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Dokumentenidentifikation DE10156732C2 16.10.2003
Titel Hochdruckkraftstoffpumpe mit einer Einrichtung zur Dämpfung von Druckstößen
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Rembold, Helmut, 70435 Stuttgart, DE;
Mueller, Uwe, 71282 Hemmingen, DE
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 19.11.2001
DE-Aktenzeichen 10156732
Offenlegungstag 05.06.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.10.2003
IPC-Hauptklasse F02M 59/44
IPC-Nebenklasse F02M 37/00   

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckkraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Pumpenelement, mit einem Kraftstoffzulauf, mit einer Hochdruckleitung, wobei das Pumpenelement Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf in die Hochdruckleitung fördert, und mit einer Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen im Kraftstoffzulauf.

Bei dieser Hochdruckkraftstoffpumpe, die bspw. in Common- Rail-Einspritzanlagen von Otto-Motoren mit Benzin- Direkeinspritzung eingesetzt wird, dient die Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen dazu, die während des Betriebs auftretenden Druckstöße im Kraftstoffzulauf zu dämpfen und eine ausreichende Versorgung des Förderraums mit Kraftstoff während des Saughubs des oder der Pumpenelemente zu gewährleisten.

Die Fördermengenregelung dieser Hochdruckkraftstoffpumpe erfolgt über ein Mengensteuerventil, welches zu diesem Zweck eine hydraulische Verbindung zwischen dem Förderraum des Pumpenelements und dem Kraftstoffzulauf herstellen kann. Wenn diese Verbindung hergestellt ist, fördert das Pumpenelement nicht mehr in die Hochdruckleitung, sondern in den Kraftstoffzulauf. Durch diese Regelung der Kolbenpumpe wird der Nutzungsgrad der Hochdruckkraftstoffpumpe verbessert, da sich die Arbeitsaufnahme des Pumpenelements stark verringert, wenn diese nur gegen den niedrigen Druck im Kraftstoffzulauf Arbeit verrichten muss.

Mit dem Öffnen des Mengensteuerventils wird der Kraftstoffzulauf schlagartig mit einem Druckstoß beaufschlagt, der zu erheblichen mechanischen Beanspruchungen der Einspritzanlage führt. Die Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen dient dazu, diese Druckstöße mindestens teilweise abzubauen und zu dämpfen.

Während des Saughubs des Pumpenelements herrscht im Kraftstoffzulauf ein sehr geringer Druck, was die Gefahr von Dampfblasenbildung und Kavitation mit sich bringt. Der geringe Druck im Kraftstoffzulauf entsteht, weil kurzzeitig die von der Kolbenpumpe angesaugte Kraftstoffmenge größer ist als die von einer Niederdruckpumpe in den Kraftstoffzulauf geförderte Kraftstoffmenge. In diesem Betriebszustand hält die Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen den Druck im Kraftstoffzulauf mindestens teilweise aufrecht, so dass die unerwünschte Dampfblasenbildung wirksam unterdrückt wird.

Aus der DE 42 41 374 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzanlage bekannt, bei der die Elastizität einer Kraftstoffleitung zur Dämpfung der Druckpulsationen ausgenützt wird.

Aus der DE 31 53 308 C2 ist ein aus einem an einem Ende verschlossenen Schlauch bestehender Druckdämpfer bekannt.

Schließlich wird in der DE 199 57 591 A1 ein Druckdämpfer für Kraftstoffeinspritzanlagen beschrieben, bei dem das Dämpfungselement aus einem gasgefüllten Faltenbalg besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckkraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine mit einer einfach aufgebauten Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen mit einem guten Dämpfungsverhalten bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Durch den Einsatz eines Leitungsabschnitts, der sich bei Beaufschlagung mit einem Innendruck in radialer und, falls möglich, auch in axialer Richtung ausdehnt, steht eine sehr kompakt und einfach aufgebaute Dämpfungseinrichtung zur Verfügung. Wegen der Biegsamkeit und Elastizität des Leitungsabschnitts kann dieser in nahezu beliebige freie Bauräume in der unmittelbaren Umgebung der Kraftstoffhochdruckpumpe gelegt werden, so dass der Platzbedarf minimal ist. Außerdem kann durch die Wahl eines geeigneten Materials des Leitungsabschnitts, dessen Wandstärke, Innendurchmesser und Länge das Dämpfungsverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung in weiten Grenzen und auf einfache Weise variiert werden. Somit kann die erfindungsgemäße Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen auf einfachste Weise an verschiedenste Brennkraftmaschinen und Hochdruckkraftstoffpumpen adaptiert werden.

Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass das erste Ende des Leitungsabschnitts an einem Deckel des Pumpenelements befestigt ist, und dass über den Deckel die hydraulische Verbindung zwischen Leitungsabschnitt und Kraftstoffzulauf hergestellt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es auch ohne Weiteres möglich, einen aus dem Stand der Technik bekannten Membranspeicher durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen zu ersetzen, ohne dass an der Hochdruckkraftstoffpumpe Änderungen vorgenommen werden müssen. Anstelle des Membranspeichers wird lediglich der genannte Deckel aufgeschraubt. Schließlich ist werden die in der Hochdruckkraftstoffpumpe entstehenden Druckstöße schon gedämpft bevor sie diese verlassen. Dadurch wird der Niederdruckteil des Kraftstoffeinspritzsystems bestmöglich entlastet.

Bei einer Variante ist vorgesehen, dass der Leitungsabschnitt ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, dass das erste Ende des Leitungsabschnitts mit dem Kraftstoffzulauf hydraulisch in Verbindung steht, und dass das zweite Ende des Leitungsabschnitts verschlossen ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der Leitungsabschnitt als Schlauch ausgeführt, so dass die Herstellungskosten sehr gering sind und aufgrund der guten Dämpfungseigenschaften handelsüblicher Hydraulikschläuche ein gutes Dämpfungsverhalten erzielt wird.

In einer alternativen Ausgestaltung kann der Leitungsabschnitt auch als Faltenbalg ausgeführt sein, so dass die Volumenzunahme bei Beaufschlagung mit Innendruck vornehmlich in axialer Richtung des Leitungsabschnitts erfolgt. Durch die Dimensionierung des Faltenbalgs kann das Dämpfungsverhalten in weiten Grenzen eingestellt werden. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist auch, dass ein solcher Faltenbalg aus einem metallischen Werkstoff hergestellt werden kann und dieser Faltenbalg nahezu keiner Alterung unterliegt.

In weiterer Ergänzung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das zweite Ende des Leitungsabschnitts gut wärmeleitend mit einem Bauteil der Hochdruckkraftstoffpumpe, der Einspritzanlage oder der Brennkraftmaschine verbunden ist, und dass dieses Bauteil bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine eine über der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf liegende Temperatur aufweist. Dadurch wird eine Dampfblase am zweiten Ende des Leitungsabschnitts bewusst erzeugt, welche die Funktion einer Gasfeder bzw. eines Gasdämpfers, übernimmt. Durch diese Gasblase wird das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Dämpfen von Druckstößen weiter verbessert. Außerdem kann durch eine geeignete Abstimmung des Dämpfungsverhaltens des Leitungsabschnitts ohne und mit Kraftstoffdampfblase bei nahezu allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bzw. der Hochdruckkraftstoffpumpe ein gutes Dämpfungsverhalten erreicht werden. Außerdem kann, unabhängig davon, ob eine Dampfblase im Leitungsabschnitt vorhanden ist oder nicht, die Länge des Leitungsabschnitts so gewählt werden, dass der Leitungsabschnitt als Resonator wirkt und innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs die Druckstöße durch Reflexion tilgt.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Dämpfung von Druckstößen wird erfindungsgemäß weiter verbessert, wenn die hydraulische Verbindung zwischen Leitungsabschnitt und Kraftstoff in unmittelbarer Nähe des Einlassventils des Pumpenelements hergestellt wird.

Zur weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Dämpfung von Druckstößen kann außerdem vorgesehen werden, dass in dem Leitungsabschnitt eine Drossel oder Blende angeordnet ist, so dass vor allem beim Vorhandensein einer Dampfblase die Dämpfung erhöht wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Einspritzanlage mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckkraftstoffpumpe und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckkraftstoffpumpe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckkraftstoffpumpe 1 ausgestatteten Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen. Die Hochdruckkraftstoffpumpe 1 wird über einen Kraftstoffzulauf 3, 3a, 3b mit Kraftstoff aus einem Tank 5 versorgt. Der Kraftstoff wird von einer elektrischen Niederdruckkraftstoffpumpe 7 aus dem Tank 5 in den Kraftstoffzulauf 3 gefördert. Ein Niederdruckregler 9 regelt den Druck im Kraftstoffzulauf 3 auf beispielsweise 4 bis 6 bar.

Die erfindungsgemäße Hochdruckkraftstoffpumpe 1 fördert im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Hochdruckleitung 11 in einen Common-Rail 13, der wiederum mit Injektoren 15 verbunden ist. Am Common-Rail 13 sind ein Druckbegrenzungsventil 17 und ein Drucksensor 19 angeordnet. Nicht dargestellt in Fig. 1 sind ein Steuergerät, welches die Regelung und Steuerung der Einspritzanlage übernimmt, Signalleitungen, elektrische Versorgungsleitungen und anderes mehr.

Die Hochdruckkraftstoffpumpe 1 weist bspw. mindestens ein Pumpenelement 21 mit einem Kolben (nicht dargestellt) und einem Zylinder (nicht dargestellt) auf. Das Pumpenelement 21 fördert Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 3 in die Hochdruckleitung 11. Um ein Rückströmen des Kraftstoffs aus der Hochdruckleitung 11 in das Pumpenelement 21 und aus dem Pumpenelement 21 in den Kraftstoffzulauf 3b zu unterbinden, sind ein Auslassventil 23 in der Hochdruckleitung 11 und ein Einlassventil 25 im Kraftstoffzulauf 3b vorgesehen.

Die Mengenregelung der Hochdruckkraftstoffpumpe 1 erfolgt über einen Bypass 27, welcher einen nicht dargestellten Förderraum des Pumpenelements 21 und den Kraftstoffzulauf 3 miteinander verbindet, und ein im Bypass 27 angeordnetes Mengensteuerventil 29.

Wenn das Mengensteuerventil 29, wie in Fig. 1 dargestellt, geöffnet ist, fördert das Pumpenelement 21 keinen Kraftstoff in die Hochdruckleitung 11, sondern ausschließlich in den Bypass 27.

Sobald das Mengensteuerventil 29 geschlossen wird, baut sich während des Förderhubs des Pumpenelements 21 ein Druck im Förderaum (nicht dargestellt) des Pumpenelements 21 auf und das Pumpenelement 21 fördert in die Hochdruckleitung 11, sobald der Druck im Förderraum (nicht dargestellt) höher ist als der Druck in der Hochdruckleitung 11 hinter dem Auslassventil 23.

Wenn das Mengensteuerventil 29 während, des Förderhubs geöffnet wird, wird der Kraftstoff im Bypass 27 und anschließend im Kraftstoffzulauf 3 mit einem Druckstoß beaufschlagt, welcher die dem Pumpenelement 21 vorgelagerten Komponenten wie Tank 5, Niederdruckkraftstoffpumpe 7, Niederdruckregler 9 oder nicht dargestellte Verbindungselemente, wie z. B. Schnellanschlüsse der Kraftstoffhochdruckpumpe, beschädigen kann.

Um diese Druckstöße abzubauen, ist im Kraftstoffzulauf 3 eine Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen vorgesehen. Der Aufbau und das Betriebsverhalten dieser Einrichtung 31 wird nachfolgend anhand der Fig. 2 im Detail erläutert. Zunächst genügt es davon auszugehen, dass die Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen die in dem in dem Druckstoß enthaltene Energie absorbiert und teilweise speichert.

Wenn das Pumpenelement 21 während des Saughubs mit hoher Geschwindigkeit Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 3 ansaugt, führt dies zu einem starken Druckabfall im Kraftstoffzulauf 3, 3a und 3b, da die, Förderleistung der Niederdruckkraftstoffpumpe 7 nicht ausreicht, um diese Bedarfsspitze abzufahren. Sobald der Druck im Kraftstoffzulauf 3 absinkt, fördert die Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf 3. Die Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen hat also zwei Funktionen: Sie schützt die Einspritzanlage vor schädlichen Druckstößen und sie gewährleistet einen ausreichenden Kraftstofffluss aus dem Kraftstoffzulauf 3b in das Pumpenelement 21 während des Saughubs.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochdruckkraftstoffpumpe ausschnittsweise dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es gilt das betreffend der Fig. 1 Gesagte entsprechend.

In Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, dass bei diesem Ausführungsbeispiel das Pumpenelement 21 aus einem Kolben 33, der in einer Zylinderbohrung 35 geführt ist, besteht.

Die Zylinderbohrung 35 und der Kolben 33 begrenzen einen Förderraum 37. Über das Einlassventil 25 kann der Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 3 in den Förderraum 55 gelangen, wenn der Kolben 33 sich in der in Fig. 2 dargestellten Anordnung nach unten bewegt. Dies ist der sog. Saughub.

Sobald der Kolben 33 sich wieder nach oben in Richtung des Einlassventils 25 bewegt, verringert sich das Volumen des Förderraums 37, das Einlassventil 25 schließt und Kraftstoff wird über das Auslassventil 23 in die Hochdruckleitung 11 ausgeschoben, vorausgesetzt, das Mengensteuerventil 29 ist geschlossen.

Wenn der Kolben 33 ausreichend Kraftstoff in die Hochdruckleitung 11 gefördert hat, wird das Mengensteuerventil 29 geöffnet. Diese Schaltstellung des Mengensteuerventils 29 ist in Fig. 2 dargestellt. Durch das geöffnete Mengensteuerventil 29 kann der vom Kolben 33 geförderte Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf 3 ausgeschoben werden. Daraus resultiert der bereits erwähnte Druckstoß im Kraftstoffzulauf 3, welcher durch die erfindungsgemäße Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen gedämpft wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 der erfindungsgemäßen Einrichtung 31 zur Dämpfung von Druckstößen besteht aus einem Deckel 39, der mit dem Pumpenelement 21 verschraubt ist (die Verschraubung ist in Fig. 2 nicht dargestellt). An den Deckel 39 ist ein Anschlussstutzen 41 ausgebildet, auf den ein Stück Schlauch 43 aufgeschoben ist. Als Schlauch 43 kann jeder handelsübliche kraftstoffbeständige Schlauch verwendet werden, der mit den auftretenden Drücken von etwa 4-6 bar statischem Druck sowie den oben mehrfach beschriebenen Druckstöße beaufschlagbar ist. Je nach Wahl des Schlauchs kann das Dämpfungsverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung 31 zum Dämpfen von Druckstößen in weiten Grenzen an die Erfordernisse der Hochdruckkraftstoffpumpe (nicht dargestellt) adaptiert werden.

Der Schlauch 43 wird mit seinem ersten Ende 45 auf den Anschlussstutzen 41 aufgeschoben. An seinem zweiten Ende 47 wird der Schlauch 43 durch ein Verschlussstück 49 verschlossen. Das Verschlussstück 49 weist ein Befestigungsauge 51 mit einer Befestigungsbohrung 53 auf. Mit diesem Befestigungsauge 51 kann das Verschlussstück 49 an einem temperaturführenden Bauteil der Hochdruckkraftstoffpumpe, der Einspritzanlage oder der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) befestigt werden. Dieses Bauteil soll bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine eine Temperatur erreichen, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf 3 bzw. im Schlauch 43 liegt, so dass sich eine Dampfblase im Schlauch 43 bildet, sobald die Brennkraftmaschine Betriebstemperatur erreicht hat. Diese Dampfblase (nicht dargestellt) wirkt wie eine Gasfeder und erhöht die Dämpfungswirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung 31. Um eine gute Wärmeübertragung von dem temperaturführenden Bauteil der Brennkraftmaschine auf die Einrichtung 31 zu gewährleisten, empfiehlt es sich, das Verschlussstück 49 aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere einem gut wärmeleitenden Metall, herzustellen.

Da der Deckel 39 eine niedrigere Temperatur als das Verschlussstück 49 aufweist, dehnt sich die Dampfblase (nicht dargestellt) nicht so weit aus, dass sie in den Kraftstoffzulauf 3 gelangen kann. Dies wäre unerwünscht, da eine solche Dampfblase im Kraftstoffzulauf 3 das Förderverhalten des Pumpenelements 21 beeinträchtigt.

Um das Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Einrichtung 31 weiter steuern zu können, kann bspw. im Deckel 39, insbesondere im Bereich des Anschlussstutzes 41, eine Drossel (nicht dargestellt) vorgesehen werden.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung (nicht dargestellt) kann der Schlauch 43 durch einen Faltenbalg, insbesondere aus Metall, ersetzt werden. Ein Metallfaltenbalg erlaubt eine Volumenänderung infolge von einer Beaufschlagung mit Innendruck in seiner Längsrichtung. Durch die Dimensionierung des Faltenbalgs und der Materialwahl kann das Dämpfungsverhalten eines solchen Faltenbalgs an die Erfordernisse der Hochdruckkraftstoffpumpe adaptiert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Hochdruckkraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Pumpenelement (21), mit einem Kraftstoffzulauf (3), mit einer Hochdruckleitung (11), wobei das Pumpenelement (21) Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf (3) in die Hochdruckleitung (11) fördert, und mit einer Einrichtung (31) zum Dämpfen von Druckstößen im Kraftstoffzulauf (3), die einen Leitungsabschnitt (43) aufweist, wobei die Volumenzunahme des Leitungsabschnitts (43) bei einer Beaufschlagung mit Innendruck sehr viel größer als die Kompressibilität des in dem Leitungsabschnitt (43) befindlichen Kraftstoffs ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende (45) des Leitungsabschnittes (43) an einem Deckel (39) des Pumpenelements (21) befestigt ist, und dass über den Deckel (39) die hydraulische Verbindung zwischen Leitungsabschnitt (43) und Kraftstoffzulauf (3) hergestellt wird.
  2. 2. Hochdruckkraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (43) ein zweites Ende (47) aufweist, und dass das zweite Ende (47) des Leitungsabschnitts (43) verschlossen ist.
  3. 3. Hochdruckkraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (43) als Schlauch ausgeführt ist.
  4. 4. Hochdruckkraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt als Faltenbalg ausgeführt ist.
  5. 5. Hochdruckkraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (47) des Leitungsabschnitts (43) gut wärmeleitend mit einem Bauteil der Hochdruckkraftstoffpumpe, der Einspritzanlage oder der Brennkraftmaschine verbunden ist, und dass dieses Bauteil bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine eine über der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffs im Kraftstoffzulauf (3) liegende Temperatur hat.
  6. 6. Hochdruckkraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verbindung zwischen Leitungsabschnitt (43) und Kraftstoffzulauf (3) in unmittelbarer Nähe eines Einlassventils (25) des Pumpenelements (21) hergestellt wird.
  7. 7. Hochdruckkraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (43) als Abzweigungsresonator wirkt.
  8. 8. Hochdruckkraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Leitungsabschnitt (43) eine Drossel oder eine Blende vorgesehen ist.






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