DE102005024059A1

DE102005024059A1 - Radial-Kolbenpumpe mit exzentrisch angetriebenem Rollbetätigungsring

Info

Publication number: DE102005024059A1
Application number: DE102005024059A
Authority: DE
Inventors: Ilija East Granby Djordjevic
Original assignee: Stanadyne LLC
Current assignee: Stanadyne LLC
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2005-12-15
Also published as: FR2870895A1; US7950905B2; US20060110276A1; US7524171B2; US7134846B2; GB0510507D0; US20090208355A1; GB0902483D0; US20050265867A1; GB2414523B; GB2455217B; FR2870895B1; GB2455216A; GB2414523A; GB0902482D0; US8007251B2; GB2455217A; GB2455216B; US20090180900A1

Abstract

Ein hydraulischer Kopf (10) weist zwei oder drei einzelne Radialpumpenkolben (26, 62, 72, 80) und zugehörige Pumpenkammern (32) auf, die ringförmig benachbart um einen Hohlraum (12) in dem Kopf (10) angeordnet sind, in dem ein exzentrisches Antriebselement (18) mit zugehörigem äußerem Roll- bzw. Wälzbetätigungsring (20) angeordnet ist, wobei eine Wälz- bzw. Rollwechselwirkung zwischen dem Betätigungsring (20) und den inneren Enden (28) der Kolben (26, 62, 72, 80) für eine intermittierende Betätigung vorgesehen ist, und eine Gleichwechselwirkung zwischen dem Betätigungsring (20) und dem Antriebselement (18) vorgesehen ist. Die entsprechenden Einlaß- und Auslaßventilsteuerungen (38, 40) sind auch in dem Kopf angeordnet, und der Kopf (10) ist an einem Einsatz und/oder einer kundenspezifischen Montageplatte befestigt. Der äußere Durchmesser des Wälzelements ist tonnenförmig, um jegliche Fehlausrichtung der Kolben (26, 62, 72, 80) in bezug auf die Antriebswelle (14), beispielsweise aufgrund von Toleranzstapelungen oder Biegungen, zu kompensieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselkraftstoffpumpen und insbesondere Radialkolbenpumpen zum Versorgen von Kraftstoffeinspritzsystemen mit gemeinsamer Leitung ("common rail") mit Hochdruckdieselkraftstoff.

Diesel-"Common rail"-Systeme wurden zum neuesten Stand der Technik in der Dieselmotorindustrie und treten derzeit ferner in die zweite und manchmal sogar dritte Generation. Die Aufmerksamkeit ist gegenwärtig darauf gerichtet, weitere Verbesserungen in der Kraftstoffeinsparung zu realisieren und restriktiveren Emissionsgesetzen zu genügen. Bei der Verfolgung dieser Ziele sind die Motorenbauer eher bereit, das effektivste Bauteil für jeden Teil des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems aus einer Vielzahl von Zulieferern auszuwählen als sich weiterhin auf einen einzigen Systemintegrator zu verlassen.

Infolgedessen wurde der vorliegende Erfinder motiviert, auf den grundlegenden Konzepten von einer Hochdruckkraftstoffversorgungs-Zwei- oder Drei-Radialkolbenpumpe diese zu verbessern, um eine hocheffektive und universell einsetzbare Pumpe zu schaffen, die in einer breiten Vielzahl von "Common rail"-Einspritzsystemen eingebaut werden kann.

Erfindungsgemäß weist ein hydraulischer Kopf zwei oder drei Radialpumpenkolben und zugehörige Pumpenkammern auf, die ringförmig um einen Hohlraum in dem Kopf angeordnet sind, in dem ein exzentrisches Antriebselement mit zugehörigem äußeren Wälz- bzw. Rollbetätigungsring angeordnet ist, wobei eine Wälz- bzw. Rollwechselwirkung zwischen dem Betätigungsring und dem inneren Ende des Kolbens zur intermittierenden Betätigung vorgesehen ist, und eine Gleitwechselwirkung zwischen dem Betätigungsring und dem Antriebselement vorgesehen ist. Die entsprechenden Einlaß- und Auslaßventilsteuerungen sind ebenfalls in dem Kopf angeordnet, und der Kopf ist an einem Einsatz und/oder einer kundenspezifischen Montageplatte angebracht.

Das Antriebselement wird von einer Antriebswelle starr getragen, die durch zwei Lager abgestützt wird; eines der Lager befindet sich in der Montageplatte und das andere in dem hydraulischen Kopf. Abhängig von dem Pegel der aktuellen Pumpkraft und der Nenngeschwindigkeit können diese Lager entweder als Radiallager oder als Nadellager ausgebildet sein. Im Falle von Radiallagern ist es vorteilhaft, diese durch Abzweigen eines Teils eines mit Druck beaufschlagten Kraftstoffs von dem Einspeisungskreislauf kraftgeschmiert auszugestalten.

Die Betätigungskraft für jedes Pumpereignis wird von dem Exzenter auf die Kolben sequentiell übertragen durch den Rollbetätigungsring, der entweder durch ein kraftgeschmiertes Lager oder durch ein Nadellager abgestützt wird, das ungefähr in der Mitte der Welle angeordnet ist. Der äußere Durchmesser des Rollelementes ist tonnenförmig, um jeden Versatz oder Fluchtungsfehler der Kolben relativ zu der Antriebswelle, zum Beispiel aufgrund entweder von Toleranzstapelungen oder von Biegungen, zu kompensieren.

Vorzugsweise verbindet ein halbstarres Joch mittels einer sogenannten desmodromischen dynamischen Verbindung die Kolben und zwingt den inaktiven (nichtpumpenden) Kolben in Richtung des unteren Todpunkts, während der andere Kolben pumpt. Die Starrheit des Jochs muß angepaßt sein, um die Durchbiegung zu minimieren (selbst bei maximalem Vakuum bei Nichtausgabebedingungen), da jede Trennung und darauffolgender Aufschlag beim Start des Pumpens einen nachteiligen Effekt auf die Lebenserwartung hat. Zur gleichen Zeit sollte die Kontaktkraft zwischen den Kolben und dem äußeren Durchmesser des Rollelementes so gering wie möglich gehalten werden, um Verschleiß und Hitzeerzeugung während des intermittierenden Gleitens zu minimieren, welche nur während des Ladungszyklus auftreten.

In einer Ausführungsform weist die Pumpe nur zwei Kolbenbohrungen und zugehörige zwei Kolben auf, jede Kolbenbohrung weist eine Mittellinie auf, die den Betätigungsring schneidet, aber versetzt zur Antriebsachse ist, und die Kolbenbohrungsmittellinien sind parallel zueinander, aber entlang der Antriebsachse betrachtet versetzt zueinander.

In einer anderen Ausführungsform weist die Pumpe drei im wesentlichen gleichwinklig zueinander angeordnete Kolbenbohrungen und zugehörige drei Kolben auf, und jede Kolbenbohrung hat eine Mittellinie, die den Betätigungsring schneidet, aber entlang der Antriebsachse betrachtet versetzt zur Antriebsachse ist.

Vorzugsweise ist jeder Kolben in seiner entsprechenden Kolbenbohrung nicht nur zur freien Hin- und Herbewegung entlang der Bohrungsachse während der Ladungs- und Ausstoßphasen im Betrieb angeordnet, sondern auch zur freien Drehung um die Kolbenachse, um jeglichen asymmetrischen Kräften, die an der Grenzfläche zwischen dem radialen inneren Ende des Kolbens (oder seines zugehörigen Schuhs) und dem Betätigungsring auftreten, entgegenzuwirken.

Die Pumpabgabe ist vorzugsweise gesteuert durch eine Einlaßdosierung mit einem Proportional-Solenoidventil, aber andere herkömmlich erhältliche Steuerverfahren können unter der Bedingung jedoch verwendet werden, daß der Anfangsdruck der Einlaß-Rückschlagventile hoch genug ist, um unkontrollierte und unerwünschte Ladung durch ein durch die Kolben während des Unterdruckshubs erzeugtes Vakuum zu verhindern. Um die Steuerungsauflösung zu verbessern und dadurch eine vollständige Kontrolle auch bei geringsten Geschwindigkeiten zu gewährleisten, sollte das Steuerungs-Solenoidventil entweder vom Strömungsproportionaltyp oder Druckproportionaltyp kombiniert mit einer variablen Krümmungsflächenblende sein.

Die Hauptvorteile der Erfindung verglichen mit den zur Zeit erhältlichen Pumpen der Wettbewerber beinhalten:

• Fähigkeit, einen Hochpumpendruck bis zu 2000 bar zu erzeugen.
• Fehlen einer Gleitgrenzfläche bei niedriger Geschwindigkeit und hoher Kraft zwischen dem Kolben und dem Wälz- bzw. Rollelement. Bei teilweiser Abgabe, welche die typische Situation unter normalen Betriebsbedingungen ist, tritt das Gleiten zueinander nur während der Ladungsereignisse auf und daher nur bei einem sicheren Niveau einer niedrigen Kraft. Auch bei dem ungewöhnlichen Betrieb in einem 100 %-Abgabemodus (Kaltstart) tritt das Gleiten zueinander bei einem reduzierten Kraftniveau aufgrund eines unvermeidlichen Überlappens von mit Druck beaufschlagten und druckentlasteten Hüben auf.
• Fehlen eines bevorzugten Abnutzungspunktes an den Grenzflächen von der Antriebswelle/Wälzelement, Wälzelement/Kolben und Kolben/Kolbenbohrung. Während des Pumpereignisses tritt nur eine Wälzbewegung zwischen dem Kolben und dem Wälzelement auf. Wenn sich die Pumpenabgabe mit der Zeit ändert, so ändert sich der Kontaktpunkt, wobei statistisch betrachtet die gesamte innere und äußere Oberfläche des Wälzelements der Kraftübertragung teilnimmt, was in einer niedrigeren Anzahl von Ladungszyklen an einer bestimmten Stelle resultiert.
• Höhere volumetrische Effizienz aufgrund von minimiertem Auftreten eines Todvolumens mit niedrigem Druck, reduzierter Leckage aufgrund von maximierten Dichtungssteglängen, niedrigere Anzahl von undichten Grenzflächen und allgemein kürzeren Pumpdauern, sowie einer erhöhten Pumpenkammersteifigkeit.
• Höhere mechanische Effizienz. Niedrige Reibung an der Wälzgrenzfläche verbunden mit kürzeren Kolbenüberhängen, was zu allgemein reduzierten Reibungsverlusten führt.
• Niedrigere Wärmeerzeugung, was zu einer reduzierten Wärmezurückweisung führt (kälterer Kraftstoff).
• Niedrigere Teilezahl und weniger komplexe Maschinenbearbeitung, was zu einer höheren Zuverlässigkeit und geringeren Kosten führt. Im allgemeinen kleinere und leichtere Pumpe.
• Einfachere Einlaßdosiersteuerung aufgrund eines Fehlens von Ladungswettbewerben, welche typisch für Pumpen mit überlappenden Ladungsereignissen sind.
• Verringerte Anzahl von Niedrig- sowie Hochdruckdichtungsgrenzflächen.
• Allgemein geringere Anzahl von Pumpzyklen während der Lebensdauer der Pumpe.
• Fehlen von Rückstellfedern (eine dynamisch hoch beanspruchte Komponente) und Fehlen von benötigtem Installationsraum.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Abbildungen schematisiert dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 ist eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Zwei-Kolben-Pumpe;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht durch den Hohlraum des in 1 gezeigten hydraulischen Kopfs;
3 ist eine graphische Darstellung des Pumpendrucks in Abhängigkeit vom Winkel der Antriebswellendrehung, der mit der Zwei-Kolben-Pumpe von 1 einhergeht;
4 ist eine graphische Darstellung der Pumpenabgabe in Abhängigkeit vom Winkel der Antriebswellendrehung für die Pumpe von 1 bei Nennleistung und 1800 bar Leitungsdruck mit Einlaßdosierung;
5 ist eine Längsschnittansicht des Kopfs von 1 mit den zusätzlichen Merkmalen eines tonnenförmigen Betätigungsrings mit dem Zentrum des Scheitels in der gleichen Ebene wie die Mittellinien der Kolbenbohrungen, betrachtet senkrecht zur Antriebswellenachse;
6 ist eine Ansicht ähnlich zu 5, aber mit den Mittellinien der Kolbenbohrungen versetzt zu dem Mittelpunkt des Scheitels, betrachtet senkrecht zu der Antriebswellenachse;
7 ist eine Querschnittsansicht durch den Hohlraum eines hydraulischen Kopfs für eine Gestaltung einer erfindungsgemäßen Drei-Kolben-Pumpe;
8 ist eine Querschnittsansicht durch den hydraulischen Kopf von 7, beinhaltend eine Öffnung zum vorzeitigen Absteuern mit einem Rückschlagventil für jede Pumpenkammer;
9 ist ein schematischer Querschnitt einer Zwei-Kolben-Pumpe mit einer ersten alternativen Kolbengestaltung; und
10 ist ein schematischer Querschnitt einer Zwei-Kolben-Pumpe mit einer zweiten alternativen Kolbengestaltung.
1 und 2 zeigen eine einen hydraulischen Kopf 10 aufweisende Hochdruckkraftstoffradialkolbenpumpe, der einen zentralen Hohlraum 12 zur Aufnahme einer drehbaren Antriebswelle 14, die längs entlang einer durch den Hohlraum 12 gehenden Antriebsachse 16 angeordnet ist, definiert. Ein zylindrisches Antriebselement 18 ist starr getragen durch und abgesetzt von der Antriebswelle 14 zur exzentrischen Rotation in dem Hohlraum 12 um die Antriebsachse 16, wenn die Antriebswelle 14 sich dreht. Ein im wesentlichen zylindrischer Kolbenbetätigungsring 20 ist ringförmig um das Antriebselement 18 befestigt. Ein Lager 22, wie beispielsweise ein Nadellager, ist zwischen das Antriebselement 18 und den Betätigungsring 20 geschaltet, wobei der Betätigungsring 20 zur freien Drehung um das Antriebselement 18 abgestützt ist.
Zwei Kolbenbohrungen 24a, 24b erstrecken sich in dem Kopf 10 zum Hohlraum 12, jede Kolbenbohrung 24a, 24b weist eine Mittellinie 25a, 25b auf, die den Betätigungsring 20 schneidet, aber versetzt um X von der Antriebsachse 16 verläuft, wie es entlang der Antriebsachse 16 gezeigt ist (d. h., in einem Schnitt senkrecht zur Antriebsachse 16). Ein Kolben 26a, 26b ist in jeder Kolbenbohrung 24a, 24b zur freien Hin- und Herbewegung und Drehung darin angeordnet. Die Kolben 26a, 26b weisen ein betätigtes Ende 28 in dem Hohlraum 12 und ein pumpendes Ende 30 entfernt von dem Hohlraum 12 auf, wobei das pumpende Ende 30 mit der Kolbenbohrung 24a, 24b zusammenwirkt, um eine Pumpenkammer 32 zu bilden. Ein Kolbenschuh bzw. Schuh 34 erstreckt sich starr von dem betätigten Ende 28 jedes Kolbens 26a, 26b und weist eine Betätigungsfläche zum Beibehalten des Kontakts mit dem Betätigungsring 20 während der Rotation der Antriebswelle 14 auf.
Es sind Mittel zum Vorspannen jedes Kolbens 26a, 26b zum Hohlraum 12 hin vorgesehen. Dies ist vorzugsweise ein halbstarres Joch 36, das zwischen den Schuhen 34 angeordnet ist, um das Herausziehen eines Kolbens 26a, 26b mit dem Betätigen des anderen Kolbens 26a, 26b gemäß einem desmodromischen Effekt dynamisch zu koordinieren (und so sicherzustellen). Dies verhindert auch ein Gegenschlagauftreffen bei niedriger Belastung. Das desmodromische Joch ist zum Ausführen der allgemeinen Aspekte der Erfindung nicht absolut notwendig, so daß fest zugeordnete Rückholfedern für jeden Kolben 26a, 26b (mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Gewicht) verwendet werden können oder solche Vorspannungsmittel in einigen Fällen weggelassen werden können (wie es unten in bezug auf 10 beschrieben wird).
Eine Kraftstoffeinspeisungsventilsteuerung 38 ist in dem Kopf 10 für jede Pumpenkammer 32 zum Liefern von Ladungskraftstoff durch einen Einlaßdurchgang in dem Kopf 10 bei einem Versorgungsdruck zur Pumpenkammer 32 vorgesehen. In ähnlicher Weise ist eine Hochdruckventilsteuerung 40 in dem Kopf 10 für jede Pumpenkammer 32 zum Liefern von gepumptem Treibstoff zu einem Auslaßdurchgang in dem Kopf 10 bei einem Hochdruck von der Pumpenkammer 32 vorgesehen. Daher unterliegt jede Pumpenkammer 32 während einer vollständigen Drehung der Antriebswelle 14 zwei Phasen des Betriebs. In einer Lade- oder Einlaßphase wird der entsprechende Kolben 26a, 26b durch das Joch 36 in den Hohlraum 12 eingezogen, wodurch sich das Volumen der Pumpenkammer 32 erhöht, um Platz für eine Einlaßmenge von Kraftstoff von der Einlaßventilsteuerung 38 zu haben. In der Ausstoß- oder Pumpphase wird der entsprechende Kolben 26a, 26b von dem Hohlraum 12 weg betätigt durch den Betätigungsring 20, wodurch sich das Volumen der Pumpenkammer 32 verringert und die Menge an Treibstoff zum Ausstoßen durch die Ausstoßventilsteuerung mit Druck beaufschlagt wird.
Der hydraulische Kopf 10 umfaßt eine Welleneinbaubohrung 42 zur Aufnahme eines Endes 44 der Antriebswelle 14, die koaxial zu der Antriebswellenachse ist, und ein Lager 46 zur drehbaren Abstützung dieses Endes 44 der Antriebswelle 14. Eine entfernbare Montageplatte 48 ist an dem hydraulischen Kopf 10 angebracht und weist eine Welleneinbaudurchbohrung 50 zur Aufnahme des anderen Endes 52 der Antriebswelle 14 auf, während das andere Ende 52 zum Eingriff mit einer Quelle für Rotationsenergie freiliegt. Ein geeignetes Lager 54 ist in der Montageplatte 48 zur drehbaren Abstützung des angetriebenen Endes 52 der Antriebswelle 14 vorgesehen. Die Montageplatte 48 kann auch Durchgänge haben, die mit der Niedrigdruckversorgungspumpe verbunden sind, um eine Schmierströmung mit Kraftstoff den Wellenlagern und dem Lager zwischen dem exzentrischen Antriebselement 18 und dem Betätigungsring 20 zuzuführen.
Eine wichtige Eigenschaft des Wälz- oder Rollverhältnisses zwischen den Kolben 26a, 26b und dem Betätigungsring 20 ist die, daß, obwohl der Betätigungsring 20 sich immer um das Antriebselement 18 in der entgegengesetzten Richtung der Drehung der Antriebswelle 14 dreht (rollt), diese Drehung zufällig ist, wodurch eine verstärkte Abnutzung an einer Stelle verhindert wird und auch sichergestellt ist, daß Schmierkraftstoff schnell an jeder Stelle wieder aufgefüllt wird, wo ein Metall-Metall-Kontakt aufgetreten ist. Ferner verringert der Versatz der Kolbenbohrungen 24a, 24b zu der Antriebswellenachse eine Kolbenseitenladung.
3 ist eine graphische Darstellung des Pumpendrucks in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Antriebswellendrehung entsprechend der Zwei-Kolben-Pumpe von 1, die mit einem Druck von 1800 bar in der gemeinsamen Druckleitung ("common rail") und einer Pumpgeschwindigkeit von 1000 min^-1 ohne Einlaßdosierung läuft. Dies stellt eine Kaltstartbedingung dar, welche nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtzeit ausmacht, die der Motor arbeitet. Die betätigten Enden 28 der Kolben 26a, 26b haben eine Rollwechselwirkung mit dem Betätigungsring 20, es sei denn, daß beide Kolben 26a, 26b gleichzeitig pumpen, wie es kurz während des Kaltstarts auftreten kann, worauf eine Gleitwechselwirkung auftritt. 3 zeigt, daß über einen schmalen Winkelbereich der Antriebswellenrotation (etwa 30 – 40 °) eine Überlappungspumpbedingung existieren kann, wobei aber der maximale Pumpendruck während dieses Überlapps weniger als 400 bar beträgt, was keinen Anlaß für beunruhigende Gleitreibung gibt.
4 ist eine graphische Darstellung eines Pumpausstoßes in Abhängigkeit des Winkels der Antriebswellenrotation für die Pumpe nach 1 bei Nennbelastung und 1800 bar Zuführungsdruck mit Einlaßdosierung. Die Hübe bzw. Verschiebungen der aufeinanderfolgenden Kolben 26a, 26b sind durch C₁ und C₁' angezeigt, die geregelte Fördermenge ist durch C₂ angezeigt, die durchschnittliche Menge während des Pumpens ist durch C₃ angezeigt und die Gesamtdurchschnittspumpmenge ist durch C₄ angezeigt. Dies zeigt, daß der Hochdruck in jeder Pumpenkammer 32 während aufeinanderfolgender Pumpereignisse unter Nennlastbedingungen gut getrennt ist.
5 zeigt eine Abänderung, in der der Betätigungsring 20 eine äußere Oberfläche 56 hat, die eine etwa tonnenartige Form aufweist. Die Krümmung α steigt und fällt in der Richtung der Antriebswellenachse, und das Zentrum 56' des Scheitelradius bleibt immer in einer Ebene, die durch die imaginären Achsen 25a, 25b der beiden Pumpenkammern 32 definiert ist.
Der Radius der Krümmung ist sehr groß, beispielsweise in der Größenordnung von einem Meter. Selbst mit zufälligen oder systematischen Abweichungen in der Nennparallelität zwischen der Mittellinie der Antriebswelle 14 und der Drehachse des Betätigungsrings 20 und dem Nennverhältnis zwischen den Kolbenmittellinien und der Drehachse des Betätigungsrings 20, die sich während des Betriebs ergeben, führt die Kröpfung zu minimaler Kolbenseitenladung, wenn der Pumpkrafteintragpunkt nur geringfügig aufgrund der Exzentrizität während des Pumpens abweicht. Dieser Krafteintrag erfolgt jedoch immer auf den gleichen Abschnitt des Kolbenkopfes. Daher wird die Kolbenmittellinie in einer koaxialen Beziehung mit der Kolbenbohrung 24a, 24b gehalten.
6 zeigt zwei alternative Gestaltungen. Zum ersten können die Mittellinien der Kolbenbohrungen 24a, 24b (obwohl sie als koplanar, d. h. in derselben Ebene liegend gezeigt sind) statt dessen parallel, aber versetzt zueinander sein, was allgemein durch Y angezeigt ist. Zum zweiten kann unabhängig davon, ob ein Versatz Y vorliegt, der höchste Punkt 56'' des asymmetrischen Krümmungsradius des Scheitels (wie gezeigt) in einer Ebene parallel zu, aber versetzt um Z, von den Mittellinien 25a, 25b der Pumpkolbenbohrungen liegen, betrachtet im Längsschnitt senkrecht zur Antriebsachse. Diese Ausführungsform erhöht Kolbenseitenladungen geringfügig, aber es zwingt den Kolben 26a, 26b sich zu drehen, anstatt eines Rutschens während überlappender Pumpereignisse, wodurch die kumulative Anzahl von Ladungszyklen bei irgendeinem gegebenen Punkt auf den Schuhen und dem Betätigungsring reduziert wird.
7 und 8 zeigen die Erfindung in einer Ausführungsform in einer Drei-Kolben-Pumpe mit einer Antriebswellenachse 16', Kolbenbohrungen 60a, 60b, 60c und Kolben 62a, 62b, 62c. Um gleichzeitiges Pumpen von zwei Kammern zu vermeiden, welches zu hohen Gleitkräften an der Welle/Kolbenkopf-Grenzfläche führen würde, verzögert eine feste Öffnung 66 zum vorzeitigen Absteuern den frühesten Start des Pumpens, was zu getrennten Pumpereignissen führt. Im wesentlichen treten die Ausstoßphasen der Pumpenkammern nachfolgend als unterschiedliche Pumpereignisse auf, und jede Pumpenkammer ist strömungsmäßig verbunden mit einer Öffnung 66 zum vorzeitigen Absteuern zum Verzögern des Hochdruckkraftstroffs durch den zu einer gegebenen Pumpenkammer gehörigen Ausstoßdurchlaß, bis das Ausstoßen des Hochdruckkraftstoffs durch den zu der Pumpenkammer des vorherigen Pumpereignisses gehörenden Ausstoßdurchlaß vervollständigt ist. Aufgrund der im Vergleich zu nur zwei Pumpereignissen verkürzten Pumpdauer für jede der drei Pumpereignisse erhöht sich die Abgabe nur um etwa 20 % gegenüber der Zwei-Kolben-Pumpe mit der gleichen Exzentrizität und dem gleichen Kolbendurchmesser, aber die niedrigere Menge der drei Pumpereignisse pro Umdrehung reduziert ein Pulsieren des Leitungsdrucks und bietet eine höhere Flexibilität in der Synchronisation von Einspritzereignis und Pumpereignis.
Bei wahlweisem Hinzufügen eines Rückschlagventils 68 zu der Öffnung 66 zum vorzeitigen Absteuern kann eine Einlaßdosierungsausgabekontrolle durch die gleiche Öffnung 66 durchgeführt werden. Das Rückschlagventil 68 in dem Kanal für das vorzeitige Absteuern stellt getrennte Pumpereignisse sicher und zur gleichen Zeit wird eine Rückfüllung durch ein durch den herausgezogenen Kolben erzeugtes Vakuum verhindert. Eine durch den außermittigen Kontaktpunkt induzierte Kolbendrehung ist mit und ohne vorzeitiges Absteuern vorteilhaft, weil es nicht nur ständig den Kontaktpunkt zwischen dem Kolben und der Welle ändert, sondern auch zwischen dem Kolben und seiner Bohrung, wodurch die Tendenz zum Verschleiß vermindert wird.
Die Dreikolbenpumpe kann auch die Gestaltung beinhalten, in der die Mittellinien der Pumpbohrung versetzt von der Achse 16' sind, wie es in dem Querschnitt in 7 zu sehen ist, und der höchste Punkt 56''' der Krümmung des Scheitels in einer Ebene parallel zu, aber versetzt um einen Versatz Z' von, den Mittellinien 64a, 64b, 64c der Pumpkolbenbohrungen, wie es in dem Längsschnitt senkrecht zur Antriebsachse zu sehen ist. Zu der Zeit, wenn mehr als ein Kolben pumpt (100 % der maximal möglichen Abgabe), ist es einem oder beiden Kolben anstelle eines Rutschens erlaubt zu rotieren, wodurch die Kolben-Welle-Grenzfläche vor einem Vorzündungsschaden geschützt wird.
9 zeigt alternative vereinfachte Pumpkolben bzw. Kolben 70 in Bohrungen 24, wobei jeder Kolben 70 ein Verbund ist, der eine in der Pumpbohrung angeordnete Stange 72 mit einem in dem Hohlraum einstückig damit angeordneten Schuh 74 und einer im wesentlichen zylindrischen Hülse 76, die die Stange 72 lose umgibt und ein geschlossenes Ende 78 in der Pumpenkammer 32 aufweist.
10 zeigt eine andere Kolbenausführungsform, wobei jeder Kolben aus einem massiven Zylinder 80 aus einem Material geringen Gewichts besteht, wie beispielsweise eine Keramik, und ein betätigtes Ende 82 in dem Hohlraum 12 und ein entfernt von dem Hohlraum 12 vorliegendes pumpendes Ende 84 aufweist. Das pumpende Ende 84 wirkt mit der Kolbenbohrung zusammen, um die Pumpenkammer 32 zu bilden, und das betätigte Ende 82 behält den Kontakt mit dem Betätigungsring 20 während der Drehung der Antriebswelle bei. Diese Ausführungsform kann ohne den Erregerring betrieben werden, weil das mit dem Laden einhergehende Vakuum ausreichend ist, um den Kolben während der Ladungsphase im Betrieb zurückzuziehen.
Für eine Ausgabekontrolle der Pumpe können die gleichen Methoden, die für ähnliche Verdrängungspumpen verwendet werden, angewendet werden, wie beispielsweise Einlaßdosierung, Vor-Dosierung, vorzeitiges Absteuern, nachträgliches Absteuern oder eine Kombination daraus.

Claims

Hochdruck-Radialkolbenpume für Kraftstoff, die einen hydraulischen Kopf (10) mit zwei oder drei einzelnen radialen Pumpenkolben (26, 62, 72, 80) und zugehörigen Pumpenkammern (32) aufweist, wobei die Kolben (26, 62, 72, 80) und die Pumpenkammern (32) ringförmig beabstandet um einen in dem Kopf (10) angeordneten Hohlraum (12), in dem ein drehbares exzentrisches Antriebselement (18) mit zugehörigem Betätigungsring (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wälzwechselwirkung zwischen dem Betätigungsring (20) und den inneren Enden (28) der Kolben (26, 62, 72, 80) zur intermittierenden Betätigung und eine Gleitwechselwirkung zwischen dem Betätigungsring (20) und dem Antriebselement (18) vorgesehen ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Einlaß- und Auslaß-Ventilsteuerungen (38, 40) ebenfalls in dem Kopf (10) angeordnet sind, wobei der Kopf (10) an einer entfernbaren Montageplatte (48) befestigbar ist und das Antriebselement (18) starr durch eine Antriebswelle (16) getragen ist, welche durch zwei Lager (54, 46) unterstützt wird, eines der Lager (54) ist in der Montageplatte (48) und das andere Lager (46) in dem hydraulischen Kopf (10) plaziert.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche (56) des Betätigungsrings (20) tonnenförmig ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein halbstarres Joch (36) die Kolben (26, 62) verbindet und einen inaktiven Kolben (26, 62) zum unteren Todpunkt zwingt, während der andere Kolben (26, 62) pumpt.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kopf (10) den zentralen Hohlraum (12) zur Aufnahme einer drehbaren Antriebswelle (14) definiert, die longitudinal entlang einer durch den Hohlraum (12) gehenden Antriebsachse (16) angeordnet ist; das Antriebselement (18) zylindrisch ist und starr von der Antriebswelle (14) versetzt hierzu getragen wird zur exzentrischen Drehung in dem Hohlraum (12) um die Antriebsachse (16), wenn die Antriebswelle (14) sich dreht; der Betätigungsring (20) im wesentlichen zylindrisch und ringförmig um das Antriebselement (18) befestigt ist; Lager (22) zwischen dem Antriebselement (18) und dem Betätigungsring (20) angeordnet sind, wobei der Betätigungsring (20) zur freien Drehung um das Antriebselement (18) abgestützt ist; ein Kolben (26, 62) ist jeweils in einer Kolbenbohrung (24, 60) zur freien Hin- und Herbewegung darin angeordnet, wobei der Kolben (26, 62) ein betätigtes Ende (28) in dem Hohlraum (12) und ein pumpendes Ende (30) entfernt von dem Hohlraum (12) aufweist, wobei das pumpende Ende (30) mit der Kolbenbohrung (24, 60) zusammenwirkt, um eine Pumpenkammer (32) zu definieren; ein Kolbenschuh (34) erstreckt sich starr von dem betätigten Ende (28) jedes Kolbens (26, 62), wobei der Kolbenschuh (34) eine Betätigungsoberfläche zum Beibehalten des Kontakts mit dem Betätigungsring (20) während der Drehung der Antriebswelle (14) aufweist; Mittel (36) zum Vorspannen jedes Kolbens (26, 62) in Richtung des Hohlraums (12) vorgesehen sind; eine Kraftstoffeinspeisungsventilsteuerung (38) zum Zuführen von Ladungskraftstoff durch einen Einlaßdurchgang in dem Kopf (10) bei einem Einspeisungsdruck zu der Pumpenkammer (32) vorgesehen ist; eine Hochdruckventilsteuerung (40) zum Zuführen von gepumptem Kraftstoff zu einem Ausstoßdurchlaß in dem Kopf (10) bei einem hohen Druck von der Pumpenkammer (32) vorgesehen ist; wobei während einer vollständigen Drehung der Antriebswelle (14) jede Pumpenkammer (32) sich (a) einer Ladungsphase, in der der zugehörige Kolben (26, 62) in Richtung des Hohlraums (12) durch die Mittel (36) zum Vorspannen gezogen wird, wodurch das Volumen der Pumpenkammer (32) erhöht wird, um Platz für eine Einlaßmenge von Kraftstoff von der Einlaßventilsteuerung (38) zu haben, und (b) einer Ausstoßphase, in der der entsprechende Kolben (26, 62) von dem Hohlraum (12) durch den Betätigungsring (20) weg betätigt wird, wodurch das Volumen der Pumpenkammer (32) verringert wird und die Menge von Kraftstoff für den Ausstoß durch die Ausstoßventilsteuerung (40) mit Druck beaufschlagt wird, unterzieht, und die Kolbenbohrungen (24, 60) sich in dem Gehäuse durch den Hohlraum (12) erstrecken, und jede Kolbenbohrung (24, 60) eine Mittellinie (25a, 25b, 64a, 64b, 64c) aufweist, die den Betätigungsring (20) schneidet, aber den Versatz (X) von der Antriebsachse (16) aufweist, betrachtet in einem Längsschnitt senkrecht zur Antriebsachse (16).
Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kopf (10) eine koaxial mit der Antriebswellenachse verlaufende Welleneinbaubohrung (42) zum Aufnehmen eines Endes (44) der Antriebswelle (14) und ein Lager (46) zur drehbaren Abstützung des einen Endes (44) der Antriebswelle (14) aufweist; und eine entfernbare Montageplatte (48) an dem hydraulischen Kopf (10) angebracht ist, wobei die Montageplatte (48) eine Welleneinbaudurchbohrung (50) zur Aufnahme des anderen Endes (52) der Antriebswelle (14) umfaßt, während das andere Ende (42) einem Eingriff mit einer Quelle für Rotationsenergie ausgesetzt ist, und Lager (54) zur drehbaren Unterstützung des anderen Endes (52) der Antriebswelle (14) aufweist.
Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsring (20) eine äußere Oberfläche (56) aufweist, die tonnenförmig ist, wobei die Krümmung in Richtung der Antriebswellenachse ansteigt und fällt.
Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (56') des Scheitels der äußeren Oberfläche (56) in einer Ebene liegt, die durch die Mittellinien (25a, 25b, 64a, 64b, 64c) der Pumpbohrungen definiert ist.
Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der höchste Punkt (56'') des Scheitels der äußeren Oberfläche (56) in einer Ebene parallel, aber um einen Versatz (Z) versetzt, zu den Pumpbohrungsmittellinien liegt, betrachtet in longitudinaler Ansicht entlang der Antriebsachse (16).
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe nur zwei Kolbenbohrungen und zugehörige zwei Kolben (26, 62, 72, 80) aufweist, wobei jede Kolbenbohrung eine Mittellinie (25a, 25b, 64a, 64b, 64c) umfaßt, die den Betätigungsring (20) schneidet, aber um einen Versatz (X) von der Antriebsachse (16) versetzt ist, betrachtet im Querschnitt senkrecht zu der Antriebsachse (16), und die Kolbenbohrungsmittellinien parallel zueinander verlaufen, aber um einen Versatz (Y) zueinander versetzt sind, betrachtet in einem Längsschnitt entlang der Antriebsachse (16).
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe nur drei gleichwinklig voneinander beabstandete Kolbenbohrungen (60a, 60b, 60c) und zugehörige drei Kolben (62a, 62b, 62c) aufweist, und jede Kolbenbohrung (60a, 60b, 60c) eine Mittellinie (64a, 64b, 64c) umfaßt, die den Betätigungsring (20) schneidet, aber von der Antriebsachse (16') versetzt ist, betrachtet im Profil senkrecht zu der Antriebsachse (16').
Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßphase der Pumpenkammern (32) sequentiell erfolgt als einzelnes Pumpereignis und jede Pumpenkammer (32) fluidmäßig mit einer Öffnung (66) zum vorzeitigen Absteuern verbunden ist zum Verzögern des Ausstoßes von Kraftstoff unter hohem Druck durch den Ausstoßdurchlaß, der einer vorgegeben Pumpenkammer (32) zugeordnet ist, bis der Ausstoß des Kraftstoffs unter hohem Druck durch den Ausstoßdurchlaß, der der Pumpenkammer (32) des vorhergehenden Pumpereignisses zugeordnet ist, abgeschlossen ist.
Pumpe nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Rückschlagventil (68) in der Öffnung (66) zum vorzeitigen Absteuern.
Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbohrungsmittellinien im Längsschnitt entlang der Antriebsachse (16') betrachtet versetzt zueinander sind.
Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum des Scheitels in einer Ebene liegt, die durch die Mittellinien (64a, 64b, 64c) der Pumpbohrungen definiert ist.
Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der höchste Punkt des Scheitels in einer Ebene parallel zu, aber um einen Versatz (Z') versetzt von, den Pumpbohrungsmittellinien liegt, betrachtet im Längsschnitt senkrecht zu der Antriebsachse (16').
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (70) ein Verbund ist, der eine in der Pumpbohrung angeordnete Stange (72) mit einem in dem Hohlraum (12) angeordneten einstückigen Schuh (74) aufweist und eine im wesentlichen zylindrische Hülse (76) die Stange (72) lose umgibt und ein geschlossenes Ende (78) an der Pumpenkammer (32) aufweist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kopf (10) einen zentralen Hohlraum (12) zur Aufnahme einer drehbaren, longitudinal entlang einer durch den Hohlraum (12) gehenden Antriebsachse (16) angeordneten Antriebswelle (14) definiert; das Antriebselement (18) ein Zylinder ist, der starr getragen wird durch und versetzt von der Antriebswelle (14) zur exzentrischen Drehung in dem Hohlraum (12) um die Antriebsachse (16), wenn die Antriebswelle (14) sich dreht; der Kolbenbetätigungsring (20) im wesentlichen zylindrisch ist und ringförmig befestigt um das Antriebselement (18) ist; Lager (22) zwischen dem Antriebselement (18) und dem Betätigungsring (20) angeordnet sind, wobei der Betätigungsring (20) zur freien Drehung um das Antriebselement (18) abgestützt ist; zumindest zwei Kolbenbohrungen (24a, 24b) sich in dem Gehäuse zu dem Hohlraum (12) erstrecken, wobei jede Kolbenbohrung (24a, 24b) eine Mittellinie (25a, 25b) aufweist, die den Betätigungsring (20) schneidet; ein Kolben (26a, 26b) in jeder Kolbenbohrung (24a, 24b) jeweils zur freien Hin- und Herbewegung darin angeordnet ist, wobei der Kolben (26a, 26b) ein betätigtes Ende (28) in dem Hohlraum (12) und ein pumpendes Ende (30) entfernt von dem Hohlraum (12) aufweist, wobei das pumpende Ende (30) mit der Kolbenbohrung (24a, 24b) zusammenwirkt, um eine Pumpenkammer (32) zu definieren; ein Kolbenschuh (34) sich starr von dem betätigten Ende (28) von jedem Kolben (26a, 26b) erstreckt, und jeder Kolbenschuh (34) eine Betätigungsoberfläche zum Beibehalten des Kontakts mit dem Betätigungsring (20) während der Rotation der Antriebswelle (14) aufweist; Mittel (36) zum Vorspannen jedes Kolbens (26a, 26b) in Richtung des Hohlraums (12) vorgesehen sind; eine Kraftstoffeinspeisungsventilsteuerung (38) zum Zuliefern von Ladungskraftstoff durch einen Einlaßdurchgang in dem Kopf (10) bei einem Einspeisungsdruck zu der Pumpenkammer (32) vorgesehen ist; eine Hochdruckventilsteuerung (40) zum Liefern von gepumptem Kraftstoff an einen Ausstoßdurchlaß in dem Kopf (10) bei einem hohen Druck von der Pumpenkammer (32) vorgesehen ist; wobei während einer vollständigen Drehung der Antriebswelle (14) sich jede Pumpenkammer (32) (a) einer Ladungsphase, in der der zugehörige Kolben (26a, 26b) in Richtung des Hohlraums (12) durch die Mittel (36) zum Vorspannen gezogen wird, wodurch das Volumen der Pumpenkammer (32) erhöht wird, um Platz zu schaffen für eine Einlaßmenge von Kraftstoff von der Einlaßventilsteuerung (38), und (b) einer Ausstoßphase, in der der zugehörige Kolben (26a, 26b) von dem Hohlraum (12) durch den Betätigungsring (20) weg betätigt wird, wodurch das Volumen der Pumpenkammer (32) verringert wird und die Menge des Kraftstoffs zum Ausstoß durch die Ausstoßventilsteuerung (40) mit Druck beaufschlagt wird, unterzieht, und der Betätigungsring (20) eine äußere Oberfläche (56) aufweist, die tonnenförmig ist mit einer Krümmung, die in der Richtung der Antriebswellenachse steigt und fällt.
Pumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (56') des Scheitels in einer Ebene liegt, die durch die Mittellinien der Pumpbohrungen definiert ist.
Pumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpunkt (56'') des Scheitels in einer Ebene parallel zu, aber versetzt von, den Pumpbohrungsmittellinien verläuft, betrachtet in einem Längsschnitt senkrecht zu der Antriebsachse (16).
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (80) aus einem festen Zylinder eines Materials mit geringem Gewicht, beispielsweise eine Keramik, besteht mit einem betätigten Ende (82) in dem Hohlraum (12) und einem pumpenden Ende (84) entfernt von dem Hohlraum (12), wobei das pumpende Ende (84) mit der Kolbenbohrung zusammenwirkt, um eine Pumpenkammer (32) zu definieren, und das betätigte Ende (82) den Kontakt mit dem Betätigungsring (20) während der Drehung der Antriebswelle beibehält.