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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Verbrennungsmotors mit
einer rotierend angetriebenen Nockenwelle, deren Nocken über
Kopplungsmittel einen Pumpenkolben in oszillierende Hubbewegung
versetzt, der in einem Zylinder zum Fördern von Kraftstoff
verschiebbar geführt ist, wobei die Längsachse
des Pumpenkolbens nicht schneidend zur Drehachse der Nockenwelle
angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Hochdruckpumpen
der hier interessierenden Art werden im Kraftfahrzeugbau im Rahmen
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung dafür verwendet, den Kraftstoff,
meist Dieselkraftstoff, auf Drücke von bis zu 2.000 bar
zu komprimieren, um diesen unter Hochdruck einer effizienten Verbrennung
zur Verfügung zu stellen. Hochdruckpumpen der hier interessierenden
Art kommen insbesondere im Rahmen einer sogenannten Common-Rail-Einspritzung
zur Anwendung. Der hier unter Druck stehende Kraftstoff füllt
dabei ein Rohrleitungssystem, das beim Motorbetrieb ständig
unter Druck steht.
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Aus
der
DE 10 2004
011 284 A1 geht eine gattungsgemäße Horchdruckpumpe
für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung hervor. Die Hochdruckpumpe
weist ein mehrteiliges Gehäuse auf, in dem eine durch den
Verbrennungsmotor rotierend antreibbare Nockenwelle angeordnet ist.
Die Nockenwelle besitzt wenigstens einen Nocken, dessen Nockenbahn
einen Pumpenkolben antreibt. Der Pumpenkolben ist in einem im Gehäuse
ausgebildeten Zylinder verschiebbar geführt und begrenzt
mit seiner der Nockenwellen abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeitsraum.
Der Pumpenarbeitsraum weist über einen im Gehäuse
verlaufenden Kraftstoffzulaufkanal eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf
mit Einlassventil auf. Weiterhin ist am Pumpenarbeitsraum ein Kraftstoffablaufkanal
auslassseitig angeordnet, der mit einem Hochdruckspeicher in Verbindung steht.
An dieser Stelle ist ein Auslassventil vorgesehen. Der Pumpenkolben
stützt sich direkt mit einem aus dem Zylinder in Richtung
Nockenwelle hinausragenden Kolbenfuß an der Nockenbahn
ab. Im Kontaktbereich ist eine Rollenschuhanordnung zwecks Reibungsminimierung
vorgesehen. Um verschleißverursachende Querkräfte
zwischen Pumpenkolben und Zylinder zu minimieren, verläuft
die Längsachse des Pumpenkolbens nicht schneidend zur Drehachse
der Nockenwelle. Die hierdurch in Folge Rotation der Nockenwelle
auf den Pumpenkolben erzeugte Querkraft verursacht nur geringe auf
die Führung des Pumpenkolbens im Zylinder wirkende Kräfte,
so dass diese direkt vom Pumpenkolben und dessen Führung
im Zylinder aufgenommen werden können, ohne dass zusätzliche
hohe und zu starkem Verschleiß führende Flächenpressungen
auftreten.
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Nachteilig
bei dieser technischen Lösung ist jedoch, dass mit immer
größer werdenden Leistungen in Folge steigender
Rail-Drücke diese Maßnahmen nicht zur Verschleißvermeidung
ausreichen. Der Verlauf herkömmlicher Nockenbahnen wurde
bislang bezüglich Pumpenwirkungsgrad, zulässigen
Druck, Abspringdrehzahl optimiert. Andere Optimierungsziele spielten
keine Rolle.
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Es
ist bereits versucht worden, den Pumpenkolben einer Hochdruckpumpe
mit einem Excenterantrieb querkraftminimal auszulegen. Die Querkraft beträgt
bei gleichem Kolbendurchmesser im Vergleich zu einem Nockenantrieb
etwa nur die Hälfte. Nachteilig bei einem Excenterantrieb
ist jedoch der sinusförmige Antriebsverlauf, welcher bei
hohen Pumpendrücken einen schlechteren Pumpenwirkungsgrad
verursacht.
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Es
ist daher. die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Nockenantrieb
für eine Hochdruckpumpe der gattungsgemäßen
Art dahingehend weiter zu verbessern, dass verschleißverursachende Querkräfte
bei der Pumpenkolben-Zylinderpaarung mit einfachen Mitteln gänzlich
vermieden werden.
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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 Nockenbahn
der Nockenwelle derart ausgelegt ist, dass während der
Förderphase der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse zumindest
annähernd gleich Null ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung eines
praktisch querkraftfreien Pumpenantriebs resultiert aus der besonderen
Formgebung der Nockenbahn der Nockenwelle. Es ist erkannt worden, dass
bei einem Pumpenkolben, dessen Längsachse nicht schneidend
zur Drehachse der Nockenwelle angeordnet ist, weiteres Optimierungspotential
zur Senkung der Querkraft in einer speziellen Formgebung der Nockenbahn
liegt. Berechnungen haben ergeben, dass sich die Nockenbahn derart
gestalten lässt, dass während der im Hinblick
auf die Verschleißursache wesentlichen Fördephase
der Hochdruckpumpe der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse zur Null
bringen lässt, so dass damit einer querkraftfreie Antriebskraftübertragung
realisierbar ist.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme übt die Nockenbahn
nur zwischen dem Bereich des Ablaufs und des Anlaufs eine Querkraft auf
den Pumpenkolben aus. Somit lässt sich die Querkraft während
der verschleißverursachenden Förderphase zu Null
bringen, wogegen der Pumpenkolben während der verschleißunkritischen
Einlassphase wegen der geringen Belastung nicht querkraftoptimiert
sein braucht. Der Bereich des Anlaufs kennzeichnet den Beginn der
Förderung, wogegen der Bereich des Ablaufs das Ende der
Förderung auf der Nockenbahn kennzeichnet. Insbesondere
im Bereich des Ablaufs ist die Nockenbahn sorgfältig auszulegen,
da hier Hochdruck am Pumpenkolben anliegt. Berechnungen haben gezeigt,
dass durch eine günstige Auslegung zuvor auch hier die
Querkraft für eine kurze Zeit im Bereich des Excenterantriebs
liegt. Da die Querkraft jedoch nur sehr kurz anliegt, ist zu erwarten,
dass die Verschleißgefahr der erfindungsgemäßen
Lösung insgesamt wesentlich geringer als bei dem vorstehend
erläuterten Excenterantrieb ist.
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Für
eine einfache Bewertung der Verschleißgefahr kann die in
der Zylinder-Pumpenkolben-Paarung stattfindende Reibarbeit A = F·s·μmit
einem μ von 0,1 angenommen werden, wobei F = Querkraft,
s Hub und μ = Reibbeiwert ist. Durch die erfindungsgemäße
Lösung wird die Reibarbeit A von bislang größer
als 1 Nm auf kleiner als 0,7 Nm, vorzugsweise auf 0,2 Nm je Hub
abgesenkt.
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Während
der Saugphase ist bei der erfindungsgemäßen Lösung
der Kraftangriffswinkel größer gegenüber
bisherigen Konstruktionen. In diesem Bereich liegt jedoch nur die
Rückstellkraft für den Pumpenkolben an. Dadurch
ergeben sich deutlich geringere Querkräfte die bis zu einem Nockenwinkel von
vorzugsweise 90° kleiner als 0,5 kN ist, an diesem Bereich
also annähernd Null ist.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass die Nockenbahn der Nockenwelle in Form eines Doppelnockens ausgeführt
ist. Somit kann bei einer Umdrehung der Nockenwelle ein doppelter
Hub bei der Hochdruckpumpe ausgeführt werden. Dieser Vorteil
ist mit einer einfache Excenterwelle nicht realisierbar.
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Vorzugsweise
sind die Kopplungsmittel zwischen Nockenwelle und Pumpenkolben als
eine Rollenschuhanordnung ausgebildet. Die Rollenschuhanordnung
stellt einen verschleißarmen Wälzlagerkontakt
zwischen dem Pumpenkolben und der Nockenwelle her und zeichnet sich
gleichzeitig durch einen einfachen und robusten Aufbau aus.
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Die
Rückstellkraft für den Pumpenkolben während
der Einlassphase wird vorzugsweise durch eine zwischen dem Pumpenkolben
und dem Pumpengehäuse angeordnete und nach Art einer Schraubenfeder
ausgebildeten Druckfeder aufgebracht. Durch die Form der Schraubenfeder
wird dabei der Zylinder der Hochdruckpumpe platzsparend zumindest
teilweise umschlossen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung lässt
sich auch für eine mehrzylindrige Hochdruckpumpe verwenden,
bei welcher eine entsprechende Anzahl von Pumpenkolben über
mehrere erfindungsgemäße Nockenbahnen der Nockenwelle
wechselnd angetrieben werden.
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Ausführungsbeispiel
anhand Figurenbeschreibung
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt einer Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
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2 eine
schematische Seitenansicht des Pumpentriebs gemäß 1,
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3 eine
grafische Darstellung des Querkraftverlaufs über den Drehwinkel
der Nockenwelle.
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Gemäß 1 weist
die Hochdruckpumpe ein mehrteiliges Pumpengehäuse 1 auf,
in dem eine durch die Brennkraftmaschine rotierend angetriebene
Nockenwelle 2 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle 2 weist
zwischen endseitigen Gleitlagerstellen einen Nocken mit einer Nockenbahn 3 auf,
welcher hier in Form eines Doppelnockens ausgebildet ist. Über
die Nockenbahn 3 wird ein Pumpenkolben 4 in eine
oszilierende Hubbewegung versetzt. Der Kontakt zwischen dem Pumpenkolben 4 und
der Nockenbahn 3 wird über eine dazwischen angeordnete
Rollenschuhanordnung 5 realisiert. Der Pumpenkolben 4 ist
mit einem ihn umgebenden, seitens des Pumpengehäuses 1 ausgebildeten
Zylinder 6 gepaart. Durch die Hubbewegung des Pumpenkolbens 4 innerhalb
des Zylinders 6 gelangt während einer Einlaufphase über
einen Kraftstoffzulaufkanal 7 Kraftstoff in den Hochdruckraum 13 und
wird während der anschließenden Förderphase
komprimiert, um das Pumpengehäuse 1 über
einen hieran ausgebildeten Kraftstoffablaufkanal 8 zu verlassen.
Damit der Kraftstoff nach der Förderphase nicht vom Rail
in den Hochdruckraum zurückfließt, ist ein Federrückschlagventil 9 vorgesehen.
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Gemäß 2 ist
die Nockenachse 10 nicht schneidend zur Drehachse 11 der
Nockenwelle 2 angeordnet. Die Nockenbahn 3 der
Nockenwelle 2 ist so ausgelegt, dass während der
Förderphase der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse 10 ungefähr Null
ist. Dies führt zu einer annähernd querkraftfreien Kraftaufbringung
der von der Nockenwelle 2 ausgeübten Antriebskraft
auf den Pumpenkolben 4. Zur Rückstellung des Pumpenkolbens 4 ist
eine auf diesen einwirkende Druckfeder 12 vorgesehen.
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Gemäß der
grafischen Darstellung von 3 werden Kraftverläufe
und Wegverläufe über einen Nockenwinkel α von
180° (Doppelnocken) dargestellt. Zu erkennen ist, dass
die Querkraft Fq bis zu einem Nockenwinkel
von 90° gleich Null ist. Dies entspricht der Förderphase
der Hochdruckpumpe. Vergleichsweise lässt sich die Querkraft
Fqe bei einem Excenterantrieb nicht zu Null
bringen. Bei dem erfindungsgemäß ausgelegten Nockenantrieb
ist die Reibarbeit A beim Kolben sehr viel geringer als vergleichsweise
die Reibarbeit Ae bei einem Excenterantrieb
sein würde. Ferner sind Kolbenhub s und Angriffswinkel αAngriff diesem Diagramm veranschaulicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0003]