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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe.
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Vorzugsweise
wird eine derartige Hochdruckpumpe als Förderpumpe zur Forderung von Fluid
für ein
Speichereinspritzsystem für
Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
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Speichereinspritzsysteme
für Brennkraftmaschinen
von Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Common-Rail-Systemen, sollen
den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck bereitstellen
können.
Die Hochdruckpumpe unterliegt in Speichereinspritzsystemen für Kraftfahrzeuge
starken Belastungen, insbesondere mechanischen Beanspruchungen.
Insbesondere müssen
von derartigen Hockdruckpumpen große Kräfte aufgenommen werden können. Damit
werden sowohl hohe Anforderungen an das Material als auch an die
Konstruktion der Hockdruckpumpe gestellt.
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Aus
der
DE 195 32 713
C1 ist eine Radialkolbenpumpe bekannt, die einen Zylinderträger aus Kunststoff
aufweist. Über
die ist ein Band geführt,
das die Zylinder gegenüber
dem Zylinderträger
festhält.
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Da
Hochdruckpumpen Drucken von beispielsweise bis zu 2000 bar ausgesetzt
sind, müssen sie
hohen Beanspruchungen standhalten.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die
auch bei hohen Pumpendrücken
einen zuverlässigen
und präzisen
Betrieb ermöglicht
und dabei einem möglichst
geringen Verschleiß unterliegt.
Zugleich soll die Hochdruckpumpe kostengünstig herstellbar sein.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Hochdruckpumpe mit einem
Trägerelement,
einer in dem Trägerelement
drehbar gelagerten Antriebswelle, mit wenigstens zwei von der Antriebswelle
antreibbaren Pumpeneinheiten, die jeweils ein Zylindergehäuse mit
einem bei bestimmungsgemäßen Einsatz hochdruckbeaufschlagten
Zylinderraum aufweisen, in dem ein axial bewegbarer Hochdruckkolben
angeordnet ist, der mit der Antriebswelle in Wirkverbindung steht.
Das Zylindergehäuse
ist mit dem Trägerelement
gekoppelt und das Trägerelement
ist aus einem Kunststoff gebildet.
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In
der von der Antriebswelle antreibbaren Pumpeneinheit wird mittels
des Hochdruckkolbens bei normalem Einsatz der Hochdruckpumpe im
Zylinderraum ein sehr hoher Druck erzeugt. Dieser Druck hat zum
Effekt, dass sehr starke Kräfte
zwischen dem Hochdruckkolben und der mit diesem in Wirkverbindung
stehenden Antriebswelle auftreten können. Um diese Kräfte aufnehmen
zu können,
besteht das Trägerelement üblicherweise
aus einem Metall.
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Die
Hochdruckpumpe ist eine Radialkolbenpumpe mit einer geraden Anzahl
von jeweils zwei koaxial zueinander angeordneten Pumpeneinheiten, die
mittels einer Kopplungseinheit miteinander gekoppelt sind. Hierdurch
können
die Zugkräfte,
die durch die Wirkverbindung zwischen dem Hochdruckkolben und der
Antriebswelle in dem Trägerelement auftreten
und die auf das Trägerelement übertragen werden,
durch die Kopplungseinheit aufgenommen werden.
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Die
Kopplungseinheit umfasst eine Dehnschraube. Dies ist besonders vorteilhaft,
da damit temperaturbedingte Längenänderungen
der Kopplungseinheit ausgeglichen werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Kopplungseinheit je ein einer Pumpeneinheit
zugeordnetes Lager auf, wobei die Lager und die Dehnschrauben miteinander
gekoppelt sind. Damit ist die Einleitung von in dem Trägerelement
auftretenden Kräften
in die Kopplungseinheit in einfacher Weise realisierbar.
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Vorteilhaft
ist, dass durch den Einsatzes eines Kunststoffs für das Trägerelement
ein geringes Gewicht der Hochdruckpumpe ermöglicht ist. Darüber hinaus
ist es möglich,
die Hochdruckpumpe zu geringen Kosten zu fertigen.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Fasern in dem Kunststoff wenigstens abschnittsweise in einer Richtung
ausgerichtet. Damit ist eine sehr hohe Druckfestigkeit und damit
eine sehr gute mechanische Stabilität des Trägerelements möglich.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Trägerelement
Graphit. Dies hat den Vorteil, dass so besonders gute Gleiteigenschaften
des Trägerelements möglich sind.
Insbesondere kann damit eine reibungsarme Lagerung der Antriebswelle
im Trägerelement
erreicht werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das Trägerelement
eine Trägerelementausnehmung
auf und wenigstens eine der Pumpeneinheiten ist mittels einer in
die Trägerelementausnehmung
eingebrachten Schraube mit dem Trägerelement gekoppelt. Dies
ermöglicht
eine besonders einfache und sichere Kopplung zwischen Pumpeneinheit
und Trägerelement.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Schraube selbstschneidend. Damit kann auch ohne Ausformung eines
Gewindes in der Trägerelementausnehmung
eine sichere Kopplung zwischen Pumpeneinheit und Trägerelement
erreicht werden.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
in der Trägerelementausnehmung
ein Gewindeeinsatz angeordnet und wenigstens eine der Pumpeneinheiten
ist mittels einer in den Gewindeeinsatz eingebrachten Schraube mit
dem Trägerelement
gekoppelt. Damit ist eine präzise
Kopplung der Pumpeneinheit im Trägerelement
möglich.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Hochdruckpumpe eine Radialkolbenpumpe mit einer geraden Anzahl
von jeweils zwei koaxial zueinander angeordneten Pumpeneinheiten,
und jeweils zwei koaxial zueinander angeordnete Pumpeneinheiten
sind mittels einer Kopplungseinheit miteinander gekoppelt. Dies ist
besonders bevorzugt, da so die Zugkräfte, die durch die Wirkverbindung
zwischen dem Hochdruckkolben und der Antriebswelle in dem Trägerelement auftreten
und die auf das Trägerelement übertragen werden
können,
durch die Kopplungseinheit aufgenommen werden können.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Kopplungseinheit je ein einer Pumpeneinheit zugeordnetes Lager
und einen Anker auf, wobei die Lager und der Anker miteinander gekoppelt
sind. Damit ist die Einleitung von in dem Trägerelement auftretenden Kräften in
die Kopplungseinheit in einfacher Weise realisierbar.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der Anker als Dehnschraube ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft,
da damit temperaturbedingte Längenänderungen
der Kopplungseinheit ausgeglichen werden können.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Pumpeneinheiten durch eine Rohrleitung hydraulisch miteinander
gekoppelt, wobei die Rohrleitung außerhalb des Trägerelements
angeordnet ist, und eine der Pumpeneinheiten ein Anschlusselement
aufweist, das hydraulisch mit der Rohrleitung gekoppelt ist. Dies
erlaubt in besonders einfacher Weise, eine Beaufschlagung des Trägerelements
mit Hochdruck zu vermeiden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Hochdruckpumpe in einer ersten Ausführungsform
in einem Längsschnitt,
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2 eine
schematische Ansicht der Hochdruckpumpe in einem Querschnitt entlang
der Linie II-II der 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht der Hochdruckpumpe, und
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4a, 4b Detaildarstellungen
der Hochdruckpumpe.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die
Figuren zeigen eine Hochdruckpumpe 10 mit einem Trägerelement 12 und
Pumpeneinheiten 13, 13a, die zueinander in einem
Winkel von 180 Grad angeordnet sind.
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Die
Hochdruckpumpe 10 weist zentral eine Antriebswelle 15 auf,
die mit einem Exzenterring 16 in Wirkverbindung steht und
in einer Drehrichtung D entgegen dem Uhrzeigersinn drehbar im Trägerelement 12 gelagert
ist (2). Anstelle des Exzenterrings 16 kann
eine Nockenwelle als Antriebswelle 15 verwendet werden.
In diesem Fall kann die Anzahl der Förder- und Kompressionshübe über die Anzahl der Nocken vorgegeben werden.
Die Anzahl der Förder-
beziehungsweise Kompressionshübe
entspricht dabei der Anzahl der Nocken.
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Die
Pumpeneinheiten 13, 13a sind identisch aufgebaut.
Im Folgenden soll die Pumpeneinheit 13 stellvertretend
für alle
Pumpeneinheiten beschrieben werden.
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Die
Pumpeneinheit 13 besteht im Wesentlichen aus einem Zylindergehäuse 14,
einem in dem Zylindergehäuse 14 angeordneten
Zylinderraum 32, einem Hochdruckkolben 30 und
einer Feder 20. Das Zylindergehäuse 14, der Zylinderraum 32,
der Hochdruckkolben 30 und die Feder 20 sind zueinander
koaxial angeordnet. Das Zylindergehäuse 14 ist aus einem
Metall, vorzugsweise einem Stahl gebildet.
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Der
Hochdruckkolben 30 ist axial bewegbar in dem Zylinderraum 32 des
Zylindergehäuses 14 gelagert
und steht mit dem Exzenterring 16 in Wirkverbindung. Der
Hochdruckkolben 30 wird mittels der Feder 20,
die sich vorzugsweise am Zylindergehäuse 14 und am Hochdruckkolben 30 abstützt, in
ständiger Anlage
an den Exzenterring 16 gehalten. Damit kann ein Abheben
und Wiederauftreffen des Hochdruckkolbens 30 auf den Exzenterring 16 vermieden
werden, was zu Beschädigungen
sowohl des Exzenterrings 16 als auch des Hochdruckkolbens 30 führen könnte.
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Um
den Zylinderraum 32 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine (nicht
dargestellte) Zylinderraumzulaufleitung auf. Der Zylinderraum 32 weist
weiter eine (nicht dargestellte) Zylinderraumablaufleitung, über die
Fluid aus dem Zylinderraum 32 ausgestoßen werden kann.
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Das
Zylindergehäuse 14 ist
mit dem Trägerelement 12 gekoppelt.
Das Trägerelement 12 ist
aus einem Kunststoff gebildet, wobei das Trägerelement vorzugsweise als
Kunststoff-Spritzgussteil
ausgebildet ist. Das Trägerelement 12 ist
in der dargestellten Ausführungsform
zweiteilig ausgebildet, kann jedoch auch einteilig ausgeführt sein
oder mehr als zwei Teile aufweisen.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ist der Kunststoff, aus dem das Trägerelement 12 gebildet ist,
ein Duroplast. Duroplaste sind mechanisch sehr stark belastbar,
insbesondere weisen sie eine gute Zug- und Druckfestigkeit auf.
Besonders bevorzugt ist, wenn der Kunststoff ein Vyncolit (Registered Trademark)
ist, das von der Fa. Vyncolit NV bezogen werden kann. Diese Materialien
weisen neben einer gute Zug- und Druckfestigkeit auch eine gute
Temperaturfestigkeit auf. Besonders bevorzugt sind Vyncolit X7320,
eine mit Glasfasern und Mineralien gefüllte Phenolformmasse mit niedrigem
thermischen Ausdehnungskoeffizient, und Vyncolit BXE6952, eine mit Glasfasern
verstärkte
Phenolformmasse mit sehr hoher Reißdehnung. Des weiteren sind
besonders bevorzugt Vyncolite des Typs Vintec (Registered Trademark),
insbesondere der Typen Vintec CF8030, eine kohlefaserverstärkte Phenolformmasse
und Vintec CF8050, eine kohlefaserverstärkte Phenolformmasse, beide
mit hoher Zugfestigkeit und Druckfestigkeit.
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Gemäß einem
weitergebildeten Ausführungsbeispiel
sind die Fasern im Kunststoff wenigstens abschnittsweise in einer
Richtung ausgerichtet. Insbesondere sollten die Fasern in dem Kunststoff
so ausgerichtet sein, dass die auftretenden Zug- und Druckkräfte gut von dem Trägerelement 12 aufgenommen
werden können.
Es wird so eine besonders hohe Druckfestigkeit des Trägerelements
erreicht.
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Enthält der Kunststoff,
aus dem das Trägerelement
gebildet ist, Graphit, so ist dies besonders vorteilhaft, da Bauteile
aus einem solchen Material selbst bei einem Trockenlaufen der Hochdruckpumpe 10 noch
Notlaufeigenschaften aufweisen können.
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Die
zwei koaxial zueinander angeordneten Pumpeneinheiten 13, 13a der
Hochdruckpumpe 10 sind mittels einer oder mehreren Kopplungseinheiten 40 miteinander
gekoppelt. Jede der Kopplungseinheiten 40 weist jeweils
ein einer der Pumpeneinheiten 13, 13a zugeordnetes
Lager 42 auf, das auf einer Außenseite 34 einer
der Pumpeneinheiten 13, 13a angeordnet ist. Jeweils
zwei Lager 42 sind mittels eines Ankers 44 miteinander
gekoppelt. Durch das Koppeln der Pumpeneinheiten 13, 13a mittels
der Kopplungseinheiten 40 können die beim Betrieb der Hochdruckpumpe
radial nach außen
wirkenden Kräfte
besonders gut durch die Kopplungseinheit aufgenommen werden. Die
auf das Trägerelement 12 wirkenden
Kräfte
können
so reduziert werden. Der Einsatz der Kopplungseinheit 40 auf
zwei koaxial zueinander angeordneten Pumpeneinheiten 13, 13a lässt sich
beliebig auf Hochdruckpumpen mit einer geraden Anzahl von Pumpeneinheiten 13, 13a anwenden,
wobei jeweils zwei Pumpeneinheiten 13, 13a koaxial
und in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet sind.
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Das
Trägerelement
weist bevorzugt (nicht dargestellte) Verstärkungselemente, vorzugsweise Verstärkungsrippen
und/oder Aussteifungen auf. Diese ermöglichen das Erreichen einer
hohen mechanischen Stabilität
des Trägerelements 12,
insbesondere im Hinblick auf seine Druck- und Zugfestigkeit.
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Zwischen
den Pumpeneinheiten 13, 13a ist eine Rohrleitung 46 angeordnet,
durch die die Pumpeneinheiten 13, 13a hydraulisch
miteinander gekoppelt sind. Die Rohrleitung 46 ist außerhalb des
Trägerelements 12 angeordnet.
Eine der Pumpeneinheiten 13, 13a hat ein Anschlusselement 48,
das hydraulisch mit der Rohrleitung 46 gekoppelt ist. Mittels
dieser Anordnung lässt
sich das mittels der Hochdruckpumpe 10 mit hohem Druck
beaufschlagte Fluid abführen.
Die hohen Druckkräfte
des Fluids wirken damit auf die vorzugsweise aus einem Metall ausgebildete
Rohrleitung 46, wodurch vermieden wird, dass sie auf das
Trägerelement 12 übertragen
werden. Damit kann eine Kraftbeaufschlagung des Trägerelements 12 klein
gehalten werden.
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4a und 4b zeigen
Detaildarstellungen der Hochdruckpumpe 10. Das Trägerelement 12 weist
eine Trägerelementausnehmung 36 auf.
Es ist so möglich
Gewindeelemente, vorzugsweise eine Schraube 38, wie hier
zur Kopplung der Pumpeneinheit 13a mit dem Trägerelement 12,
präzise
im Trägerelement 12 zu
lagern (4a). Alternativ ist in der Trägerelementausnehmung 36 ein
Gewindeeinsatz 39 angeordnet. Insbesondere kann der Gewindeeinsatz 39 bei
einem als Kunststoff-Spritzgussteil
ausgeführten
Trägerelement 12 direkt
mit eingespritzt werden. Das Einspritzen des Gewindeeinsatzes 39 in das
Trägerelement 12 ist
kostengünstig
realisierbar und der Gewindeeinsatz 39 ist mechanisch hochbelastbar.
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Im
Folgenden soll die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 10 detailliert
beschrieben werden:
Durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 15 in
einer Drehrichtung D wird der Hochdruckkolben 30 mittels
des Exzenterrings 16 radial zur Antriebswelle 15 hinbewegt.
Dabei wird der Zylinderraum 32 mit Fluid befüllt. Durch
die weitere Drehbewegung der Antriebswelle 15 wird der
Hochdruckkolben 30 durch den Exzenterring 16 axial
von der Antriebswelle 15 wegbewegt und verdichtet dabei
in dem Zylinderraum 32 befindli ches Fluid. Das komprimierte
Fluid kann schließlich
im Anschluss an den Kompressionshub über die Rohrleitung 46 ausgestoßen werden. Handelt
es sich bei der Hochdruckpumpe 10 beispielsweise um eine
Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine,
so kann das mit hohem Druck beaufschlagte Fluid zu einem Hochdruckkraftstoffspeicher,
dem so genannten Common-Rail gelangen.
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Durch
die Wirkverbindung zwischen der Antriebswelle 15 und dem
Hochdruckkolben 30 wirken bedingt durch den Hochdruck in
dem Zylinderraum 32 im Trägerelement 12 insbesondere
im Bereich der Pumpeneinheiten 13, 13a starke
radiale Kräfte
nach außen.
Diese werden durch die Kopplungseinheit 40 und durch das
Trägerelement 12 aus
Kunststoff abgefangen. Darüber
hinaus wirken, verursacht durch die Drehbewegung der Antriebswelle 15 in
dem Trägerelement 12 und
die dadurch verursachte Reibung im Kontaktbereich zwischen der Antriebswelle 15 und
dem Trägerelement 12 in
diesem Kontaktbereich starke tangentiale Kräfte, die von dem Trägerelement 12 aus
Kunststoff aufgenommen werden können.