EP4127470B1 - Hochdruckpumpe - Google Patents

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EP4127470B1
EP4127470B1 EP21729834.8A EP21729834A EP4127470B1 EP 4127470 B1 EP4127470 B1 EP 4127470B1 EP 21729834 A EP21729834 A EP 21729834A EP 4127470 B1 EP4127470 B1 EP 4127470B1
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EP
European Patent Office
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fluid
volumetric flow
pressure
valve
flow control
Prior art date
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EP21729834.8A
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English (en)
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EP4127470A1 (de
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Günther Neuhaus
Martin Schmidt
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Liebherr Components Deggendorf GmbH
Original Assignee
Liebherr Components Deggendorf GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F04B1/0408—Pistons
    • 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
    • F02M53/00—Fuel-injection apparatus characterised by having heating, cooling or thermally-insulating means
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M59/44—Details, components parts, or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M59/02 - F02M59/42; Pumps having transducers, e.g. to measure displacement of pump rack or piston
    • 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
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    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing

Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure pump for raising a pressure level of a fluid, in particular a fuel.
  • the high-pressure pump In order to bring the gaseous or liquid fuel to such a pressure level, the high-pressure pump has a pump chamber whose volume can be reduced using a movable piston. If fuel is now introduced into the pump chamber at a low pressure level, the pump chamber is closed and the pump chamber is reduced using a piston movement, this leads to an increase in the pressure of the fuel present in the pump chamber. A corresponding outlet valve ensures that fuel that has reached a desired pressure level is released.
  • Piston cooling is achieved via the flow in the low-pressure circuit in front of the intake valve.
  • the fuel flowing into the pump chamber at intervals is used as a cooling medium for the heat given off by the piston before passing through the intake valve.
  • a corresponding line can be provided that brings the fuel fed to the intake valve close to the piston in advance in order to cool it.
  • the inlet valve is implemented as a digital inlet valve, so that when no high pressure delivery is desired, the inlet valve remains open, which means that fuel entering the pump chamber is fed back into the low-pressure circuit.
  • a defined leakage volume is continuously discharged in front of the inlet valve to dissipate heat.
  • the EN 10 2014 217 388 A1 shows such a high-pressure pump which has all the features of the preamble of claim 1.
  • the DE 103 18 941 A1 discloses a fuel system for an internal combustion engine, in which a throttle device with a volume flow control valve and a bypass arranged parallel thereto is provided upstream of the high-pressure pump in order to enable stable pressure control.
  • the aim of the present invention is to further develop a high-pressure pump of the type described at the outset so that it can also be operated via a volume flow control. This is achieved with a high-pressure pump that has all the features of claim 1.
  • a high-pressure pump for raising a pressure level of a fluid, in particular a fuel, which comprises a movable piston for compressing a pump chamber, an inlet valve for admitting the fluid into the pump chamber, a cooling device for cooling the piston with the aid of fluid flowing upstream of the inlet valve, and a volume flow control valve which is arranged upstream of the cooling device and influences a volume flow of the fluid through the cooling device towards the inlet valve.
  • the pump is characterized by a bypass throttle for bypassing the volume flow control valve, and a return throttle for discharging a fluid downstream of the cooling device.
  • bypass throttle which bypasses the volume flow control valve
  • a certain fluid flow is generated even when the volume flow control valve is closed, which can be used to cool the piston.
  • the fluid flowing into the pump in this way flows out via an outlet throttle, which is arranged downstream of the cooling device.
  • the inlet valve has a spring preload and is designed to allow the fluid to flow into the pump chamber only when the volume flow control valve assumes an open position.
  • the spring preload of the inlet valve ensures that there is no unwanted high-pressure delivery of fluid. Small amounts of leakage can occur over the entire service life of the volume flow control valve, but the inlet valve with spring preload can prevent this from leading to unwanted high-pressure delivery of fluid.
  • the spring preload is dimensioned in such a way that it does not allow fluid to enter the pump chamber even with small amounts of fluid flowing through the valve (leakage), but rather a certain threshold value must be exceeded for this to happen.
  • the inlet valve with spring preload is designed to only allow the fluid to flow into the pump chamber when a certain volume flow of the fluid originating from the volume flow control valve is exceeded in order to prevent even a small leakage of the volume flow control valve from leading to an opening of the inlet valve.
  • the specific volume flow originating from the volume flow control valve, which leads to an opening of the inlet valve, can be at least 10% of the volume flow flowing through the fully opened volume flow control valve, preferably at least 5% of the volume flow flowing through the fully opened volume flow control valve.
  • the cooling device is implemented by a corresponding flow guide of the fluid in the area of the piston.
  • a fluid connection arranged upstream of the inlet valve or the fluid connection between the volume flow control valve and the inlet valve can be guided into the rear area of the piston so that the fluid flowing in the fluid connection can act as a cooling medium.
  • bypass throttle is connected in parallel to the volume flow control valve and short-circuits it.
  • the bypass throttle can be arranged in such a way that it only short-circuits the volume flow control valve.
  • bypass throttle and the return throttle are each designed to allow the passage of a certain volume flow of fluid, wherein the certain volume flow of the bypass throttle is lower than the certain volume flow of the return throttle.
  • bypass throttle and the volume flow control valve are connected to a fluid source and preferably the return throttle is connected to a fluid sink.
  • the pump further comprises an outlet valve for discharging the fluid from the pump chamber, wherein the outlet valve is preferably provided with a spring preload which ensures that the fluid only leaves the pump chamber at a desired pressure level which is greater than the pressure level upstream of the inlet valve.
  • the volume flow control valve is a 2/2-way valve, in particular a 2/2 solenoid valve, which, in a first switching position, connects the fluid channels reaching the valve and, in a second switching position, interrupts the fluid channels reaching the valve.
  • any valve upstream of the inlet valve has no pressure regulating and/or pressure limiting function, preferably the high-pressure pump has no pressure regulating and/or pressure limiting valve.
  • the high-pressure pump is of the roller tappet pump type.
  • the movable piston is moved back and forth by the rotation of a drive shaft provided with a cam.
  • the interface between the cam and the moving piston assembly is a roller that rolls on the cam.
  • the invention further relates to a fuel injection system with a high-pressure pump according to one of the preceding variants, wherein fuel delivered from a fuel tank via a fuel pump is supplied to the volume flow control valve and the bypass throttle.
  • the return throttle is connected to the fuel tank in order to supply fuel flowing from the high-pressure pump to the fuel tank via the return throttle.
  • the invention relates to a working machine with a high-pressure pump according to the variants described above or a corresponding fuel injection system.
  • Fig.1 shows the high-pressure pump 1, which has three connections 11, 12, 13.
  • An inlet connection 11 for supplying fluid at a low pressure level
  • a return connection 12 for returning fluid at a low pressure level
  • an outlet connection 13 for discharging fluid at a high pressure level.
  • the operating principle of the high-pressure pump 1 is based on the repeated back and forth movement of the piston 2 in the cylinder arrangement 10.
  • the movement of the piston 2 can reduce the volume of a pump chamber 3.
  • the pump chamber 3 is connected to both the low-pressure side and the high-pressure side via corresponding valves 4, 8, so that fluid can flow into the pump chamber 3 from the low-pressure side as long as the volume of the pump chamber 3 is at or close to its maximum when the piston 2 is in a corresponding position.
  • the subsequent movement of the piston 2, which causes a reduction in the pump chamber volume increases the pressure level of the fluid in the pump chamber 3, with an outlet to the high-pressure side only taking place when the pressure level required for this has been reached. If the piston moves again in a direction that enlarges the pump chamber 3, fluid can be introduced from the low-pressure side again and the process starts again.
  • the constant back and forth movement of the piston 2 in the cylinder arrangement 2 leads to a temperature increase due to friction.
  • fluid from the low-pressure side i.e. upstream of the pump chamber 3 is used to absorb and dissipate the heat.
  • a fluid guide is provided from the inlet section 11 to the inlet valve 4 in the pump chamber 3, with which the temperature arising from the movement of the piston 2 in the cylinder arrangement 10 can be dissipated.
  • This fluid guide which is aimed at cooling the cylinder arrangement, is referred to as the cooling device 5.
  • the volume flow control valve 6, which controls the volume flow of the fluid from the low-pressure side is short-circuited with a bypass throttle 7.
  • the fluid guided at the inlet connection 11 can not only flow into the interior of the high-pressure pump 1 via the volume flow control valve 6, but also via the bypass throttle 7, so that even in the case of a so-called "0-feed", in which no fluid is discharged on the high-pressure side or the volume flow control valve 6 is in its closed position, fluid flows into the pump 1.
  • the convection of the inflowing fluid required for heat removal is achieved by a return throttle 9, which is arranged downstream of the cooling device 5.
  • This return throttle 9 allows the fluid flowing in via the bypass throttle 7 to exit the pump 1 again, so that the fluid, which has been heated to a higher temperature, can flow out.
  • the closed volume flow control valve 6 and the absence of a high-pressure fluid output there is a flow of fluid from the low-pressure side, which is used to cool the cylinder arrangement 10 or the piston 2.
  • the inlet valve 4 into the pump chamber 3 is a check valve with spring preload
  • the spring preload can be dimensioned such that a leakage of the volume flow control valve 6 together with the fluid flowing in via the bypass throttle 7 does not allow fluid to flow into the pump chamber 3.
  • High pressure delivery only occurs when there is a significant increase in pressure in front of the inlet valve 4 when the volume flow control valve 6 is in its open position. state.
  • the opening pressure of the inlet valve 4 can determine the permissible back pressure in the return line. For example, in order to open the inlet valve 4, it may be necessary for more than 10%, preferably more than 5%, of the fluid flow that would flow in an open state of the volume flow control valve 6 to flow through the volume flow control valve 6 so that it flows into the pump chamber 3.
  • the outlet valve 8 can also be a check valve with a spring preload. This valve is only opened when a pressure level has been generated in the pump chamber 3 that corresponds to the pressure on the high-pressure side. This can be in the range of 250 to 2500 bar.
  • the low-pressure range describes a pressure range of less than 15 bar, preferably less than 10 bar and more preferably less than 6 bar.
  • a low-pressure pump is used which raises the fluid on the low-pressure side to a level of more than 1 bar, preferably more than 3 bar.
  • this feed pump for the fluid on the low-pressure side is a fuel pump that feeds fuel from a fuel tank to the high-pressure pump 1.
  • the return connection 12 is connected to the fuel tank so that the fluid that is not brought to the high-pressure side can flow back into the fuel tank.
  • the high-pressure connection 13 is connected to an injection line, e.g. a common rail, from which fuel is injected under high pressure into a combustion chamber of an engine.
  • a fuel injector can of course also be connected in between.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zum Anheben eines Druckniveaus eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs.
  • Bei Common-Rail-Einspritzsystemen wie auch dazu alternativen Kraftstoffzuführsystemen ist es von erheblicher Bedeutung, dass ein einem Verbrennungsvorgang zuzuführender Kraftstoff einen hohen Druck aufweist. Hierfür übliche Systemdrücke für entsprechende Hochdruckpumpen liegen im Bereich von 250 bis zu 2500 bar.
  • Um den gasförmigen oder flüssigen Kraftstoff auf ein solches Druckniveau zu bringen, weist die Hochdruckpumpe einen Pumpraum auf, dessen Volumen über einen bewegbaren Kolben verringerbar ist. Wird nun Kraftsoff auf Niederdruckniveau in den Pumpraum eingebracht, der Pumpraum verschlossen und über eine Kolbenbewegung der Pumpraum verringert, führt dies zu einem Druckanstieg des in dem Pumpraum vorhandenen Kraftstoffs. Ein entsprechendes Auslassventil sorgt für ein Auslassen von Kraftstoff, der ein gewünschtes Druckniveau erreicht hat.
  • Bewegt sich der Kolben von seinem unteren Totpunkt hin zu seinem oberen Totpunkt, vergrößert also das Volumen des Pumpraums, wird Kraftstoff vom Niederdruckniveau in den Pumpraum eingelassen und der beschriebene Zyklus beginnt von vorne.
  • Eine Kolbenkühlung wird über den Durchfluss im Niederdruckkreis vor dem Einlassventil realisiert. Der intervallartig in den Pumpraum einströmende Kraftstoff wird dabei vor einem Durchtritt des Einlassventils als Kühlmedium für vom Kolben abgegebene Wärme benutzt. Hierzu kann eine entsprechende Leitungsführung vorgesehen sein, die den zum Einlassventil geführten Kraftstoff vorab Nahe an den Kolben bringt, um diesen zu kühlen.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Einlassventil als digitales Einlassventil umgesetzt ist, so dass, wenn keine Förderung von Hochdruck gewünscht ist, das Einlassventil offen bleibt, was dazu führt, dass in den Pumpraum eindringender Kraftstoff wieder zurück in den Niederdruckkreis gefördert wird. Um auch hierbei die Wirksamkeit der Kolbenkühlung aufrechtzuerhalten, wird kontinuierlich ein definiertes Leckagevolumen vor dem Einlassventil abgeführt, um Wärme abzuführen.
  • Die DE 10 2014 217 388 A1 zeigt eine solche Hochdruckpumpe, die sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist.
  • Die DE 103 18 941 A1 offenbart ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Drosseleinrichtung mit einem Volumenstromregelventil und einem parallel dazu angeordneten Bypass stromaufwärts der Hochdruckpumpe vorgesehen ist, um eine stabile Druckregelung zu ermöglichen.
  • Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Hochdruckpumpe der eingangs beschriebenen Art und Weise fortzubilden, damit diese auch über eine Volumenstromregelung betreibbar ist. Dies gelingt mit einer Hochdruckpumpe, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Aus ökonomischen und prozesstechnischen Gründen wird großer Wert auf eine hohe Anzahl an Gleichteilen gelegt, damit der Tausch von Pumpen möglichst einfach und ohne viel Aufwand erfolgen kann. So wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Leckagerücklauf bei Anwendung eines digitalen Einlassventils (nach dem Stand der Technik) als auch der Volumenstromregelung (nach der Erfindung) der gleichen Anschlusslogik folgt, um die Kolbenkühlung bei beiden Varianten zu realisieren. Hierdurch bedingt, ergibt sich die besondere Problematik, dass bei einem geschlossenen Volumenstromregelventil kein Durchfluss mehr im Niederdruckkreis herrscht, wodurch eine Kolbenkühlung nicht länger möglich - aber dennoch notwendig ist.
  • Nach der Erfindung ist eine Hochdruckpumpe zum Anheben eines Druckniveaus eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs, vorgesehen, die einen bewegbaren Kolben zum Komprimieren eines Pumpraums, ein Einlassventil zum Einlassen des Fluids in den Pumpraum, eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Kolbens mit Hilfe von stromaufwärts des Einlassventils strömenden Fluids, und ein Volumenstromregelventil umfasst, das stromaufwärts der Kühleinrichtung angeordnet ist und einen Volumenstrom des Fluids durch die Kühleinrichtung hin zum Einlassventil beeinflusst Die Pumpe ist gekennzeichnet durch eine Bypassdrossel zum Umgehen des Volumenstromregelventils, und eine Rücklaufdrossel zum Abführen eines Fluids stromabwärts der Kühleinrichtung.
  • Durch das Vorsehen der Bypassdrossel, die das Volumenstromregelventil umgeht, wird auch in einem geschlossenen Zustand des Volumenstromregelventils eine gewisse Fluidströmung erzeugt, die zur Kühlung des Kolbens verwendet werden kann. Das Abströmen des so in die Pumpe einströmenden Fluids erfolgt über eine Ablaufdrossel, die stromabwärts der Kühleinrichtung angeordnet ist.
  • Dadurch wird also auch die Kühlung des Kolbens ermöglicht, wenn die volumenstromgeregelte Hochdruckpumpe eine "0-Förderung" vollzieht, also kein Fluid von der Niederdruckseite auf die Hochdruckseite fördert. Sämtliche Betriebspunkte der Hochdruckpumpe einschließlich der "0-Förderung" besitzen demnach eine funktionierende Kühlung des Kolbens.
  • Nach einer vorteilhaften Modifikation der Erfindung kann weiter vorgesehen sein, dass das Einlassventil eine Federvorspannung aufweist, und dazu ausgelegt ist, ein Einströmen des Fluids in den Pumpraum nur dann zuzulassen, wenn das Volumenstromregelventil eine geöffnete Position einnimmt.
  • Im Fehlerfall einer geringen Leckage durch das Volumenstromregelventil (in einem geschlossenen Zustand des Volumenstromregelventils) ist durch die Federvorspannung des Einlassventils sichergestellt, dass es nicht zu einem ungewollten Hochdruckförderung von Fluid kommt. Geringe Mengen an Leckage können über die Gesamtlebensdauer des Volumenstromregelventil auftreten, wobei aber durch das Einlassventil mit Federvorspannung verhindert werden kann, dass dies zu einer ungewünschten Hochdruckförderung von Fluid führt. Die Federvorspannung ist dabei so dimensioniert, dass sie nicht bereits bei kleinen durch das Ventil strömenden Fluidmengen (Leckage) einen Fluideintritt in den Pumpraum ermöglicht, sondern hierfür ein bestimmter Schwellenwert überschritten sein muss.
  • Demnach kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Einlassventil mit Federvorspannung dazu ausgelegt ist, ein Einströmen des Fluids in den Pumpraum erst dann zuzulassen, wenn ein bestimmter vom Volumenstromregelventil stammender Volumenstrom des Fluids überschritten ist, um zu verhindern, dass bereits eine geringe Leckage des Volumenstromregelventils zu einem Öffnen des Einlassventils führt.
  • Der bestimmte vom Volumenstromregelventil stammende Volumenstrom, der zu einem Öffnen des Einlassventils führt kann dabei, mindestens 10% des durch das vollständig geöffnete Volumenstromregelventil strömenden Volumenstroms, vorzugsweise mindestens 5% des durch das vollständig geöffnete Volumenstromregelventil strömenden Volumenstroms sein.
  • Ferner kann nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung durch eine entsprechende Strömungsführung des Fluids im Bereich des Kolbens umgesetzt ist. Hierzu kann eine stromaufwärts des Einlassventils angeordnete Fluidverbindung oder auch die zwischen Volumenstromregelventil und Einlassventil vorhandene Fluidverbindung in den Nachbereich des Kolbens geführt sein, damit das in der Fluidverbindung strömende Fluid als Kühlmedium wirken kann.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bypassdrossel parallel zum Volumenstromregelventil geschaltet ist und dieses kurzschließt. Die Bypassdrossel kann dabei so angeordnet sein, dass sie nur das Volumenstromregelventil kurzschließt.
  • Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bypassdrossel und die Rücklaufdrossel jeweils dazu ausgelegt sind, das Passieren eines bestimmten Volumenstroms an Fluid zu erlauben, wobei der bestimmte Volumenstrom der Bypassdrossel geringer ist als der bestimmte Volumenstrom der Rücklaufdrossel.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Bypassdrossel und das Volumenstromregelventil mit einer Fluidquelle verbunden sind und vorzugsweise die Rücklaufdrossel mit einer Fluidsenke verbunden ist.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Pumpe ferner ein Auslassventil zum Auslassen des Fluids aus dem Pumpraum umfasst, wobei das Auslassventil vorzugsweise mit einer Federvorspannung versehen ist, die dafür sorgt, dass das Fluid den Pumpraum erst bei einem gewünschten Druckniveau verlässt, das größer als das Druckniveau stromaufwärts des Einlassventils ist.
  • Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Volumenstromregelventil ein 2/2-Wegeventil ist, insbesondere ein 2/2-Magnetventil, das in einer ersten Schaltstellung die an das Ventil heranreichenden Fluidkanäle verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die an das Ventil heranreichenden Fluidkanäle unterbricht.
  • Nach einer Fortbildung der Erfindung kann ebenfalls vorgesehen sein, dass jegliches Ventil stromaufwärts des Einlassventils keine Druckregel- und/oder Druckbegrenzungsfunktion aufweist, vorzugsweise die Hochdruckpumpe kein Druckregel- und/oder Druckbegrenzungsventil aufweist.
  • Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hochdruckpumpe vom Typ einer Rollenstößelpumpe ist. Hierbei wird der bewegbare Kolben durch die Drehung einer mit einem Nocken versehenen Antriebswelle hin- und herbewegt. Die Schnittstelle zwischen Nocken und bewegter Kolbenbaugruppe ist dabei eine Rolle, die auf dem Nocken abrollt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe nach einer der vorhergehenden Varianten, wobei von einem Kraftstofftank über eine Kraftstoffpumpe geförderter Kraftstoff dem Volumenstromregelventil und der Bypassdrossel zugeführt wird.
  • Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Rücklaufdrossel mit dem Kraftstofftank verbunden ist, um über die Rücklaufdrossel aus der Hochdruckpumpe strömenden Kraftstoff dem Kraftstofftank zuzuführen.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Arbeitsmaschine mit einer Hochdruckpumpe nach den vorhergehend beschriebenen Varianten oder einem entsprechendes Kraftstoffeinspritzsystem.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigt die einzige Figur:
    • Fig. 1:
    einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe.
  • Fig. 1 zeigt die Hochdruckpumpe 1, die über drei Anschlüsse 11, 12, 13 verfügt. Einen Einlassanschluss 11 zum Zuführen von Fluid mit einem Niederdruckniveau, einen Rücklaufanschluss 12 zum Zurückführen von Fluid mit einem Niederdruckniveau und einen Auslassanschluss 13 zum Abführen von Fluid mit einem Hochdruckniveau.
  • Das Wirkprinzip der Hochdruckpumpe 1 basiert dabei auf dem wiederholten Hin- und Herbewegen des Kolbens 2 in der Zylinderanordnung 10. Durch die Bewegung des Kolbens 2 kann ein Pumpraum 3 in seinem Volumen verringert werden. Der Pumpraum 3 ist über entsprechende Ventile 4, 8 sowohl mit der Niederdruckseite als auch der Hochdruckseite verbunden, so dass man Fluid von der Niederdruckseite in den Pumpraum 3 einströmen lassen kann, solange das Volumen des Pumpraums 3 bei einer entsprechenden Stellung des Kolbens 2 maximal oder nahe an seinem Maximum ist. Durch die anschließende Bewegung des Kolbens 2, die eine Verringerung des Pumpraumvolumens bedingt, wird das Druckniveau des im Pumpraum 3 befindlichen Fluids angehoben, wobei ein Auslass hin zur Hochdruckseite erst erfolgt, wenn das hierfür erforderliche Druckniveau erreicht worden ist. Bewegt sich der Kolben wieder in eine Richtung, die eine Vergrößerung des Pumpraums 3 nach sich zieht, kann wieder Fluid von der Niederdruckseite eingeführt werden und der Vorgang beginnt von neuem.
  • Das ständige Hin- und Herbewegen des Kolbens 2 in der Zylinderanordnung 2 führt zu einem reibungsbedingten Temperaturanstieg. Um eine Kühlung zu erreichen, wird Fluid der Niederdruckseite, also stromaufwärts des Pumpraums 3 dazu verwendet, die Wärme aufzunehmen und abzuführen. Hierzu wird vom Einlassabschnitt 11 bis hin zum Einlassventil 4 in den Pumpraum 3 eine Fluidführung vorgesehen, mit der die anfallende Temperatur durch das Bewegen des Kolbens 2 in der Zylinderanordnung 10 abgeleitet werden kann. Diese auf die Kühlung der Zylinderanordnung gerichtete Fluidführung wird als Kühleinrichtung 5 bezeichnet.
  • Ist es hingegen nicht gewünscht, dass Fluid auf die Hochdruckseite ausgegeben wird, ist eine Kühlströmung, die sich von dem Einlassanschluss 11 auf der Niederdruckseite hin zum Auslassanschluss 11 auf der Hochdruckseite erstreckt, nicht möglich. Da sich aber auch in einem solchen Fall der Kolben 2 hin- und herbewegt, muss auch hierbei die dabei anfallende Wärme abtransportiert werden.
  • Um dies zu erreichen, wird das Volumenstromregelventil 6, das den Volumenstrom des Fluids von der Niederdruckseite steuert, mit einer Bypassdrossel 7 kurzgeschlossen. So kann das an dem Einlassanschluss 11 geführte Fluid nicht nur über das Volumenstromregelventil 6 in das Innere der Hochdruckpumpe 1 einströmen, sondern auch über die Bypassdrossel 7, so dass auch bei einer sogenannten "0-Förderung", bei der kein Fluid auf der Hochdruckseite abgegeben wird bzw. das Volumenstromregelventil 6 in seiner Schließstellung ist, Fluid in die Pumpe 1 einströmt.
  • Die erforderliche zum Wärmeabtransport notwendige Konvektion des einströmenden Fluids wird durch eine Rücklaufdrossel 9 erreicht, die stromabwärts der Kühleinrichtung 5 angeordnet ist. Diese Rücklaufdrossel 9 lässt das über die Bypassdrossel 7 einströmende Fluid wieder aus der Pumpe 1 heraustreten, so dass das in seiner Temperatur erwärmte Fluid abfließen kann. Trotz geschlossenen Volumenstromregelventil 6 und einer nicht vorhandenen Hochdruck-Fluidausgabe kommt es zu einer Strömung von Fluid der Niederdruckseite, die zur Kühlung der Zylinderanordnung 10 bzw. des Kolbens 2 genutzt wird.
  • Ist nun das Einlassventil 4 in den Pumpraum 3 ein Rückschlagventil mit Federvorspannung, so kann die Federvorspannung so dimensioniert sein, dass eine Leckage des Volumenstromregelventils 6 zusammen mit dem über die Bypassdrossel 7 einströmenden Fluid kein Einströmen von Fluid in den Pumpraum 3 zulässt.
  • Eine Hochdruckförderung erfolgt nur bei einem deutlichen Druckanstieg vor dem Einlassventil 4, wenn sich das Volumenstromregelventil 6 in seinem geöffneten Zustand befindet. Hierbei kann der Öffnungsdruck des Einlassventils 4 den zulässigen Staudruck im Rücklauf bedingen. So kann es bspw. für ein Öffnen des Einlassventils 4 erforderlich sein, dass mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 5%, der Fluidströmung, die in einem offenen Zustand des Volumenstromregelventils 6 strömen würde, durch das Volumenstromregelventil 6 strömen muss, damit es zu einem Einströmen in den Pumpraum 3 kommt.
  • Das Auslassventil 8 kann ebenfalls ein Rückschlagventil mit einer Federvorspannung sein. Dieses Ventil wird nur dann geöffnet, wenn in dem Pumpraum 3 ein Druckniveau erzeugt worden ist, dass dem Druck auf der Hochdruckseite entspricht. Dieser kann dabei im Bereich von 250 bis 2500 bar liegen.
  • Dem Fachmann ist klar, dass der Niederdruckbereich einen Druckbereich von weniger als 15 bar, vorzugsweise weniger als 10 bar und bevorzugterweise weniger als 6 bar beschreibt. Für eine Förderung des Fluids auf der Niederdruckseite wird eine Niederdruckpumpe verwendet, die das Fluid auf der Niederdruckseite auf ein Niveau von mehr als 1 bar, vorzugsweise mehr als 3 bar anhebt.
  • Bei einer Einbettung der Hochdruckpumpe 1 in ein Kraftstoffeinspritzsystem ist diese Förderpumpe für das Fluid auf der Niederdruckseite eine Kraftstoffpumpe, die Kraftstoff aus einem Kraftstofftank hin zur Hochdruckpumpe 1 fördert. Der Rücklaufanschluss 12 ist dabei mit dem Kraftstofftank verbunden, so dass das nicht auf die Hochdruckseite gebrachte Fluid wieder in den Kraftstofftank zurückströmen kann. Der Hochdruckanschluss 13 ist hierbei mit einem Einspritzleitung, bspw. einem Common Rail verbunden, von der aus Kraftstoff unter hohem Druck in einem Verbrennungsraum eines Motors eingespritzt wird. Dabei kann natürlich auch ein Kraftstoffinjektor zwischengeschaltet sein.

Claims (14)

  1. Hochdruckpumpe (1) zum Anheben eines Druckniveaus eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs, umfassend:
    einen bewegbaren Kolben (2) zum Komprimieren eines Pumpraums (3),
    ein Einlassventil (4) zum Einlassen des Fluids in den Pumpraum (3),
    eine Kühleinrichtung (5) zum Kühlen des Kolbens (2) mit Hilfe von stromaufwärts des Einlassventils (4) strömenden Fluids, und
    eine Rücklaufdrossel (9) zum Abführen eines Fluids stromabwärts der Kühleinrichtung (5)
    gekennzeichnet durch
    ein Volumenstromregelventil (6), das stromaufwärts der Kühleinrichtung (5) angeordnet ist und einen Volumenstrom des Fluids durch die Kühleinrichtung (5) hin zum Einlassventil (4) beeinflusst,
    eine Bypassdrossel (7) zum Umgehen des Volumenstromregelventils (6), wobei
    die Bypassdrossel (7) und die Rücklaufdrossel (9) jeweils dazu ausgelegt sind, das Passieren eines bestimmten Volumenstroms an Fluid zu erlauben, und
    der bestimmte Volumenstrom der Bypassdrossel (7) geringer ist als der bestimmte Volumenstrom der Rücklaufdrossel (9).
  2. Hochdruckpumpe (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Einlassventil (4) eine Federvorspannung aufweist, und dazu ausgelegt ist, ein Einströmen des Fluids in den Pumpraum (3) nur dann zuzulassen, wenn das Volumenstromregelventil (6) eine geöffnete Position einnimmt.
  3. Hochdruckpumpe (1) nach Anspruch 2, wobei das Einlassventil (4) mit Federvorspannung dazu ausgelegt ist, ein Einströmen des Fluids in den Pumpraum (3) erst dann zuzulassen, wenn ein bestimmter vom Volumenstromregelventil (6) stammender Volumenstrom des Fluids überschritten ist, um zu verhindern, dass bereits eine geringe Leckage des Volumenstromregelventils (6) zu einem Öffnen des Einlassventils (4) führt.
  4. Hochdruckpumpe (1) nach Anspruch 3, wobei der bestimmte vom Volumenstromregelventil (6) stammende Volumenstrom, der zu einem Öffnen des Einlassventils (4) führt, mindestens 10% des durch das vollständig geöffnete Volumenstromregelventil (6) strömenden Volumenstroms ist.
  5. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (5) durch eine entsprechende Strömungsführung des Fluids im Bereich des Kolbens (2) umgesetzt ist.
  6. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bypassdrossel (7) parallel zum Volumenstromregelventil (6) geschaltet ist und dieses kurzschließt.
  7. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bypassdrossel (7) und das Volumenstromregelventil (6) mit einer Fluidquelle verbunden sind und vorzugsweise die Rücklaufdrossel (9) mit einer Fluidsenke verbunden ist.
  8. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Auslassventil (8) zum Auslassen des Fluids aus dem Pumpraum (3), wobei das Auslassventil (8) vorzugsweise mit einer Federvorspannung versehen ist, die dafür sorgt, dass das Fluid den Pumpraum (3) erst bei einem gewünschten Druckniveau verlässt, das größer als das Druckniveau stromaufwärts des Einlassventil (4) ist.
  9. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumenstromregelventil (6) ein 2/2-Wegeventil ist, insbesondere ein 2/2-Magnetventil, das in einer ersten Schaltstellung die an das Volumenstromregelventil (6) heranreichenden Fluidkanäle verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die an das Volumenstromregelventil (6) heranreichenden Fluidkanäle unterbricht.
  10. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jegliches Ventil stromaufwärts des Einlassventils (4) keine Druckregel- und/oder Druckbegrenzungsfunktion aufweist, vorzugsweise die Hochdruckpumpe (1) kein Druckregel- und/oder Druckbegrenzungsventil enthält.
  11. Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochdruckpumpe (1) vom Typ einer Rollenstößelpumpe ist.
  12. Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einem Kraftstofftank über eine Kraftstoffpumpe geförderter Kraftstoff dem Volumenstromregelventil (6) und der Bypassdrossel (7) zugeführt wird.
  13. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 12, wobei die Rücklaufdrossel (9) mit dem Kraftstofftank verbunden ist, um über die Rücklaufdrossel (9) aus der Hochdruckpumpe (1) strömenden Kraftstoff dem Kraftstofftank zuzuführen.
  14. Arbeitsmaschine mit einer Hochdruckpumpe (1) nach den Ansprüchen 1 bis 11 oder einem Kraftstoffeinspritzsystem nach den Ansprüchen 12 oder 13.
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