DE102011006092A1

DE102011006092A1 - Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff sowie Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102011006092A1
Application number: DE102011006092A
Authority: DE
Inventors: Alexander Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoffen im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Pumpenelement (1), das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb (2) zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben (3) umfasst, wobei im Saughub des Pumpenkolbens (3) Kraftstoff über ein Saugventil (4) aus einem Niederdruckbereich (5) angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens (3) verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil (6) einem Hochdruckspeicher (7) zugeführt wird. Der Nocken- oder Exzentertrieb (2) ist dabei in einem Triebwerksraum (8) aufgenommen, welcher im Betrieb der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist im mit Kraftstoff gefüllten Triebwerksraum (8) ein Gasvolumen (9) ausgebildet, welches aufgrund der Kompressibilität des Gases einen Ausgleich von Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht. Des Weiteren wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Hochdruckpumpe vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Hochdruckpumpe.
Stand der Technik
Hochdruckpumpen, welche nur ein Hochdruckelement oder mehr als ein Hochdruckelement und einen nicht symmetrischen Hubverlauf aufweisen, sind volumetrisch nicht ausgeglichen. Dies hat zur Folge, dass Druckpulsationen auftreten können, die sich je nach Pumpenlayout im Pumpenzulauf, im Pumpenrücklauf und/oder im Inneren der Pumpe niederschlagen und zu einer erhöhten Belastung der umgebenden Bauteile, beispielsweise der Leitungen, Filter, Dichtelemente und dergleichen, führen. Bei volumetrisch nicht ausgeglichenen Hochdruckpumpen wird daher üblicherweise ein Überströmventil eingesetzt, das durch Einfedern und ggf. teilweises Überströmen in der Lage ist, die Druckpulsationen zumindest teilweise aufzunehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derartige Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen, die in der Regel ursächlich für die Druckpulsationen sind, zu verhindern oder zumindest zu verringern, um die Belastung der Hochdruckpumpe herabzusetzen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Hochdruckpumpe sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement auf, das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben umfasst, wobei im Saughub des Pumpenkolbens Kraftstoff über ein Saugventil aus einem Niederdruckbereich angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil einem Hochdruckspeicher zugeführt wird. Der Nocken- oder Exzentertrieb ist in einem Triebwerksraum aufgenommen, welcher im Betrieb der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt ist. Erfindungsgemäß ist im mit Kraftstoff gefüllten Triebwerksraum ein Gasvolumen ausgebildet, welches aufgrund der Kompressibilität des Gases einen Ausgleich von Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht. Der ständige Einschluss eines Gases im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe bewirkt eine passive Druckdämpfung. Denn Druck- bzw. Volumenoszillationen werden über eine Volumenänderung des Gasvolumens ausgeglichen. Die Belastung der Hochdruckpumpe nimmt ab, insbesondere im Bereich der Wellendichtringe. Zugleich ist eine gleichmäßige Schmierung und/oder Kühlung der Wellenlager gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gasvolumen gekapselt. Das Gas selbst steht somit nicht in direktem Kontakt mit dem Kraftstoff. Weiterhin bevorzugt teilt sich das Gasvolumen auf mehrere gekapselte Einzelvolumina auf, welche vorzugsweise zusammenhängend ausgebildet sind. Die Kapselung des Gasvolumens verhindert, dass das Gasvolumen zerfällt und/oder mit dem Kraftstoff aus dem Triebwerksraum abströmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Gasvolumen in einem Elastomerkörper eingeschlossen. Der Elastomerkörper kann einen einzigen Hohlraum oder mehrere Hohlräume zur Aufnahme des Gasvolumens aufweisen. Beispielsweise können im Elastomerkörper Kammern oder Zellen ausgebildet sein, welche gasgefüllt sind.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe eine geregelte Elektrokraftstoffpumpe als Vorförderpumpe. Die Vorförderpumpe kann somit zur Mengenregelung eingesetzt werden. Weiterhin bevorzugt ist die Elektrokraftstoffpumpe dynamisch drehzahlgeregelt. Das heißt, dass sie eine berechnete oder anderweitig bestimmte Menge als Grundlast liefert und darüber hinaus eine Menge moduliert, welche der Ungleichförmigkeit der Pumpe in möglichst idealer Weise entspricht und somit ebenfalls einen Ausgleich von Druckpulsationen bewirkt. Über eine vorgebbare Logik wird der zu modulierende Mengenbedarf ermittelt, wobei als Eingangsgröße der aktuelle Pumpenwinkel dienen kann. Der aktuelle Pumpenwinkel kann gemessen oder rechnerisch ermittelt werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit vom Lastfall der Pumpe der Pumpenwinkel anhand eines Triggersignals interpoliert werden. Eine als aktiver Dämpfer einsetzbare dynamisch drehzahlgeregelte Elektrokraftstoffpumpe bringt über das zusätzlich geförderte Kraftstoffvolumen gezielt Druckpulsationen in den Niederdruckbereich der Hochdruckpumpe ein, die gegenläufig zu den unerwünschten Druckpulsationen sind, so dass diese kompensiert werden. Zugleich ist eine optimale Elementbefüllung gewährleistet.
Des Weiteren wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe vorgeschlagen. Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Niederdruckbereich können somit weitgehend vermieden, zumindest jedoch deutlich verringert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems,
2 ein Diagramm zur Darstellung des Volumen- und Druckverlaufs im Triebwerksraum einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α,
3a–c schematische Darstellungen gekapselter Gasvolumina,
4 schematische Darstellungen eines weiteren erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems, wobei die obere Darstellung die Hochdruckpumpe bei Ausführung eines Saughubes des Pumpenkolbens und die untere Darstellung bei Ausführung eines Förderhubes des Pumpenkolbens zeigt und
5 ein Diagramm zur Darstellung des Fördermengenbedarfs bei aktivem Ausgleich durch eine dynamisch geregelte Elektrokraftstoffpumpe.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe mit einem Pumpen- bzw. Hochdruckelement 1, dessen Pumpenkolben 3 über einen Nockentrieb 2 zu einer Hubbewegung antreibbar ist. Der Pumpenkolben 3 führt dabei einen Saughub aus, während dessen über ein Saugventil 4 Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich 5 angesaugt wird. Im Förderhub des Pumpenkolbens 3 wird der angesaugte Kraftstoff verdichtet und über ein Auslassventil 6 einem Hochdruckspeicher 7 zugeführt. Im Niederdruckbereich 5 ist eine Elektrokraftstoffpumpe 12 als Vorförderpumpe angeordnet, welche der Mengenregelung dient. Die zu fördernde Kraftstoffmenge wird einem Kraftstoffvorratsbehälter 13 entnommen und über ein Rückschlagventil 14 in einen Förderstrom und einen Schmier-/Kühlstrom aufgeteilt, wobei letzterer in einen Triebwerksraum 8 der Hochdruckpumpe gelangt, in welcher der Nockentrieb 2 aufgenommen ist. Die Schmier-/Kühlmenge dient insbesondere der Schmierung/Kühlung der Wellenlager 15 einer Antriebswelle, welche Bestandteil des Nockentriebes 2 ist. Die über die Wellenlager 15 abfließende Schmier-/Kühlmenge wird über einen Rücklauf 17 dem Kraftstoffvorratsbehälter 13 zugeführt.
Im Saughub des Pumpenkolbens 3 wird das Volumen des Triebwerkraums verkleinert, während es im Förderhub des Pumpenkolbens 3 wieder eine Vergrößerung erfährt. Bei Hochdruckpumpen mit nur einem Pumpen- bzw. Hochdruckelement 1 führt dies zu Druckpulsationen, die es auszugleichen gilt. Denn durch die Druckpulsationen wird die Belastung der Hochdruckpumpe erhöht, insbesondere die Belastung der im Bereich der Wellenlager 15 angeordneten Wellendichtringe. Zum Ausgleich derartiger Druckpulsationen bzw. Volumenoszillationen weist die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Hochdruckpumpe ein Gasvolumen 9 im kraftstoffgefüllten Triebwerksraum 8 auf, das von einem Elastomerkörper umschlossen ist. Durch die Kompressibilität des Gases werden Druck- bzw. Volumenveränderungen passiv aufgenommen und somit ausgeglichen. Die Zusammenhänge sind schematisch in dem Diagramm der 2 dargestellt.
Das Diagramm der 2 umfasst eine untere Kurve, welche den Druckverlauf im Triebwerksraum 8 durch Kompression des Gasvolumens 9 zeigt. Die beiden darüber liegenden Kurven geben die Veränderung des Kraftstoffvolumens und des Gasvolumens im Triebwerksraum 8 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α, d. h. der Winkellage des Nockens des Nockentriebes 2, an. Die als durchgezogene Linie gezeichnete Kurve bezieht sich auf das Kraftstoffvolumen und die mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve auf das Gasvolumen. Die Gegenläufigkeit der beiden Kurven verdeutlicht den Volumenausgleich. Die oberste Kurve des Diagramms zeigt die Schmier-/Kühlmenge, welche durch die Wellenlager 15 abgeführt wird. Der Kurvenverlauf ist nicht ganz eben, da sie dem Druckverlauf im Kurbelgehäuse folgt. Die Pulsationen sind jedoch deutlich abgeschwächt.
Alternativ zum Ausführungsbeispiel der 1 kann das Gasvolumen 9 auch auf mehrere gekapselte Einzelvolumina aufgeteilt sein. Beispiele hierfür sind in den 3a–3c dargestellt. Gemäß den 3a und 3b kann das Gasvolumen 9 in Hohlräumen 11 eines Elastomerkörpers 10 aufgenommen sein, wobei die Hohlräume 11 jeweils nebeneinander angeordnet sind, so dass sich eine „Steppdecken”-ähnliche Form des Elastomerkörpers 10 ergibt. In 3c ist der Elastomerkörper als geschlossenporiger Werkstoff dargestellt, dessen Poren bzw. Hohlräume 11 gasgefüllt sind. Die vielen zusammenhängenden gasgefüllten Poren bzw. Hohlräume 11 bilden das Gasvolumen 9 aus.
Das zur Kompensation von Druckpulsationen erforderliche Gasvolumen 9 lässt sich berechnen. Ausgehend von der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase P·V = m·R·T, wobei m für die Masse, R für die Gaskonstante und T für die Temperatur stehen, ergibt sich folgende Gleichung p_min·V_max = p_max(V_max – V_Kolben).
Bei einem Mindestdruck der Schmier-/Kühlmenge von etwa 4 bar abs. und einem Maximaldruck von etwa 7 bar abs. sowie einem über den Kolbenhub verdrängtes Volumen von etwa 178 mm³, ergibt sich folgende Gleichung (p_max – p_min)V_max = p_max·V_Kolben.
Hieraus folgt, ein V_max bei 4 bar abs. = 415 mm³.
Eine Vergrößerung des gasförmigen Volumens würde eine Abnahme des Delta-Drucks (p_max – p_min) bewirken.
Das Gasvolumen 9 unter Atmosphärendruck lässt sich wie folgt berechnen: p·V = Konst. p_4bar·V_4bar = p_Atm·V _Atm
Setzt man die entsprechenden Werte ein, ergibt sich ein V_Atm = 1661 mm³, was 1,661 cm³ entspricht.
In der 4 ist in zwei Darstellungen ein weiteres Kraftstoffeinspritzsystem dargestellt, wobei die obere Darstellung den Pumpenkolben 3 in Ausführung eines Saughubes und die untere Darstellung den Pumpenkolben 3 in Ausführung eines Förderhubes zeigt. Entsprechend dem Kraftstoffeinspritzsystem der 1 weist auch das in der 4 dargestellte System eine Hochdruckpumpe mit einem Pumpen- bzw. Hochdruckelement 1 auf, dessen Pumpenkolben 3 über einen Nockentrieb 2 zu einer Hubbewegung antreibbar ist. Im Saughub des Pumpenkolbens 3 wird Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 5 über ein Saugventil 4 angesaugt und im Förderhub verdichtet. Der auf Hochdruck verdichtete Kraftstoff gelangt dabei über ein Auslassventil 6 in einen Hochdruckspeicher (nicht dargestellt). Eine Elektrokraftstoffpumpe 12 dient wiederum als Förderpumpe, welche den Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorratsbehälter 13 der Hochdruckpumpe zuführt. Die gesamte Fördermenge gelangt in einen Triebwerksraum 8, in dem der Nockentrieb 2 aufgenommen ist. Gemäß der oberen Darstellung der 4 bewirkt der Kolbenhub eine Volumenverkleinerung des Triebwerksraums 8, welche den hydraulischen Druck erhöht. Denn der Triebwerksraum 8 der Hochdruckpumpe ist vollständig mit Kraftstoff gefüllt. Die Verkleinerung des Volumens des Triebwerkraums 8 bewirkt, dass Kraftstoff aus dem Triebwerksraum 8 verdrängt werden muss. Hierzu ist ein Überströmventil 16 vorgesehen, über welches das Volumen des Triebwerksraums 8 mit einem Rücklauf 17 verbindbar ist. Das durch den Kolbenhub verdrängte Volumen kann durch Einfedern und teilweises Überströmen durch das Überströmventil 16 aufgenommen werden. Wie der unteren Darstellung zu entnehmen ist, wird durch Weiterdrehen der Nockenwelle der Pumpenkolben 3 wieder nach oben gedrückt, so dass sich das Volumen des Triebwerksraums 8 wieder vergrößert und Kraftstoff nachgesaugt werden muss. Dabei strömt zumindest ein Teil des verdrängten Volumens aus dem Überströmventil 16 zurück. Um das verdrängte und nachgesaugte Volumen in der Fördermenge zu berücksichtigen, wird eine Elektrokraftstoffpumpe 12 eingesetzt, die dynamisch drehzahlgeregelt ist. Neben einer berechneten Grundlast liefert die Elektrokraftstoffpumpe eine weitere Menge, welche der Volumenzunahme im Triebwerksraum 8 der Hochdruckpumpe während des Förderhubes des Pumpenkolbens 3 entspricht, so dass die Ungleichförmigkeiten zumindest weitgehend ausgeglichen werden.
Die dynamisch geregelte Elektrokraftstoffpumpe wird bevorzugt in der Weise geregelt, dass das vom Pumpenkolben 3 verdrängte und nachgesaugte Volumen in der Fördermenge berücksichtigt wird. Die dafür erforderliche Fördermenge ergibt sich aus dem Diagramm der 5, wonach in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α ein Volumen Q_K in das System eingebracht wird. Die von der Vorförderpumpe in das System eingebrachte Gesamtmenge ergibt sich wie folgt: Q_FP = Q_HD + Q_K.
Die geförderte Hochdruckmenge Q_HD muss dabei in Abhängigkeit von der Motorlast zur Verfügung stehen.
Die in den Ausführungsbeispielen der 1 und 4 dargestellten Maßnahmen ergänzen sich, so dass bevorzugt eine Kombination der Maßnahmen vorgeschlagen wird.

Claims

Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Pumpenelement (1), das einen über einen Nocken- oder Exzentertrieb (2) zu einer Hubbewegung antreibbaren Pumpenkolben (3) umfasst, wobei im Saughub des Pumpenkolbens (3) Kraftstoff über ein Saugventil (4) aus einem Niederdruckbereich (5) angesaugt und im Förderhub des Pumpenkolbens (3) verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil (6) einem Hochdruckspeicher (7) zugeführt wird, wobei der Nocken- oder Exzentertrieb (2) in einem Triebwerksraum (8) aufgenommen ist, welcher im Betrieb der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im mit Kraftstoff gefüllten Triebwerksraum (8) ein Gasvolumen (9) ausgebildet ist, welches aufgrund der Kompressibilität des Gases einen Ausgleich von Druckpulsationen und/oder Volumenoszillationen im Betrieb der Hochdruckpumpe ermöglicht.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (9) gekapselt ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (9) in einem Elastomerkörper (10) eingeschlossen ist, der vorzugsweise mehrere Hohlräume (11) zur Aufnahme des Gases aufweist.
Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe eine geregelte Elektrokraftstoffpumpe (12) als Vorförderpumpe umfasst, die vorzugsweise dynamisch drehzahlgeregelt ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geregelte Elektrokraftstoffpumpe (12) neben einer vorgebbaren Kraftstoff-Grundmenge eine zusätzliche Menge liefert, mittels welcher Ungleichförmigkeiten der Hochdruckpumpe ausgleichbar sind.
Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.