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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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Eine
derartige Pumpenanordnung kann beispielsweise mehrere radial um
einen auf einer Antriebswelle drehfest gelagerten Exzenter angeordnete
Pumpenelemente umfassen, deren Aufgabe darin besteht, Kraftstoff
zu verdichten und einem Einspritzsystem zuzuführen. Bei einem Common-Rail-Einspritzsystem führt die
Hochdruckpumpe den verdichteten Kraftstoff zunächst einem gemeinsamen Hochdruckspeicher
zu, dem sogenannten Rail. Von hier aus wird dann der Kraftstoff
mittels Injektoren der Brennkammer zugeführt. Derartige Pumpenanordnungen
mit radial um einen Exzenter oder Nocken angeordneten Pumpenelementen
sind auch als Radialkolbenpumpen bekannt.
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Über die
exzentrische Lage des Exzenters bzw. Nockens kann Einfluss auf den
Kolbenhub eines direkt oder indirekt am Exzenter bzw. Nocken anliegenden
Arbeitskolbens genommen werden. Ferner kann über die konkrete Ausgestaltung
des Exzenters bzw. Nockens der Bewegungsablauf des Arbeitskolbens
gesteuert werden. Beispielsweise sind diesbezüglich Exzenter bekannt, die
als Polygon ausgebildet sind. Dabei ist es ein allgemeines Anliegen,
den Wirkungsgrad einer Hochdruckpumpe weiter zu erhöhen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe der eingangs
genannten Art bereit zustellen, die gegenüber den bekannten Ausführungen
einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Hochdruckpumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist der
Exzenter entlang einer Achse A senkrecht zur Wellenlängsachse
W verschiebbar angeordnet, wobei zur Verschiebung des Exzenters
die Achse A in eine im Wesentlichen zur Kolbenlängsachse K koaxiale oder im
Wesentlichen zur Kolbenlängsachse
K parallele Lage bringbar ist. In dieser Lage bewirkt eine den Arbeitskolben beaufschlagende
Druckkraft einer Feder eine Verschiebung des Exzenters entlang der
Achse A. Somit führt
der Exzenter neben der rotatorischen auch eine translatorische Bewegung
aus. Da der Arbeitskolben dieser Bewegung folgt, wird auch der Kolbenhub durch
die Exzenterverschiebung beeinflusst. Zum Einen wird hierdurch der
untere Totpunkt des Arbeitskolbens schneller erreicht, zum Anderen
erfolgt eine Verlagerung bzw. Verschiebung der Exzentrizität, so dass
es lediglich einer Drehung um 180° bedarf,
um den Arbeitskolben erneut anzuheben. Der Arbeitskolben führt somit
pro Umdrehung der Antriebswelle einen Doppelhub aus. Durch eine
zusätzliche
translatorische Bewegung des Exzenters kann demnach der Wirkungsgrad
der Hochdruckpumpe verbessert werden.
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Die
Verschiebung des Exzenters wird im Wesentlichen durch die den Arbeitskolben
mit einer Druckkraft beaufschlagende Feder bewirkt. Eine solche
Feder wird bei einer gattungsgemäßen Pumpenanordnung
vorrangig dazu eingesetzt, den erforderlichen Anpressdruck des Arbeitskolbens
an dem Exzenter und eine Rückstellung
des Arbeitskolbens zu gewährleisten.
Es sind daher keine zusätzlichen
Antriebsmittel erforderlich.
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Die
Verschiebung des Exzenters entlang der Achse A setzt eine bestimmte
Rotationslage des Exzenters voraus. Nimmt der Exzenter bei seiner
Drehung um die Antriebswellenlängsachse
eine Rotationslage ein, in der die Achse A im Wesentlichen koaxial
oder zumindest parallel zur Kolbenlängsachse K ausgerichtet ist,
dann löst
die parallel zur Kolbenlängsachse
in Richtung der Antriebswelle wirkende Federkraft eine Verschiebung
des Exzenters aus. Zur Verschiebung des Exzenters genügt bereits
eine Kraftkomponente der Federkraft, die koaxial oder zumindest
parallel zur Achse A ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise
besitzt der Exzenter eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Wellenabschnitts
der Antriebswelle, die im Querschnitt als Langloch mit zwei parallel
zur Achse A verlaufenden Kanten ausgebildet ist. Die Kanten bzw.
die hieran angrenzenden, sich parallel zur Wellenlängsachse
erstreckenden Anlageflächen
dienen der Führung
des Exzenters bei Ausführung
der translatorischen Bewegung. Die Anlageflächen sind vorzugsweise als
Gleitflächen
ausgebildet. Denn je geringer die Reibung zwischen den Anlageflächen und
dem jeweiligen hieran anliegenden Wellenabschnitt der Antriebswelle
ist, desto geringer ist auch der zur Verschiebung des Exzenters
erforderliche Kraftaufwand. Vorteilhafte Gleiteigenschaften können beispielsweise über eine
entsprechende Materialwahl oder eine Beschichtung der Anlageflächen erzielt
werden.
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Weiterhin
bevorzugt weist ein Wellenabschnitt der Antriebswelle zur drehfesten
Lagerung des Exzenters im Querschnitt wenigstens eine parallel zur
Achse A verlaufende Kante auf. An die Kante des Wellenabschnitts
grenzt vorzugsweise eine sich parallel zur Wellenlängsachse
erstreckende Anlagefläche
an, mit welcher der Wellenabschnitt an der entsprechenden Fläche der Langlochbohrung
des Exzenters anliegt, so dass eine Drehbewegung des Exzenters gegenüber der
Antriebswelle ausgeschlossen ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weist
ein Wellenabschnitt der Antriebswelle ein mehrkantiges Querschnittsprofil,
vorzugsweise ein geradzahlig mehrkantiges Querschnittsprofil, weiterhin
vorzugsweise ein vierkantiges Querschnittsprofil, auf. Dabei verläuft jeweils
wenigstens eine Kante parallel zur Achse A. Ist ein geradzahlig
mehrkantiges Querschnittsprofil vorgesehen, verlaufen zwei Kanten
parallel zur Achse A, deren Abstand zueinander im Wesentlichen dem
Abstand der beiden parallelen Kanten der Langlochbohrung des Exzenters
entspricht. Auf diese Weise ist eine Verdrehsicherung des Exzenters
gegenüber
der Antriebswelle gewährleistet.
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Die
Wirkungsweise der Hochdruckpumpe wird ferner durch die Umrissform
des Exzenters bestimmt. Beispielsweise kann die Umrissform des Exzenters
polygonförmig
sein. Bei der vorgeschlagenen Hochdruckpumpenanordnung wird eine
kreisförmige oder
ovale Umrissform des Exzenters bevorzugt, insbesondere eine bei
einer Drehung um 180° rotationssymmetrische
Umrissform. Wird zugleich die als Langloch ausgebildete Ausnehmung
zur Aufnahme eines Wellenabschnitts der Antriebswelle zentriert
in Bezug auf die Umrissform angeordnet, dann ist gewährleistet,
dass bei einer Drehung des Exzenters um 360° der am Exzenter anliegende
Arbeitskolben den gleichen Arbeitshub zweimal, das heißt einen Doppelhub
ausführt. Über eine
ovale Umrissform kann zudem eine sehr kurze Hubzeit und damit ein hoher
Wirkungsgrad erzielt werden. Ferner bewirkt eine kurze Hubzeit eine
Verkürzung
der Saugphase und damit eine Verkürzung der Leckagezeit, was
sich ebenfalls günstig
auf den Wirkungsgrad der Pumpenanordnung auswirkt.
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Vorzugsweise
liegt der Arbeitskolben über einen
Gleitschuh am Exzenter an. Dabei kann der Kolbenfuß des Arbeitskolbens
als Gleitschuh ausgebildet oder der Kolbenfuß des Arbeitskolbens mit einem
Gleitschuh verbunden sein. Der Gleitschuh vermindert die Reibung
zwischen dem Arbeitskolben und der Exzenteraußenumfangsfläche, an
welcher der Gleitschuh anliegt.
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Alternativ
kann der Arbeitskolben auch über eine
Rolle am Exzenter anliegen. Hierzu ist die Rolle vorzugsweise über einen
Rollenschuh mit dem Arbeitskolben verbunden. Durch Einsatz einer
Rolle kann die Reibung weiter reduziert werden, so dass ein einwandfreies
Ablaufen der Rolle auf der Exzenteraußenumfangsfläche und
damit eine gleichmäßige translatorische
Bewegung des Arbeitskolbens gewährleistet
ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Hochdruckpumpenanordnung zwei auf jeweils einem Wellenabschnitt
einer Antriebswelle drehfest gelagerte Exzenter und wenigstens zwei Pumpenelemente
mit jeweils einen an einem Exzenter direkt oder indirekt anliegenden,
hubbeweglich gelagerten Arbeitskolben. Die Rotationslage der Exzenter
ist dabei um 180° versetzt
zueinander und die Rotationslage der Arbeitskolben ist um 90° versetzt zueinander
angeordnet. Eine derartige Anordnung besitzt den Wirkungsgrad einer
Vierkolbenpumpe, da jeder der beiden Kolben bei einer Drehung der
Antriebswelle um 360° einen
Doppelhub ausführt. Durch
die jeweils unterschiedlich versetzte Rotationslage der Exzenter
und der Arbeitskolben zueinander ist gewährleistet, dass der eine Arbeitskolben
den oberen Totpunkt erreicht, wenn der andere Arbeitskolben an den
unteren Totpunkt gelangt.
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Weiterhin
bevorzugt kann die Hochdruckpumpenanordnung auch zwei auf jeweils
einem Wellenabschnitt einer Antriebswelle drehfest gelagerte Exzenter
und wenigstens zwei Pumpenelemente mit jeweils einen an einem Exzenter
direkt oder indirekt anliegenden, hubbeweglich gelagerten Arbeitskolben umfasst,
wobei die Rotationslage der Exzenter um 90° und die Rotationslage der Arbeitskolben
um 180° versetzt
zueinander angeordnet sind. Auch bei dieser Anordnung erreicht der
eine Arbeitskolben den oberen Totpunkt, wenn der andere Arbeitskolben
an den unteren Totpunkt gelangt. Die Hubphasen der beiden Arbeitskolben
liegen somit um eine halbe Phase versetzt zueinander. Dadurch ist
ein gleichmäßiges Verdichten
und Fördern
des Kraftstoffs gewährleistet.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpenanordnung,
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2 einen
Längsschnitt
durch die Hochdruckpumpenanordnung der 1,
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3 einen
Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpenanordnung,
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4 einen
Längsschnitt
durch die Hochdruckpumpenanordnung der 3,
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5 ein
Diagramm, das den Kolbenhubverlauf bei der Hochdruckpumpenanordnung
der 3 und 4 beschreibt,
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6 einen
Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpenanordnung,
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7 einen
Längsschnitt
durch die Hochdruckpumpenanordnung der 6,
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8 ein
Diagramm, das den Kolbenhubverlauf bei der Hochdruckpumpenanordnung
der 6 und 7 beschreibt,
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9 einen
Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpenanordnung
und
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10 einen
Längsschnitt
durch die Hochdruckpumpenanordnung der 9.
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Bei
der Ausführungsform
einer Hochdruckpumpenanordnung gemäß den 1 und 2 liegt der
Stößel bzw.
der Arbeitskolben 3 wenigstens eines Pumpenelementes über eine
Rolle 10 an der Außenumfangsfläche eines
Exzenters 2 mit kreisrunder Umrissform 8 an (siehe 1).
Um ein gleichmäßiges Ablaufen
der Rolle 10 auf der Außenumfangsfläche des
Exzenters 2 zu gewährleisten
ist die Rolle 10 in einem Rollenschuh 11 gelagert.
Den erforderlichen Anpressdruck der Rolle 10 am Exzenter 2 stellt
eine Druckfeder 4 sicher, die zugleich eine Rückstellung des
Arbeitskolbens 3 nach Ausführen eines Arbeitshubes bewirkt.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
der 6–7 und 9–10 werden
anstelle der Rollen 10 Gleitschuhe 9', 9'' verwendet, mittels derer die Arbeitskolben 3', 3'' jeweils an einem Exzenter 2', 2'' anliegen. Eine detaillierte Beschreibung
dieser Ausführungsformen
wird später
vorgenommen.
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Der
Exzenter 2 ist drehfest mit einer Antriebswelle 1 verbunden.
Zur Aufnahme eines Wellenabschnittes 6 der Antriebswelle 1 weist
der Exzenter 2 eine Ausnehmung 5 auf, die erfindungsgemäß als Langloch
ausgebildet ist. Der Exzenter 2 kann somit entlang einer
Achse A, die senkrecht zur Wellenlängsachse W verläuft, verschoben
werden, wobei auch eine Verlagerung der Exzentrizität erfolgt.
Das heißt
der Mittelpunkt M des Exzenters 2 wird jenseits der Wellenlängsachse
W verschoben. Um die Verschiebung auszulösen bedarf es einer Rotationslage des
Exzenters 2, in der die Achse A im Wesentlichen parallel
zur Kolbenlängsachse
K ausgerichtet ist, so dass die Druckkraft der Feder 4 oder
wenigstens eine parallel zur Achse A wirkende Kraftkomponente dieser
Druckkraft die Verschiebung bewirkt. Der Exzenter 2 rutscht
dann entlang wenigstens einer gerade geführten Anlagefläche des
Wellenabschnitts 6, die durch eine parallel zur Achse A
ausgerichtete Kante 7 begrenzt wird, von einer ersten exzentrischen
Lage in Bezug auf die Wellenlängsachse
W in eine zweite exzentrische Lage, wobei der Mittelpunkt M des
Exzenters 2 auf die jeweils gegenüberliegende Seite der Wellenlängsachse
W verschoben wird. Die Ausbildung der Ausnehmung 5 als
Langloch bewirkt, dass der Exzenter 2 bei einer Drehung
der Antriebwelle 1 um 180° in eine exzentrische Lage verschoben
wird, die bei einer weiteren Drehung der Antriebswelle 1 zu
einem weiteren Arbeitshub des Arbeitskolbens 3 führt. Der
Arbeitskolben vollzieht demnach mit jeder Umdrehung der Antriebswelle 1 einen Doppelhub.
Dies führt
zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Pumpe.
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Ein
darüber
hinaus verbesserter Wirkungsgrad sowie kürzere Saug- und damit Leckagezeiten können mit
einer Hochdruckpumpenanordnung entsprechend der 3 und 4 erzielt
werden. Im Unterschied zu der vorhergehenden Ausführungsform
der 1 und 2 weist der Exzenter 2 hier eine
elliptische Umrissform 8 auf. Die der Aufnahme des Wellenabschnitts 6 der
Antriebswelle 1 dienende Ausnehmung 5 des Exzenters 2 ist
wiederum als Langloch ausgebildet, so dass der Exzenter 2 bei Einnahme
einer bestimmten Rotationslage aufgrund der Druckkraft der Stößelfeder 4 eine
Verschiebung entlang der Achse A erfährt. Auch der vorliegende Arbeitskolben 3 führt somit
einen Doppelhub bei einer Drehung der Antriebswelle 1 um
360° aus.
Aufgrund der elliptischen Umrissform 8 des Exzenters 2 wird der
Arbeitshub des Kolbens 3 weiterhin derart beeinflusst,
dass der obere Totpunkt in einer kürzeren Zeit erreicht wird,
als bei einem Exzenter oder Nocken mit einer kreisrunden Umrissform.
Das Diagramm der 5 verdeutlicht die unterschiedlichen
Hubverläufe.
Dabei zeigt die durchgezogene Linie den Hubverlauf einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpenanordnung
mit elliptischem Exzenter 2 und die gestrichelte Linie
den Hubverlauf einer Anordnung mit kreisrundem Exzenter 2.
Zwischenformen sind durch die Strichpunktierte Linie dargestellt.
Indem die Hauptachse der Ellipse und die Längsachse des Langlochs die
gleiche Ausrichtung besitzen, kann insbesondere die Saugphase verkürzt werden,
wodurch auch die Leckageverluste gering gehalten werden. Die zeitlich
verkürzte
Phase erstreckt sich über den
Bereich a, während
der Bereich b im Vergleich dazu die übliche Zeitdauer angibt.
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Besonders
vorteilhaft erweisen sich Hochdruckpumpenanordnungen, die zwei Exzenter 2', 2'' und wenigstens jeweils einen hieran
anliegenden Arbeitskolben 3', 3'' umfassen. Ein erstes Ausführungsbeispiel
einer solchen Anordnung ist in den 6 und 7 dargestellt.
Die drehfest mit einer Antriebswelle 1 verbundenen Exzenter 2' und 2'' weisen jeweils eine kreisrunde
Umrissform 8' und 8'' auf. Die Exzenter 2' und 2'' sind dabei hintereinander auf
der Antriebswelle 1 angeordnet, so dass sie jeweils einen eigenen
vierkantigen Wellenabschnitt 6' und 6'' aufnehmen.
Der vierkantige Querschnitt der Wellenabschnitte 6', 6'' gewährleistet eine drehfeste Lagerung der
Exzenter 2', 2''. Zur Aufnahme der Wellenabschnitte 6' und 6'' ist in den Exzentern 2', 2'' jeweils eine als Langloch ausgebildete
Ausnehmung 5', 5'' vorgesehen. Die jeweilige Ausnehmung 5', 5'' erlaubt eine Verschiebung des
jeweiligen Exzenters 2', 2'' entlang der Achse A' bzw. A'' . Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
fallen die Achsen A' und
A'' übereinander. Die Arbeitskolben 3', 3'' sind dagegen um 90° versetzt
zueinander angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Phasen der
einzelnen Arbeitshübe
eines jeden Arbeitskolbens 3', 3'' um eine halbe Phase versetzt verlaufen
(siehe Diagramm der 8). Je Umdrehung der Antriebswelle 1 werden somit
zweimal zwei Arbeitshübe
ausgeführt.
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Eine
alternative Hochdruckpumpenanordnung bei der ebenfalls zweimal zwei
Arbeitshübe
bei einem jeweils um eine halbe Phase versetzten Phasenverlauf entsprechend
der Anordnung gemäß der 6 und 7 erzielt
werden, zeigen die 9 und 10. Im
Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist die Rotationslage
der Arbeitskolben 3', 3'' nunmehr um 180° versetzt zueinander und die
der Exzenter 2', 2'' um 90° versetzt zueinander angeordnet.
Dennoch entspricht der Phasenverlauf der vorherigen Ausführungsform,
da jeder Arbeitskolben 3', 3'' bei einer Umdrehung der Antriebswelle 1 um
360° einen
Doppelhub ausführt
(siehe Diagramm der 8). Die Pumpenanordnung kann
auf diese Weise an den zur Verfügung
stehenden Bauraum angepasst werden.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass mit einer
beispielsweise zwei Arbeitskolben umfassende Hochdruckpumpenanordnung
der Wirkungsgrad einer Vierkolbenpumpe erreicht werden kann. Zudem
ist die vorgeschlagene Hochdruckpumpenanordnung aufgrund der geringeren
Anzahl an Bauteilen bauraumschonend ausführbar. Der Verzicht auf weitere
Bauteile wirkt sich ferner günstig
auf das Gewicht der Pumpenanordnung sowie auf die Kosten aus.