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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Druckbegrenzungseinrichtung für ein Kraftstoffsystem einer
Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse, welches einen Einlass
und einen Auslass aufweist, und mit einem vorgespannten Element,
welches ab einer bestimmten zwischen Einlass und Auslass vorhandenen
Druckdifferenz den Einlass mit dem Auslass fluidisch verbindet.
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Eine solche Druckbegrenzungseinrichtung ist
vom Markt her bekannt. Sie kommt vorzugsweise in solchen Kraftstoffsystemen
zum Einsatz, welche bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung
verwendet werden. Derartige Kraftstoffsysteme verfügen üblicherweise über einen
Niederdruckbereich und einen Hochdruckbereich. Eine elektrische Kraftstoffpumpe
fördert
den Kraftstoff in den Niederdruckbereich, aus dem der Kraftstoff über eine
Hochdruckpumpe in eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Common- Rail genannt) gefördert wird.
Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung
wird üblicherweise
durch ein Druckregel- oder ein Mengensteuerventil geregelt.
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Um jedoch eine Absicherung gegen
einen zu hohen Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung insbesondere
bei Ausfall der Mengen- bzw. Druckregelung zu schaffen, ist im Hochdruckbereich
des Kraftstoffsystems eine Druckbegrenzungseinrichtung vorgesehen.
Bei dieser handelt es sich im Allgemeinen um ein übliches
Druckbegrenzungsventil mit einem von einer Feder gegen einen Ventilsitz
beaufschlagten Ventilelement. Übersteigt
der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung einen bestimmten Grenzwert, hebt
das Ventilelement vom Ventilsitz ab, so dass Kraftstoff vom Einlass
des Druckbegrenzungsventils zum Auslass und von dort zurück zum Niederdruckbereich
des Kraftstoffsystems strömen
kann.
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Die bekannte Druckbegrenzungseinrichtung arbeitet
bereits sehr gut und vor allem sehr zuverlässig. Allerdings sind den Anordnungsmöglichkeiten des
Druckbegrenzungsventils in dem Kraftstoffsystem Grenzen gesetzt.
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Im Allgemeinen muss die Druckbegrenzungseinrichtung
im Bereich der Kraftstoff-Sammelleitung, also in einer gewissen
Entfernung von der Hochdruckpumpe, angeordnet werden. Der Grund dafür ist, dass
die Hochdruckpumpe im Betrieb Druckpulsationen erzeugt, deren Spitzen
den Öffnungsdruck
des Druckbegrenzungsventils übersteigen
können.
Würde das
Druckbegrenzungsventil unmittelbar bei der Hochdruckpumpe angeordnet
werden, bestünde
die Gefahr, dass das Druckbegrenzungsventil aufgrund der Druckpulsationen öffnet, obwohl
der maximale Systemdruck noch nicht erreicht ist. Erst in einer
gewissen Entfernung von der Hochdruckpumpe kommt es zu einer Glättung der Druckpulsationen
aufgrund der Drosseleffekte in der Kraftstoffleitung und aufgrund
der Kompressibilität des
Kraftstoffs.
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Alternativ hierzu wäre es auch
möglich,
das Druckbegrenzungsventil so auszulegen, dass sein Öffnungsdruck
oberhalb der aufgrund der Druckpulsationen vorhandenen Druckspitzen
liegt. Dieses Druckbegrenzungsventil kann dann in unmittelbarer Nähe der Hochdruckpumpe
angeordnet sein oder sogar in diese integriert werden. Im Notlaufbetrieb, wenn
also die Druckregelung der Kraftstoff-Sammelleitung nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert
und dann ein höherer
Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung als der normale Systemdruck
herrscht, muss dennoch ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine
sichergestellt sein. Dies wiederum würde die Auslegung der Komponenten
des Hochdruckbereichs des Kraftstoffsystems auf den hohen Öffnungsdruck des
Druckbegrenzungsventil erfordern. Derartige Komponenten sind jedoch
relativ teuer.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 101 18 936 ist eine Druckbegrenzungseinrichtung
bekannt, bei welcher die Druckpulsationen durch eine Ausgleichskammer
abgebaut werden, so dass die Druckbegrenzungseinrichtung im Normalbetrieb
der Kraftstoffpumpe trotz der von der Hochdruckpumpe verursachten
Druckpulsationen nicht öffnet.
Dies erlaubt die Anordnung der Druckbegrenzungseinrichtung auch
in der Nähe
der Hochdruckpumpe.
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Bei der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung
ist vorgesehen, dass der Kolben der Druckbegrenzungseinrichtung
einen ersten Bund aufweist, und dass der Bund als Drossel zwischen Ausgleichskammer
und Hochdruck-Kraftstoffleitung wirkt.
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Durch diese Maßnahme ist es möglich, den Abbau
von Druckspitzen in der Hochdruck-Kraftstoffleitung durch Drosseln
und durch Vergrößern des
Volumens der Ausgleichskammer abzubauen. Es hat sich herausgestellt,
dass diese Kombination von zwei gleichzeitig wirkenden Maßnahmen
zum Abbau der Druckpulsationen besonders wirkungsvoll ist und somit
im Normalbetrieb der Kraftstoffpumpe die Druckbegrenzungseinrichtung
selbst dann nicht öffnet, wenn
die Druckbegrenzungseinrichtung in unmittelbarer Nähe der Hochdruckpumpe
angeordnet ist. Erst wenn die Mengensteuerung der Kraftstoffpumpe einen
Defekt hat und die Kraftstoffpumpe unabhängig vom Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine die volle Fördermenge
fördert,
spricht die Druckbegrenzungseinrichtung an und verhindert unzulässig hohe
Drücke
in der Hochdruck-Kraftstoffleitung und dem gesamten Hochdruckbereich
des Kraftstoffsystems.
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Diese erfindungsgemäße Druckbegrenzungseinrichtung
kann, anders als die aus dem Stand der Technik bekannte Druckbegrenzungseinrichtung,
ohne Anpassungsmaßnahmen
in nahezu allen Kraftstoffpumpen oder Kraftstoffsystemen eingesetzt
werden. Dadurch verringert sich die erforderliche Variantenvielfalt
sehr stark, was erhebliche wirtschaftliche Vorteile bei der Herstellung,
Lagerhaltung und Reparatur der mit der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung
ausgerüsteten
Kraftstoffsysteme mit sich bringt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften
Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben einen zweiten
Bund aufweist und an dem zweiten Bund eine Steuerkante ausgebildet
ist, und dass die Steuerkante somit einer Ausnehmung der Bohrung
so zusammenwirkt, dass in geschlossenem Zustand der Druckbegrenzungseinrichtung
die hydraulische Verbindung zwischen Hochdruck-Kraftstoffleitung
und Niederdruck-Kraftstoffleitung
unterbrochen ist. Durch die Überdeckung
der Steuerkante in der Bohrung kann der mögliche Zuwachs des Volumens
der Ausgleichskammer vor dem Öffnen
der Druckbegrenzungseinrichtung in weiten Grenzen festgelegt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist zwischen dem Kolben und dem Gehäuse eine Feder eingespannt,
welche den Kolben in Richtung der Schließstellung der Druckbegrenzungseinrichtung beaufschlagt.
Dadurch nimmt die Druckbegrenzungseinrichtung in drucklosem Zustand
immer eine definierte Schaltstellung ein.
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Wenn der Kolben an seinem dem ersten Bund
abgewandten Ende einen Dichtkegel aufweist und der Dichtkegel in
Schließstellung
der Druckbegrenzungseinrichtung auf einem Dichtsitz des Gehäuses aufliegt,
wird bei abgeschalteter Brennkraftmaschine der Druck im Hochdruckbereich
des Kraftstoffsystems aufrechterhalten, was die Bildung von Dampfblasen
verhindert.
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Wenn die Aufrechterhaltung des Drucks
im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems bei abgeschalteter Brennkraftmaschine
nicht gewünscht
wird, kann alternativ vorgesehen werden, dass im Gehäuse ein
Absatz ausgebildet ist, und dass der Kolben in Schließstellung
der Druckbegrenzungseinrichtung an dem Absatz anliegt.
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Eine weitere, besonders vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kolben einen dritten
Bund aufweist, und dass die Ausgleichskammer zusätzlich von dem dritten Bund
begrenzt wird, wobei der Durchmesser des dritten Bundes kleiner
als der Durchmesser des ersten Bundes ist. Dadurch wird die resultierende
hydraulische Kraft auf den ersten Bund verringert, was – bei sonst
gleichen hydraulischen Randbedingungen – eine kleinere Feder zwischen
Kolben und Gehäuse
ermöglicht.
Dadurch kann die Feder kleiner ausgeführt werden, was das Bauvolumen
der gesamten Druckbegrenzungseinrichtung verringern hilft. Dadurch,
dass ein teilweiser Ausgleich der hydraulischen Kräfte zwischen
erstem Bund und drittem Bund stattfindet, sind die von dem Kolben
auf die Feder ausgeübten
Kräfte
sehr klein, ohne dass die Kolbendurchmesser sehr klein werden. Bei
der Serienfertigung von Drehteilen mit Durchmessern kleiner 4 mm
und großer
Präzision steigen
die Herstellungskosten gegenüber
etwas größer dimensionierten.
Teilen stark an. Dadurch können
die Kosten der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung
minimiert werden.
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Es hat sich weiter als vorteilhaft
erwiesen, wenn der dritte Bund mit der Bohrung einen Raum begrenzt
und dieser Raum mindestens mittelbar mit einem Niederdruckbereich
des Kraftstoffsystems hydraulisch in Verbindung steht, so dass eventuell
anfallende Leckagen abgeführt
werden können.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile können alternativ
auch mit einer Druckbegrenzungseinrichtung für ein Kraftstoffsystem einer
Brennkraftmaschine erzielt werden, wobei die Druckbegrenzungseinrichtung
zwischen einer Hochdruck-Kraftstoffleitung
und einer Niederdruck-Kraftstoffleitung angeordnet ist, mit einem
Gehäuse,
mit einem in einer Bohrung des Gehäuses geführten Kolben, welcher ab einer
bestimmten zwischen Hochdruck-Kraftstoffleitung und Niederdruck-Kraftstoffleitung
vorhandenen Druckdifferenz diese hydraulisch verbindet, und mit
einer Ausgleichskammer, wenn die Ausgleichskammer durch einen in
einer Ausgleichsbohrung des Gehäuses
geführten Ausgleichskolben
begrenzt wird, wenn die Ausgleichskammer mit dem Förderraum
hydraulisch in Verbindung steht, und wenn der Ausgleichskolben so
gegen eine Wegbegrenzung vorgespannt ist, dass das Volumen der Ausgleichskammer
minimal ist. Durch diese Merkmale wird ein als Federspeicher ausgeführter Zwischenspeicher
gebildet, der beim Auftreten von kurzzeitigen Druckpulsationen, deren
Druckenergie in mechanische Energie umwandelt und nach dem Abklingen
der Druckpulsationen diese Energie wieder in Druckenergie umwandelt. Dadurch
werden die Druckspitzen im Hochdruckbereich des Kraftstoffsystems
geglättet
und ein unerwünschtes Öffnen des
Druckbegrenzungsventils verhindert.
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Die Wirkung dieser Druckbegrenzungseinrichtung
kann sich bestmöglich
entfalten, wenn die Ausgleichsbohrung im Gehäuse oder in einem Pumpenkolben
der Kraftstoffpumpe angeordnet ist, da die oben beschriebene Glättung der
Druckspitzen in unmittelbarer Nähe
ihrer Entstehung erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch ein Kraftstoffsystem zum Zuliefern von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine,
mit einem Vorratsbehälter,
mit einer ersten Kraftstoffpumpe, welche eingangsseitig mit dem
Vorratsbehälter
verbunden ist, mit einer zweiten Kraftstoffpumpe, welche eingangsseitig über eine
Kraftstoffverbindung mit der ersten Kraftstoffpumpe verbunden ist,
und mit einer Druckbegrenzungseinrichtung, welche den Druck in einer
Kraftstoffverbindung auf der Ausgangsseite der zweiten Kraftstoffpumpe
begrenzt.
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Um ein solches Kraftstoffsystem möglichst variabel
bauen zu können,
ohne dass zusätzliche Kosten
anfallen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass die Druckbegrenzungseinrichtung in der oben beschriebenen Art
ausgebildet ist.
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Dabei wird vorgeschlagen, dass die
zweite Kraftstoffpumpe eine 1-Zylinder-Kolbenpumpe umfasst. Bei
einer solchen Kraftstoffpumpe sind die Druckpulsationen besonders
ausgeprägt,
so dass hier die erfindungsgemäße Druckbegrenzungseinrichtung
sehr wirkungsvoll arbeitet.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
ist die Druckbegrenzungseinrichtung an die zweite Kraftstoffpumpe
angebaut, vorzugsweise in diese integriert. Eine derartige Anordnung
der Druckbegrenzungseinrichtung innerhalb des Kraftstoffsystems
hat den Vorteil, dass auf eine Rückflussleitung
von der Druckbegrenzungseinrichtung beispielsweise zum Niederdruckbereich
des Kraftstoffsystems verzichtet werden kann. Hierdurch werden die
Kosten für
das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem
erheblich gesenkt.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1:
eine Prinzipdarstellung eines Kraftstoffsystems mit einer Kraftstoffpumpe,
an die eine Druckbegrenzungseinrichtung angebaut ist;
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2:
einen Schnitt durch einen Bereich der Kraftstoffpumpe und ein erstes
Ausführungsbeispiels einer
Druckbegrenzungseinrichtung von 1;
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3:
ein Diagramm, in dem der Druck im Bereich des Auslasses der Kraftstoffpumpe
von 1 über der
Zeit dargestellt ist und
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4-7: weitere Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Druckbegrenzungseinrichtungen.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem
insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Niederdruckbereich 12 und
einen Hochdruckbereich 14.
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Der Niederdruckbereich 12 umfasst
einen Vorratsbehälter 16,
in dem Kraftstoff 18 bevorratet wird. Der Kraftstoff 18 wird
aus dem Vorratsbehälter 16 von
einer ersten Kraftstoffpumpe 20 gefördert. Bei dieser handelt es
sich um eine elektrische Kraftstoffpumpe. Die elektrische Kraftstoffpumpe 20 fördert in eine
Niederdruck-Kraftstoffleitung 22.
In dieser ist nach der elektrischen Kraftstoffpumpe 20 in
Strömungsrichtung
gesehen zunächst
ein Filter 24 vorgesehen. In Strömungsrichtung gesehen noch
vor dem Filter 24 zweigt von der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 eine
Zweigleitung 26 ab, welche zum Vorratsbehälter 16 zurückführt. In
der Zweigleitung 26 ist ein Druckbegrenzungsventil 28 angeordnet.
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Die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 führt zu einer
zweiten Kraftstoffpumpe 30. Diese wird auf hier nicht näher dargestellte
Weise von der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt)
angetrieben. Bei der zweiten Kraftstoffpumpe 30 handelt es
sich um eine 1-Kolben-Hochdruckpumpe.
Stromaufwärts
von der Hochdruckpumpe 30 sind in der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 noch
ein Druckdämpfer 32 und
ein Rückschlagventil 34 angeordnet. Zwischen
dem Filter 24 und dem Druckdämpfer 32 zweigt von
der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 eine Zweigleitung 36 ab,
in der ein Niederdruckregler 38 angeordnet ist. Die Zweigleitung 36 führt ebenfalls zum
Vorratsbehälter 16 für den Kraftstoff 18 zurück. Von
der Hochdruckpumpe 30 führt
eine Leckageleitung 40 zur Zweigleitung 36.
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Ausgangsseitig fördert die Hochdruckpumpe 30 in
eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 42, welche über ein
Rückschlagventil 44 zu
einer Kraftstoff-Sammelleitung 46 führt. An die Kraftstoff-Sammelleitung 46 sind
wiederum Kraftstoff-Einspritzventile 48 angeschlossen,
welche den Kraftstoff in einen nicht näher dargestellten Brennraum
der Brennkraftmaschine einspritzen. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 46 wird
von einem Drucksensor 50 erfasst.
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Der Druck in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
der Kraftstoff-Sammelleitung 46, also im Hochdruckbereich 14 des
Kraftstoffsystems 10, wird über ein Mengensteuerventil
gesteuert und/oder geregelt. Dieses verbindet den zwischen dem Rückschlagventil 44 und
der Hochdruckpumpe 30 gelegenen Bereich der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 mit dem
zwischen dem Rückschlagventil 34 und
dem Druckdämpfer 32 gelegenen
Bereich der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22. Die Verbindung
erfolgt über
eine Zweigleitung 54. Das Mengensteuerventil 42 wird
von einer in 1 nicht
dargestellten Steuer- und Regeleinheit angesteuert, welche wiederum
Signale vom Drucksensor 50 erhält. Ruf diese Weise wird ein
geschlossener Regelkreis für
die Steuerung des Drucks im Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 geschaffen.
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Um bei einem Ausfall des Mengensteuerventils 52 einen Überdruck
in der Kraftstoff-Sammelleitung 46 zu vermeiden, welcher
die Funktionstüchtigkeit
der Einspritzventile 48 beeinträchtigen könnte, ist mit der Hochdruckpumpe 30 eine
Druckbegrenzungseinrichtung 56 kombiniert. Der genaue Aufbau eines
ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 ist
aus 2 ersichtlich:
Die
Hochdruckpumpe 30 und die Druckbegrenzungseinrichtung 56 sind
in einem gemeinsamen Gehäuse 58 untergebracht.
Von der Hochdruckpumpe 30 ist in 2 nur ein Bereich eines Förderraumes 60 und das
auslassseitig vom Förderraum 60 angeordnete Auslassventil 44 sichtbar.
Das Auslassventil 44 umfasst ein kugelförmiges Ventilelement 64,
welches von einer Feder 66 gegen einen Ventilsitz 68 beaufschlagt
wird. Stromabwärts
des Auslassventils 44 ist die Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 sichtbar.
Während eines
Saughubs wird der in 2 nur
teilweise dargestellte Förderraum 60 gegenüber der
Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 durch das Auslassventil 44 abgedichtet.
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In Strömungsrichtung gesehen unmittelbar hinter
dem Auslassventil ist eine Bohrung 70 vorgesehen, in der
ein Kolben 72 geführt
ist. Der Kolben 72 weist einen ersten Bund 74 und
einen zweiten Bund 76 auf. Der Kolben 72 ist über den
ersten Bund 74 und über
den zweiten Bund 76 in der Bohrung 70 geführt. Die
Passung von Bohrung 70 und erstem Bund 74 ist
so bemessen, dass der Ringspalt zwischen Bohrung 70 und
erstem Bund 74 als Drossel dient. Die Passung von Bohrung 70 und
zweitem Bund 76 ist so bemessen, dass eine gute Dichtwirkung
zwischen Bohrung 70 und zweitem Bund 76 erzielt
wird und der Kolben 72 trotzdem noch in der Bohrung 70 verschiebbar
ist.
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Zwischen erstem Bund 74 und
zweitem Bund 76 weist der Kolben 72 eine Ringnut 78 auf,
welche mit der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 hydraulisch
in Verbindung steht. Ein Grund 80 der Bohrung 70 sowie
der erste Bund 74 des Kolbens 72 begrenzen eine
Ausgleichskammer 82, die über den Ringspalt zwischen
Bohrung 70 und erstem Bund 74 hydraulisch mit
der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 in Verbindung steht.
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Im Gehäuse 58 ist konzentrisch
zur Bohrung 70 eine ringförmige Ausnehmung 84 vorgesehen. Die
Ringnut 78 und der zweite Bund 76 des Kolbens 72 bilden
eine Steuerkante 86, welche mit der Ausnehmung 84 zusammenwirkt.
In geschlossenem Zustand der. Druckbegrenzungseinrichtung 56,
der in 2 dargestellt
ist, hat die Steuerkante 86 zu der Ausnehmung 84 eine Überdeckung,
die in 2 durch das Bezugszeichen 88 angedeutet
ist. In Folge dessen ist die hydraulische Verbindung zwischen Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
Ausnehmung 84 in dieser Stellung des Kolbens 72 unterbrochen.
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Der zweite Bund 76 ist breiter
als die Ausnehmung 84, so dass der Kolben 72 unabhängig von seiner
Lage in der Bohrung 70 stets durch den ersten Bund 74 und
den zweiten Bund 76 in der Bohrung 70 geführt ist.
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Oberhalb des zweiten Bundes 76 ist
ein Dichtkegel 90 am Kolben 72 angeformt. Der
Dichtkegel 90 trennt in der in 2 dargestellten Schließstellung
der Druckbegrenzungseinrichtung 56 zusammen mit einem im
Gehäuse 58 ausgebildeten
Dichtsitz 92 die Ausnehmung 84 von eine Federkammer 94,
die wiederum mit der Niederdruckleitung 22 hydraulisch
in Verbindung steht. Der Dichtkegel 90 und der Dichtsitz 92 dienen
der Aufrechterhaltung des Drucks im Hochdruckbereich 14 bei
abgestellter Brennkraftmaschine. In der Federkammer 94 ist eine Druckfeder 96 angeordnet,
die sich einenends gegen das Gehäuse 58 und
anderenends gegen den Kolben 72 abstützt und diesen mit seinem Dichtkegel 90 in
den Dichtsitz 92 presst.
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Damit bei geöffneter Druckbegrenzungseinrichtung 56,
wenn nämlich
die Steuerkante 86 des zweiten Bunds 76 eine hydraulische
Verbindung zwischen der Ringnut 78 und der Ausnehmung 84 freigibt,
auch eine hydraulische Verbindung zwischen der Ausnehmung 84 und
der Federkammer 94 hergestellt wird, sind in dem zweiten
Bund 76 über
den Umfang verteilt mehrere Aussparungen 98 eingearbeitet.
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Die Funktionsweise dieser erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 ist
wie folgt:
Wenn während
des Förderhubs
der Pumpe 30 der Druck im Förderraum 60 ansteigt
und das Rückschlagventil 44 öffnet, steigt
auch der Druck in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
Kraftstoff fließt von
der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 in die Ausgleichskammer 82 und
der Druck in der Ausgleichskammer 82 steigt zeitlich etwas
verzögert
an. Die Verzögerung
des Druckanstiegs in der Ausgleichskammer 82 wird durch
die Drosselwirkung des Ringspalts zwischen erstem Bund 74 und
Bohrung 70 verursacht. Sobald der Druck in der Ausgleichskammer 82 ausreichend
hoch ist, um die Anpresskraft der Feder 96 zu überwinden,
hebt der Kolben 72 vom Dichtsitz 92 ab; das heißt er bewegt
sich in 2 nach oben.
Damit nimmt auch das Volumen der Ausgleichskammer 82 zu,
so dass der Druckanstieg in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
damit im gesamten Hochdruckbereich 14 (siehe 1) des Kraftstoffsystems 10 verringert
wird. Die Überdeckung 88 und
das Volumen der Ausgleichskammer 88 sind so ausgelegt,
dass im Normalbetrieb des Kraftstoffsystems 10 die Druckpulsationen
im Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 so
weit abgebaut werden, dass sie keine negativen Auswirkungen auf
den Betrieb des Kraftstoffsystems 10 mehr haben. Außerdem werden
die Überdeckung 88 und das
Volumen der Ausgleichskammer 88 so ausgelegt, dass im Normalbetrieb
des Kraftstoffsystems 10 die hydraulische Verbindung zwischen
Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 nicht
freigegeben wird. Dies bedeutet, dass durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 der
Wirkungsgrad des Kraftstoffsystems 10 im Normalbetrieb
nahezu unverändert
bleibt.
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Wenn die Fördermengenregelung des Kraftstoffsystems 10 defekt
ist, so dass die Kraftstoffpumpe 30 (siehe 1) immer die volle Fördermenge fördert, steigt der Druck im
Hochdruckbereich 14 und damit auch in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 über einen – verglichen
mit den Druckpulsationen im Normalbetrieb – langen Zeitraum stark an.
In Folge dessen vergrößert sich
das Volumen der Ausgleichskammer 82 so stark, dass die
Steuerkante 86 die hydraulische Verbindung zwischen Ringnut 78 und Ausnehmung 84 freigibt
und Kraftstoff aus der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 über die
Federkammer 94 in die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 strömt, so dass
ein Abbau des in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 herrschenden Überdrucks
stattfindet. Damit wird der Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 bei
Störungen
der Fördermengenregelung
wirksam vor unzulässig
hohen Drücken
geschützt.
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In 3 ist
der Druckverlauf über
der Zeit t qualitativ dargestellt. Wenn auf der Auslassseite der Hochdruckpumpe 30,
also beispielsweise in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
der Kraftstoff-Sammelleitung 46, ein konstantes Volumen
vorhanden wäre,
würden
im Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 aufgrund
der Druckpulsationen der Hochdruckpumpe 30 Druckspitzen
bis zu einem Spitzenwert von ca. 180 bar auftreten. Eine solche Druckspitze
ist in 3 gestrichelt
dargestellt. Diese Druckspitze resultiert aus der Beschleunigung
der Kraftstoffsäule
in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 durch
die Hochdruckpumpe 30. Durch die erfindungsgemäße Druckbegrenzungseinrichtung 56 werden
diese im Normalbetrieb des Kraftstoffsystems 10 auftretenden
Druckspitzen in der zuvor beschriebenen Weise vermieden. Infolgedessen
ist der Druckanstieg in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
der Kraftstoff-Sammelleitung 46 geringer,
was in der 3 durch die
durchgezogene Linie qualitativ dargestellt ist. Sobald der Förderhub
der Kraftstoffpumpe 30 beendet ist, schließt das Rückschlagventil 44 und
die Feder 96 drückt
den Kolben 72 in Richtung der Ausgleichskammer 82 und
verringert dadurch das Volumen der Ausgleichskammer 82 auf seinen
ursprünglichen
Wert. Der aus der Ausgleichskammer 82 verdrängte Kraftstoff
strömt über die Ringnut 78 in
die Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und trägt somit
zur Druckhaltung im Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 bei.
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Die Überdeckung 88 zwischen
Steuerkante 86 und Ausnehmung 44, die Vorspannung
und Federrate der Feder 96 sowie das Volumen der Ausgleichskammer 82 und
die Drosselwirkung zwischen erstem Bund 74 und Bohrung 70 müssen, wie
bereits erwähnt,
so aufeinander abgestimmt sein, dass bei einem Förderhub der zweiten Kraftstoffpumpe 30 bei ordnungsgemäßem Betrieb
des Kraftstoffsystems 10 die Steuerkante 86 die
Ausnehmung 84 nicht freigibt und somit kein Kraftstoff
aus dem Hochdruckbereich 14 in den Niederdruckbereich 12 strömt. Erst
wenn die Mengenregelung der Kraftstoffpumpe 30 oder ein anderer
Defekt mit ähnlichen
Auswirkungen auftritt, wird das Volumen der Ausgleichskammer 82 so
stark vergrößert, dass
die Steuerkante 86 die Ausnehmung 84 freigibt
und überschüssiger Kraftstoff über die
Ausnehmung 84, die Aussparungen 98, die Federkammer 94 in
die Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 abströmen kann.
Dadurch werden unzulässig
hohe Drücke
im Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 wirkungsvoll
unterbunden.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 dargestellt.
Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und es
gilt das bezüglich 2 Gesagte entsprechend.
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Der wesentliche Unterschied zu dem
ersten Ausführungsbeispiel
gemäß 2 besteht darin, dass der
Kolben 72 unterhalb des ersten Bunds 74 einen
dritten Bund 100 aufweist. Die Ausgleichskammer 82 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
zwischen dem ersten Bund 74 und dem dritten Bund 100 vorhanden
und ist ein ringförmiger
Raum, dessen Volumen sich vergrößert, wenn
sich der Kolben 72 in Richtung der Feder 96 bewegt.
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Der Bund 80 der Bohrung 70 und
der dritte Bund 100 begrenzen einen Raum 102,
der über
eine Bohrung 104 mit der Federkammer 94 und damit
mit der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 hydraulisch
in Verbindung steht. Damit werden die auf die Stirnflächen des
Kolbens 72 wirkenden hydraulischen Kräfte ausgeglichen.
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Da die von der Ausgleichskammer 82 auf den
Kolben 72 entgegen der Schließkraft der Feder 96 auf
den Kolben 72 ausgeübte
hydraulische Kraft nur noch auf der ringförmigen Differenzfläche zwischen
dem Durchmesser D1 des ersten Bunds 74 und
dem Durchmesser D3 des dritten Bunds 100 wirksam
ist, ist diese Kraft, bei sonst gleichen Abmessungen der Druckbegrenzungseinrichtung 56, kleiner
als die von dem in der Ausgleichskammer 82 befindlichen
Kraftstoff auf die Stirnseite des Kolben 72 ausgeübte hydraulische
Kraft gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
(siehe 2). Dies ist
insofern vorteilhaft als man bestrebt ist, die Feder 96 möglichst
klein zu bauen und bei Durchmessern unterhalb von 4 mm der fertigungstechnische
Aufwand zur Herstellung der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtungen 56 sehr
hoch wird. Deshalb sind der Miniaturisierung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2 fertigungstechnische und
wirtschaftliche Grenzen gesetzt sind.
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Mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 kann auf fertigungstechnisch
relativ einfache Weise eine kleine hydraulische Kraft, die entgegen
der Schließkraft
der Feder 96 wirkt, erzeugt werden, bei Durchmessern des
Kolbens 72, die fertigungstechnisch unproblematisch sind.
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Das hydraulische Verhalten dieses
zweiten Ausführungsbeispiels
entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels.
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In 5 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 dargestellt.
Der wesentliche Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass
der Kolben 72 keinen Dichtkegel 90 aufweist. In Schließstellung
der Druckbegrenzungseinrichtung 56 liegt der Kolben 72 mit
seinem dritten Bund 100 auf einem Absatz 106 des
Gehäuses 58 auf
und legt damit die maximale Überdeckung 88 der
Steuerkante 86 fest.
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Das dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 kommt
vorzugsweise in Kraftstoffsystemen 10 zum Einsatz, in denen
nach dem Abstellen des Motors oder im Schubbetrieb der Druck im
Hochdruckbereich 14 über
eine definierte Leckage abgesenkt wird. Durch die Passung zwischen
zweitem Bund 76 und Bohrung 70 sowie die Dimensionierung
der Überdeckung 88 kann
die für
diesen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erforderliche Leckage
eingestellt werden.
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Allgemein wird bei der Auslegung
der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventile 56 darauf geachtet,
dass der Öffnungsdruck
der Druckbegrenzungseinrichtung 56 möglichst unabhängig vom Durchfluss
durch die Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 ist.
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In 6 wird
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 beschrieben.
Bei dieser Druckbegrenzungseinrichtung 56 ist ein herkömmliches,
aus dem Stand der Technik bekanntes Druckbegrenzungsventil 108 so
angeordnet, dass es mit dem Druck der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 beaufschlagt
wird. Das Druckbegrenzungsventil 108 kann als Sitzventil
oder als Kolbenventil ausgeführt
sein.
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Wenn das Druckbegrenzungsventil 108 öffnet, stellt
es eine hydraulische Verbindung zwischen der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 und
der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 her. Das Druckbegrenzungsventil 108 ist
bei dem dritten Ausführungsbeispiel
gemäß 6 in die Kraftstoffpumpe 30 integriert.
Ohne zusätzliche
Maßnahmen
würde das Druckbegrenzungsventil 108 bei
jedem Förderhub der
Kraftstoffpumpe 30 mindestens kurzzeitig öffnen, da
mit jedem Förderhub
ein Druckstoß durch
die Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 wandert,
der größer ist
als der Öffnungsdruck
des Druckbegrenzungsventils 108.
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Nachfolgend werden die Maßnahmen,
welche das ungewollte Öffnen
des Druckbegrenzungsventils 108 im Normalbetrieb des Kraftstoffsystems 10 verhindern,
beschrieben:
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 ist eine Ausgleichsbohrung 110 in
dem Gehäuse 58 der Kraftstoffpumpe 30 vorgesehen,
in der ein Ausgleichskolben 112 dichtend geführt ist.
Der Ausgleichskolben 112 wird von einer Druckfeder 114,
die sich einenends gegen das Gehäuse 58 und
anderenends gegen den Ausgleichskolben 112 abstützt, gegen
einen als erste Wegbegrenzung dienenden Absatz 116 der
Ausgleichsbohrung 110 gedrückt. Der Ausgleichskolben 112 begrenzt
eine Ausgleichskammer 82, welche unmittelbar an den Förderraum 60 der
Kraftstoffpumpe 30 anschließt. In 6 ist der Förderraum 60 vollständig dargestellt.
In dieser Darstellung ist ein Pumpenkolben 118 erkennbar,
der in dem Gehäuse 58 dichtend
geführt
wird und den Förderraum 60 begrenzt.
Der Antrieb des Pumpenkolbens 118 ist nicht dargestellt.
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In der in 6 dargestellten Position des Ausgleichskolbens 112 ist
das Volumen der Ausgleichskammer 82 minimal. Wenn der auf
den Ausgleichskolben 112 wirkende Druck in der Förderkammer 60 während des
Förderhubs
des Pumpenkolbens 118 der Kraftstoffpumpe 30 die
Vorspannung der Druckfeder 114 überwindet, hebt der Ausgleichskolben 112 vom
Absatz 116 ab und entfernt sich vom Förderraum 60. Dadurch
nimmt das Volumen der Ausgleichskammer 82 zu, so dass der
Druckanstieg im Förderraum
und damit auch in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 begrenzt
wird. Der maximale Hub des Ausgleichskolbens 112 ist in 6 mit "h" bezeichnet.
Der maximale Hub h wird erreicht, wenn der Ausgleichskolben 112 am
Grund 120 der Ausgleichsbohrung 110 anliegt. Wenn
der Pumpenkolben 118 seinen oberen Totpunkt erreicht hat
und sich danach wieder in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt,
sinkt der Druck im Förderraum 60 schnell
ab, so dass die Druckfeder 114 den Ausgleichskolben 112 wieder
in Anlage an den Absatz 116 bringen kann. Dadurch wird
Kraftstoff aus der Ausgleichskammer 82 in den Förderraum 60 zurückgefördert.
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Die Vorspannung der Druckfeder 114 und der
Durchmesser des Ausgleichskolbens 112 werden so bemessen,
dass der Ausgleichskolben 112 einerseits erst bei Drücken, die über dem
normalen Betriebsdruck im Hochdruckbereich 14 des Kraftstoffsystems 10 liegen, öffnet. Andererseits
hebt der Ausgleichskolben 112 schon vor Erreichen des Öffnungsdrucks
des Druckbegrenzungsventils 108 von dem Absatz 116 ab.
Dadurch ist ein guter Wirkungsgrad der Kraftstoffpumpe 30 gewährleistet
und gleichzeitig wird wirkungsvoll verhindert, dass kurzzeitige
Druckspitzen zu einem Öffnen
des Druckbegrenzungsventils 108 führen können.
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Zwischen dem Förderraum 60 und dem Rückschlagventil 44 ist
eine erste Drossel 122 vorgesehen. Diese erste Drossel 122 ist
so ausgelegt, dass sie bei hohen Druckgradienten im Förderraum 60 zur
Dämpfung
von Druckspitzen in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 beiträgt. Allerdings
ist bei der Auslegung der ersten Drossel 122 darauf zu
achten, dass die Druckverluste in der ersten Drossel 122 nicht
zu groß werden,
da die gesamte Fördermenge der
Kraftstoffpumpe 30 durch die erste Drossel 122 strömt.
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Zusätzlich sind in einer Zweigleitung 124, welche
die Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 mit dem Druckbegrenzungsventil 108 verbindet,
eine zweite Drossel 126 und ein Zusatzvolumen 128 angeordnet. Die
zweite Drossel 126 und das Zusatzvolumen 128 wirken
als Tiefpassfilter und verhindern somit zusätzlich ein unerwünschtes
kurzzeitiges Öffnen
des Druckbegrenzungsventils 108 aufgrund von Druckpulsationen,
die durch den Förderhub
der Kraftstoffpumpe 30 ausgelöst sind.
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Das Druckbegrenzungsventil 108 und
die Rückseite
des Ausgleichskolbens 112 sind über Leckageleitungen 130 mit
der Niederdruck-Kraftstoffleitung 22 verbunden.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung 56 dargestellt.
Der wesentliche Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 6 besteht darin, dass der
Ausgleichskolben 112 und die Ausgleichsbohrung 110 im
Pumpenkolben 118 der Kraftstoffpumpe 30 angeordnet
sind. Hydraulisch wirkt der Ausgleichskolben 112 bei den
Ausführungsbeispielen
gemäß 6 und 7 gleich. Die Leckageabfuhr von der Rückseite
des Ausgleichskolbens 112 erfolgt über eine Längsbohrung 132 und eine
Querbohrung 134 sowie eine Ringnut 136, die mit
der Leckageleitung 130 in Verbindung steht.
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Gesichert wird der Ausgleichskolben 118 durch
einen Sicherungsring 140, der gleichzeitig auch als Wegbegrenzung
dient. Der Sicherungsring 140 wird in eine Nut 142 in
der Ausgleichsbohrung 110 eingelegt.