EP2670971B1 - Pumpeneinheit für eine hochdruckpumpe - Google Patents

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EP2670971B1
EP2670971B1 EP12702790.2A EP12702790A EP2670971B1 EP 2670971 B1 EP2670971 B1 EP 2670971B1 EP 12702790 A EP12702790 A EP 12702790A EP 2670971 B1 EP2670971 B1 EP 2670971B1
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pump
piston
pressure
working space
spring element
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EP12702790.2A
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Michael Absmeier
Xaver GEBHARDT
Anatoliy Lyubar
Danica Stegemann
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Continental Automotive GmbH
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    • F02M2200/315—Fuel-injection apparatus having hydraulic pressure fluctuations damping elements for damping fuel pressure fluctuations

Definitions

  • the invention relates to a pump unit for a high-pressure pump.
  • High-pressure pumps are regularly used to deliver fluid for a storage injection system for internal combustion engines of motor vehicles.
  • the high-pressure pump is intended to adapt an amount of fuel to be delivered to a consumption of the internal combustion engine at a corresponding load operating point.
  • CH 158 033 A and US 4,449,504 A each describe a fuel pump for fuel injection engines, in which a pump piston and a pump piston opposite the accumulator piston are coupled directly hydraulically to a working space, the accumulator piston is spring loaded and so can cushion pressure fluctuations in the working space.
  • the object of the invention is to provide a pump unit for a high-pressure pump, which makes it possible to adapt a quantity of a working medium to be conveyed to predetermined requirements.
  • the pump unit should be inexpensive to produce and have good energy efficiency.
  • the invention is characterized by a pump unit for a high-pressure pump.
  • the pump unit includes a pump housing with a low pressure inlet and a high pressure outlet. Via the low-pressure inlet, a working medium is supplied to a working space formed in the pump housing. The working medium is discharged from the working space via the high-pressure outlet.
  • the pump unit comprises a pump piston channel formed in the pump housing with a longitudinal axis. Furthermore, the pump unit has a pump piston, which is arranged movably in the pump piston channel along the longitudinal axis and which is coupled directly hydraulically to the working space.
  • the pump unit includes a balance piston directly hydraulically coupled to the working space and movably disposed in a balance piston passage along a second axis which is the longitudinal axis, the balance piston passage being disposed opposite to the pump piston passage along the longitudinal axis. Furthermore, the pump unit has a spring element which is mechanically coupled to an end of the compensating piston facing away from the working space and which is designed to influence a position of the compensating piston as a function of a force acting on the spring element. This allows a very flexible solution, since the spring element can be arranged instead of in the pump housing in other components of the high-pressure pump, for example in a pressure equalization vessel of the high-pressure pump.
  • the spring element and the compensation piston channel are combined with the low-pressure inlet and / or high-pressure outlet.
  • This has the advantage that, for example, already existing high-pressure pumps and / or high-pressure pump concepts can be retrofitted with such a compensation device, for example, by replacing a low-pressure input assembly.
  • the spring element causes that in the delivery stroke of the pump piston on reaching the desired pressure in the working space of the balance piston is moved out of the working space, and so the volume of the working space remains substantially constant in the continuation of the course of the delivery stroke of the pump piston.
  • the balance piston comprises an inlet valve.
  • the pump unit comprises a pump housing with a low-pressure inlet and a high-pressure outlet. Via the low-pressure inlet, a working medium is supplied to a working space formed in the pump housing. The working medium is discharged from the working space via the high-pressure outlet. Furthermore, the pump unit comprises a pump piston channel formed in the pump housing with a longitudinal axis. The pump unit has a first pump piston, which is arranged movably in the pump piston channel along the longitudinal axis and which is hydraulically coupled to the working space.
  • the pump unit has a second pump piston, which is arranged movably in the pump piston channel along the longitudinal axis and which is coupled via a spring element to the first pump piston, wherein the spring element is formed, depending on a pressure in the working space a distance between the first and to adapt to the second pump piston.
  • the spring element is designed to leave the distance between the first and second pump pistons essentially unchanged during a delivery stroke of the second pump piston until a predetermined pressure in the working space has been reached, and in the sense of a Keeping constant the pressure in the working space in the course of a continuation of the delivery stroke to adjust the distance.
  • the spring element causes that in the delivery stroke of the second pump piston on reaching the desired pressure in the working space of the first pump piston substantially comes to a standstill and thus no further amount of the working fluid is conveyed into the working space.
  • the first pump piston and the second pump piston form a unit which operates in substantially the same way as a one-part pump piston known from the prior art.
  • the pressure in the working space by means of the second pump piston is limited to a maximum value of approximately 250 bar.
  • the pump unit comprises a pump housing with a low-pressure inlet and a high-pressure outlet. Via the low-pressure inlet, a working medium is supplied to a working space formed in the pump housing. The working medium is discharged from the working space via the high-pressure outlet. Furthermore, the pump unit comprises a pump piston channel formed in the pump housing with a longitudinal axis. The pump unit has a first pump piston, which is arranged movably in the pump piston channel along the longitudinal axis and which is hydraulically coupled to the working space.
  • the pump unit has a second pump piston, which is arranged movably in the pump piston channel along the longitudinal axis and which is hydraulically coupled via a compensation volume to the first pump piston, wherein the compensation volume is hydraulically coupled to a compensation unit, which is designed to adjust the compensation volume depending on a pressure in the working space.
  • the invention has the advantage that a separate between a fuel tank and the pump unit electromagnetic flow control valve is not required and / or adjusting the flow rate, for example, a current fuel consumption of the internal combustion engine by throttling an inlet flow and / or by Abreten an unneeded, compressed fuel quantity not is required. For example, by controlling the unnecessary amount of fuel with a pressure relief valve, the energy efficiency can deteriorate remarkably.
  • the compensation unit is designed to leave the compensating volume essentially unchanged during a delivery stroke of the second pump piston until a predetermined pressure in the working space is reached and to adjust the compensation volume in the course of a continuation of the delivery stroke in order to keep the pressure in the working space constant ,
  • the compensation unit has the effect that during a delivery stroke of the second pump piston when the desired pressure in the working space is reached, the first pump piston essentially comes to a standstill and thus no further quantity of the working fluid is conveyed into the working space.
  • the first pump piston and the second pump piston form a unit that operates in substantially the same way as a one-piece pump piston known from the prior art.
  • the pump unit comprises a pump housing with a low-pressure inlet and a high-pressure outlet. Via the low-pressure inlet, a working medium is supplied to a working space formed in the pump housing. The working medium is discharged from the working space via the high-pressure outlet.
  • the pump unit comprises a pump piston channel formed in the pump housing with a longitudinal axis. Furthermore, the pump unit has a pump piston, which is arranged movably in the pump piston channel along the longitudinal axis and which is coupled directly hydraulically to the working space.
  • the pump unit comprises a balancing piston which is directly hydraulically coupled to the working space and which is movably arranged in a balancing piston channel along a further axis.
  • the pump unit has a spring element which is mechanically coupled to an end of the compensating piston facing away from the working space and which is designed to influence a position of the compensating piston, depending on a force acting on the spring element.
  • the balance piston comprises an inlet valve.
  • the spring element has a spring characteristic with a degressive course.
  • the spring element may have a plate spring.
  • the spring element has a predetermined bias.
  • FIG. 6 shows a hydraulic diagram of a storage injection system 200 for internal combustion engines.
  • the accumulator injection system 200 has a prefeed pump 210 for delivering fuel from a fuel tank (not shown). Downstream of the feed pump 210, a filter and damping unit 212 is arranged. Downstream of the prefeed pump 210 and the filter and damping unit 212, a high pressure pump 214 with at least one pump unit 10 is further arranged.
  • the pump unit 10 has an inlet valve 216 and an outlet valve 218.
  • the inlet valve 216 is preferably designed as a digital inlet valve, by means of which the volume flow is controlled at the inlet of the pump unit 10.
  • the high-pressure pump 214 the fuel is conveyed to a fuel reservoir 220 in order to get from there to (not shown) injection valves.
  • FIG. 1 shows a first example of the pump unit 10 of the high pressure pump 214.
  • the high pressure pump 214 may be formed, for example, as a radial piston pump.
  • the high pressure pump 214 may be provided for fueling a high pressure accumulator injection system, such as a common rail injection system.
  • the pump unit 10 comprises a pump housing 15 with a low-pressure inlet 17 and a high-pressure outlet 19.
  • the low-pressure inlet 17 has, for example, a supply line. which is preferably hydraulically coupled to the working space 20 by means of an inlet valve.
  • the inlet valve serves to prevent a backflow into the supply line, in particular when filling and compressing the working medium.
  • the high-pressure outlet 19 has a drain line and an outlet valve which is preferably arranged in this outlet.
  • the outlet valve is formed, for example, as a high-pressure valve, which allows only from a predetermined fluid pressure in the working chamber 20, an ejection of the working fluid from the working space 20 in the drain line.
  • the outlet valve prevents backflow of the working medium, for example from a rail, into the pump unit 10.
  • the pump unit 10 further comprises a pump piston 30, which is arranged in a pump piston channel 36 formed in the pump housing 15.
  • the pump piston channel 36 has a longitudinal axis L1 along which the pump piston 30 is movably arranged.
  • the pump piston 30 is hydraulically coupled directly to the working space 20.
  • the working medium for example the fuel
  • the working medium located in the working space 20 is compressed or discharged via the outlet valve under high pressure to the discharge line, the inlet valve being closed.
  • the pump unit 10 has a balancing piston 40.
  • the balance piston 40 is arranged in a balance piston channel 45.
  • the compensation channel has a second Axis A2 along which the balance piston 40 is movably arranged in the compensation channel.
  • the compensating piston 40 is likewise directly hydraulically coupled to the working space 20.
  • the pump unit 10 comprises a spring element 50.
  • the spring element 50 is mechanically coupled to the first end of the compensating piston 40 facing away from the working space 20.
  • the spring element 50 is designed to influence a position of the compensation piston 40 as a function of a force acting on the spring element 50.
  • the spring element 50 may in this case have, for example, a degressive spring characteristic.
  • the balance piston 40 starts a movement only when the pressure in the working space 20 exceeds a predetermined value.
  • this predetermined pressure in the working space 20 is approximately 245 bar.
  • the balance piston 40 stops its movement as soon as the pressure in the working space 20 exceeds another predetermined value.
  • this further predetermined pressure in the working space 20 is approximately 258 bar. It can thus be achieved that at a pressure in the working space 20 of approximately 245 bar, the compensating piston 40 compensates for the change in volume in the working space 20 by the pump piston 30, and thus a further increase in pressure in the Working space 20 can be avoided.
  • the pressure in the working chamber 20 can be limited by means of the compensating piston 40 to a value of about 245 bar. This is especially shown in FIG.
  • FIG. 8a the pressure curves at the outlet of the pump unit 10 ( FIG. 8a ) and in the fuel storage 220 ( FIG. 8b ) as well as injector injection quantities as a function of a rotational speed of the pump unit 10 (FIG. FIG. 8c ).
  • FIG. 8a the pressure at the outlet of the pump unit 10 by means of the balance piston 40, in particular at higher speeds (here from about 4,800) can be limited to a value of about 245 bar (see boundary G between the dark and the lighter area).
  • the compensating piston 40 may for example be arranged in the pump housing 15 such that the longitudinal axis L1 of the pump piston channel 36 and the second axis A2 include a predetermined angle.
  • the compensating piston channel 45 can also be arranged opposite the pump piston channel 36 along the longitudinal axis L1.
  • the spring element 50 can be arranged, for example, in a further vessel 60 of the pump unit 10. In the vessel 60, the spring element 50 may be arranged such that the spring element 50 has a bias voltage.
  • FIG. 2 shows a second example of the pump unit 10, in which the spring element 50 is arranged in a pressure equalization vessel 60 '.
  • the spring element 50 can additionally be used to dampen pressure pulsations. This is in the in FIG. 2 shown embodiment between the balance piston 40 and the spring element 50, a movable member 70, for example, a rolling diaphragm, clamped.
  • FIG. 3 shows an inventive embodiment of the pump unit 10, wherein the pump unit 10 has a combined arrangement of the balance piston 40 and the inlet valve.
  • the balance piston 40 includes the inlet valve
  • FIG. 4 shows an embodiment of the pump unit 10 not belonging to the invention.
  • the pump unit 10 has a first pump piston 32 and a second pump piston 34.
  • the first pump piston 32 is movably arranged in the pump piston channel 36 along the longitudinal axis L1 and directly hydraulically coupled to the working space 20.
  • the second pump piston 34 is also movably arranged in the pump piston channel 36 along the longitudinal axis L1 and is coupled via the spring element 50 with the first Pumping piston 32, wherein the spring element 50 is formed, depending on a pressure in the working space 20 to adjust a distance between the first 32 and the second pump piston 34.
  • the spring element 50 is designed to leave the distance between the first 32 and second pump piston 34 substantially unchanged during a delivery stroke of the second pump piston 34 until a predetermined pressure in the working space 20 is reached, and to keep the pressure in the working space 20 constant in the process Course of a continuation of the delivery stroke of the second pump piston 34 to adjust the distance.
  • the first pump piston 32 has at a second pump piston 34 facing first End of a recess 90. In the recess 90, the spring element 50 is arranged. Alternatively, the spring element may be arranged outside of the first pump piston.
  • the second pump piston 34 has a plunger 80 at a first end facing the first pump piston 32. The plunger 80 is mechanically coupled to the spring element 50.
  • FIG. 5 shows an example of the pump unit 10.
  • the second pump piston 34 is hydraulically coupled to the first pump piston 32 via a compensation volume 100, wherein the compensation volume 100 is hydraulically coupled to a compensation unit 110, which is designed to adjust the compensation volume 100 depending on a pressure in the working space 20.
  • the compensation unit 110 is designed, for example, to leave the compensation volume 100 essentially unchanged during a delivery stroke of the pump piston until a predetermined pressure in the working space 20 is reached and in order to keep the pressure in the working space 20 constant in the course of a continuation of the delivery stroke, the compensation volume 100 adapt.
  • the compensation unit 110 includes, for example, a compensation chamber 120, which is arranged in the pump housing 15.
  • the compensation chamber has an opening, via which the compensation chamber is hydraulically coupled without resistance to a pump inlet.
  • the compensation unit 110 comprises a further spring element 50 ', which is arranged in the compensation chamber 120.
  • the compensation unit 110 further comprises a piston 130, which is arranged movably in the compensation chamber 120 along a third axis.
  • the piston is mechanically coupled at a first end to the further spring element 50 'and to a second end directly hydraulically coupled with the working volume.
  • the further spring element 50 ' may have a spring characteristic with a degressive course. Further, the further spring element 50 'may be arranged and configured such that it has a predetermined bias voltage.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Pumpeneinheit für eine Hochdruckpumpe.
  • Hochdruckpumpen werden regelmäßig zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet. Speichereinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, so zum Beispiel in Common-Rail-Systemen, sollen den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck bereitstellen können. Die Hochdruckpumpe soll eine zu fördernde Brennkraftstoffmenge einem Verbrauch der Brennkraftmaschine bei einem entsprechenden Lastarbeitspunkt anpassen.
  • CH 158 033 A und US 4 449 504 A beschreiben jeweils eine Brennstoffpumpe für Kraftstoffeinspritzmaschinen, bei der ein Pumpenkolben und ein dem Pumpenkolben gegenüberliegender Speicherkolben direkt hydraulisch mit einem Arbeitsraum gekoppelt sind, wobei der Speicherkolben federbelastet ist und so Druckschwankungen in dem Arbeitsraum abfedern kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpeneinheit für eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die ermöglicht, eine Menge eines zu fördernden Arbeitsmediums an vorgegebene Anforderungen anzupassen. Zugleich soll die Pumpeneinheit kostengünstig herstellbar sein und einen guten energetischen Wirkungsgrad aufweisen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Pumpeneinheit für eine Hochdruckpumpe. Die Pumpeneinheit umfasst ein Pumpengehäuse mit einem Niederdruckeingang und einem Hochdruckausgang. Über den Niederdruckeingang wird einem in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Arbeitsraum ein Arbeitsmedium zugeführt. Über den Hochdruckausgang wird das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abgeleitet. Die Pumpeneinheit umfasst einen in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Pumpkolbenkanal mit einer Längsachse. Ferner weist die Pumpeneinheit einen Pumpkolben auf, der entlang der Längsachse beweglich in dem Pumpkolbenkanal angeordnet ist und der direkt hydraulisch mit dem Arbeitsraum gekoppelt ist. Die Pumpeneinheit umfasst einen Ausgleichskolben, der direkt hydraulisch mit dem Arbeitsraum gekoppelt ist und der in einem Ausgleichskolbenkanal entlang einer zweiten Achse, die die Längsachse ist, beweglich angeordnet ist, wobei der Ausgleichskolbenkanal gegenüber dem Pumpkolbenkanal entlang der Längsachse angeordnet ist. Des Weiteren weist die Pumpeneinheit ein Federelement auf, das an einem dem Arbeitsraum abgewandten Ende des Ausgleichskolbens mit diesem mechanisch gekoppelt ist und das ausgebildet ist, abhängig von einer Kraft, die auf das Federelement wirkt, eine Position des Ausgleichskolbens zu beeinflussen. Dies ermöglicht eine sehr flexible Lösung, da das Federelement anstatt in dem Pumpengehäuse in weiteren Komponenten der Hochdruckpumpe, beispielsweise in einem Druckausgleichsgefäß der Hochdruckpumpe, angeordnet werden kann. Beispielsweise ist auch möglich, dass das Federelement und der Ausgleichskolbenkanal mit dem Niederdruckeingang und/oder Hochdruckausgang kombiniert angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bereits existierende Hochdruckpumpen und/oder Hochdruckpumpenkonzepte nachträglich mit solch einer Ausgleichsvorrichtung ausgestattet werden können, beispielsweise durch einen Austausch einer Niederdruckeingangsbaugruppe. Vorteilhafterweise bewirkt das Federelement, dass bei dem Förderhub des Pumpkolbens bei Erreichen des gewünschten Drucks im Arbeitsraum der Ausgleichskolben aus dem Arbeitsraum heraus bewegt wird, und so bei der Fortsetzung des Verlaufs des Förderhubs des Pumpkolben das Volumen des Arbeitsraums im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Der Ausgleichskolben umfasst ein Einlassventil.
  • Gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Aspekt umfasst die Pumpeneinheit ein Pumpengehäuse mit einem Niederdruckeingang und einem Hochdruckausgang. Über den Niederdruckeingang wird einem in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Arbeitsraum ein Arbeitsmedium zugeführt. Über den Hochdruckausgang wird das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abgeleitet. Ferner umfasst die Pumpeneinheit einen in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Pumpkolbenkanal mit einer Längsachse. Die Pumpeneinheit weist einen ersten Pumpkolben auf, der in dem Pumpkolbenkanal entlang der Längsachse beweglich angeordnet ist und der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Arbeitsraum. Ferner weist die Pumpeneinheit einen zweiten Pumpkolben auf, der in dem Pumpkolbenkanal entlang der Längsachse beweglich angeordnet ist und der über ein Federelement gekoppelt ist mit dem ersten Pumpkolben, wobei das Federelement ausgebildet ist, abhängig von einem Druck in den Arbeitsraum einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpkolben anzupassen. Das Federelement ist ausgebildet, bei einem Förderhub des zweiten Pumpkolbens bis zum Erreichen eines vorgegebenen Drucks in dem Arbeitsraum den Abstand zwischen dem ersten und zweiten Pumpkolben im Wesentlichen unverändert zu lassen und im Sinne eines Konstanthaltens des Drucks in dem Arbeitsraum im Verlauf einer Fortsetzung des Förderhubs den Abstand anzupassen.
  • Vorteilhafterweise bewirkt das Federelement, dass bei dem Förderhub des zweiten Pumpkolbens bei Erreichen des gewünschten Drucks im Arbeitsraum der erste Pumpkolben im Wesentlichen zum Stillstand kommt und somit keine weitere Menge des Arbeitsmittels in den Arbeitsraum gefördert wird. Bis zum Erreichen des gewünschten Drucks in dem Arbeitsraum bilden der erste Pumpkolben und der zweite Pumpkolben eine Einheit, die im Wesentlichen in gleicher Weise arbeitet wie ein aus dem Stand der Technik bekannter einteiliger Pumpkolben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Druck in dem Arbeitsraum mittels des zweiten Pumpkolbens auf einen Wert von maximal cirka 250 bar begrenzt.
  • Gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Aspekt dere Erfindung umfasst die Pumpeneinheit ein Pumpengehäuse mit einem Niederdruckeingang und einem Hochdruckausgang. Über den Niederdruckeingang wird einem in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Arbeitsraum ein Arbeitsmedium zugeführt. Über den Hochdruckausgang wird das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abgeleitet. Des Weiteren umfasst die Pumpeneinheit einen in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Pumpkolbenkanal mit einer Längsachse. Die Pumpeneinheit weist einen ersten Pumpkolben auf, der in dem Pumpkolbenkanal entlang der Längsachse beweglich angeordnet ist und der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Arbeitsraum. Ferner weist die Pumpeneinheit einen zweiten Pumpkolben auf, der in dem Pumpkolbenkanal entlang der Längsachse beweglich angeordnet ist und der über ein Ausgleichsvolumen hydraulisch gekoppelt ist mit dem ersten Pumpkolben, wobei das Ausgleichsvolumen hydraulisch gekoppelt ist mit einer Ausgleichseinheit, die ausgebildet ist, abhängig von einem Druck in dem Arbeitsraum das Ausgleichsvolumen anzupassen.
  • Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Regelung des Volumenstroms des Arbeitsmediums, vorzugsweise eines Kraftstoffes, mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen und kann einen Beitrag leisten dazu, dass die Pumpeneinheit und somit die Hochdruckpumpe einen guten energetischen Wirkungsgrad aufweisen kann. Die Einsparung von Bauteilen ermöglicht eine kostengünstige Herstellung. Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein zwischen einem Kraftstofftank und der Pumpeneinheit gesondertes elektromagnetisches Volumenstromregelventil nicht erforderlich ist und/oder ein Anpassen des Volumenstroms an beispielsweise einen aktuellen Brennkraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine durch Drosseln eines Zulaufstroms und/oder durch Absteuern einer nicht benötigten, verdichteten Kraftstoffmenge nicht erforderlich ist. Beispielsweise kann sich durch ein Absteuern der nicht benötigten Kraftstoffmenge mit einem Druckbegrenzungsventil der energetische Wirkungsgrad bemerkenswert verschlechtern.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausgleichseinheit ausgebildet, bei einem Förderhub des zweiten Pumpkolbens bis zum Erreichen eines vorgegebenen Drucks in dem Arbeitsraum das Ausgleichsvolumen im Wesentlichen unverändert zu lassen und im Sinne eines Konstanthaltens des Drucks in dem Arbeitsraum im Verlauf einer Fortsetzung des Förderhubs das Ausgleichsvolumen anzupassen. Die Ausgleichseinheit bewirkt, dass bei einem Förderhub des zweiten Pumpkolbens bei Erreichen des gewünschten Drucks im Arbeitsraum der erste Pumpkolben im Wesentlichen zum Stillstand kommt und somit keine weitere Menge des Arbeitsmittels in den Arbeitsraum gefördert wird. Bis zum Erreichen des gewünschten Drucks in dem Arbeitsraum bilden der erste Pumpkolben und der zweite Pumpkolben eine Einheit, die im Wesentlichen in gleicher Weise arbeitet wie ein aus dem Stand der Technik bekannter einteiliger Pumpkolben.
  • Gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Aspekt umfasst die Pumpeneinheit ein Pumpengehäuse mit einem Niederdruckeingang und einem Hochdruckausgang. Über den Niederdruckeingang wird einem in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Arbeitsraum ein Arbeitsmedium zugeführt. Über den Hochdruckausgang wird das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abgeleitet. Die Pumpeneinheit umfasst einen in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Pumpkolbenkanal mit einer Längsachse. Ferner weist die Pumpeneinheit einen Pumpkolben auf, der entlang der Längsachse beweglich in dem Pumpkolbenkanal angeordnet ist und der direkt hydraulisch mit dem Arbeitsraum gekoppelt ist. Die Pumpeneinheit umfasst einen Ausgleichskolben, der direkt hydraulisch mit dem Arbeitsraum gekoppelt ist und der in einem Ausgleichskolbenkanal entlang einer weiteren Achse beweglich angeordnet ist. Des Weiteren weist die Pumpeneinheit ein Federelement auf, das an einem dem Arbeitsraum abgewandten Ende des Ausgleichskolbens mit diesem mechanisch gekoppelt ist und das ausgebildet ist, abhängig von einer Kraft, die auf das Federelement wirkt, eine Position des Ausgleichskolbens zu beeinflussen. Der Ausgleichskolben umfasst ein Einlassventil.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Federelement eine Federkennlinie mit einem degressiven Verlauf auf. Beispielsweise kann das Federelement eine Tellerfeder aufweisen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Federelement eine vorgegebene Vorspannung auf.
  • Ausführungsbeispiele sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Ansicht eines ersten Beispiels einer Pumpeneinheit,
    Figur 2
    eine schematische Ansicht eines zweiten Beispiels der Pumpeneinheit,
    Figur 3
    eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäß Ausführungsbeispiels der Pumpeneinheit,
    Figur 4
    eine schematische Ansicht eines nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiels der Pumpeneinheit,
    Figur 5
    eine schematische Ansicht eines nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiels der Pumpeneinheit,
    Figur 6
    eine schematische Ansicht eines nicht zur Erfindung gehörenden Speichereinspritzsystems mit der Pumpeneinheit,
    Figur 7
    eine schematische Ansicht der funktionalen Abhängigkeit des Hubs eines Ausgleichskolbens der Pumpeneinheit von einem Druck der Pumpeneinheit, und
    Figuren 8a, 8b und 8c
    Darstellungen des Drucks und der Einspritzmenge der Pumpeneinheit in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Pumpeneinheit.
  • Figur 6 zeigt ein Hydraulikschema eines Speichereinspritzsystems 200 für Brennkraftmaschinen. Das Speichereinspritzsystem 200 hat eine Vorförderpumpe 210 zur Förderung von Kraftstoff aus einem (nicht dargestellten) Kraftstofftank. Stromabwärts der Vorförderpumpe 210 ist eine Filter- und Dämpfungseinheit 212 angeordnet. Stromabwärts der Vorförderpumpe 210 und der Filter- und Dämpfungseinheit 212 ist weiter eine Hochdruckpumpe 214 mit mindestens einer Pumpeneinheit 10 angeordnet. Die Pumpeneinheit 10 hat ein Einlassventil 216 und ein Auslassventil 218. Das Einlassventil 216 ist vorzugsweise als digitales Einlassventil ausgebildet, mittels der der Volumenstrom eingangs der Pumpeneinheit 10 geregelt wird. Mittels der Hochdruckpumpe 214 wird der Kraftstoff in einen Kraftstoffspeicher 220 gefördert, um von dort zu (nicht dargestellten) Einspritzventilen zu gelangen.
  • Figur 1 zeigt ein erstes Beispiels der Pumpeneinheit 10 der Hochdruckpumpe 214. Die Hochdruckpumpe 214 kann beispielsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Hochdruckpumpe 214 zur Kraftstoffversorgung bei einem Hochdruckspeichereinspritzsystem, wie zum Beispiel bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, vorgesehen sein.
  • Die Pumpeneinheit 10 umfasst ein Pumpengehäuse 15 mit einem Niederdruckeingang 17 und einem Hochdruckausgang 19. Um einen Arbeitsraum 20, der in dem Pumpengehäuse 15 angeordnet ist, mit einem Arbeitsmedium, insbesondere einem Fluid, befüllen zu können, weist der Niederdruckeingang 17 beispielsweise eine Zuleitung auf, die vorzugsweise mit dem Arbeitsraum 20 mittels eines Einlassventils hydraulisch gekoppelt ist. Das Einlassventil dient dazu, insbesondere beim Befüllen und Komprimieren des Arbeitsmediums ein Zurückströmen in die Zulaufleitung zu verhindern.
  • Der Hochdruckausgang 19 weist eine Ablaufleitung und ein vorzugsweise in dieser angeordneten Auslassventil auf. Das Auslassventil ist beispielsweise als Hochdruckventil ausgebildet, das erst ab einem vorgegebenen Fluiddruck in dem Arbeitsraum 20 einen Ausstoß des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum 20 in die Ablaufleitung ermöglicht. Das Auslassventil verhindert ein Zurückströmen des Arbeitsmediums, beispielsweise aus einem Rail, in die Pumpeneinheit 10.
  • Die Pumpeneinheit 10 umfasst ferner einen Pumpenkolben 30, der in einem in dem Pumpengehäuse 15 ausgebildeten Pumpkolbenkanal 36 angeordnet ist. Der Pumpkolbenkanal 36 weist eine Längsachse L1 auf entlang der Pumpkolben 30 beweglich angeordnet ist. Der Pumpkolben 30 ist hydraulisch direkt gekoppelt mit dem Arbeitsraum 20.
  • Während eines Saughubs, das heißt während einer von dem Arbeitsraum 20 weg gerichteten Bewegung des Pumpkolbens 30, wird das Arbeitsmedium, beispielsweise der Kraftstoff, aus der Zulaufleitung über das Einlassventil in den Arbeitsraum 20 gefördert, wobei das Auslassventil geschlossen ist. Während eines Förderhubs, das heißt während einer zu dem Arbeitsraum 20 hin gerichteten Bewegung des Pumpkolbens 30, wird das in dem Arbeitsraum 20 befindliche Arbeitsmedium komprimiert beziehungsweise über das Auslassventil unter hohem Druck an die Ablaufleitung abgegeben, wobei das Einlassventil geschlossen ist.
  • Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel der Pumpeneinheit 10 weist die Pumpeneinheit 10 einen Ausgleichskolben 40 auf. Der Ausgleichskolben 40 ist in einem Ausgleichskolbenkanal 45 angeordnet. Der Ausgleichskanal weist eine zweite Achse A2 auf entlang derer der Ausgleichskolben 40 in den Ausgleichskanal beweglich angeordnet ist. Der Ausgleichskolben 40 ist ebenfalls direkt hydraulisch gekoppelt mit dem Arbeitsraum 20. Des Weiteren umfasst die Pumpeneinheit 10 ein Federelement 50. Das Federelement 50 ist an einem von dem Arbeitsraum 20 abgewandten ersten Ende des Ausgleichskolbens 40 mit diesem mechanisch gekoppelt. Das Federelement 50 ist ausgebildet, abhängig von einer auf das Federelement 50 wirkenden Kraft eine Position des Ausgleichskolbens 40 zu beeinflussen. Das Federelement 50 kann hierbei beispielsweise eine degressive Federkennlinie aufweisen.
  • Eine vorteilhafte Auslegung des Ausgleichskolbens 40 und des Federelements 50 bei einem Pumpkolben 30 mit einem Durchmesser von 10 mm und einem Hub von 2 mm ist:
    • Durchmesser des Ausgleichskolbens 40: 10 mm
    • Maximaler Hub des Ausgleichskolbens 40: 4,2 mm
    • Masse des Ausgleichskolbens 40: 8 g
    • Federelement 50: Federkonstante 20,3 N/mm, Vorspannung 1900 N
  • Der Ausgleichskolben 40 beginnt eine Bewegung erst dann, wenn der Druck in dem Arbeitsraum 20 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Vorzugsweise ist dieser vorgegebene Druck in dem Arbeitsraum 20 cirka 245 bar. Der Ausgleichskolben 40 beendet seine Bewegung, sobald der Druck in dem Arbeitsraum 20 einen weiteren vorgegebenen Wert überschreitet. Vorzugsweise ist dieser weitere vorgegebene Druck in dem Arbeitsraum 20 cirka 258 bar. Damit kann erreicht werden, dass bei einem Druck in dem Arbeitsraum 20 von cirka 245 bar der Ausgleichskolben 40 die Volumenänderung in dem Arbeitsraum 20 durch den Pumpkolben 30 kompensiert, und so ein weiterer Druckanstieg in dem Arbeitsraum 20 vermieden werden kann. Damit kann der Druck in dem Arbeitsraum 20 mittels des Ausgleichskolbens 40 auf einen Wert von cirka 245 bar begrenzt werden. Dies ist insbesondere gezeigt in Figur 7 mit einer schematische Ansicht der funktionalen Abhängigkeit des Hubs des Ausgleichskolbens 40 der Pumpeneinheit 10 von dem Druck in dem Arbeitsraum 20. Darüber hinaus sind in den Figuren 8a, 8b und 8c die Druckverläufe am Austritt der Pumpeneinheit 10 (Figur 8a) und im Kraftstoffspeicher 220 (Figur 8b) sowie Injektoreinspritzmengen in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Pumpeneinheit 10 (Figur 8c) dargestellt. So ist insbesondere in Figur 8a gezeigt, dass der Druck am Austritt der Pumpeneinheit 10 mittels des Ausgleichskolbens 40 insbesondere bei höheren Drehzahlen (hier ab cirka 4.800) auf einen Wert von cirka 245 bar begrenzt werden kann (siehe Grenze G zwischen dem dunklen und dem helleren Bereich).
  • Der Ausgleichskolben 40 kann beispielsweise derart in dem Pumpengehäuse 15 angeordnet sein, dass die Längsachse L1 des Pumpkolbenkanals 36 und die zweite Achse A2 einen vorgegebenen Winkel einschließen. Insbesondere kann der Ausgleichskolbenkanal 45 gegenüber dem Pumpkolbenkanal 36 ebenfalls entlang der Längsachse L1 angeordnet sein.
  • Das Federelement 50 kann beispielsweise in einem weiteren Gefäß 60 der Pumpeneinheit 10 angeordnet sein. In dem Gefäß 60 kann das Federelement 50 derart angeordnet sein, dass das Federelement 50 eine Vorspannung aufweist.
  • Figur 2 zeigt ein zweites Beispiels der Pumpeneinheit 10, bei dem das Federelement 50 in einem Druckausgleichsgefäß 60' angeordnet ist. Das Federelement 50 kann hierbei zusätzlich genutzt werden, Druckpulsationen zu dämpfen. Hierzu ist in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen dem Ausgleichskolben 40 und dem Federelement 50 ein bewegliches Element 70, beispielsweise eine Rollmembran, eingespannt.
  • Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäß Ausführungsbeispiel der Pumpeneinheit 10, bei der die Pumpeneinheit 10 eine kombinierte Anordnung des Ausgleichskolbens 40 und dem Einlassventil aufweist. Der Ausgleichskolben 40 umfasst das Einlassventil
  • Figur 4 zeigt ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel der Pumpeneinheit 10. Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Pumpeneinheit 10 einen ersten Pumpkolben 32 und einen zweiten Pumpkolben 34 auf. Der erste Pumpkolben 32 ist in dem Pumpkolbenkanal 36 entlang der Längsachse L1 beweglich angeordnet und direkt hydraulisch gekoppelt mit dem Arbeitsraum 20. Der zweite Pumpkolben 34 ist ebenfalls in dem Pumpkolbenkanal 36 entlang der Längsachse L1 beweglich angeordnet und ist über das Federelement 50 gekoppelt mit dem ersten Pumpkolben 32, wobei das Federelement 50 ausgebildet ist, abhängig von einem Druck in dem Arbeitsraum 20 einen Abstand zwischen dem ersten 32 und dem zweiten Pumpkolben 34 anzupassen. Das Federelement 50 ist ausgebildet, bei einem Förderhub des zweiten Pumpkolbens 34 bis zum Erreichen eines vorgegebenen Drucks in dem Arbeitsraum 20 den Abstand zwischen dem ersten 32 und zweiten Pumpkolben 34 im Wesentlichen unverändert zu lassen und im Sinne eines Konstanthaltens des Drucks in dem Arbeitsraum 20 im Verlauf einer Fortsetzung des Förderhubs des zweiten Pumpkolbens 34 den Abstand anzupassen. Der erste Pumpkolben 32 weist an einem dem zweiten Pumpkolben 34 zugewandten ersten Ende eine Ausnehmung 90 auf. In der Ausnehmung 90 ist das Federelement 50 angeordnet. Alternativ kann das Federelement außerhalb des ersten Pumpkolbens angeordnet sein. Der zweite Pumpkolben 34 weist an einem dem ersten Pumpkolben 32 zugewandten ersten Ende einen Stößel 80 auf. Der Stößel 80 ist mechanisch gekoppelt mit dem Federelement 50.
  • Figur 5 zeigt ein Beispiel der Pumpeneinheit 10. Im Unterschied zu dem in Figur 4 gezeigten Beispiel ist der zweite Pumpkolben 34 über ein Ausgleichsvolumen 100 hydraulisch gekoppelt mit dem ersten Pumpkolben 32, wobei das Ausgleichsvolumen 100 hydraulisch gekoppelt ist mit einer Ausgleichseinheit 110, die ausgebildet ist, abhängig von einem Druck in dem Arbeitsraum 20 das Ausgleichsvolumen 100 anzupassen. Die Ausgleichseinheit 110 ist beispielsweise ausgebildet, bei einem Förderhub des Pumpkolbens bis zum Erreichen eines vorgegebenen Drucks in dem Arbeitsraum 20 das Ausgleichsvolumen 100 im Wesentlichen unverändert zu lassen und im Sinne eines Konstanthaltens des Drucks in dem Arbeitsraum 20 im Verlauf einer Fortsetzung des Förderhubs das Ausgleichsvolumen 100 anzupassen.
  • Die Ausgleichseinheit 110 umfasst beispielsweise eine Ausgleichskammer 120, die in dem Pumpengehäuse 15 angeordnet ist. Vorzugsweise weist die Ausgleichskammer eine Öffnung auf, über die die Ausgleichskammer widerstandsfrei hydraulisch gekoppelt ist mit einem Pumpenzulauf Des Weiteren umfasst die Ausgleichseinheit 110 ein weiteres Federelement 50', das in der Ausgleichskammer 120 angeordnet ist. Die Ausgleichseinheit 110 umfasst des Weiteren einen Kolben 130, der in der Ausgleichskammer 120 entlang einer dritten Achse beweglich angeordnet ist. Der Kolben ist an einem ersten Ende mechanisch gekoppelt mit dem weiteren Federelement 50' und an einem zweiten Ende direkt hydraulisch gekoppelt mit dem Arbeitsvolumen. Das weitere Federelement 50' kann eine Federkennlinie mit einem degressiven Verlauf aufweisen. Ferner kann das weitere Federelement 50' derart angeordnet und ausgebildet sein, dass es eine vorgegebene Vorspannung aufweist.

Claims (4)

  1. Pumpeneinheit (10) für eine Hochdruckpumpe, umfassend:
    - ein Pumpengehäuse (15), das einen Niederdruckeingang (17) aufweist, über den einem im dem Pumpengehäuse (15) ausgebildeten Arbeitsraum (20) ein Arbeitsmedium zugeführt wird, und einen Hochdruckausgang (19), über den das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum (20) abgeleitet wird,
    - einen in dem Pumpengehäuse (15) ausgebildeter Pumpkolbenkanal (36) mit einer Längsachse (L1),
    - einen Pumpenkolben, der entlang der Längsachse (L1) beweglich in dem Pumpkolbenkanal (36) angeordnet ist und der direkt hydraulisch mit dem Arbeitsraum (20) gekoppelt ist,
    - einen Ausgleichskolben (40), der direkt hydraulisch mit dem Arbeitsraum (20) gekoppelt ist und der in einem Ausgleichskolbenkanal (45) mit einer zweiten Achse (A2) beweglich angeordnet ist, wobei der Ausgleichskolbenkanal (45) gegenüber dem Pumpkolbenkanal (36) entlang der Längsachse (L1) angeordnet ist, und
    - ein Federelement (50), das an einem dem Arbeitsraum (20) abgewandten Ende des Ausgleichskolbens (40) mit diesem mechanisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, abhängig von einer Kraft, die auf das Federelement (50) wirkt, eine Position des Ausgleichskolbens (40) zu beeinflussen
    dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskolben (40) ein Einlassventil umfasst.
  2. Pumpeneinheit (10) nach Anspruch 1, bei der ein Druck in dem Arbeitsraum (20) mittels des Ausgleichskolbens (40) auf einen Wert von maximal cirka 250 bar begrenzt ist.
  3. Pumpeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Federelement (50) eine Federkennlinie mit einem degressiven Verlauf aufweist.
  4. Pumpeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche bei der das Federelement (50) eine vorgegebene Vorspannung aufweist.
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