DE102018209033A1

DE102018209033A1 - Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe

Info

Publication number: DE102018209033A1
Application number: DE102018209033.5A
Authority: DE
Inventors: Aleksej Miel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-12-12
Also published as: WO2019233666A1

Abstract

Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) für ein Kraftstoffsystem (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem durch einen verschiebbar in der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) vorgesehenen Pumpenkolben (30) begrenzten Förderraum (26) und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum (26) und einem Einlass (20) angeordnetem und zu dem Förderraum (26) hin öffnendem Einlassventil (24) und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum (26) und einem Auslass (36) angeordnetem und zu dem Auslass (36) hin öffnendem Auslassventil (40) und einem hydraulisch zwischen dem Auslass (36) und dem Förderraum (26) zu dem Förderraum (26) hin öffnendes Druckbegrenzungsventil (42), dadurch gekennzeichnet, dass fluidisch zwischen dem Druckbegrenzungsventil (42) und dem Förderraum (26) ein Druckbegrenzungsraum (47) angeordnet ist, der von dem Förderraum (26) durch eine Drossel (45) getrennt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem durch einen verschiebbar in der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe vorgesehenen Pumpenkolben begrenzten Förderraum und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum und einem Einlass angeordnetem und zu dem Förderraum hin öffnendem Einlassventil und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum und einem Auslass angeordnetem und zu dem Auslass hin öffnendem Auslassventil und einem hydraulisch zwischen dem Auslass und dem Förderraum zu dem Förderraum hin öffnenden Druckbegrenzungsventil, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2004 013 307 B4 bekannt ist.
Die Funktion des Druckbegrenzungsventils ist es, unzulässig hohe Drücke im Bereich des Auslasses zu vermeiden bzw. abzubauen. Während es im normalen Betrieb geschlossen ist, öffnet es, wenn im Bereich des Auslasses unzulässig hohe Drücke herrschen. Der Abströmbereich des Druckbegrenzungsventil ist dann mit dem Förderraum der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe ohne Weiteres fluidisch verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Beobachtung der Erfinder, dass während der Saugphase der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe, wenn also der Förderraum durch eine Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens vergrößert und somit ein Unterdruck im Förderraum und im Abströmbereich des Druckbegrenzungsventils erzeugt wird, Mikroöffnungen des Druckbegrenzungsventils auftreten können, selbst wenn der Druck im Bereich des Auslasses, also im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems, eigentlich im zulässigen Bereich liegt, ein Öffnen des Druckbegrenzungsventils also eigentlich nicht erfolgen sollte.
Als eigentliche Ursache für derartige Mikroöffnungen konnten Vibrationen der Pumpe identifiziert werden, die einerseits von außen auf die Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe einwirken, etwa ausgehend von der der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe zugeordneten Brennkraftmaschine, insbesondere deren Nockenwelle, anderseits aber auch durch die Pumpe selbst generiert werden, beispielsweise durch die Lastwechsel zwischen Fördern und Saugen und den damit verbundenen axialen und radialen Relativbewegungen. Insbesondere Hochdruckpulsationen, die im Förderraum auftreten, verursachen potentiel Mikroöffnungen des Druckbegrenzungsventils.
Als Folge dieser Mikroöffnungen kommt es zu einem Rückfluss des verdichteten Kraftstoffs aus dem Hochdruckbereich in den Förderraum, sodass der Liefergrad der Pumpe vermindert ist. Zudem ist der Verschleiß und die akustische Emission des Druckbegrenzungsventils durch das Auftreten von Mikroöffnungen erhöht.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Druckbegrenzungsraums fluidisch zwischen dem Druckbegrenzungsventil und dem Förderraum, wobei der Druckbegrenzungsraum von dem Förderraum durch eine Drossel getrennt ist, wird erreicht, dass der Abströmbereich des Druckbegrenzungsventils in dem Druckbegrenzungsraum angeordnet ist und damit den in dem Förderraum herrschenden Druckpulsationen nicht mehr unmittelbar ausgesetzt ist. Insbesondere hochfrequente Anteile des während der Saugphase im Förderraum herrschenden Unterdrucks werden durch die Drossel gedämpft und vermögen somit keine Mikroöffnungen des Druckbegrenzungsventils mehr zu verursachen.
In der Folge ist der Liefergrad der Pumpe erhöht und Verschleiß und akustische Emission der Pumpe sind vermindert.
Die Funktion des Druckbegrenzungsventils, unzulässig hohe Drücke im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems abzubauen, bleibt erhalten: Da diese unzulässig hohen Drücke über Zeiträume an dem Druckbegrenzungsventil anliegen, die vergleichsweise lang sind, reicht der verbleibende Querschnitt der Drossel aus, eine ausreichende Absteuerung in den Förderraum und damit eine Absenkung des Druckes im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems auf zulässige Werte zu bewirken.
Optimaler Weise trennt die Drossel die fluidische Verbindung zwischen Druckbegrenzungsraum und Förderraum so sehr wie möglich (möglichst großer Strömungswiderstand, als möglichst kleiner minimaler Strömungsdurchmesser der Drossel), aber dies nur in dem Rahmen, in dem die eigentliche Funktion des Druckbegrenzungsventils, unzulässig hohe Drücke im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems abzubauen, ausreichend erhalten bleibt.
Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass die Drossel einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht größer ist als 2,5 mm und/oder nicht kleiner als 25% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens.
Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass die Drossel einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht größer ist als 1 mm und/oder nicht kleiner ist als 10% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens.
Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass die Drossel einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht kleiner ist als 0,7 mm und/oder nicht kleiner ist als 7% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens.
Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass die Drossel einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht kleiner ist als 0,5 mm und/oder nicht kleiner ist als 5% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens.
Neben zylindrischen Innenkonturen sind konische Innenkonturen der Drossel möglich.
Die Drossel kann unmittelbar durch entsprechende Zerspanung eines Gehäuses der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe gebildet werden. Alternativ ist es möglich, dass die Drossel in einem Blendenteil ausgebildet ist, das mit dem Gehäuse der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe verbunden ist, insbesondere in eine Bohrung des Gehäuses der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe eingepresst ist.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine;
2 einen Längsschnitt durch den für die Erfindung wesentlichen Teilbereich einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems von 1;
3a - 3d alternative Geometrien der Drossel

Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, über einen Einlass 20 eines von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 22 betätigbaren Mengensteuerventils 24 einem Förderraum 26 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 24 ein zwangsweise öffnendes Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sein.
Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 30 mittels einer Nockenscheibe 32 in der Zeichnung vertikal bewegt werden kann. Hydraulisch zwischen dem Förderraum 26 und einem Auslass 36 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist ein in der 1 als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Auslassventil 40 sowie ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Druckbegrenzungsventil 42 angeordnet. Zwischen dem Druckbegrenzungsventil 42 und dem Förderraum 26 ist ferner Druckbegrenzungsraum 47 angeordnet, der von dem Förderraum 26 durch eine Drossel 45 getrennt ist. Der Auslass 36 ist an eine Hochdruckleitung 44 und über diese an einen Hochdruckspeicher 46 („Common Rail“) angeschlossen.
Das Auslassventil 40 kann zum Auslass 36 und das Druckbegrenzungsventil 42 Druckbegrenzungsraum 47 hin öffnen. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 22 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 angesteuert.
Im Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Mengensteuerventil 24 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zu dem Hochdruckspeicher 46 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Im Normalfall ist das Druckbegrenzungsventil 42 geschlossen.
Wenn in einem vom Normalfall abweichenden Betriebsfall ein Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 44 höher ist als ein Kraftstoffdruck in einem Bereich des Förderraums 26 (zuzüglich einer Federkraft einer Ventilfeder 60 des Druckbegrenzungsventils 42, siehe auch die 2), so kann das Druckbegrenzungsventil 42 öffnen und somit kann Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 44 in den Druckbegrenzungsraum 47 und durch die Blende 45 zurück in den Förderraum 26 strömen. Durch die Expansion kann der Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 44 auf einen zulässigen Wert sinken und das Druckbegrenzungsventil 42 wieder schließen.
2 zeigt einen Längsschnitt durch den für die Erfindung wesentlichen Teilbereich einer Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe 28 des Kraftstoffsystems von 1.
Ausgehend von einem zwischen dem Pumpengehäuse 50 und einem Auslassstutzen 36' ausgebildeten Raum 37, sind das Auslassventil 40 und das Druckbegrenzungsventil 42 mit zueinander entgegengesetzter Öffnungsrichtung in parallelen Bohrungen des Pumpengehäuses 50 eingebracht.
Während das Auslassventil 40 den Förderraum 26 mit dem Auslass 36 der Pumpe direkt verbindet, ist zwischen dem Druckbegrenzungsventil 42 und dem Förderraum 26 der Druckbegrenzungsraum 47 angeordnet, der seinerseits durch die Drossel 45 von dem Förderraum 26 getrennt ist. Der Förderraum 26 ist im Beispiel unten durch den Pumpenkolben begrenzt, der einen maximalen Durchmesser von 10mm aufweist und um bis zu 20mm im Inneren der Pumpe in in 2 vertikaler Richtung verschiebbar ist. Die Drossel 45 ist im Beispiel durch Einpressen eines Blendenteils 45' in eine Bohrung des Gehäuses 50 der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe 28 hergestellt. Gleichwohl ist es alternativ auch möglich, die Drossel 45 unmittelbar durch Zerspanen des Gehäuses 50 der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe herzustellen.
Die Blende 45'aus 2 ist in der 3a vergrößert dargestellt. Sie hat eine doppelkegelige Gestalt. Der engste Strömungsdurchmesser beträgt 0,8 mm, der Kegelwinkel α beträgt im Beispiel 40°.
Alternative, einfach kegelige Blenden 45' bzw. Drosseln 45 sind in den 3b und 3c gezeigt. Die engsten Strömungsdurchmesser betragen in diesen Beispielen 0,9 mm, der Kegelwinkel α beträgt im Beispiel 20°.
Eine wiederum alternative Blende 45' bzw. Drossel 45 ist in der 3d gezeigt. Sie ist zylindrisch mit einem Durchmesser von 1,2mm und hat eine Länge von 2mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004013307 B4 [0001]

Claims

Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) für ein Kraftstoffsystem (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem durch einen verschiebbar in der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) vorgesehenen Pumpenkolben (30) begrenzten Förderraum (26) und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum (26) und einem Einlass (20) angeordnetem und zu dem Förderraum (26) hin öffnendem Einlassventil (24) und einem hydraulisch zwischen dem Förderraum (26) und einem Auslass (36) angeordnetem und zu dem Auslass (36) hin öffnendem Auslassventil (40) und einem hydraulisch zwischen dem Auslass (36) und dem Förderraum (26) zu dem Förderraum (26) hin öffnendes Druckbegrenzungsventil (42), dadurch gekennzeichnet, dass fluidisch zwischen dem Druckbegrenzungsventil (42) und dem Förderraum (26) ein Druckbegrenzungsraum (47) angeordnet ist, der von dem Förderraum (26) durch eine Drossel (45) getrennt ist.
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht größer ist als 2,5 mm und/oder nicht kleiner als 25% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens (30).
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (45) einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht größer ist als 1 mm und/oder nicht kleiner ist als 10% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens (30).
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (45) einen engsten Strömungsdurchmesser aufweist, der nicht kleiner ist als 0,5 mm und/oder nicht kleiner ist als 5% eines maximalen Durchmessers des Pumpenkolbens (30).
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die die Drossel (45) in Richtung vom Druckbegrenzungsraum (47) zum Förderraum (26) konisch aufweitet, insbesondere mit einem Kegelwinkel (a) zwischen 2,5° und 40°.
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die die Drossel (45) in Richtung vom Förderraum (26) zum Druckbegrenzungsraum (47) konisch aufweitet, insbesondere mit einem Kegelwinkel (a) zwischen 2,5° und 40°.
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (45) zylindrisch mit konstantem Durchmesser ausgebildet ist, insbesondere mit einer Länge von mehr als 2mm und oder mehr als 10% einer maximal möglichen Verschiebung des Pumpenkolbens (30).
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (45) durch Zerspanen eines Gehäuses (50) der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) gebildet ist.
Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (45) in einem Blendenteil (45') ausgebildet ist, das mit einem Gehäuse (50) der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) verbunden ist, insbesondere in eine Bohrung des Gehäuses (50) der Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe (28) eingepresst ist.