EP1273796B1 - Hochdruck-Kraftstoffpumpe, insbesondere für direkteinspritzende Brennkraftmaschine, sowie Kraftstoffsystem und Brennkraftmaschine - Google Patents

Hochdruck-Kraftstoffpumpe, insbesondere für direkteinspritzende Brennkraftmaschine, sowie Kraftstoffsystem und Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1273796B1
EP1273796B1 EP02009419A EP02009419A EP1273796B1 EP 1273796 B1 EP1273796 B1 EP 1273796B1 EP 02009419 A EP02009419 A EP 02009419A EP 02009419 A EP02009419 A EP 02009419A EP 1273796 B1 EP1273796 B1 EP 1273796B1
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EP
European Patent Office
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valve
pressure
pump
fuel
fuel pump
Prior art date
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EP02009419A
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EP1273796A3 (de
EP1273796A2 (de
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Helmut Rembold
Wolfgang Buesser
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves
    • F04B49/225—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves with throttling valves or valves varying the pump inlet opening or the outlet opening
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/0404—Details or component parts
    • F04B1/0452—Distribution members, e.g. valves

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure fuel pump, in particular for direct injection internal combustion engines, with a housing having a low pressure inlet and a High pressure outlet, with one in the housing existing pump room, which with the low-pressure inlet and the high-pressure outlet is connectable, with a control valve, which directly the pump room with the low-pressure inlet can connect and opens to the low-pressure inlet, and with a check valve with a separate from the control valve Valve element which between low-pressure inlet and Pump room is arranged and directly to the pump room opens.
  • Such a high-pressure fuel pump is known from DE 198 34 120 A1 known.
  • This high pressure fuel pump is included Fuel supply systems with two series connected Fuel pumps used. From the pump room branches on the one hand Flow channel, which via a check valve to a Low pressure inlet leads. On the other hand leads another Flow channel from the pump chamber to a control valve, which with another flow channel in the housing of the high-pressure fuel pump which is also connected to the low pressure inlet leads. On the outlet side, the pump room is also over a check valve connected to a high pressure outlet.
  • the control valve be opened during a delivery stroke of the pump piston.
  • the pump space is the low-pressure inlet opened and no more fuel to the high pressure outlet promoted.
  • control valve could also be at the beginning of a Delivery stroke of the pump piston to be opened.
  • the control the delivery rate by a variation of the delivery end has however, several advantages:
  • control valve can be made simpler, because the flow cross-section to be controlled considerably smaller can be executed. Since the pump piston mostly from a Drive cam is driven, the load of the falls Drive cam lower, since the promotion before the upper Dead center of the pump piston is terminated (at top dead center of the pump piston occurs due to the small radius of curvature the highest Hertzian pressure). Finally, it turns out still a cost advantage in that the control of the Control valve can be done via a switching power amplifier.
  • EP 0 078 983 A1 and EP 0 816 672 A2 describe a High pressure pump with a control valve, which with a Inlet valve is connected in series.
  • the object of the present invention is a high-pressure fuel pump of the type mentioned at the beginning, that it builds easier overall and thus cheaper can be produced.
  • This task is in a high-pressure fuel pump of mentioned type achieved in that the Check valve and the control valve in a common Valve module are housed, which at least partially inserted into the pump housing and for the Control valve and the check valve a common Having connection to the low-pressure inlet out, and that the Elements of the check valve and the elements of the Control valve to each other coaxially arranged in the valve module are.
  • Inlet valve through which the fuel from the low pressure inlet flows into the pump room during a suction stroke
  • Control valve which towards the end of a delivery stroke of the Pump piston opens, integrated into a common unit.
  • This unit can be pre-assembled. Due to the better accessibility, such an assembly is easier perform at a cost advantage, but also at a cost Quality increase leads.
  • High-pressure fuel pump only a few flow channels required because the common valve module for the Check valve and the control valve a common Having connection to the low pressure inlet out. to Manufacture of the housing of the high-pressure fuel pump are thus less processing steps required what the Production costs for the high-pressure fuel pump according to the invention lowers.
  • the Control valve is radially inward and the check valve a Includes a plurality of flow channels, which radially outward to at least a portion of the control valve in the valve module are provided. Through this plurality of flow channels becomes a comparatively large flow cross section for the Check valve created so that during a suction stroke the pump piston rapid filling of the pump chamber possible is.
  • the flow channels preferably interconnected by an annulus.
  • the Control valve in turn is at least with its valve element radially inside the flow channels.
  • valve element comprises.
  • Such Valve element is as well as the associated valve seat easy to manufacture.
  • valve dynamics of the check valve is the better, depending less the mass of the valve element of the check valve is. This is taken into account in that training, in the valve element of the check valve is a thin one Includes platelets.
  • check valve as a double seat valve be educated. In this case already stands at low Valve lift a large flow area available.
  • the high-pressure fuel pump comprises Valve module to the pump room at least one Support section, on which a biasing element is supported, which the valve element of the check valve against the associated valve seat acted upon.
  • the bias of the Biasing element is preferably just so strong that the valve element of the check valve already at a low pressure difference from the associated valve seat lifts. Is the support section, as proposed, on Valve module arranged, the complete unit can off Check valve and control valve are pre-assembled, which reduces the production costs again.
  • the invention also relates to a fuel system with a Fuel tank, with at least one fuel injection device, which the fuel directly into the Injecting combustion chamber of an internal combustion engine, with at least one high-pressure fuel pump, and with a Fuel manifold to which the fuel injector connected.
  • Such a fuel system is used in internal combustion engines used with direct fuel injection.
  • the pressure in the fuel rail which is commonly referred to as "Rail” is referred to as the high-pressure fuel pump applied.
  • the invention further relates to an internal combustion engine with at least one combustion chamber into which the fuel injected directly.
  • an internal combustion engine with at least one combustion chamber into which the fuel injected directly.
  • To the internal combustion engine overall easier to build and their production to make cheaper, as well as to the operation of the To make the internal combustion engine more reliable suggested that they have a fuel system of the above has mentioned type.
  • Fig. 1 carries a high-pressure fuel pump in total the reference number 10. From her is in the figure only one End area shown.
  • the high pressure fuel pump 10 comprises a housing 12 into which a stepped bore 14 is introduced. Transversal to the longitudinal axis of Stepped bore 14 are in the housing 12 also two Flow channels 16 and 18 available.
  • the upper in Fig. 1 Flow channel 16 leads to a low-pressure inlet 20 for the fuel.
  • the lower in Fig. 1 flow channel 18th leads to a high-pressure outlet 22.
  • a pump piston 26 guided axially movable.
  • a valve housing 30 is inserted in an upper area 28 of the Stepped bore 14. This is opposite the stepped bore 14 by an O-ring seal 32 sealed, which in an annular groove (without Reference numeral) inserted in the wall of the stepped bore 14 is.
  • Between the valve housing 30 and the pump piston 26th is a pump room 34 available.
  • valve housing 30 In the valve housing 30, a check valve 36 and housed a control valve 38. On the exact Training will be referred to in detail below.
  • actuating unit 40 On the valve housing 30 is an actuating unit 40 placed.
  • the operating unit 40 is opposite to Pump housing 12 sealed by an O-ring seal 42, in an annular groove (without reference numeral) in the top the pump housing 12 is inserted.
  • the operating unit 40 is about screws (without reference numeral) on the pump housing 12 attached. Your task is detailed below explained.
  • the attachment of the actuator unit 40 am Valve housing 30 is inseparable via a flange 41st Die Actuator 40, the control valve 38, the Non-return valve 36 and the valve housing 30 form together a valve module 44th
  • the valve housing 30 has a total cylindrical shape. It becomes in its longitudinal direction of a centric Stepped bore 46 interspersed.
  • a centric Stepped bore 46 interspersed in the stepped bore 46 is in Fig. 1 from above a rod-shaped valve element 48th introduced, which with a rounded end with a in Fig. 1 lower portion of the stepped bore 36 existing Valve seat 50 cooperates.
  • the valve element 48 and the valve seat 50 are part of the control valve 38.
  • valve element 48 extends upwardly out of the Valve housing 30 out in the actuator 40th into it.
  • a cylindrical armature 52 is attached at the end remote from the valve seat 50 of the Valve element 48 .
  • a lid 56 closes the operating unit 40 upwards down.
  • a annular magnet 86 is provided, which at a Energizing the armature 52 moves in Fig. 1 down, so that the valve element 48 is pressed into the valve seat 50 becomes.
  • the stepped bore 46 forms a flow channel 58, which opens into the pump chamber 34.
  • the stepped bore 46 has a larger diameter than the valve element 48, so that a Valve chamber 60 is formed. This is about a majority of radially extending flow channels 62 with a circumferential groove 64 connected in the outer wall of the Valve housing 30 is introduced. In the in Fig. 1 shown installation position is the groove 64 at the height of a extended portion 66 of the stepped bore 14 in Pump housing 12. As a result, an annular space 68 is formed. From this branches to the low pressure inlet 20 out of the already introduced above Stömungskanal 16 from.
  • the check valve 36 is constructed as follows: In the valve housing 30 extend from the circumferential groove 64th a plurality of substantially axial flow channels 70 obliquely down and slightly radially inward. In the in Fig. 1 illustrated embodiment are a total of four in Circumferentially arranged evenly distributed Flow channels 70 present, of which in Fig. 1 two are visible. The flow channels 70 open into the Bottom of the valve body 30. The openings of the Flow channels 70 in the bottom of the valve housing 30th There are surrounded by an annular valve seat 72. This consists of a valve housing 30 coaxial and radially inner ring land 72a and a likewise to Valve body 30 coaxial and radially outer annular land 72b.
  • a small force Compression spring 74 On the annular valve seat 72 on the bottom of the Valve housing 30 is powered by a small force Compression spring 74 a disc-annular valve element 76th pressed. In the disc-annular valve element 76th it is a thin metal plate.
  • the Compression spring 74 is supported on an axially extending annular support member 78 from. This is with his upper edge welded to the valve housing 30. At his In Fig. 1 lower end, the support member 78 a radially inwardly facing annular web 80 on which the Compression spring 74 is applied.
  • the disc-ring-shaped Valve element 76 of the check valve 36 are above the Circumference distributed radial recesses 82 available. in the Support member 78 are corresponding, not in the figure visible openings provided.
  • Fig. 1 it can be seen on the one hand, the elements of the check valve 36, so the Plurality of axial flow channels 70 and annular Valve seats 72, the compression spring 74, the disc-annular Valve element 76 and the support member 78, coaxial with the Elements of the control valve 38, ie in particular the Stepped bore 46 in the valve housing 30, the valve element 48th and the valve seat 50. Furthermore, recognizes one, that the circumferential groove 64 has a common connection the check valve 36 and the control valve 38 for Low-pressure inlet forms.
  • Check valve 84 is a normal one spring loaded ball valve leading to the high pressure outlet 22 opens.
  • the high pressure fuel pump 10 operates as follows (See also Fig. 2 - 6, it should be noted that in particular in FIGS. 2 to 4 for reasons of illustration not all parts and reference signs are shown; Further, in Figures 2 to 4, the control valve 38 and the check valve 36 in one of Figure 1 different orientation relative to the longitudinal axis of Piston 26 shown):
  • Figs. 2-4 is the Pump piston 26 driven by a cam 88, which on a clockwise rotating shaft 90 is attached.
  • the shaft 90 is directly from a crankshaft of an associated internal combustion engine driven.
  • the high-pressure fuel pump 10 moves the Pump piston 26 down (suction stroke, see Fig. 5). This increases the pump space 34.
  • the pressure in Pumping chamber 34 is in this operating state of the high-pressure fuel pump 10 lower than the pressure at the high pressure outlet 22, so that the check valve 84 is closed is.
  • the magnet 86 of the control valve 38 is in this Operating state of the high pressure fuel pump 10 energized.
  • the valve element 48 against the valve seat 50th pressed; the control valve 38 is thus closed (see. Fig. 6, left area).
  • the fuel flows on the one hand between the disc-annular valve element 76 and the radial inner ring land 72a and the central opening (without Reference numeral) in the disc-annular valve element 76 for Pumping room 34.
  • fuel also flows between the radially outer ring land 72b and the disc-annular valve element 76 through the radial Recesses 82 and the corresponding recesses in the Support member 78 in the pump chamber 34.
  • that is Check valve 36 thus formed as a double seat valve.
  • the pressure of the pump chamber 34 increases enclosed fuel. This happens until the pressure difference between in the pump room 34th enclosed fuel and fuel at High-pressure outlet 22 is so large that the check valve 84 opens. Then the fuel flows out of the pumping space 34 through the lower flow passage 18 to the high-pressure outlet 22 of the high-pressure fuel pump 10 out.
  • the opening of the control valve 38 towards the end of a delivery stroke is otherwise shown in Fig. 4.
  • a suitable Choice of the time at which the control valve 38 during opens a delivery stroke which can during a delivery stroke pumped from the pumping chamber 34 to the high-pressure outlet 22 towards Fuel quantity to be adjusted.
  • Fig. 7 is a not according to the invention Embodiment of a High pressure fuel pump 10 shown.
  • Fig. 8 shows an internal combustion engine 92, in which a Fuel system 94 is installed. This includes one Fuel tank 96, from which an electric Fuel pump 98 supplies the fuel to a low pressure inlet 20 promotes a high-pressure fuel pump 10.
  • the High-pressure fuel pump 10 is in the in Figs. 1-6 or constructed in Fig. 7 illustrated type.
  • the fuel rail has that Reference numeral 100.
  • To the fuel rail 100 are several high-pressure injectors, for example Injectors 102, connected. These inject the Fuel directly into corresponding combustion chambers 104 a.
  • Of the Pressure in the fuel rail 100 is from a Pressure sensor 106 detected. This provides appropriate Signals to a control and / or regulating device 108.
  • the magnetic control valve in FIG. 8) controls without reference numeral) of the high pressure fuel pump 10 to the pressure in the fuel rail 100 in the sense a closed system on a desired To keep level.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe, insbesondere für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, welches einen Niederdruck-Einlass und einen Hochdruck-Auslass aufweist, mit einem in dem Gehäuse vorhandenen Pumpraum, welcher mit dem Niederdruck-Einlass und dem Hochdruck-Auslass verbindbar ist, mit einem Steuerventil, welches den Pumpraum mit dem Niederdruck-Einlass unmittelbar verbinden kann und zum Niederdruck-Einlass hin öffnet, und mit einem Rückschlagventil mit einem vom Steuerventil separaten Ventilelement, welches zwischen Niederdruck-Einlass und Pumpraum angeordnet ist und unmittelbar zum Pumpraum hin öffnet.
Eine solche Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist aus der DE 198 34 120 A1 bekannt. Diese Hochdruck-Kraftstoffpumpe wird bei Kraftstoffversorgungsanlagen mit zwei in Reihe geschalteten Kraftstoffpumpen eingesetzt. Vom Pumpraum zweigt zum einen ein Strömungskanal ab, welcher über ein Rückschlagventil zu einem Niederdruck-Einlass führt. Zum anderen führt ein weiterer Strömungskanal vom Pumpraum zu einem Steuerventil, welches mit einem weiteren Strömungskanal im Gehäuse der Hochdruck-Kraftstoffpumpe verbunden ist, der ebenfalls zum Niederdruck-Einlass führt. Auslassseitig ist der Pumpraum ebenfalls über ein Rückschlagventil mit einem Hochdruck-Auslass verbunden.
Bei der bekannten Hochdruck-Kraftstoffpumpe handelt es sich um eine Kolbenpumpe. Um die zum Hochdruck-Auslass geförderte Menge an Kraftstoff steuern zu können, kann das Steuerventil während eines Förderhubes des Pumpenkolbens geöffnet werden. Hierdurch wird der Pumpraum zum Niederdruck-Einlass hin geöffnet und kein Kraftstoff mehr zum Hochdruck-Auslass hin gefördert.
Alternativ könnte das Steuerventil auch zu Beginn eines Förderhubes des Pumpenkolbens geöffnet werden. Die Steuerung der Fördermenge durch eine Variation des Förderendes hat jedoch mehrere Vorteile:
Zum einen kann das Steuerventil einfacher ausgeführt werden, da der zu steuernde Strömungsquerschnitt erheblich kleiner ausgeführt werden kann. Da der Pumpenkolben zumeist von einem Antriebsnocken angetrieben wird, fällt die Belastung des Antriebsnockens geringer aus, da die Förderung vor dem oberen Totpunkt des Pumpenkolbens beendet wird (im oberen Totpunkt des Pumpenkolbens tritt aufgrund des kleinen Krümmungsradius die höchste Hertzsche Pressung auf). Schließlich ergibt sich noch ein Kostenvorteil dadurch, dass die Ansteuerung des Steuerventils über eine Schaltendstufe erfolgen kann.
Die EP 0 078 983 A1 und die EP 0 816 672 A2 beschreiben eine Hochdruckpumpe mit einem Steuerventil, welches mit einem Einlassventil in Reihe geschaltet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie insgesamt einfacher baut und somit preiswerter hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Rückschlagventil und das Steuerventil in einem gemeinsamen Ventilmodul untergebracht sind, welches wenigstens bereichsweise in das Pumpengehäuse eingesetzt ist und für das Steuerventil und das Rückschlagventil einen gemeinsamen Anschluss zum Niederdruck-Einlass hin aufweist, und dass die Elemente des Rückschlagventils und die Elemente des Steuerventils zueinander koaxial in dem Ventilmodul angeordnet sind.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe sind das Einlassventil, durch welches der Kraftstoff vom Niederdruck-Einlass in den Pumpraum während eines Saughubs strömt, und das Steuerventil, welches gegen Ende eines Förderhubes des Pumpenkolbens öffnet, in eine gemeinsame Einheit integriert. Diese Einheit kann vorab montiert werden. Aufgrund der besseren Zugänglichkeit ist eine solche Montage leichter durchzuführen, was zu einem Kostenvorteil, aber auch zu einem Qualitätszuwachs führt.
Darüber hinaus sind im Gehäuse der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe nur noch wenige Strömungskanäle erforderlich, da das gemeinsame Ventilmodul für das Rückschlagventil und das Steuerventil einen gemeinsamen Anschluss zum Niederdruck-Einlass hin aufweist. Zur Herstellung des Gehäuses der Hochdruck-Kraftstoffpumpe sind somit weniger Bearbeitungsschritte erforderlich, was die Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Hochdruck-Kraftstoffpumpe senkt.
Darüber hinaus wird durch die koaxiale Anordnung der zur Verfügung stehende Raum besonders gut ausgenützt, so dass insbesondere für das Rückschlagventil ein großer und somit günstiger Strömungsquerschnitt zu erreichen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Steuerventil radial innen liegt und das Rückschlagventil eine Mehrzahl von Strömungskanälen umfasst, welche radial außen um mindestens einen Bereich des Steuerventils im Ventilmodul vorgesehen sind. Durch diese Mehrzahl von Strömungskanälen wird ein vergleichsweise großer Strömungsquerschnitt für das Rückschlagventil geschaffen, so dass während eines Ansaughubes des Pumpenkolbens eine rasche Füllung des Pumpraumes möglich ist. Zum Niederdruck-Einlass hin sind die Strömungskanäle vorzugsweise durch einen Ringraum miteinander verbunden. Das Steuerventil wiederum liegt zumindest mit seinem Ventilelement radial innerhalb der Strömungskanäle. Eine solche Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist sehr effektiv und baut dennoch sehr kompakt.
Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Rückschlagventil ein scheibenringförmiges Ventilelement umfasst. Ein solches Ventilelement ist ebenso wie der dazu gehörige Ventilsitz einfach zu fertigen.
Die Ventildynamik des Rückschlagventils wird umso besser, je geringer die Masse des Ventilelements des Rückschlagventils ist. Dem wird bei jener Weiterbildung Rechnung getragen, bei der das Ventilelement des Rückschlagventils ein dünnes Plättchen umfasst.
Auch kann das Rückschlagventil als Doppelsitzventil ausgebildet sein. In diesem Fall steht bereits bei geringem Ventilhub ein großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe umfasst das Ventilmodul zum Pumpraum hin mindestens einen Stützabschnitt, an dem sich ein Vorspannelement abstützt, welches das Ventilelement des Rückschlagventils gegen den zugehörigen Ventilsitz beaufschlagt. Die Vorspannung des Vorspannelements ist bevorzugterweise gerade so stark, dass das Ventilelement des Rückschlagventils bereits bei einer geringen Druckdifferenz vom zugehörigen Ventilsitz abhebt. Ist der Stützabschnitt, wie vorgeschlagen wird, am Ventilmodul angeordnet, kann die komplette Einheit aus Rückschlagventil und Steuerventil vorab montiert werden, was die Herstellkosten nochmals senkt.
Dabei wird besonders bevorzugt, wenn der Stützabschnitt einstückig mit einem gemeinsamen Ventilgehäuse ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftstoffsystem mit einem Kraftstoffbehälter, mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung, an die die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung angeschlossen ist.
Ein solches Kraftstoffsystem kommt bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zum Einsatz. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung, welche gemeinhin auch als "Rail" bezeichnet wird, wird von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe aufgebracht.
Damit das Kraftstoffsystem insgesamt einfacher aufgebaut ist und preiswerter hergestellt werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Hochdruck-Kraftstoffpumpe in der obigen Art ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft ferner noch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum, in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird. Um die Brennkraftmaschine insgesamt einfacher aufbauen zu können und ihre Herstellung preiswerter zu machen, sowie um den Betrieb der Brennkraftmaschine zuverlässiger zu machen, wird vorgeschlagen, dass sie ein Kraftstoffsystem der oben genannten Art aufweist.
Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1:
einen teilweisen Schnitt durch einen Bereich eines ersten Ausführungsbeispiels einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
Fig. 2 bis 4:
eine stark vereinfachte Darstellung des Bereichs von Fig. 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Betriebs der Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
Fig. 5:
ein Diagramm, in dem das Fördervolumen der Hochdruck-Kraftstoffpumpe der Fig. 1 - 4 über der Zeit aufgetragen ist;
Fig. 6:
ein Diagramm, in dem der Öffnungszustand eines Steuerventils der Hochdruck-Kraftstoffpumpe der Fig. 1 - 4 über der Zeit aufgetragen ist;
Fig. 7:
eine schematisierte und teilweise geschnittene Darstellung eines Bereichs eines nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe; und
Fig. 8:
ein schematisiertes Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffsystem und einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe gemäß Fig. 1.
Beschreibung der Ausführungsbeipiele
In Fig. 1 trägt eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe insgesamt das Bezugszeichen 10. Von ihr ist in der Figur nur ein Endbereich dargestellt. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 umfasst ein Gehäuse 12, in welches eine Stufenbohrung 14 eingebracht ist. Transversal zur Längsachse der Stufenbohrung 14 sind im Gehäuse 12 ferner zwei Strömungskanäle 16 und 18 vorhanden. Der in Fig. 1 obere Strömungskanal 16 führt zu einem Niederdruck-Einlass 20 für den Kraftstoff. Der in Fig. 1 untere Strömungskanal 18 führt zu einem Hochdruck-Auslass 22. In einem unteren Bereich 24 der Stufenbohrung 14 ist ein Pumpenkolben 26 axial beweglich geführt. In einen oberen Bereich 28 der Stufenbohrung 14 ist ein Ventilgehäuse 30 eingesetzt. Dieses ist gegenüber der Stufenbohrung 14 durch eine O-Ringdichtung 32 abgedichtet, welche in eine Ringnut (ohne Bezugszeichen) in der Wand der Stufenbohrung 14 eingelegt ist. Zwischen dem Ventilgehäuse 30 und dem Pumpenkolben 26 ist ein Pumpraum 34 vorhanden.
In dem Ventilgehäuse 30 sind ein Rückschlagventil 36 und ein Steuerventil 38 untergebracht. Auf deren genaue Ausbildung wird weiter unten im Detail Bezug genommen. Auf das Ventilgehäuse 30 ist eine Betätigungseinheit 40 aufgesetzt. Die Betätigungseinheit 40 ist gegenüber dem Pumpengehäuse 12 durch eine O-Ringdichtung 42 abgedichtet, die in eine Ringnut (ohne Bezugszeichen) in der Oberseite des Pumpengehäuses 12 eingelegt ist. Die Betätigungseinheit 40 ist über Schrauben (ohne Bezugszeichen) am Pumpengehäuse 12 befestigt. Ihre Aufgabe ist weiter unten im Detail erläutert. Die Befestigung der Betätigungseinheit 40 am Ventilgehäuse 30 erfolgt unlösbar über einen Bördel 41. Die Betätigungseinheit 40, das Steuerventil 38, das Rückschlagventil 36 und das Ventilgehäuse 30 bilden zusammen ein Ventilmodul 44.
Das Ventilgehäuse 30 hat insgesamt zylindrische Getalt. Es wird in seiner Längsrichtung von einer zentrischen Stufenbohrung 46 durchsetzt. In die Stufenbohrung 46 ist in Fig. 1 von oben her ein stangenförmiges Ventilelement 48 eingeführt, welches mit einem abgerundeten Ende mit einem in Fig. 1 unteren Bereich der Stufenbohrung 36 vorhandenen Ventilsitz 50 zusammenarbeitet. Das Ventilelement 48 und der Ventilsitz 50 sind Teil des Steuerventils 38.
Das Ventilelement 48 erstreckt sich nach oben aus dem Ventilgehäuse 30 heraus in die Betätigungseinheit 40 hinein. An dem vom Ventilsitz 50 entfernten Ende des Ventilelements 48 ist ein zylindrischer Anker 52 befestigt. Ein Deckel 56 schließt die Betätigungseinheit 40 nach oben hin ab. Ferner ist in der Betätigungseinheit 40 ein ringförmiger Magnet 86 vorgesehen, welcher bei einer Bestromung den Anker 52 in Fig. 1 nach unten bewegt, so dass das Ventilelement 48 in den Ventilsitz 50 gedrückt wird.
Unterhalb des Ventilsitzes 50 bildet die Stufenbohrung 46 einen Strömungskanal 58, der in den Pumpraum 34 mündet. Oberhalb des Ventilsitzes 50 hat die Stufenbohrung 46 einen größeren Durchmesser als das Ventilelement 48, so dass ein Ventilraum 60 gebildet wird. Dieser ist über eine Mehrzahl von radial verlaufenden Strömungskanälen 62 mit einer umlaufenden Nut 64 verbunden, welche in die Außenwand des Ventilgehäuses 30 eingebracht ist. In der in Fig. 1 dargestellten Einbaulage liegt die Nut 64 auf Höhe eines erweiterten Abschnitts 66 der Stufenbohrung 14 im Pumpengehäuse 12. Hierdurch wird ein Ringraum 68 gebildet. Von diesem zweigt zum Niederdruck-Einlass 20 hin der bereits oben eingeführte Stömungskanal 16 ab.
Das Rückschlagventil 36 ist folgendermaßen aufgebaut: Im Ventilgehäuse 30 verlaufen von der umlaufenden Nut 64 mehrere im Wesentlichen axiale Strömungskanäle 70 schräg nach unten und etwas radial nach innen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Strömungskanäle 70 vorgeehen, von denen in Fig. 1 zwei sichtbar sind. Die Strömungskanäle 70 münden in die Unterseite des Ventilgehäuses 30. Die Öffnungen der Strömungskanäle 70 in der Unterseite des Ventilgehäuses 30 sind dort von einem ringförmigen Ventilsitz 72 umgeben. Dieser besteht aus einem zum Ventilgehäuse 30 koaxialen und radial inneren Ringsteg 72a und einem ebenfalls zum Ventilgehäuse 30 koaxialen und radial äußeren Ringsteg 72b.
Auf den ringförmigen Ventilsitz 72 auf der Unterseite des Ventilgehäuses 30 wird mit geringer Kraft von einer Druckfeder 74 ein scheibenringförmiges Ventilelement 76 gedrückt. Bei dem scheibenringförmigen Ventilelement 76 handelt es sich um ein dünnes Metallplättchen. Die Druckfeder 74 stützt sich an einem axial verlaufenden ringförmigen Stützelement 78 ab. Dieses ist mit seinem oberen Rand an das Ventilgehäuse 30 angeschweißt. An seinem in Fig. 1 unteren Ende weist das Stützelement 78 einen radial nach innen weisenden Ringsteg 80 auf, an dem die Druckfeder 74 anliegt. An dem scheibenringförmigen Ventilelement 76 des Rückschlagventils 36 sind über den Umfang verteilt radiale Ausnehmungen 82 vorhanden. Im Stützelement 78 sind entsprechende, in der Figur nicht sichtbare Öffnungen vorgesehen.
Wie ohne Weiteres aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind einerseits die Elemente des Rückschlagventils 36, also die Mehrzahl axialer Strömungskanäle 70 und ringförmiger Ventilsitze 72, die Druckfeder 74, das scheibenringförmige Ventilelement 76 und das Stützelement 78, koaxial zu den Elementen des Steuerventils 38, also insbesondere der Stufenbohrung 46 im Ventilgehäuse 30, dem Ventilelement 48 und dem Ventilsitz 50, angeordnet. Des Weiteren erkennt man, dass die umlaufende Nut 64 einen gemeinsamen Anschluss des Rückschlagventils 36 und des Steuerventils 38 zum Niederdruck-Einlass hin bildet.
Als weiteres Element der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 sei noch ein Rückschlagventil 84 erwähnt, welches im unteren Strömungskanal 18 zwischen dem Pumpraum 34 und dem Hochdruck-Auslass 22 vorhanden ist. Bei diesem Rückschlagventil 84 handelt es sich um ein normales federbelastetes Kugelventil, welches zum Hochdruck-Auslass 22 hin öffnet.
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 arbeitet folgendermaßen (vgl. auch Fig. 2 - 6; es sei darauf hingewiesen, dass insbesondere in den Fig. 2 - 4 aus Darstellungsgründen nicht alle Teile und Bezugszeichen eingezeichnet sind; ferner sind in den Figuren 2 bis 4 das Steuerventil 38 und das Rückschlagventil 36 in einer von Figur 1 unterschiedlichen Ausrichtung gegenüber der Längsachse des Kolbens 26 dargestellt):
Wie aus den Fig. 2 - 4 ersichtlich ist, wird der Pumpenkolben 26 von einem Nocken 88 angetrieben, welcher auf einer sich im Uhrzeigersinn drehenden Welle 90 befestigt ist. Im Allgemeinen wird die Welle 90 direkt von einer Kurbelwelle einer zugehörigen Brennkraftmaschine angetrieben. In dem in Fig. 2 dargetellten Betriebszustand der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 bewegt sich der Pumpenkolben 26 nach unten (Saughub, vgl. Fig. 5). Hierdurch vergrößert sich der Pumpraum 34. Der Druck im Pumpraum 34 ist in diesem Betriebszustand der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 niedriger als der Druck am Hochdruck-Auslass 22, so dass das Rückschlagventil 84 geschlossen ist. Der Magnet 86 des Steuerventils 38 ist in diesem Betriebszustand der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 bestromt. Somit wird das Ventilelement 48 gegen den Ventilsitz 50 gedrückt; das Steuerventil 38 ist also geschlossen (vgl. Fig. 6, linker Bereich).
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Pumpraum 34 und dem Niederdruck-Einlass 20 ein bestimmtes Maß übersteigt, hebt das scheibenringförmige Ventilelement 76 des Rückschlagventils 36 von der Unterseite des Ventilgehäuses 30 und dem dort vorhandenen Ventilsitz 72 ab. Somit kann Kraftstoff vom Niederdruck-Einlass 20 über den oberen Strömungskanal 16, den Ringraum 68 und die axialen Strömungskanäle 70 in den Pumpraum 34 strömen, wodurch dieser mit Kraftstoff befüllt wird.
Der Kraftstoff strömt dabei zum einen zwischen dem scheibenringförmigen Ventilelement 76 und dem radial inneren Ringsteg 72a und die zentrale Öffnung (ohne Bezugszeichen) im scheibenringförmigen Ventilelement 76 zum Pumpraum 34. Andererseits strömt Kraftstoff auch zwischen dem radial äußeren Ringsteg 72b und dem scheibenringförmigen Ventilelement 76 durch die radialen Ausnehmungen 82 und die entsprechenden Ausnehmungen im Stützelement 78 in den Pumpraum 34. Insoweit ist das Rückschlagventil 36 also als Doppelsitzventil ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass sich ein geringerer Ventilhub einstellt, was besonders bei hoher Drehzahl und somit schnellen Bewegungen des Pumpenkolbens 76 im Hinblick auf die gewünschte Ventildynamik von Vorteil ist.
Nach dem Erreichen des unteren Totpunktes wird der Pumpenkolben 26 vom Nocken 88 wieder nach oben gedrückt (vgl. Fig. 3). Diese Bewegung wird auch als Förderhub bezeichnet (vgl. Fig. 5). Da sich im Pumpraum 34 nun ein höherer Druck einstellt als im Niederdruck-Einlass 20, wird das scheibenringförmige Ventilelement 76 des Rückschlagventils 36 gegen den Ventilsitz 72 an der Unterseite des Ventilsgehäuses 30 gepresst. Das Rückschlagventil 36 ist somit geschlossen. Das Ventilelement 48 des Steuerventils 38 wird weiterhin über den Magnet 86 gegen den Ventilsitz 50 gedrückt. Auch das Steuerventil 38 ist also geschlossen.
Somit erhöht sich der Druck des im Pumpraum 34 eingeschlossenen Kraftstoffes. Dies geschieht so lange, bis die Druckdifferenz zwischen dem im Pumpraum 34 eingeschlossenen Kraftstoff und dem Kraftstoff am Hochdruck-Auslass 22 so groß ist, dass das Rückschlagventil 84 öffnet. Dann strömt der Kraftstoff aus dem Pumpraum 34 durch den unteren Strömungskanal 18 zum Hochdruck-Auslass 22 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 hin.
Damit der Druck des Kraftstoffs am Hochdruck-Auslass 22 einen bestimmten Wert nicht übersteigt, muss die von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 zum Hochdruck-Auslass 22 hin geförderte Kraftstoffmenge gesteuert werden. Dies erfolgt dadurch, dass während des Förderhubs der Magnet 86 des Steuerventils 38 abgeschaltet wird. Hierdurch wird der Anker 52 durch den Druck im Pumpraum 34 in Fig. 1 nach oben bewegt. Somit hebt das Ventilelement 48 vom Ventilsitz 50 ab (vgl. Fig. 6, Mitte), so dass Kraftstoff aus dem Pumpraum 34 über die Stufenbohrung 46 und den Ringraum 68 zum oberen Strömungskanal 16 und zum Niederdruck-Einlass 20 hin abströmen kann. Da nun der Druck im Pumpraum 34 (schlagartig) wieder absinkt, schließt das Rückschlagventil 84, so dass kein Kraftstoff vom Hochdruck-Auslass 22 über den Pumpraum 34 zum Niederdruck-Einlass 20 hin strömen kann.
Das Öffnen des Steuerventils 38 gegen Ende eines Förderhubs ist im Übrigen in Fig. 4 dargestellt. Durch eine geeignete Wahl des Zeitpunkts, zu dem das Steuerventil 38 während eines Förderhubs öffnet, kann die während eines Förderhubs vom Pumpräum 34 zum Hochdruck-Auslass 22 hin geförderte Kraftstoffmenge eingestellt werden.
In Fig. 7 ist ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 dargestellt. Solche Elemente, Bereiche und Bauteile, welche funktionsäquivalent zu Elementen, Bereichen und Bauteilen des in den Fig. 1 - 6 beschriebenen Ausführungsbeispiels sind, tragen die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
Der Unterschied zu dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel betrifft die Anordnung des Rückschlagventils 36 und des Steuerventils 38. Während bei dem in den Fig. 1 - 6 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 das Rückschlagventil 36 und das Steuerventil 38 koaxial zueinander angeordnet waren, ist bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel das Steuerventil 38 neben dem Rückschlagventil 36 angeordnet.
Fig. 8 zeigt eine Brennkraftmaschine 92, in die ein Kraftstoffsystem 94 eingebaut ist. Dieses umfasst einen Kraftstoffbehälter 96, aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 98 den Kraftstoff zu einem Niederdruck-Einlass 20 einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 fördert. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 ist in der in den Fig. 1 - 6 bzw. in Fig. 7 dargestellten Art aufgebaut.
Von einem Hochdruck-Auslass 22 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 wird der Kraftstoff zu einer Kraftstoff-Sammelleitung, gemeinhin auch als "Rail" bezeichnet, gefördert. Die Kraftstoff-Sammelleitung hat das Bezugszeichen 100. An die Kraftstoff-Sammelleitung 100 sind mehrere Hochdruck-Einspritzventile, beispielsweise Injektoren 102, angeschlossen. Diese spritzen den Kraftstoff direkt in entsprechende Brennräume 104 ein. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 100 wird von einem Drucksensor 106 erfasst. Dieser liefert entsprechende Signale an ein Steuer- und/oder Regelgerät 108. Dieses wiederum steuert das magnetische Steuerventil (in Fig. 8 ohne Bezugszeichen) der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 an, um den Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 100 im Sinne einer geschlossenen Regelstrecke auf einem gewünschten Niveau zu halten.

Claims (9)

  1. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10), insbesondere für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen (92), mit einem Gehäuse (12), welches einen Niederdruck-Einlass (20) und einen Hochdruck-Auslass (22) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (12) vorhandenen Pumpraum (34), welcher mit dem Niederdruck-Einlass (20) und dem Hochdruck-Auslass (22) verbindbar ist, mit einem Steuerventil (38), welches den Pumpraum (34) mit dem Niederdruck-Einlass (20) unmittelbar verbinden kann und zum Niederdruck-Einlass (20) hin öffnet, und mit einem Rückschlagventil (36) mit einem vom Steuerventil (38) separaten Ventilelement (76), welches zwischen Niederdruck-Einlass (20) und Pumpraum (34) angeordnet ist und unmittelbar zum Pumpraum (34) hin öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (36) und das Steuerventil (38) in einem gemeinsamen Ventilmodul (44) untergebracht sind, welches wenigstens bereichsweise in das Pumpengehäuse (12) eingesetzt ist und für das Steuerventil (38) und das Rückschlagventil (36) einen gemeinsamen Anschluss (64) zum Niederdruck-Einlass (20) hin aufweist, und dass die Elemente des Rückschlagventils (36) und die Elemente des Steuerventils (38) zueinander koaxial in dem Ventilmodul (44) angeordnet sind.
  2. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (38) radial innen liegt und das Rückschlagventil (36) eine Mehrzahl von Strömungskanälen (70) umfasst, welche radial außen um mindestens einen Bereich des Steuerventils (38) im Ventilmodul (44) vorgesehen sind.
  3. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (36) ein scheibenringförmiges Ventilelement (76) umfasst.
  4. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement des Rückschlagventils (36) ein dünnes Plättchen (76) umfasst.
  5. Hochdruck-Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (36) als Doppelsitzventil ausgebildet ist.
  6. Hochdruck-Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmodul (44) zum Pumpraum (34) hin mindestens einen Stützabschnitt (78) umfasst, an dem sich ein Vorspannelement (74) abstützt, welches das Ventilelement (76) des Rückschlagventils (36) gegen den zugehörigen Ventilsitz (72) beaufschlagt.
  7. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützabschnitt (78) einstückig mit einem gemeinsamen Ventilgehäuse (30) ausgebildet ist.
  8. Kraftstoffsystem (94) mit einem Kraftstoffbehälter (96), mit mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (102), welche den Kraftstoff direkt in den Brennraum (104) einer Brennkraftmaschine (92) einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10), und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung (100), an die die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (102) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
  9. Brennkraftmaschine (92) mit mindestens einem Brennraum (104), in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kraftstoffsystem (94) nach Anspruch 8 aufweist.
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