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Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Pumpenanordnung.
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Stand der Technik
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Eine Pumpenanordnung für ein Kraftstoffeinspritzsystem geht beispielsweise aus der
DE 199 06 625 A1 hervor. Die Pumpenanordnung umfasst eine vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe mit einer Antriebswelle, die über ein Verbindungselement drehfest mit einer vorzugsweise als Flügelzellenpumpe ausgebildeten Vorförderpumpe verbunden ist. Die Antriebswelle der Hochdruckpumpe dient somit zugleich dem Antrieb der Vorförderpumpe. Zur Herstellung einer drehfesten Verbindung kann der Rotor der Flügelzellenpumpe beispielsweise über einen Spannstift mit der Antriebswelle verbunden werden.
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Eine weitere Pumpenanordnung für ein Kraftstoffeinspritzsystem geht aus der
DE 10 2009 047 498 A1 hervor. Sie umfasst eine Zahnradpumpe als Vorförderpumpe, welche über eine Kupplung mit der Antriebswelle der Hochdruckpumpe verbunden ist. Die Kupplung koppelt ein Zahnrad der Vorförderpumpe mit der Antriebswelle in der Weise, dass ein Formschluss bewirkt wird, mittels dessen ein Drehmoment der Antriebswelle auf das Zahnrad übertragbar ist. Um den Verschleiß im Kopplungsbereich bei hochdynamischen Lastwechseln und/oder schlecht schmierenden Kraftstoffen zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die Kupplung mindestens ein Element mit federnden Eigenschaften aufweist.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine eine Hochdruckpumpe und eine Vorförderpumpe umfassende Pumpenanordnung derart weiterzubilden, dass die Strömungsverhältnisse im Triebwerksraum der Hochdruckpumpe und damit die Schmierung und/oder Kühlung der hochbelasteten Bereiche der Hochdruckpumpe verbessert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Pumpenanordnung für ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst eine Hochdruckpumpe und eine Vorförderpumpe, wobei die Hochdruckpumpe über eine Antriebswelle antreibbar ist, die in einem Triebwerksraum aufgenommen ist. Der Triebwerksraum ist über eine Zulaufbohrung mit einem Druckbereich der Vorförderpumpe und über eine Ablaufbohrung mit einem Hochdruckelement der Hochdruckpumpe hydraulisch verbunden. Zur Optimierung der Strömungsverhältnisse im Triebwerksraum ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zulaufbohrung in Drehrichtung der Antriebswelle hinter der Ablaufbohrung in den Triebwerksraum mündet und die Drehrichtung der Vorförderpumpe der Drehrichtung der Antriebswelle entgegengesetzt ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Zu- und Ablaufbohrung in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Antriebswelle führt im Betrieb der Pumpenanordnung dazu, dass eine dem Triebwerksraum über die Zulaufbohrung zugeführte Fördermenge einem möglichst langen Strömungsweg folgen muss, bevor sie über die Ablaufbohrung aus dem Triebwerksraum abgeführt wird. Da die Drehung der Antriebswelle eine im Wesentlichen kreisförmige Strömungsbewegung der Fördermenge im Triebwerksraum bewirkt, ist die Zulaufbohrung bevorzugt winkelversetzt zur Ablaufbohrung angeordnet und zwar in der Weise, dass der Strömungsweg der über die Zulaufbohrung in den Triebwerksraum gelangenden Fördermenge sich über einen Winkelbereich von wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens 270° erstreckt. Ein auf diese Weise verlängerter Strömungsweg führt zu einer optimalen Durchmischung der zuströmenden Fördermenge mit der bereits im Triebwerksraum vorhandenen Kraftstoffmenge, so dass eine optimale Durchmischung und damit Schmierung und/oder Kühlung der Hochdruckpumpe gewährleistet ist.
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Da die Antriebswelle der Hochdruckpumpe sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn drehen kann, ist ggf. die Lage der Mündungen der Zuund Ablaufbohrungen in den Triebwerksraum zu spiegeln, um zu der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung zu gelangen. Eine Spiegelung der Mündungen wird jedoch dann erschwert, wenn an die Hochdruckpumpe eine Vorförderpumpe angebaut bzw. in die Hochdruckpumpe integriert ist. Denn die Zulaufbohrung der Hochdruckpumpe stellt dann in der Regel zugleich die Ablaufbohrung der Vorförderpumpe dar, so dass – zur Vermeidung einer sich kreuzenden Bohrungsführung, welche bauraumbedingt nicht immer möglich ist – die Drehrichtung der Vorförderpumpe geändert werden muss. Demzufolge wird erfindungsgemäß ferner vorgeschlagen, dass die Drehrichtung der Vorförderpumpe der Drehrichtung der Antriebswelle entgegengesetzt ist.
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Die der Drehrichtung der Antriebswelle entgegengesetzte Drehrichtung der Vorförderpumpe ermöglicht eine Spiegelung der Mündungen der Zu- und Ablaufbohrungen in den Triebwerksraum ohne, dass die Gesamtkomplexität der Bohrungsführung erhöht wird. Eine erfindungsgemäße Pumpenanordnung weist demnach keinen größeren Bauraumbedarf auf. Zugleich wird aufgrund der Strömungsverhältnisse im Triebwerksraum eine optimale Durchströmung und damit Schmierung und/oder Kühlung der Hochdruckpumpe bewirkt. Dies wiederum führt dazu, dass die Robustheit der Pumpenanordnung, insbesondere in den hochbelasteten Bereichen, bei gleichbleibenden Randbedingungen, wie beispielsweise Druckniveau und/oder Fördermenge, gesteigert wird.
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Die Vorförderpumpe einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung kann beispielsweise als Flügelzellen-, Sperrflügel- oder Zahnradpumpe ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Vorförderpumpe elektrisch antreibbar ist. Ein separater, insbesondere elektrischer, Antrieb ermöglicht in einfacher Weise eine Drehrichtungsumkehr bzw. eine der Drehrichtung der Antriebswelle entgegengesetzte Drehrichtung der Vorförderpumpe.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Hochdruckpumpe und die Vorförderpumpe gemeinsam über die Antriebswelle antreibbar sind und zur Drehrichtungsumkehr eine Getriebestufe zwischen der Vorförderpumpe und der Hochdruckpumpe ausgebildet ist. Die Getriebestufe teilt die Antriebswelle bevorzugt in einen zum Antrieb der Hochdruckpumpe vorgesehenen ersten Abschnitt sowie in einen zum Antrieb der Vorförderpumpe vorgesehenen zweiten Abschnitt. Zur Verbindung der beiden Abschnitte weist die Getriebestufe weiterhin vorzugsweise wenigstens ein Kupplungselement, wie beispielsweise ein Zahnrad, auf.
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Vorteilhafterweise sind die Hochdruckpumpe und die Vorförderpumpe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch kann eine kompaktbauende und damit bauraumschonende Pumpenanordnung geschaffen werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Zulaufbohrung und die Ablaufbohrung im gemeinsamen Gehäuse der Hochdruckpumpe und der Vorförderpumpe ausgebildet. Beispielsweise können die Bohrungen derart im Gehäuse ausgebildet sein, dass wenigstens eine Bohrung im Bereich einer den Triebwerksraum begrenzenden Stirnwand des Gehäuses in den Triebwerksraum mündet. Das heißt, dass wenigstens eine Bohrung im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Antriebswelle geführt ist. Alternativ oder ergänzend kann wenigstens eine Bohrung im Wesentlichen radial in Bezug auf die Längsachse der Antriebswelle ausgerichtet sein. Die Mündungen der Bohrungen liegen bevorzugt in einem radialen Abstand zur Längsachse der Antriebswelle, um einen Winkelversatz der Mündungen zueinander zu ermöglichen.
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Das ferner beanspruchte Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine weist zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe eine erfindungsgemäße Pumpenanordnung auf. Darüber hinaus umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem vorzugsweise einen Kraftstofftank, aus dem die Vorförderpumpe die Fördermenge ansaugt. Ferner bevorzugt weist ein als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildetes Kraftstoffeinspritzsystem einen an die Hochdruckpumpe angeschlossenen Hochdruckspeicher sowie wenigstens einen hiermit verbundenen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine auf. Die Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems ist vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet und umfasst wenigstens ein Hochdruckelement mit einem hubbeweglcihen Pumpenkolben, welcher über eine Stößelbaugruppe an einem Nocken oder Exzenter der Antriebswelle abgestützt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems,
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2 einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse einer aus dem Stand der Technik bekannten Pumpenanordnung im Bereich des Triebwerksraums der Hochdruckpumpe,
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3 einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung im Bereich des Triebwerksraums der Hochdruckpumpe,
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4 einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung im Bereich einer als Innenzahnrad- oder Flügelzellenpumpe ausgebildeten Vorförderpumpe und
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5 einen schematischen Querschnitt durch das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung im Bereich einer als Außenzahnradpumpe ausgebildeten Vorförderpumpe.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe 1 in deren Gehäuse 11 eine Vorförderpumpe 2 integriert ist. Die Hochdruckpumpe 1 ist als Radialkolbenpumpe ausgebildet und umfasst wenigstens ein Hochdruckelement 8 mit einem hubbeweglichen Pumpenkolben, welcher über eine Stößelbaugruppe an einem Nocken 19 einer Antriebswelle 3 abgestützt ist. Die Antriebswelle 3 ist in einem im Gehäuse 11 ausgebildeten Triebwerksraum 4 aufgenommen und gehäuseseitig drehbar gelagert. Über eine Zulaufbohrung 5, welche in den Triebwerksraum 4 mündet und mit einem Druckbereich 6 der Vorförderpumpe 2 verbunden ist, ist der Hochdruckpumpe 1 eine über die Vorförderpumpe 2 aus einem Kraftstofftank 12 angesaugte Fördermenge zuführbar. Im Betrieb des Systems wird ein Teil der zugeführten Fördermenge über eine ebenfalls in den Triebwerksraum 4 mündende Ablaufbohrung 7 dem Hochdruckelement 8 zugeführt. Zur Regelung der zuzuführenden Fördermenge ist dem Hochdruckelement 8 ein Regelventil 17, beispielsweise in Form einer Zumesseinheit, vorgeschaltet. Über ein Einlassventil 13 gelangt die zugemessene Fördermenge dann in einen Pumpenarbeitsraum des Hochdruckelementes 8, in welchem die Fördermenge auf Hochdruck verdichtet und über ein Auslassventil 14 einem Hochdruckspeicher 15 zugeführt wird. An den Hochdruckspeicher 15 ist wenigstens ein Injektor 16 zur Vornahme der Einspritzung angeschlossen. Ein Rücklauf 18 führt eine über die Wellenlager aus dem Triebwerksraum 4 abströmende Leckagemenge zurück in den Kraftstofftank 12.
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Der schematischen Darstellung der 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Hochdruckpumpe 1 mit einem Gehäuse 11 zu entnehmen. Einlass und Auslass der Hochdruckpumpe 1 sind jeweils als Anschlüsse angedeutet und anhand der die Strömungsrichtung anzeigenden Pfeile erkennbar. Der innere Kreis deutet den Triebwerksraum 4 an, in welchem die Antriebswelle 3 (nicht dargestellt, lediglich die Drehachse der Antriebswelle ist angedeutet) aufgenommen ist. Die Drehrichtung 9 der Antriebswelle ist durch einen Pfeil angegeben. In den Triebwerksraum 4 münden eine Zulaufbohrung 5 sowie eine Ablaufbohrung 7, wobei die beiden Mündungen zueinander winkelversetzt sind. Die Zulaufbohrung 5 liegt in Drehrichtung 9 der Antriebswelle vor der Ablaufbohrung 7, so dass im Betrieb der Hochdruckpumpe 1 die über die Zulaufbohrung 5 einströmende Fördermenge über einen kurzen Strömungsweg (Pfeile) der Ablaufbohrung 7 zugeführt wird. Die Lage der Bohrungen 5, 7 ist durch die ebenfalls über die Antriebswelle 3 angetriebene in die Hochdruckpumpe 1 integrierte Vorförderpumpe 2 (nicht dargestellt) bedingt.
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Bei der in der 3 dargestellten erfindungsgemäßen Pumpenanordnung sind die beiden Bohrungen 5, 7 gespiegelt, um einen längeren Strömungsweg (Pfeile) und damit eine verbesserte Durchmischung der über die Zulaufbohrung 5 zuströmenden Fördermenge mit dem im Triebwerksraum 4 vorhandenen Kraftstoffmenge zu ermöglichen. Dies führt zu einer verbesserten Schmier- und/oder Kühlwirkung im Triebwerksraum 4 bzw. der hieran anschließenden hochbelasteten Bereiche, wie beispielsweise die Wellenlager.
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Um die Bohrungen 5, 7 spiegeln zu können, sind Änderungen an der Vorförderpumpe 2 vorzunehmen. Denn über die Zulaufbohrung 5 ist der Druckbereich 6 der Vorförderpumpe 2 an den Triebwerksraum 4 angeschlossen. Zur Vermeidung sich kreuzender Bohrungen 5, 7 wird die Vorförderpumpe 2 einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung in einer der Drehrichtung 9 der Antriebswelle 3 entgegengesetzten Drehrichtung 10 angetrieben. Dies ist beispielhaft in der 4 dargestellt, welche nunmehr den Blick auf die Vorförderpumpe 2 zeigt, so dass Einlass und Auslass der Hochdruckpumpe 1 vertauscht sind. Der innen liegende Kreis stellt nun nicht mehr den Triebwerksraum 4, sondern die Vorförderpumpe 2 dar. Der Druckbereich 6 befindet sich entsprechend der in der 3 gezeigten Lage der Zulaufbohrung 5 nunmehr auf der rechten Seite. Die weitere Bohrung 20 deutet den Saugbereich der Vorförderpumpe 2 an. Die Anordnung des Saug- und Druckbereichs entspricht der einer Innenzahnrad- oder Flügelzellenpumpe.
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Darüber hinaus kann die Vorförderpumpe 2 jedoch auch als Außenzahnradpumpe ausgebildet sein. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Vorförderpumpe ist in der 5 dargestellt. Darüber hinaus wurde in der 5 die Drehrichtung 9 der Antriebswelle 3 geändert, um auch dieser Ausführungsform Rechnung zu tragen. Demzufolge ist die Drehrichtung 10 der in der 5 dargestellten Vorförderpumpe 2 entgegengesetzt zu der Drehrichtung 10 der in der 4 dargestellten Vorförderpumpe 2. Die umgekehrten Drehrichtungen 9, 10 der Antriebswelle 3 bzw. der Vorförderpumpe 2 des Ausführungsbeispiels der 5 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 4 bedingen, dass der Druckbereich 6 nunmehr auf der linken Seite und der Saugbereich 20 diesem gegenüber liegend auf der rechten Seite angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19906625 A1 [0002]
- DE 102009047498 A1 [0003]
