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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
einer Brennkraftmaschine mit einer in einem Pumpengehäuse untergebrachten
rotierend angetriebenen Excenterwelle, die einen in einem Zylinder
gleitend geführten Pumpkolben in eine oszillierende Hubbewegung
versetzt, wobei ein Kolbenfuß des Pumpkolbens stirnseitig
an der Excenterwelle zur Anlage kommt.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich
auf den Bereich der Dieseleinspritzung. Hierbei stellen die Hochdruckpumpen
einen erheblichen Anteil am Gesamtaufwand der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
dar. Derzeit werden von serienmäßig gefertigten
Hochdruckpumpen für die Dieseleinspritzung Drücke
von bis zu 2.000 bar erreicht.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 199 07 311
A1 ist eine schnelldrehende Hochdruckpumpe bekannt. Diese
Hochdruckpumpe weist eine rotierend angetriebene Excenterwelle und
wenigstens ein Pumpenelement auf. Das Pumpenelement besitzt eine
zumindest mittelbar durch die Excenterwelle in einer Hubbewegung angetriebenen
Pumpenkolben, der in einer Zylinderbohrung eines ortsfesten Gehäuses
der Hochdruckpumpe verschiebbar geführt ist. Die Langsachse
der Zylinderbohrung verläuft dabei senkrecht zur Drehachse
der Excenterwelle und in einer die Drehachse enthaltenen Radialebene.
Die Excenterwelle rollt auf einer zylindrischen Rolle ab, die in
einem mit dem Pumpenkolben verbundenen Rollenschuh drehbar gelagert
ist. Der Rollenschuh ist in einer Bohrung des Gehäuses
der Hochdruckpumpe verschiebbar untergebracht und durch die Lagerung
des Rollenschuhs werden bei der Rotation der Excenterwelle vom Nocken
auf die Rolle übertragene Querkräfte aufgenommen,
so dass diese nicht auf den Pumpenkolben wirken. Der Rollenschuh
ist dabei im Durchmesser wesentlich größer ausgeführt
als der Pumpenkolben, so dass durch die Querkraft nur geringe Flächenpressungen
des Rollenschuhs in der Zylinderbohrung verursacht werden.
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Nachteilig
bei dieser bekannten Hochdruckpumpe ist jedoch, dass bei einer Kraftübertragung per
Rollenschuh eine Anzahl von Bauteilen erforderlich ist, welche fertigungstechnisch
aufwendig in extrem engen Toleranzen hergestellt werden müssen, um
bei den herrschenden mechanischen und tribologischen Belastungen
zuverlässig über die Lebenszeit die Pumpfunktion
zu erfüllen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schnelldrehende
Hochdruckpumpe zu schaffen, die sich unter Einsatz möglichst
weniger Einzelbauteile fertigungstechnisch einfach herstellen lässt.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einer Hochdruckpumpe gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die stirnseitige
Anlage des Kolbenfußes per Formschluss mit der Excenterwelle über
eine untere konkave Ausnehmung erfolgt, wobei der Zylinder zylinderkopfseitig
eine obere konkave Ausnehmung aufweist, um formschlüssig
mit einer korrespondierenden Anformung am Zylinderkopf zusammenzuwirken,
so dass die aus Kolben und Zylinder gebildete Baueinheit beweglich
bezüglich des Pumpengehäuses gelagert ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt
sich aus der beweglichen oder schwimmenden Lagerung der aus Kolben
und Zylinder gebildeten Baueinheit relativ zum ortsfesten Pumpengehäuse. Denn
die besagte Baueinheit kann aus wenigen Bauteilen gebildet werden,
die einer dynamischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Durch die beidseits
formschlüssige Verbindung zwischen der Baueinheit und der
Excenterwelle bzw. dem Zylinderkopf kann eine vollständig
hydraulische Lagerung über sich während des Betriebs
zwischen den angrenzenden Bauteilen aufbauende hydraulische Polster
realisiert werden. Wegen der beweglichen Lagerung der Baueinheit wirken
minimale Querkräfte auf die Kolbenführung ein,
was zu entsprechend geringem Verschleiß führt. Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht
es, alle beweglichen Teile des Antriebs durch den Hochdruck zu schmieren.
Durch den Formschluss, insbesondere der Kontaktflächen
zwischen Zylinder und Zylinderkopf sowie Kolbenfuß und
Excenterwelle kann erreicht werden, dass bei minimalem Leckagestrom
ein Großteil der Last über die hydraulischen Polster übertragen
wird.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
die Befüllung des Zylinders über eine in der Excenterwelle
ausgebildeten Ansaugnut nach Art einer Schlitzsteuerung zu bewerkstelligen.
Die Saugmenge lässt sich hierbei in einfacher Weise über
den Vorlaufdruck einstellen. Der Excenter der Excenterwelle sollte
auf dem halben Umfang zwischen oberem und unterem Todpunkt mit der
Ansaugnut versehen werden, welche nur wenige Millimeter Nutbreite
und Nuttiefe besitzt. Wegen der formschlüssigen Anlage
der unteren konkaven Ausnehmung auf der Excenterwelle eignet sich
diese Schlitzsteuerung in besonderer Weise bei der erfindungsgemäßen
Lösung, insbesondere weil keine weiteren Ventilmittel erforderlich
sind. Alternativ ist es auch denkbar, die Befüllung der
Hochdruckpumpe über ein herkömmliches kombiniertes Saug-/Druckventil
auszuführen.
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Die
obere und untere Ausnehmung an der beweglichen Baueinheit hat einen
erheblichen Einfluss auf das dynamische Verhalten sowie die Lagereigenschaften.
Vorzugsweise sollte die untere konkave Ausnehmung am Kolbenfuß in
Anpassung an die Excenterwelle zylindrisch geformt sein, wogegen
die obere konkave Ausnehmung am Zylinder kugelförmig oder
ebenfalls zylindrisch ausgebildet sein kann. Es ist natürlich
auch denkbar im Sinne einer dynamischen Umkehr zumindest zylinderseitig
die konkave Ausnehmung auch am Zylinderkopf auszubilden, wogegen
die korrespondierende Form der Anformung am Zylinder anzuordnen
ist.
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Gemäß einer
weiteren die Kraftstofftransport durch die Hochdruckpumpe verbessernden
Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Kolben eine durchgehende
Axialbohrung erhält, welche von der Ansaugnut an der Excenterwelle
in den Zylinder führt. Hierüber gelangt der im
Förderzyklus durch die Ansaugnut strömende Kraftstoff
zur Verdichtung in den Zylinderraum. Vorzugsweise sollte diese Axialbohrung
als Zentralbohrung ausgeführt werden, um eine gleichmäßige
Wandstärke zu wahren.
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Während
der Förderphase, welche sich der vorstehend geschilderten
Ansaugphase anschließt, öffnet ein im Zylinderkopf
integriertes Druckventil den hochdruckseitigen Weg zu einem Railanschluss
eines Common-Rail-Systems einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung.
Das Druckventil ist vorzugsweise nach Art eines Kugel- oder Kegelrückschlagventils
ausgebildet, wobei der Öffnungsdruck über eine
integrierte Druckfeder eingestellt ist. Während der Förderphase verschließt
die Schlitzsteuerung die Ansaugnut. Bei hohen Fördermengen
steht bei dieser Konstruktion ein höherer Druck im Pumpeninnenraum
an, als bei niedrigeren Fördermengen. Bei Nullförderung
wird der Zulauf zum Pumpeninnenraum nahezu verschlossen.
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Die
konstruktive Ausführung der beweglichen Baueinheit erfolgt
vorzugsweise durch Ausbildung des Zylinders als abgesetzter Hohlzylinder,
wobei eine die Bauteilanpressung bestimmende Druckfeder zwischen
diesem Zylinder und dem Kolbenfuß des Kolbens angeordnet
ist. Die Druckfeder bestimmt im Wesentlichen die Bauteilanpressung
gegenüber dem Zylinderkopf sowie der Excenterwelle. Diese
ist vorzugsweise derart bemessen, dass unter Bildung eines hydraulischen
Polsters zur Lagerung während des Betriebes die Leckage
der Lagerung nicht größer als 30% der Förderleistung
ist. Die Druckflächen der formschlüssig aneinander
zur Anlage kommenden Bauteile sind demnach so gestaltet, dass einerseits
kein Abheben und damit einhergehende ungünstig hohe Leckage
auftritt, wobei andererseits die Reibung zwischen den aneinander
zur Anlage kommenden Bauteile durch das hydraulische Polster während
des Betriebes minimiert wird.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch
eine Hochdruckpumpe mit einer beweglich gelagerten zentralen Baueinheit.
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Ausführungsbeispiel
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Gemäß Figur
besteht die dargestellte Hochdruckpumpe für Dieseleinspritzung
im Wesentlichen aus einem Pumpengehäuse 1, in
welchem eine Excenterwelle 2 drehend gelagert ist. Über
die Excenterwelle 2 erfolgt der – nicht weiter
dargestellte Antrieb – der Hochdruckpumpe. Die Excenterwelle 2 wirkt über
einen Kolbenfuß 3 mit einem Pumpkolben 4 zusammen.
Hierdurch wird der innerhalb eines Zylinders 5 gleitend
geführte Pumpkolben 4 in eine oszillierende Hubbewegung
versetzt, um angesaugten Kraftstoff über eine in einem
Zylinderkopf 6 eingesetztes Druckventil 7 zu einem
hochdruckseitigen Railanschluß 13 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung
zu befördern. Das Druckventil 7 ist hier nach
Art eines Kugelrückschlagventils ausgeführt.
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Die
im Wesentlichen aus Pumpkolben 4 und Zylinder 5 bestehende
Baueinheit ist beweglich bezüglich des Pumpengehäuses 1 gelagert,
indem die stirnseitige Anlage des Kolbenfußes 3 per
Formschluss mit der Excenterwelle 2 über eine
untere konkave Ausnehmung 8 erfolgt. Zylinderkopfseitig
weist der Zylinder 5 eine obere konkave Ausnehmung 9 auf,
um formschlüssig mit einer korrespondierenden Anformung
seitens des Zylinderkopfes 6 zusammenzuwirken.
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Die
aus Pumpkolben 4 und Zylinder 5 gebildete Baueinheit
wird mittels einer Druckfeder 10 gegen die Excenterwelle 2 einerseits
und den Zylinderkopf 6 andererseits verspannt. Der Zylinder 5 ist
zur Aufnahme der Druckfeder 10 als abgesetzter Hohlzylinder
ausgebildet, wobei die die Bauteilanpressung bestimmende Druckfeder 10 andererseits
gegen den Kolbenfuß 3 des Pumpkolbens 4 zur
Anlage kommt.
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Die
Befüllung des Zylinders 5 erfolgt über eine
in der Excenterwelle 2 auf einem Teilumfang von 180° ausgebildete
Ansaugnut 11. Die Ansaugnut 11 ist Bestandteil
einer Schlitzsteuerung, wobei die Saugmenge über den Vorlaufdruck
eingestellt ist. Ausgehend von der Ansaugnut 11 gelangt
der Kraftstoff über eine im Pumpkolben 4 ausgebildete
durchgehende Axialbohrung 12 in den Zylinder 5 zur
Kompression und verlässt diesen über das Druckventil 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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