DE60013979T2

DE60013979T2 - Hochdruckkraftstoffpumpe und Nocken für Hochdruckkraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE60013979T2
Application number: DE60013979T
Authority: DE
Inventors: Daichi Toyota-shi Aichi-ken Yamazaki; Masanori Toyota-shi Aichi-ken Sugiyama; Naoki Toyota-shi Aichi-ken Kurata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-07-28
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: KR100373616B1; CN1282839A; US6694952B1; EP1072787A3; EP1072787B1; EP1072787A2; EP1072787B2; DE60013979D1; KR20010021122A; CN1127616C; JP2001041128A; DE60013979T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe, die Kraftstoff von einem Kraftstofftank zu einer internen Verbrennungskraftmaschine pumpt und die gepumpte Kraftstoffmenge (ausgestoßene Kraftstoffmenge) durch Verwendung eines Überströmventils regelt. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Betreiben der Hochdruckkraftstoffpumpe in der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung und die Verwendung eines Nockens in der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung zum Antrieb der Hochdruckkraftstoffpumpe.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Entsprechende Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtungen sind z.B. in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 10-176618 und 10-176619 und ähnlichen beschrieben.
Bei einer typischen Hochdruckkraftstoffpumpe wird eine in einem Zylinder angeordnete Kolbenstange von einem Nocken hin- und herbewegt, der von einer internen Verbrennungskraftmaschine gedreht wird, wie in den oben erwähnten offengelegten Patentanmeldungen beschrieben. Während des Ansaughubs, während dem sich die Kapazität einer von dem Zylinder und der Kolbenstange gebildeten Druckkammer erhöht, wird von einem Kraftstofftank Kraftstoff in die Druckkammer gesaugt. Eine in die Druckkammer gesaugte Kraftstoffmenge wird während des Ausstoßhubs, bei dem sich die Kapazität der Druckkammer vermindert, in einen Kraftstoffeinspritzkanal ausgestoßen. Während des Ausstoßhubs wird die Schließdauer eines Überströmventils (elektromagnetisches Überströmventil) gesteuert. Eine während des Ausstoßhubs ausgestoßene wesentliche Kraftstoffmenge wird entsprechend der Ventilschließdauer des Überströmventils während des Ausstoßhubs gesteuert. D.h., während das Überströmventil geöffnet ist, kann mit in der Druckkammer mit Druck beaufschlagter Kraftstoff in einen Niederdruckkanal auch während des Ausstoßhubs strömen. Dies geschieht nicht, bis das Überströmventil bei einem geeigneten Zeitpunkt während der Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs geschlossen ist, bei dem der Kraftstoffausstoß in den Ausstoßkanal beginnt. Zum Zeitpunkt, wenn dann das Überströmventil erneut geöffnet wird, beginnt der Kraftstoff in den Niederdruckkanal zu strömen, sodass der Kraftstoffausstoß unterbrochen wird. Durch Verwendung des Überströmventils auf diese Weise ermöglicht die Hochdruckkraftstoffpumpe eine sehr genaue Einstellung der ausgestoßenen Kraftstoffmenge.
Während des Betriebs der Hochdruckkraftstoffpumpe wirkt der Druck, mit dem der in der Druckkammer vorhandene Kraftstoff beaufschlagt wird, wenn sich die Kolbenstange in die Kammerkapazitätverminderungsrichtung während des Ausstoßhubs bewegt, auf das Überströmventil in Ventilschließrichtung. Wenn das Überströmventil zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Kraftstoffausstoßhubs geschlossen ist, beschleunigt der Kraftstoffdruck die Schließgeschwindigkeit des Überströmventils, sodass das beim Schließen des Ventils erzeugte Aufschlaggeräusch zunimmt. Insbesondere während eines Niedriglastbetriebs des Motors, wie z.B. im Leerlauf oder ähnlichem, ist das Betriebsgeräusch des Motors geringer als in anderen Betriebszuständen des Motors, sodass das Betriebsgeräusch (Aufschlaggeräusch) von der Hochdruckkraftstoffpumpe auf ein Maß ansteigt, das nicht vernachlässigt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe zu schaffen, mit der das Betriebsgeräusch hinsichtlich des Schließens eines Überströmventils vermindert wird, sogar während eines Niedriglastbereichs einer internen Verbrennungskraftmaschine, wie z.B. beim Leerlauf und ähnlichem.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 geschaffen. Der Kolbenstangenantrieb der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung ist eine Geschwindigkeitsänderungseinrichtung zum Erreichen einer geringeren Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer während des Ausstoßhubs als während des Ansaughubs.
Der während einer Bewegung der Kolbenstange in die Kapazitätsverminderungsrichtung beim Kraftstoff in der Druckkammer auftretende Druck wirkt auf das Überströmventil in Ventilschließrichtung, wie oben beschrieben. Die Größe des auf das Überströmventil in Ventilschließrichtung wirkenden Drucks hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit der Kolbenstange in Kapazitätsverminderungsrichtung, d.h., von der Änderungs-(Verminderungs-)geschwindigkeit oder dem Kapazitätsänderungsbetrag der Druckkammer während des Ausstoßhubs ab. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer während des Ausstoßhubs geringer als die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer während des Ansaughubs gemacht wird, kann der auf das Überströmventil in Ventilschließrichtung wirkende Druck vermindert werden, und daher kann das zum Schließzeitpunkt des Überströmventils erzeugte Aufschlaggeräusch ebenfalls vermindert werden. Eine derartige Verminderung des Aufschlaggeräuschs zum Schließzeitpunkt des Überströmventils führt zu einer guten Verminderung des Betriebsgeräuschs der Hochdruckkraftstoffpumpe während des Niedriglastbetriebs der internen Verbrennungskraftmaschine, z.B. beim Leerlauf und ähnlichem.
Bei der oben beschriebenen Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung kann die Geschwindigkeitsänderungseinrichtung einen Nocken umfassen. Der Nocken kann so konstruiert sein, dass der Nocken ein asymmetrisches Nockenprofil für den Ausstoßhub und den Ansaughub aufweist, und dass eine Nockenwinkel für den Ausstoßhub größer als ein Nockenwinkel für den Ansaughub ist.
Infolge der Ausbildung des Nockenprofils, das den Drehwinkel des Nockens während des Ausstoßhubs größer als den Drehwinkel des Nockens während des Ansaughubs macht, schafft der Nocken eine kleinere Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer während des Ausstoßhubs als ein Nocken mit einem symmetrischen Profil für den Ansaughub und den Ausstoßhub. Somit kann die oben beschriebene Betriebsgeräuschverminderung in vorteilhafter Weise leicht und zuverlässig erreicht werden.
Das Nockenprofil des Nockens kann ebenfalls so ausgebildet sein, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer in bezug auf den Nockenwinkel während mindestens eines Teils des Ausstoßhubs im Wesentlichen konstant ist.
Das Vorsehen eines Nockenprofilabschnitts für eine konstante Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer während des Ausstoßhubs ergibt etwa eine lineare Änderung in der ausgestoßenen Kraftstoffmenge. Daher wird es in dem Fall möglich, in dem die ausgestoßene Kraftstoffmenge von der Druckkammer auf der Grundlage einer Steuerung der Ventilschließdauer des Überströmventils geregelt wird, die Ventilschließdauersteuerung in einer einfachen Weise auf der Grundlage eines vereinfachten Berechnungsverfahrens durchzuführen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung umfaßt die Verwendung eines Nockens in einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung zum Antrieb einer Hochdruckkraftstoffpumpe nach Anspruch 6. Der Nocken weist ein Nockenprofil auf, das für den Ausstoßhub und den Ansaughub asymmetrisch ist, und wobei ein Nockenwinkel für den Ausstoßhub größer als ein Nockenwinkel für den Ansaughub ist.
Die Verwendung des oben beschriebenen Nockens vermindert die Kolbenstangengeschwindigkeit (die Änderung(verminderungs)geschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer) während des Ausstoßhubs und vermindert daher das Betriebsgeräusch der Hochdruckkraftstoffpumpe, das von dem Aufschlaggeräusch während des Schließzeitpunkts des Überströmventils herrührt.
Bei dem oben beschriebenen Nocken wird das Nockenprofil so ausgebildet, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer in bezug auf den Nockenwinkel im Wesentlichen während mindestens eines Teils des Ausstoßhubs konstant ist.
Das Nockenprofil gestattet eine einfachere Steuerung der Ventilschließdauer des Überströmventils auf der Grundlage eines vereinfachten Berechnungsverfahrens.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Betreiben der Hochdruckkraftstoffpumpe in der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung mit der oben beschriebenen Konstruktion.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszeichen für entsprechend gleiche Bauteile verwendet werden. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Konstruktion einer bevorzugten Ausführungsform der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Ausbildung eines Pumpenantriebsnockens für die in 1 dargestellte Ausführungsform;
3A ein Diagramm zur Darstellung der Änderungen des Hubs in bezug auf den Nockenwinkel des in 2 dargestellten Nockens;
3B ein Diagramm zur Darstellung der Änderungen der Kolbenstangengeschwindigkeit in bezug auf den Nockenwinkel; und
4 ein Blockdiagramm einer Konstruktion einer weiteren Ausführungsform der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Hochdruckkraftstoff direkt in jeden Zylinder eines Motors (interne Verbrennungskraftmaschine) 15. Die Vorrichtung weist eine Hochdruckkraftstoffpumpe 11, einen Kraftstofftank 13, eine Niederdruckkraftstoffpumpe 14, eine Drucksammelleitung (z.B. eine Zuführleitung, ein Common-Rail usw.) 55, Einspritzdüsen 56 und ähnliches auf.
Die Hochdruckkraftstoffpumpe 11 beaufschlagt einen Kraftstoff mit einem hohen Druck und pumpt den Hochdruckkraftstoff zu der Drucksammelleitung 55. Die Hochdruckkraftstoffpumpe 11 weist einen Zylinder 20, eine in dem Zylinder 20 hin- und herbewegbare Kolbenstange 21, eine von einer inneren Umfangsfläche des Zylinders 20 und eine obere Endfläche der Kolbenstange 21 gebildete Druckkammer 22, eine Niederdruckkammer 42 und ein Überströmventil (elektromagnetisches Überströmventil) 41 auf, das zwischen der Druckkammer 22 und der Niederdruckkammer 42 angeordnet ist.
Bei der oben beschriebenen Hochdruckkraftstoffpumpe 11 wird ein mit einem unteren Ende (unteres Ende in 1) der Kolbenstange 21 verbundener Stößel 23 gegen einen Nocken 25 mittels der Kraft einer Feder (nicht dargestellt) gedrückt. Der Nocken 25 ist an einer An triebswelle 24 vorgesehen, die mit einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Motors 15 verbunden ist. Wenn sich der Nocken 25 mit der Drehung der Antriebswelle 24 dreht, wird die Kolbenstange 21 in den Zylinder 20 hin- und herbewegt, wobei sie die Kapazität der Druckkammer 22 verändert. Bei dieser Ausführungsform weist der Nocken 25 asymmetrische Nockenprofile für den Ansaughub und den Ausstoßhub auf. Der asymmetrische Nocken 25 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Die Druckkammer 22 ist über das Überströmventil 41 und einen Ansaugkanal 30 mit dem Kraftstofftank 13 verbunden. Der Ansaugkanal 30 ist mit einer Niederdruckzuführpumpe 14 und einem Kraftstofffilter 32 versehen. Die Niederdruckzuführpumpe 14 wird elektrisch von einer elektronischen Steuereinheit (im Folgenden als „ECU") 60, die den Betrieb des Motors 15 steuert, angetrieben. Die Niederdruckzuführpumpe 14 saugt Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 13 und führt den Kraftstoff der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 zu. Bei der Förderung des Kraftstoffs werden Verunreinigungen des Kraftstoffs durch den Kraftstofffilter 32 entfernt.
Nach der Zuführung zur Hochdruckkraftstoffpumpe 11 über den Ansaugkanal 30 wird der Kraftstoff in die Druckkammer 22 über das Überströmventil 41 geleitet. Das Überströmventil 41 ist ein elektromagnetisches Ventil, das auf der Grundlage der von der ECU 60 gesteuerten Erregung eines Solenoids 45 geschlossen oder geöffnet wird. D.h., das Überströmventil 41 ist ein normalerweise geöffnetes elektromagnetisches Ventil, das geöffnet ist, wenn der Solenoid 45 nicht erregt ist, und daher ein Stator (nicht dargestellt) nicht magnetisiert ist. Im offenen Zustand ist der Ventilkörper 47 des Überströmventils 41 im Abstand von einem Öffnungsabschnitt 22a der Druckkammer 22 durch die Kraft einer Feder 49 gehalten. Wenn der Stator von dem Solenoid 45 magnetisiert wird, wird ein Anker 48 gegen die Kraft der Feder 49 in Richtung des Stators bewegt, sodass der Ventilkörper 47 den Öffnungsabschnitt 22a schließt und somit das Ventil schließt.
Ein Abschnitt des Ansaugkanals 30, der sich zwischen der Niederdruckzuführpumpe 14 und dem Kraftstofffilter 32 erstreckt, ist über einen Rückführkanal 33 mit dem Kraftstofftank 13 verbunden. In dem Rückführkanal 33 ist ein Entspannungsventil 34 angeordnet. Das Entspannungsventil 34 öffnet, wenn der Kraftstoffdruck im Abschnitt des Ansaugkanals 30, der sich zwischen der Niederdruckzuführpumpe 14 und dem Kraftstofffilter 32 erstreckt, gleich oder größer als ein bestimmter Wert wird. Wenn sich das Entspannungsventil 34 öffnet, wird der Kraftstoff von dem Ansaugkanal 30 über den Rückführkanal 33 zum Kraftstofftank 13 zurückgeführt. Hierdurch wird der Druck des von der Niederdruckzuführpumpe 14 dem Kraftstofffilter 32 zugeführten Kraftstoffs im Wesentlichen konstant gehalten.
Ein Überströmkanal 39, der sich zwischen dem Überströmventil 41 (Niederdruckkammer 42) und dem Kraftstofftank 13 erstreckt, ist mit einem Druckregler 50 versehen. Wenn das Überströmventil 41 geöffnet ist, wird Kraftstoff, dessen Druck höher als der Ventilöffnungsdruck des Druckreglers 50 ist, über dem Überströmkanal 39 zum Kraftstofftank 13 zurückgeführt.
Die Drucksammelleitung 55 ist mit der Druckkammer 22 über einen Ausspritzkanal 35 und ein Rückschlagventil 36 verbunden. Die Drucksammelleitung 55 hält einen hohen Druck des Kraftstoffs aufrecht und verteilt den Hochdruckkraftstoff in die für die einzelnen Zylinder des Motors 15 vorgesehenen Einspritzdüsen 56. Jede Einspritzdüse 56 wird auf der Grundlage eines Treibersignals von der ECU 60 geöffnet und geschlossen, sodass eine bestimmte Kraftstoffmenge direkt in einen entsprechenden Zylinder der Zylinder des Motors 15 eingespritzt wird. Das in dem Ausspritzkanal 35 vorgesehene Rückschlagventil 36 erlaubt eine Kraftstoffströmung nur in die Richtung von der Druckkammer 22 zur Drucksammelleitung 55 und verhindert eine umgekehrte Strömung des Kraftstoffs von der Drucksammelleitung 55 zur Druckkammer 22.
Die Drucksammelleitung 55 ist mit dem Kraftstofftank 13 über einen Rückführkanal 38 mit einem Entspannungsventil 37 verbunden. Wenn der Kraftstoffdruck in der Drucksammelleitung 55 auf oder über einen bestimmten Wert ansteigt, öffnet das Entspannungsventil 37, sodass Kraftstoff von der Drucksammelleitung 55 über den Rückführkanal 38 zum Kraftstofftank 13 zurückgeführt wird. Somit wird verhindert, dass der Kraftstoffdruck in der Drucksammelleitung 55 übermäßig ansteigt. Die Drucksammelleitung 55 ist weiter mit einem Kraftstoffdrucksensor 61 versehen. Der Kraftstoffdruck in der Drucksammelleitung 55 wird von dem Kraftstoffdrucksensor 61 erfaßt und von der ECU 60 überwacht. Die ECU 60 umfaßt einen Rechner (nicht dargestellt) mit einer CPU, einem RAM, I/O-Eingängen und ähnlichem.
Bei der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 dieser Ausführungsform ist der Nocken 25 zum Hin- und Herbewegen der Kolbenstange 21 ein Nocken, dessen Nockenprofil für den Ansaughub und den Ausstoßhub asymmetrisch ist, wie oben beschrieben. Das Nockenprofil des Nockens 25 ist in einer vergrößerten Ansicht in 2 dargestellt.
Wie in 2 gezeigt, weist der Nocken 25 zwei Abschnitte für den Ansaughub und den Ausstoßhub auf. Bei diesen Abschnitten des Nockens 25 sind die Abschnitte für den Ausstoßhub θ1 größer als die Abschnitte für den Ansaughub θ2. D.h., der dem Ausstoßhub θ1 entsprechende Nockenwinkel ist größer als der dem Ansaughub θ2 entsprechende Nockenwinkel. Somit ist die Veränderungsgeschwindigkeit (Ausdehngeschwindigkeit) oder der Kapazitätsänderungsbetrag der Druckkammer 22 während des Ansaughubs größer als die Änderungsgeschwindigkeit (Verminderungsgeschwindigkeit) oder der Kapazitätsänderungsbetrag der Druckkammer 22 während des Ausstoßhubs, auch wenn die Drehzahl der Antriebswelle 24 des Nockens 25 konstant ist.
Der Betrieb der Hochdruckkraftstoffpumpe gemäß dieser Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3A und 3B beschrieben.
In 3A zeigt eine ausgezogene Linie 200 und eine gestrichelte Linie 100 die Höhe der Kolbenstange 21 in bezug auf den Winkel des Nockens 25. Die gestrichelte Linie 100 weist eine gestrichelte Linie 120 auf, die darstellt, wenn das Überströmventil 47 geschlossen ist, und eine gestrichelte Linie 130 auf, die darstellt, wenn das Überströmventil 47 bei dem Hochdruckventil nach dem Stand der Technik geöffnet ist. Die ausgezogene Linie 200 weist eine gestrichelte Linie 220 auf, die darstellt, wenn das Überströmventil 47 geöffnet ist, und eine gestrichelte 230 auf, die darstellt, wenn das Überströmventil 47 gemäß der Erfindung geöffnet ist. Wenn der Betrieb des Motors 15 gestartet wird, dreht sich der Nocken 25 mit der Drehung der Antriebswelle 24, wodurch sich die Kolbenstange 21 in dem Zylinder 20 in der vertikalen Richtung in 1 hin- und herbewegt. Der Kraftstoff in dem Ansaugkanal 30, der von dem Kraftstofftank 13 über die Niederdruckzuführpumpe 14 zugeführt wird, wird in die Druckkammer 22 über das geöffnete Überströmventil 41 gleichzeitig mit dem Beginn einer Abwärtsbewegung der Kolbenstange 21 von dem oberen Totpunkt (TDC) 230 während des Ansaughubs der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 zugeführt.
Wenn sich die Kolbenstange 21 von dem unteren Totpunkt (BDC) während des Ausstoßhubs der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 beginnt nach oben zu bewegen, strömt ein Teil der Kraftstoffmenge in der Druckkammer 22 über das Überströmventil 41 in den Überströmkanal 39 und kehrt zum Kraftstofftank 13 über den Druckregler 50 während des geöffneten Zustands des Überströmventils 41 zurück. D.h., dass auch, wenn sich die Hochdruckkraftstoffpumpe 11 in dem Ausstoßhub befindet, dass Kraftstoff nicht von der Druckkammer 22 in die Drucksammelleitung 55 gepumpt wird, solange das Überströmventil 41 geöffnet ist.
Wenn das Überströmventil 41 aufgrund der Erregung des Solenoids 45 geschlossen ist, wird der Kraftstoff in der Druckkammer 22 mit Druck beaufschlagt und der mit Druck beaufschlagte Kraftstoff wird zur Drucksammelleitung 55 über den Ausspritzkanal 35 und das Rückschlagventil 36 gepumpt.
Hierbei steuert die ECU 60 die in die Drucksammelleitung 55 gepumpte Kraftstoffmenge so, dass der in der Drucksammelleitung 55 von dem Kraftstoffdrucksensor 61 erfaßte Kraftstoffdruck gleich einem bestimmten Druck wird, indem die Ventilschließdauer des Überströmventils 41 eingestellt wird, d.h., es wird der Zeitpunkt des Erregungsbeginns des Solenoids 45 und der Zeitpunkt der Entregung eingestellt.
Wenn das Überströmventil 41 geschlossen ist, wie mittels der gestrichelten Linie 21 dargestellt, tritt ein lautes Aufschlaggeräusch auf, da der in der Druckkammer 22 mit Druck beaufschlagte Kraftstoff einen große Kraft auf das Überströmventil 41 in Schließrichtung bewirkt zusätzlich zu der von der Erregung des Solenoids 45 bewirkten elektromagnetischen Kraft auf das Überströmventil 41, wie oben beschrieben. Das Aufschlaggeräusch wird relativ laut, insbesondere bei einem Niedriglastbetrieb des Motors, wie z.B. beim Leerlauf oder ähnlichem, da das Motorgeräusch 15 bei diesem Betriebszustand gering ist.
Da bei dieser Ausführungsform der Nocken 25 jedoch unterschiedliche Nockenwinkel für den Saughub und den Ausstoßhub der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 aufweist, wie oben beschrieben, ändert sich die Höhe der Kolben stange 21 bei der Winkelposition des Nockens 25 entsprechend der mittels einer ausgezogenen Linie 200 in 3A gezeigten Weise. Wie man aus einem Vergleich zwischen der Hubänderungscharakteristik eines üblichen Nockens mit einem symmetrischen Profil für den Saughub und den Ausstoßhub, gezeigt durch eine gestrichelte Linie 100 in 3A, sieht, ist die Zeitdauer des Ausstoßhubs des Nockens 25 länger als die Zeitdauer des Ausstoßhubs bei dem bekannten Nocken. Daher wird die Änderungsgeschwindigkeit des Hubs pro Nockenwinkeleinheit, d.h., die Bewegungsgeschwindigkeit der Kolbenstange (oder die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer 22) während des Ausstoßhubs bei dieser Ausführungsform vermindert. Die von dem Nocken 25 dieser Ausführungsform und dem bekannten Nocken bewirkten Kolbenstangengeschwindigkeiten sind in 3B gezeigt.
In 3B ist die Geschwindigkeit der Kolbenstange gegenüber dem Nockenwinkel mittels der ausgezogenen Linie 210 und der gestrichelten Linie 110 gezeigt. Die gestrichelte Linie 110 weist eine gestrichelte Linie 120 auf, die zeigt, wo das Überströmventil 47 schließt, und eine gestrichelte Linie 130 auf, die zeigt, wo das Überströmventil 47 bei dem bekannten Hochdruckventil öffnet. Die gestrichelte Fläche 300 zwischen der gestrichelten Linie 120 und der gestrichelten Linie 130 zeigt eine Kraftstoffmenge, die für die Drucksammelleitung 55 während des Leerlaufs des Motors erforderlich ist, und die entsprechend der Schließdauer des Überströmventils 41 eingestellt wird. Die ausgezogene Linie 210 weist eine gestrichelte Linie 220 auf, die darstellt, wo das Überströmventil 47 schließt, und eine gestrichelte Linie 230 auf, die darstellt, wo das Überströmventil 47 gemäß der Erfindung öffnet. Die gestrichelte Fläche 310 zwischen den gestrichelten Linien 220 und 230 zeigt eine Kraftstoffmenge, die für die Drucksammelleitung 55 während des Leerlaufs des Motors erforderlich ist, und die entsprechend der Schließdauer des Überströmventils 41 eingestellt wird. Die gestrichelten Bereiche 300, 310 in bezug auf den bekannten Nocken (110) und den Nocken 25 (210) gemäß dieser Ausführungsform sind gleich. Bei dem Schließzeitpunkt des Überströmventils werden jedoch unterschiedliche Kolbenstangengeschwindigkeiten durch den Nocken 25 gemäß dieser Ausführungsform mit einem asymmetrischen Profil und dem üblichen Nocken mit einem symmetrischen Nockenprofil für den Ausstoßhub und den Ansaughub geschaffen, wie dies mittels der gestrichelten Zonen 300 und 310 in 3B gezeigt ist. D.h., wie in 3B gezeigt, ist die Kolbenstangengeschwindigkeit durch den Kolben 25 (ausgezogene Linie 210) zum Schließzeitpunkt des Überströmventils 41 (gestrichelte Linie 220) geringer als die Kolbenstangengeschwindigkeit durch den üblichen Nocken (gestrichelte Linie 110) zum Schließzeitpunkt des Überströmventils (gestrichelte Linie 120). Der Unterschied in der Schließgeschwindigkeit der Kolbenstangen zum Schließzeitpunkt ist mittels des Spalts 320 gezeigt. Die Ausführungsform vermindert daher das zum Schließzeitpunkt des Überströmventils 41 erzeugte Aufschlaggeräusch.
Wie man aus der obigen Beschreibung sieht, werden folgende Vorteile durch die Ausführungsform erreicht.
Da der Nocken 25 einen größeren Nockenwinkel für den Ausstoßhub als für den Ansaughub aufweist, wird die Kolbenstangengeschwindigkeit unmittelbar vor dem Schließen des Überströmventils 41 während des Ausstoßhubs vermindert, sodass das beim Schließen des Überströmventils 41 erzeugte Aufschlaggeräusch vermindert wird.
Insbesondere, wenn das Aufschlaggeräusch zum Schließzeitpunkt des Überströmventils 41 relativ laut bei einem verminderten Betriebsgeräusch des Motors 15 wird, z.B. während eines Niedriglastbetriebs des Motors, z.B. beim Leerlauf oder ähnlichem, wird der Vorteil der Verminderung des Aufschlaggeräuschs sehr deutlich, d.h., die Störung eines Fahrgastes oder ähnlichem, kann beträchtlich vermindert werden.
Die Hochdruckkraftstoffpumpe gemäß dieser Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform begrenzt, sondern kann, wie unten beschrieben, verändert werden.
Bei der oben Ausführungsform weist der Nocken 25 ein Profil auf, das den Hub in einer Sinuskurvenart oder einer nahezu Sinuskurvenart ändert. Der oben beschriebene Nocken 25 kann jedoch durch einen Nocken ersetzt werden, der eine Hubänderung erreicht, die durch eine lineare Funktion während des größten Teils des Ausstoßhubs ausgedrückt wird, d.h., ein Nocken mit einem Nockenprofil, das eine konstante Änderungsrate der Kapazität der Druckkammer in bezug auf den Nockenwinkel während eines Teils des Austoßhubs oder des gesamten Ausstoßhubs erreicht. Die Verwendung eines derartigen Nockens ermöglicht eine vereinfachte Steuerung der Ventilschließdauer des Überströmventils 41 auf der Grundlage eines vereinfachten Berechnungsverfahrens.
Obwohl bei der obigen Ausführungsform der Nocken 25 zwei Nockenkurven aufweist, ist es ebenfalls möglich, einen Nocken zu verwenden, der nur eine Nockenkurve oder mehr als zwei Nockenkurven aufweist.
In 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Hochdruckkraftstoffpumpe 11, einen Kraftstofftank 13, eine Niederdruckkraftstoffpumpe 14, eine Sammelleitung (z.B. eine Zuführleitung, ein Common-Rail usw.) 55, Einspritzdüsen 56 und ähnliches auf.
Die Hochdruckkraftstoffpumpe 11 beaufschlagt den Kraftstoff mit einem hohen Druck und pumpt den mit Druck beaufschlagten Kraftstoff zu der Drucksammelleitung 55. Die Hochdruckkraftstoffpumpe 11 weist einen Zylinder 20, eine in dem Zylinder 20 hin- und herbewegbare Kolbenstange 21, eine von einer inneren Umfangsfläche des Zylinders 20 und einer oberen Endfläche der Kolbenstange 20 gebildete Druckkammer 22, eine Hochdruckkammer 60, eine Niederdruckkammer 42 und ein Überströmventil (elektromagnetisches Überströmventil) 47 auf, das zwischen der Druckkammer 22 und der Niederdruckkammer 42 angeordnet ist. Die Hochdruckkammer 60 ist mit der Druckkammer 22 über die Druckleitung 35 verbunden.
Bei der oben beschriebenen Hochdruckkraftstoffpumpe 11 wird ein mit einem unteren Ende (unteres Ende in 4) der Kolbenstange 21 verbundener Stößel 23 durch die Kraft einer Feder (nicht dargestellt) gegen einen Nocken 25 gedrückt. Der Nocken 25 ist an einer Antriebswelle 24, die mit einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Motors 15 verbunden ist, vorgesehen. Da sich der Nocken 25 mit der Drehung der Antriebswelle 24 dreht, bewegt sich die Kolbenstange 21 in dem Zylinder 20 hin und her, wobei sie die Kapazität der Druckkammer 22 ändert. Bei dieser Ausführungsform weist der Nocken 25 asymmetrische Nockenprofile für den Saughub und den Ausstoßhub auf. Der asymmetrische Nocken 25 wurde im Einzelnen unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Die Druckkammer 22 ist über das Entspannungsventil 31 und einen Ansaugkanal 30 mit dem Kraftstofftank 13 verbunden. Der Ansaugkanal 30 ist mit der Niederdruckzuführpumpe 14 und einem Kraftstofffilter 32 versehen. Die Niederdruckpumpe 14 wird elektrisch, gesteuert von einer elektronischen Steuereinheit (im Folgenden als „ECU" bezeichnet) 60 angetrieben, die den Betrieb des Motors 15 steuert. Die Niederdruckzuführpumpe 14 saugt Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 13 und führt ihn der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 zu. Bei der Zuführung des Kraftstoffs werden Verunreinigungen im Kraftstoff von dem Kraftstofffilter 32 entfernt.
Nachdem der Kraftstoff über den Ansaugkanal 30 der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 zugeführt wurde, wird er über das Rückschlagventil 31 in die Druckkammer 22 geleitet. Das in dem Ansaugkanal 30 vorgesehene Rückschlagventil 31 erlaubt eine Kraftstoffströmung nur in Richtung von dem Kraftstofftank 13 zur Druckkammer 20 und verhindert eine umgekehrte Strömung des Kraftstoffs von der Druckkammer 22 zum Kraftstofftank 13.
Ein Abschnitt des Ansaugkanals 30, der sich zwischen der Niederdruckzuführpumpe 14 und dem Kraftstofffilter 32 erstreckt, ist über einen Rückführkanal 33 mit dem Kraftstofftank 13 verbunden. Ein Entspannungsventil 34 ist in dem Rückführkanal 33 vorgesehen. Das Entspannungsventil 34 öffnet, wenn der Kraftstoffdruck in dem Abschnitt des Ansaugkanals 30, der sich zwischen der Niederdruckzuführpumpe 14 und dem Kraftstofffilter 32 erstreckt, gleich oder größer als ein bestimmter Wert wird. Wenn das Entspannungsventil 34 öffnet, wird Kraftstoff von dem Ansaugkanal 30 zum Kraftstofftank 13 über den Rückführkanal 33 zurückgeführt. Hierdurch wird der von der Niederdruckzuführpumpe 14 dem Kraftstofffilter 32 zugeführte Kraftstoff bei einem im Wesentlichen konstanten Druck gehalten.
Zwischen dem Druckregler 30 und dem Kraftstofftank 13 ist ein Überströmkanal 39 vorgesehen. Kraftstoff, dessen Druck höher als der Ventilöffnungsdruck des Druckreglers 50 ist, wird dem Kraftstofftank 13 über den Überströmkanal 39 zurückgeführt.
Ein zweiter Überströmkanal 39 erstreckt sich von dem Überströmventil 41 zum Kraftstofftank 13 über das Entspannungsventil 40. Wenn das Entspannungsventil 40 öffnet, wird Kraftstoff von dem Überströmventil 41 zu dem Kraftstofftank 13 über den Überströmkanal 39 zurückgeführt.
Die Drucksammelleitung 55 ist über einen Ausspritzkanal 35 und ein Rückschlagventil 36 mit der Druckkammer 22 verbunden. Die Drucksammelleitung 55 hält einen Hochdruck des Kraftstoffs aufrecht und verteilt den Hochdruckkraftstoff in die Einspritzventile 56 der einzelnen Zylinder des Motors 15. Jedes Einspritzventil 56 wird auf der Grundlage eines Antriebssignals von der ECU 60 geöffnet und geschlossen, sodass eine bestimmte Kraftstoffmenge direkt in einen entsprechenden Zylinder des Motors 15 eingespritzt wird. Das in dem Ausspritzkanal 35 vorgesehene Rückschlagventil 36 erlaubt, dass der Kraftstoff nur in die Richtung von der Druckkammer 22 zur Drucksammelleitung 55 strömt und verhindert eine umgekehrte Strömung des Kraftstoffs von der Drucksammelleitung 55 zur Druckkammer 22.
Die Drucksammelleitung 55 ist mit dem Kraftstofftank 13 über einen Rückführkanal 38 verbunden, der ein Entspannungsventil 37 aufweist. Wenn der Kraftstoffdruck in der Drucksammelleitung 55 einen vorbestimmten Wert erreicht oder diesen überschreitet, öffnet das Entspannungsventil 37, sodass der Kraftstoff von der Drucksammelleitung 55 zum Kraftstofftank 13 über den Rückführkanal 38 zurückgeführt wird. Somit wird verhindert, dass der Kraftstoffdruck in der Drucksammelleitung 55 übermäßig ansteigt. Die Drucksammelleitung 55 ist mit einem Kraftstoffdrucksensor 61 versehen. Der Kraftstoffdruck in der Drucksammelleitung 55 wird von dem Kraftstoffdrucksensor 61 erfaßt und von der ECU 60 überwacht. Die ECU 60 umfaßt einen Rechner (nicht dargestellt) mit einer CPU, einem RAM, einem I/O-Eingang und ähnlichem.
Bei der Hochdruckkraftstoffpumpe 11 dieser Ausführungsform ist der Nocken 25 zur Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 21 ein Nocken, dessen Profil für den Ansaughub und den Ausstoßhub asymmetrisch ist, wie dies oben beschrieben wurde. Das Nockenprofil des Nockens 25 ist vergrößert in 2 dargestellt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Bewegungsgeschwindigkeit der Kolbenstange während des Ausstoßhubs vermindert, indem man einen größeren Nockenwinkel für den Ausstoßhub als für den Ansaughub vorsieht, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit der Nockenstange während des Ausstoßhubs durch andere Einrichtungen vermindert werden kann. D.h., gemäß der Erfindung ist die Geschwindigkeitsänderungseinrichtung nicht auf die auf den Nocken bezogene Ausbildung begrenzt, sondern kann auch andere Einrichtungen umfassen, solange die Hochdruckkraftstoffpumpe mit einer geeigneten Geschwindigkeitsveränderungseinrichtung zur Erreichung einer geringeren Kapazitätsänderungsrate der Druckkammer (eine geringere Kolbenstangengeschwindigkeit) während des Ausstoßhubs als während des Ansaughubs erreicht wird.
Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei jedoch verständlich ist, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen oder Konstruktionen begrenzt ist. Im Gegenteil soll die Erfindung verschiedene Änderungen und äquivalente Anordnungen mit umfassen. Die verschiedenen Bauteile der beschriebenen Erfindung sind in verschiedenen Kombinationen und Anordnungen gezeigt, die beispielhaft sind, und andere Kombinationen und Anordnungen, einschließlich mehrerer oder weniger oder nur einer einzigen Ausführungsform liegen ebenfalls mit im Schutzumfang der Erfindung.

Claims

Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe (11) zum Pumpen von Kraftstoff von einem Kraftstofftank (13) zur einer internen Verbrennungskraftmaschine (15), wobei die Kraftstoffpumpe (11) eine in einem Zylinder (20) angeordnete Kolbenstange (21) aufweist, der Zylinder (20) eine Druckkammer (22) mit einer Kapazität bildet, die während eines Saughubs zunimmt und während eines Ausstoßhubs der Kolbenstange (21) abnimmt, und ein Überströmventil (41) vorgesehen ist, das die von der Druckkammer (22) während des Ausstoßhubs ausgegebene Kraftstoffmenge regelt, gekennzeichnet durch einen Kolbenstangenantrieb (25), der die Kolbenstange (21) der Hochdruckkraftstoffpumpe (11) während des Saughubs und des Ausstoßhubs mit einer Beschleunigung antreibt, die für den Ausstoßhub geringer als für den Saughub ist.
Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenstangenantrieb ein Nocken (25) mit einem asymmetrischen Nockenprofil für den Ausstoßhub und den Ansaughub ist, und dass ein Nockenwinkel für den Ausstoßhub größer als ein Nockenwinkel für den Saughub ist.
Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenprofil für den Ausstoßhub eine konstante Beschleunigung der Kolbenstange (21) für einen Teil des Ausstoßhubs bewirkt.
Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenprofil des Nockens (25) so ausgebildet ist, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer (22) während des Ausstoßhubs kleiner ist als die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer während des Ansaughubs.
Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenprofil so ausgebildet ist, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer in bezug auf den Nockenwinkel während mindestens eines Teils des Ausstoßhubs im Wesentlichen konstant ist.
Verwendung eines Nockens (25) in einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe (11) zum Antrieb der Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe (11), die Kraftstoff von einem Kraftstofftank (13) zu einer internen Verbrennungskraftmaschine (15) pumpt, und eine der internen Verbrennungskraftmaschine (15) zugeführte Kraftstoffmenge durch Steuern eines Überströmventils (41) während eines Ausstoßhubs einer Kolbenstange (21) in einer Druckkammer (22), die von der Kolbenstange (21) und eine Zylinder (20), in dem die Kolbenstange angeordnet ist, gebildet wird, regelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nockenprofil des Nockens (25) für den Ausstoßhub und einen Ansaughub asymmetrisch ist, und ein Nockenwinkel für den Ausstoßhub größer als ein Nockenwinkel für den Ansaughub ist.
Verwendung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenprofil für den Ausstoßhub eine konstante Beschleunigung de Kolbenstange (21) für einen Teil des Ausstoßhubs bewirkt.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Kapazität der Druckkammer (22) in bezug auf den Nockenwinkel während mindestens eines Teils des Ausstoßhubs konstant ist.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (25) ein Kolbenstangenantriebsnocken zum Antrieb der Kolbenstange (21) während der Ansaug- und Ausstoßhübe ist.
Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckkraftstoffpumpe (11) in einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekannzeichnet durch Antreiben der Kolbenstange (21) der Hochdruckkraftstoffeinspritzpumpe während der Ansaug- und Ausstoßhübe mit einer Beschleunigung, die für den Ausstoßhub geringer als für den Ansaughub ist.