EP1201913A2 - Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge - Google Patents

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EP1201913A2
EP1201913A2 EP01123835A EP01123835A EP1201913A2 EP 1201913 A2 EP1201913 A2 EP 1201913A2 EP 01123835 A EP01123835 A EP 01123835A EP 01123835 A EP01123835 A EP 01123835A EP 1201913 A2 EP1201913 A2 EP 1201913A2
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EP
European Patent Office
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piston
rotation angle
angle range
fuel pump
pressure fuel
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EP01123835A
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English (en)
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EP1201913B1 (de
EP1201913A3 (de
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Helmut Rembold
Bruno Schmidt
Dietmar Krieg
Mathias Schumacher
Uwe Mueller
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1201913A3 publication Critical patent/EP1201913A3/de
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    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves
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    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/09—Flow through the pump

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure fuel pump variable delivery rate for an internal combustion engine, with a piston actuated by a camshaft, the Piston fuel from a low pressure line into one Suction chamber and then into a High pressure line promotes, and with a pumping room and Volume control valve connecting high pressure line.
  • the high-pressure fuel pump is the delivery rate regulated that the volume control valve at the beginning of Production stroke is closed and during the production stroke is opened. Has due to the dead volume in the delivery room the piston at the time the exhaust valve opens (Start of funding in high-pressure pipeline and rail) already one high speed. This leads to this due to the Point of liquid standing in the High pressure line that needs to be accelerated to one Pressure surge. This pressure surge complicates the exact Quantity metering when fuel is injected into the Combustion chamber and also leads to swelling the high pressure line and the common rail. Also are the mechanical loads on the high pressure fuel pump and the camshaft due to the shock load Start of fuel delivery in the high pressure line very much high.
  • the invention has for its object a High pressure fuel pump with variable delivery rate to provide, in which the pressure surges in the High pressure line and in the common rail compared to the state of the Technology significantly reduced and the mechanical Stresses on the high-pressure fuel pump reduced become.
  • a High pressure fuel pump with variable delivery rate for an internal combustion engine with one of a camshaft actuated piston, the piston fuel from a Low pressure line sucks into a delivery chamber and then conveys into a high pressure line, whereby between the delivery chamber and the low pressure line Volume control valve and a separate suction valve in parallel are switched and the regulation of the delivery rate by opening the volume control valve during the delivery stroke of the piston.
  • the pressure increase in Delivery chamber always from the bottom dead center (UT) of the piston takes place regardless of the speed and the Operating point of the internal combustion engine the pressure curve in Delivery room and thus also in the high pressure line be designed so that the pressure surges in the High pressure line and in the common rail and the jerky Loads on the high pressure fuel pump can be reduced.
  • the level of the pressure surge depends on the Speed of the cam at the time of opening Exhaust valve.
  • each cam of the camshaft has at least a first rotation angle range, a second rotation angle range and a third rotation angle range, the bottom dead center (UT) of the piston lying within the first rotation angle range, so that the piston reaches after reaching the UT the piston experiences a positive acceleration in the first rotation angle range, that within the second rotation angle range, the stroke speed V H / ⁇ of the piston is approximately constant, that the outlet valve of the high-pressure pump opens while the cam passes through the second rotation angle range, and that within the third Angle range, the stroke speed of the piston increases until a maximum value is reached.
  • the second angle of rotation range with an approximately constant, as low as possible stroke speed V H / ⁇ has the advantage that, regardless of the delivery rate, ie the time at which the exhaust valve opens, the stroke speed V H essentially depends only on the speed of the camshaft. This makes it possible to limit the pressure surge p s to a permissible level by selecting a low lifting speed even at the maximum speed of the high-pressure fuel pump and maximum pressure in the high-pressure line. As a result, the injection quantity can be controlled with greater accuracy and the above-mentioned swelling loads and shock-like loads are reduced.
  • the Acceleration of the piston in the first angular range the maximum permissible speed of the high-pressure fuel pump essentially by the mass forces of the piston limited so that the first rotation angle range is as small as can be kept possible.
  • the piston experiences no or less positive acceleration in the second rotational angle range at the permissible maximum speed of the high-pressure fuel pump than in the first rotational angle range.
  • the stroke speed of the piston can also increase in the second rotation angle range by means of a small positive acceleration - provided the permissible pressure surges p s in the high-pressure line are not exceeded - and the same delivery stroke can thus be achieved within a smaller rotation angle range. This measure allows the maximum stroke speed of the piston to be reduced, which at high speeds of the high-pressure fuel pump leads to a reduction in the flow losses at the quantity control valve during shutdown and thereby increases the pump efficiency.
  • High pressure fuel pump will accelerate the Piston in the third range of rotation at the permissible Maximum speed of the high pressure fuel pump through the limited maximum pressure, so that on the one hand the maximum piston speed in the delivery stroke as fast as possible and, on the other hand, no impermissible ones Stresses of the high pressure fuel pump occur.
  • the third range of rotation must be the piston against the pressure Do work in the high pressure line.
  • each cam has a fourth, a fifth and has a sixth rotation angle range that the top dead center (TDC) of the piston between fourth Angle range and fifth angular range is that the positive acceleration of the piston in the fourth Angular range becomes negative that the piston in the fifth Angular range experiences a negative acceleration, and that within the sixth rotation angle range Piston stroke speed negative and approximate is constant.
  • TDC top dead center
  • the high pressure fuel pump is the volume control valve is open when de-energized Solenoid valve so that impermissible pressures in the Fuel feed pump even if the Quantity control valve or its control prevented become.
  • the Transition from the sixth angle range to the first Angle of rotation slowly decreases the suction speed, see above that the overflow losses due to the valve closing too late Intake valve are reduced.
  • Fig. 1 is one of a piston 10 which in one Cylinder 11 guided and by a camshaft 12 with two Cam 13 is driven, existing injection pump shown schematically.
  • the piston 10 limits one Delivery chamber 14, in which a low pressure line 15 and a High pressure line 16 open. Between high pressure line 16 and delivery chamber 14, an outlet valve 17 is provided, which causes a backflow of the in the high pressure line 16 located fuel in the delivery chamber 14 prevented.
  • the high pressure line 16 can be in a not shown Common rail flow or directly with injectors or Injector to be connected.
  • the fuel in the low pressure line 15 can are sucked into the delivery chamber 14 via a suction valve 18, when the piston 10, as shown in Fig. 1a, after moved below and thus enlarged the delivery room 14.
  • a quantity control valve 19 hydraulic connection between delivery chamber 14 and Low pressure line 15 are made.
  • the quantity control valve 19 designed as a solenoid valve closed. If the piston 10 differs from one in Fig. 1a not shown top dead center (OT) in the direction of Arrow 20 to bottom dead center (UT), which is also in Fig. 1a is not shown, moves, fuel flows from the Low pressure line 15 via the suction valve 18 in the Delivery chamber 14.
  • the quantity control valve 19 is during the Suction hubs closed. As soon as the camshaft 12 is so far has rotated that the point 21 touches the piston 10 the UT reached. The delivery stroke then begins.
  • FIGS. 1a, 1b and 1c are assigned to the corresponding sections in the above diagram by lines 24, 25 and 26.
  • the switching position of the quantity control valve 19 is also shown in the diagram of FIG. 1. It is clear that opening the closed quantity control valve 19 stops the delivery of fuel into the high-pressure line 16.
  • the opening of the quantity control valve 19 like shown within a range 27 between UT and OT can be varied.
  • the camshaft 12 has two cams 13, so that with one camshaft revolution two suction and delivery strokes be carried out by the piston 10.
  • FIG. 3a shows the stroke 23 of the cam 13 in the radial direction and thus also of the piston 10 over the angle of rotation ⁇ NW of the camshaft 12.
  • the speed v R of the cam 13 is plotted in the radial direction.
  • the speed v R corresponds to the speed of the piston 10.
  • the acceleration a of the piston 10 over the angle of rotation über NW of the camshaft 12 is shown in FIG. 3c.
  • the position of the outlet valve 18 is shown in FIG. 3d. 3e shows the course of the pressure p F in the delivery chamber 14 over the angle of rotation ⁇ NW , while the switching position of the quantity control valve 19 is shown in FIG. 3f.
  • the pressure p F rises steeply in the delivery chamber.
  • the liquid column in the line between the high-pressure fuel pump and the rail is suddenly accelerated in accordance with the cam speed at the time of overflow. With increasing speeds, this results in a pressure increase in the delivery chamber 14.
  • This pressure increase reaches a maximum, which is marked in FIG. 3e with p s , and runs after the outlet valve 17 has opened as a pressure surge through the high-pressure line 16. If this pressure surge reaches the common rail, an injection nozzle or an injector, this can happen lead to inaccurate fuel metering during injection. In addition, the pressure increase leads to a heavy load on the cam drive of the pump.
  • the pressure increase in the delivery chamber 14 should be as small as possible compared to the rail pressure p CR prevailing in the high-pressure line 15. This means that the difference between p s and p CR should be as small as possible. This goal can be achieved with the design of the cam 13 described below.
  • the outlet valve 17 opens sooner or later. Because of the volumetric losses between piston 10 and cylinder 11 and the compressibility of the fuel in the delivery chamber and the elasticity of the wall of the injection pump surrounding the delivery chamber 14, not shown in FIG. 1, a certain delivery stroke is necessary in order to build up pressure in the delivery chamber 14. Knowing the properties of a specific high-pressure fuel pump, a rotation angle range can thus be specified within which the exhaust valve 17 does not open under any circumstances. In Fig. 3a, this range of rotation angle is designated 1.
  • the angle of rotation range 1 is smaller, the lower the pressure p CR in the high-pressure line and the smaller the volume of the delivery chamber 14 and the greater the elasticity of the wall surrounding the delivery chamber 14.
  • the outlet valve 17 opens latest regardless of the speed, otherwise the same boundary conditions, when the pressure p CR present in the high-pressure line 16 corresponds to the maximum permissible operating pressure of the common rail. I.e. For each high-pressure fuel pump, depending on the above parameters, a second rotation angle range 2 can be specified, within which the outlet valve 17 opens.
  • the acceleration a in the third rotation angle range 3 is selected such that after reaching the maximum permissible speed and after the transition to a fourth range, the maximum negative acceleration is such that at the contact point between the cam 13 and the piston 11 at the highest permissible pressure P CR the permissible Hertzian pressure is not exceeded.
  • the compressive forces acting on the piston 10 and the inertial forces are to be taken into account.
  • a fourth rotation angle range 4 begins, which is characterized in that the acceleration a becomes negative.
  • the value of the acceleration is limited by the maximum permissible Hertzian pressure.
  • the acceleration a is constantly negative during almost the entire fourth rotation angle range 4 and a subsequent fifth rotation angle range 5, which means that the speed of the piston 10 decreases.
  • the speed becomes negative, ie the suction stroke begins.
  • the piston 10 has a certain negative speed, which it maintains constant over a sixth rotation angle range 6.
  • fuel is drawn in from the low-pressure line 15 into the delivery chamber 14.
  • the first rotation angle range 1 again follows the sixth rotation angle range 6.
  • the range of rotation angle 1 is characterized in that the acceleration a of the piston 10 is chosen to be as large as possible.
  • the possible acceleration is essentially limited by the mass forces of the piston 10, since hydraulic forces acting on the piston 10 from the delivery chamber in the area of the UT are comparatively small. For this reason, the maximum acceleration in the first rotation angle range is significantly greater than the maximum acceleration in the third rotation angle range 3.
  • the second rotation angle range 2 can be correspondingly larger.
  • the piston 10 instead of a constant speed of the piston 10 in the second rotation angle range 2, the piston 10 can also be accelerated slightly. However, it is a prerequisite that the pressure peak p s does not become impermissibly high when the outlet valve 17 is opened in all operating states. In the third angle 3 range, it is advisable to select the acceleration a of the piston 10 as large as possible in order to achieve the required delivery rate with the lowest possible maximum speed v max of the piston 10. The lower the maximum speed v max of the piston 10, the lower the flow losses during shutdown by the quantity control valve 19. The efficiency of the high-pressure fuel pump is improved.

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Abstract

Es wird eine Kraftstoffhochdruckpumpe vorgeschlagen, die vor allem zum Einsatz in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung geeignet ist, bei welcher der Druckstoß beim Öffnen eines Rückschlagventils zwischen Hochdruckleitung und Förderraum der Kraftstoffförderpumpe durch konstruktive Maßnahmen begrenzt wird. <IMAGE>

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge für eine Brennkraftmaschine, mit einem von einer Nockenwelle betätigten Kolben, wobei der Kolben Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung in einen Förderraum ansaugt und anschließend in eine Hochdruckleitung fördert, und mit einem Förderraum und Hochdruckleitung verbindenden Mengensteuerventil.
Bei dieser aus der EP 481 964 B2 bekannten Kraftstoffhochdruckpumpe wird die Fördermenge dadurch geregelt, dass das Mengensteuerventil zu Beginn des Förderhubs geschlossen ist und während des Förderhubs geöffnet wird. Aufgrund des Totvolumens im Förderraum hat der Kolben zum Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils (Förderbeginn in Hochduckleitung und Rail) bereits eine hohe Geschwindigkeit. Dies führt aufgrund der zu diesem Zeitpunkt stehenden Flüssigkeitssäule in der Hochdruckleitung, die beschleunigt werden muß, zu einem Druckstoß. Dieser Druckstoß erschwert die exakte Mengenzumessung bei der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum und führt außerdem zu einer Schwellbeanspruchung der Hochdruckleitung und des Common-Rails. Außerdem sind die mechanischen Belastungen der Kraftstoffhochdruckpumpe und der Nockenwelle wegen der stoßartigen Belastung zu Beginn der Kraftstoffförderung in die Hochdruckleitung sehr hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge bereitzustellen, bei der die Druckstöße in der Hochdruckleitung und im Common-Rail gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert und die mechanischen Beanspruchungen der Kraftstoffhochdruckpumpe verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge für eine Brennkraftmaschine, mit einem von einer Nockenwelle betätigten Kolben, wobei der Kolben Kraftstoff aus einer Niederdruckleitung in einen Förderraum ansaugt und anschließend in eine Hochdruckleitung fördert, wobei zwischen Förderraum und Niederdruckleitung ein Mengensteuerventil und ein separates Saugventil parallel geschaltet sind und wobei die Regelung der Fördermenge durch Öffnen des Mengensteuerventils während des Förderhubs des Kolbens erfolgt.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe findet zu Beginn des Förderhubs eine Druckerhöhung im Förderraum statt. Sobald die Druckkraft im Förderraum größer ist als die Summe der durch ein Auslaßventil vom Förderraum entkoppelten Druckkraft in der Hochdruckleitung und der Federkraft des Auslaßventils, beginnt die Kraftstoffhochdruckpumpe Kraftstoff in die Hochdruckleitung zu fördern. Sobald genügend Kraftstoff in die Hochdruckleitung gefördert wurde, öffnet das Mengensteuerventil, so dass der Druck im Förderraum zusammenbricht und das Auslaßventil zwischen Hochdruckleitung und Förderraum schließt. Da bei der oben beschriebenden Mengenregelung die Druckerhöhung im Förderraum stets ab dem unteren Totpunkt (UT) des Kolbens erfolgt, kann unabhängig von der Drehzahl und dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine der Druckverlauf im Förderraum und damit auch in der Hochdruckleitung so gestaltet werden, dass die Druckstöße in der Hochdruckleitung und im Common-Rail und die stoßartigen Belastungen der Kraftstoffhochdruckpumpe verringert werden. Die Höhe des Druckstoßes hängt dabei von der Geschwindigkeit des Nockens zum Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils ab.
In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Nocken der Nockenwelle mindestens einen ersten Drehwinkelbereich, einen zweiten Drehwinkelbereich und einen dritten Drehwinkelbereich aufweist, wobei der untere Totpunkt (UT) des Kolbens innerhalb des ersten Drehwinkelbereichs liegt, dass der Kolben nach Erreichen des UT durch den Kolben im ersten Drehwinkelbereich eine positive Beschleunigung erfährt, dass innerhalb des zweiten Drehwinkelbereichs die auf die Drehzahl bezogene Hubgeschwindigkeit VH/ω des Kolbens annähernd konstant ist, dass das Auslaßventil der Hochdruckpumpe öffnet, während der Nocken den zweiten Drehwinkelbereich durchläuft und dass innerhalb des dritten Drehwinkelbereichs die Hubgeschwindigkeit des Kolbens bis zum Erreichen eines Maximalwerts zunimmt.
Der zweite Drehwinkelbereich mit einer annähernd konstanten, möglichst geringen Hubgeschwindigkeit VH/ω hat den Vorteil, dass, unabhängig von der Fördermenge, d. h. dem Zeitpunkt, zu dem das Auslaßventil öffnet, die Hubgeschwindigkeit VH im Wesentlichen nur von der Drehzahl der Nockenwelle abhängt. Damit ist es möglich, durch die Wahl einer niedrigen Hubgeschwindigkeit selbst bei maximaler Drehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe und maximalem Druck in der Hochdruckleitung, den Druckstoß ps auf ein zulässiges Maß zu begrenzen. Dadurch kann die Einspritzmenge mit größerer Genauigkeit gesteuert werden und es verringern sich die o.g. Schwellbeanspruchungen und stoßartigen Belastungen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Beschleunigung des Kolbens im ersten Drehwinkelbereich bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe im Wesentlichen durch die Massenkräfte des Kolbens begrenzt, so dass der erste Drehwinkelbereich so klein wie möglich gehalten werden kann. Dies erlaubt es, den zweiten Drehwinkelbereich entsprechend größer auszulegen. Da zu Beginn des Förderhubs der Kolben nur eine Druckerhöhung des Kraftstoffs im Förderraum bewirkt und nicht gegen den Druck in der Hochdruckleitung Druckerhöhungsarbeit leisten muss, kann die Beschleunigung des Kolbens im ersten Drehwinkelbereich einen sehr hohen Wert annehmen.
In weiterer Ergänzung der Erfindung erfährt der Kolben im zweiten Drehwinkelbereich bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe keine oder eine gegenüber der Beschleunigung im ersten Drehwinkelbereich geringere positive Beschleunigung. Gegenüber konstanter Hubgeschwindigkeit VH/ω kann mittels einer geringen positiven Beschleunigung - vorausgesetzt die zulässigen Druckstöße ps in der Hochdruckleitung werden nicht überschritten - auch im zweiten Drehwinkelbereich die Hubgeschwindigkeit des Kolbens zunehmen und somit innerhalb eines kleineren Drehwinkelbereichs der gleiche Förderhub erreicht werden. Durch diese Maßnahme kann die maximale Hubgeschwindigkeit des Kolbens verringert werden, was bei hohen Drehzahlen der Kraftstoffhochdruckpumpe zu einer Verringerung der Strömungsverluste am Mengensteuerventil beim Absteuern führt und dadurch den Pumpenwirkungsgrad erhöht.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe wird die Beschleunigung des Kolbens im dritten Drehwinkelbereich bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe durch den maximal zulässigen Druck begrenzt, so dass einerseits die maximale Kolbengeschwindigkeit im Förderhub so schnell wie möglich erreicht wird und andererseits keine unzulässigen Beanspruchungen der Kraftstoffhochdruckpumpe auftreten. Im dritten Drehwinkelbereich muss der Kolben gegen den Druck in der Hochdruckleitung Arbeit verrichten.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass jeder Nocken einen vierten, einen fünften und einen sechsten Drehwinkelbereich aufweist, dass der obere Totpunkt (OT) des Kolbens zwischen viertem Drehwinkelbereich und fünftem Drehwinkelbereich liegt, dass die positive Beschleunigung des Kolbens im vierten Drehwinkelbereich negativ wird, dass der Kolben im fünften Drehwinkelbereich eine negative Beschleunigung erfährt, und dass innerhalb des sechsten Drehwinkelbereichs die Hubgeschwindigkeit des Kolbens negativ und annähernd konstant ist. Dadurch wird der Saughub mit geringer mechanischer Beanspruchung der Kraftstoffpumpe und geringer Kavitationswirkung ermöglicht. Dieser Vorteil wird nochmals erhöht, wenn die Änderung der Geschwindigkeit des Kolbens im vierten und im fünften Drehwinkelbereich annähernd konstant ist.
Bei einer Ausführungsform der Kraftstoffhochdruckpumpe ist das Mengensteuerventil ein stromlos geöffnetes Magnetventil, so dass unzulässige Drücke in der Kraftstoffförderpumpe auch bei Ausfall des Mengensteuerventils oder dessen Ansteuerung verhindert werden.
Bei einer weiteren Ergänzung der Erfindung nimmt beim Übergang vom sechsten Drehwinkelbereich in den ersten Drehwinkelbereich die Sauggeschwindigkeit langsam ab, so dass die Überströmverluste durch zu spätes Schließen des Einlassventils verringert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1:
eine schematische Darstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe in drei verschiedenen Betriebszuständen mit einem Hub-Drehwinkel-Diagramm;
Fig. 2:
die Kontur eines erfindungsgemäßen Nockens und
Fig. 3:
den Verlauf von Nockenhub, Nockengeschwindigkeit und Beschleunigung, Auslaßventilhub, Förderraumdruck und Zustand des Mengensteuerungventils über dem Drehwinkel der Nockenwelle.
In Fig. 1 ist eine aus einem Kolben 10, der in einem Zylinder 11 geführt und von einer Nockenwelle 12 mit zwei Nocken 13 angetrieben wird, bestehende Einsprtzpumpe schematisch dargestellt. Der Kolben 10 begrenzt einen Förderraum 14, in den eine Niederdruckleitung 15 und eine Hochdruckleitung 16 münden. Zwischen Hochdruckleitung 16 und Förderraum 14 ist ein Auslaßventil 17 vorgesehen, welches ein Rückströmen des in der Hochdruckleitung 16 befindlichen Kraftstoffs in den Förderraum 14 verhindert. Die Hochdruckleitung 16 kann in ein nicht dargestelltes Common-Rail münden oder direkt mit Injektoren oder Einspritzdüsen verbunden sein.
Der in der Niederdruckleitung 15 anstehende Kraftstoff kann über ein Saugventil 18 in den Förderraum 14 gesaugt werden, wenn sich der Kolben 10, wie in Fig. 1a dargestellt, nach unten bewegt und somit den Förderraum 14 vergrößert. Alternativ kann über ein Mengensteuerventil 19 eine hydraulische Verbindung zwischen Förderraum 14 und Niederdruckleitung 15 hergestellt werden. In Fig. 1a ist das als Magnetventil ausgebildete Mengensteuerventil 19 geschlossen. Wenn sich der Kolben 10 von einem in Fig. 1a nicht eingezeichneten oberen Totpunkt (OT) in Richtung des Pfeils 20 zum unteren Totpunkt (UT), der ebenfalls in Fig. 1a nicht dargestellt ist, bewegt, strömt Kraftstoff von der Niederdruckleitung 15 über das Saugventil 18 in den Förderraum 14. Das Mengensteuerventil 19 ist während des Saughubs geschlossen. Sobald die Nockenwelle 12 sich soweit gedreht hat, dass der Punkt 21 den Kolben 10 berührt, ist der UT erreicht. Anschließend beginnt der Förderhub.
Beim Durchgang des Kolbens 10 durch den UT herrscht im Förderraum 14 und in der Niederdruckleitung 15 der gleiche Druck, so dass das federbelastete Saugventil 18 schließt. Sobald sich der Kolben 10 in Richtung des Pfeils 22 (Fig. 1b) nach oben bewegt, erhöht sich der Druck im Förderraum 14. Wenn die Druckkraft im Förderraum 14 größer als die Summe der Hochdruckleitung 16 anstehende Druckkraft und der Federkraft des Auslaßventils 17 ist, öffnet das Auslaßventil 17 und die Förderung von Kraftstoff in die Hochdruckleitung 16 beginnt. Dieser Zustand ist in der Fig. 1b dargestellt. Das Saugventil 18 und das Mengensteuerventil 19 sind geschlossen.
Wenn ausreichend Kraftstoff aus dem Förderraum 14 in die Hochdruckleitung 16 gefördert wurde, wird das Mengensteuerventil 19 geöffnet. Dadurch bricht der Druck im Förderraum 14 zusammen und das Auslaßventil 17 schließt. Damit ist die Förderung von Kraftstoff aus dem Förderraum 14 in die Hochdruckleitung 16 beendet. Bis zum Erreichen des OT fördert der Kolben 10 Kraftstoff aus dem Förderraum 14 in die Niederdruckleitung 15. Wegen des geringen Drucks in der Niederdruckleitung 15 ist die Förderarbeit des Kolbens 10 in diesem Schaltzustand (Fig. 1c) sehr gering.
In der oberen Hälfte von Fig. 1 ist der Hub 23 des Kolbens 10 über den Drehwinkel NW der Nockenwelle 12 schematisch dargestellt. Die in der Figur 1a, 1b und 1c dargestellten Zustände sind durch Linien 24, 25 und 26 den entsprechenden Abschnitten in dem o. g. Diagramm zugeordnet. In dem Diagramm von Fig. 1 ist auch die Schaltstellung des Mengensteuerventils 19 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass durch das Öffnen des geschlossenen Mengensteuerventils 19 die Förderung von Kraftstoff in die Hochdruckleitung 16 beendet wird.
Abhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine, welche mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ausgerüstet ist, kann das Öffnen des Mengensteuerventils 19 wie dargestellt innerhalb eines Bereichs 27 zwischen UT und OT variiert werden.
Die Nockenwelle 12 weist zwei Nocken 13 auf, so dass mit einer Nockenwellenumdrehung je zwei Saug- und Förderhübe vom Kolben 10 ausgeführt werden.
In Fig. 2 ist die Nockenwelle 12 etwas detaillierter dargestellt. Die Kontur des Nockens 13 wurde in sechs Drehwinkelbereiche 1 bis 6 unterteilt, die nachfolgend anhand der Fig. 3 im Detail beschrieben werden.
Fig. 3a zeigt den Hub 23 des Nockens 13 in radialer Richtung und damit auch des Kolbens 10 über dem Drehwinkel NW der Nockenwelle 12. In der Fig. 3b ist die Geschwindigkeit vR des Nockens 13 in radialer Richtung aufgetragen. Die Geschwindigkeit vR entspricht der Geschwindigkeit des Kolbens 10. In Fig. 3c ist die Beschleunigung a des Kolbens 10 über dem Drehwinkel NW der Nockenwelle 12 dargestellt. In Fig. 3d ist die Stellung des Auslaßventils 18 dargestellt. Die Fig. 3e zeigt den Verlauf des Drucks pF im Förderraum 14 über dem Drehwinkel NW, während in der Fig. 3f die Schaltstellung des Mengensteuerventils 19 dargestellt ist.
Ausgehend von UT steigt der Druck pF im Förderraum steil an. Nach dem Öffnen des Auslaßventils 17 wird die Flüssigkeitssäule in der Leitung zwischen Kraftstoffhochdruckpumpe und Rail entsprechend der Nockengeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Überströmens schlagartig beschleunigt. Mit steigenden Drehzahlen stellt sich dadurch eine Drucküberhöhung im Förderraum 14 ein. Diese Drucküberhöhung erreicht ein Maximum, das in Fig. 3e mit ps gekennzeichnet ist, und läuft nachdem das Auslaßventil 17 geöffnet hat als Druckstoß durch die Hochdruckleitung 16. Wenn dieser Druckstoß den Common-Rail, eine Einspritzdüse oder einen Injektor erreicht, kann dies zu ungenauen Kraftstoffzumessungen bei der Einspritzung führen. Außerdem führt die Ducküberhöhung zu einer starken Belastung des Nockenantriebs der Pumpe. Deshalb soll die Drucküberhöhung im Förderraum 14 gegenüber dem in der Hochdruckleitung 15 herrschenden Raildruck pCR so gering wie möglich ausfallen. D. h., die Differenz zwischen ps und pCR soll möglichst klein ausfallen. Dieses Ziel kann mit der nachfolgend beschriebenen Gestaltung des Nockens 13 erreicht werden.
Abhängig vom Druck pCR in der Hochdruckleitung 16 öffnet das Auslaßventil 17 früher oder später. Wegen der volumetrischen Verluste zwischen Kolben 10 und Zylinder 11 sowie der Kompressibilität des im Förderraum befindlichen Kraftstoffs und der Elastizität der den Förderraum 14 umgebenden, in Fig. 1 nicht dargestellten Wandung der Einspritzpumpe ist ein gewisser Förderhub notwendig, um im Förderraum 14 einen Druck aufzubauen. In Kenntnis der Eigenschaften einer konkreten Kraftstoffhochdruckpumpe kann somit ein Drehwinkelbereich angegeben werden innerhalb dessen das Auslaßventil 17 auf keinen Fall öffnet. In Fig. 3a ist dieser Drehwinkelbereich mit 1 bezeichnet.
Der Drehwinkelbereich 1 ist umso kleiner, je geringer der Druck pCR in der Hochdruckleitung ist und je kleiner das Volumen des Förderraums 14 und je größer die Elastizität der den Förderraum 14 umgebenden Wandung sind.
Das Auslaßventil 17 öffnet unabhängig von der Drehzahl, bei sonst gleichen Randbedingungen, am spätesten, wenn der in der Hochdruckleitung 16 anstehende Druck pCR dem maximal zulässigen Betriebsdrucks des Common-Rails entspricht. D. h. für jede Kraftstoffhochdruckpumpe lässt sich abhängig von den o. g. Parametern ein zweiter Drehwinkelbereich 2 angeben, innerhalb dessen das Auslaßventil 17 öffnet.
Um zu verhindern, dass die erwähnten Druckstöße vor allem bei hohen Drehzahlen und hohem Druck PCR unzulässig hoch werden, ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit des Kolbenhubs VR im zweiten Drehwinkelbereich 2 konstant ist. Dieses Plateau ist in der Fig. 3b deutlich zu erkennen. Sobald der zweite Drehwinkelbereich 2 durchlaufen wurde, nimmt die Geschwindigkeit des Kolbenhubs bis zum Erreichen eines Maximum vmax zu.
Die Beschleunigung a im dritten Drehwinkelbereich 3 wird so gewählt, dass nach Erreichen der maximal zulässigen Geschwindigkeit und nach dem Übergang in einen vierten Bereich die maximale negative Beschleunigung so ausfällt, dass an der Kontaktstelle zwischen Nocken 13 und Kolben 11 bei dem höchsten zulässigen Druck PCR die zulässige Hertz'sche Pressung nicht überschritten wird. Dabei sind die Druckkräfte, die auf den Kolben 10 wirken, und die Trägheitskräfte zu berücksichtigen.
Nach Erreichen der Höchstgeschwindigkeit vmax beginnt ein vierter Drehwinkelbereich 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschleunigung a negativ wird. Der Wert der Beschleunigung wird durch die maximal zulässige Hertz'sche Pressung begrenzt. Während nahezu des gesamten vierten Drehwinkelbereichs 4 und eines daran anschließenden fünften Drehwinkelbereichs 5 ist die Beschleunigung a konstant negativ, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Kolbens 10 abnimmt. Mit Erreichen des OT wird die Geschwindigkeit negativ, d. h. der Saughub beginnt. Am Ende des fünften Drehwinkelbereichs 5 hat der Kolben 10 eine bestimmte negative Geschwindigkeit, die er über einen sechsten Drehwinkelbereich 6 konstant beibehält. Im fünften Drehwinkelbereich und im sechsten Drehwinkelbereich erfolgt das Ansaugen von Kraftstoff aus der Niederdruckleitung 15 in den Förderraum 14. An den sechsten Drehwinkelbereich 6 schließt sich wieder ein erster Drehwinkelbereich 1 an. Der Drehwinkelbereich 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung a des Kolbens 10 so groß wie möglich gewählt ist. Begrenzt wird die mögliche Beschleunigung im Wesentlichen durch die Massenkräfte des Kolbens 10, da im Bereich des UT vom Förderraum auf den Kolben 10 wirkenden hydraulischen Kräfte vergleichsweise gering sind. Aus diesem Grund ist die maximale Beschleunigung im ersten Drehwinkelbereich deutlich größer als die maximale Beschleunigung im dritten Drehwinkelbereich 3.
Dadurch, dass die Beschleunigung A des Kolbens 10 im ersten Drehwinkelbereich 1 maximiert wird, kann der zweite Drehwinkelbereich 2 entsprechend größer ausfallen. In einer alternativen Ausgestaltung kann anstelle einer konstanten Geschwindigkeit des Kolbens 10 im zweiten Drehwinkelbereich 2 auch eine leichte Beschleunigung des Kolbens 10 erfolgen. Voraussetzung ist allerdings, dass in allen Betriebszuständen die Druckspitze ps beim Öffnen des Auslaßventils 17 nicht unzulässig hoch wird. Im dritten Drehwinkelbereich 3 empfiehlt es sich, die Beschleunigung a des Kolbens 10 so groß wie möglich zu wählen, um die erforderliche Fördermenge mit einer möglichst geringen maximalen Geschwindigkeit vmax des Kolbens 10 zu erreichen. Je geringer die maximale Geschwindigkeit vmax des Kolbens 10 ist, desto geringer sind die Strömungsverluste beim Absteuern durch das Mengensteuerventil 19. Damit wird der Wirkungsgrad der Kraftstoffhochdruckpumpe verbessert.
Die oben gemachten Ausführungen betreffend die Gestaltung der Kontur des Nockens 13 vom ersten Drehwinkelbereich 1 bis zum sechsten Drehwinkelbereich 6 sind grundsätzlich auf alle erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpen anwendbar. Die konkrete Ausgestaltung der Kontur des Nockens 13 kann jedoch nur in Kenntnis der erforderlichen Betriebsdrücke PCR im Common-Rail, der Drehzahlen der Kraftstoffhochdruckpumpe, der Kompressibilität des Kraftstoffs, der Elastizität der den Förderraum 13 umgebenden Wandungen und anderer Einflussgrößen erfolgen. Dies ist jedoch einem Fachmann auf dem Gebiet der Kraftstoffhochdruckpumpen mit Hilfe von Simulationsrechnungen oder anderer Hilfsmitteln möglich. Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe ist besonders zum Einsatz in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung geeignet.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

  1. Kraftstoffhochdruckpumpe mit veränderlicher Fördermenge für eine Brennkraftmaschine, mit einem von einer Nockenwelle (12) betätigten Kolben (10), wobei der Kolben (10) Kraftstoff aus einer Niederdruck-Leitung (15) in einen Förderraum (14) ansaugt und anschließend in eine Hochdruck-Leitung (16) fördert, und mit einem Förderraum (14) und Niederdruckleitung (15) verbindenden Mengensteuerventil (19), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Niederdruck-Leitung (15) und Förderraum (14) ein separates Saugventil (18) angeordnet ist, und dass die Regelung der Fördermenge durch Öffnen des Mengensteuerventils (19) während des Förderhubs des Kolbens (10) erfolgt.
  2. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nocken (13) der Nockenwelle (12) mindestens einen ersten Drehwinkelbereich (1), einen zweiten Drehwinkelbereich (2) und einen dritten Drehwinkelbereich (3) aufweist, wobei der UT des Kolbens (23) innerhalb des ersten Drehwinkelbereichs (1) liegt, dass der Kolben (10) nach Erreichen des UT durch den Nocken (13) im ersten Drehwinkelbereich (1) eine positive Beschleunigung erfährt, dass innerhalb des zweiten Drehwinkelbereichs (2) die Hubgeschwindigkeit (vR) des Kolbens (10) annähernd konstant ist, dass das Mengensteuerventil (19) öffnet während die Nocke (13) den zweiten Drehwinkelbereich durchläuft, und dass innerhalb des dritten Drehwinkelbereichs (3) die Hubgeschwindigkeit (vR) des Kolbens (10) bis zum Erreichen eines Maximalwerts (vMAX) zunimmt.
  3. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung des Kolbens (10) im ersten Drehwinkelbereich (1) bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe im Wesentlichen durch die Massenkräfte des Kolbens (10) begrenzt wird.
  4. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) im zweiten Drehwinkelbereich (2) bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe einen gegenüber der Beschleunigung im ersten Drehwinkelbereich (1) geringere positive Beschleunigung erfährt.
  5. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung des Kolbens (10) im vierten Drehwinkelbereich (4) bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Kraftstoffhochdruckpumpe von der maximal zulässigen Hertz'schen Pressung an der Kontaktstelle zwischen Nocken (13) und Kolben (10) begrenzt wird.
  6. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nocken (13) einen vierten Drehwinkelbereich (4), einen fünften Drehwinkelbereich (5) und einen sechsten Drehwinkelbereich (6) aufweist, dass der OT des Kolbens (10) zwischen viertem Drehwinkelbereich (4) und fünftem Drehwinkelbereich (5) liegt, dass die positive Beschleunigung des Kolbens (10) durch den Nocken (13) im vierten Drehwinkelbereich (4) auf Null verringert wird, dass der Kolben (10) durch den Nocken (13) im fünften Drehwinkelbereich (5) eine negative Beschleunigung erfährt, und dass innerhalb des sechsten Drehwinkelbereichs (6) die Hubgeschwindigkeit (vR) des Kolbens (10) negativ und annähernd konstant ist.
  7. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Geschwindigkeit des Kolbens (10) im vierten und im fünften Drehwinkelbereich (4, 5) annähernd konstant ist.
  8. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (18) ein stromlos geöffnetes Magnetventil ist.
  9. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengensteuerventil (19) von einem Steuergerät in Abhängigkeit der Drehzahl, der Last, der Temperatur der Brennkraftmaschine, der Spannung des Bordnetzes und der Temperatur der Ansaugluft und des Drucks im Common-Rail geregelt wird.
  10. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Übergang vom sechsten Drehwinkelbereich (6) in den ersten Drehwinkelbereich (1) die Sauggeschwindigkeit langsam abnimmt.
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