliche Menge ist in einem Steuergerät 48 bekannt. Das Steuergerät 48 wird daher auch dazu verwendet, die Förderung der Hochdruckpumpe 20 bedarfsabhängig saugseitig zu begrenzen. Zu diesem Zweck steuert das Steuergerät 48 die steuerbare Zumesseinheit 18 so an, dass je nach Bedarf des Verbrennungsmotors mehr oder weniger Kraftstoff als erster Teil der von der Niederdruckpumpe 16 geförderten Kraftstoffmenge zur Hochdruckpumpe 20 gelangt.
Der zweite Teil der von der Niederdruckpumpe 16 geförderten Kraftstoffmenge wird in Verzweigungen 49 und 50 weiter aufgeteilt. Hinter den beiden Verzweigungen 49 und 50 strömt ein im weiteren als dritter Teil bezeichneter Kraftstoffstrom über ein federbelastetes Schaltventil 52 und eine vorgeschaltete Drossel 54 zum Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20. Von dort fließt der dritte Teil der von der Niederdruckpumpe 16 geförderten Kraftstoffmenge über Flanschlager 56, Gehäuselager 58, eine Lager-Bypass-Drossel 60 und/oder ein Lager-Bypass-Ventil 62 in einen (ersten) Rücklauf 22, der zum Tank 12 zurückführt. Der über den Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 strömende Kraftstoffteilstrom erfüllt zwei Aufgaben. Zum einen transportiert er überschüssige Wärme aus der Hochdruckpumpe 20 ab und dient daher zur Kühlung der Hochdruckpumpe 20. Darüber hinaus strömt er vom Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 zumindest teilweise über das Flanschlager 56 und das Gehäuselager 58 der Hochdruckpumpe 20, was diese Lager sowohl zwangsweise schmiert als auch ein unerwünschtes Festsetzen von Partikeln in den genannten Lagern verhindert.
Übliche Hochdruckpumpen 20 sind in geteilter Ausführung realisiert, wobei jeweils der fest mit dem Verbrennungsmotor verbundene Teils als Flansch bezeichnet wird und der an dem Flansch befestigte zweite Teil als Gehäuse bezeichnet wird. Der Exzenter 44 ist üblicherweise Teil einer Welle, die vom Verbrennungsmotor angetrieben wird und sowohl im Flansch, als auch im Gehäuse der Hochdruckpumpe 20 gelagert ist. Die Lager-Bypass-Drossel 60 erfüllt in diesem Zusammenhang die Aufgabe, den Schmierstrom durch die Lager in definierter Weise zu begrenzen. Dadurch wird auch verhindert, dass sich im Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 ein unerwünscht hoher Druck einstellt. Diese Funktion kann auch durch ein federbelastetes Lager-Bypass-Ventil 62 übernommen oder unterstützt werden.
Ein vierter Teil des von der Niederdruckpumpe 16geförderten Kraftstoffs kann über ein Überströmventil 64 und einen zweiten Rücklauf 65 auf die Saugseite der Niederdruckpumpe 16 zurückgeführt werden. Das Überströmventil 64 kann bspw. als federbelastetes Differenzdruckventil ausgeführt sein, das beim Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen Ausgang 26 der Niederdruckpumpe 16 und deren Eingang öffnet und einen Teil der von der Niederdruckpumpe 16 geförderten Kraftstoffmenge weder als ersten Teil über die Zumesseinheit 18 noch als dritten Teil über Schaltventil 52 und Drossel 54 zur Hochdruckpumpe 20 gelangen lässt.
Überströmventile sind auch bei bekannten Niederdruckkreisläufen in Form von Kaskadenüberströmventilen verwendet worden. Ein solches Kaskadenüberströmventil ist als bauliche Einheit mit einer Entlüftungsdrossel und einer Schmierdrossel aufgebaut und zwischen dem Ausgang 26 der Niederdruckpumpe 16 und dem Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 angeordnet. Abgesehen von der Entlüftungsdrossel, die nur vergleichsweise kleine Durchflüsse erlaubt, sperrt das bekannte Kaskadenüberströmventil zunächst, d. h. bei niedrigem Förderdruck der Niederdruckpumpe 16, den Durchfluss von Kraftstoff zu Innenraum 46 und Lagern der Hochdruckpumpe 20. Ein ansteigender Förderdruck der Niederdruckpumpe 16 öffnet dann zunächst in einer ersten Stufe der Kaskade des Kaskadenüberströmventils eine Schmierdrossel und in einer zweiten Stufe der Kaskade des Kaskadenüberströmventils eine Verbindung zur Eingangsseite der Niederdruckförderpumpe. Dabei liegt der Öffnungsdruck der zweiten Stufe höher als der Öffnungsdruck der ersten Stufe.
Der hier vorgestellte Niederdruckkreislauf besitzt dagegen den Vorteil, dass die Überströmfunktion (Überströmventil 64) und die Funktion des Freigebens eines Kühl- und Schmierstroms zum Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 durch ein Schaltventil 52 baulich entkoppelt sind. Dadurch ergeben sich größere Freiheiten bei der Anordnung von Ventilen und Drosseln und damit bei der Konstruktion der Hochdruckpumpe 20, die meist mit dem Überströmventil 64 und dem Schaltventil 52 eine bauliche Einheit bildet. Dieser Vorteil wird noch dadurch verstärkt, dass auch die Entlüftungsdrossel 66 beim hier vorgestellten Niederdruckkreislauf baulich von dem Überströmventil 64 und dem Schaltventil 52 entkoppelt sein kann.
Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Ausgestaltung eines Niederdruckkreislaufs 10. Der Niederdruckkreislauf nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Niederdruckkreislauf nach Fig. 1 dadurch, dass die Niederdruckpumpe 16 samt Drossel 24 durch eine Elektrokraftstoffpumpe 68 ersetzt worden ist, die zwischen Filter 14 und Tank 12 angeordnet ist. Eine Elektrokraftstoffpumpe 68 kann, anders als eine vom Verbrennungsmotor angetriebene Zahnradpumpe, unabhängig vom Verbrennungsmotor betrieben werden. Sie kann bspw. bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors elektrisch betrieben werden und Druck aufbauen. Aus diesem Grund ist es bei der Verwendung einer Elektrokraftstoffpumpe 68 möglich, auf ein Schaltventil 52, wie es in Fig. 1 verwendet wird, zu verzichten.
Bei der Ausgestaltung der Fig. 1 hat das Schaltventil 52 die Aufgabe, beim Anlaufen des Verbrennungsmotors und des Niederdruckkreislaufs mit der Niederdruckförderpumpe 16 einen schnellen Druckaufbau in der Leitung, die von der Verzweigung 28 zum Saugraum 30 führt, zu ermöglichen. Dieser schnelle Druckaufbau ist wünschenswert, um möglichst schnell bei einem gewünschten Start des Verbrennungsmotors unter Hochdruck stehenden Kraftstoff für Einspritzungen zur Verfügung stellen zu können. Gegenüber diesem Ziel hat die Schmierung und Kühlung der Hochdruckpumpe 20 kurzzeitig eine geringere Priorität so dass das federbelastete Schaltventil 52 bei niedrigem Druck am Ausgang 26 der Niederdruckpumpe 16 die Verbindung zum Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 sperrt.
Fig. 3 zeigt schematisch eine dritte Ausgestaltung eines Niederdruckkreislaufs. Diese unterscheidet sich von der Ausgestaltung nach Fig. 1 durch eine Aufspaltung des dritten Kraftstoffteilstroms in einen sechsten Kraftstoffteilstrom und einem siebten Kraftstoffteilstrom. Der sechste Kraftstoffteilstrom ist dem Flansch zugeordnet und wird durch eine Flansch-Schmierstrom-Begrenzungsdrossel begrenzt. Anschließend strömt der sechste Teilstrom über Flanschlager 56, den Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20, ein Schaltventil 62 und den Rücklauf 22 zurück zum Tank 12. Parallel dazu strömt der durch eine Gehäuse-Schmierstrom- Begrenzungsdrossel 72 begrenzte Gehäuseschmierstrom über ein Gehäuselager 58, den Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20, das Schaltventil 71 und den Rücklauf 22 zum Tank 12 zurück. Optional kann noch eine weitere Flüssigkeitsführung vorgesehen sein, die dem Innenraum 46 der Hochdruckpumpe 20 parallel zu den Teilströmen über Flanschlager 56 und Gehäuse 58 noch eine Kühlstrom zuführt, der ebenfalls von dem dritten Kraftstoffteilstrom abgezweigt und durch eine Kühldrossel 74 begrenzt wird.
Im Folgenden wird eine mögliche Realisierung einer dichten Zumesseinheit 18 unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Die Zumesseinheit 18 weist ein Ventilgehäuse 76 auf, in dem in einer Zylinderbohrung 78 ein schieberförmiges Ventilglied 80 verschiebbar geführt ist. Das Ventilglied 80 weist in seinem Außenmantel wenigstens eine Ausnehmung 82 auf, die sich in Richtung der Längsachse 84 des Ventilglieds 80 über einen Teil der Längserstreckung und außerdem über einen Teil des Umfangs des Ventilglieds 80 erstreckt. Die Ausnehmung 82 wird nachfolgend noch näher erläutert. Im Ventilgehäuse 76 ist eine in die Zylinderbohrung 78 mündende Ablauföffnung 86 ausgebildet, mit der die Ausnehmung 82 des Ventilglieds 80 zur Steuerung der Größe eines Durchflussquerschnitts zusammenwirkt. Die Ablauföffnung 86 ist mit der Saugseite (Saugraum 30) der Hochdruckpumpe 20 verbunden.
Die Ausnehmung 82 reicht am Ventilglied 80 in Längsrichtung bis zu einer Stirnseite des Ventilglieds 80. An dieser Stirnseite weist das Ventilglied 80 eine Dichtfläche 88 auf, die bspw. zumindest annähernd kegelstumpfförmig verjüngend ausgebildet sein kann. Das Ventilglied 8 verjüngt sich dabei kegelstumpfförmig zu seinem Ende hin. Die Dichtfläche 88 kann alternativ auch bspw. zumindest annähernd kugelsegmentförmig ausgebildet sein. In die der Dichtfläche 88 des Ventilglieds 80 gegenüberliegende Stirnwand 90 der Zylinderbohrung 78 mündet eine Zulauföffnung 92, die mit dem Ausgang 26 der Niederdruckpumpe 16 verbunden ist. Die Zulauföffnung 92 umgebend ist im Ventilgehäuse 76 ein Ventilsitz 94 ausgebildet, mit dem das Ventilglied 80 mit seiner Dichtfläche 88 zum Verschließen der Zulauföffnung 92 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 94 kann ebenfalls zumindest annähernd kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wobei die Kegelwinkel der Dichtfläche 88 und des Ventilsitzes 94 gleich oder unterschiedlich sein können. Der Ventilsitz 94 erweitert sich dabei zum Ventilglied 80 hin. Vorzugsweise ist der Kegelwinkel des Ventilsitzes 94 größer als der Kegelwinkel der Dichtfläche 88, so dass das Ventilglied 80 nur mit der Kante seiner Dichtfläche 88 am Ende des Ventilglieds 80 am Ventilsitz 94 zur Anlage kommt.
Am Ventilglied 80 greift auf der dem Ventilsitz 94abgewandten Seite ein Anker 96 eines Elektromagneten 98 an, durch den bei einer Bestromung des Elektromagneten 98 das Ventilglied 80 zum Ventilsitz 94 hin verschiebbar ist. Auf der dem Anker 96 gegenüberliegenden Seite greift am Ventilglied 80 eine Rückstellfeder 100 an.
Nachfolgend wird die Funktion der Zumesseinheit 18 erläutert. Wenn durch die Hochdruckpumpe 20 kein Kraftstoff gefördert werden soll, wird der Elektromagnet 98 durch das Steuergerät 48 mit einer hohen Stromstärke bestromt, so dass das Ventilglied 80 gegen die Kraft der Rückstellfeder 100 mit seiner Dichtfläche 88 an den Ventilsitz 94 gedrückt wird. In dieser Schließstellung wird durch das Ventilglied 80 die Zulauföffnung 92 vollständig geschlossen, auch wenn durch die Niederdruckpumpe 16 Druck erzeugt wird. In dieser Schließstellung befindet sich die Ausnehmung 82 des Ventilglieds 80 nicht in Überdeckung mit der Ablauföffnung 86 sondern das Ventilglied 80 befindet sich mit seinem vollen zylinderförmigen Querschnitt in Überdeckung mit der Ablauföffnung 86. Das Ende der Ausnehmung 82 ist außerdem in Richtung der Längsachse 84 des Ventilglieds 80 mit einem Abstand h vom Rand der Ablauföffnung 86 angeordnet.
Erst wenn der Leerhub h des Ventilglieds 80 durchfahren ist, kommt dessen Ausnehmung 82 in Überdeckung mit der Ablauföffnung 86 und gibt einen Durchflussquerschnitt frei. Durch diese Ausbildung wird eine Trennung zwischen der Funktion des vollständigen Verschließens der Zulauföffnung 92 durch das Ventilglied 80 und der Funktion der Steuerung des Durchflussquerschnitts durch das Ventilglied 80 erreicht.
Durch Ansteuerung des Elektromagneten 98 durch das Steuergerät 48 mit unterschiedlichen Stromstärken können unterschiedliche Durchflussquerschnitte durch das Ventilglied 80 gesteuert werden, um entsprechend unterschiedliche erste Kraftstoffmengen für die Hochdruckpumpe 20 bereitzustellen.
Eine Ansteuerung des Elektromagneten 98 durch das Steuergerät 48 mit unterschiedlichen Stromstärken kann bspw. erreicht werden, indem der Elektromagnet 98 getaktet pulsweitenmoduliert angesteuert wird, wobei die Stromstärke und damit die Größe des freigegebenen Durchflussquerschnitts abhängig ist von der Pulsweite. Wenn sich das Ventilglied 80 gemäß Fig. 4 in seiner Schließstellung befindet, so ist die Saugseite (Saugraum 30) der Hochdruckpumpe 20 vollständig von der Niederdruckpumpe 16 getrennt, so dass auf der Saugseite der Hochdruckpumpe 20 nur ein geringer Druck herrscht. Die Differenzdruckventile 32 der Arbeitsräume 34 der Hochdruckpumpe 20 brauchen daher nur gegenüber einem geringen Druck abzudichten, so dass diese bereits bei einem geringen Druck öffnen können. Dadurch werden die konstruktiven Anforderungen an die Niederdruckpumpe 16 verringert. Außerdem wird der Erst- und Wiederstart des Verbrennungsmotors verbessert und der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe 20 wird verbessert, da die Drosselverluste an den Differenzdruckventilen 32 gering sind.
Die Ausgestaltung nach Fig. 4 soll den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung nicht beschränken. Es sind, wenn ein Wegfall der Nullförderdrossel gewünscht wird, andere Ausgestaltungen dichter Zumesseinheiten denkbar, beispielsweise auch solche, die sich durch eine veränderte Ansteuerung bekannter Zumesseinheiten, beispielsweise durch höherfrequente Tastverhältnisse, auszeichnen.

Claims

1. Niederdruckkreislauf (10) für ein Speichereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einer Hochdruckpumpe (20), die wenigstens ein Pumpelement (36) aufweist, das über ein Differenzdruckventil (32) aus einem Saugraum (30) der Hochdruckpumpe (20) mit einem ersten Teil einer Kraftstoffmenge versorgt wird, die von einer Niederdruckpumpe (16) gefördert wird,
wobei eine steuerbare Zumesseinheit (18) in einem Kraftstoffpfad zwischen dem Differenzdruckventil (32) und der Niederdruckpumpe (16) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der an den Saugraum (30) gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge durch die Zumesseinheit (18) soweit verringerbar ist, dass der an den Saugraum (30) gelieferte erste Teil der Kraftstoffmenge nicht zur Erzeugung eines Druckes ausreicht, der das Differenzdruckventil (32) öffnet, und
wobei ein Abfließen von Kraftstoff aus dem Saugraum (30) nur über wenigstens ein Pumpelement (36) erfolgt.

2. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzdruckventil (32) bei einem Differenzdruck öffnet, der kleiner als 0,9 bar ist.

3. Niederdruckkreislauf (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil der von der Niederdruckförderpumpe (16) geförderten Kraftstoffmenge vor der Zumesseinheit (18) abgezweigt und wenigstens teilweise über wenigstens einen Rücklauf (22) auf einen Teil des Niederdruckkreislaufs (10) zurückgeführt wird, der auf einer Eingangsseite der Niederdruckpumpe (16) liegt.

4. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vor der Zumesseinheit (18) abgezweigte zweite Teil der von der Niederdruckpumpe (16) geförderten Kraftstoffmenge vor der Rückführung über einen ersten Rücklauf (22) wenigstens teilweise als dritter Teil über einen Innenraum (46) der Hochdruckpumpe (20) geführt wird.

5. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil über ein Schaltventil (52) zu dem Innenraum (46) geführt wird.

6. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil über eine Begrenzungsdrossel (54) zu dem Innenraum (46) geführt wird.

7. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil des zweiten Teils als vierter Teil über ein Überströmventil (64)und einen zweiten Rücklauf (65) auf einen Teil des Niederdruckkreislaufs (10) zurückgeführt wird, der auf einer Eingangsseite der Niederdruckpumpe (16) liegt.

8. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil des zweiten Teils als fünfter Teil über eine Entlüftungsdrossel (66) und den ersten Rücklauf (22) auf den auf der Eingangsseite der Niederdruckpumpe (16) liegenden Teil des Niederdruckkreislaufs (10) zurückgeführt wird.

9. Niederdruckkreislauf (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des als dritter Teil über den Innenraum (46) der Hochdruckpumpe (20) geführten Teils als Lagerschmierstrom über wenigstens ein Lager (56, 58) der Hochdruckpumpe (20) in den ersten Rücklauf (22) geleitet wird.

10. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil des über den Innenraum (46) der Hochdruckpumpe (20) geführten dritten Teils über eine Lager-Bypassdrossel (60) oder ein Lager- Bypassventil (62) in den ersten Rücklauf (22) geleitet wird.

11. Niederdruckkreislauf (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil in einen sechsten Teil und einen siebten Teil aufgeteilt wird, dass der sechste Teil als Flanschlagerschmierstrom über Flanschlager (56) zu dem Innenraum (46) der Hochdruckpumpe (20) geführt wird, und dass der siebte Teil als Gehäuselagerschmierstrom über Gehäuselager (58) zu dem Innenraum (46) der Hochdruckpumpe (20) geführt wird.