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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Fördereinrichtung, insbesondere
für eine
Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
solche Kraftstoff-Fördereinrichtung
ist aus der
DE 198
53 103 A1 bekannt. Sie umfasst eine Kraftstoffpumpe, deren
Förderleistung
eingestellt werden kann, indem die in einen Förderraum der Kraftstoffpumpe
gelangende Kraftstoffmenge beeinflusst wird. Hierzu ist stromaufwärts vom
Förderraum eine
Zumesseinheit vorgesehen, die ein elektromagnetisch betätigtes Ventil
umfasst. Je nach Stellung eines Ventilelements dieses elektromagnetischen
Ventils wird ein Steuerquerschnitt, durch den der Kraftstoff auf
dem Weg zum Förderraum
hindurch treten muss, mehr oder weniger freigegeben. Aus der
DE 198 53 103 A1 ist
bekannt, dass der Steuerquerschnitt eine schlitzförmige, kreisförmige oder
dreieckförmige
Geometrie aufweisen kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Fördereinrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie kleiner baut, bei
gleichzeitig guter Einstellbarkeit der Fördermenge der Kraftstoffpumpe.
Eine solche ist für
die stabile Einstellung eines Drucks beispielsweise in einem Kraftstoffspeicher
("Rail") erforderlich.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kraftstoff-Fördereinrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Fördereinrichtung
kann die Länge
des Steuerquerschnitts, in Hubrichtung gesehen, deutlich verringert werden.
Somit kann auch der Hub einer entsprechenden Stelleinrichtung geringer
ausfallen. Damit kann die Stelleinrichtung insgesamt kleiner gebaut
werden, was die Abmessungen der Zumesseinrichtung verringert. Darüber hinaus
wird durch eine kleinere Stelleinrichtung deren Masse verringert,
was wiederum deren Dynamik zu Gute kommt. So kann beispielsweise
einem geänderten
Sollwert für
einen Druck in einem Kraftstoffspeicher besonders schnell und präzise gefolgt
werden.
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Erreicht
wird dies ohne Änderung
der "Empfindlichkeit" der Zumesseinrichtung
gegenüber
bisherigen Einrichtungen. Unter der Empfindlichkeit wird eine Änderung
der Fördermenge
der Kraftstoffpumpe bezogen auf eine Hubänderung einer Stelleinrichtung
verstanden, mit der der Steuerquerschnitt mehr oder weniger freigegeben
werden kann. Bei bisherigen Kraftstoff-Fördereinrichtungen,
welche beispielsweise einen dreieckförmigen Steuerquerschnitt aufwiesen,
und die bei kontinuierlich ansaugenden Kraftstoffpumpen, beispielsweise
Dreizylinderpumpen, Verwendung fanden, stieg diese Empfindlichkeit linear
mit zunehmendem Hub der Stelleinrichtung an. Dies hat sich für die Regelpräzision der
Fördermenge der
Kraftstoffpumpe als günstig
erwiesen.
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Dem
lag die Überlegung
zugrunde, dass die Fördermenge
der Hochdruckpumpe proportional zum Drosselquerschnitt ist. Es wurde
jedoch erkannt, dass es Kraftstoffpumpen gibt, bei denen die Fördermenge
noch durch zusätzliche
Aspekte beeinflusst wird. Derartige Kraftstoffpumpen sind beispielsweise Einzylinder-Kolbenpumpen
oder Zweizylinder-Kolbenpumpen mit gegenläufig arbeitenden Kolben. Bei derartigen
Kolbenpumpen wird die Zumesseinrichtung vom Kraftstoff diskontinuierlich
durchströmt,
und die Fördermenge
hängt auch
noch von der Länge
der jeweiligen Saugphase eines Zylinders ab. Diese ist bei relativ
geschlossener Zumesseinrichtung länger als bei relativ geöffneter
Zumesseinrichtung.
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Es
hat sich gezeigt, dass speziell bei solchen Kraftstoffpumpen ein
gutes Einstellverhalten der Fördermenge
bei gleichzeitig geringer Bauweise der Zumesseinrichtung realisiert
werden kann, wenn die erfindungsgemäß angegebenen Merkmale verwendet werden.
Auf diese Weise wird auch bei solchen Pumpen ein im Wesentlichen
lineares Empfindlichkeitsverhalten ermöglicht.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel im Verlaufe des
Hubs der Stelleinrichtung nicht wieder kleiner wird, sondern wenigstens
stückweise
stetig zunimmt.
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Außerdem kann
dank der erfindungsgemäßen Merkmale
bereits bei minimaler Fördermenge ("Nullförderung") bereits ein vergleichsweise
großer Öffnungswinkel,
jedenfalls ein Öffnungswinkel
größer als
Null, gewählt
werden.
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Eine
optimale Einstellcharakteristik wird durch einen wenigstens bereichsweise
nichtlinear, beispielsweise exponentiell, zunehmenden Öffnungswinkel
erreicht. Dabei wird die Fertigung vereinfacht mit einem Öffnungswinkel,
welcher abschnittsweise konstant ist. Vor allem bei einer Zweizylinder-Kolbenpumpe
mit gegenläufig
arbeitenden Kolben hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Öffnungswinkel über den
Hub der Stelleinrichtung zunächst
konstant ist und erst in einem Endbereich des Hubs wenigstens stückweise
stetig zunimmt. Dabei entspricht der erste Bereich mit konstantem Öffnungswinkel
jenem Bereich, in dem sich die Saugphasen der Pumpenkolben der beiden
Zylinder überschneiden.
Der zweite Bereich mit wenigstens stückweise stetig zunehmendem Öffnungswinkel
entspricht einer Fördermenge
der Kraftstoffpumpe, bei der sich die Saugphasen nicht mehr überschneiden.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kraftstoff-Fördereinrichtung mit einer Kraftstoffpumpe
und einer Zumesseinrichtung;
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2 einen
teilweisen Schnitt durch einen abgebrochen dargestellten Bereich
der Zumesseinrichtung von 1;
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3 ein
Diagramm, in dem ein Hub eines Kolbens und der entsprechende Druck
in einem Förderraum
der Kraftstoffpumpe von 1 über einem Kurbelwinkel aufgetragen sind,
für den
Fall, dass die Kraftstoffpumpe eine Einzylinderpumpe ist, bei Vollförderung;
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4 eine
Darstellung ähnlich 3,
bei Teilförderung;
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5 eine
Darstellung einer ersten Ausführungsform
eines Steuerquerschnitts der Zumesseinrichtung von 1 (Einzylinderpumpe);
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6 eine
Darstellung einer zweiten Ausführungsform
eines Steuerquerschnitts der Zumesseinrichtung von 1 (Einzylinderpumpe);
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7 zwei
Diagramme ähnlich 3 für eine Kraftstoff-Fördereinrichtung
nach 1, bei der die Kraftstoffpumpe als Zweizylinderpumpe
ausgebildet ist, bei Vollförderung;
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8 eine
Darstellung ähnlich 7,
bei Teilförderung;
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9 eine
Darstellung einer Ausführungsform
eines Steuerquerschnitts der Zumesseinrichtung von 1,
wenn diese bei einer Kraftstoff-Fördereinrichtung mit einer Zweizylinder-Kolbenpumpe eingesetzt
wird.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Eine
Kraftstoff-Fördereinrichtung
trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine Vorförderpumpe 14 zu
einem Einlass 15 einer Zumesseinrichtung 16 fördert. Deren
Auslass 18 führt
zu einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20. Die vom Kraftstoffbehälter 12 bis
zur Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 verlaufende Niederdruckleitung
trägt insgesamt
das Bezugszeichen 22.
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Die
Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 verdichtet den Kraftstoff
auf einen sehr hohen Druck und fördert
ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung 24, in der der Kraftstoff
unter sehr hohem Druck gespeichert ist und die auch als "Rail" bezeichnet wird.
An diese sind mehrere Injektoren 26 angeschlossen, die
den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 28 einer
im weiteren nicht im Detail dargestellten Brennkraftmaschine einspritzen.
Die Brennkraftmaschine dient beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Der
Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 24 wird von einem
Drucksensor 30 erfasst. Seine Signale überträgt der Drucksensor 30 an
eine Steuer- und Regeleinrichtung 32, die ausgangsseitig
unter anderem mit der Zumesseinrichtung 16 verbunden ist.
Mittels der Zumesseinrichtung 16 wird in noch darzustellender
Art und Weise die Fördermenge
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 eingestellt.
Hierdurch kann der Ist-Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 24,
der vom Drucksensor 30 erfasst wird, einem Soll-Druck nachgeführt werden.
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Wie
aus 2 hervorgeht, ist die Zumesseinrichtung 16 als
Saugdrossel ausgebildet. Sie umfasst ein Gehäuse 34, in dem ein
Ventilkolben 36 axial verschieblich aufgenommen ist. Der
Ventilkolben 36 ragt in eine Ventilkammer 38,
in der ein Ventilschieber 40 axial verschieblich aufgenommen
ist. Der Ventilschieber 40 wird von einer Druckfeder 42 gegen
den Ventilkolben 36 gedrückt. Der Einlass 15 der
Zumesseinrichtung 16 ist am axialen Ende der Ventilkammer 38 ausgebildet,
wohingegen der Auslass 18 in einer radialen Wand 44 der
Ventilkammer 38 in Form einer Steueröffnung 46 ausgebildet
ist. Auf diese wird noch weiter unten im Detail eingegangen.
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Die
Stellung des Ventilkolbens 36 wird durch eine elektromagnetische
Betätigungseinrichtung 48 eingestellt.
In stromlosem Zustand drückt
die Ventilfeder 42 den Ventilschieber 40 und den
Ventilkolben 36 in 2 vollständig nach
unten. Dieser Zustand ist in der linken Hälfte von 2 dargestellt.
Wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 48 dagegen
bestromt, drückt
der Ventilkolben 36 den Ventilschieber 40 gegen
die Kraft der Ventilfeder 42 in 2 nach oben,
so dass dieser die Steueröffnung 46 in
der radialen Wand 44 teilweise oder, in der Endstellung,
vollständig überdeckt.
Dieser Zustand ist in der rechten Hälfte von 2 gezeigt.
Ist die Steueröffnung 46 vollkommen frei, gelangt eine
maximale Kraftstoffmenge von der Vorförderpumpe 14 zur Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 und
von dort weiter in das Rail 24. Dieser Betriebszustand
wird als Vollförderung
bezeichnet. Ist die Steueröffnung 46 dagegen vom
Ventilschieber 40 zum Teil überdeckt, gelangt eine geringere
Kraftstoffmenge zur Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 und in
das Rail 24. Dieser Betriebszustand wird als "Teilförderung" bezeichnet.
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In
den 3 und 4 ist der Druck P in einem Förderraum
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 und ein Hub H eines Kolbens über dem
Winkel einer Antriebswelle aufgezeichnet, wenn es sich bei der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 um
eine Einzylinder-Kolbenpumpe handelt. In 3 ist die
Kurve für den
Druck für
den Betriebszustand "Vollförderung" aufgetragen. Man
erkennt, dass der Druck P im oberen Totpunkt OT zunächst maximal
ist, um sehr schnell während
eines Saughubs SH auf einen Minimalwert abzufallen. Nach Durchlaufen
des unteren Totpunkts UT beginnt der Druckaufbau im Förderraum
und eine anschließende
Hochdruckphase während
eines Förderhubs
FH.
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Bei
einer Teilförderung
entsprechend 4 gelangt nur eine geringere
Kraftstoffmenge bis zur Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20, und
der Kraftstoffdurchfluss wird in der Zumesseinrichtung 16 gedrosselt.
Der Förderraum
wird also nicht vollständig
mit Kraftstoff gefüllt,
so dass sich während
des Saughubs SH Kraftstoffdampf im Förderraum bilden kann. In der
Folge dauert der Saughub SH bis über den
unteren Totpunkt UT, da der Kolben auf seinem Weg vom unteren Totpunkt
UT bis zu oberen Totpunkt OT zunächst
das Gasvolumen im Förderraum wieder
komprimieren muss.
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Um
auch bei einer solchen Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 ein
gutes Regelverhalten bei gleichzeitig geringen Abmessungen der Zumesseinrichtung 16 realisieren
zu können,
wird durch die Steueröffnung 46 ein
effektiver Steuerquerschnitt vorgegeben, wie er in 5 dargestellt
ist. Die Richtung eines Öffnungshubs
des Ventilschiebers 40 und des Ventilkolbens 36 ist
in 5 durch einen Pfeil 50 gekennzeichnet.
Man erkennt, dass der Steuerquerschnitt 46 in Hubrichtung 50 symmetrisch
ausgebildet ist und eine seitliche Begrenzungslinie aufweist, deren
Steigung in Öffnungsrichtung 50 gesehen
kontinuierlich und exponentiell zunimmt.
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Entsprechend
nimmt auch ein Öffnungswinkel
OW des Steuerquerschnitts 46 von einem in 5 unteren
Einstellbereich 54, der einer vergleichsweise geringen
in den Förderraum
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangenden Kraftstoffmenge entspricht,
zu einem in 5 oberen Einstellbereich 56,
der einer vergleichsweise großen
in den Förderraum
gelangenden Kraftstoffmenge entspricht, kontinuierlich und exponentiell,
also nicht linear, zu. Zum Vergleich ist in 5 gepunktet
auch noch ein Steuerquerschnitt dargestellt, wie er bei bisherigen
kontinuierlich ansaugenden Kraftstoff-Hochdruckpumpen, beispielsweise Dreizylinder-Radialkolbenpumpen,
zum Einsatz kam und kommt. Man erkennt, dass der Steuerquerschnitt 46 eine
deutlich geringere Höhe
als der gepunktet dargestellte Steuerquerschnitt aufweist. Man erkennt
auch, dass selbst am in 5 unteren Ende 51 des
Einstellbereichs 54, der einer minimalen in den Förderraum
gelangenden Kraftstoffmenge entspricht, also am in 5 unteren
Ende des Steuerquerschnitts 46, der Öffnungswinkel OW größer Null
ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
eines Steuerquerschnitts 46 ist in 6 dargestellt.
Dieser ist gegenüber
dem Steuerquerschnitt 46 von 5 einfacher
herstellbar, da der Öffnungswinkel
OW abschnittsweise konstant ist. Der Steuerquerschnitt 46 wird
also durch eine Mehrzahl von Trapezen mit unterschiedlichen, jedoch
in Öffnungsrichtung 50 gesehen
zunehmenden Öffnungswinkeln
OW1, OW2, ... gebildet.
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Die
Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 der Kraftstoff-Fördereinrichtung 10 kann
auch als Zweizylinder-Kolbenpumpe mit gegenläufig arbeitenden Pumpenkolben
ausgebildet sein. Bei einer solchen Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 ist
der eine Pumpenkolben im oberen Totpunkt, während der andere im unteren Totpunkt
ist und umgekehrt. Wie auch bei der im Zusammenhang mit den 3 bis 6 beschriebenen
Einzylinder-Kolbenpumpe, ist auch bei einer Zweizylinder-Kolbenpumpe
mit gegenläufig
arbeitenden Pumpenkolben das Ansaugverhalten diskontinuierlich.
Dies geht aus den 7 und 8 hervor, bei
denen der Hub H und der Druck P für den einen Zylinder im oberen
Bereich und der Hub H und Druck P für den anderen Zylinder im unteren
Bereich der entsprechenden Figur dargestellt sind. Für den in 7 dargestellten
Fall der Vollförderung
erkennt man, dass die Saugphasen SF1 und SF2 der beiden Zylinder
einander abwechseln. Bei einer Teilförderung, wie sie in 8 dargestellt
ist, verlängern
sich dagegen die Saugphasen, wie diese bereits im Zusammenhang mit 4 erläutert wurde,
was zu einer Überschneidung
der beiden Saugphasen SF1 uns SF2 führt. Die Überschneidung ist in 8 mit
dem Bezugszeichen 52 bezeichnet.
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Für eine solche
Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 eignet sich besonders gut
ein Steuerquerschnitt 46, wie er in 9 gezeigt
ist: Man erkennt einen in Öffnungsrichtung 50 gesehen
ersten Einstellbereich 54, der einer vergleichsweise geringen
in den Förderraum
gelangenden Kraftstoffmenge entspricht, in dem der Öffnungswinkel
OW konstant ist. In einem sich an diesen anschließenden zweiten
Einstellbereich 56, der einer vergleichsweise großen in den Förderraum gelangenden
Kraftstoffmenge entspricht, nimmt der Öffnungswinkel OW dagegen in nichtlinearer,
nämlich
exponentieller Weise zu. Durch den ersten Einstellbereich 54 wird
jener Betriebszustand der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 20 abgedeckt, bei
dem eine Überschneidung 52 entsprechend 8 vorliegt,
wohingegen durch den zweiten Einstellbereich 56 ein solcher
Betriebszustand abgedeckt wird, bei dem eine solche Überschneidung nicht
mehr vorliegt (bei größeren Fördermengen).
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In 2 ist
eine Zumesseinrichtung 16 gezeigt, bei der die Steueröffnung 46 in
der radialen Wand 44 des Gehäuses 34 vorhanden
ist. Die Steueröffnung 46 kann
sich aber prinzipiell auch im Ventilschieber 40 befinden,
wobei die Funktion der Zumesseinrichtung 16 die selbe ist.
Selbstverständlich können auch
mehrere Steueröffnungen über den Umfang
des Ventilschiebers 40 verteilt vorgesehen sein, die insgesamt
einen effektiven Steuerquerschnitt entsprechend der 5, 6,
oder 9 ergeben.