DE19949514C2 - Vorrichtung zum schnellen Druckaufbau in einer durch eine Förderpumpe mit einem Druckmedium versorgten Einrichtung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum schnellen Druckaufbau in einer durch eine Förderpumpe mit einem Druckmedium versorgten Einrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem durch eine Hochdruckförderpumpe mit Kraftstoff versorgten Speichereinspritzsystem (Common Rail), gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei modernen Brennkraftmaschinen werden in steigendem Maße Hochdruck-Einspritzsysteme verwendet, bei welchen Kraftstoff in einem Speichervolumen unter hohem Druck bevorratet wird, um ihn auf Einspritzventile zu verteilen, z. B. Speichereinspritzsysteme (Common Rail) bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen und Direkteinspritzsysteme bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Bei solchen Hochdruck- Einspritzsystemen ergibt sich das Problem, daß bereits während des Starts der Brennkraftmaschine ein hinreichend großer Druck im Einspritzsystem aufgebaut sein muß. In der Regel werden die zur Versorgung der Hochdruck- Einspritzsysteme mit Kraftstoff verwendeten Kraftstoff- Hochdruckförderpumpen von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, so daß der Druckaufbau bei Starterdrehzahl zu langsam erfolgt, wodurch sich die Startzeit verlängert. Deshalb werden neben den Kraftstoff- Hochdruckförderpumpen Vorförderpumpen verwendet, um für den Start ein ausreichendes Druckniveau zur Verfügung zu stellen. Damit einher geht allerdings eine Erhöhung der Schadstoffe im Abgas.

Darüber hinaus arbeiten auch elektro-hydraulische Ventilsteuervorrichtungen für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen mit hohem Druck, bei welchen mit einer Hydraulikpumpe Hydrauliköl auf ein Druckniveau von beispielsweise 100 bar gebracht wird, um Gaswechselventilsteller hydraulisch zu betätigen. Auch hier ergibt sich das Problem, daß der hohe Druck bereits beim Start der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen muß.

Aus der EP 0 455 761 B1 ist eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung zum Steuern der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem stromaufwärts eines Magnetventils angeordneten Steuerdruckspeicher, welcher einen Kolben beinhaltet, der einen gegen die Kraft eines gegen ihn vorgespannten Federelements vergrößerbaren Druckraum begrenzt. Der Druckraum des Steuerdruckspeichers ist an eine Förderpumpe der Ventilsteuervorrichtung angeschlossen und über das Magnetventil mit deren Steuerleitungen verbindbar. Während sich das Magnetventil in Schließstellung befindet wird der Kolben aufgrund des durch die Förderpumpe im Druckraum aufgebauten Drucks gegen die Wirkung des Federelements in eine den Druckraum vergrößernde Stellung gedrängt. Bei geöffnetem Magnetventil sinkt der Druck im Druckraum, weil eine Teilmenge des Hydrauliköls in die Steuerleitungen strömt. Wegen des sinkenden Gegendrucks kann der Kolben den Druckraum aufgrund seiner Federvorspannung verkleinern, so daß ein Druckstoß entsteht, durch welchen eine zusätzliche Präzisierung und Aufrechterhaltung des Steuerdrucks in den Steuerleitungen erzielbar ist.

Um über diesen ursprünglich vorgesehenen Zweck hinaus nach Außer-Betriebnahme der Brennkraftmaschine Hochdruck für einen anschließenden Neustart bevorraten zu können, müßte demnach das Magnetventil während der gesamten Stillstandzeit der Brennkraftmaschine geschlossen bleiben, um den Druckraum ständig unter Hochdruck und den Kolben unter Vorspannung zu halten. Eine solche Vorgehensweise brächte allerdings das Problem mit sich, daß bereits geringste Leckagen dazu führen würden, daß sich der Hochdruck im Druckraum mit der Zeit abbaut und für den Neustart deshalb nicht genügend Druck zur Verfügung stünde. Außerdem sprechen Sicherheitsbedenken gegen eine Bevorratung von Hochdruck in einem Druckspeicher eines Kraftfahrzeugs, da es bei nicht sachgerechten Arbeiten am Druckspeicher zu Unfällen kommen kann.

Durch die DE 198 48 991 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt mit einem Kraftstofftank, mit einer sich aus dem Kraftstofftank versorgenden Kraftstoffpumpe und mit wenigstens einer Kraftstoffeinspritzdüse und mit einer mechanischen Hilfsanlaßpumpe, die von der Kraftstoffpumpe unabhängig ist, zu dem Zweck, daß Kraftstoff im Voraus vor dem Anlassen eines mit dieser Kraftstoffeinspritzvorrichtung ausgerüsteten Motors einspritzbar ist. Die mechanische Hilfsanlaßpumpe weist einen Zylinder und einen Kolben auf und wird vom Fahrer angetrieben, beispielsweise durch Aufwenden von Kraft beim Öffnen einer Fahrertür oder durch Treten eines Bremspedals oder durch sich Setzen des Fahrers auf einen Fahrersitz.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der zur Erzeugung eines schnellen Druckanstiegs verwendete Kolben allein durch die erfindungsgemäße Verriegelungsvorrichtung in seiner energiespeichernden, gegen das Federelement vorgespannten Stellung haltbar ist. Somit können Undichtigkeiten im Leitungssystem, welche einen Druckverlust im Druckraum bewirken, nicht auch zu einem Verlust der durch den Kolben gespeicherten Energie führen. Da der Druckraum bei stillstehender Brennkraftmaschine wegen der dann nicht betriebenen Förderpumpe ohnehin nahezu drucklos ist, besteht bei Arbeiten am Kraftfahrzeug keine Gefahr, daß sich im Druckraum gespeicherter Hochdruck selbständig entlädt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.

Eine besonders zu bevorzugende Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Kolben innerhalb eines geschlossenen Zylinders längsverschieblich geführt ist, wobei der Druckraum zwischen dem Kolben und einem mit einem Druckanschluß versehenen Boden des Zylinders gebildet ist, über welchen der Druckraum an eine die Förderpumpe mit der Einrichtung verbindenden Druckleitung angeschlossen ist.

Zweckmäßig umfaßt die Verriegelungseinrichtung zwei in sich diametral gegenüberliegenden Aufnahmebohrungen in der Zylinderwandung aufgenommene, in Ausgangsstellung in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens in den Zylinder hineinragende und in diese Richtung vorzugsweise durch Schraubenfedern vorgespannte Verriegelungsbolzen, die durch die Bewegung des Kolbens in Richtung auf seine Verriegelungsstellung zu in ihre Aufnahmebohrungen zurückdrängbar sind und die, nachdem der Kolben sie passiert und seine Verriegelungsstellung erreicht hat, aus ihren Aufnahmebohrungen austretend mindestens den Rand des Kolbens formschlüssig hintergreifen.

Durch die genannten Maßnahmen wird eine automatische Verriegelung des Kolbens erzielt, indem der im System vorhandene Druck dafür sorgt, daß sich der Kolben an den Verriegelungsbolzen vorbeibewegt und sie in ihre Aufnahmebohrungen zurückschiebt. Wenn der Kolben dann seine Verriegelungsstellung erreicht hat, fahren die federvorgespannten Verriegelungsbolzen selbsttätig aus den Aufnahmebohrungen aus und verriegeln den Kolben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in stark schematisierter Form eine Vorrichtung zum schnellen Druckaufbau in einem durch eine Hochdruckförderpumpe mit Kraftstoff versorgten Speichereinspritzsystem (Common Rail) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Im Ausführungsbeispiel nach der Figur dient die mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum schnellen Druckaufbau in einem durch eine Hochdruckförderpumpe 2 mit Kraftstoff versorgten Speichereinspritzsystem 4 (Common Rail) einer selbstzündenden Brennkraftmaschine 6 eines Kraftfahrzeugs.

Die Vorrichtung 1 ist über einen Druckanschluß 8 an eine Druckleitung 10 angeschlossen, welche die Hochdruckförderpumpe 2 mit einer diesbezüglich stromabwärtigen Verteilerleiste 12 des Speichereinspritzsystems 4 verbindet. Die Hochdruckförderpumpe 2 entnimmt hierzu Kraftstoff aus einem in der Figur stark schematisiert dargestellten Kraftstofftank 14 und versorgt die Verteilerleiste 12 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, welcher dann in bekannter Weise auf einzelne Einspritzventile 16 verteilt wird. Das Speichereinspritzsystem 4 ist im Bereich eines Zylinderkopfes 18 der Brennkraftmaschine 6 angeordnet, welcher auf einen Zylinderblock 20 aufgesetzt ist. Im Einzelnen weist die Vorrichtung 1 einen im Boden 22 eines Gehäuses 24 ausgebildeten Rohrstummel 26 auf, der in eine gestufte Aufnahmebohrung 28 am Zylinderkopf 18 eingesteckt ist. Ein sich innerhalb des Rohrstummels 26 und der Aufnahmebohrung 28 erstreckender Verbindungskanal 30 zwischen der Vorrichtung 1 und der Druckleitung 10 ist durch einen in einem radial äußeren Ringkanal 32 des Rohrstummels 26 aufgenommenen Dichtring 34 gegenüber der Atmosphäre abgedichtet. Das Gehäuse ist vorzugsweise als länglicher Zylinder 24 ausgebildet, in welchem ein topfförmiger, aus einer hohlzylindrischen Kolbenwand 36 und einem endseitigen Kolbenboden 38 bestehender Kolben 40 längsverschieblich geführt ist. Zwischen dem Boden 22 des Zylinders 24 und der diesem zugewandten Fläche 42 des Kolbenbodens 38 wird ein Druckraum 44 definiert, der über den Verbindungskanal 30 ständig mit der Druckleitung 10 in Verbindung steht. Die vom Druckraum 44 weg weisende Fläche 46 des Kolbenbodens 38 ist durch eine an einer Kopfplatte 48 des Zylinders 24 abgestützte, teilweise innerhalb der Kolbenwand 36 aufgenommene Schraubenfeder 50 belastet, die den Kolben 40 in den Druckraum 44 verkleinernde Stellungen vorspannt.

Da der Druckraum 44 ständig mit der Druckleitung 10 verbunden ist, in welcher beim Betrieb der Brennkraftmaschine 6 unter Förderdruck stehender Kraftstoff zur Verteilerleiste 12 befördert wird, herrscht auch im Druckraum 44 ein entsprechend hoher Druck, wodurch der Kolben 40 gegen die Wirkung der Schraubenfeder 50 in den Druckraum 44 vergrößernde Positionen gedrängt wird. Um den Kolben 40 in einer in der Figur durch durchgezogene Linien dargestellte Verriegelungsposition zu verriegeln, in welcher der Druckraum 44 eine maximale, beispielsweise durch den Anschlag des Kolbens 40 an der Kopfplatte 48 des Zylinders 24 begrenzte Größe aufweist, sind in der Zylinderwandung 52 beispielsweise einander diametral gegenüberliegende Aufnahmebohrungen 54 ausgebildet, in welchen quer zur Zylinder-Längsachse und quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 40 verschiebliche Verriegelungsbolzen 56 geführt sind. Jeder Verriegelungsbolzen 56 ist zusätzlich in einer mit der zugeordneten Aufnahmebohrung 54 des Zylinders 24 fluchtenden Durchgangsbohrung 58 am Boden eines auf den Zylinder radial aufgesetzten Gehäuses 60 geführt.

Die Verriegelungsbolzen 56 sind kopfseitig durch je eine sich an einer Kopfplatte 62 des Gehäuses 60 abstützenden Schraubenfeder 64 nach radial innen vorgespannt und ragen deshalb im Ausgangszustand in das Innere des Zylinders 24 hinein. Hierbei sorgt ein Absatz 66, dessen Durchmesser größer ist als der der Aufnahmebohrung 54, für einen Anschlag der Verriegelungsbolzen 56 am Rand der zugeordneten Aufnahmebohrung 54. Der Abstand der Verriegelungsbolzen 56 von der Kopfplatte 48 des Zylinders 24 entspricht im wesentlichen der Länge des Kolbens 40.

Wie bereits beschrieben, wird durch den Start der Brennkraftmaschine 6 die Hochdruckförderpumpe 2 angetrieben und in der Druckleitung 10 ein entsprechend hoher Kraftstoffdruck erzeugt, welcher im Druckraum 44 und insbesondere an der dem Druckraum 44 zugewandten Fläche 42 des Kolbenbodens 38 ansteht. Hierdurch bewegt sich der Kolben 40 von einer in der Figur strichpunktiert angedeuteten Ausgangsstellung im Bereich des Zylinderbodens 22, in welcher der Druckraum 44 verschwindend klein ist, gegen die vorspannende Wirkung der Schraubenfeder 50 auf die in das Innere des Zylinders 24 ragenden Verriegelungsbolzen 56 zu und drängt diese in ihre Aufnahmebohrungen 54 zurück bis die fußseitigen Enden 68 der Verriegelungsbolzen 56 mit der Innenfläche 70 der Zylinderwandung 52 bündig sind. Um dies zu erleichtern, sind die fußseitigen Enden 68 der Verriegelungsbolzen 56 entsprechend geformt und vorzugsweise nach radial innen hin keilförmig verjüngt, wobei die schräge Keilfläche 72 zur Ausgangsstellung des Kolbens 40 gewandt ist. Die Federrate der den Kolben 40 vorspannenden Schraubenfeder 50 ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß deren Kraft auf den Kolbenboden 38 geringer ist als die hiergegen gerichtete, aus dem Betriebsdruck der Hochdruckförderpumpe 2 resultierende Druckkraft. Leider läßt es sich nicht vermeiden, daß zwischen der Zylinderwandung 52 und der Kolbenwand 36 Kraftstoff oder Hydrauliköl in geringen Mengen passiert. Um ein Fluten des Raumes zwischen dem Kolbenboden 38 und der Kopfplatte 48 mit Flüssigkeit zu vermeiden, ist ein Abfluß 90 mit einer Rückleitung 91 vorzusehen.

Nachdem der Kolben 40 die Verriegelungsbolzen 56 passiert hat und vorzugsweise das vom Druckraum 44 weg weisende Ende der Kolbenwand 36 an der Kopfplatte 48 des Zylinders angeschlagen hat, werden die Verriegelungsbolzen 56 durch die Wirkung der sie vorspannenden Schraubenfedern 64 wieder aus den Aufnahmebohrungen 54 herausgedrückt, bis sie mit ihren Absätzen 66 an den Rändern der Aufnahmebohrungen 54 aufsitzen. Dann ist vorzugsweise der äußere Rand der dem Druckraum 44 zugewandten Fläche 42 des Kolbenbodens 38 von den Verriegelungsbolzen 56 formschlüssig hintergriffen. Da der Abstand der Verriegelungsbolzen 56 von der Kopfplatte 48 des Zylinders 24 im wesentlichen der Länge des Kolbens 40 entspricht, ist dieser nun beidseitig in seiner Verriegelungsposition fixiert.

Die Verriegelungsbolzen 56 sind mittels stromerregbarer, innerhalb der Gehäuse 60 angeordneter Elektromagneten 74 gegen die Wirkung der sie nach radial innen vorspannenden Schraubenfedern 64 in die Aufnahmebohrungen 54 zurückziehbar, mindestens bis ihre fußseitigen Enden 68 mit der Innenfläche 70 der Zylinderwandung 52 bündig sind. Die Elektromagneten 74 bestehen aus einer Magnetspule 76, welche einen Magnetkern 78 radial umschließt. Die Verriegelungsbolzen 56 bilden dann Anker, auf welche durch Bestromung der Magnetspulen 76 eine magnetische Anziehungskraft ausgeübt wird. Ein entsprechendes elektrisches Signal zur Bestromung der Magnetspulen 76 wird beispielsweise durch ein Motorsteuergerät 80 beim Start der Brennkraftmaschine 6 erzeugt, wodurch der Kolben 40 entriegelt wird. Da im Augenblick des Starts noch kein nennenswerter Druck von der Hochdruckförderpumpe 2 aufbaubar ist, herrscht im Druckraum 44 noch ein geringer Druck. Mangels Gegendruck drückt der entriegelte Kolben 40 daher getrieben durch die Vorspannkraft der Schraubenfeder 50 gegen die Flüssigkeit im Druckraum 44, wodurch sich der Druckraum 44 verkleinert. Hierdurch entsteht in der Druckleitung 10 ein Druckanstieg, durch welchen der Kraftstoffdruck/Öldruck in der Verteilerleiste 12 auf schnelle Weise auf ein ausreichendes Niveau gebracht wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung (1) zum schnellen Druckaufbau in einer durch eine Förderpumpe mit einem Druckmedium versorgten Einrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem durch eine Hochdruckförderpumpe (2) mit Kraftstoff versorgten Speichereinspritzsystem (Common Rail) (4), beinhaltend einen Kolben (40), der einen gegen die Kraft eines gegen ihn vorgespannten Federelements (50) vergrößerbaren Druckraum (44) begrenzt, welcher mit der Hochdruckförderpumpe (2) und mit dem mit dem Druckmedium versorgten Speichereinspritzsystem (4) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den Kolben (40) wirkende Verriegelungseinrichtung (56, 64, 74) vorgesehen ist, durch die er in einer aufgrund des durch die Hochdruckförderpumpe (2) im Druckraum (44) aufgebauten Drucks gegen die Vorspannung des Federelements (50) eingenommenen Verriegelungsstellung verriegelbar und nach Entriegelung in eine den Druckraum (44) verkleinernde Stellung entspannbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (40) innerhalb eines geschlossenen Zylinders (24) längsverschieblich geführt ist, wobei der Druckraum (44) zwischen dem Kolben (40) und einem mit einem Druckanschluß (8) versehenen Boden (22) des Zylinders (24) gebildet ist, über welchen der Druckraum (44) an eine die Hochdruckförderpumpe (2) mit dem Speichereinspritzsystem (4) verbindenden Druckleitung (10) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung vorzugsweise zwei in sich diametral gegenüberliegenden Aufnahmebohrungen (56) in einer Zylinderwandung (52) aufgenommene, in Ausgangsstellung in einer Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (40) in den Zylinder (24) hineinragende und in diese Richtung durch Schraubenfedern (64) vorgespannte Verriegelungsbolzen (56) umfaßt, die durch die Bewegung des Kolbens (40) in Richtung auf die Verriegelungsstellung zu in ihre Aufnahmebohrungen (56) zurückdrängbar sind und die, nachdem der Kolben (40) sie passiert und seine Verriegelungsstellung erreicht hat, aus ihren Aufnahmebohrungen (56) austretend mindestens den Rand des Kolbens (40) formschlüssig hintergreifen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Verriegelungsbolzen (56) von einer Kopfplatte (48) des Zylinders (24) im wesentlichen der Länge des Kolbens (40) entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (40) topfförmig ausgebildet ist, mit einer hohlzylindrischen Kolbenwand (36) und einem endseitigen Kolbenboden (38), wobei das als Schraubenfeder (50) ausgebildete Federelement innerhalb der Kolbenwand (36) aufgenommen und zwischen dem Kolbenboden (38) und der Kopfplatte (48) des Zylinders (24) eingespannt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckentlastungsbohrung (90) in der Kopfplatte (48) untergebracht ist, die das Abfließen von Leckageflüssigkeit über eine Leitung (91) in den Vorratsbehälter (14) ermöglicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsvorrichtung stromerregbare Elektromagneten (74) aufweist, durch welche die Verriegelungsbolzen (56) zur Entriegelung des Kolbens (40) entgegen der auf sie wirkenden Vorspannung in die Aufnahmebohrungen (54) zurückziehbar sind, mindestens bis ihre fußseitigen Enden (68) mit einer Innenfläche (70) der Zylinderwandung (52) bündig sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagneten (74) je eine einen Magnetkern (78) radial umschließende Magnetspule (76) beinhalten, wobei die Verriegelungsbolzen (56) Anker bilden, auf welche durch Bestromung der Magnetspulen (76) eine magnetische Anziehungskraft ausübbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagneten (74) beim Start des Kraftfahrzeugs stromerregt sind.