DE4441113C1 - Kraftstoffhochdruckpumpe für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffhochdruckpumpe für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.

Eine derartige aus der EP 0 307 947 A2 bekannte Kraft­ stoffhochdruckpumpe fördert Kraftstoff aus einem Nieder­ druckraum in einen Hochdrucksammelraum, von dem seinerseits eine Vielzahl von Einspritzleitungen zu den einzelnen in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventilen abführen (Common Rail) Dabei ist die be­ kannte Hochdruckpumpe als Kolbenpumpe mit mehreren Pumpen­ kolben ausgebildet, deren in je einer Zylinderbohrung einer Zylinderbüchse geführte Pumpenkolben von einem gemeinsamen Nockenantrieb axial hin- und hergehend angetrieben werden. Die Pumpenkolben begrenzen dabei mit ihrer dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeitsraum, der über ei­ ne Steuerbohrung in der Wand der Zylinderbüchse aus dem Nie­ derdruckraum mit Kraftstoff befüllbar ist und der über eine Druckleitung mit dem Hochdrucksammelraum verbunden ist. Die Hochdruckförderung im Pumpenarbeitsraum beginnt dabei mit dem vollständigen Überfahren der Steuerbohrung durch den Pumpenkolben während seiner Förderhubbewegung, wodurch sich im eingeschlossenen Pumpenarbeitsraum beim weiteren Förder­ hub des Pumpenkolbens ein Kraftstoffhochdruck aufbaut, der ab einem bestimmten Druck ein Druckventil in der Drucklei­ tung aufsteuert, so daß der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in den Hochdrucksammelraum gefördert wird. Die Steuerung der Hochdruckfördermenge erfolgt dabei an der be­ kannten Hochdruckpumpe mittels eines, in eine Bypassleitung zwischen Druckleitung und Niederdruckraum eingesetzten Drucksteuerventils, das dort als Magnetventil ausgeführt ist und das in Abhängigkeit von der gewünschten Fördermenge den Pumpenarbeitsraum zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Förderhubbewegung des Pumpenkolbens gegenüber dem Nieder­ druckraum verschließt und so die Hochdruckförderung einlei­ tet, die sich bis zum Erreichen des oberen Totpunktes der Pumpenkolbenhubbewegung fortsetzt.

Dabei weist die bekannte Hochdruckpumpe jedoch den Nachteil auf, daß die Steuerung der Fördermenge mittels eines an je­ dem Pumpenkolben vorgesehenen Magnetventils relativ aufwen­ dig und teuer ist. Zudem hat die Absteuerung des nicht benö­ tigten Kraftstoffes am Ende der Hochdruckförderung den Nach­ teil, daß der unter hohem Druck stehende Kraftstoff in das Niederdrucksystem gelangt, dort den Ansaugvorgang der ein­ zelnen Pumpenkolben beeinflußt und infolge des scharfen Ab­ steuerstrahls Beschädigungen an den Wänden der Hochdruckpumpe verursachen kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffhochdruckpumpe für Brennkraftmaschinen zu entwickeln, die mittels einfacher mechanischer Mittel nur die tatsächlich benötigte Kraftstoffmenge fördert.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß in konstruktiv einfacher Weise eine Förde­ rung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff möglich ist, bei der nur die derzeitig benötigte Fördermenge tatsächlich gefördert wird. Die nicht benötigte Fördermenge wird dabei während des Förderhubs des Pumpenkolbens vor Beginn der Hochdruckförderung mit dem Druck des Niederdruckraums aus dem Pumpenarbeitsraum in diesen ausgeschoben, wobei dies in vorteilhafter Weise über die den Zulauf ermöglichende Steu­ erbohrung in der Wand der Zylinderbüchse erfolgt, so daß keine zusätzliche Öffnung, bzw. Leitung vorgesehen werden muß, was den Fertigungsaufwand gegenüber dem bekannten Sy­ stem verringert.

Die Steuerung der Hochdruckfördermenge wird dabei in vor­ teilhafter Weise durch einen variablen Beginn der Hochdruck­ förderung bei konstantem Förderende vorgenommen, wobei För­ derbeginn und -ende der Hochdruckförderung mit mechanischen Mitteln gesteuert werden. Dazu ist eine ständig mit dem Pum­ penarbeitsraum verbundene Steuerausnehmung in die Mantelflä­ che des Pumpenkolbens eingebracht, deren untere, pumpenar­ beitsraumabgewandte Kante eine den Förderbeginn der Hoch­ druckförderung steuernde Steuerkante bildet. Die mit der Steuerbohrung zusammenwirkende Steuerkante ist dabei schräg zur Pumpenkolbenachse angeordnet, so daß sich in Abhängig­ keit von der Drehlage des Pumpenkolbens ein variabler Nutz­ hub zur Hochdruckförderung einstellen läßt.

Durch das Abströmen von lediglich unter niedrigem Druck ste­ henden Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum sind zudem Rück­ schlagventile bzw. Saugdrosseln in der Ansaugleitung von ei­ nem Vorratstank zur Hochdruckpumpe unnötig, so daß nahezu keine Verlustleistung in diesen auftritt, was den Wirkungs­ grad des gesamten Systems erhöht.

Das Förderende liegt konstant im oberen Totpunkt des Pumpen­ kolbens, wobei ggf. eine den Pumpenarbeitsraum von seinem Restdruck entlastene zusätzliche, mit dem Pumpenarbeitsraum verbundene Ausnehmung am Pumpenkolben vorsehbar ist, die im Bereich des oberen Totpunktes des Pumpenkolbens die Steuer­ bohrung überdeckt.

Dabei ist es für eine symmetrische Druckverteilung am Pum­ penkolben alternativ auch möglich mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Steuerausnehmungen vorzusehen, die je­ weils mit einer zugeordneten Steuerbohrung Zusammenwirken. Ein weiterer Vorteil wird durch die relativ einfache Ver­ stellung der Verdrehlage des Pumpenkolbens mittels einer Re­ gelstange erreicht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere in Reihe zueinander angeordnete Pumpenkolben (Reihenpumpenbauweise) vorgesehen sind, die dann mittels ei­ ner einzigen gemeinsamen Regelstange verstellbar sind, wobei hier zudem durch die Verwendung der Regelhülsen an den Pum­ penkolben eine einfache Mengengleichstellung der einzelnen Pumpenkolbenelemente möglich ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen­ standes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Fünf Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftstoff­ hochdruckpumpe für Brennkraftmaschinen sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung er­ läutert.

Es zeigen die

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Kraft­ stoffhochdruckpumpe, die

Fig. 2 bis 6 den oberen, pumpen­ arbeitsraumzugewandten Teil des Pumpenkolbens mit fünf Aus­ führungsbeispielen der Form der Steuerausnehmungen am Pum­ penkolben und die

Fig. 7 bis 10 den Pumpenkolben in ver­ schiedenen Förderhubstellungen zur Steuerbohrung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in der Fig. 1 dargestellten, auf die Beschreibung der erfindungswesentlichen Bauteile beschränkten Kraftstoff­ hochdruckpumpe 1 für Brennkraftmaschinen ist eine Zylinder­ büchse 3 in ein Pumpengehäuse 5 eingesetzt, die eine Zylin­ derbohrung 7 aufweist, in der ein Pumpenkolben 9 geführt ist. Der Pumpenkolben 9 wird dabei in bekannter Weise von einem Nockenantrieb 11 entgegen der Kraft einer Rückstellfe­ der 13 axial hin- und hergehend angetrieben und begrenzt mit seiner dem Nockenantrieb 11 abgewandten Stirnfläche 15 einen Pumpenarbeitsraum 17 in der Zylinderbüchse 3. Der Pumpenar­ beitsraum 17 ist über eine radial angeordnete Steuerbohrung 19 in der Wand der Zylinderbüchse 3 mit einem Niederdruck­ raum 21 verbunden, der über eine nicht näher dargestellte Zulaufleitung mit Kraftstoff aus einem ebenfalls nicht ge­ zeigten Kraftstoffvorratstank befüllbar ist. Zudem führt vom oberen, dem Pumpenkolben 9 abgewandten Ende des Pumpenar­ beitsraumes 17 eine, ein Druckventil 23 enthaltene Drucklei­ tung 25 ab, die andererseits in einen Hochdrucksammelraum 27 mündet, von dem mehrere, der Anzahl der Einspritzstellen an der zu versorgenden Brennkraftmaschine entsprechende Ein­ spritzleitungen 29 zu den in den Brennraum der Brennkraftma­ schine ragenden Einspritzventilen 31 abführen (Common Rail System).

Der Pumpenkolben 9 ist in bekannter Weise über eine, von ei­ nem Stellglied beaufschlagte Regelstange 33 verdrehbar, wozu die Regelstange 33 an einer verdrehfest auf dem Pumpenkolben 9 angeordneten Kegelhülse 35 angreift.

Zur Steuerung der Hochdruckförderung weist der Pumpenkolben 9 an seinem pumpenarbeitsraumzugewandten Ende eine ständig mit dem Pumpenarbeitsraum 17 verbundene Steuerausnehmung 37 auf, deren untere, dem Pumpenarbeitsraum 17 abgewandte Kante eine Steuerkante 39 bildet, die im Zusammenwirken mit der Steuerbohrung 19 den Förderbeginn der Hochdruckförderung im Pumpenarbeitsraum 17 steuert und die schräg zur Pumpenkolbenachse angeordnet ist, wobei fünf mögliche Aus­ führungsvarianten der Form der Steuerausnehmung 37 in den Fig. 2 bis 6 dargestellt sind.

Die Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Form der Steuerausnehmung 37 am Pumpenkolben 9, die sich dabei direkt an die Stirnfläche 15 des Pumpenkolbens 9 anschließt und so einen ungehinderten Kraftstoffdurchfluß vom Pumpenar­ beitsraum 17 in die Steuerausnehmung 37 ermöglicht. Die Steuerkante 39 verläuft in einem Winkel zur Pumpenkolben­ achse, dessen Größe von der Größe der maximal zu fördernden Kraftstoffmenge abhängig ist.

Bei dem in der Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist zwischen der oberen, dem Pumpenarbeitsraum 17 zuge­ wandten Kante 41 der Steuerausnehmung 37 und der Stirnfläche 15 des Pumpenkolbens 9 ein, einen Kopfbund bildender Steg 43 vorgesehen, der die Führung des Pumpenkolbens 9 in der Zy­ linderbohrung 7 verbessert und somit einem sogenannten "Fressen" des Pumpenkolbens 9 entgegenwirkt. Die hydrauli­ sche Verbindung zwischen der Steuerausnehmung 37 und dem Pumpenarbeitsraum 17 erfolgt dabei in der Fig. 3 über eine Axialnut 45, die von der Stirnfläche 15 ausgehend in die Steuerausnehmung 37 mündet.

Das in der Fig. 4 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel un­ terscheidet sich zum zweiten in der Ausgestaltung der hy­ draulischen Verbindung zwischen dem Pumpenarbeitsraum 17 und der Steuerausnehmung 37, die dort durch eine von der Stirn­ fläche 15 des Pumpenkolbens 9 ausgehende axiale Sackbohrung 47 gebildet wird, die von einer, in die Steuerausnehmung 37 mündenden Querbohrung 49 im Pumpenkolben 9 geschnitten wird. Das in der Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Form der Steuerausnehmung 37 am Pumpenkolben 9 ent­ spricht im Wesentlichen dem in der Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel und weist zusätzlich zu diesem eine zweite, auf der dem Pumpenarbeitsraum 17 abgewandten Seite unterhalb der Steuerausnehmung 37 angeordnete Ausneh­ mung 51 auf, die dort als rechteckige Tasche ausgebildet ist, wobei alternativ auch eine Quernut möglich ist. Diese Ausnehmung 51 ist dabei so am Pumpenkolben 9 angeordnet, daß sie in der oberen Totlage des Pumpenkolbens 9, d. h. am Ende der Förderhubbewegung in Überdeckung mit der Steuerbohrung 19 gelangt, wobei die zweite Ausnehmung 51 in der Fig. 5 über eine Verlängerung der Axialnut 45 hydraulisch mit der Steuerausnehmung 37 und weiter mit dem Pumpenarbeitsraum 17 verbunden ist.

Bei dem in der Fig. 6 dargestellten fünften Ausführungsbei­ spiel ist das in der Fig. 4 dargestellte dritte Ausfüh­ rungsbeispiel analog zur Fig. 5 um die zweite Ausnehmung 51 erweitert, die ebenfalls in Höhe der Überdeckung mit der Steuerbohrung 19 bei oberer Totpunktlage des Pumpenkolbens 9 in dessen Mantelfläche eingebracht wurde und die durch die axiale Verlängerung der Sackbohrung 47 und eine zweite in die zweite Ausnehmung 51 mündende Querbohrung 53 mit dem sich an die Stirnfläche 15 des Pumpenkolbens 9 anschließen­ den Pumpenarbeitsraum 17 verbunden ist.

Dabei können die in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Aus­ nehmungen 37, 53 paarweise vorgesehen werden, wobei sich die Ausnehmungen 37, 53 dann jeweils diametral gegenüberliegen und mit je einer zugeordneten Steuerbohrung 19 zusammenwir­ ken.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruck­ pumpe 1 soll im Folgenden anhand der Fig. 7 bis 10 erläu­ tert werden, die die Stellung des Pumpenkolbens 9 mit der Steuerausnehmung 37 gemäß Fig. 2 in verschiedenen Lagen zur Steuerbohrung 19 in der Wand der Zylinderbüchse 3 darstellt. Dabei befindet sich der Pumpenkolben 9 in der Fig. 7 in seiner unteren Totlage, in der ein Überströmquerschnitt zwi­ schen der Steuerbohrung 19 und dem Pumpenarbeitsraum 17 ent­ lang der Ausnehmung 37 freigegeben ist. Es ist dabei auch möglich, die Steuerbohrung 19 so anzuordnen, daß sie in die­ ser Hublage des Pumpenkolbens 9 direkt oberhalb der Stirn­ fläche 15 des Pumpenkolbens 9 in den Pumpenarbeitsraum 17 mündet. In dieser Kolbenlage am Ende der abwärts gerichteten Saughubbewegung erfolgt das Befüllen des Pumpenarbeitsraumes 17 mit unter niedrigem Druck stehenden Kraftstoff aus dem Niederdruckraum 21.

Nach Durchfahren der unteren Totpunktlage wird der Pumpen­ kolben 9 vom Nockenantrieb 11 entgegen der Kraft der Rück­ stellfeder 13 in Richtung oberer Totpunkt bewegt, wobei bei dieser Förderhubbewegung des Pumpenkolbens 9 das Volumen im Pumpenarbeitsraum 17 stetig verringert wird. Dabei wird die nicht zur Hochdruckförderung benötigte Kraftstoffmenge zu­ nächst mit dem niedrigen Druck aus dem Pumpenarbeitsraum 17 über die Steuerbohrung 19 in den Niederdruckraum 21 ausge­ schoben. Diese Leerhubbewegung erfolgt dabei bis zum in der Fig. 8 dargestellten vollständigen Überfahren der Steuer­ kante 39 über die Steuerbohrung 19. Ab diesem Zeitpunkt, der über die Verdrehlage des Pumpenkolbens 9 einstellbar ist, beginnt die Hochdruckförderung im nunmehr eingeschlossenen Pumpenarbeitsraum, dessen Volumen sich während der Förder­ hubbewegung des Pumpenkolbens, Fig. 9, weiter verringert, was in bekannter Weise einen Druckanstieg des Kraftstoffes im Pumpenarbeitsraum 17 zur Folge hat. Mit Erreichen eines bestimmten Grenzdruckes wird das Druckventil 23 geöffnet und der unter hohem Druck stehende Kraftstoff strömt über die Druckleitung 25 in den Hochdrucksammelraum 27, aus dem er über die Einspritzleitungen 29 den Einspritzventilen 31 zu­ geführt wird, deren Öffnungszeitpunkte über Magnetventile an den Einspritzventilen 31 steuerbar sind.

Der Nutzhub des Pumpenkolbens 9 zur Hochdruckförderung setzt sich dabei bis zum in der Fig. 10 dargestellten oberen Tot­ punkt fort, wobei dann der Kraftstoffhochdruck vollständig in den Hochdrucksammelraum abgeströmt ist und das Druckven­ til 23 ab einem bestimmten Abfall des Druckes im Pumpenar­ beitsraum 17 schließt, so daß das Förderende der Hochdruck­ förderung in jeder Verdrehlage des Pumpenkolbens gleich ist. Dabei kann im oberen Totpunkt zum Abbau eines möglichen Restdruckes im Pumpenarbeitsraum 17 die Ausnehmung 51 aufge­ steuert werden, was eine Druckentlastung des Pumpenarbeits­ raumes 17 zur Folge hat, die sich auch günstig auf eine er­ neute Befüllung des Pumpenarbeitsraumes 17 auswirkt. An den oberen Totpunkt der Hubbewegung des Pumpenkolbens 9 schließt sich in bekannter Weise der Saughub an, in dessen Verlauf die Steuerausnehmung 37 die Steuerbohrung 19 erneut aufsteuert und so wieder Kraftstoff aus dem Niederdruckraum 21 in den Pumpenarbeitsraum 17 strömen kann.

Es ist dabei vorteilhaft mehrere Pumpenkolben 9 vorzusehen, die dann wie bei Kraftstoffeinspritzpumpen der Reihenpumpen­ bauart in Reihe zueinander angeordnet sind.

Es ist somit mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruck­ pumpe in konstruktiv einfacher Weise möglich einen variablen Förderbeginn und ein festes Förderende darzustellen und so die Hochdruckförderung auf die benötigte Kraftstoffmenge zu begrenzen.

Claims (7)

1. Kraftstoffhochdruckpumpe für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Zylinderbohrung (7) einer Zylinderbüchse (3) axial hin- und hergehend angetriebenen Pumpenkolben (9), der mit seiner einen Stirnfläche (15) einen Pumpenarbeitsraum (17) begrenzt, der über eine in der Zylinderbüchse (3) vorgesehene Steuerbohrung (19) mit einem kraftstoffgefüllten Niederdruckraum (21) und über eine Druckleitung (25) mit einem Hochdrucksammelraum (27) verbunden ist, von dem Einspritzleitungen (29) zu den einzelnen Einspritzventilen (31) an der Brennkraftmaschine abführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (9) in seiner Mantelfläche eine ständig mit dem Pumpenarbeitsraum (17) verbundene, mit der Steuerbohrung (19) zusammenwirkende Steuerausnehmung (37) aufweist, deren untere, dem Pumpenarbeitsraum (17) abgewandte Kante einen, den Förderbeginn der Hochdruckförderung steuernde Steuerkante (39) bildet, wobei die Steuerkante (39) dabei schräg zur Pumpenkolbenachse angeordnet und der Pumpenkolben (9) zur Verstellung des Förderbeginns der Hochdruckförderung verdrehbar geführt ist und wobei das Förderende der Hochdruckförderung geometrisch auf einen nicht verstellbaren Zeitpunkt festgelegt ist.

2. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem oberen, dem Pumpenarbeitsraum (17) zugewandten Ende der Steuerausnehmung (37) und der, den Pumpenarbeitsraum (17) begrenzenden Stirnfläche (15) des Pumpenkolbens (9) ein Ringsteg (43) an der Mantelfläche des Pumpenkolbens (9) vorgesehen ist.

3. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des dem Pumpenarbeitsraum (17) abgewandten Endes der Steuerausnehmung (37) eine weitere ständig mit dem Pumpenarbeitsraum (17) verbundene Ausnehmung (51) in der Mantelfläche des Pumpenkolbens (9) vorgesehen ist, die im Bereich des oberen Totpunktes des Pumpenkolbens (9) während dessen Förderhubbewegung in Überdeckung mit der Steuerbohrung (19) in der Zylinderbüchse (3) gelangt.

4. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (37, 51) im Pumpenkolben (9) mittels einer Axialnut (45) im Pumpenkolben (9) mit dem Pumpenarbeitsraum (17) verbunden sind.

5. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (37, 51) im Pumpenkolben (9) mittels einer von der Stirnfläche (15) aus­ gehenden axialen Sackbohrung (47) und in die Ausnehmungen (37, 51) mündenden, die Sackbohrung (47) schneidenden Quer­ bohrungen (49, 53) im Pumpenkolben (9) mit dem Pumpenar­ beitsraum (17) verbunden sind.

6. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander diametral gegenüberliegende Steuerausnehmungen (37) am Pumpenkolben (9) vorgesehen sind, die mit zwei einander gegenüberliegen­ den Steuerbohrungen (19) in der Zylinderbüchse (3) zusammen­ wirken.

7. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellung der Drehlage des Pumpenkolbens (9) über eine, an einer am Pumpenkolben (9) befestigte Re­ gelhülse (35) angreifende Regelstange (33) erfolgt.