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Die
Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe, für die Kraftstoffhochdruckversorgung
eines Verbrennungsmotors, mit einem Pumpengehäuse und mit wenigstens einer
Pumpeneinheit umfassend einen Pumpenkolben und einen Pumpenzylinder,
in dem der Pumpenkolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei
die Pumpeneinheit über
eine im Pumpengehäuse
gelagerte Antriebswelle antreibbar ist.
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Eine
gattungsbildende Radialkolbenpumpe ist bereits in der
DE 100 39 210 A1 offenbart.
Die Radialkolbenpumpe weist mehrere Pumpeneinheiten umfassend jeweils
einen Pumpenkolben und einen Pumpenzylinder auf. Jede Pumpeneinheit
wird über ein
Einlass- und Auslassventil gesteuert. Während des Saughubs ist das
Einlassventil geöffnet
und das Auslassventil geschlossen, so dass Kraftstoff in den Pumpenzylinder
einströmen
kann. Im nachfolgenden Verdichtungshub sind zunächst sowohl das Einlass- als
auch das Auslassventil geschlossen und der Kraftstoff wird auf den
erforderlichen Druck komprimiert. Anschließend öffnet das Auslassventil und
der komprimierte Kraftstoff kann aus dem Pumpenzylinder ausströmen.
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Um
einen erhöhten
Verlustwärmeeintrag
zu vermeiden, wird üblicherweise
ein Volumenstromregelventil der Hochdruckpumpe vorgeschaltet, so dass
der Hochdruckpumpe nur die Menge an Kraftstoff zugeführt wird,
die momentan für
den einwandfreien Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems erforderlich
ist.
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Nachteilig
an einer solchen bedarfgerechten Fördermengenregelung ist jedoch,
dass im Teilförderbetrieb
die Pumpenzylinder nicht vollständig
mit Kraftstoff gefüllt
sind. Hierdurch treten starke Pulsationen an der Radialkolbenpumpe
auf, die im Vollförderbetrieb
vermieden werden können.
Um die Radialkolbenpumpe über
das gesamte Motorkennfeld immer bedarfsgerecht fördern lassen zu können, müssen jedoch
bislang zwangsläufig alle
Fördergradzustände, von
starker Teilförderung
bis zur Vollförderung,
durchfahren werden.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es somit Aufgabe der Erfindung, eine Radialkolbenpumpe bereitzustellen,
die unabhängig
von der Fördermenge
immer im Volllastbetrieb fördert
und die eine pulsationsarme Förderung
erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gelöst,
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die
einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe, für die Kraftstoffhochdruckversorgung
eines Verbrennungsmotors, mit einem Pumpengehäuse und mit wenigstens einer
Pumpeneinheit umfassend einen Pumpenkolben und einen Pumpenzylinder,
in dem der Pumpenkolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei
die Pumpeneinheit über
eine im Pumpengehäuse
gelagerte Antriebswelle antreibbar ist, zeichnet sich dadurch aus,
dass die Fördermenge der
Radialkolbenpumpe mittels eines mit der Antriebswelle in Wirkverbindung
stehenden stufenlosen Verstellgetriebes einstellbar ist. Durch das
Verstellgetriebe kann die Drehzahl der Antriebswelle und damit die
Fördermenge
der Radialkolbenpumpe unabhängig
von der Motordrehzahl eingestellt werden. Dies ermöglicht,
dass die Radialkolbenpumpe immer mit einer Antriebswellendrehzahl
betrieben werden kann, die einem Volllastbetrieb entspricht. Somit kann
auf eine einfache Weise eine Teilförderung vermieden und eine
pulsationsarme Förderung
erzielt werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das stufenlose
Verstellgetriebe ein CVT-Getriebe ist. Das CVT- (Constinously Variable
Transmission) Getriebe hat den Vorteil, dass es aus sehr wenigen
Bauteilen, weniger als jedes konventionelles Getriebe, besteht und
damit sehr Preiswert ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das
stufenlose Verstellgetriebe ein Reibradgetriebe mit Kegelrädern ist.
Solche Getriebe sind ebenfalls einfach im Aufbau und sehr robust
und somit besonders langlebig und weitgehend wartungsfrei.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor,
dass die Verstellung der Kegelräder
des Reibradgetriebes durch ein elektromagnetisches Proportionalventil,
einen Stellmotor, hydraulisch oder pneumatisch erfolgt. Diese Arten von
Verstellungen erlauben alle eine sehr präzise und schnelle Verstellung
und ermöglichen
somit eine sehr schnelle Anpassung der Pumpendrehzahl an den aktuellen
Bedarf.
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Zusammenfassend
lässt sich
feststellen, dass durch die Verwendung eines stufenlosen Verstellgetriebes,
die Drehzahl der Antriebswelle der Radialkolbenpumpe unabhängig von
der Motordrehzahl einstellbar ist. Hierdurch lässt sich für jeden Lastzustand der Brennkraftmaschine
und damit für
jeden Fördermengenbedarf
eine Antriebswellendrehzahl einstellen, bei der ein Volllastbetrieb
und somit eine besonders pulsationsarme Förderung möglich ist. Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe
eignet sich besonders vorteilhaft für Radialkolbenpumpen für die Kraftstoffhochdruckversorgung
ist aber ebenso vorteilhaft überall
dort einzusetzen, wo schwankende Fördermengen und/oder eine besonders
pulsationsarme Förderung
gefordert sind.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.
Es zeigt schematisch:
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1:
Einen Radialschnitt durch eine Radialkolbenpumpe, anhand dessen
die Funktionsweise kurz erläutert
werden soll;
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2a und
b: eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe
entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
und
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3a und
b: eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe
entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche
bzw. funktionsgleiche Bauteile sind nachfolgend Figurübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind stark
vereinfacht dargestellt und enthalten im Wesentlichen nur die für die Erfindung
notwendigen Bauteile.
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Anhand
von
1 soll zunächst
kurz der prinzipielle Aufbau der Radialkolbenpumpe erläutert werden.
Da die Funktionsweise im Wesentlichen dem einer aus dem Stand der
Technik bekannten Radialkolbenpumpe entspricht wird auf Details
nicht eingegangen. Hierzu sei beispielsweise auf die
DE 100 39 210 A1 verwiesen.
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Die
Radialkolbenpumpe in 1 weist ein Pumpengehäuse 1 mit
vorzugsweise drei, jeweils um 120° radial
zueinander versetzten Pumpeneinheiten 2 auf. Jede Pumpeneinheit 2 umfasst
einen Pumpenkolben 21 und einen Pumpenzylinder 22,
in dem der Pumpenkolben 21 hin und her bewegbar angeordnet ist.
Der Pumpenkolben 21 stützt
sich dabei vorzugsweise über
einen Gleitschuh 3 gegen einen Hubring 4 ab. Hierzu
weist der Hubring 4 vorzugsweise eine der Anzahl der Pumpeneinheiten 2 entsprechende Zahl
von Abflachungen 5 auf. Der Hubring 4, ist gleitend
auf einem exzentrischen Abschnitt 6 einer Antriebswelle 7 gelagert.
Die Antriebswelle 7 ist erfindungsgemäß über ein in 1 nicht
dargestelltes stufenloses Verstellgetriebe mit der Nocken- oder
der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden.
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Um
ein Mitdrehen des Hubrings 4 zu verhindern sind die Pumpenkolben 21 über Rückstellfedern 9 gegen
die Abflachungen 5 des Hubrings 4 vorgespannt.
Hierdurch führt
der Hubring 4 während
des Pumpenbetriebes lediglich eine Taumelbewegung durch. Aufgrund
der Taumelbewegung des Hubrings 4 werden die Pumpenkolben 21 im
Pumpenzylinder 22 in axialer Richtung zur Antriebswelle
hin und her bewegt. Während
der Abwärtsbewe gung,
d. h. in Richtung der Antriebswelle 7, erfolgt der Saughub der
jeweiligen Pumpeneinheit. Dabei ist das Einlassventil 10 der
jeweiligen Pumpeneinheit 2 geöffnet und das entsprechende
Auslassventil 11 geschlossen. Aufgrund des durch die Abwärtsbewegung
des Pumpenkolbens 21 entstehenden Unterdrucks, sowie durch
den Vordruck des Kraftstoffs, strömt der Kraftstoff in den Pumpenzylinder 22 ein.
Wenn der Pumpenzylinder 22 seinen unteren Totpunkt erreicht
hat schließt
das Einlassventil 10 und während des nachfolgenden Verdichtungshubs
sind sowohl das Einlass 10, als auch das Auslassventil 11 vollständig geschlossen.
Hierdurch kann der Kraftstoff komprimiert werde. Wenn der Pumpenzylinder 22 seinen
oberen Totpunkt erreicht öffnet
das Auslassventil 11 und der verdichtete Kraftstoff kann
aus dem Pumpenzylinder 22 ausströmen.
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Das
Fördervolumen
der Radialkolbenpumpe hängt
im Wesentlichen von dem Volumen des Pumpenzylinders 22 und
der Anzahl der Hübe
je Zeiteinheit ab. Da die Antriebswelle 7 bislang fest
mit der Nocken- bzw. Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden
war, konnte die Fördermenge
nur durch ein der Radialkolbenpumpe vorgeschaltetes Volumenstromregelventil
eingestellt werden. Ein solches Volumenregelventil hat allerdings
den eingangs erwähnten
Nachteil, dass es in Folge der Saugdrosselung durch das Volumenstromregelventil
zu einer unvollständigen
Befüllung
des Pumpenzylinders und damit zu einer Teilförderung kommt. Diese Teilförderung
wird, durch die erfindungsgemäße Fördermengenregelung
mittels eines mit der Antriebswelle in Wirkverbindung stehenden
stufenlosen Verstellgetriebes, verhindert. Durch eine geeignete
Ansteuerung des Verstellgetriebes kann die Drehzahl der Antriebswelle 7 unabhängig von
der Motordrehzahl dabei so eingestellt werde, dass sich unabhängig vom Förderbedarf
stets ein Vollförderbetrieb
ergibt.
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Zwei
mögliche
Arten von Verstellgetrieben, die sich besonders vorteilhaft bei
der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe
ein setzen lassen, werden nachfolgend anhand der 2a, 2b und 3a, 3b erläutert.
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2a und 2b zeigen
eine Radialkolbenpumpe entsprechend 1, bei der
das stufenlose Verstellgetriebe durch ein Reibradgetriebe realisiert
ist. Die Antriebswelle 7 der Radialkolbenpumpe weist hierzu
ein erstes kegelförmiges
Reibrad 12 auf, welches in Wirkverbindung mit einem zweiten
Komplementär
angeordneten und ausgebildete Reibrad 13 steht, welches
mit dem Antrieb des Verbrennungsmotors gekoppelt ist. Vorzugsweise
das zweite Komplementär
angeordnete und ausgebildete Reibrad 13 lässt sich
so achsparallel verschieben, dass das erste Reibrad 12 je
nach Stellung des zweiten Reibrades 13 auf unterschiedlichen
Außendurchmesser
des zweiten Reibrades 13 abläuft und damit unterschiedlich
schnell angetrieben wird. Zur Verdeutlichung sind in den 2a und 2b zwei
unterschiedliche Getriebestellungen dargestellt. In 2a läuft das
erste Reibrad 12 auf dem vorderen, im Durchmesser kleineren
Bereich des zweiten Reibrades 13. Die Umfangsgeschwindigkeit
ist in diesem Bereich des zweiten Reibrades 13 geringer
als auf dem hinteren Bereich. Infolge dessen wird die Antriebswelle
der Radialkolbenpumpe ebenfalls mit geringer Drehzahl angetrieben
und die Förderleistung
ist gering. In 2b läuft das erste Reibrad 12 auf
dem hinteren, im Durchmesser erweiterten Bereich des zweiten Reibrades 13 ab.
Die Umfangsgeschwindigkeit ist in diesem Bereich gegenüber dem
vorderen Bereich des zweiten Reibrades 13 erhöht. Infolgedessen
wird die Antriebswelle 7 der Radialkolbenpumpe mit einer
höheren
Drehzahl angetrieben und die Förderleistung der
Radialkolbenpumpe nimmt bei konstanter Motordrehzahl zu. Durch das
Verschieben eines der beiden Reibräder 12, 13,
kann somit die Förderleistung
unabhängig
von der Drehzahl des Motors verändert werden.
Aus konstruktiven Gründen
ist dabei vorzugsweise das zweite Reibrad 13 verschiebbar.
Die Verschiebung des Reibrades 12, 13 kann dabei
vorzugsweise durch ein elektromagnetisches Proportionalventil oder
einen Stellmotor oder hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Diese
Arten von Verstellung erlauben allesamt eine schnelle und sehr prä zise Verschiebung
des Reibrades und damit eine schnelle und präzise Einstellung der Fördermenge.
Der Verstellmechanismus ist vorzugsweise mit der Motorsteuerung
verbunden, so dass die Verschiebung des Reibrads 13 in
Abhängigkeit
des Lastzustands des Motors beispielsweise anhand des Motorkennfelds erfolgen
kann.
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In
den 3a und 3b ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe
darstellt. Als stufenloses Verstellgetriebe wird hierbei ein CVT-Getriebe
(CVT = Continously Variable Transmission) eingesetzt. Das zentrale
Element des CVT-Getriebes ist der sogenannte Variator. Er besteht
im Wesentlichen aus einem Keilriemen 14 und einem ersten
und einem zweiten Kegelscheibenpaar 15, 16. Das
erste Kegelscheibenpaar 15 ist mit dem Antrieb des Verbrennungsmotors, das
zweite Kegelscheibenpaar 16 mit der Antriebswelle 7 verbunden.
Jeweils eine Hälfte
eines Kegelscheibenpaars 15, 16 ist unbeweglich,
während
die andere Hälfte
axial verschiebbar ist. Sind die Kegelscheiben 15, 16 weit
voneinander entfernt, dann beschreibt der Kielriemen 14 einen
kleinen Durchmesser auf der Kegelscheibe 15, 16.
Sind die Kegelscheiben dagegen nah beieinander, dann folgt der Keilriemen
einem großen
Durchmesser auf der Kegelscheibe 15, 16. Ein kleiner
Keilriemen-Durchmesser entspricht einem kleinen, ein großer Keilriemen-Durchmesser
einem großen Übersetzungsverhältnis.
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Wenn
ein Kegelscheibenpaar 15, 16 zusammengedrückt wird,
dann muss sich notgedrungen das andere Kegelscheibenpaar 15, 16 auseinander bewegen,
weil der Keilriemen seine Länge
nicht verändert.
Dieser Effekt verfeinert die Veränderung
des Übersetzungsverhältnisses
zusätzlich.
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3a zeigt
eine erste Getriebestellung des CTV-Getriebes, die Kegelscheiben
des zweiten Kegelscheibenpaars 16 sind in dieser Stellung
weit auseinander. Hierdurch beschreibt der Keilriemen an diesem
zweiten Kegelscheibenpaar 16 einen kleinen Keilriemen-Durchmesser,
was einen kleinem Übersetzungs verhältnis und
einer kleinen Drehzahl der Antriebswelle 7 bedeutet. Infolge
dessen ist die Fördermenge
der Radialkolbenpumpe gering.
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In 3b liegen
die Kegelscheiben des zweiten Kegelscheibenpaars 16 näher beieinander und
der Keilriemen beschreibt einen größeren Keilriemen-Durchmesser.
Somit ist das Übersetzungsverhältnis am
zweiten Kegelscheibenpaar größer als in 3a.
Das größere Übersetzungsverhältnis bewirkt
eine größere Drehzahl
der Antriebswelle 7 und damit eine erhöhte Fördermenge der Radialkolbenpumpe.
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Da
die Kegelscheibenpaare 15, 16 stufenlos verstellbar
sind kann die Fördermenge
ebenfalls stufenlos und sehr exakt an denn tatsächlichen Fördermengenbedarf angepasst
werden. Die Anpassung erfolgt dabei unabhängig von der Motordrehzahl
des Verbrennungsmotors. Auf eine zusätzliche Volumenstromregelung
im Vorlauf zur Radialkolbenpumpe kann somit verzichtet werden. Die
Radialkolbenpumpe kann dabei so geregelt werden, dass stets ein Vollförderbetrieb
vorliegt. Hierdurch ergibt sich eine besonders pulsationsarme Förderung.
Die Verstellung der Kegelscheibenpaare 15, 16 kann
vorteilhaft durch ein elektromagnetisches Proportionalventil, einen
Stellmotor, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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Obwohl
de vorstehenden Ausführungsbeispiele
sich ausschließlich
auf die Verwendung der Radialkolbenpumpe für die Kraftstoffhochdruckversorgung
eines Verbrennungsmotors bezogen, ist die Anwendung der Erfindung
nicht hierauf beschränkt. Vielmehr
lässt sich
die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe überall dort
anwenden, wo eine variierende Fördermenge
erforderlich ist.