EP1319831B1 - Kraftstoffhochdruckpumpe mit integrierter Sperrflügel-Vorförderpumpe - Google Patents

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Einspritzanlage von Brennkraftmaschinen, mit einem Pumpengehäuse, mit mindestens einem Pumpenelement und mit einer Nockenwelle zum Antrieb des Pumpenelements.
• Eine solche Kraftstoffhochdruckpumpe ist bspw. aus der EP 0 481 964 B2 bekannt. Diese Kraftstoffhochdruckpumpe benötigt eine Vorförderpumpe, welche Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu dem Pumpenelement der Kraftstoffhochdruckpumpe fördert. Ein weiteres Beispiel, das als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, ist in dem Dokument DE 19736160 zu finden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit integrierter Vorförderpumpe bereitzustellen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe bei einer Einspritzanlage von Brennkraftmaschinen, mit einem Pumpengehäuse, mit mindestens einem Pumpenelement, mit einer Nockenwelle zum Antrieb des Pumpenelements dadurch gelöst, dass das Pumpengehäuse, die Nockenwelle und ein mit der Nockenwelle zusammenwirkender Sperrflügel eine Sperrflügelpumpe bilden, und dass die Sperrflügelpumpe Kraftstoff zu dem mindestens einen Pumpenelement fördert.
Vorteile der Erfindung
• Durch diese in die Kraftstoffhochdruckpumpe integrierte Vorförderpumpe wird eine ansonsten notwendige elektrische Vorförderpumpe ganz oder zumindest größtenteils entbehrlich. Durch die Verwendung an sich ohnehin vorhandener Bauteile, wie dem Pumpengehäuse und der Nockenwelle, sind die Kosten für die erfindungsgemäße Sperrflügelpumpe sehr gering. Außerdem erhöht sich die Zahl der benötigten Bauteile nur um einen Sperrflügel, so dass auch die Montage nicht nennenswert aufwendiger wird. Schließlich ist zu bemerken, dass die erfindungsgemäße Sperrflügelpumpe keinen zusätzlichen Bauraum benötigt, der bei modernen Brennkraftmaschinen und modernen Fahrzeugen nur in sehr beschränktem Umfang zur Verfügung steht.
• Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Pumpengehäuse ein Innenraum ausgespart ist, dass sich die Nockenwelle in dem Innenraum dreht und dass der Sperrflügel und die Nockenwelle den Innenraum in einen Saugraum und einen Druckraum unterteilen, so dass mit geringstem Bauaufwand eine Sperrflügelpumpe realisiert werden kann.
• In Ergänzung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen Druckraum und Pumpenelement eine erste hydraulische Verbindung besteht, durch welche die Sperrflügelpumpe Kraftstoff zum Pumpenelement fördert.
• Eine besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe sieht vor, dass auf der dem Druckraum zugewandten Seite des Sperrflügels eine Nut vorgesehen ist, und dass die Nut Teil der ersten hydraulischen Verbindung ist. Dadurch kann die erste hydraulische Verbindung mit geringstmöglichem Aufwand realisiert werden.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Druckraum dem Pumpenelement gegenüber, so dass mindestens ein teilweiser Radialkraftausgleich für die Nockenwelle geschaffen wird und außerdem das Volumen des Saugraums unabhängig von der Stellung des Kolbens des Pumpenelements ist.
• Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn zwischen Pumpenelement und Nockenwelle ein Rollenstößel angeordnet ist, da auf diese Weise große Kräfte von der Nockenwelle auf das Pumpenelement übertragbar sind.
• Alternative Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Rollenstößel in dem Pumpengehäuse geführt ist und dass zwischen der dem Innenraum abgewandten Seite des Rollenstößels und dem Saugraum eine zweite hydraulische Verbindung vorgesehen ist, so dass ein Druckausgleich möglich ist.
• Alternativ kann auch die dem Innenraum abgewandte Seite des Rollenstößels mit dem Druck der ersten hydraulischen Verbindung beaufschlagt werden, so dass der Rollenstößel durch die auf ihn wirkende hydraulische Kraft gegen die Nockenwelle gepresst wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Feder zwischen Pumpengehäuse und Rollenstößel entfallen.
• Um die Anpresskraft des Rollenstößels auf der Nockenwelle besser abstimmen zu können, kann in der zweiten hydraulischen Verbindung eine Drossel vorgesehen sein.
• Die Fördermengenregelung der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe kann durch eine Saugdrosselregelung oder durch Absteuern der überschüssigen Fördermenge während des Förderhubs des mindestens einen Pumpenelements erfolgen, so dass die jeweils für eine bestimmte Applikation günstigste Fördermengenregelung eingesetzt werden kann.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Nockenwelle mehrere über den Umfang verteilte Nocken aufweist und/oder einstückig mit einer Welle, insbesondere einer Ausgleichswelle oder einer Nockenwelle, der Brennkraftmaschine ausgeführt ist und/oder dass die Kraftstoffhochdruckpumpe an der Brennkraftmaschine angeflanscht ist, so dass die Fördermenge der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe durch die Gestaltung der Nockenwelle in Grenzen variiert werden kann und der Bauaufwand und der benötigte Bauraum weiter verringert werden.
• Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe kann insbesondere in einer Kraftstoffeinspritzanlage mit Hochdruckkraftstoffspeicher (Common Rail) eingesetzt werden.
• Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
• Es zeigen:

Figur 1

ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe im Längs- und Querschnitt,

Figur 2

ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ebenfalls im Längs- und Querschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ist in der Fig. 1a im Längsschnitt, in der Fig. 1b im Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A dargestellt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe besteht aus einem Pumpengehäuse 1 und einer Nockenwelle 3. Die Nockenwelle 3 ist rechts und links eines nockenförmigen Abschnitts 5 der Nockenwelle 3 in einem ersten Lagerdeckel 7 und einem zweiten Lagerdeckel 9 drehbar gelagert. Bei der in Fig. 1a dargestellten Ausführungsform gehören erster Lagerdeckel 7 und zweiter Lagerdeckel 9 zum Gehäuse 1. Bei alternativen Ausgestaltungen, die nicht dargestellt sind, kann bspw. der erste Lagerdeckel 7 auch Teil eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine sein und die Nockenwelle 3 kann einstückig mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine ausgeführt sein. Zwischen Pumpengehäuse 1 und erstem Lagerdeckel 7 sowie zweitem Lagerdeckel 9 sind Dichtungen 11 vorgesehen. Der nockenförmige Abschnitt 5 der Nockenwelle 3 betätigt über einen Rollenstößel 13 ein Pumpenelement 15, welches in der Querschnittsdarstellung der Fig. 1b deutlich zu erkennen ist.
• Aus der Fig 1b ergibt sich auch, dass das Pumpengehäuse 1 zweiteilig ausgeführt ist. Die beiden Teile des Pumpengehäuses 1 sind in den Fign. 1a und 1b mit 1a und 1b bezeichnet.
• Das Pumpenelement 15 besteht im Wesentlichen aus einem Pumpenkolben 17, der in einer Zylinderbohrung 19 dichtend geführt ist. Durch die Drehung der Nockenwelle 3, welche in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet ist, wird der Pumpenkolben 17 über den Rollenstößel 13 in eine oszillierende Bewegung versetzt. Dabei dient eine Druckfeder, welche zwischen dem Pumpengehäuse 1b und dem Rollenstößel 13 eingespannt ist, dazu, den Rollenstößel 13 in Anlage mit dem nockenförmigen Abschnitt 5 der Nockenwelle 3 zu halten. Über in Fig. 1b nicht im Detail dargestellte Mittel, wie bspw. einen Sprengring, eine Federscheibe oder ähnliches wird der Pumpenkolben 17 mit dem Rollenstößel 13 gekoppelt, so dass der Pumpenkolben 17 eine oszillierende Bewegung ausführt, sobald die Nockenwelle 3 gedreht wird. Durch die oszillierende Bewegung des Pumpenkolbens 17 ändert sich das Volumen eines Förderraums 23 periodisch. Wenn der Pumpenkolben 17 sich in Fig. 1b nach unten bewegt, nimmt das Volumen des Förderraums 23 zu und es wird Kraftstoff über ein Saugventil 25 in den Förderraum 23 angesaugt. Sobald der Kolben sich von seinem unteren Totpunkt in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt, verringert sich das Volumen des Förderraums 23 und der in ihm befindliche Kraftstoff (nicht dargestellt) wird durch den Pumpenkolben 17 unter Druck gesetzt. Sobald das in Fig. 1a dargestellte Auslassventil 27 öffnet, schiebt der Pumpenkolben 17 den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus dem Förderraum 23 in einen Hochdruckanschluss 29. Der Hochdruckanschluss 29 führt zu einem nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckspeicher (Common Rail).
• In dem Pumpengehäuse 1a ist ein Innenraum mit zylindrischer Geometrie ausgespart. Der Durchmesser des Innenraums 31 entspricht dem Kopfkreis des nockenförmigen Abschnitts 5 der Nockenwelle 3, so dass nahezu kein Spalt zwischen den Nocken 33 des nockenförmigen Abschnitts 5 und dem Innenraum 31 verbleibt. In dem Pumpengehäuse 1a ist eine Ausnehmung 35 vorgesehen, in der ein Sperrflügel 37 verschiebbar angeordnet ist. Der Sperrflügel 37 wird von einer zweiten Druckfeder 39 gegen den nockenförmigen Abschnitt 5 gepresst. Die Nocken 33 sowie der Sperrflügel 37 teilen den Innenraum 31 in einen Saugraum 41 und einen Druckraum 43.
• Zwischen dem Druckraum 43 und dem Einlassventil 25 des Pumpenelements 15 ist eine erste hydraulische Verbindung 45 vorhanden. Die erste hydraulische Verbindung 45 besteht aus einer Vielzahl miteinander verbundener Bohrungen sowie einer Nut 47 in dem Sperrflügel 37, welche auf der dem Druckraum 43 zugewandten Seite desselben angeordnet ist. In der ersten hydraulischen Verbindung ist auch eine Zumesseinrichtung 49 angeordnet. Demzufolge ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit einer Saugdrosselregelung ausgestattet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Kraftstoffhochdruckpumpen mit einer solchen Regelung beschränkt.
• Zwischen der dem Saugraum 41 abgewandten Seite 51 und dem Saugraum 41 ist eine zweite hydraulische Verbindung 53 vorgesehen, welche die freie Bewegung des Rollenstößels 13 im Pumpengehäuse ermöglicht.
• Wenn die Nockenwelle 3 angetrieben wird, werden das Pumpenelement 15 und die aus Innenraum 31, nockenförmigem Abschnitt 5 und Sperrflügel 37 gebildete Sperrflügelpumpe gleichzeitig betrieben. Die Sperrflügelpumpe fördert immer ausreichend Kraftstoff in die erste hydraulische Verbindung 45, so dass in allen Betriebszuständen ausreichend Kraftstoff für das Pumpenelement 15 zur Verfügung steht. Selbstverständlich können auch mehrere Pumpenelemente 15 mit einer solchen Sperrflügelpumpe versorgt werden. Solange der Druck in der ersten hydraulischen Verbindung 45 noch nicht aufgebaut ist, muss die zweite Druckfeder 39 den Sperrflügel 37 gegen den nockenförmigen Abschnitt 5 pressen. Sobald der Druck im ersten hydraulischen Abschnitt 45 aufgebaut ist, wird der Sperrflügel 37 zusätzlich durch diesen Druck gegen den nockenförmigen Abschnitt 5 gepresst, was die Abdichtung zwischen Saugraum 41 und Druckraum 43 verbessert.
• Der von der Sperrflügelpumpe überschüssig geförderte Kraftstoff wird über ein Druckregelventil 63 und eine Bohrung 55, welche in Fig. 1a sichtbar ist, wieder in den Saugraum 41 zurückgeleitet. In die Bohrung 55 mündet auch ein Kraftstoffzulauf 57, aus welchem Kraftstoff aus einem nicht dargestellten Kraftstofftank in die Kraftstoffhochdruckpumpe gelangt. Bei bestimmten Einsatzfällen ist zwischen dem nicht dargestellten Kraftstofftank und dem Kraftstoffzulauf 57 noch eine elektrische Vorförderpumpe (ebenfalls nicht dargestellt) integriert.
• In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das betreffend der Figuren 1a und 1b Gesagte entsprechend. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die erforderliche Anpresskraft des Rollenstößels 13 auf dem nockenförmigen Abschnitt 5 hydraulisch aufgebracht. Dazu wird ein Teil des von der Sperrflügelpumpe in die erste hydraulische Verbindung 45 geförderten Kraftstoffs durch eine Verbindungsbohrung 59 und eine Ringnut 61 auf die dem Saugraum abgewandte Seite 51 des Rollenstößels 53 gefördert. Ein Druckregelventil 63 sorgt dafür, dass die Anpresskraft des Rollenstößels 13 auf dem nockenförmigen Abschnitt 5 innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt. In der zweiten hydraulischen Verbindung 53 ist eine Drossel 65 vorgesehen. Der Kolben 17 wird über eine Federscheibe 67 mit dem Rollenstößel 13 gekoppelt. Selbstverständlich können auch andere Kopplungen zwischen Kolben 17 und Rollenstößel 13 vorgenommen werden. Wichtig ist dabei, dass die zum Ansaugen von Kraftstoff in den Förderraum 23 erforderliche Kraft vom Rollenstößel 13 auf den Kolben 17 übertragen werden kann. Ebenso muss während des Förderhubs die notwendige Kraft vom Rollenstößel 13 auf den Kolben 17 übertragen werden können. Über einen Kraftstoffrücklauf 69 kann überschüssiger Kraftstoff, der nicht in den Förderraum 23 gelangt, wieder in den nicht dargestellten Kraftstofftank zurückgeführt werden. Zwischen Saugventil 25 und Kraftstoffrücklauf 69 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Nullförderdrossel 71 vorgesehen, die dafür sorgt, dass sich im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine in der ersten hydraulischen Verbindung 45 trotz geschlossener Zumesseinrichtung 49 kein Druck aufbaut.

Claims (17)

1. Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse (1), mit mindestens einem Pumpenelement (15) und mit einer Nockenwelle (3) zum Anrieb des Pumpenelements (15), dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (1), die Nockenwelle (3) und ein mit der Nockenwelle (3) zusammenwirkender Sperrflügel (37) eine Sperrflügelpumpe bilden, und dass die Sperrflügelpumpe Kraftstoff zu dem mindestens einen Pumpenelement (15) fördert.
2. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse (1) ein Innenraum (31) ausgespart ist, dass sich die Nockenwelle (3) in dem Innenraum (31) dreht, und dass der Sperrflügel (37) und die Nockenwelle (3) den Innenraum (31) in einen Saugraum (41) und einen Druckraum (43) unterteilen.
3. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Druckraum (43) und Pumpenelement (15) eine erste hydraulische Verbindung (45) besteht.
4. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Druckraum (43) zugewandten Seite des Sperrflügels (37) eine Nut (47) vorgesehen ist, und dass die Nut (47) Teil der ersten hydraulischen Verbindung (45) ist.
5. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Anspruche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (43) dem Pumpenelement (15) gegenüberliegt.
6. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pumpenelement (15) und Nockenwelle (3) ein Rollenstößel (13) angeordnet ist.
7. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenstößel (13) in dem Pumpengehäuse (1) geführt ist, und dass zwischen der dem Innenraum (31) abgewandten Seite des Rollenstößels (13) und dem Saugraum (41) eine zweite hydraulische Verbindung (53) vorgesehen ist.
8. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 6 oder 7,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenstößel (13) in dem Pumpengehäuse (1) geführt ist, und dass die dem Innenraum (31) abgewandten Seite des Rollenstößels (13) mit einem Teil des von der Sperrflügelpumpe geförderten Kraftstoffs beaufschlagt wird.
9. Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten hydraulischen Verbindung (53) eine Drossel (65) vorgesehen ist.
10. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregelventil (63) zur Regelung des Druckes auf die dem Innenraum (31) abgewandte Seite des Rollenstößels (13) vorgesehen ist.
11. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge des mindestens einen Pumpenelements (15) durch eine Sauadrosselregelung () geregelt wird.
12. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge des Pumpenelements (15) durch Absteuern der überschüssigen Fördermenge während des Förderhubs des mindestens einen Pumpenelements (15) erfolgt.
13. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (3) mehrere über den Umfang verteilte Nocken (33) aufweist.
14. Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (3) einstückig mit einer Welle, insbesondere einer Ausgleichswelle oder einer Nockenwelle, der Brennkraftmaschine ausgeführt ist.
15. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe an der Brennkraftmaschine angeflanscht ist.
16. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe in einen Hochdruckkraftstoffspeicher fördert.
17. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffrücklauf zum Abführen von überschüssigem Kraftstoff vorgesehen ist.

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