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Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe, insbesondere 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 beweglich angeordnet ist, wobei die Pumpeneinheit über eine im Pumpengehäuse gelagerte Exenterwelle bzw. exzentrische Buchse antreibbar ist.
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Eine derartige Radialkolbenpumpe ist beispielsweise 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 Ein- und ein 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 Ein- 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 Volumenstromventil 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 bedarfsgerechten Fördermengenregelung ist jedoch, dass im Teilförderbetrieb die Pumpenzylinder nicht vollständig mit Kraftstoff gefüllt sind. Hierdurch treten starke Pulsationen an der Radialkolbenpumpe auf, die bei einem Vollförderbetrieb deutlich geringer ausfallen. 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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Die Druckschrift
DE 41 32 456 A1 zeigt eine Radialkolbenmaschine mit einem Pumpengehäuse und mit wenigstens einer Pumpeneinheit umfassend einen Pumpenkolben und einen Pumpenzylinder, in dem der Pumpenkolben hin- und her bewegbar angeordnet ist, und wobei die Fördermengenregelung der Radialkolbenpumpe durch eine bedarfsabhängige Hublängenverstellung des Pumpenkolbens erfolgt. Die bedarfsabhängige Hublängenverstellung des Pumpenkolbens erfolgt durch axiale Verschiebung einer Triebwelle gegenüber einem Gelenklager, welches mit einem Hubring in Wirkverbindung steht. Die Triebwelle weist eine schräge Kröpfung auf. Je nach relativer Lage der Triebwelle, bezogen auf das Gelenklager, ergibt sich eine kleinere oder größere Taumelbewegung des Gleitlagers und damit ein mehr oder weniger großer Kolbenhub.
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Ausgehend von dem vorliegenden Stand der Technik ist es somit Aufgabe der Erfindung, eine Radialkolbenpumpe auszubilden, die unabhängig von der Fördermenge immer im Volllastbetrieb fördert und somit sehr pulsationsarm arbeitet.
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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, insbesondere 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 ein im Pumpengehäuse gelagerte Exzenterwelle bzw. exzentrische Buchse antreibbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Fördermengenregelung der Radialkolbenpumpe durch eine bedarfsabhängige Hublängenverstellung des Pumpenkolbens erfolgt. Durch die bedarfsabhängige Hublängenverstellung kann das Volumen des Pumpenzylinders exakt an die jeweilige Fördermenge angepasst werden, so dass unabhängig von der Fördermenge, die Radialkolbenpumpe immer im Volllastbetrieb fördert. Infolge dessen arbeitet die Radialkolbenpumpe über das gesamte Motorkennfeld hinweg mit minimalen Pulsationen. Die geringen Pulsationen verbessern die Einspritzmengenregelung und erhöhen die Lebensdauer der einzelnen Bauteile der Radialkolbenpumpe zum Teil erheblich. Insgesamt trägt die Erfindung somit zu einer erhöhten Betriebssicherheit des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems bei.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Hublängenverstellung durch die Veränderung der Exzentrizität der exzentrischen Buchse erfolgt. Durch Veränderung der Exzentrizität lässt sich auf besonders einfache Weise die Hublängenverstellung realisieren. Es sind nur geringe Modifikationen an den im Stand der Technik beschriebene Radialkolbenpumpen erforderlich. Unter Umständen können ältere Radialkolbenpumpen so auf einfache Weise nachträglich umgerüstet werden. Durch den einfachen Aufbau der Hublängenverstellung ergibt sich ein besonders robustes und preiswertes System.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die exzentrische Buchse als Hohlwelle mit konischer Innenlauffläche ausgebildet ist, dass die exzentrische Buchse von einer mit der konischen Innenlaufbahn in Wirkverbindung stehenden Antriebswelle antreibbar ist, dass die Antriebswelle mindestens einen mit der Innenlauffläche der exzentrischen Buchse komplementär ausgebildeten konischen Abschnitt aufweist und dass die Antriebswelle zur exzentrischen Buchse derart verschiebbar angeordnet ist, dass durch die Verschiebung der Antriebswelle und/oder der exzentrischen Buchse eine Änderung der Exzentrizität erfolgt. Durch die Ausbildung der exzentrischen Buchse als Hohlwelle ergibt sich eine besonders kompakte Bauform der Radialkolbenpumpe. Die konisch zueinander ausgebildeten Flächen an der Innenlaufbahn der Hohlwelle und Außenfläche der Antriebswelle ermöglichen dabei auf eine besonders einfache Weise und mit geringen fertigungstechnischem Aufwand die Verstellung der Exzentrizität.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebswelle mit der exzentrischen Buchse mittels einer Passfeder verbunden ist, auf der die Antriebswelle und/oder die exzentrische Buchse axial verschiebbar sind. Die Passfeder übernimmt somit in besonders vorteilhafter Weise zwei Aufgaben gleichzeitig. Zum Einen sorgt sie für eine sichere Übertragung der Antriebskraft von der Antriebswelle auf die exzentrische Buchse und zum Anderen dient sie gleichzeitig als Führungsschiene zum Verschieben der Antriebswelle gegenüber der exzentrischen Buchse um so die Exzentrizität zu verändern.
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Eine ganz besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Passfeder die Form eines doppelten Schwalbenschwanzes aufweist. Die Ausbildung als Schwalbenschwanz gewährleistet eine besonders sichere Mitnahme der exzentrischen Buchse durch die Antriebswelle. Selbstverständlich sind auch andere Profilierungen der Passfeder denkbar, die die sichere Mitnahme der exzentrischen Buchse garantieren, beispielsweise ist eine Knochenform denkbar.
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Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt die Verschiebung der Antriebswelle und/oder der exzentrischen Buchse durch ein elektromagnetisches Proportionalventil, einen Stellmotor, hydraulisch oder pneumatisch. Alle genannten Möglichkeiten bieten eine sehr exakte und schnelle Verschiebung der Wellen und ermöglichen so eine schnelle Anpassung der Fördermenge an den tatsächlichen Bedarf auch bei schnell wechselnden Lastzuständen des Motors. Welcher der genannten Antriebe am geeignetsten ist, hängt jeweils vom Einzelfall ab. Ein Kriterium kann hier beispielsweise sein, ob bereits für andere Anwendungen im Fahrzeug z. B. eine pneumatische oder hydraulische Steuerung/Regelung vorgesehen ist, die evtl. mitbenutzt werden kann, oder ob bestimmte Anforderungen beispielsweise an die Baugröße gestellt werden.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich durch die erfindungsgemäße Hublängenverstellung auf einfache Weise unabhängig von der momentanen Fördermenge der Radialkolbenpumpe immer ein Volllastbetrieb realisieren lässt. Hierdurch ergibt sich ein besonders pulsationsarmer Pumpenbetrieb. Die Radialkolbenpumpe eignet sich deshalb besonders gut zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, da hier ständig wechselnde Belastungszustände und damit ein ständig variierender Kraftstoffbedarf vorliegt.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel. Es zeigen schematisch:
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1: Einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe;
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2 einen Axialschnitt durch die in 1 gezeigte Radialkolbenpumpe entlang der Linie A-A bei der sich die Antriebswelle in einer ersten Stellung befindet, und;
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3 einen Axialschnitt entsprechend 2, bei der sich die Antriebswelle in einer zweiten Stellung befindet.
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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 der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe erläutert werden.
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Die Radialkolbenpumpe 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 vorzugsweise über einen Gleitschuh 6 gegen einen Hubring 10 ab. Hierzu weist der Hubring 10 vorzugsweise eine der Anzahl der Pumpeneinheiten 2 entsprechende Zahl von Abflachungen 11 auf. Der Hubring 10 ist gleitend auf einer als Hohlwelle ausgebildeten Exzenterwelle bzw. exzentrischen Buchse 3 gelagert. Innerhalb der exzentrischen Buchse 3 ist eine Antriebswelle 4 angeordnet. Die Antriebswelle 4 steht über ein Verbindungselement 5 in Wirkverbindung mit der exzentrischen Buchse 3 und treibt diese im Pumpenbetrieb an. Um ein Mitdrehen des Hubrings 10 zu verhindern, sind die Pumpenkolben 21 über Rückstellfeder 7 gegen die Abflachungen 11 des Hubrings 10 vorgespannt. Hierdurch führt der Hubring 10 während des Pumpenbetriebs lediglich eine Taumelbewegung durch.
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Aufgrund der Taumelbewegung und der Vorspannung der Pumpenkolben 21 gegen den Hubring 10 führt jede Pumpeneinheit bei einer vollen Umdrehung der exzentrischen Buchse 3 einen vollständigen Arbeitshub durch.
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Die Hublänge und damit auch das Fördervolumen jeder einzelnen Pumpeneinheit 2 ist abhängig von der Exzentrizität e zwischen der Antriebswelle 4 und der exzentrischen Buchse 3. Durch eine Veränderung der Exzentrizität e kann somit die Förderleistung der Radialkolbenpumpe an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden.
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Durch die erfindungsgemäße, bedarfsabhängige Hublängenverstellung des Pumpenkolbens 21 kann somit auf einfache Weise die Fördermengenregelung der Radialkolbenpumpe erfolgen. Wie eine solche Hublängenverstellung erfolgen kann wird nachfolgend an den 2 und 3 erläutert.
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2 zeigt einen Axialschnitt durch die in 1 gezeigte Radialkolbenpumpe, wobei der Schnitt entlang der Linie A-A erfolgt. Wie in der Ansicht deutlich erkennbar ist, ist die exzentrische Buchse 3 als Hohlwelle mit einer konischen Innenlauffläche 31 ausgebildet.
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Die Antriebswelle 4, die innerhalb der exzentrischen Buchse 3 angeordnet ist, weist einen komplementär zur konischen Innenlauffläche 31 der exzentrischen Buchse 3 ausgebildeten äußeren konischen Abschnitt 41 auf. Über ein Verbindungselement 5 ist die Antriebswelle 4 mit der exzentrischen Buchse 3 verbunden. Das Verbindungselement 5 ist derart ausgebildet, dass es einerseits die Antriebskraft von der Antriebswelle 4 auf die exzentrische Buchse 3 übertragen kann und gleichzeitig eine Verschiebung der Antriebswelle 4 und der exzentrischen Buchse 3 achsparallel zueinander ermöglicht. Das Verbindungselement 5 kann hierzu beispielsweise, wie in 1 dargestellt, ein doppeltes Schwalbenschwanzprofil aufweisen.
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Durch die achsparallele Verschiebung der Antriebswelle 4 gegenüber der exzentrischen Buchse 3 verändert sich die Exzentrizität e und somit die Hublänge des Pumpenkolbens 21. Die Änderung der Exzentrizität e wird durch eine Gegenüberstellung der 2 und 3 deutlich. In 2 befindet sich die Antriebswelle 4 in einer Position weit links und die Achsen der Antriebswelle 4 und der exzentrischen Buchse 3 liegen aufgrund der konischen Ausbildung der Innenlauffläche 31 der exzentrischen Buchse 3 und des komplementär ausgebildeten Abschnitts 41 der Antriebswelle 4, nahe beieinander. Hierdurch ergibt sich eine geringe Exzentrizität e sowie eine geringe Hublänge des Pumpenkolbens 21 und eine damit verbundene geringe Fördermenge der Radialkolbenpumpe.
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In 3 ist die Antriebswelle 4 entlang des Verbindungselements 5 nach rechts verschoben. Die Verschiebung nach rechts bewirkt, eine achsparallele Verschiebung der Antriebswelle 4. Der Abstand zwischen den Achsen der Antriebswelle 4 und der exzentrischen Buchse 3 vergrößert sich und die Exzentrizität e nimmt folglich zu. Dies führt zu einer größeren Hublänge des Pumpenkolbens 21 und einer höheren Fördermenge der Radialkolbenpumpe.
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Durch Verstellen der Hublänge während des Pumpenbetriebs kann die Fördermenge der Radialkolbenpumpe sehr schnell an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Eine zusätzliche Fördermengenregelung beispielsweise durch ein vorgeschaltetes Volumenstromregelventil kann entfallen. Die Regelung der Fördermenge durch eine Hublängenverstellung hat insbesondere den Vorteil, dass die Pumpe unabhängig von der Fördermenge immer im Volllastbetrieb fördert. Die Verstellung der Hubkolbenlänge durch Verschiebung der Antriebswelle 4 und/oder der exzentrischen Buchse 3 kann besonders einfach durch ein elektromagnetisches Proportionalventil, einen Stellmotor, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Der Verstellmechanismus kann über die Motorsteuerung angesteuert werden.
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Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe ermöglicht somit eine schnelle und einfache Anpassung der Fördermenge an den tatsächlichen Bedarf. Zusätzliche Bauteile wie ein vorgeschaltetes Volumenstromventil können entfallen und die Pumpe arbeitet unabhängig von der Fördermenge stets im Volllastbetrieb, da der Zylinderraum immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders pulsationsarme Förderung. Die vorgeschlagene Radialkolbenpumpe eignet sich somit insbesondere für Kraftstoffeinspritzsysteme, bei denen eine pulsationsarme Förderung die Regelung der Einspritzmenge vereinfacht. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe aber auch überall dort vorteilhaft einsetzbar, wo eine wechselnde Fördermenge auftritt und eine pulsationsarme Förderung gewünscht ist.