DE60300247T2

DE60300247T2 - Hochdruck-Kraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE60300247T2
Application number: DE60300247T
Authority: DE
Inventors: Paul Buckley
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2023-05-10
Also published as: DE60300247D1; GB0210753D0; EP1361360A1; ATE286209T1; EP1361360B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zur Abgabe von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff an ein Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kraftstoffpumpe zur Regulierung des Drucks von Kraftstoff in einem Speicher oder in der gemeinsamen Druckleitung eines "common rail"-Kraftstoffsystem, wie es beispielweise in US 5,911,208 A beschrieben ist.
Eine übliche Kraftstoffpumpe zur Verwendung bei der Zufuhr von Kraftstoff an ein "common rail"-Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Mehrzahl von Pumpenkolben, von denen jeder innerhalb einer entsprechenden Zylinder- oder Kolbenbohrung verschiebbar angebracht ist, um das Unter-Druck-Setzen oder Verdichten von Kraftstoff innerhalb einer entsprechenden Pumpenkammer zu bewirken. Eine Antriebsanordnung, typischerweise eine Stößel- und Rollen-Anordnung, die von einer Nocke (einem Nockenrad) angetrieben wird, kann betätigt werden, um die Hin- und Herbewegung des Kolbens innerhalb seiner Bohrung zu bewirken.
Ein Einlass-Rückschlagventil ist der Pumpenkammer zugeordnet und kann in Reaktion auf den Förderdruck von einer Niederdruckpumpe betätigt werden, um die Befüllung der Pumpenkammer zu steuern. Ein Auslass-Rückschlagventil kann in Reaktion auf den Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer betätigt werden, um die Zufuhr von Kraftstoff aus der Pumpenkammer zu der gemeinsamen Druckleitung zu steuern.
1 stellt die Kolbenbewegung als Funktion der Zeit dar, während sich der Stößel über die Nockenoberfläche der Antriebsanordnung bewegt, 2 stellt den Zustand des Auslass-Rückschlagventils über einen Pumpenzyklus hinweg dar, und 3 zeigt den Status des Einlass-Rückschlagventils.
Wenn der Kolben einen Förderhub ausführt, mit dem das Volumen der Pumpenkammer verringert wird, wird das Einlassventil veranlasst, sich zu schließen (Zeit T1), und der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer steigt an. Wenn der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer einen vorgegebenen Wert übersteigt, wird das Auslassventil veranlasst, sich zu öffnen (Zeit T2), um es zu ermöglichen, dass unter hohem Druck stehender Kraftstoff aus der Pumpenkammer zum "common rail" fließen kann. Während eines Rückhubs des Kolbens wird das Auslassventil veranlasst, sich zu schließen (Zeit T3), wenn der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer auf weniger als den vorgegebenen Wert absinkt, um ein Fließen in umgekehrter Richtung aus der gemeinsamen Druckleitung zu verhindern. Anschließend wird das Einlassventil veranlasst, sich zu öffnen (Zeit T4), um es zu ermöglichen, dass Kraftstoff mit Förderdruck durch das Einlassventil angesaugt wird und dadurch die Pumpenkammer füllt, so dass sie für den Beginn des nächsten Pumpenhubs bereit ist.
Es ist bekannt, den Kraftstoffdruck innerhalb der gemeinsamen Druckleitung über eine genaue Steuerung des gepumpten Kraftstoffvolumens zu regulieren, und zwar auf ansteigende Druckübergänge mit Hilfe des Einlassventils und, zusätzlich, durch Abströmenlassen von unter Druck gesetztem Kraftstoff zu einem Ablauf durch eine Überströmventil-Anordnung während abnehmender Druckübergänge. Ein Nachteil dieses Druckregulierungs-Schemas liegt darin, dass es Energie verschwendend ist, und dies hat eine nachteilige Wirkung auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs.
Im Hinblick auf den Hintergrund der vorliegenden Erfindung beschreibt EP 0 711 914 ein "common rail"-Kraftstoffsystem, in dem Kraftstoff innerhalb einer Pumpenkammer unter Druck gesetzt wird und entweder in Richtung eines primären Speichervolumens oder, falls der Kraftstoff innerhalb des ersten Speichervolumens unter übermäßigem Druck steht, zu einem sekundären Speichervolumen geführt wird. Ein elektromagnetisch betätigbares Einlassventil ist vorhanden, um den Kraftstofffluss in die Pumpenkammer zu steuern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Ablaufschema für die Regulation des Kraftstoffdrucks innerhalb eines "common rail" bereitzustellen. Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Kraftstoffpumpe zur Verwendung bei der Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff an eine gemeinsame Druckleitung ("common rail") eines Kraftstoff-Einspritzsystems bereitgestellt, wobei die Kraftstoffpumpe umfasst:
einen Pumpenkolben, der innerhalb einer Kolbenbohrung hin- und her bewegbar ist, um zu bewirken, dass Kraftstoff innerhalb einer Pumpenkammer während eines Pumpenzyklus unter Druck gesetzt wird, wobei der Kolben im Betrieb einen Förderhub, bei welchem der Kolben innerhalb der Pumpenbohrung nach innen getrieben wird, um das Volumen der Pumpenkammer zu verringern, und einen Rückhub aufweist, in welchem sich der Kolben aus der Bohrung heraus bewegt, um das Volumen der Pumpenkammer zu vergrößern,
eine Einlassventil-Anordnung mit einem Einlassventil, das zwischen einer Einlass-Offenstellung, in welcher die Pumpenkammer mit einer Niederdruck-Kraftstoffquelle in Verbindung steht, und einer Einlass-Geschlossenstellung, in welcher die Verbindung zwischen der Niederdruck-Kraftstoffquelle und der Pumpenkammer unterbrochen ist, bewegbar ist, wobei das Einlassventil in Reaktion auf den Kraftstoffdruck, der auf das Einlassventil einwirkt, von der Einlass-Geschlossenstellung zur Einlass-Offenstellung bewegt werden kann, und worin die Einlassventil-Anordnung ein erstes Betätigungsorgan umfasst, das betrieben werden kann, um das Einlassventil für mindestens einen Teil des Förderhubs in der Einlass-Offenstellung zu belassen,
und eine Auslassventil-Anordnung mit einem Auslassventil, das zwischen einer Auslass-Offenstellung, in der die Pumpenkammer mit der gemeinsamen Druckleitung (dem "common rail") in Verbindung steht, und einer Auslass-Geschlossenstellung, in welcher die Verbindung zwischen dem "common rail" und der Pumpenkammer unterbrochen ist, bewegbar ist, wobei das Auslassventil in Reaktion auf den auf das Auslassventil einwirkenden Kraftstoffdruck von der Auslass-Geschlossenstellung zur Auslass-Offenstellung bewegt werden kann, und worin die Auslassventil-Anordnung ein zweites Betätigungsorgan umfasst, das betrieben werden kann, um das Auslassventil für zumindest einen Zeitraum des Rückhubs in der Auslass-Offenstellung zu belassen,
wodurch es ermöglicht wird, dass die Pumpenkammer während des Rückhubs durch das Auslassventil hindurch gefüllt wird und der Kraftstoffdruck innerhalb des "common rail" reguliert wird.
Die Erfindung ermöglicht es, dass der Leitungsdruck durch Verändern des Punktes im Verlauf des Rückhubs oder Rückwärtshubs, an dem das Auslassventil durch das zweite Betätigungsorgan geschlossen wird, verändert wird. Wenn das Auslassventil gegen Ende des Kolben-Rückwärtshubs geschlossen wird, kann ein relativ großes Kraftstoffvolumen von der gemeinsame Druckleitung in die Pumpenkammer fließen, was die Pumpenkammer füllt und für eine Entlastung des Kraftstoffdrucks in der Leitung sorgt. Wenn das Auslassventil geschlossen wird, während der Kolben noch seinen Rückwärtshub ausführt, wird der Kraftstoffdruck innerhalb der Leitung um einen geringeren Betrag entlastet.
Die Pumpe ist so ausgestaltet, dass sie eine Pumpenfunktion zu dem Zweck, gepumpten Kraftstoff an das verbundene "common rail" abgeben zu können, und eine Antriebsfunktion zur Verfügung stellt, durch die der Kraftstoffdruck innerhalb des "common rail" abgebaut wird und eine Antriebskraft auf den Kolben rückübertragen wird, um den Rückwärtshub zu unterstützen.
Die Kraftstoffpumpe kann, muss aber nicht, so hergestellt bzw. ausgebildet sein, dass sie eine Antriebsanordnung zum Antreiben des Kolbens für die Ausführung des Pumpenhubs aufweist. Die Antriebsanordnung kann eine Stößel- und Rollen-Anordnung umfassen, die im Betrieb mit einer angetriebenen Nocken zusammenwirken kann.
Alternativ kann die Antriebsanordnung eine Schuh-(Gleitsegment-) und Roller-Anordnung umfassen.
Wenn am Ende des Rückwärtshubs unter hohem Druck stehender Kraftstoff von der Leitung zur Pumpenkammer fließen kann, wird eine Kraft auf den Kolben und die damit verbundene Antriebsanordnung aufgebracht, die mechanische Energie auf die angetriebene Nockenwelle rücküberträgt, was dazu dient, die Drehung des Antriebsschaftes zu unterstützen (d. h. ein Antriebseffekt).
Da die Betätigungsorgane nur dazu erforderlich sind, die Einlass- und Auslass-Ventile in ihrer Offenstellung zu halten, während das Öffnen der Ventile mit Hilfe hydraulischer Kräfte erfolgt, müssen, die Betätigungsorgane keine große Betätigungskraft aufbringen, um die Ventile zu öffnen, und müssen daher nur relativ kompakt sein.
Die Kraftstoffpumpe kann auch in einem normalen Pumpenmodus betrieben werden, in welchem die Einlass- und Auslass-Betätigungsorgane überflüssig sind und keinerlei Energie benötigen.
Vorzugsweise ist das Einlass- und/oder das Auslass-Betätigungsorgan ein elektromagnetisches Betätigungsorgan.
Vorzugweise wird das Auslassventil mit Hilfe einer Auslassventil-Feder gegen einen Ventilsitz gespannt.
Vorzugsweise wird auch das Einlassventil mit Hilfe einer Einlassventil-Feder gegen einen weiteren Ventilsitz gespannt.
Die Kraftstoffpumpe kann eine Mehrzahl von Pumpenkolben umfassen, von denen jeder innerhalb einer entsprechenden Kolbenbohrung hin- und her bewegbar ist, um die Beaufschlagung von Kraftstoff innerhalb einer entsprechenden Pumpenkammer mit Druck zu bewirken.
Die Kolben können radial um einen mittigen Antriebsschaft angeordnet sein, der eine Nocke (ein Nockenrad) trägt, die allen Kolben gemeinsam ist, wobei die Nocke eine Oberfläche aufweist, mit der im Betrieb die Rolle jeder Antriebsanordnung zusammenwirkt.
Die Nocke kann derart angeordnet sein, dass die Kolben radial einwärts oder radial auswärts, bezogen auf die Nockenoberfläche, angetrieben werden, während sich die Rollen über die Nockenoberfläche bewegen.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Regulieren des Kraftstoffdrucks innerhalb eines "common rail" eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung der hier beschriebenen Kraftstoffpumpe bereitgestellt, umfassend die Schritte:
Belassen des Einlassventils in der Einlass-Offenstellung mit Hilfe einer durch das erste Betätigungsorgan aufgebrachten Kraft für mindestens einen Teil des Förderhubs, und
Belassen des Auslassventils in der Auslass-Offenstellung mit Hilfe einer durch das zweite Betätigungsorgan aufgebrachten Kraft für mindestens einen Teil des Rückwärtshubs, wodurch unter hohem Druck stehender Kraftstoff innerhalb der Leitung während des Rückwärtshubs in die Pumpenkammer fließen kann, um den Kraftstoffdruck innerhalb der gemeinsamen Druckleitung (des "common rail") zu regulieren.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird ein "common rail"-Kraftstoffsystem bereitgestellt, das die hier beschriebene Kraftstoffpumpe umfasst, worin die Pumpe so angeordnet ist, dass sie eine Pumpenfunktion zum Aufbringen von Druck auf für die Abgabe an ein "common rail" vorgesehenen Kraftstoff innerhalb einer Pumpenkammer und eine Antriebsfunktion zur Entlastung des Kraftstoffdrucks in der gemeinsamen Druckleitung und zur Rückführung einer Antriebskraft auf den Kolben zum Unterstützen des Rückwärtshubs ausüben kann.
Es sollte klar sein, dass bevorzugte und/oder fakultative Merkmale der ersten und der zweiten Ausgestaltung der Erfindung auch Bestandteil der dritten Ausgestaltung der Erfindung sein können.
Nachstehend soll die Erfindung ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden, worin:
1 ein Diagramm ist, das die Kolbenbewegung in einer Kraftstoffpumpe über einen Pumpenzyklus hinweg zeigt,
die 2 und 3 Diagramme sind, die den Zustand des Auslass- bzw. des Einlass-Rückschlagventils während des Pumpenzyklus der 1 für eine bekannte Kraftstoffpumpe darstellen,
4 eine Schnittansicht eines Teils einer Kraftstoffpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
5 ein Diagramm zur Erläuterung der Kolbenbewegung über einen Pumpenzyklus (wie in 1) für die Kraftstoffpumpe der vorliegenden Erfindung ist,
6 ein Diagramm ist, das den Zustand des Einlassventils in der Kraftstoffpumpe in 4 über einen Pumpenzyklus hinweg während eines normalen Betriebsmodus zeigt,
7 ein Diagramm ist, das den Zustand des Auslassventils in der Kraftstoffpumpe in 4 über einen Pumpenzyklus hinweg während eines normalen Betriebsmodus zeigt,
die 8(a) und 8(b) Diagramme sind, die den Zustand des Auslassventils bzw. den Zustand eines Auslassventil-Betätigungsorgans für die in 4 gezeigte Kraftstoffpumpe über einen Pumpenzyklus hinweg während eines modifizierten Betriebsmodus darstellen sollen,
9(a) und 9(b) Diagramme sind, die den Zustand des Einlassventils bzw. den Zustand eines Einlassventil-Betätigungsorgans für die in 4 gezeigte Kraftstoffpumpe über einen Pumpenzyklus hinweg während eines modifizierten Betriebsmodus darstellen sollen,
10 ein Diagramm ist, das den Leitungsdruck über einen Pumpenzyklus hinweg während eines normalen Betriebsmodus der Pumpe gemäß 4 darstellen soll, und
11 ein Diagramm ist, das den Leitungsdruck über einen Pumpenzyklus hinweg während eines modifizierten Betriebsmodus der Pumpe in 4 darstellen soll.
Um nochmals auf den Hintergrund der vorliegenden Erfindung zurückzukommen, beschreibt EP 0 821 156 eine Kraftstoffpumpe zum Abgeben von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff an ein "common rail"-Kraftstoffsystem, wobei die Pumpe eine Mehrzahl von Pumpen-Bauteilen umfasst, von denen jedes einen Kolben zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff innerhalb einer entsprechenden Pumpenkammer umfasst. Jede Pumpenkammer wird durch eine entsprechende Einlassöffnung befüllt, jedoch ohne Einlassventil, so dass der Kolben immer einen vollständigen Förderhub ausführt, und es gibt keine Beschränkung bezüglich der Befüllung der Kammer. Dies führt dazu, dass der Abgabehub jedes Pumpenkolbens immer zu der Abgabe einer vollständigen Kraftstoffgabe durch ein verbundenes Auslassventil an die gemeinsame Druckleitung führt. Um das von der Pumpe abgegebene Kraftstoff-Nettovolumen zu steuern, ist jedes Pumpenbauteil mit einem elektromagnetischen Ventil ausgestattet, das betätigt werden kann, um das damit verbundene Auslassventil in einer Offenstellung zu halten. Damit kann am Ende eines jeden Förderhubs das Auslassventil für einen Teil des Rückwärtshubs offengehalten werden, um einen Kraftstofffluss in Gegenrichtung in die Pumpenkammer zu ermöglichen. Durch Verändern des Punktes im Rückwärtshub, an dem das Auslassventil geschlossen wird, kann das Nettovolumen des aus der Kammer an das "common rail" abgegebenen, unter Druck stehenden Kraftstoffs gesteuert werden (in einem Bereich zwischen einer Abgabe von Null und dem Maximum, aber nicht unter Null).
Unter Bezugnahme auf 4 umfasst eine Ausgestaltung der Kraftstoffpumpe der vorliegenden Erfindung einen Kolben 10, der innerhalb einer in einem Pumpengehäuse 14 ausgebildeten Kolbenbohrung 12 bewegt werden kann, um Kraftstoff innerhalb einer Pumpenkammer 16, die durch ein geschlossenes Ende der Bohrung 12 und eine Endfläche des Kolbens 10 begrenzt wird, unter Druck zu setzen.
Der Kolben 10 ist an eine Antriebsanordnung mit einem Stößel 18, mit dem der Kolben verbunden ist, und einer Rolle 20, die mit der Oberfläche einer Nocke (eines Nockenrades) 22 zusammenwirkt, gekoppelt. Die Nocke 22 ist auf einem Antriebsschaft (nicht gezeigt) befestigt, und wenn der Schaft während des Betriebs gedreht wird, bewirkt dies, dass sich die Rolle 20 über die Nockenoberfläche bewegt, was eine Hin- und Herbewegung des Stößels 18 und damit des Kolbens 10 verursacht. Typischerweise ist der Kolben 10 mit einer Rückstellfeder (nicht gezeigt) ausgestattet, die angeordnet ist, um derart auf den Stößel 18 einzuwirken, dass der Kolben 10 gezwungen wird, einen Rückwärtshub eines Pumpenzyklus auszuführen, in welchem der Kolben sich auswärts aus der Bohrung 12 bewegt.
Das Pumpengehäuse 14 ist mit einem Einlasskanal 24 ausgestattet, der Kraftstoff über ein Einlassdosierventil (nicht gezeigt) in Verbindung mit einer Niederdruck-Kraftstoffpumpe (ebenfalls nicht gezeigt) empfängt. Das Einlass-Dosierenteil steuert die Flussmenge des unter niederem Druck stehenden Kraftstoffs in den Einlasskanal 24 und damit in die Pumpenkammer 16. Der Einlasskanal 24 steht über eine elektromagnetisch betätigbare Einlass-Ventilanordnung 26 mit der Pumpenkammer 16 in Verbindung. Die Einlassventil-Anordnung 26 umfasst ein erstes Ventilgehäuse 27, das innerhalb einer ersten Querbohrung im Pumpengehäuse 14 angeordnet ist, und umfasst ein Einlass-Kugelventil 28, das mit Hilfe einer Einlassventil-Feder 32 in eine Geschlossenstellung gespannt ist, in welcher es gegen einen ersten Ventilsitz 30 sitzt, um die Verbindung zwischen dem Einlasskanal 24 und der Pumpenkammer 16 zu unterbrechen. Im Betrieb wird das Einlassventil 28 dazu veranlasst, sich weg von seinem Sitz in die Offenstellung zu bewegen, wenn die auf dem Kraftstoffdruck innerhalb des Einlasskanals 24 beruhende hydraulische Kraft ausreicht, um die Federkraft, die ihre Kraft in Kombination mit dem Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 16 entfaltet, zu überwinden, wodurch es möglich wird, dass Kraftstoff zwischen dem Einlasskanal 24 und der Pumpenkammer 16 fließt. Das Einlassventil 28 ist mit einem Anker 34 eines Einlassventil-Betätigungsorgans 29 gekoppelt, das eine erste Wicklung 36 aufweist, die mit Energie beaufschlagt werden kann, um das Einlassventil 28 weg von dem ersten Ventilsitz 30 (d. h. nach rechts verschoben zur in 4 gezeigten Stellung) zu halten, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben. Die Einlassventil-Anordnung 26 ist so gestaltet, dass dann, wenn die erste Wicklung 26 ab- oder heruntergeschaltet wird, das Einlassventil 28 mittels der auf dem Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Pumpenkammer 16 beruhenden hydraulischen Kraft, die in Kombination mit der Einlassventil-Feder 32 wirkt, gegen den ersten Ventilsitz 30 gedrückt wird.
Das Pumpengehäuse 14 ist außerdem mit einem Auslass-Abgabekanal 40 ausgestattet, durch den unter hohem Druck stehender Kraftstoff unter der Steuerung einer Auslassventil-Anordnung 42 von der Pumpenkammer 16 an die gemeinsame Druckleitung (nicht gezeigt) abgegeben wird. Die Auslassventil-Anordnung 42 umfasst ein Auslassventilgehäuse 43, das in einer zweiten Querbohrung im Pumpengehäuse 14 angeordnet ist, und umfasst ein Auslassventil 44, das mit einem zweiten Ventilsitz 46 zur Anlage gelangen kann, um den Kraftstofffluss zwischen der Pumpenkammer 16 und dem Auslasskanal 40 zu steuern. Das Auslassventil 44 wird mit Hilfe einer Auslassventil-Feder 48 und dem Kraftstoffdruck innerhalb des Auslasskanals 40 in Richtung einer Geschlossenstellung vorgespannt, in welcher es gegen den zweiten Ventilsitz 46 sitzt. Das Auslassventil 44 kann weg von dem zweiten Ventilsitz 46 in eine Offenstellung bewegt werden, in der die Pumpenkammer 16 mit dem Auslasskanal 40 in Verbindung steht, wenn die auf dem Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 16 beruhende hydraulische Kraft ausreicht, um die kombinierte Kraft der Auslassventil-Feder 48, die in Kombination mit dem Kraftstoffdruck innerhalb des Auslasskanals 40 wirkt, zu überwinden, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird. Das Auslassventil 44 kann mit Hilfe eines Auslassventil-Betätigungsorgans 45, welches eine zweite Wicklung 50 umfasst, in der Offenstellung gehalten werden, wobei die zweite Wicklung 50 so gestaltet ist, dass dann, wenn sie mit Energie beaufschlagt ist, eine magnetische Kraft erzeugt wird, um das Auslassventil 44 weg von dem zweiten Ventilsitz 46 (d. h. nach rechts verschoben zur in 4 gezeigten Stellung) zu halten. Wenn (die) Energie von der zweiten Wicklung 50 heruntergenommen wird, wird das Auslassventil 44 mit Hilfe der auf dem Kraftstoffdruck innerhalb des Auslasskanals 40 beruhenden hydraulischen Kraft und der Kraft der Auslassventil-Feder 48 in Anlage mit dem zweiten Ventilsitz 46 gedrückt.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 5 bis 7 sei auf einen ersten Betriebsmodus ("Normalmodus") verwiesen, in welchem sowohl die erste als auch die zweite Wicklung 36, 50 über den gesamten Pumpenzyklus hinweg nicht mit Energie beaufschlagt wird. Der Pumpenkolben 10 nimmt zu Beginn des Pumpenzyklus seine innerste Stellung innerhalb der Kolbenbohrung 12 ein (d. h. die oberste Stellung in der in 4 gezeigten Orientierung), und der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 16 ist aufgrund der Druckbeaufschlagung, die durch den zuvor erfolgten Förderhub verursacht wurde, hoch. Das Auslassventil 44 ist infolge der Angleichung der Kraftstoffdrücke innerhalb der Pumpenkammer 16 und des Auslasskanals 40 geschlossen (Zeit T3).
Auf den Beginn seines Rückwärtshubs hin kann sich das Kolbenelement 10 anfänglich aus der Kolbenbohrung 12 zurückziehen, und zwar als Folge der Entspannung innerhalb der Pumpenkammer 16 und der Zurückziehung des Stößels 18 unter der Kraft der Rückstellfeder, während sich die Rolle 20 über die Oberfläche der Nocke 22 bewegt. Weil sich der Druck in der Pumpenkammer 16 entspannt, wird ein Punkt erreicht, an dem der Druck in der Pumpenkammer 16 infolge des Einfließens von Kraftstoff in den Einlasskanal 24 unter den Druck abfällt, der erforderlich ist, um das Einlassventil 28 von dem ersten Ventilsitz 30 abzuheben, und der nächste Befüllungsabschnitt beginnt (Zeit T4).
Die weitere Bewegung des Pumpenkolbens 10 auswärts aus der Kolbenbohrung 12 wird durch eine Kraft bewirkt, die von der Rückstellfeder auf den Pumpenkolben 10 ausgeübt wird. Die Zurückziehung des Stößels 18 erfolgt unter der Kraft der Rückstellfeder, was bewirkt, dass sich die Rolle 20 über die Oberfläche der Nocke 22 hinweg bewegt. Während der Befüllungsphase verbleibt das Auslassventil 44 aufgrund eines hohen Kraftstoffdrucks innerhalb des Auslasskanals 40 und aufgrund der Kraft der Auslassventil-Feder 48 in seiner Sitzstellung gegen den zweiten Ventilsitz 46.
Am Ende des Rückwärtshubs, nachdem der Stößel 18 seine unterste Stellung in der in 4 gezeigten Darstellung erreicht hat, wird die Rolle 20 in Aufwärtsrichtung gedrückt, da sie der Oberfläche der Nocke 22 folgt, was bewirkt, dass der Stößel 18 den Pumpenkolben 10 ins Innere der Kolbenbohrung 12 treibt oder drückt (ein Förderhub). Anfänglich, wenn der Pumpenkolben 10 seine äußerste Stellung innerhalb der Kolbenbohrung 12 einnimmt und während der Pumpenkolben 10 damit beginnt, sich ins Innere der Bohrung 12 zu bewegen, befindet sich die Pumpenkammer 16 immer noch in Verbindung mit dem Einlasskanal 24, da das Einlassventil 28 offen ist. Die weitere Bewegung des Pumpenkolbens 10 unter dem Antrieb des Stößels 18 bewirkt, dass sich das Volumen der Pumpenkammer 16 verringert, wodurch der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 16 ansteigt. Nach einem Teil des Weges entlang des Förderhubs wird ein Punkt erreicht, an dem das Einlassventil 28 aufgrund des ansteigenden Kraftstoffdrucks innerhalb der Pumpenkammer 16 gegen seinen Sitz gedrückt wird (Zeit T5), wodurch verhindert wird, dass weiterhin Kraftstoff durch den Einlasskanal 24 in oder aus der Pumpenkammer 16 fließt.
Während sich der Förderhub des Kolbens fortsetzt, wird Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer 16 in ausreichend hohem Maße unter Druck gesetzt, um zu bewirken, dass sich das Auslassventil 44 von seinem Sitz abhebt (Zeit T6), was es möglich macht, dass unter Druck gesetzter Kraftstoff von der Pumpenkammer 16 in den Auslasskanal 40 und damit zur gemeinsamen Druckleitung fließt.
Am Ende des Förderhubs, wenn der Pumpenkolben 30 das Ende seines Bewegungsbereichs erreicht, wird das Auslassventil 40 infolge von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff innerhalb des Auslasskanals 40 und der Kraft der Auslassventil-Feder 48 gegen seinen Sitz gedrückt (Zeiten T3, T7), wodurch ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb des Auslasskanals 40 und damit innerhalb des "common rail" gehalten wird.
10 illustriert den Leitungsdruck während des normalen Betriebs für den voranstehend beschriebenen Pumpenzyklus. Es lässt sich sehen, dass am Ende des Förderhubs (Zeiten T3, T7), wenn das Auslassventil 44 geschlossen ist, der Leitungsdruck unter einem Druck P1 gehalten wird.
Unter manchen Betriebsbedingungen ist es wünschenswert, das Ausmaß des Druckanstiegs für den Kraftstoff innerhalb der Leitung zu verringern, beispielsweise wenn eine Kraftstoffeinspritzung in den Motor nicht erforderlich ist. Das Volumen an gepumptem Kraftstoff wird durch das Einlass-Dosierventil und die Zeitlänge festgelegt, während der das Einlassventil 28 offen ist und damit den Fluss von Kraftstoff in die Pumpenkammer 16 ermöglicht. Das Volumen an gepumptem Kraftstoff kann daher durch eine beschränkte Befüllung der Kammer 16 gesteuert werden, so dass der Kolben 10 nur einen Teil des Förderhubs pumpt ("Teilhub-Pumpen"). Bei dieser Betriebsart wird das Auslassventil 44 veranlasst, sich in einem späteren Stadium des Förderhubs zu öffnen, wie es durch die gepunkteten Linien in 6 dargestellt ist. 10 stellt den Druck, P1, in der Leitung während des Pumpenzyklus für das Vollhub-Pumpen im Vergleich mit dem Druck in der Leitung, P2, für das Teilhub-Pumpen dar (wie mit den gestrichelten Linien gezeigt). Für das Teilhub-Pumpen ist der finale, an die Leitung abgegebene Druck um den Betrag ΔP geringer als für das Vollhub-Pumpen.
Unter anderen Betriebsbedingungen ist es wünschenswert, den Druck in der Leitung momentan zu reduzieren, in welchem Fall eine elektromagnetische Steuerung der Einlass- und Auslassventilanordnungen 26, 42 verwendet werden kann, um die Funktion des Einlass- und des Auslassventils 28, 44 zu verändern (bezeichnet als "modifizierter Pumpenbetrieb"). Die 8(a) und 8(b) stellen den Zustand des Auslassventils 44 während des modifizierten Pumpenbetriebs bzw. den entsprechenden Stromimpuls, der auf die elektromagnetische Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 aufgebracht wird, dar. Die 9(a) und 9(b) stellen den Zustand des Einlassventils 28 während des modifizierten Pumpenbetriebs bzw. den entsprechenden Stromimpuls, der auf die elektromagnetische Wicklung 36 des Einlassventil-Betätigungsorgans 29 aufgebracht wird, dar.
Bezugnehmend auf 8(b) wird die elektromagnetische Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 nach einer Teilstrecke des Förderhubs (Zeit T8) mit Energie beaufschlagt. Auf die anfängliche Energiebeaufschlagung hin ist die magnetische Kraft der Anziehungswirkung auf das Auslassventil 44 erst einmal ungenügend, um das Ventil 44 zu veranlassen, sich innerhalb des Auslasskanals 40 gegen den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu bewegen, aber nach einer kurzen Zeit (zum Zeitpunkt T9), wird, weil sich der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 16 erhöht, das Auslassventil 44 veranlasst, sich von seinem Sitz abzuheben, wodurch der Fluss von Kraftstoff in den Auslasskanal 40 und damit zur Leitung ermöglicht wird. Die Energiebeaufschlagung der Wicklung 50 wird für den verbleibenden Teil des Förderhubs und für einen anfänglichen Zeitraum des Rückwärtshubs aufrecht erhalten, was bewirkt, dass Kraftstoff innerhalb der Leitung während des Rückwärtshubs in die Pumpenkammer 16 fließt, was zu einer Entlasung oder Freigabe des Hubvolumens von Kraftstoff innerhalb der Leitung führt und damit bewirkt, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Leitung verringert wird. Der aus der Leitung freigesetzte Kraftstoff dient dazu, eine Kraft auf die Anordnung aus dem Stößel 18 und der Rolle 20 auszuüben, was mechanische Energie zu der angetriebenen Nocke 22 zurückführt und die Bewegung des Antriebsschaftes unterstützt. Indem das Auslassventil 44 für einen Teil des Rückwärtshubs in seinem offenen Zustand gehalten wird, stellt die Pumpe daher eine bewegende oder antreibende Funktion bereit, um den Antrieb der Nocke 22 zu unterstützen.
Kurz vor dem Ende des Rückwärtshubs (Zeit T10) wird Energie von der Wicklung 50 genommen, und das Auslassventil 44 wird aufgrund von Druck in dem Auslasskanal 40, der in Kombination mit der Auslassventil-Feder 48 wirkt, gegen seinen Sitz gedrückt, und eine weitere Entlastung des Leitungsdrucks wird verhindert.
Zur im wesentlichen derselben Zeit, zu der die Energie von der Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 genommen wird (Zeit T10), wird die Wicklung 36 des Einlassventil-Betätigungsorgans 29 mit Energie beaufschlagt (wie in 9(b) gezeigt). Anfänglich ist die Beaufschlagung der Wicklung 36 mit Energie ungenügend, um zu bewirken, dass sich das Einlassventil 28 infolge von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer 16, der in Kombination mit der Einlassventil-Feder 32 wirkt, von seinem Sitz anhebt, aber wenn sich der Kolben 10 weiter durch seinen Rückwärtshub bewegt hat (d. h. zum Zeitpunkt T11), wird ein leichter Saugdruck in der Pumpenkammer 16 erzeugt, der bewirkt, dass sich das Einlassventil 28 aufgrund des Drucks von durch den Einlasskanal 24 fließenden Kraftstoffs, der auf den Anker 34 einwirkt, von seinem Sitz abhebt.
Die Energiebeaufschlagung der Wicklung 36 wird zum Zeitpunkt T10 begonnen und über den restlichen Rückwärtshub und den sich anschließenden Förderhub aufrechterhalten (bis zum Zeitpunkt T12), so dass das Einlassventil 28 abgehoben von seinem Sitz verbleibt, während der Kolben 10 ins Innere seiner Bohrung 12 getrieben wird, was bewirkt, dass Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer 16 durch den Einlasskanal 24 zu niederem Druck verdrängt wird.
Kurz vor dem obersten Punkt des Förderhubs (Zeit T12) wird (die) Energie von der Wicklung 36 genommen, was bewirkt, dass das Einlassventil 28 unter der Kraft der Einlassventil-Feder 32 gegen seinen Sitz gedrückt wird. Zur im wesentlichen selben Zeit wird die Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 mit Energie beaufschlagt, wie zuvor bei dem Zeitpunkt T8 beschrieben. Die verbleibende Kolbenbewegung am Ende des Förderhubs steigert den Druck in der Pumpenkammer 16, so dass das Auslassventil 44 veranlasst wird, sich am Beginn des nächsten Rückwärts-(Füll-)Hubs zu öffnen, womit ein Betätigungszyklus vollständig ist.
11 stellt den Leitungsdruck während des Pumpenzyklus für den modifizierten Betrieb dar. Man kann erkennen, dass zwischen dem Zeitpunkt T9, an dem das Auslassventil 44 veranlasst wird, sich während des Rückwärtshubs zu öffnen, und dem Zeitpunkt T10, an dem das Auslassventil 44 veranlasst wird, sich auf das Ab- oder Herunterschalten der Wicklung 50 hin zu schließen, der Leitungsdruck auf einen Endwert, P3, fällt, der aufgrund einer Rückströmung durch das offene Auslassventil 44 um einen Wert des ΔP_A geringer als der anfängliche Leitungsdruck P1 (zum Zeitpunkt T9) ist.
Wenn gewünscht wird, den Leitungsdruck nur um einen Betrag ΔP_B zu entlasten, wird die Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 zu einem früheren Zeitpunkt des Rückwärtshubs ab- oder heruntergeschaltet, so dass ein geringeres Volumen an Kraftstoff innerhalb der Leitung in die Pumpenkammer 16 fließen kann. Dies wird durch die gestrichelten Linien in den 8(a) und 8(b) und in 11 gezeigt. Damit kann der Leitungsdruck durch Verändern des Zeitpunkts, zu dem sich das Auslassventil 44 während des Rückwärtshubs des Kolbens schließt, gesteuert werden.
In der modifizierten Betriebsart wird die Beaufschlagung der Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 mit Energie nicht dafür benötigt, um das Auslassventil 44 von seinem Sitz anzuheben, und Energie wird ausschließlich zu dem Zweck aufgebracht, das Auslassventil 44 während zumindest einem Teil des Kolben-Rückwärtshubs in einer Offenstellung zu halten. Dies unterscheidet sich von der normalen Betriebsart, bei der sich das Auslassventil 44 während des Kolben-Rückwärtshubs in geschlossenem Zustand befindet und die Pumpenkammer 16 ausschließlich durch das offene Einlassventil 28 befüllt wird. Wie in den 9(a) und 9(b) gezeigt, wird das Einlassventil 28 in der modifizierten Betriebsart während des Rückwärtshubs geschlossen gehalten, und das Befüllen erfolgt durch das offene Auslassventil 44. Die Funktion der Ventile 28, 44 ist daher vertauscht.
Es ist auch nicht notwendig, die Wicklung 36 des Einlassventil-Betätigungsorgans 29 mit Energie zu beaufschlagen, um das Einlassventil 28 zu öffnen, da dies unter einer hydraulischen Kraft erfolgt. Es ist nur notwendig, die Wicklung 36 mit Energie zu beaufschlagen, um das Einlassventil 28 während mindestens eines Teils des Förderhubs in der Offenstellung zu halten.
Ein Vorteil der Erfindung liegt deshalb darin, dass die Betätigungsorgane 29, 45 für das Einlassventil 28 bzw. das Auslassventil 44 relativ klein und kompakt sein können, da sie nicht dafür benötigt werden, um das Öffnungen der Ventile 28, 44 zu veranlassen. Da das Öffnen der Ventile 28, 44 hydraulisch erfolgt, wird auch die Notwendigkeit für ein empfindliches In-Phase-Setzen der Ventilsteuerung in der Steuerelektronik vermieden. Dies macht auch einen reibungsloseren Betrieb möglich, in dem sich die Ventile 28, 44 "natürlich" öffnen können. Zusätzlich dient der Rückstrom von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff während des Rückwärtshubs durch das Offenhalten des Auslassventils 44 dazu, die Zurückführung von mechanischer Energie auf die Antriebsanordnung zu ermöglichen, was die Rotation der angetriebenen Nocke unterstützt. Die Pumpe wird daher angeordnet, um sowohl eine Pumpenfunktion zum Unter-Druck-Setzen von Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer zur Abgabe an das "common rail" als auch eine Bewegungs- oder Antriebsfunktion bereitzustellen, durch die Leitung von Kraftstoffdruck entlastet wird, der seinerseits dazu verwendet wird, um den Antrieb der Nocke zu unterstützen, wobei die Pumpen- und die Antriebsfunktion durch eine einzige Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Betätigungsorgane 29, 45 während des normalen Pumpens (der normalen Betriebsart) überflüssig sind und daher keine Energie verbrauchen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Einlass-Dosierventil stromaufwärts der Pumpenkammer 16 weggelassen sein, so dass der Pumpenausstoß allein mit Hilfe der Einlassventil-Anordnung 26 und der Auslassventil-Anordnung 42 gesteuert wird. Für diese Ausführungsform wird die Pumpenkammer 16 beim Rückwärtshub vollständig gefüllt und während des Förderhubs vollständig in die Leitung entlastet. Wie zuvor beschrieben, wird kurz vor dem Ende des Förderhubs das Auslassventil-Betätigungsorgan 50 mit Energie beaufschlagt, und wird das Auslassventil 44 für einen Teil des Rückwärtshubs offengehalten, was es möglich macht, dass ein Teil des Kraftstoffs innerhalb der Leitung zur Pumpenkammer 16 zurückfließt und mechanische Energie auf die angetriebene Nocke 22 und den Schaft rücküberträgt. Um den gewünschten Druck in der Leitung festzuhalten, wird (die) Energie von der Wicklung 50 des Auslassventil-Betätigungsorgans 45 genommen, und das Auslassventil 44 wird veranlasst, sich unter der Wirkung von Kraftstoffdruck innerhalb der Leitung, der in Kombination mit der Feder 48 einwirkt, zu schließen.
In einer alternativen Betriebsart, in der das Einlass-Dosierventil weggelassen ist, kann die Pumpenkammer 16 beim Rückwärtshub vollständig gefüllt werden, aber kurz vor dem Ende des Rückwärtshubs wird das Einlassventil-Betätigungsorgan 29 mit Energie beaufschlagt, um das Einlassventil 28 während des anfänglichen Teils des Förderhubs offen zu halten. Dies wirkt als vorzeitiges Überströmen ("pre-spill") während des anfänglichen Teils des Förderhubs, um das Volumen des gepumpten Kraftstoffs zu steuern. Nach einem vorgegebenen Teil des Förderhubs wird (die) Energie von dem Einlassventil-Betätigungsorgan 29 genommen, wodurch bewirkt wird, dass sich das Einlassventil 28 infolge des Kraftstoffdrucks innerhalb der Pumpenkammer 36, der in Kombination mit der Feder 32 wirkt, schließt. Der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 16 steigt während des verbleibenden Teils des Förderhubs weiterhin an, um das Auslassventil 44 in einer normalen Betriebsart zu öffnen.

Claims

Kraftstoffpumpe zur Verwendung bei der Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff an eine gemeinsame Druckleitung ("common rail") eines Kraftstoff-Einspritzsystems, wobei die Kraftstoffpumpe umfasst: einen Pumpenkolben (10), der innerhalb einer Kolbenbohrung (12) hin- und herbewegbar ist, um zu bewirken, dass Kraftstoff innerhalb einer Pumpenkammer (16) unter Druck gesetzt wird, wobei der Kolben (10) im Betrieb einen Förderhub, in dem der Kolben (10) innerhalb der Pumpenbohrung (12) nach innen getrieben wird, um das Volumen der Pumpenkammer (16) zu verringern, und einen Rückwärtshub aufweist, in welchem sich der Kolben (10) aus der Bohrung (12) heraus bewegt, um das Volumen der Pumpenkammer (16) zu vergrößern, eine Einlassventil-Anordnung (26) mit einem Einlassventil (28), das zwischen einer Einlass-Offenstellung, in welcher der Pumpenkolben (16) mit einer Niederdruck-Kraftstoffquelle in Verbindung steht, und einer Einlass-Geschlossenstellung, in welcher die Verbindung zwischen der Niederdruck-Kraftstoffquelle und der Pumpenkammer (16) unterbrochen ist, bewegbar ist, wobei das Einlassventil (28) in Reaktion auf den Kraftstoffdruck, der auf das Einlassventil (28) einwirkt, von der Einlass-Geschlossenstellung zur Einlass-Offenstellung bewegt werden kann, und worin die Einlassventil-Anordnung (26) ein Einlassventil-Betätigungsorgan (29) umfasst, das betrieben werden kann, um das Einlassventil (28) für mindestens einen Teil des Förderhubs in der Einlass-Offenstellung zu belassen, und eine Auslassventil-Anordnung (42) mit einem Auslassventil (44), das zwischen einer Auslass-Offenstellung, in der die Pumpenkammer (16) mit der gemeinsamen Druckleitung (dem "common rail") in Verbindung steht, und einer Auslass-Geschlossenstellung, in welcher die Verbindung zwischen dem "common rail" und der Pumpenkammer (16) unterbrochen ist, bewegbar ist, wobei das Auslassventil (44) in Reaktion auf den Kraftstoffdruck, der auf das Auslassventil (44) einwirkt, von der Auslass-Geschlossenstellung zur Auslass-Offenstellung bewegt werden kann, und worin die Auslassventil-Anordnung (42) ein Auslassventil-Betätigungsorgan (45) umfasst, das betrieben werden kann, um das Auslassventil (44) für zumindest einen Zeitraum des Rückwärtshubs in der Auslass-Offenstellung zu belassen, wodurch der Kraftstoffdruck innerhalb des "common rail" reguliert wird.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, worin mindestens eines der Betätigungsorgane, das Einlassventil-Betätigungsorgan (29) und/oder das Auslassventil-Betätigungsorgan (45), ein elektromagnetisches Betätigungsorgan ist.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Auslassventil (44) mit Hilfe einer Auslassventil-Feder (48) gegen einen Ventilsitz (46) gespannt ist.
Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Einlassventil (28) mit Hilfe einer Einlassventil-Feder (32) gegen einen weiteren Ventilsitz (30) gespannt ist.
Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend eine Antriebsanordnung zum Antreiben des Kolbens (10), so dass dieser den Förderhub ausführt.
Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Mehrzahl von Pumpenkolben (10), von denen jeder innerhalb einer entsprechenden Kolbenbohrung (12) hin- und herbewegbar ist, um die Beaufschlagung von Kraftstoff mit Druck innerhalb einer entsprechenden Pumpenkammer (16) zu bewirken.
Verfahren zum Regulieren des Kraftstoffdrucks innerhalb eines "common rail" eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung der Kraftstoffpumpe wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, umfassend die Schritte: Belassen des Einlassventils (28) in der Einlass-Offenstellung für mindestens einen Teil des Förderhubs unter der Steuerung des Einlassventil-Betätigungsorgans (29) und Belassen des Auslassventils (44) für mindestens einen Zeitraum des Rückwärtshubs in der Auslass-Offenstellung unter der Steuerung des Auslassventil-Betätigungsorgans (45), wodurch innerhalb des "rail" unter hohem Druck stehender Kraftstoff während des Rückwärtshubs in die Pumpenkammer (16) fließen kann, um den Kraftstoffdruck innerhalb des "common rail" zu regulieren.
Kraftstoffsystem mit gemeinsamer Druckleitung für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein "common rail" und eine Kraftstoffpumpe wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, worin die Pumpe so angeordnet ist, dass sie eine Pumpenfunktion, durch die Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer (16) zur Abgabe an das "common rail" unter Druck gesetzt wird, und eine Antriebsfunktion besitzt, durch die Kraftstoffdruck im "common rail" abgebaut wird und eine Antriebskraft auf den Kolben rückübertragen wird, um den Rückwärtshub zu unterstützen.