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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vom
Markt her sind Hochdruck-Kraftstoffpumpen für Common-Rail-Kraftstoffsysteme
von Kolben-Brennkraftmaschinen bekannt. Diesen Hochdruck-Kraftstoffpumpen
wird der Kraftstoff von einer Vorförderpumpe mit einem gewissen
Druck zugeführt.
Der Kraftstoff wird dabei zunächst
durch das Pumpengehäuse
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe hindurchgeleitet, um dort vorhandene
Komponenten zu kühlen.
Nach dem Durchtritt des Kraftstoffs durch den Innenraum des Pumpengehäuses wird
er über eine
Zumesseinrichtung den Förderräumen der Hochdruck-Kraftstoffpumpe
zugemessen. Dieser Weg des Kraftstoffes wird als erster Fluidweg
bezeichnet. Bin Teil des in den Innenraum des Pumpengehäuses gelangenden
Kraftstoffs wird den Wellenlagern der Antriebswelle zugeführt, um
diese zu schmieren. Der Kraftstoff tritt durch die Wellenlager hindurch
und wird dann üblicherweise
in Richtung Kraftstofftank zurückgeführt. Dies
wird als zweiter Fluidweg bezeichnet. Der durch die Wellenlager
abgeführte
Kraftstoff steht für
die eigentliche Förderung ("Nutzmenge") nicht zur Verfügung.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein
wichtiges Auslegungskriterium einer Kraftstoffpumpe ist die Startmengenforderung.
Dem liegt der Wunsch zugrunde, dass beim Starten der Brennkraftmaschine
die Kraftstoffpumpe möglichst schnell
einen für
das Starten erforderlichen Kraftstoffdruck bereitstellen soll.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Kraftstoffpumpe
in dieser Hinsicht zu optimieren.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kraftstoffpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus
finden sich für
die Erfindung wichtige Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung
sowie in den Zeichnungen. Die besagten Merkmale können dabei
in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich
sein, ohne dass hierauf im Einzelnen explizit hingewiesen wird.
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Erfindungsgemäß kann der
zweite Fluidweg, durch den Kraftstoff von der eigentlichen Nutzmenge abgezweigt
wird, gesperrt werden. Als Nutzmenge gilt dabei jene Kraftstoffmenge,
die letztlich für
die Förderung
durch die Kraftstoffpumpe zur Verfügung steht. Diese Nutzmenge
kann also in bestimmten Betriebssituationen erhöht werden, was in diesen Betriebssituationen
den Wirkungsgrad der Kraftstoffpumpe verbessert.
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Besonders
bevorzugt ist es dabei, dass die Ventileinrichtung den zweiten Fluidweg
während
eines Betriebsbeginns des Kraftstoffsystems sperrt. Hierdurch kann
der Druckaufbau im Kraftstoffsystem, insbesondere in einem der Kraftstoffpumpe
nachgeschalteten Common-Rail, beschleunigt werden.
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Eine
besonders einfache und preiswerte Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgesehenen Ventileinrichtung
umfasst ein federbelastetes Rückschlagventil.
Dieses ist im Normalfall, beispielsweise bei ausgeschaltetem Kraftstoffsystem
und beim Start, geschlossen und öffnet
erst, wenn ein bestimmter Mindestdruck stromaufwärts von der Ventileinrichtung
anliegt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn dabei der Öffnungsdruck des federbelasteten
Rückschlagventils
höher ist
als ein Öffnungsdruck
eines Einlassventils der Kraftstoffpumpe. Letzterer beträgt üblicherweise
1–2 bar,
günstig
wäre also
ein Öffnungsdruck des
federbelasteten Rückschlagventils
knapp darüber.
Hierdurch wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die Kraftstoffpumpe
möglichst
früh und
mit gutem Wirkungsgrad mit einer Kraftstoffförderung beginnen kann.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn die Ventileinrichtung stromabwärts von
dem Wellenlager angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass auch
bei geschlossener Ventileinrichtung im Wellenlager Kraftstoff vorhanden
ist und für
eine gewisse Schmierung sorgen kann.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dann besonders deutlich,
wenn die Ventileinrichtung in dem zweiten Fluidweg eines Flanschlagers angeordnet
ist, wobei der zweite Fluidweg von einem Wellendichtring begrenzt
wird. Gegenüber
einer dauernden Sperrung des zweiten Fluidwegs oder der Anordnung
einer starken Drossel im zweiten Fluidweg anstelle der Ventileinrichtung
hat die erfindungsgemäße Lösung nämlich den
Vorteil, dass der Wellendichtring bei geöffneter und dann nur gering
drosselnder Ventileinrichtung druckentlastet wird, was dessen Lebensdauer
verbessert.
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Wird
die Kraftstoffpumpe von einer mechanischen Vorförderpumpe gespeist, sollte
der zweite Fluidweg in eine Saugleitung der mechanischen Vorförderpumpe
münden,
da dort der Druck vergleichsweise gering ist und damit auch die
Druckbelastung am Wellendichtring niedrig gehalten werden kann.
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Die
Ventileinrichtung kann aber auch stromabwärts von einem Gehäuselager
angeordnet sein. In diesem Fall ist eine Abdichtung durch einen
Wellendichtring üblicherweise
nicht erforderlich. Damit spielt die Druckbelastung eine geringere
Rolle, so dass die zweite Fluidverbindung auch in eine dort ohnehin
vorhandene Rücklaufleitung
münden
kann, in der im Allgemeinen ein etwas höherer Druck herrscht als in
der Saugleitung stromaufwärts
von der mechanischen Vorförderpumpe.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems mit
einer ersten Ausführungsform
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
und
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Kraftstoffsystems mit einer zweiten Ausführungsform einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein
Kraftstoffsystem trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es
dient zur Versorgung einer Brennkraftmaschine, die in 1 nicht
im Detail dargestellt ist und insgesamt mit 12 bezeichnet
ist.
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Das
Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 14,
aus dem eine mechanisch von der Brennkraftmaschine 12 angetriebene
Vorförderpumpe 16 Kraftstoff über eine
Saugleitung 18 und einen Kraftstofffilter 20 ansaugt.
Die Vorförderpumpe 16 fördert den
Kraftstoff mittels eines Vorförderkanals 21 zu
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22, die insgesamt schematisch
durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Ein entsprechendes
Pumpengehäuse
ist mit 24 bezeichnet. Von einem Einlass 26 führt ein
Kanal 28 zu einem Innenraum 30 des Pumpengehäuses 24,
in dem eine Antriebswelle 32 angeordnet ist, die wiederum
mit Antriebsnocken 34 versehen ist. Die Antriebswelle 32 wird
ebenfalls mechanisch von der Brennkraftmaschine 12 angetrieben.
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Die
Antriebsnocken 34 arbeiten mit mehreren Kolben zusammen,
von denen in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nur
einer vollständig
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 36 versehen ist.
Der Kolben 36 begrenzt einen Förderraum 38. Dieser
ist über
ein Einlassventil 40 mit einer ansteuerbaren Zumesseinrichtung 42 im
Stile einer Saugdrossel verbunden, von der ein Kanal 44 über einen
Filter 46 zum Innenraum 30 des Pumpengehäuses 24 führt. Ferner
ist der Förderraum 38 über ein
Auslassventil 48 mit einem Common-Rail 50 verbindbar,
an welches wiederum mehrere Kraftstoffinjektoren 52 angeschlossen
sind, die den Kraftstoff direkt in einen ihnen jeweils zugeordneten
Brennraum 54 einspritzen. Vom Common-Rail 50 führt eine Rücklaufleitung 56,
in der ein ansteuerbares Druckregelventil 58 angeordnet
ist, zum Kraftstoffbehälter 14 zurück. In die
Rücklaufleitung 56 mündet auch
ein Kanal 60, der vom Vorförderkanal 21 stromabwärts von
der Vorförderpumpe 16 abzweigt
und in dem ein Überströmventil 62 angeordnet
ist.
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Die
Antriebswelle 32 ist mittels zweier Wellenlager, die in 1 nicht
dargestellt sind, im Pumpengehäuse 24 gelagert.
Das eine Lager ist dabei in einem geschlossenen Bereich des Pumpengehäuses 24 angeordnet,
es wird als Gehäuselager
bezeichnet. Das andere Wellenlager ist in einem offnen Bereich des
Pumpengehäuses 24 angeordnet,
in dem die Antriebswelle 32 an ein entsprechendes Gegenstück der Brennkraftmaschine 12 angeflanscht ist.
Dieses Wellenlager wird daher auch als Flanschlager bezeichnet.
Beide Wellenlager sind spaltbehaftet.
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Das
Gehäuselager
ist über
einen Gehäuselager-Entlastungskanal 64 mit
der Rücklaufleitung 56 verbunden,
wohingegen das Flanschlager über
einen Flanschlager-Entlastungskanal 66 mit der Saugleitung 18 stromaufwärts von
der Vorförderpumpe 16 verbunden
ist. Der Lagerspalt des Gehäuselagers
ist in 1 durch eine Drosselstelle symbolisiert, die das
Bezugszeichen 68 trägt.
Der Lagerspalt des Flanschlagers ist ebenfalls durch eine Drosselstelle symbolisiert,
die mit 70 bezeichnet ist. Damit im Bereich des Flanschlagers 70 kein
Kraftstoff aus dem Pumpengehäuse 24 austritt,
ist die Antriebswelle 32 in diesem Bereich durch einen
Wellendichtring 72 nach außen abgedichtet.
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Der
Fluidweg des Kraftstoffes von der Vorförderpumpe 16 über den
Innenraum 30 des Pumpengehäuses 24 bis zum Einlassventil 40 wird
als erster Fluidweg 74 bezeichnet. Die Kanäle 64 und 66 werden
als zweiter Fluidweg bezeichnet.
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Die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 weist folgende Besonderheit
auf: Im Gehäuselager-Entlastungskanal 64 ist
zwischen dem Lagerspalt 68 des Gehäuselagers und der Rücklaufleitung 56 ein
federbelastetes Rückschlagventil 78 angeordnet,
welches zum Innenraum 30 hin sperrt und zur Rücklaufleitung 56 hin öffnet. Analog
hierzu ist auch im Flanschlager-Entlastungskanal 66 stromabwärts vom
Lagerspalt 70 des Flanschlagers ein zweites federbelastetes
Rückschlagventil 80 angeordnet,
welches zum Innenraum 30 hin sperrt und zur Saugleitung 18 hin öffnet. Die Öffnungsdrücke der
beiden federbelasteten Rückschlagventile 78 und 80 sind
im Wesentlichen identisch und höher
als der Öffnungsdruck des
Einlassventils 40.
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Im
Normalbetrieb des Kraftstoffsystems 10 saugt die Vorförderpumpe 16 den
Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 14 an.
In der Saugleitung 18 herrscht dann ein Druck im Bereich
von knapp über
0 bis 1 bar. Die mechanische Vorförderpumpe 16 verdichtet
den Kraftstoff und fördert
ihn mit einem Druck von ungefähr
5 bar zum Innenraum 30 des Pumpengehäuses 24 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22.
Der Druck von ungefähr
5 bar wird durch das Überströmventil 62 eingestellt.
Von dort wird der Kraftstoff dem Förderraum 38 zugeführt, dort
auf einen sehr hohen Druck verdichtet und schließlich in das Common-Rail 50 gefördert, wo
der Kraftstoff unter hohem Druck, üblicherweise einige 100 oder
gar einige 1.000 bar gespeichert ist. Durch die Spülung des
Innenraums 30 des Pumpengehäuses 24 werden die
dort vorhandenen Komponenten sowie das Pumpengehäuse 24 insgesamt gekühlt.
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In
diesem Normalbetrieb beträgt
der Druckabfall an den Lagerspalten 68 und 70 ungefähr 3–4 bar,
so dass stromaufwärts
von den Rückschlagventilen 78 und 80 ein
Druck von ungefähr
1 bis 2 bar anliegt. Da der Öffnungsdruck
der federbelasteten Rückschlagventile 78 und 80 ungefähr bei 1
bar liegt, sind in diesem Normalbetrieb die beiden Rückschlagventile 78 und 80 geöffnet. Es
strömt
also Kraftstoff vom Innenraum 30 über die Lagerspalte 68 und 70 und
sorgt so für
eine Schmierung des Gehäuselagers sowie
des Flanschlagers.
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Bei
stehendem Kraftstoffsystem, wenn also kein Kraftstoff von der Vorförderpumpe 16 gefördert wird,
ist der Innenraum 30 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 weitgehend
drucklos, so dass die beiden Rückschlagventile 78 und 80 geschlossen
sind. Wird nun das Kraftstoffsystem 10 in Betrieb genommen, indem
beispielsweise ein Anlasser der Brennkraftmaschine 12 betätigt wird,
beginnt die Vorförderpumpe 16 zu
fördern,
allerdings zunächst
nur mit geringer Leistung. Bei den ersten Umdrehungen der Antriebswelle 32 der
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 herrscht im Innenraum 30 ein
Druck, der deutlich unterhalb des normalen Betriebsdrucks von 5
bar liegt. Daher bleiben während
dieser allerersten Umdrehungen der Antriebswelle 32 die
beiden federbelasteten Rückschlagventil 78 und 80 geschlossen.
Gleichzeitig kann das Einlassventil 40 jedoch öffnen, da
dessen Öffnungsdruck
niedriger ist als der der beiden Rückschlagventile 78 und 80.
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Somit
kann kein Kraftstoff durch die Lagerspalte 68 und 70 hindurch
aus dem Innenraum 30 abströmen. Stattdessen wird die gesamte
von der Vorförderpumpe 16 in
den Innenraum 30 geförderte Kraftstoffmenge über den
Kanal 44 zum Einlassventil 40 gefördert, wo
sie als Nutzmenge zur Verfügung steht.
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 arbeitet daher während dieser
allerersten Betriebsphase mit einem erhöhten Wirkungsgrad, der den
Druckaufbau im Common-Rail 50 beschleunigt. Erst mit steigender Leistung
der Vorförderpumpe 16 steigt
der Druck stromaufwärts
von den Rückschlagventilen 78 und 80,
so dass diese schließlich öffnen.
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform eines
Kraftstoffsystems 10 mit einer alternativen Ausführungsform
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 gezeigt. Dabei gilt,
dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und
Bereichen von 1 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen
tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
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Im
Unterschied zu dem Kraftstoffsystem von 1 verfügt das in 2 dargestellte
Kraftstoffsystem 10 nicht über eine mechanisch, sondern
eine elektrisch angetriebene Vorförderpumpe 16, die
in der Nähe
des Kraftstoffbehälters 14 angeordnet
ist. Der Flanschlager-Entlastungskanal 66 ist daher nicht mit
der Saugleitung 18, sondern mit der Rücklaufleitung 56 verbunden,
ebenso wie der Gehäuselager-Entlastungskanal 64.
Darüber
hinaus verfügt
die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 22 von 2 noch über ein
Druckregelventil 82, welches in einem Kanal 84 angeordnet
ist, der vom Kanal 44 abzweigt und zur Rücklaufleitung 56 führt.