EP1348865A2 - Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1348865A2
EP1348865A2 EP02026059A EP02026059A EP1348865A2 EP 1348865 A2 EP1348865 A2 EP 1348865A2 EP 02026059 A EP02026059 A EP 02026059A EP 02026059 A EP02026059 A EP 02026059A EP 1348865 A2 EP1348865 A2 EP 1348865A2
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EP
European Patent Office
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cylinder
cylinders
pressure fuel
fuel pump
control valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02026059A
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EP1348865A3 (de
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Helmut Rembold
Heinz Siegel
Manuel Schoepke
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP1348865A3 publication Critical patent/EP1348865A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/04—Means for damping vibrations or pressure fluctuations in injection pump inlets or outlets
    • 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
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    • F02M59/02—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type
    • F02M59/08—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by two or more pumping elements with conjoint outlet or several pumping elements feeding one engine cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure fuel pump for a fuel system of an internal combustion engine, with a A plurality of cylinders with pistons, each one Limit work space with a drive shaft, which at one turn the pistons in a reciprocating motion offset, and with at least one quantity control valve, which at least during a funding cycle Cylinder at least temporarily a delivery room this Can connect cylinders with a pressure relief area.
  • Such a high pressure fuel pump is from the market known. It is used in such fuel systems used, which in internal combustion engines with gasoline or Diesel direct injection can be used. By a such high pressure fuel pump will run on the fuel compressed to a very high pressure and into a fuel rail ("Rail”) promoted and under high pressure there saved. There are several on this fuel rail Injectors connected to the fuel in each Inject combustion chambers.
  • the drive shaft of the well-known high pressure fuel pump is rigid with a camshaft of the internal combustion engine coupled.
  • the Delivery rate of the fuel pump directly from the speed the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine in which despite high speed only little fuel is injected into the combustion chambers, so even little fuel from the high pressure fuel pump must be promoted.
  • a volume control valve provided by a Control and regulating device is controlled so that it is against Opens briefly at the end of a funding wing.
  • the under high Pressure in the delivery chamber of the fuel pump compressed Fuel is then not in the fuel rail pumped but into an upstream from the high pressure fuel pump drained low pressure area. ever the flow control valve longer during a delivery cycle is open, the lower it is Quantity of fuel reaching the fuel line.
  • the object of the present invention is this Pressure pulsations in the low pressure range continue to increase reduce so that this is correspondingly inexpensive can be manufactured and / or long life having.
  • the high-pressure fuel pump at least three cylinders, two At least one flow control valve is assigned to cylinders and the pistons of these cylinders to each other about 180 ° are driven out of phase, and being the third Cylinder arranged and the drive shaft designed so is that the piston of the third cylinder is approximately 90 ° driven out of phase with the other two cylinders becomes.
  • a three-cylinder fuel pump created which has a high output has, but also in the low pressure range pressure pulsations occurring are comparatively low can be held.
  • the stroke volume of the third cylinder is smaller than the respective Stroke volumes of the other two cylinders.
  • the design according to the invention ensures that these pressure pulsations are comparatively low.
  • the delivery rate is at least one Cylinder via an associated with the cylinder inlet valve can be adjusted.
  • the volume control valve can in any case required inlet valve must be integrated. This Integration is relatively easy.
  • the advantages according to the invention can be achieved without that additional flow channels in the pump housing required are.
  • At least one of the cylinders via the volume control valve or inlet valve can be switched on and off.
  • valve is not very dynamic required so that it can be made cheaper can. Nevertheless, the delivery rate can be Switch off the cylinder at least in the rough frame can be set.
  • the delivery rooms of the two cylinders with the approximately 180 ° to each other the phase-shifted piston is the same Quantity control valve is assigned. That is why possible, since only one of the two cylinders is always in the Funding cycle is located. Thus, a volume control valve be saved what the manufacturing costs of low pressure fuel pump according to the invention lowers.
  • volume control valve be a is a continuously adjustable valve.
  • a volume control valve with two switch positions conceivable, which has price advantages, since a cheaper power amplifier due to the lower requirements for the switching time can be used.
  • a continuously adjustable valve has the advantage, however, that the amount to be conveyed is very can be set exactly what a reduction in Power consumption of the high pressure fuel pump enables.
  • the quantity control valve has three connections, one connection leading to the outlet of one delivery chamber, an opposite connection leading to the outlet of the other delivery chamber, and a further opposite connection leading to a high-pressure outlet of the high-pressure pump.
  • a hydraulic circuit has the advantage that, in contrast to a valve with only two connections, an additional check valve that is otherwise required can be dispensed with.
  • Such a high-pressure fuel pump is small and inexpensive.
  • an internal combustion engine carries this overall Reference number 10. It comprises a fuel system (without Numbered). This promotes an electrical Low pressure pump 14 fuel from a fuel tank 16. From there, the fuel passes through a low pressure fuel line 18 to a high-pressure fuel pump 20, which is only symbolically dash-dotted in FIG. 1 is shown. It is explained in detail below. At the low pressure fuel line 18 is a Pressure damper 22 connected.
  • the high-pressure fuel pump 20 delivers into a Fuel manifold 24, in the operation of the Fuel is stored under high pressure. To these are several injectors 26 connected, which run the fuel Combustion chambers 28 assigned directly in them inject. A pressure relief valve 30 carries excess Fuel from the fuel rail 24 in the Low pressure fuel line 18 back. A pressure sensor 32 detects the prevailing in the fuel rail 24 Pressure and sends appropriate signals to a control and Control unit 34. This in turn controls the high pressure fuel pump 20 on. Incidentally, this is directly above a clutch, not shown, of one in Figure 1 only symbolically shown camshaft 36 of the Internal combustion engine 10 driven.
  • the high-pressure fuel pump 20 of the internal combustion engine 10 is shown in more detail in Figure 2: After the high pressure fuel pump 20 includes a drive shaft 38 with an eccentric section 40. On this is an in Figure 2 not shown cam ring attached. Over here intermediate elements of no further interest are shown in a rotation of the drive shaft 38 from the eccentric section 40 three radially arranged pistons 42, 44 and 46 in a back and forth Moved here.
  • the pistons 42 to 46 are not closer in one shown housing and limit areas Delivery rooms 48, 50 and 52. Via as an inlet valve acting spring-loaded ball check valves 54 to 58 can the delivery rooms 48 to 52 with the low pressure fuel line 18 are connected. Similar spring-loaded ball check valves 60, 62 and 64 form outlet valves with which the delivery spaces 48 to 52 to be connected to a high pressure fuel line 66 can, which leads to the fuel rail 24.
  • Components 42, 48, 54 and 60 belong to a cylinder 68, the components 44, 50, 56, 62 to form a cylinder 70, and components 46, 52, 58 and 64 to form a cylinder 72.
  • the cylinders 68 to 72 are hydraulic as follows interconnected:
  • Node 74 Guide the exhaust valves 60 and 64 of cylinders 68 and 72 to a node 74. This is over a spring-loaded check valve 76 with the high pressure fuel line 66 connected.
  • the outlet valve 62 of the Cylinder 70 is connected to a node 77 which between the check valve 76 and the high pressure fuel line 66 lies.
  • Node 74 is also via an infinitely adjustable electromagnetic actuated quantity control valve 78 and a node 80 connected to a channel (without reference number), to which in turn all inlet valves 54, 56 and 58 and the Low pressure fuel line 18 are connected.
  • the Cylinder 68 and cylinder 72 are offset from one another by 180 ° arranged. Because pistons 42 and 46 of cylinders 68 and 72 from the same eccentric section 40 of the drive shaft 38 are driven, they turn when the Drive shaft 38 with a phase shift of 180 ° in a back and forth movement. This means that when the piston 42 of the cylinder 68 moves radially moves outward, the piston 46 of the cylinder 42 after moved radially inward, and vice versa.
  • the volume control valve remains 78 in its normally closed position.
  • a Suction stroke of a piston 42, 44 or 46 of a cylinder 68, 70 or 72 one suction stroke corresponds to one radially inward directed movement of a piston 42 to 46
  • the quantity control valve 78 energized and open, opens due to pressure drop in the said area, the exhaust valve 60 so that the 48 existing fuel under high pressure in the delivery chamber can flow out.
  • the piston 46 of the Cylinder 72 has a radially inward movement executes, so this cylinder in one suction cycle and the intake valve 58 of this cylinder 72 is open, the escaping from the delivery chamber 48 flows Fuel via the quantity control valve 78 is not complete in the low pressure fuel line 18, but at least partly through the open inlet valve 58 in the Delivery chamber 52 of the cylinder 72.
  • the volume control valve 78 is described in the above Opened in this way, there is comparatively little Fuel into the low pressure fuel line 18 so that the corresponding pressure surge in the low pressure fuel line 18 is also comparatively low. The components of the low pressure fuel line 18 are therefore spared and the low pressure surge in essentially be absorbed by the pressure damper 22.
  • the conveying capacity of the Cylinder 70 Its outlet valve 62 is as shown in FIG. 2 can be seen via the node 77 directly with the High pressure fuel line 66 connected.
  • the corresponding one Channel thus opens downstream from Check valve 76 into the high pressure fuel line 66.
  • a control of the quantity control valve 78 is therefore open the delivery rate of the cylinder 70 does not affect this promotes with the drive shaft 38 rotating.
  • volume control valve 78 is a switching valve, which goes between two switch positions can be switched down. But it is also possible Use of a continuously adjustable valve. In this The opening pressure of the exhaust valves 60 and 64 may fall continuously adjustable, which is a particularly precise Setting the delivery rate of the high pressure fuel pump 20 allows.
  • valve 82 The difference of the high pressure fuel pump shown in Figure 3 to that shown in Figure 2 the cylinder 70.
  • This is a switchable in the present case Valve 82 assigned, which hydraulically between the Delivery chamber 50 of the cylinder 70 and the low-pressure fuel line 18 is arranged.
  • the valve 82 has two Switch positions: The valve is in switch position 84 82 permeable in both directions. So it's a free one Fluid exchange between the delivery chamber 50 and the Low pressure fuel line 18 possible. In the Switch position 86, the valve 82 works as spring-loaded check valve 56, corresponding to the Inlet valve in Figure 2.
  • the valve 82 is also from the control and regulating device 34 controllable.
  • switch position 84 during a suction stroke of the piston 44 of the cylinder 70 Fuel from the low pressure fuel line 18 in the Delivery chamber 50 sucked in and in the subsequent Delivery stroke straight back into the low pressure fuel line 18 ejected.
  • the valve is located 82, on the other hand, in switch position 56, arrives at one Suction stroke of the piston 44 fuel from the low-pressure fuel line 18 in the delivery room 50, at one Delivery stroke of the piston 44, however, the fuel over exhaust valve 62 and node 77 into FIG High pressure fuel line 66 ejected.
  • the cylinder 70 can therefore move out and in via the valve 82 be switched on. If the valve 82 is in the Switch position 84, it may be due to the movements piston 44 of cylinder 70 in the low pressure fuel line 18 also come to pressure pulsations. In order to keep this as low as possible, the stroke volume of the Cylinder 70 compared to the stroke volumes of the cylinders 68 and 72 relatively small.
  • the high-pressure fuel pump 20 shown in FIG. 4 also has valve 82 with which cylinder 70 can be switched on and off. Beyond that it is Flow control valve 78 designed as a 2/3 way valve, it has two switch positions 86 and 88 and three ports 90, 92 and 94. This has the advantage that between the delivery spaces 48 and 52 of the cylinders 68 and 72 and the high pressure fuel line 66 only two in total Check valves 60 and 64 are required.
  • the delivery spaces 48 and 52 of the cylinders 68 and 72 are directly connected to the volume control valve 78. It is the delivery chamber 52 of the cylinder 72 with the connection 90 and the delivery chamber 48 of the cylinder 68 with the opposite connection 94 of the quantity control valve 78 connected. Parallel to the connection of the delivery room 48 with the connection 94 is the delivery chamber 48 via the spring-loaded check valve 60 also with the node 77 or connected to the high pressure fuel line 66.
  • This node 77 is also spring loaded Check valve 64 with the next to port 94 lying connection 92 of the quantity control valve 78 connected.
  • switch position 86 of the volume control valve 78 can fuel from the delivery chamber 52 through the Ports 90 and 92 of the volume control valve 78 and that Check valve 64 in the high pressure fuel line 66 stream.
  • the branch parallel to this, which ends in connection 94 is blocked.
  • High-pressure fuel pump 20 corresponds to that of Figure 4, with the exception of cylinder 70: this cannot move in and out turned off. Instead it is an inlet valve 56 a normal spring loaded check valve intended.

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Abstract

Eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) umfasst eine Mehrzahl von Zylindern (68 - 70) mit Kolben (42 - 46). Diese begrenzen jeweils einen Förderraum (48 - 52). Eine Antriebswelle (38) versetzt bei einer Drehung die Kolben (42 - 46) in eine Hin- und Herbewegung. Mindestens ein Mengensteuerventil (78, 82) kann während eines Fördertaktes eines Zylinders (68 - 72) wenigstens zeitweise einen Förderraum (48 - 52) dieses Zylinders (68 - 72) mit einem Druckentlastungsbereich (18, 48, 52) verbinden. Um Druckpulsationen in einem Niederdruckbereich (18) zu verringern, wird vorgeschlagen, dass zwei Zylinder (68, 72) so zueinander angeordnet sind und die Antriebswelle (38) so ausgebildet ist, dass die Kolben (42, 46) dieser beiden Zylinder (68, 72) zueinander ungefähr 180° phasenversetzt von der Antriebswelle (38) angetrieben werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Mengensteuerventil (78) so angeordnet ist, dass der Förderraum (48, 52) des gerade nicht fördernden Zylinders (68, 72) mindestens Teil des Druckentlastungsbereichs (52, 48) ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, mit einer Mehrzahl von Zylindern mit Kolben, welche jeweils einen Arbeitsraum begrenzen, mit einer Antriebswelle, welche bei einer Umdrehung die Kolben in eine Hin- und Herbewegung versetzt, und mit mindestens einen Mengensteuerventil, welches mindestens während eines Fördertakts eines Zylinders wenigstens zeitweise einen Förderraum dieses Zylinders mit einem Druckentlastungsbereich verbinden kann.
Eine derartige Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist vom Markt her bekannt. Sie wird bei solchen Kraftstoffsystemen eingesetzt, welche bei Brennkraftmaschinen mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung verwendet werden. Durch eine derartige Hochdruckkraftstoffpumpe wird der Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck komprimiert und in eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") gefördert und dort unter hohem Druck gespeichert. An diese Kraftstoff-Sammelleitung sind mehrere Injektoren angeschlossen, die den Kraftstoff in jeweilige Brennräume einspritzen.
Die Antriebswelle der bekannten Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist starr mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt. Somit hängt, ohne entsprechende Maßnahmen, die Förderleistung der Kraftstoffpumpe direkt von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Es gibt jedoch Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, in denen trotz hoher Drehzahl nur wenig Kraftstoff in die Brennräume eingespritzt wird, also auch nur wenig Kraftstoff von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe gefördert werden muss.
Damit die Menge des geförderten Kraftstoffes unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle eingestellt werden kann, ist daher ein Mengensteuerventil vorgesehen, welches von einem Steuer- und Regelgerät so angesteuert wird, dass es gegen Ende eines Fördertraktes kurzzeitig öffnet. Der unter hohem Druck im Förderraum der Kraftstoffpumpe komprimierte Kraftstoff wird dann nicht in die Kraftstoff-Sammelleitung gepumpt, sondern in einen stromaufwärts von der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelegenen Niederdruckbereich abgelassen. Je länger das Mengesteuerventil während eines Fördertaktes geöffnet ist, desto geringer ist die letztlich zur Kraftstoff-Sammelleitung gelangende Kraftstoffmenge.
In dem stromaufwärts von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe gelegenen Niederdruckbereich kommt es jedoch dann, wenn das Mengesteuerventil öffnet, zu einer schlagartigen Druckerhöhung. Die hieraus resultierenden Druckpulsationen können die an sich nicht für derartig hohe Drücke ausgelegten Komponenten in diesem Bereich beschädigen. Daher werden Maßnahmen vorgeschlagen, um die Druckpulsationen im Niederdruckbereich gering zu halten. Bekannt ist zum Beispiel der Einsatz federbeaufschlagter Druckdämpfer.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Druckpulsationen im Niederdruckbereich weiter zu verringern, so dass dieser entsprechend preiswert hergestellt werden kann und/oder eine lange Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwei Zylinder so zu einander angeordnet sind und die Antriebswelle so ausgebildet ist, dass die Kolben dieser beiden Zylinder zueinander ungefähr 180°phasenversetzt von der Antriebswelle angetrieben werden, und dass mindestens ein Mengensteuerventil so angeordnet ist, dass der Förderraum des gerade nicht fördernden Zylinders mindestens Teil des Druckentlastungsbereichs ist.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe entweicht ein Teil des Kraftstoffes dann, wenn das Mengensteuerventil während eines Fördertaktes eines Zylinders öffnet, wenigstens zum Teil nicht mehr in den Niederdruckbereich, sondern gelangt in den Förderraum des gerade nicht fördernden Zylinders. Letztlich werden also die Förderräume zweier um 180° phasenversetzt angetriebener Zylinder miteinander "kurzgeschlossen".
Dadurch, dass die Kolben der beiden Zylinder um 180° zueinander phasenversetzt angetrieben werden, befindet sich der Kolben des einen Zylinders in einem Saugtakt, während der Kolben des anderen Zylinders sich gerade in einem Fördertakt befindet, und umgekehrt. Der unter hohem Druck im Förderraum des sich in einem Fördertakt befindenden Zylinders eingeschlossene Kraftstoff kann auf diese Weise problemlos in das sich vergrößernde Hubvolumen des sich gerade in einem Saugtakt befindenden Zylinders einströmen.
Im Extremfall, wenn das Mengensteuerventil während des gesamten Fördertaktes geöffnet ist, wird überhaupt kein Kraftstoff mehr in die Kraftstoff-Sammelleitung gefördert und der Kraftstoff wird statt dessen nur zwischen den Förderräumen der beiden Zylinder weitgehend drucklos hinund hergepumpt. Der stromaufwärts von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe gelegene Niederdruckbereich wird somit von schädlichen Druckpulsationen entlastet oder ggf. sogar vollständig befreit. Dies kommt der Lebensdauer der in diesem Bereich verwendeten Komponenten zugute.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Bei einer ersten Weiterbildung weist die Hochdruck-Kraftstoffpumpe mindestens drei Zylinder auf, wobei zwei Zylindern mindestens ein Mengesteuerventil zugeordnet ist und die Kolben dieser Zylinder zueinander ungefähr 180° phasenversetzt angetrieben werden, und wobei der dritte Zylinder so angeordnet und die Antriebswelle so ausgebildet ist, dass der Kolben des dritten Zylinders ungefähr 90° phasenversetzt zu den beiden anderen Zylindern angetrieben wird. Auf diese Weise wird eine Drei-Zylinder-Kraftstoffpumpe geschaffen, welche eine hohe Förderleistung hat, bei der jedoch ebenfalls die im Niederdruckbereich auftretenden Druckpulsationen vergleichsweise gering gehalten werden können.
Dabei wird besonders bevorzugt, dass das Hubvolumen des dritten Zylinders kleiner ist als die jeweiligen Hubvolumina der beiden anderen Zylinder. In dem Fall, dass auch der dritte Zylinder über ein Mengensteuerventil verfügt, dessen Betätigung zu entsprechenden Druckpulsationen im Niederdruckbereich führt, wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sichergestellt, dass diese Druckpulsationen vergleichsweise gering sind.
Möglich ist auch, dass die Fördermenge mindestens eines Zylinders über ein dem Zylinder zugeordnetes einlassseitiges Ventil eingestellt werden kann. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil in ein ohnehin erforderliches Einlassventil integriert sein. Diese Integration ist vergleichsweise einfach möglich. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Vorteile erzielbar, ohne dass zusätzliche Strömungskanäle im Gehäuse der Pumpe erforderlich sind.
Gegebenenfalls kann auch vorgesehen sein, dass mindestens einer der Zylinder über das Mengensteuerventil bzw. einlassseitige Ventil ein- und ausgeschaltet werden kann.
In diesem Fall ist keine hohe Dynamik des Ventils erforderlich, so dass es preiswerter hergestellt werden kann. Dennoch kann die Fördermenge durch das Ein- bzw. Ausschalten des Zylinders zumindest im groben Rahmen eingestellt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn den Förderräumen der beiden Zylindern mit den ungefähr um 180° zueinander phasenversetzt angetriebenen Kolben das selbe Mengensteuerventil zugeordnet ist. Dies ist deshalb möglich, da ja immer nur einer der beiden Zylinder sich im Fördertakt befindet. Somit kann ein Mengensteuerventil eingespart werden, was die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Hochdruck-Kraftstoffpumpe senkt.
Vorgeschlagen wird auch, dass das Mengensteuerventil ein stufenlos verstellbares Ventil ist. Grundsätzlich ist zwar auch ein Mengensteuerventil mit zwei Schaltstellungen denkbar, was Preisvorteile hat, da ein billigere Endstufe aufgrund der geringeren Anforderungen an die Schaltzeit verwendet werden kann. Ein stufenlos verstellbares Ventil hat jedoch den Vorteil, dass die zu fördernde Menge sehr exakt eingestellt werden kann, was eine Reduzierung der Leistungsaufnahme der Hochdruck-Kraftstoffpumpe ermöglicht.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Hochdruck-Kraftstoffpumpe weist das Mengensteuerventil drei Anschlüsse auf, wobei ein Anschluss zum Auslass des einen Förderraums, ein gegenüberliegender Anschluss zum Auslass des anderen Förderraums, und ein weiterer gegenüberliegender Anschluss zu einem Hochdruck-Auslass der Hochdruckpumpe führt. Eine derartige hydraulische Schaltung hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu einem Ventil mit nur zwei Anschlüssen auf ein ansonsten erforderliches zusätzliches Rückschlagventil verzichtet werden kann.
Ein solche Hochdruck-Kraftstoffpumpe baut klein und preiswert.
Zeichnung
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
Figur 2
eine vereinfachte hydraulische Prinzipdarstellung der Hochdruck-Kraftstoffpumpe von Figur 1;
Figur 3
eine Darstellung ähnlich Figur 2 einer abgewandelten Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
Figur 4
eine Darstellung ähnlich Figur 2 einer nochmals abgewandelten Hochdruck-Kraftstoffpumpe; und
Figur 5
eine Darstellung ähnlich Figur 2 einer nochmals abgewandelten Hochdruck-Kraftstoffpumpe.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Kraftstoffsystem (ohne Bezugszeichen). Bei diesem fördert eine elektrische Niederdruckpumpe 14 Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 16. Von dort gelangt der Kraftstoff über eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20, welche in Figur 1 nur symbolisch strichpunktiert dargestellt ist. Sie wird weiter unten im Detail erläutert. An die Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 ist ein Druckdämpfer 22 angeschlossen.
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 fördert in eine Kraftstoff-Sammelleitung 24, in der im Betrieb der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. An diese sind mehrere Injektoren 26 angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt in ihnen jeweils zugeordnete Brennräume 28 einspritzen. Ein Überdruckventil 30 führt überschüssigen Kraftstoff aus der Kraftstoff-Sammelleitung 24 in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 zurück. Ein Drucksensor 32 erfasst den in der Kraftstoff-Sammelleitung 24 herrschenden Druck und leitet entsprechende Signale an ein Steuer- und Regelgerät 34. Dieses steuert wiederum die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 an. Diese wird im übrigen direkt über eine nicht dargestellte Kupplung von einer in Figur 1 nur symbolisch dargestellten Nockenwelle 36 der Brennkraftmaschine 10 angetrieben.
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 der Brennkraftmaschine 10 ist stärker detailliert in Figur 2 dargestellt: Danach umfasst die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 eine Antriebswelle 38 mit einem Exzenterabschnitt 40. Auf diesem ist ein in Figur 2 nicht dargestellter Hubring aufgesteckt. Über hier nicht weiter interessierende Zwischenelemente werden bei einer Drehung der Antriebswelle 38 vom Exzenterabschnitt 40 drei radial angeordnete Kolben 42, 44 bzw. 46 in eine Hinund Herbewegung versetzt.
Die Kolben 42 bis 46 sind in einem nicht näher dargestellten Gehäuse gehalten und begrenzen bereichsweise Förderräume 48, 50 bzw. 52. Über als Einlassventil fungierende federbelastete Kugel-Rückschlagventile 54 bis 58 können die Förderräume 48 bis 52 mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 verbunden werden. Ähnliche federbeaufschlagte Kugel-Rückschlagventile 60, 62 und 64 bilden Auslassventile, mit denen die Förderräume 48 bis 52 mit einer Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 verbunden werden können, die zur Kraftstoff-Sammelleitung 24 führt.
Die Komponenten 42, 48, 54 und 60 gehören zu einem Zylinder 68, die Komponenten 44, 50, 56, 62 zu einem Zylinder 70, und die Komponenten 46, 52, 58 und 64 zu einem Zylinder 72.
Die Zylinder 68 bis 72 sind folgendermaßen hydraulisch verschaltet:
Die Auslassventile 60 und 64 der Zylinder 68 und 72 führen zu einem Knotenpunkt 74. Dieser ist über ein federbeaufschlagtes Rückschlagventil 76 mit der Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 verbunden. Das Auslassventil 62 des Zylinders 70 ist mit einem Knotenpunkt 77 verbunden, der zwischen dem Rückschlagventil 76 und der Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 liegt. Der Knotenpunkt 74 ist ferner über ein stufenlos verstellbares elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil 78 und einen Knotenpunkt 80 mit einem Kanal verbunden (ohne Bezugszeichen) verbunden, an den wiederum alle Einlassventile 54, 56 und 58 und die Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 angeschlossen sind.
Wie man deutlich in Figur 2 erkennen kann, sind der Zylinder 68 und der Zylinder 72 um 180° versetzt zueinander angeordnet. Da die Kolben 42 und 46 der Zylinder 68 und 72 vom selben Exzenterabschnitt 40 der Antriebswelle 38 angetrieben werden, werden sie bei einer Drehung der Antriebswelle 38 mit einer Phasenverschiebung von 180° in ein Hin- und Herbewegung versetzt. Dies bedeutet, dass dann, wenn sich der Kolben 42 des Zylinders 68 nach radial auswärts bewegt, sich der Kolben 46 des Zylinders 42 nach radial einwärts bewegt, und umgekehrt.
Zur Steuerung der Fördermenge der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 wird folgendermaßen vorgegangen:
Ist die bei einer vorgegebenen Drehzahl der Antriebswelle 38 maximal mögliche Fördermenge der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 gewünscht, bleibt das Mengensteuerventil 78 in seiner stromlos geschlossenen Stellung. Bei einem Saughub eines Kolbens 42, 44 oder 46 eines Zylinders 68, 70 oder 72 (ein Saughub entspricht einer nach radial innen gerichteten Bewegung eines Kolbens 42 bis 46) wird Kraftstoff aus der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 über die Einlassventile 54, 56 bzw. 58 in die Förderräume 48, 50 bzw. 52 der entsprechenden Zylinder 68, 70 bzw. 72 eingesaugt.
Bei einem Förderhub eines der Kolben 42, 44 bzw. 46 (also einer nach radial außen gerichteten Bewegung eines der Kolben 42 bis 46) wird der im Förderraum 48, 50 bzw. 52 eingeschlossene Kraftstoff komprimiert und bei Überschreiten des Öffnungsdrucks der Auslassventile 60, 62, 64 und 76 in die Kraftstoff-Sammelleitung 24 gepresst.
Sollen jedoch bei einer bestimmten Drehzahl der Antriebswelle 38 eine geringere als die maximal mögliche Kraftstoffmenge gefördert werden, wird das Mengensteuerventil 78 während bestimmter Zeiträume während der Fördertakte der Zylinder 68 und 72 bestromt und somit geöffnet. Bei geöffnetem Mengensteuerventil 78 wird der zwischen dem Rückschlagventil 76 und den Auslassventilen 60 und 64 gelegene Bereich über den Knotenpunkt 74, das Mengensteuerventil 78 und den Knotenpunkt 80 mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 verbunden. Der Druck in diesem Bereich sinkt somit deutlich ab, so dass auch der Öffnungsdruck der Rückschlagventile 60 bzw. 64 sinkt.
Wird beispielsweise gegen Ende eines Fördertakts des Kolbens 42 des Zylinders 68 das Mengensteuerventil 78 bestromt und geöffnet, öffnet aufgrund des Druckabfalls in dem besagten Bereich das Auslassventil 60, so dass der unter hohem Druck im Förderraum 48 vorhandene Kraftstoff ausströmen kann. Da währenddessen jedoch der Kolben 46 des Zylinders 72 eine nach radial einwärts gerichtete Bewegung ausführt, sich dieser Zylinder also in einem Saugtakt befindet und das Einlassventil 58 dieses Zylinders 72 geöffnet ist, strömt der aus dem Förderraum 48 entweichende Kraftstoff über das Mengensteuerventil 78 nicht vollständig in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 18, sondern wenigstens zum Teil über das geöffnet Einlassventil 58 in den Förderraum 52 des Zylinders 72.
Wird das Mengensteuerventil 78 in der oben beschriebenen Weise geöffnet, gelangt somit vergleichsweise wenig Kraftstoff in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 18, so dass der entsprechende Druckstoß in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 ebenfalls vergleichsweise gering ist. Die Komponenten der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 werden daher geschont und der geringe Druckstoß kann im wesentlichen vom Druckdämpfer 22 aufgenommen werden.
Wenn der Fördertakt des Zylinders 68 beendet ist, schließt das Mengensteuerventil 78 wieder. Es öffnet dann wieder für einen bestimmten Zeitraum gegen Endes des Fördertakts des Zylinders 72, so dass dann der aus dem Förderraum 52 entweichende Kraftstoff über das Auslassventil 64, den Knotenpunkt 74, das Mengensteuerventil 78, und den Knotenpunkt 80 zum geöffneten Einlassventil 54 des sich dann in einem Saugtakt befindenden Kolbens 42 des Zylinders 68 gelangt.
Im Extremfall, wenn die Zylinder 68 und 72 überhaupt keinen Kraftstoff fördern sollen, bleibt das Mengensteuerventil 78 vollständig geöffnet, ist also ständig bestromt. In diesem Fall wird der Kraftstoff zwischen den Förderräumen 48 und 52 der Zylinder 68 und 72 hin- und hergepumpt, ohne über das Rückschlagventil 76 in die Kraftstoff-Sammelleitung 24 zu gelangen.
Von alledem unbeeinflusst bleibt die Förderleistung des Zylinders 70: Dessen Auslassventil 62 ist, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, über den Knotenpunkt 77 direkt mit der Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 verbunden. Der entsprechende Kanal (ohne Bezugszeichen) mündet also stromabwärts vom Rückschlagventil 76 in die Hochdruck-Kraftstoffleitung 66.
Eine Ansteuerung des Mengensteuerventils 78 hat also auf die Förderleistung des Zylinders 70 keinen Einfluss, dieser fördert bei drehender Antriebswelle 38 ständig.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Mengensteuerventil 78 um ein Schaltventil, welches zwischen zwei Schaltstellungen hin- und hergeschaltet werden kann. Möglich ist aber auch der Einsatz eines stufenlos einstellbaren Ventils. In diesem Fall kann der Öffnungsdruck der Auslassventile 60 und 64 stufenlos eingestellt werden, was eine besonders präzise Einstellung der Fördermenge der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 ermöglicht.
Nun wird unter Bezugnahme auf Figur 3 im Detail auf eine Abwandlung der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 eingegangen. Dabei tragen solche Elemente, Komponenten und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu den entsprechenden Elementen, Komponenten und Bereichen der Hochdruck-Kraftstoffpumpe von Figur 2 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert.
Der Unterschied der in Figur 3 dargestellten Hochdruck-Kraftstoffpumpe zu der in Figur 2 dargestellten betrifft den Zylinder 70. Diesem ist vorliegend ein schaltbares Ventil 82 zugeordnet, welches hydraulisch zwischen dem Förderraum 50 des Zylinders 70 und der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 angeordnet ist. Das Ventil 82 hat zwei Schaltstellungen: In der Schaltstellung 84 ist das Ventil 82 in beiden Richtungen durchlässig. Es ist also ein freier Fluidaustausch zwischen dem Förderraum 50 und der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 möglich. In der Schaltstellung 86 arbeitet das Ventil 82 als federbeaufschlagtes Rückschlagventil 56, entsprechend dem Einlassventil in Figur 2.
Das Ventil 82 ist ebenfalls vom Steuer- und Regelgerät 34 ansteuerbar. Im geöffneten Zustand (Schaltstellung 84) wird bei einem Saughub des Kolbens 44 des Zylinders 70 Kraftstoff aus der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 in den Förderraum 50 eingesaugt und bei dem anschließenden Förderhub gleich wieder in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 ausgestoßen. Befindet sich das Ventil 82 dagegen in der Schaltstellung 56, gelangt bei einem Saughub des Kolbens 44 zwar Kraftstoff aus der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 in den Förderraum 50, bei einem Förderhub des Kolbens 44 wird der Kraftstoff dagegen über das Auslassventil 62 und den Knotenpunkt 77 in die Hochdruckkraftstoffleitung 66 ausgestoßen.
Über das Ventil 82 kann der Zylinder 70 also aus- und eingeschaltet werden. Wenn das Ventil 82 sich in der Schaltstellung 84 befindet, kann es aufgrund der Bewegungen des Kolbens 44 des Zylinder 70 in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 18 ebenfalls zu Druckpulsationen kommen. Um diese möglichst gering zu halten, ist das Hubvolumen des Zylinders 70 im Vergleich zu den Hubvolumina der Zylinder 68 und 72 relativ klein.
Eine weitere Variante einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 ist in Figur 4 dargestellt. Auch hier tragen solche Komponenten, Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu den vorab beschriebenen Komponenten, Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
Die in Figur 4 dargestellte Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 weist ebenfalls das Ventil 82 auf, mit dem der Zylinder 70 ein- und ausgeschaltet werden kann. Darüber hinaus ist das Mengensteuerventil 78 als 2/3-Wegeventil ausgebildet, es verfügt also über zwei Schaltstellungen 86 und 88 und über drei Anschlüsse 90, 92 und 94. Dies hat den Vorteil, dass zwischen den Förderräumen 48 und 52 der Zylinder 68 und 72 und der Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 insgesamt nur zwei Rückschlagventile 60 und 64 erforderlich sind.
Möglich wird dies durch folgende hydraulische Verschaltung: Die Förderräume 48 und 52 der Zylinder 68 und 72 sind direkt mit dem Mengensteuerventil 78 verbunden. Dabei ist der Förderraum 52 des Zylinders 72 mit dem Anschluss 90 und der Förderraum 48 des Zylinders 68 mit dem gegenüberliegenden Anschluss 94 des Mengensteuerventils 78 verbunden. Parallel zur Verbindung des Förderraums 48 mit dem Anschluss 94 ist der Förderraum 48 über das federbelastete Rückschlagventil 60 auch mit dem Knotenpunkt 77 bzw. mit der Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 verbunden.
Dieser Knotenpunkt 77 ist auch über das federbelastete Rückschlagventil 64 mit dem neben dem Anschluss 94 liegenden Anschluss 92 des Mengensteuerventils 78 verbunden. In der Schaltstellung 86 des Mengensteuerventils 78 kann Kraftstoff aus dem Förderraum 52 über die Anschlüsse 90 und 92 des Mengensteuerventils 78 und das Rückschlagventil 64 in die Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 strömen. Ferner kann Kraftstoff aus dem Förderraum 48 des Zylinders 68 über das Rückschlagventil 60 in die Hochdruck-Kraftstoffleitung 66 strömen. Der hierzu parallele Zweig, welcher im Anschluss 94 endet, ist gesperrt.
In der anderen Schaltstellung 88 des Mengensteuerventils 78 ist der Förderraum 52 über die Anschlüsse 90 und 94 fluidisch direkt mit dem Förderraum 48 des Zylinders 68 verbunden. Der Anschluss 92, welcher über das Rückschlagventil 64 zur Kraftstoffhochdruck-Kraftstoffleitung 66 führt, ist dagegen gesperrt. In dieser Schaltstellung kann der Kraftstoff also vom Förderraum 48 in den Förderraum 52 gelangen, und umgekehrt.
Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 20 entspricht jenem von Figur 4, mit Ausnahme des Zylinders 70: Dieser kann nicht ein- und ausgeschaltet werden. Statt dessen ist als Einlassventil 56 ein normales federbeaufschlagtes Rückschlagventil vorgesehen.

Claims (8)

  1. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) für ein Kraftstoffsystem (12) einer Brennkraftmaschine (10), mit einer Mehrzahl von Zylindern (68-70) mit Kolben (42-46), welche jeweils einen Förderraum (48-52) begrenzen, mit einer Antriebswelle (38), welche bei einer Drehung die Kolben (42-46) in eine Hin- und Herbewegung versetzt, und mit mindestens einem Mengensteuerventil (78, 82), welches mindestens während eines Fördertaktes eines Zylinders (68-72) wenigstens zeitweise einen Förderraum (48-52) dieses Zylinders (68-72) mit einem Druckentlastungsbereich (18, 48, 52) verbinden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zylinder (68, 72) so zueinander angeordnet sind und die Antriebswelle (38) so ausgebildet ist, dass die Kolben (42, 46) dieser beiden Zylinder (68, 72) zueinander ungefähr 180° phasenversetzt von der Antriebswelle (38) angetrieben werden, und dass mindestens ein Mengensteuerventil (78) so angeordnet ist, dass der Förderraum (48, 52) des gerade nicht fördernden Zylinders (68, 72) mindestens Teil des Druckentlastungsbereichs (52, 48) ist.
  2. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens drei Zylinder (68-72) aufweist, wobei zwei Zylindern (68, 72) mindestens ein Mengensteuerventil (78) zugeordnet ist und die Kolben (42, 46) dieser Zylinder (68, 72) zueinander ungefähr 180° phasenversetzt angetrieben werden, und wobei der dritte Zylinder (70) so angeordnet und die Antriebswelle (38) so ausgebildet ist, dass der Kolben (50) des dritten Zylinders (70) ungefähr 90° phasenversetzt zu den beiden anderen Zylindern (68, 72) angetrieben wird.
  3. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubvolumen des dritten Zylinders (70) kleiner ist als die jeweiligen Hubvolumina der beiden anderen Zylinder (68, 72).
  4. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge mindestens eines Zylinders (70) über ein dem Zylinder (70) zugeordnetes einlassseitiges Ventil (82) eingestellt werden kann.
  5. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Zylinder (70) über das einlassseitige Ventil (82) ein- und ausgeschaltet werden kann.
  6. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Förderräumen (48, 52) der beiden Zylinder (68, 72) mit den ungefähr um 180° zueinander phasenversetzt angetriebenen Kolben (42, 46) das selbe Mengensteuerventil (78) zugeordnet ist.
  7. Hochdruck-Kraftstoffpumpe (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil ein stufenlos verstellbares Ventil (78) ist.
  8. Hochdruck-Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mengensteuerventil (78) drei Anschlüsse (90-94) aufweist, wobei ein Anschluss (90) zum Auslass des einen Förderraums (52), ein gegenüberliegender Anschluss (94) zum Auslass des anderen Förderraums (48), und ein weiterer gegenüberliegender Anschluss (92) zu einem Hochdruck-Auslass (66) der Hochdruckpumpe (20) führt.
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