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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpenanordnung für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere
für ein Common-Rail-Einspritzsystem eines Kraftfahrzeuges,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
Aufgabe einer Hochdruckpumpe der vorstehend genannten Art besteht
vorrangig darin, dem Kraftstoffeinspritzsystem verdichteten Kraftstoff
zur Verfügung zu stellen. Bei Common-Rail-Einspritzsystemen
wird der verdichtete Kraftstoff zunächst einem gemeinsamen
Hochdruckspeicher zugeführt, dem so genannten Rail. Den
Einspritzvorgang bewirken dann an das Rail angeschlossene Injektoren.
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Hochdruckpumpen
mit mehreren radial um einen Exzenter oder Nocken angeordneten Pumpenelementen
sind auch als Radialkolbenpumpen bekannt. Der Exzenter oder Nocken
ist drehfest mit einer Antriebswelle verbunden, so dass eine Drehung der
Antriebswelle eine Verlagerung der Exzentrizität und damit
eine hin und her Bewegung des Kolbens bewirkt. Die den Arbeitskolben
mit einer Druckkraft beaufschlagende Feder dient dem Zweck, den
Arbeitskolben nach erfolgtem Arbeitshub in die Ausgangsstellung
zurückzuführen. Die Federkraft ist derart bemessen,
dass ein Anpressdruck, der die Anlage des Arbeitskolbens am Exzenter
oder Nocken sicherstellt, gewährleistet ist. Derartige
Ausführungen einer Hochdruckpumpe sind hinreichend bekannt.
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Aus
der
DE 33 47 133 C2 sind
ferner zwei Ausführungen einer Radialkolben-Maschine bekannt,
bei welcher anstelle eines Exzenters oder Nockens eine Steuerscheibe
Verwendung findet. Bei der außen beaufschlagten Ausführung
sitzt die Steuerscheibe auf der Welle und die Zylinder sind im stillstehenden
Gehäuse untergebracht. Die äußere Umrisslinie
der Steuerscheibe bildet eine Steuerkurve aus. Bei der innen beaufschlagten
Ausführung befinden sich die Zylinder in der sich drehenden
Welle und werden von einer Steuerscheibe mit einer innenliegenden
Steuerkurve umgeben. Bei einer Drehung der Welle laufen die an der
Steuerkurve anliegenden Kolben die Steuerkurve ab und werden dabei
hin und her bewegt. Um eine möglichst verlustfreie Übertragung
der Kräfte zu erzielen und dabei den mechanischen Wirkungsgrad
der Radialkolben-Maschine zu verbessern, weist die Steuerkurve eine
Evolventenform auf.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Hochdruckpumpe
mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen. Zur Lösung der
Aufgabe wird eine Hochdruckpumpenanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
vorgeschlagene Hochdruckpumpenanordnung umfasst eine Antriebswelle
und einen drehfest mit der Antriebswelle verbundenen Exzenter sowie
wenigstens ein Pumpenelement, das einen am Exzenter direkt oder
indirekt anliegenden, hubbeweglich gelagerten Arbeitskolben und
eine den Arbeitskolben mit einer Druckkraft beaufschlagende Feder
umfasst. Erfindungsgemäß ist der Exzenter entlang
einer Achse A senkrecht zur Wellenlängsachse W verschiebbar
gelagert und von einer Steuerkurve umgeben. Der direkt oder indirekt
am Exzenter anliegende Arbeitskolben überträgt
dabei eine Druckkraft, die den Exzenter in Anlage mit der Steuerkurve
hält. Durch die verschiebbare Lagerung des Exzenters ist
gewährleistet, dass dieser der Steuerkurve folgen kann,
wenn die Steuerkurve beispielsweise einen Verlauf aufweist, bei
der sie sich von der Antriebswelle entfernt. Nähert sich
die Steuerkurve dagegen der Antriebswelle, wird ebenfalls eine Verschiebung
des Exzenters entlang der Achse A bewirkt, jedoch in die entgegengesetzte
Richtung. Der am Exzenter anliegende Arbeitskolben wird bei jeder Verschiebung
des Exzenters entlang der Achse A hin und her bewegt. Jede Verschiebung
des Exzenters geht mit einer Verlagerung der Exzentrizität
einher, so dass hierüber Einfluss auf den Kolbenhub genommen
werden kann. Die Druckkraft, die den Exzenter in Anlage mit der
Steuerkurve hält, geht von der den Arbeitskolben mit einer
Druckkraft beaufschlagenden Feder aus. Diese gewährleistet
auch, dass der Arbeitskolben stets der Bewegung des Exzenters folgt. Zusätzliche
Mittel, insbesondere Antriebsmittel zur Verschiebung des Exzenters
sind somit nicht erforderlich.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Antriebswelle
eine Ausnehmung zur Aufnahme des Exzenters, wobei die Ausnehmung
vorzugsweise von zwei zur Achse A parallelen Seitenflächen
begrenzt wird, die eine Verschiebung des Exzenters entlang der Achse
A zulassen. Weiterhin vorzugsweise ist die Ausnehmung zentriert
in Bezug auf die Wellenlängsachse W angeordnet. Die beiden
Seitenflächen weisen somit den gleichen Abstand zur Wellenlängsachse
W auf. Alternativ kann in der Antriebswelle auch eine zentrale Bohrung
als Ausnehmung zur Aufnahme des Exzenters vorgesehen sein, wobei
die Bohrung einen kreisförmigen oder polygonförmigen
Querschnitt besitzen kann.
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Weiterhin
bevorzugt ist die Ausnehmung der Antriebswelle als Gleitlager ausgebildet.
Die Ausbildung als Gleitlager kann durch Einsatz einer Gleitlagerbuchse
und/oder durch Aufbringen einer Gleitschicht auf den Seitenflächen
der Ausnehmung bewirkt werden. Das Gleitlager soll eine möglichst
reibungsarme Verschiebung des Exzenters gewährleisten.
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Vorteilhafterweise
weist auch der Exzenter wenigstens eine zur Achse A parallele Seitenfläche auf,
die vorzugsweise ebenfalls als Gleitfläche ausgebildet
ist. In Anlage mit einer der parallelen Seitenflächen der
Ausnehmung der Antriebswelle gewährleistet die ebenfalls
zur Achse A parallele Seitenfläche des Exzenters eine drehfeste
Verbindung des Exzenters mit der Antriebswelle. Aufgrund der Ausbildung
der jeweiligen Seitenflächen als Gleitflächen ist
zudem weiterhin die Verschiebbarkeit des Exzenters sichergestellt.
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Entsprechend
der alternativen Ausführungsform der Ausnehmung der Antriebswelle
als zentrale Bohrung mit kreis- oder polygonförmigem Querschnitt
kann auch der Exzenter einen kreis- oder polygonförmigen
Querschnitt aufweisen. Soweit die Außenflächen
des Exzenters in Anlage mit den Seiten- bzw. Innenflächen
der Ausnehmung gelangen, sind diese als Gleitflächen auszubilden
bzw. mit einer Gleitschicht zu versehen. Darüber hinaus
ist es möglich, die Querschnittsform des Exzenters derart
zu wählen, dass sie, beispielsweise aufgrund von Abflachungen,
gegenüber der Querschnittsform der Ausnehmung der Antriebswelle
in Teilbereichen zurückspringt. Auf diese Weise können
die Reibungskräfte, die bei einer Verschiebung des Exzenters
gegenüber den Seiten- bzw. Innenflächen der Ausnehmung
entstehen, verringert werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die den
Exzenter umgebende Steuerkurve im Bereich der Innenwandflächen
eines Gehäuses ausgebildet, das die Pumpenanordnung umgibt.
Alternativ hierzu kann die Steuerkurve jedoch auch im Bereich der
Innenwandflächen eines Einsatzes ausgebildet sein, der
in ein die Pumpenanordnung umgebendes Gehäuse einsetzbar
ist. Die Verwendung eines Einsatz weist den Vorteil auf, dass dieser
gegebenenfalls austauschbar ist, so dass Einsätze mit unterschiedlichen
Steuerkurven verwendet werden können, um darüber
beispielsweise die Förderleistung der Pumpe zur bestimmen.
Hierzu ist der Einsatz bevorzugt als Steuerscheibe ausgebildet,
die in das Pumpengehäuse eingesetzt wird.
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Vorteilhafterweise
ist die Steuerkurve derart ausgelegt, dass der hieran anliegende
Exzenter bei jeder Drehung der Antriebswelle um 180° in
eine exzentrische Lage geführt wird, in welcher der Exzenter einen
weiteren Arbeitshub des Arbeitskolbens bewirkt. Nach jeder Drehung
um 180° nimmt somit der Exzenter erneut seine Ausgangsstellung
ein. Gleiches gilt für den Arbeitskolben, der über
die Druckkraft der Feder in Anlage mit dem Exzenter gehalten wird.
Der Arbeitskolben führt demnach bei jeder Drehung der Antriebswelle
um 360° einen Doppelhub aus. Der Wirkungsgrad der Pumpe
wird somit gesteigert.
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Aufgrund
der Relativbewegungen der einzelnen Bauteile zueinander werden diese
auf Reibung beansprucht. Dies gilt insoweit auch für den
am Exzenter anliegenden Arbeitskolben. Um einem erhöhten
Verschleiß der Anlagefläche am Arbeitskolben entgegenzuwirken,
umfasst daher nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Arbeitskolben einen Kolbenfuß aus einem verschleißfesten
Material. Vorzugsweise besteht der Kolbenfuß aus Keramik.
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Aufgrund
der Rotationsbewegung des Exzenters werden auf den am Exzenter anliegenden Kolbenfuß des
Arbeitskolbens Querkräfte übertragen, die den
Bewegungsablauf des Arbeitskolbens beeinträchtigen können.
Um daher eine Übertragung der Querkräfte auf den
Arbeitskolben zu verhindern, ist vorzugsweise der Kolbenfuß des
Arbeitskolbens in einem Tassenstößel gehalten.
Die Übertragung von Querkräften ist somit weiterstgehend
ausgeschlossen.
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Alternativ
kann anstelle des Kolbenfußes auch eine Rolle vorgesehen
sein, mittels derer der Arbeitskolben am Exzenter anliegt. Diese
Ausführungsform verhindert ebenfalls, dass Querkräfte
auf den Arbeitskolben übertragen werden.
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Weiterhin
bevorzugt weist auch der Exzenter wenigstens eine Rolle auf, mittels
derer er an der Steuerkurve und/oder am Arbeitskolben anliegt. Sofern
letzteres der Fall ist, kann auf die Anordnung einer Rolle am Arbeitskolben
verzichtet werden. Die Übertragung von Querkräften
auf den Arbeitskolben wird dann durch die am Exzenter vorgesehene
Rolle verhindert.
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Die
vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Hochdruckpumpenanordnung
weist nicht nur einen gegenüber den meisten bekannten Hochdruckpumpen
verbesserten Wirkungsgrad auf, sondern erweist sich durch die Möglichkeit
des Einsatzes unterschiedlicher Steuerscheiben zudem als äußerst
variabel. Darüber hinaus bedarf es zur Verwirklichung der
vorgeschlagenen Hochdruckpumpenanordnung nur weniger Bauteile, so
dass zum Einen Gewicht eingespart wird, zum Anderen der zur Verfügung
stehende Bauraum beschränkt sein kann.
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Ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Hochdruckpumpenanordnung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpenanordnung,
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2 einen
Längsschnitt durch die Hochdruckpumpenanordnung der 1 und
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3 einen
in eine entsprechende Hochdruckpumpenanordnung einsetzbaren Exzenter.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Hochdruckpumpenanordnung
umfasst eine Antriebswelle 1 mit einer Ausnehmung 6,
in der ein Exzenter 2 aufgenommen ist. Die Ausnehmung 6 weist
zwei parallele Seitenflächen 6.1, 6.2 auf,
die Anlageflächen und zudem Gleitflächen für
entsprechende am Exzenter 2 ausgebildete Seitenflächen 2.1 bilden. Auf
diese Weise ist gewährleistet, dass der Exzenter 2 drehfest
mit der Antriebswelle 2 verbunden ist. Bei einer Drehung
der Antriebswelle in Richtung des in 1 angedeuteten
Pfeils wird der Exzenter 2 mitgeführt. Dabei fährt
der Exzenter 2 eine Steuerkurve 5 ab, die an einem
Einsatz 8 ausgebildet ist, der wiederum innerhalb eines
Gehäuses 7 der Hochdruckpumpenanordnung angeordnet
ist. Führt die Steuerkurve 5 dichter an die Antriebswelle 1 heran,
drückt sie den Exzenter 2 entlang der Achse A
in Richtung des Arbeitskolbens 3. Der Exzenter 2 bewirkt
auf diese Weise einen Arbeitshub des Arbeitskolbens 3. Entfernt
sich dagegen die Steuerkurve von der Antriebswelle 1, hält
die Druckkraft einer Feder 4, die den Arbeitskolben 3 belastet,
der wiederum die Druckkraft auf den Exzenter 2 überträgt,
den Exzenter 2 in Anlage mit der Steuerkurve 5.
Die Druckkraft der Feder 4 bewirkt somit einerseits eine
Rückstellung des Arbeitskolbens 3, um diesen in
Anlage mit dem Exzenter 2 zu halten, andererseits auch
eine Rückstellung des Exzenters 2, so dass dieser
der Steuerkurve 5 folgt. Dabei rutscht der Exzenter 2 innerhalb
der Ausnehmung 6 der Antriebswelle 1 hin und her,
wobei eine Verlagerung der Exzentrizität erfolgt. Die Verlagerung
der Exzentrizität hat wiederum zur Folge, dass der Arbeitskolben 3 bei
einer Drehung der Antriebswelle um 360° gleich mehrfach
angehoben wird. Beispielsweise kann die Steuerkurve derart ausgelegt
sein, dass der Exzenter 2 bereits bei einer Drehung der
Antriebswelle 1 um 180° erneut seine Ausgangsposition
einnimmt, so dass der Arbeitskolben 3 bei einer vollständigen
Drehung der Antriebswelle um 360° einen Doppelhub ausführt. Damit
kann die Förderleistung des Pumpenelements und entsprechend
der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpenanordnung gesteigert werden.
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Bei
der dargestellten Hochdruckpumpenanordnung weist der Arbeitskolben 3 einen
Kolbenfuß 9 auf, der in einem Tassenstößel 10 gehalten
ist. Die am Exzenter 2 anliegende Kolbenfußfläche
sowie die entsprechende Umfangsfläche am Exzenter sind
als Gleitflächen ausgebildet, um der Entstehung von Reibungskräften
entgegenzuwirken. Aufgrund der Rotationsbewegung des Exzenters 2 werden
auch Querkräfte auf den Kolbenfuß 9 übertragen,
wobei die Aufnahme des Kolbenfußes 9 im Tassenstößel 10 eine Übertragung
der Querkräfte auf den Arbeitskolben 3 weitestgehend
verhindert.
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Da
ein möglichst reibungsloses Ablaufen des Exzenters auch
an der Steuerkurve 5 erwünscht ist, kann der Exzenter 2 mittels
einer Rolle 11 in Anlage mit der Steuerkurve 5 gebracht
werden. Dieselbe Ausführung kann im Bereich der Anlage
des Exzenters 2 am Arbeitskolben 3 gewählt
werden, so dass der Exzenter 2 mittels einer Rolle 11 am
Kolbenfuß 9 des Arbeitskolbens 3 anliegt.
Eine derartige Ausbildung des Exzenters 2 ist in 3 schematisch
dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Hochdruckpumpenanordnung ist
nicht auf die Ausführungsform mit einem Arbeitskolben 3 beschränkt.
Sie kann mehrere Arbeitskolben 3 umfassen. Zudem ist eine
Hochdruckpumpenanordnung möglich, die mehrere jeweils in einer
Ausnehmung 6 der Antriebswelle 1 gehaltene Exzenter 2 umfasst,
an denen wenigstens ein Arbeitskolben 3 anliegt. Dabei
können die Exzenter 2 von einer gemeinsamen Steuerkurve 5 umgeben sein.
Alternativ kann aber auch jedem Exzenter 2 eine eigene,
gegebenenfalls unterschiedlich gestaltete Steuerkurve 5 zugeordnet
sein. Die vorgeschlagene Hochdruckpumpenanordnung erweist sich somit
als sehr variabel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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