DE19756087A1

DE19756087A1 - Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19756087A1
Application number: DE19756087A
Authority: DE
Inventors: Josef Guentert; Juergen Dr Hammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1999-06-24
Also published as: EP0960275B1; EP0960275A1; DE59811797D1; JP2001511869A; WO1999031383A1; US6186120B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail- Einspritzsystem, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen Niederdruckteil, der einen Kraftstofftank und eine Vorförderpumpe enthält, und eine Hochdruckteil umfaßt, der die Hochdruckpumpe und eine gemeinsame Verteilerleiste enthält, in die von der Hochdruckpumpe durch einen gemeinsamen Kanal ein Kraftstoffstrom gefördert wird.

Bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen der vorab geschilderten Art wird normalerweise unabhängig vom Bedarf ein konstanter Kraftstoffstrom durch die Vorförderpumpe in einzelne Elemente der Hochdruckpumpe gefördert. Die einzelnen Elemente der Hochdruckpumpe können beispielsweise mehrere Zylinder sein, in denen jeweils ein Kolben hin- und herbewegbar ist, um den Kraftstoff anzusaugen und mit Hochdruck zu beaufschlagen. Wenn unabhängig vom Bedarf ein konstanter drehzahlabhängiger Kraftstoffstrom von der Hochdruckpumpe in die gemeinsame Verteilerleiste gefördert wird, bedeutet das, daß die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe auch bei sinkendem Bedarf konstant ist. Das wirkt sich ungünstig auf den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus. Des weiteren muß die überschüssige, auf Hochdruck verdichtete Kraftstoffmenge wieder aus der Hochdruckpumpe abgesteuert werden, was zu Temperaturerhöhungen des Kraftstoffs führt.

Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine ist vorgeschlagen worden, eine geregelte, elektrische Niederdruckförderpumpe zu verwenden, um den Kraftstoffstrom zu den einzelnen Elementen der Hochdruckpumpe zu steuern. Diese Lösung hat unter anderem jedoch den Nachteil, daß es beim Ansaughub der Hochdruckpumpe zu Beschädigungen infolge von Kavitation kommen kann.

Außerdem ist in dem Europäischen Patent 0 481 964 vorgeschlagen worden, die Befüllung der einzelnen Elemente der Hochdruckpumpe jeweils durch ein Magnetventil zu steuern. Diese Lösung ist jedoch sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden, da für jedes Element der Hochdruckpumpe ein Magnetventil benötigt wird.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Hochdruckpumpe bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Nachteile überwindet. Insbesondere sollen Beschädigungen der einzelenen Elemente der Hochdruckpumpe im Betrieb vermieden werden. Darüber hinaus soll eine einfach aufgebaute Hochdruckpumpe geschaffen werden, die hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt und trotzdem kostengünstig hergestellt werden kann.

Das Problem wird durch die in dem unabhängigen Patentanspruch offenbarte Hochdruckpumpe gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Das Problem ist bei einer Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail- Einspritzsystem, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen Niederdruckteil, der einen Kraftstofftank und eine Vorförderpumpe enthält, und eine Hochdruckteil umfaßt, der die Hochdruckpumpe und eine gemeinsame Verteilerleiste enthält, in die von der Hochdruckpumpe durch einen gemeinsamen Kanal ein Kraftstoffstrom gefördert wird, dadurch gelöst, daß eine Bedarfsmengensteuerung für den von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstrom integriert ist. Die in die Hochdruckpumpe integrierte Bedarfsmengensteuerung trägt zur Verbesserung des Motorgesamtwirkungsgrads bei, weil die Leistungsaufnahme der Hochdruckpumpe dadurch sinkt. Die Bedarfsmengensteuerung des von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstroms liefert den Vorteil, daß eine Teilbefüllung der einzelnen Elemente der Hochdruckpumpe vermieden wird. Dadurch wird die Kavitationsgefahr verringert.

Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Bedarfsmengensteuerung ein Wegeventil umfaßt, das den von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstrom, je nach Bedarf, entweder zu der gemeinsamen Verteilerleiste oder zu dem Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems liefert. Damit ist es möglich, durch eine geeignete Regelstrategie des Drucks auf einen erwünschten Sollwert zu regeln. Die Hochdruckpumpe dient dabei als Steller im Druckregelkreis. Die Bedarfsmengensteuerung des von der Hochdruckpumpe geförderten Kraftstoffstroms erfolgt vorteilhaft mit nur einem Wegeventil. Dadurch werden Kosten bei der Herstellung der Hochdruckpumpe eingespart. Zudem wird der Bauraum der Hochdruckpumpe in vorteilhafter Weise begrenzt.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil ein 3/2- Wegeventil ist, das in dem gemeinsamen Kanal angebracht ist und den gemeinsamen Kanal in einer ersten Ventilstellung mit der gemeinsamen Verteilerleiste und in einer zweiten Ventilstellung mit dem Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems verbindet. In der zweiten Ventilstellung gelangt der Kraftstoffstrom wieder drucklos in den Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems, ohne mit Hochdruck beaufschlagt zu werden. Der Kraftstoffstrom kann entweder in den Kraftstofftank oder in die Verbindungsleitung zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe zurückgeführt werden. Dadurch, daß der gesamte Kraftstoffstrom durch die Hochdruckpumpe gefördert wird, kann eine Aufteilung in einen Förderstrom und einen Schmierstrom im Niederdruckteil entfallen.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wegeventil und der gemeinsamen Verteilerleiste ein Rückschlagventil angeordnet ist. In der ersten Ventilstellung ist der gemeinsame Kanal mit der gemeinsamen Verteilerleiste verbunden. Durch das zwischen dem Wegeventil und der gemeinsamen Verteilerleiste angeordnete Rückschlagventil wird erreicht, daß der Kraftstoff durch die einzelnen Elemente der Hochdruckpumpe solange verdichtet wird, bis ein gewünschter Druck erreicht ist. Wenn der gewünschte Druck erreicht ist, öffnet das Rückschlagventil und der Kraftstoff strömt in die gemeinsame Verteilerleiste. Der Kraftstoff wird also nur dann in der Hochdruckpumpe mit Hochdruck beaufschlagt, wenn sich das Wegeventil in der ersten Ventilstellung befindet.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil magnetisch betätigbar ist. Durch die magnetische Betätigung des Wegeventils können kurze Schaltzeiten realisiert werden. Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe eine Radialkolbenpumpe ist, die eine in einem Pumpengehäuse gelagerte Antriebswelle, die exzentrisch ausgebildet ist oder in Umfangsrichtung nockenartige Erhebungen aufweist, und vorzugsweise mehrere bezüglich der Antriebswelle radial in einem jeweiligen Zylinderraum angeordnete Kolben umfaßt, die durch Drehen der Antriebswelle in dem jeweiligen Zylinderraum in radialer Richtung hin und her bewegbar sind. Derartige Radialkolbenpumpen sind insbesondere für Common-Rail-Einspritzsysteme geeignet. Beim Hin- und Herbewegen der Kolben wird zuerst Kaltstoff angesaugt und dann verdichtet.

Die vorliegende Erfindung hat allgemein den Vorteil, daß sie einfach und kostengünstig realisiert werden kann. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung kann zudem in einfacher Art und Weise auf herkömmliche Hochdruckpumpen angewendet werden, weil bekannte Komponenten aus herkömmlichen Hochdruckpumpen verwendet werden können. Dadurch wird der Entwicklungsaufwand und das Kostenrisiko gering gehalten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ein Weg zum Ausführen der beanspruchten Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Hochdruckpumpe und einem Wegeventil in einer ersten Ventilstellung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Kraftstoffeinspritzsystems aus Fig. 1 mit dem Wegeventil in einer zweiten Ventilstellung; und

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe, die insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Eine Vorförderpumpe 2 liefert aus einem Tank 3 Kraftstoff 4 durch eine Kraftstoffleitung 5 zu der Hochdruckpumpe 1. Die Hochdruckpumpe 1 umfaßt drei Elemente 6, 7, 8. Die Elemente 6, 7, 8 werden jeweils von einem Zylinder gebildet, in dem sich ein Kolben hin- und herbewegen kann. Wenn sich die in Fig. 1 dargestellten Kolben nach unten bewegen, wird Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 5 angesaugt. Wenn sich die Kolben nach oben bewegen, wird der in den Zylindern enthaltene Kraftstoff komprimiert und in einen gemeinsamen Kanal 10 gefördert.

In den gemeinsamen Kanal 10 ist ein magnetgesteuertes 3/2- Wegeventil 12 eingebaut. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung des Wegeventils 12, gelangt der Kraftstoff aus dem gemeinsamen Kanal 10 über einen Rücklauf 15 wieder in die Kraftstoffleitung 5.

In Fig. 2 ist das gleiche Kraftstoffeinspritzsystem wie in Fig. 1 gezeigt. Der einzige Unterschied besteht darin, daß sich das Ventil in einer anderen Stellung befindet. In der in Fig. 2 gezeigten Stellung des Wegeventils 12 gelangt der Kraftstoff aus dem gemeinsamen Kanal 10 in einen Kanal 11, in dem ein Rückschlagventil 13 angebracht ist. Im Betrieb der Hochdruckpumpe 1 wird solange Kraftstoff aus den Elementen 6, 7, 8 in den Kanal 11 gefördert, bis der Druck so groß ist, daß das Rückschlagventil 13 öffnet. Dann gelangt der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff über eine Leitung 14 in eine nicht dargestellte gemeinsame Verteilerleiste.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Hochdruckpumpe handelt es sich um eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen. Die Radialkolbenpumpe umfaßt eine in einem Pumpengehäuse 20 gelagerte Antriebswelle 21 mit einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt 22. Auf dem exzentrischen Wellenabschnitt 22 ist ein Ring 23 vorgesehen, gegenüber dem der Wellenabschnitt 22 drehbar ist. Der Ring 23 umfaßt mehrere zueinander versetzte Abflachungen gegen die sich jeweils ein Kolben 24 abstützt. Die Kolben 24 sind jeweils in einem Zylinderraum 25 zur Antriebswelle 21 in radialer Richtung hin- und herbewegbar aufgenommen. Der Fuß des Kolbens 24 ist als Platte 26 ausgebildet, die an dem Ring 23 anliegt. Die Platte 26 ist jeweils durch einen Käfig 27 an dem Kolben 24 befestigt und wird durch eine Feder 28 gegen den Ring 23 gedrückt.

Wenn die Antriebswelle 21 in Drehung versetzt wird, bewirkt die Exzentrizität des Wellenabschnitts 22, daß die Kolben 24 in den Zylinderräumen 25 hin- und herbewegt werden. Wenn sich der Kolben 24 zu der Antriebswelle 21 hin bewegt, wird Kraftstoff aus einer Kraftstoffleitung 5 in den Zylinderraum 25 angesaugt. Wenn sich der Kolben 24 von der Antriebswelle 21 wegbewegt, wird der in dem Zylinderraum 25 befindliche Kraftstoff über Kanäle 30, 31, 32 in einen gemeinsamen Kanal 10 gefördert. In den gemeinsamen Kanal 10 wird der Kraftstoff aus sämtlichen Zylinderräumen gefördert. In der in Fig. 3 dargestellten Schnittansicht ist nur ein Zylinderraum 25 zu sehen, aber in der Regel sind mehrere Zylinderräume 25 radial zu der Antriebswelle 21 angeordnet.

Während des Förderhubs sorgt ein Rückschlagventil 35 dafür, daß der Kraftstoff nicht aus dem Zylinderraum 25 in die Kraftstoffleitung 5 gefördert wird. Dementsprechend sorgt ein Rückschlagventil 36 während des Saughubs dafür, daß der Kraftstoff nicht aus dem gemeinsamen Kanal 10 in den Zylinderraum 25 angesaugt wird.

In dem gemeinsamen Kanal 10 ist ein 3/2-Wegeventil 12 angebracht. Das Wegeventil 12 hat einen zylinderförmigen Körper 41 mit einem trompetenförmigen Verschlußelement 44. In dem zylinderförmigen Körper 41 sind Öffnungen 42, 43 vorgesehen. In der in Fig. 3 gezeigten Stellung des Wegeventils 12 kann der Kraftstoff aus dem gemeinsamen Kanal 10 durch die Öffnungen 42, 43 in dem Ventilkörper 41 in einen Kanal 11 gelangen. In dem Kanal 11 ist ein Rückschlagventil 13 angebracht.

Wenn der Druck in dem Kanal 11 den sogenannten Raildruck erreicht, öffnet das Rückschlagventil 13 und der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff gelangt durch einen Kanal 50 über eine Hochdruckleitung zu einer gemeinsamen Verteilerleiste, die als common rail bezeichnet wird und in Fig. 3 nicht dargestellt ist. In der in Fig. 3 gezeigten Stellung des 3/2-Wegeventils 12 wird also mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in die gemeinsame Verteilerleiste gefördert. Wenn kein Kraftstoff mehr benötigt wird, schaltet das 3/2-Wegeventil in seine zweite Stellung um. In der nicht dargestellten zweiten Stellung des 3/2- Wegeventils ist der zylinderförmige Ventilkörper 41 so nach oben verschoben, daß er den Kanal 11 verschließt.

Gleichzeitig hebt das trompetenförmige Verschlußelement 44 von seinem Sitz ab, so daß der Kraftstoff aus dem Kanal 10 in einen Raum 51 gelanngt, der mit einem nicht dargestellten Rücklauf verbunden ist. In der zweiten Ventilstellung wird der nicht benötigte Kraftstoff also nicht mit Hochdruck beaufschlagt.

Claims

1. Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen Niederdruckteil, der einen Kraftstofftank (3) und eine Vorförderpumpe (2) enthält, und eine Hochdruckteil umfaßt, der die Hochdruckpumpe (1) und eine gemeinsame Verteilerleiste enthält, in die von der Hochdruckpumpe (1) durch einen gemeinsamen Kanal (10) ein Kraftstoffstrom gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bedarfsmengensteuerung (12) für den von der Hochdruckpumpe (1) geförderten Kraftstoffstrom integriert ist.

2. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedarfsmengensteuerung ein Wegeventil (12) umfaßt, das den von der Hochdruckpumpe (1) geförderten Kraftstoffstrom, je nach Bedarf, entweder zu der gemeinsamen Verteilerleiste oder zu dem Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems liefert.

3. Hochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil ein 3/2-Wegeventil (12) ist, das in dem gemeinsamen Kanal (10) angebracht ist und den gemeinsamen Kanal (10) in einer ersten Ventilstellung mit der gemeinsamen Verteilerleiste und in einer zweiten Ventilstellung mit dem Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems verbindet.

4. Hochdruckpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wegeventil (12) und der gemeinsamen Verteilerleiste ein Rückschlagventil (13) angeordnet ist.

5. Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil (12) magnetisch betätigbar ist.

6. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe eine Radialkolbenpumpe ist, die eine in einem Pumpengehäuse (20) gelagerte Antriebswelle (21), die exzentrisch ausgebildet ist oder in Umfangsrichtung nockenartige Erhebungen aufweist, und vorzugsweise mehrere bezüglich der Antriebswelle (21) radial in einem jeweiligen Zylinderraum (25) angeordnete Kolben (24) umfaßt, die durch Drehen der Antriebswelle (21) in dem jeweiligen Zylinderraum (25) in radialer Richtung hin und her bewegbar sind.