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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung zum Gebrauch in einer
Pumpe solcher Art, die für
eine Verwendung in einem "common
rail"-Kraftstoffeinspritzsystem
für einen
Verbrennungsmotor geeignet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere
eine Antriebsanordnung für
eine Pumpe mit wenigstens einem Pumpenkolben, der mittels eines
Antriebselementes, das mit einem auf der Nockenwelle eines Motors
befestigten Nockenreiter zusammen wirkt, angetrieben wird.
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Bei
einer bekannten "common
rail"-Kraftstoffpumpe
von radialer Pumpenbauart, wie sie beispielsweise in der
EP 1 184568 A beschrieben
ist, sind drei Pumpenkolben an gleichwinklig voneinander beabstandeten
Stellen um eine mittels eines Motors angetriebene Nockenwelle angeordnet.
Jeder Kolben ist in einer in einem Pumpengehäuse vorgesehenen entsprechenden
Kolbenbohrung befestigt. Wenn die Nockenwelle angetrieben wird,
wird jeder der Kolben dazu gebracht, sich hin- und herzubewegen.
Da sich die Kolben hin- und herbewegen, verursacht jeder eine Verdichtung
von Kraftstoff in einer zugehörigen
Pumpenkammer. Die Ausgabe von Kraftstoff von den Pumpenkammern zu
einer üblichen
Hochdruckversorgungsleitung wird mittels entsprechender Auslassventile
gesteuert bzw. geregelt, die mit jeder der Pumpen verbunden sind.
Die Hochdruckleitung liefert für
eine Zufuhr zu in Förderrichtung
nachfolgenden Einspritzventilen des "common rail" Kraftstoffsystems Kraftstoff an eine
gemeinsame Leitung ("common
rail") oder ein
anderes Speichervolumen.
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In
einer bekannten Kraftstoffpumpe der zuvor erläuterten Art ist jeder Kolben
mit einem entsprechenden Antriebselement in Form eines Stößels verbunden.
Die Nockenwelle trägt
einen Nockenring oder Nockenreiter, der sich über die Fläche der Nockenwelle bewegt,
wenn diese durch den Motor angetrieben wird. Jeder Stößel ist
in einer Stößelbohrung
platziert, die in einem Hauptpumpengehäuse vorgesehen ist, und ist
derart angeordnet, dass jeder Stößel dazu
gebracht wird, sich in seiner entsprechenden Bohrung hin- und herzubewegen,
wenn die Nockenwelle angetrieben wird, was zu einer hin- und her
führenden
Bewegung der Kolben führt.
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Wenn
sich der Reiter über
die Fläche
der Nockenwelle bewegt, um auf den Stößel einen Antrieb in einer
axialen Richtung auszuüben,
wird eine Basisfläche
des Stößels dazu
gebracht, sich lateral über einen
zusammenwirkenden Bereich der Reiteroberfläche zu verschieben. Da der
Stößel in eine
von der Welle radial nach außen
gerichtete Richtung angetrieben wird, wird sein entsprechender Kolben
derart angetrieben, dass sich das Volumen in der Pumpenkammer verringert.
Dieser Teil des Pumpzyklusses wird als der Pumphub des Kolbens bezeichnet,
während
welchem Kraftstoff innerhalb der entsprechenden Pumpenkammer auf
ein relativ hohes Maß verdichtet
wird.
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Wenn
der Stößel von
der Welle nach außen angetrieben
wird und die Stößelbasis über die
Fläche des
Nockenreiters gleitet, wird zwischen den beiden Flächen eine
Reibungskraft erzeugt. Dieses führt
zu einem lokalen Ansteigen der Flächentemperatur des Stößels, was
zu einem Haftverschleiß oder
Fressen führt.
Dieses ist unerwünscht
und kann schlimmstenfalls zu einem Versagen der Pumpe führen.
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Als
Hintergrund der Erfindung wird eine ähnliche Art einer Pumpe in
der
US 6,077,056 beschrieben,
die wenigstens einen Kolben besitzt, der in einer in einem Gehäuse vorgesehenen
Kolbenführung
versetzbar geführt
ist und darin eine Arbeitskammer ausbildet. Der Kolben wird von
einer Gleitlagerfläche von
einem Hubring (stroke ring) geführt,
der rotierbar auf einem Kurbelelement einer Antriebswelle getragen
ist, so dass der Kolben durch die Antriebswelle betätigt werden
kann. Durch eine Ausnehmung in einer Gleitfläche des Kolbens ist eine Entlastungskammer
ausgebildet und in Richtung der Gleitlagerfläche an dem Hubring geöffnet, so
dass sie mit der Arbeitskammer verbunden ist. Ebenfalls als Hintergrund
der Erfindung offenbart die
US
6,350,107 eine Radialkolbenpumpe, die eine Mehrzahl von
in einer entsprechenden Zylinderkammer angeordneten Kolben umfasst,
die jeweils eine Platte besitzen, die mit einem Ende verbunden ist.
Eine Mitte jeder der Platten besitzt eine Ausnehmung, so dass die
während
eines Betriebes an dieser Stelle auftretenden Belastungen verringert
werden.
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Es
ist bekannt, zwischen den Gleitflächen der Stößelbasis und des Nockenreiters
ein Schmiermittel vorzusehen, um diese nachteiligen Effekte zu verringern.
Gewöhnlicherweise
wird dieses erreicht, indem ein verhältnismäßig dünner Fluidfilm zwischen den
beiden Oberflächen
vorgesehen ist, um zwischen ihnen einen Übergangsfluiddruck zu erzeugen,
der die Last auf den Stößel trägt und die Schmierung
verbessert. Diese Lösung
ist allerdings bei der Erfüllung
der hohen Erwartungen bei der Einführung von Kraftstoffpumpen
der zuvor erwähnten Art,
insbesondere der Art, die für eine
Verwendung in "common
rail" Dieselkraftstoffmotoren
bestimmt ist, nicht zufriedenstellend.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das zuvor erläuterte Problem
zu vermindern oder zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird eine
Antriebsanordnung für
einen Pumpenkolben einer Pumpeneinheit vorgesehen, wobei die Antriebsanordnung
ein Antriebselement aufweist, das erstens mit dem Pumpenkolben und
zweitens mit einem Nockenreiter derart zusammenwirken kann, dass
dem Kolben ein axialer Schub verliehen wird, so dass dieser einen
Kolbenpumpenhub durchführen
kann, während
eine seitliche Gleitbewegung des Reiters relativ zu dem Antriebselement
möglich
ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement und der Nockenreiter zum
Zwecke des Zusammenwirkens so geformt sind, dass sie (i) ein über den
Pumpenzyklusses hinweg veränderliches
Volumen für
Schmierfluid und (ii) ein Mittel für einen beschränkten Strömungsfluss
bilden, durch welches Fluid innerhalb des genannten Volumens in
relativ geringer Menge pro Zeiteinheit verdrängt wird bzw. ausgetrieben
wird, während
der Kolben über
den gesamten Pumpenhub hinweg angetrieben wird, um einen Übergangsfluiddruck
innerhalb des Volumens über
denjenigen Zeitraum des Pumpenhubs hinweg zu verlängern, für welchen
die Belastung des Antriebselements in Rückwärtsrichtung ein Maximum besitzt.
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Aus
der folgenden Beschreibung geht hervor, dass die variable Rückhublast
auf das Antriebselement auf Grund des Hydraulikdrucks ansteigt,
der auf das Antriebselement durch den Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer
ausgeübt
wird, deren Druck während
eines Pumpenzyklusses ansteigt und abnimmt, und dass die maximale
Rückhublast,
die auf das Antriebselement wirkt, auf einem Teilweg zwischen BDC
und TCD auftritt, wenn Kraftstoff in der Pumpenkammer auf seinen
maximalen Wert verdichtet wird, kurz bevor das dazugehörige Auslass-
oder Abgabeventilmittel der Pumpenkammer geöffnet wird, um eine Ausgabe
von Kraftstoff unter hohem Druck zu ermöglichen.
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Die
Erfindung schafft den Vorteil, dass die Schmierung zwischen dem
Antriebselement und dem Nockenreiter während des Kolbenpumpenhubes
verbessert wird. Der "Quetschfilmeffekt", der geschaffen
wird, wenn ein Fluid innerhalb des variablen Volumens durch das
beschränkte
Strömungsmittel ausgetrieben
wird, wird verlängert,
um das Vorliegen eines Übergangsfluiddruckzustandes
sicherzustellen, um die Rückhublast
auf das Antriebselement während
des Bereiches des Pumpenzyklusses aufzunehmen, in dem sich diese
bei ihrem Maximum befindet. Der Übergangsfluiddruck
innerhalb des variablen Volumens trägt daher die Rückhublast
auf das Antriebselement für
eine längere
Zeitdauer als es bei bekannten Antriebsanordnungen ähnlicher
Art vorgesehen ist.
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Gewöhnlicherweise
tritt der Zustand des Übergangsfluiddrucks
auf einem Teilweg zwischen dem unteren Totpunkt (BDC) ("bottom-dead-centre") und dem oberen
Totpunkt (TDC) ("top-dead-centre") des Pumpenhubs
auf. Das hat den vorteilhaften Effekt, dass die Rückhublast
auf das Antriebselement während
des kritischsten Punktes des Pumpenzyklusses (d. h., wenn sich die
Rückhublast
bei ihrem Maximalwert befindet) getragen wird und dass die Reibung
zwischen den zusammenwirkenden Flächen des Nockenreiters und
des Antriebselementes verringert wird. Die Verschleißeffekte
auf Grund eines "scuffing" werden daher eingeschränkt.
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Die
Antriebsanordnung kann in einer Pumpeneinheit einer solchen Art
beinhaltet sein, die drei Kolben besitzt, wobei die Kolben um einen
für alle drei
Kolben gemeinsamen Nockenreiter radial voneinander beabstandet sind,
d. h. bei einer so genannten Radialkraftstoffpumpe.
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In
einer Ausführungsform
ist das Antriebselement und/oder der Reiter geformt, um zusammen mit
einer Fläche
des jeweils anderen der beiden eine vertiefte oder zurückspringende
Fläche
auszubilden, das variable Fluidvolumen.
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Die
Oberfläche
des Antriebselementes kann beispielsweise im Wesentlichen konkav
geformt sein.
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Der
Nockenreiter kann in diesem Fall alternativ oder zusätzlich eine
im Wesentlichen abgeflachte Fläche
beinhalten, die zusammen mit der konkaven Fläche des Antriebselements das
variable Fluidvolumen ausbildet.
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Der
Nockenreiter kann alternativ oder zusätzlich eine im Wesentlichen
konkave Fläche
beinhalten, die zusammen mit der Fläche des Antriebselementes das
variable Fluidvolumen definiert.
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Das
Antriebselement kann in einer Ausführungsform so geformt sein,
dass es eine Antriebselement-Seitenwand von ringförmiger Gestalt
beinhaltet, die eine ringförmige
Fläche
ausbildet, die mit der Fläche
des Reiters zusammenwirken kann, um das eingeschränkte Strömungsmittel
auszubilden. Das Antriebselement kann beispielsweise mit einer vertieften
oder zurückspringenden
Fläche
von im Wesentlichen U-förmigen
Querschnitt vorgesehen sein.
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In
jeder der Ausführungsformen
der Erfindung kann das Antriebselement derart geformt sein, dass
es eine gekrümmte
Fläche
ausbildet, um mit der Fläche
des Reiters das eingeschränkte
Strömungsmittel
auszubilden. Dieses bietet den Vorteil, dass das Schmierfluid dazu
gebracht wird, während
des Rückhubs
des Antriebselementes in das variable Fluidvolumen zu strömen. In
einigen Ausbildungsformen (configurations) schafft es außerdem den
Vorteil, dass der oberflächliche
Kontaktbereich zwischen dem Antriebselement und dem Nockenreiter
vergrößert wird,
wodurch Kontaktbelastungen verringert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Antriebsanordnung für einen
Pumpenkolben einer Pumpeneinheit:
ein Antriebselement, das
während
der Verwendung erstens mit dem Pumpenkolben und zweitens mit dem
Nockenreiter zusammenwirken kann, um einen Antrieb auf den Kolben
auszuüben,
um einen Pumpenkolbenhub durchzuführen, während dem Kraftstoff in einer
Pumpenkammer auf ein hohes Maß verdichtet
wird, wobei sich der Reiter während
der Verwendung relativ zu dem Antriebselement lateral bewegt, und
wobei entsprechende Flächen
des Antriebselementes und des Nockenreiters zusammenwirkend geformt
sind, um ein variables Volumen für
ein Schmierfluid während
des Pumpenzyklusses auszubilden und um zwischen den Flächen während eines Zustandes
des Pumpenhubs, bei dem die relative Geschwindigkeit zwischen der
lateralen Bewegung des Antriebselementes und des Reiters im Wesentlichen
Null beträgt,
einen Übergangszustand
zu schaffen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Pumpeneinheit
vorgesehen, die einen Kolben und eine Antriebsanordnung für den Kolben
umfasst, wie sie in dem beigefügten
Anspruchssatz beansprucht wird.
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Bevorzugte
und/oder optionale Merkmale des ersten Aspektes der Erfindung können daher
außerdem
in dem zweiten Aspekt der Erfindung alleine oder in einer geeigneten
Kombination vorgesehen sein.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung nimmt das Antriebselement die Form eines Stößels an,
beispielsweise eines "Eimerstößels" von im Wesentlichen
U-förmigen
Querschnitt.
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Die
vorliegende Erfindung im Nachfolgenden lediglich beispielhaft mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, in denen:
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die 1 eine
Pumpeneinheit der Art zeigt, in der die Antriebsanordnung der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann,
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die 2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Stößels und
einer Nockenreiterfläche
zeigt, die einen Teil einer ersten Ausführungsform der Antriebsanordnung
der vorliegenden Erfindung ausbilden,
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die 3 ein
Diagramm zeigt, um die relative Geschwindigkeit zwischen dem Stößel und
der NockenreiterFläche
während
eines 360°-Pumpenzuklusses
darzustellen,
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die 4 ein
Diagramm zeigt, um den Versatz des Stößels bezogen auf die Zeit über den
Pumpenzyklusses darzustellen, wobei außerdem die Position des Stößels relativ
zu der Nockenreiterfläche angezeigt
ist,
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die 5(a) bis (c) Ansichten des Stößels während eines ersten, eines zweiten
und eines dritten Zustandes des Pumpenhubes des Pumpenzyklusses
darstellen, und
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die 6, 7 und 8 zu
der 2 ähnliche
vergrößerte Ansichten
von alternativen Ausbildungen von Stößel und Nockenreiterfläche für eine Verwendung
in der Pumpeneinheit der 1 darstellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für eine Pumpeneinheit
im Allgemeinen der in der 1 dargestellten
Art. Die Pumpeneinheit 10 beinhaltet ein erstes Gehäuseteil 12 in
der Form eines Hauptpumpengehäuses,
das mit einer sich axial erstreckenden Öffnung versehen ist, durch die
sich eine Nockenantriebswelle erstreckt, wenn die Einheit 10 in
einem Motor eingebaut ist. In dem in der 1 dargestellten Schnitt
ist die Mittelachse 16 der Antriebsachse gekennzeichnet,
obwohl die Antriebsachse selbst nicht sichtbar ist. Die Antriebsachse
wirkt mit einer Antriebsanordnung zusammen, die eine exzentrisch
befestigte Nockenwelle 18 beinhaltet, die einen Nockenring
oder-reiter 20 mit einem im Allgemeinen kreisähnlichen
Querschnitt trägt.
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Um
die Nockenwelle herum sind erste, zweite und dritte Pumpenköpfe odereinheiten
befestigt, die allgemein mit 22a, 22b und 22c bezeichnet
sind. Die Pumpeneinheiten sind identisch, weshalb lediglich Eine
detailliert beschrieben werden wird.
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Der
erste Pumpenkopf 22a umfasst einen Kolben 24,
der sich innerhalb einer Kolbenbohrung 26 hin- und herbewegt,
um eine Verdichtung des Kraftstoffs innerhalb einer Pumpenkammer 28 zu verursachen,
die an einem Sackende der Bohrung 26 ausgebildet ist. Kraftstoff
wird unter einem verhältnismäßig geringen
Druck während
des Gebrauchs der Pumpenkammer 28 zugeführt und wird auf ein für eine Einspritzung
geeignetes hohes Maß verdichtet, wenn
der Kolben 24 angetrieben wird und dabei einen Pumpenhub
durchführt,
d. h. zwischen dem unteren Totpunkt (BDC) und dem oberen Totpunkt (TDC).
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Die 2 zeigt
eine erste Ausführungsform einer
Antriebsanordnung für
die Pumpeneinheit der 1. Der Kolben hat ein zugehöriges Antriebselement 30 in
der Form eines Stößels, der
mit dem Kolben 24 zusammenwirken kann. Der Stößel 30 kann ein "Eimer"-Stößel von
im Allgemeinen U-förmigen oder
kanalartigen Querschnitt sein und beinhaltet eine Basis 32 und
erste und zweite seitliche Wandungen 34. Die obere Fläche der
Stößelbasis 32 kann mit
einer (nicht dargestellten) Ausnehmung versehen sein, um ein Ende
einer Kolbenrückholfeder
(in der 1 der Gegenstand 36)
anzuordnen, die konzentrisch bezüglich
des Kolbens 24 befestigt ist und dazu dient, einen Rückhub des
Kolbens zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt zu
bewirken. Ein (nicht dargestellter) Seegerring verbindet die Rückholfeder 36 mit
dem Kolben 24 an dessen unterem Ende. Obwohl der Stößel 30 und
der Kolben 24 nicht körperlich
miteinander verbunden sind, so dass zwischen diesen Teilen 24 und 30 eine
relative axiale Bewegung ermöglicht
wird, bewirkt die Feder 36, dass der Stößel und der Kolben während einer
Bewegung miteinander in Kontakt bleiben.
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Beispiele,
wie der Stößel und
der Kolben miteinander, falls erforderlich, verbunden werden können, sind
in der parallel anhängigen
britischen Patentanmeldung
GB
0229367.8 des Anmelders beschrieben.
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Eine
untere Fläche 37 der
Stößelbasis 32 kann
mit einem abgeflachten oder flachen Flächenbereich 38 des
Reiters 20 zusammenwirken. Der im Allgemeinen ringförmige Nockenreiter 20 ist
insgesamt mit drei abgeflachten Flächenbereichen 38 versehen,
die um den Reiter 20 herum gleichwinklig voneinander beabstandet
sind, so dass jeder mit einem entsprechenden der drei Stößel zusammenwirken kann.
Der Reiter kann daher als im Allgemeinen von prismenartiger Form
betrachtet werden. Die untere Fläche 37 der
Stößelbasis 32 definiert
eine Flächenkante 37a und
die abgeflachte Fläche 38 des Reiters 20 definiert
eine Flächenkante 38a.
Die Flächenkante 37a des
Stößels ist
von ringförmiger
Form und definiert gewissermaßen
eine "Flächenlinie".
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Bei
bekannten Kraftstoffpumpen der Art, die einen einen Kolben antreibenden
Stößel umfassen, sind
die einander gegenüberliegenden
und zusammenwirkenden Flächen
des Stößels und
des Reiters flach und parallel ausgerichtet, um zwischen ihnen einen
sehr geringen Abstand auszubilden, der einen dünnen Film oder ein Schmierfluid
trägt.
Wenn der Stößel während des
Pumpenzyklusses angetrieben wird, dient der dünne Fluidfilm zwischen diesen
beiden Flächen
dazu, die Reibung zwischen den aufeinander gleitenden Flächen zu
verringern. Da das Fluid zwischen den Flächen ausgetrieben wird, trägt ein Übergangsfluiddruck
die Rückhublast
des Stößels. Dieser
sogenannte "Quetschfilmeffekt" ist allgemein bekannt.
Die darauf beruhenden Mechanismen sind bekannt, um eine verringerte
Reibung zu bewirken. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass
dieser Quetschfilmeffekt die Reibung zwischen dem Stößel und
dem Reiter nicht in einem ausreichenden Maß verringert, so dass ein nicht
zufriedenstellendes Maß eines
Verschleißes
des Stößels auftritt.
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Es
ist ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die
Fläche 37 der
Stößelbasis 32 und
die gegenüberliegende
abgeflachte Fläche 38 des
Nockenreiters 20 miteinander zusammenwirkend geformt sind,
um zwischen ihnen ein vergrößertes Volumen
für ein
Schmierfluid vorzusehen. In der 2 ist beispielsweise
die untere Fläche
der Stößelbasis 32 mit
einer Ausnehmung versehen, um eine im Wesentlichen konkave Fläche 37 zu
definieren, anstelle dass sie flach ist, wie bei bekannten herkömmlichen
Stößelantriebsanordnungen.
Das verhältnismäßig große Fluidvolumen 44 ist über den Pumpenzyklus
variabel und schafft einen Zustand eines verlängerten Übergangsfluiddrucks, was zu
einer verringerten Reibung zwischen den Flächen 37 und 38 führt, wenn
sie sich während
des Gebrauches gegeneinander verschieben oder relativ zueinander gleiten.
Der Grund dafür
wird genauer im Nachfolgenden beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass
das Maß,
um das die Fläche 37 der
Stößelbasis 32 konkav
ist, in der 2 deutlich übertrieben ist.
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Wenn
der Nockenreiter 20 während
einer Verwendung dazu gebracht wird, auf Grund einer Rotation der
Antriebsachse über
die Fläche
der Steuerkurve 18 zu gleiten, wird auf den Stößel 30 und
wiederum auf den Kolben 24 eine axiale Antriebskraft ausgeübt, die
dazu führt,
dass sich der Kolben 24 in seiner Bohrung 26 hin-
und herbewegt. Der Stößel 30 und
der Kolben 24 werden daher zusammen angetrieben, um einen
Pumpenzyklus, umfassend einen Pumphub und einen Rückhub, durchzuführen. Während des
Pumphubs werden der Stößel 30 und
der Kolben 24 von der Achse radial nach außen angetrieben
(d. h. in der 1 vertikal nach oben), um das Volumen
der Pumpenkammer 28 zu verringern. Während des Rückhubs des Kolbens, der durch
die Rückholfeder 36 bewirkt
wird, werden der Stößel 30 und
der Kolben 24 in eine radial nach innen gerichtete Richtung
gedrängt
(d. h. in der 1 vertikal nach unten), um das
Volumen der Pumpenkammer 28 zu vergrößern. Da der Stößel 30 in
eine radial nach außen
gerichtete Richtung angetrieben wird, um einen Antrieb auf den Kolben 24 in
einer axialen Richtung auszuüben,
tritt ein (gewisses) Maß einer
Seit- oder Gleitbewegung des Stößels 30 über die
abgeflachte Fläche 38 des
Reiters auf, und zwar nach vorwärts und
rückwärts. Während des
Rückhubs
gleitet der Stößel in einer ähnlichen
Weise über
die abgeflachte Fläche 38 des
Reiters.
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Die
Pumpeneinheit ist mit einem geeigneten Zufuhrdosierungsventil (nicht
dargestellt) versehen, wobei für
jede der drei Pumpenkammern geeignete (ebenfalls nicht dargestellte)
Einlass- und Auslassventile vorgesehen sind. Während einer Zeitdauer, in der
sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil geschlossen
sind, tritt während
des Pumpenhubs des Kolbens 24 in der Pumpenkammer 28 eine Verdichtung
des Kraftstoffs auf. Wenn der Kraftstoff auf ein Maß verdichtet
wurde, dass ausreicht, um das Auslassventil zu öffnen, wird der verdichtete
Kraftstoff durch eine Abgabeleitung der gemeinsamen Leitung (common
rail) zugeführt.
Der Druck des durch das Auslassventil zugeführten Kraftstoffs liegt gewöhnlicherweise
in dem Bereich zwischen 1500 und 2000 bar. Während des Rückhubs des Kolbens 24 ist
der Kraftstoffdruck in Förderrichtung
hinter der Pumpenkammer 28 größer als innerhalb der Pumpenkammer 28,
weshalb das Auslassventil in einen geschlossenen Zustand gedrängt wird.
Während
der Zeitdauer des Rückhubs,
für den
das Einlassventil in einen offenen Zustand gedrängt wird, wird der Pumpenkammer 28 Kraftstoff
unter einem verhältnismäßig geringen
Druck zugeführt,
um die Kammer 28 bereit für den Beginn des nachfolgenden
Pumpenhubes zu füllen.
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Da
der Stößel 30 und
der Kolben 24 über
den Pumpenzyklus angetrieben werden, bewegt sich die Fläche 37 des
Reiters 20 relativ zu der Fläche 37 des Stößels 30 seitlich,
vorwärts
und rückwärts. Die
relative Geschwindigkeit zwischen den gleitenden Flächen 37 und 38 variiert über den
Pumpenzyklus, wie in der 3 dargestellt ist (es sollte
insbesondere beachtet werden, dass die vertikale Achse in der 3 die
relative Geschwindigkeit und nicht den Versatz des Stößels darstellt).
Da die Flächen 37 und 38 relativ
zueinander lateral versetzt werden, füllt sich das zwischen ihnen
ausgebildete Volumen 44 in einer zyklischen Weise mit einem
Schmierfluid und treibt dieses aus, wie nachfolgend mit Bezug auf
die 4 und 5 beschrieben
wird.
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Für den Zweck
der nachfolgenden Beschreibung sollte insbesondere beachtet werden,
dass der Stößel 30 in
der Praxis seitlich geführt
ist und sich daher der Reiter 20 relativ zu dem Stößel 30 bewegt und
die relative Bewegung zwischen ihren entsprechenden Flächen 37 und 38 erzeugt.
Zum Zwecke der Klarheit der folgenden Beschreibung stellt allerdings
die 4 den relativen Versatz zwischen dem Stößel 30 und
dem Reiter 20 dar, wobei der Stößel 30 relativ zu
dem sich bewegenden Reiter 20 in unterschiedlichen relativen
Stößelpositionen
dargestellt ist.
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Die 5a zeigt den Stößel 30 und den Kolben 24 bei
dem Beginn des Pumpenhubes bei oder gerade nach dem unteren Totpunkt
BDC (ein erster Zustand des Pumpenhubes), zu dem die relative Geschwindigkeit
zwischen den Gleitflächen 37 und 38 ungefähr bei ihrem
Maximalwert liegt. In der 4 ist dieser
Punkt in dem Pumpenzyklus mit der Bezugsnummer 50 identifiziert.
Bei diesem Punkt ist der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 28 relativ
gering, so dass durch den Kraftstoffdruck in der Kammer 28 lediglich
eine verhältnismäßig geringe
Rückhublast
auf den Kolben 24 und den Stößel 30 ausgeübt wird.
In diesem Zustand ist das Volumen 44 des Schmierfluids
zwischen den Flächen 37 und 38 auf Grund
der Konkavität
der Nockenbasis 32 groß,
wobei das Volumen 44 einen kleinen, zwischen den Flächen 37 und 38 in
dem Bereich der Stößelkante 37a bei
der Flächenlinie
definierten Abstand umfasst. Es ist dieses große Volumen 44 des
Fluids zwischen den Flächen 37 und 38,
das die auf Grund des Kraftstoffdrucks in der Pumpenkammer 28 auf
den Stößel 30 wirkende
hydraulische Rückhublast
trägt.
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Die 5b zeigt den Stößel 30 und den Kolben 24 an
einem Punkt später
im Pumpenhub, nach einem Teil des Weges zwischen dem unteren Totpunkt
BDC und dem oberen Totpunkt TDC, bei dem die relative Geschwindigkeit
zwischen der abgeflachten Fläche 38 des
Reiters und der Fläche 37 des
Stößels progressiv
auf einen Minimalwert abgenommen hat (ein zweiter Zustand des Pumpenhubes).
Die Rückhublast
auf den Kolben 24 und dem Stößel 30 steigt bei
diesem Zustand an, da der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 28 ansteigt.
Die Stößelbasis 32 besitzt
ein gewisses Maß an
Nachgiebigkeit, so dass die Basis 32 bei ansteigender Rückhublast
dazu gebracht wird, leicht zusammengerückt zu werden, wodurch das
Volumen 44 zwischen den Flächen 37 und 38 verringert
wird. Wenn das Volumen 44 verringert wird, wird das Schmierfluid
in einer verhältnismäßig geringen
Rate, die durch die Größe des Spaltes oder
des Zwischenraumes zwischen der Stößelkante 37a an der
Flächenlinie
und der abgeflachten Fläche 38 bestimmt
ist, aus dem Volumen 44 ausgetrieben. Das Austreiben des
Fluids aus dem Volumen 44 erzeugt einen Quetschfilmeffekt,
der dazu dient, die Reibung zwischen den Flächen 37 und 38 zu
verringern.
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Teilweise
auf Grund des großen
Volumens des Schmierfluids zwischen den Flächen 37 und 38, das
aus dem Volumen 44 ausgetrieben wird, und teilweise auf
Grund des eingeschränkten
Zwischenraumes zwischen den Flächen
an den Stößelkanten 37a wird
der Übergangsfluiddruck
zwischen den Flächen 37 und 38 derart
verlängert,
dass der Übergangsfluiddruck
zwischen den Flächen 37 und 38 ausreicht, um
die Rückhublast
auf den Stößel 30 an
einem Punkt zu tragen, bei dem die Rückhublast auf den Kolben 24 und
den Stößel 30 einen
Maximalwert besitzt und die Reibung zwischen den Flächen 37 und 38 höchstwertig
ist. Dieser kritische Punkt des Pumpenzyklusses tritt gerade vor
der Öffnung
des Auslassventils zur Abgabe des verdichteten Kraftstoffs innerhalb
der Pumpenkammer 38 an die Leitung auf, da bei diesem Punkt
der Kraftstoffdruck in der Kammer 28 einen Maximalwert
besitzt.
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Bei
einem fortgeführten
Pumpenhub wird das zwischen den Flächen 37 und 38 des
Stößels und
des Reiters ausgebildete Volumen 44 weiterhin verringert,
wobei das Fluid zwischen den Flächen 37 und 38 durch
den begrenzten Abstand bei einer geringen Rate weiterhin ausgetrieben
wird. Dieses ist der in der 5c dargestellte
zweite Zustand des Pumpenhubes.
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Gegebenenfalls
stehen die Flächen 37 und 38 an
dem oberen Totpunkt (dem Punkt 52 in der 4)
in einem effektiven Kontakt, so dass das im Wesentlichen gesamte
Fluid aus dem nunmehr zusammengebrochenen Volumen ausgetrieben wurde, wodurch
in diesem kein Fluid vorliegt. Dieses ist der dritte, in der 5c dargestellte Zustand des Pumpenhubes.
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Zwischen
dem zweiten und dem dritten Zustand des Pumpenhubes steigt ein progressiver
Kantenflächenkontakt
zwischen den Flächen 37 und 38 möglicherweise
an, bis sich die Flächen
kontaktieren. Es ist daher begrüßenswert,
dass das Fluid durch die Verringerung des Volumens 44 nur
bei einem Teil des Pumpenhubes ausgetrieben wird. Im Vergleich zu bekannten
Anordnungen, die den Quetschfilmeffekt verwenden, ist allerdings
die Zeitdauer, in der der Übergangsfluiddruck
die auf den Stößel wirkende Rückhublast
trägt,
wesentlich verlängert.
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Es
wird insbesondere in der 4 erkannt werden, dass die Flächen 37 und 38 in
sämtlichen Zuständen des
Pumpenhubes trotzdem im Wesentlichen ausgerichtet sind, da die Flächen 37 und 38 sich
relativ zueinander vorwärts
und rückwärts bewegen.
Das Maß,
um dass das Fluid aus dem Volumen 34 zwischen den Flächen der
Stößelkante 37a ausgetrieben
wird, wird daher verhältnismäßig gering
gehalten. Es ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass der Strömungsbereich,
durch den der Kraftstoff aus dem Volumen 44 ausgetrieben
wird, klein ist, um so den Übergangsfluiddruck
innerhalb des Volumens 44 für eine signifikante Zeitdauer
aufrecht zu halten, insbesondere während des Teils des Pumpenhubes, wenn
die Last auf den Stößel einen
Maximalwert besitzt (ein Teil des Weges zwischen dem unteren Totpunkt
BDC und dem oberen Totpunkt TDC). Dieses wird durch eine Formung
der Stößelbasis 32 und
des Nockenreiters 20 erreicht, so dass ein beschränktes Strömungsmittel
zwischen der Stößelflächenkante 37a und
der abgeflachten Fläche 38 des
Reiters 20 geschaffen wird. Jeder vergrößerte Bereich, der für eine Fluidströmung aus
dem Volumen 44 zur Verfügung
steht, wird dazu dienen, die Zeit, in der der Übergangsfluiddruck die Rückhublast
auf den Stößel 30 trägt, zu verringern,
was nicht erwünscht
ist. Bei dieser Ausführungsform
ist es daher beispielsweise wichtig, dass die Fläche 37 des Stößels genau
konkav hergestellt ist, um die begrenzte Fluidströmung zwischen
den Flächen 37 und 38 aus
dem Volumen 44 in sämtlichen
Zuständen
des Pumpenhubes aufrecht zu erhalten.
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Nachdem
der Stößel den
oberen Totpunkt erreicht hat und nachfolgend seinen Rückhub beginnt, wird
ein Hohlraum zwischen die beiden kantenkontaktierenden Flächen 37 und 38 gezogen,
da der Kolben 24 aus der Pumpenkammer 28 herausgezogen wird
und das Volumen 44 zwischen den Flächen 37 und 38 daher
beginnt, zu wachsen. Wenn die Last auf den sich zurückziehenden
Kolben ausreichend abgesunken ist, wird die Dichtung zwischen den
Flächen 37 und 38 gegebenenfalls
aufgebrochen, bis nach einem Teilweg durch den Rückhub an einen Punkt des Hubes,
bei dem der Stößel 30 relativ
zu der Reiterfläche
um ein ausreichendes Maß in
eine positive Richtung versetzt wird, so dass die Kante 37a der
Stößelfläche 37 sich über die
Kante 38a der abgeflachten Fläche 38 des Reiters 20 erstreckt,
ein Befüllen
des Volumens 44 beginnt. Die Zeitdauer, in der sich das
Volumen 44 ausdehnt und füllt, wird durch den dunkel
gefärbten
Bereich 46 in der 4 identifiziert
(für nachfolgende
Pumpenzyklen sind zwei dunkel gefärbte Bereiche 46 dargestellt).
Während
des Anfangszustandes des Rückhubs
wird das Schmierfluid durch den Abstandspalt zwischen den Kanten 37a und 38a der
Flächen 37 und 38 in
das Volumen 44 eingezogen. Nach einem teilweisen Ablauf des
Rückhubs
kehrt sich die Bewegungsrichtung des Stößels 30 um und folglich
hört die
Befüllung
des Volumens 44 an dem Punkt des Zyklusses kurz vor dem unteren
Totpunkt auf, wenn die Kante 37a der Stößelfläche 37 wieder mit
der Kante 38a der abgeflachten Reiterfläche 38 ausgerichtet
ist, um den Abstandspalt zu schließen.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, verbleiben die Flächen 37 und 38 des
Stößels und
des Reiters während
des folgenden Pumpenhubes ausgerichtet und der Übergangsfluiddruck innerhalb
des Volumens trägt
die auf den Stößel wirkende
Rückhublast,
da das verhältnismäßig große Volumen 44 des
Fluids zwischen den Flächen 37 und 38 in
einer sehr geringen Rate bei der Stößelkante 37a für eine verlängerte Zeitdauer
ausgetrieben wird.
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Die 6 zeigt
eine alternative Ausführungsform
zu der in den 2 und 5 Dargestellten,
in der die Fläche 137 der
Stößelbasis 32 nicht
konkav ausgeführt
ist, sondern stattdessen mit einer Ausnehmung von im Wesentlichen
U-förmigen
Querschnitt versehen ist, um eine ringförmige äußere Wandung 48 auszubilden.
Eine untere ringförmige Fläche 137a der äußeren Wandung 48 ist
im Wesentlichen flach und definiert zusammen mit der Fläche 38 des
Nockenreiters ein eingeschränktes
Strömungsmittel,
um zu ermöglichen,
dass das Fluid in dem Volumen 44 in einem verhältnismäßig geringen Maß ausgetrieben
wird, wenn der Stößel 30 den Pumpenhub
durchführt.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform,
dass der Kontaktbereich zwischen den beiden Flächen 137a und 38 während der
letzten Phase des Pumpenhubes vergrößert wird, was den Effekt einer
Verringerung von Flächenkontaktbelastungen
bewirkt.
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Der
Betrieb dieser Ausführungsform
ist ähnlich
zu der zuvor mit Bezug auf die 2 bis 5 beschriebenen, mit der Ausnahme, dass
das beschränkte
Strömungsmittel
zwischen einer ringförmigen
Fläche 137a der äußeren Wandung 48 definiert ist,
anstatt durch eine Flächenkante
wie der Flächenkante 37a in
den 2 bis 5 definiert
zu sein. Wie zuvor wird das Volumen 44 während der
Anfangsphasen des Pumpenhubes schrittweise verringert, wenn die
auf den Stößel 30 wirkende
Last ansteigt, und die Basis 32 des Stößels 30 leicht zusammengedrückt, um
das Fluid aus dem Volumen 44 auszutreiben. Während der
letzten Phase des Pumpenhubes, kurz vor dem oberen Totpunkt, bewirkt
die Nachgiebigkeit der Stößelbasis 32,
dass sich dessen untere zurückspringende
Fläche 137 im
Wesentlichen abflacht, wobei der Flächenkontakt zwischen der ringförmigen Fläche 137a der äußeren Wandung 48 des
Stößels und
der Reiterfläche 38 gegebenenfalls
eine Dichtung ausbildet.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der Ausführungsform der 6,
dass sich die Stößelbasis 32 auf
Grund der Formgebung der zurückspringenden Fläche 137 nicht
so stark verformen kann wie in der ersten Ausführungsform, so dass das Volumen 44 zwischen
den Flächen 137 und 38 in
der dritten Phase des Pumpenhubes nicht vollständig zusammenfällt.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform,
die in der 7 dargestellt ist, sind sowohl
die Fläche 37 der
Stößelbasis 32 als
auch die Fläche 138 des
Nockenreiters 20 konkav geformt, um so das für das Schmierfluid
verfügbare
Volumen 44 weiter zu vergrößern. In diesem Fall ist es
wichtig, dass beide Flächen 138 und 37 mit
einem hohen Maß an
Genauigkeit geformt sind, so dass sichergestellt ist, dass ein ausreichend
beschränkter
Strömungsbereich
für das Fluid
zu allen Zeiten während
des Pumpenhubes in dem Bereich ihres Oberflächenkontaktes erhalten wird.
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Es
wird nochmals darauf hingewiesen, dass das Maß, mit dem die Fläche 137 des
Stößels 30 in der 6 als
zurückspringend
dargestellt ist, und das Maß,
mit dem die Flächen 37 und 138 des
Stößels 30 und
des Reiters 20 in der 7 als konkav seiend
dargestellt sind, deutlich übertrieben
ist.
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Die 8 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform,
in der der Stößel 30 in
einer ähnlichen Weise
geformt ist, wie in den 2 bis 5 dargestellt ist,
wobei die Stößelbasis 32 mit
einer wesentlich zurückspringenden
unteren Fläche 237 versehen
ist, wobei allerdings deren Kantenfläche 237a mit einem Radius
versehen oder "gerollt" ist. Das Abrunden
der Kantenfläche 237a schafft
einen ersten Vorteil darin, dass die abgerundete äußere Kante
ein Einziehen des Fluids zwischen die Flächen 237a und 38 in
das Volumen 44 während
des Rückhubs
des Kolbens und des Stößels fördert, wenn
das Volumen 44 durch den Abstandspalt zwischen den Kanten 237a und 38a mit dem
Schmierfluid gefüllt
wird. Ein zweiter Vorteil wird dadurch erhalten, dass der Kontaktbereich
zwischen den beiden Flächen 237a und 38 während der
letzten Phase des Pumpenhubes vergrößert wird, wodurch die Flächenkontaktbelastung
verringert wird.
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In
anderen Variationen können
die Anordnungen des Stößels und
des Reiters, die die allgemein in den 6 und 8 dargestellten
Konstruktionen besitzen, außerdem
so ausgebildet sein, dass die Flächenkante
des Stößels, die
mit der Fläche
des Reiters zusammenwirkt, um das beschränkte Strömungsmittel zu bilden, abgerundet
oder gerollt ist.
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In
jeder der zuvor erwähnten
Ausführungsformen
kann es des Weiteren erwünscht
sein, die zurückspringende
Fläche 37, 137 und 237 des
Stößels 30 mit
einer Mehrzahl von Einkerbungen oder Taschen zu versehen, um das
für das
Schmierfluid zur Verfügung
stehende Volumen 44 weiter zu vergrößern. Dieses kann beispielsweise
erreicht werden, indem Lasertaschen über der zurückspringenden Stößelfläche 37, 137 und 237 ausgebildet
werden, oder in dem die zurückspringende
Fläche
grob geschliffen und nachfolgend fein bearbeitet wird.
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In
einer Drei-Kolben-Radialpumpe ist es vorteilhaft, wenn jede der
drei abgeflachten Flächen
des Reiters 20 und die entsprechenden zusammenwirkenden
Flächen
der drei Stößel in der
gleichen Weise geformt sind, wie für jede der zuvor erwähnten Ausführungsformen
beschrieben wurde, oder in einer anders zusammenwirkend geformten
Weise, um die funktionellen Vorzüge
der Antriebsanordnung zu schaffen, die in den angehängten Ansprüchen dargestellt
ist.
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Es
ist zu beachten, dass die Antriebsanordnung der vorliegenden Erfindung
als den Nocken 18 und/oder den Kolben 24 umfassend
oder nicht umfassend hergestellt werden kann. Es ist außerdem zu beachten,
dass die Antriebsanordnung der vorliegenden Erfindung in anderen
Arten von Pumpeneinheiten und nicht notwendigerweise in radialen
Pumpeneinheiten und nicht notwendigerweise in Pumpeneinheiten mit
drei Kolben verwendet werden kann.