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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem
einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem
eines Kraftfahrzeuges, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Derartige
Pumpen sind beispielsweise als Radialkolbenpumpen aus dem Stand
der Technik bekannt. Sie dienen in Kraftfahrzeugen vor allem dazu, dem
Einspritzsystem verdichteten Kraftstoff zuzuführen. Bei
Common-Rail-Einspritzsystemen führt die Hochdruckpumpe
den verdichteten Kraftstoff einem Hochdruckspeicher zu, dem sogenannten
Rail. Dabei hat die Hochdruckpumpe den erforderlichen Systemdruck
im Rail sicher zu stellen, beispielsweise dadurch, dass Kraftstoff
in ausreichender Menge zum Rail gefördert wird. Die Fördermenge
einer Hochdruckpumpe sollte demnach einstellbar sein. Aus dem Stand
der Technik sind Hochdruckpumpen bekannt, denen eine Zumesseinheit
vorgeschaltet ist, die in Abhängigkeit von einer gemessenen
Steuergröße, wie beispielsweise dem im Rail anliegenden Druck,
die Pumpe mit der entsprechenden Menge Kraftstoff versorgt. Ein
solches Verfahren wird beispielsweise in der
DE 101 48 222 A1 beschrieben.
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Die
Verwendung einer Zumesseinheit bei der Bemessung der Fördermenge
weist jedoch Nachteile auf. Wird beispielsweise über die
Zumesseinheit der Pumpe bei gleichbleibender Drehzahl der Antriebswelle
und damit bei konstantem Kolbenhub weniger Kraftstoff zugeführt,
führt dies zu einem Druckabfall im Arbeitsraum der Pumpe.
Der Druckabfall wiederum kann die Bildung von Gasblasen zur Folge
haben. Wird das Zweiphasengemisch komprimiert, lösen sich
die Gasblasen wieder auf. Da sich das Gas leichter komprimieren
lässt als beispielsweise der Kraftstoff, wird der Wechsel
vom Zweiphasen- zurück zu einem Einphasengemisch oftmals
von einem schlagartigen Druckanstieg am Kolben begleitet (Wasserschlageffekt).
Dieser Effekt geht zumeist mit einem lauten Geräusch einher
und wirkt sich zudem negativ auf die Lebensdauer der Pumpe aus.
Einen Druckabfall bzw. die Bildung einer Gasphase in dem zu fördernden
Kraftstoff gilt es daher zu vermeiden.
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In
der
DE 102 29 398
A1 wird ein Pumpenelement für eine Hochdruckpumpe
mit stufenlos einstellbarer Fördermenge beschrieben, bei
welcher der Förderraum zum Einen durch den Pumpenkolben, zum
Anderen durch einen Steuerkolben, dessen Hub durch ein verstellbares
Anschlagelement einstellbar ist, begrenzt wird. Das Fördervolumen
des Pumpenkolbens wird somit innerhalb des Förderraumes
verschoben, so dass hierüber bei konstantem Hub des Pumpenkolbens
die Fördermenge einstellbar sein soll. Als nachteilig erweist
sich jedoch, dass die Anordnung eines zusätzlichen Steuerkolbens
einschließlich der Mittel zur Einstellung des Steuerkolbenhubs
zusätzlichen Bauraum in Anspruch nehmen. Zudem ist ein
derartiges Pumpenelement aufwendig in der Herstellung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe der eingangs
genannten Art bereit zustellen, die Mittel zur stufenlosen Einstellung der
Kraftstofffördermenge besitzt und dabei die vorstehend
genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Hochdruckpumpen
nicht aufweist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in
den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
vorgeschlagene Hochdruckpumpe weist neben einem auf einer Antriebswelle
drehfest gelagerten Exzenter und wenigstens einem radial zur Wellenlängsachse
A angeordneten Pumpenelement Mittel zur stufenlosen Einstellung
der Kraftstofffördermenge auf. Erfindungsgemäß umfassen
diese Mittel wenigstens ein hebelartiges Kraftübertragungsglied, dessen
erstes Ende über ein Drehgelenk in einem vorgegebenen Abstand
zur Wellenlängsachse A gehalten ist und dessen zweites
Ende direkt oder indirekt am Exzenter anliegt, so dass eine Drehung
des Exzenters ein Verschwenken des Kraftübertragungsgliedes
um die parallel zur Wellenlängsachse A ausgerichtete Drehachse
D des Drehgelenks bewirkt. Währenddessen liegt der Arbeitskolben
direkt oder indirekt am Kraftübertragungsglied an.
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Vorzugsweise
ist jedem Arbeitskolben eines Pumpenelementes ein Kraftübertragungsglied
zugeordnet ist, so dass die Anzahl der Kraftübertragungsglieder
der Anzahl der Arbeitskolben entspricht.
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Indem
die Kraftübertragung nicht direkt vom Exzenter auf den
Arbeitskolben erfolgt, sondern durch ein zwischen Exzenter und Kolben
angeordnetes Übertragungsglied, kann hierüber
auf den Hub des Kolbens Einfluss genommen werden. Entscheidend ist
dabei, wo der Kolben am Übertragungsglied anliegt. Die
entlang eines Kreisbogens um die Drehachse D vollzogene Schwenkbewegung
des Kraftübertragungsgliedes erfolgt innerhalb eines bestimmten
Winkelbereiches, der durch die Exzentrizität des Exzenters
vorgegeben ist. Die Länge eines den Winkelbereich begrenzenden
Kreisbogens nimmt jedoch zur Drehachse D hin ab. Liegt der Arbeitskolben
an dem die Drehachse D aufweisenden Drehgelenk abgewandten Ende
des Kraftübertragungsgliedes an, ist der Kolbenhub analog
zur Länge des Kreisbogens am größten,
während er im Bereich des Drehgelenkes am kleinsten bzw.
gleich null ist. Letzteres ist der Fall, wenn Arbeitskolben und
Kraftübertragungsglied derart zueinander angeordnet sind,
dass die Kolbenlängsachse K durch die Drehachse D des Kraftübertragungselementes
führt. Denn der Abstand der Drehachse D zur Wellenlängsachse
A bleibt unabhängig von der Rotationslage des Exzenters
immer gleich, so dass auch der Arbeitskolben seine Lage zur Wellenlängsachse
A nicht verändert.
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Während
der Abstand der Drehachse D zur Wellenlängsachse A ebenso
wie die Rotationslage des Arbeitskolbens immer gleich bleiben, ist
der Winkel, der von eine ersten Senkrechten durch die Drehachse
D und einer zweiten, zur Kolbenlängsachse koaxialen Senkrechten
auf die Wellenlängsachse begrenzt wird, veränderbar.
Mit zunehmendem Winkelmaß nimmt auch der Hub des Arbeitskolbens
zu und umgekehrt. Überdecken sich die beiden Senkrechten ist
der Winkel wie auch der Hub des Arbeitskolbens gleich null. Der
Winkel wiederum wird durch die Rotationslage der Drehachse D des
Drehgelenks des Kraftübertragungsgliedes in Bezug auf die
Wellenlängsachse A bestimmt. Eine Veränderung
der Rotationslage erfolgt stufenlos. Indem das Kraftübertragungsglied
im Bereich der Anlage des Arbeitskolbens eine stufenlose Steuerkurve
ausbildet, kann auch die Einstellung des Kolbenhubes stufenlos vorgenommen
werden.
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Weiterhin
bevorzugt umfassen die Mittel zur stufenlosen Einstellung der Kraftstofffördermenge zudem
eine gegenüber der Antriebswelle drehbeweglich gelagerte
Halterung zur Aufnahme wenigstens eines Kraftübertragungsgliedes,
wobei durch die Halterung der Abstand der Drehachse D des Drehgelenks
des Kraftübertragungsgliedes zur Wellenlängsachse
A vorgebbar ist. Vorzugsweise dient ein konzentrisch um die Antriebswelle
angeordneter scheibenförmigen Körper als Halterung,
an dem weiterhin vorzugsweise sternförmig angeordnete Befestigungslaschen
zur Aufnahme jeweils eines Kraftübertragungselementes angeordnet
sind. Die Befestigung der Kraftübertragungsglieder erfolgt über
ein Drehgelenk. Die Halterung ist gegenüber der Antriebswelle
drehbeweglich gelagert, um einerseits ein Mitdrehen der Halterung
mit der Antriebswelle zu verhindern, andererseits eine Drehung der Halterung
in Bezug auf die Wellenlängsachse A zur Festelegung der
Rotationslage des Kraftübertragungsgliedes bzw. der Drehachse
D seines Drehgelenkes zu ermöglichen. Da die Rotationslage
des Arbeitskolbens in Bezug auf die Wellenlängsachse A
durch das Pumpengehäuse vorgegeben ist, kann nur über
die Festlegung der Rotationslage des Kraftübertragungsgliedes
die Lage des Arbeitskolbens zum Kraftübertragungsglied
und damit das Maß des Kolbenhubes bestimmt werden. Eine
Veränderung der Rotationslage des Kraftübertragungsgliedes
erfolgt durch eine Drehung um die Wellenlängsachse A, wobei
die Drehachse D des im festen Abstand zur Wellenlängsachse
angeordneten Drehgelenks des Kraftübertragungsgliedes zur
Kolbenlängsachse K hin oder von ihr weg bewegt wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zur
stufenlosen Einstellung der Kraftstofffördermenge zudem
ein Stellelement zur Festlegung und/oder Änderung der Rotationslage des
Kraftübertragungsgliedes bzw. der Drehachse D seines Drehgelenkes
in Bezug auf die Wellenlängsachse A. Bei einer Betätigung
des Stellelementes bleibt die bereits durch das Pumpengehäuse
vorgegebene Rotationslage des Arbeitskolbens unverändert.
Das Stellelement ist daher vorzugsweise mit dem Kraftübertragungsglied
und/oder der Halterung verbunden, wobei die Verbindung weiterhin
vorzugsweise über das Drehgelenk erfolgt. Auf diese Weise ist
sichergestellt, dass die Bewegungsfreiheit aller beweglich gelagerten
Teile erhalten bleibt. Das Stellelement selbst kann des Weiteren
an einen Stellantrieb gekoppelt sein oder einen solchen umfassen.
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Weiterhin
bevorzugt umfassen die Mittel zur stufenlosen Einstellung der Kraftstofffördermenge wenigstens
eine Gleitrolle, die an dem Kraftübertragungsglied und/oder
dem Arbeitskolben angeordnet ist. Liegt das Kraftübertragungsglied
beispielsweise mittels einer Gleitrolle am Exzenter an, kann eine
Bewegung des Exzenters gegenüber dem Kraftübertragungsglied
reibungsarm erfolgen. Entsprechendes gilt für den Arbeitkolben,
der wiederum am Kraftübertragungsglied anliegt, während
dieses Schwenkbewegungen ausführt.
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Um
eine dauerhafte Anlage des Arbeitskolbens am Kraftübertragungsglied
zu gewährleisten, ist weiterhin vorzugsweise eine Feder
vorgesehen, die den Arbeitskolben mit einer Druckkraft in Richtung der
Wellenlängsachse A beaufschlagt. Die Feder stellt den erforderlichen
Anpressdruck sowie die Rückstellung des Kolbens sicher.
Des Weiteren wird die Druckkraft auf das Kraftübertragungsglied übertragen,
so dass dieses in Anlage mit dem Exzenter gehalten wird.
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Die
Anzahl der Pumpenelemente kann bei einer erfindungsgemäßen
Hochdruckpumpe variieren. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Hochdruckpumpe als Radialkolbenpumpe ausgebildet, die drei
Pumpenelemente mit jeweils einem Arbeitskolben und einem Kraftübertragungsglied
aufweist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung von vorne und
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2 eine
perspektivische Ansicht der Ausführungsform der 1 von
hinten.
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Der
Deutlichkeit halber wurden Gehäuseteile und dergleichen
in den Zeichnungen weggelassen. Die Zeichnungen geben daher keine
vollständige Hochdruckpumpe, sondern lediglich die erfindungsgemäß wesentlichen
Bestandteile zur Erläuterung des Arbeitsprinzips einer
solchen Pumpe wieder.
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Den
Zeichnungen ist eine Antriebswelle 1 mit einem Exzenter 2 zu
entnehmen, der drehfest mit der Antriebswelle 1 verbunden
ist, so dass der Exzenter mit der Welle 1 rotiert. Des
Weiteren ist eine konzentrisch um die Welle 1 angeordnete,
sternförmige Halterung 6 gezeigt, die jedoch nicht
mit der Welle 1 rotiert. Zugleich ist die Halterung 6 derart
gelagert, dass ihre Rotationslage veränderbar ist, das
heißt, dass sie gegenüber der Welle 1 und
gegenüber einem nicht dargestellten Gehäuse drehbeweglich
angeordnet ist. Die sternförmige Halterung 6 weist
drei jeweils um 120° rotationssymmetrisch angeordnete Finger 9 auf,
von denen jeder der Aufnahme eines Hebels als Kraftübertragungsglied 4 dient.
Wiederum der Deutlichkeit halber ist nur ein solcher Hebel 4 dargestellt. Während
der Hebel über ein Drehgelenk 5 mit der Halterung 6 und
ferner mit einem Stellelement 7 drehbar verbunden ist,
liegt er mit seinem freien Ende unter Vermittlung einer Gleitrolle 8 am
Exzenter 2 an. Bei einer Drehung des Exzenters 2 um
die Wellenlängsachse A wird der Hebel 4 um das
Maß der Exzentrizität um die Drehachse D des Drehgelenks 5 verschwenkt,
wobei ein am Hebel 4 – ebenfalls unter Vermittlung
einer Gleitrolle 8 – anliegender, axial verschiebbarer
Arbeitskolben 3 hin- und herbewegt wird.
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Die
Umsetzung der Rotationsbewegung der Antriebswelle 1 in
eine translatorische Bewegung des Kolbens 3 erfolgt somit
bei der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe unter
Zwischenschaltung des Exzenters 2 und des Hebels 4.
Die Veränderbarkeit der Rotationslage des Hebels 4 über
die Halterung 6 bietet die Voraussetzung dafür,
dass der Hub des Arbeitskolbens 3 einstellbar ist. Denn
während der Abstand des Hebels 4 zur Wellenlängsachse
A im Bereich des Drehgelenkes 5 konstant ist, vollzieht
das freie Ende des Hebels 4 eine Schwenkbewegung in Abhängigkeit
von der Exzentrizität des Exzenters 2, bei der
sich der Abstand des Hebels 4 zur Wellenlängsachse
vergrößert oder verkleinert. Um dieses Differenzmaß kann
auch der Hub des Arbeitskolbens 3 verändert werden,
indem die Rotationslage der Drehachse D des Drehgelenkes 5 in
Bezug auf die Wellenlängsachse A verändert wird.
Alternativ könnte auch die Kolbenlängsachse K
um die Wellenlängsachse A gedreht werden, da jedoch die
Rotationslage des Kolbens 3 durch das nicht dargestellte
Gehäuse vorgegeben ist, erfolgt die Einstellung über
eine Drehung des Hebels 4 bzw. der Halterung 6 um
die Wellenlängsachse A.
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Des
Weiteren ist ein Stellelement 7 vorgesehen, das im Bereich
des Drehgelenkes 5 mit dem Hebel 4 bzw. der Halterung 6 verbunden
ist. Über das Stellelement 7 kann die Rotationslage
des Hebels 4 in einfacher Weise verändert werden,
indem die Drehachse D des Drehgelenkes 5 verschoben wird. Der
Abstand der Drehachse D zur Wellenlängsachse A bleibt dabei
konstant, ebenso wie die Rotationslage des Arbeitskolbens 3,
es verändert sich jedoch der Winkel, den eine erste Senkrechte
zur Wellenlängsachse A durch die Drehachse D und eine zweite,
zur Kolbenlängsachse K koaxiale Senkrechte umschließen.
Mit zunehmendem Winkelmaß nimmt auch der Hub des Arbeitskolbens 3 zu
bzw. er nimmt bei kleiner werdendem Winkel ab. Fallen beide Senkrechten übereinander,
dann ist der Hub gleich Null.
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Indem
die Hebelaußenseite, an welcher der Arbeitskolben 3 unter
Vermittlung der Gleitrolle 8 anliegt, als stufenlose Steuerkurve
ausgebildet ist, erfolgt auch die Einstellung des Kolbenhubes stufenlos.
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Die
Vorteile einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe
sind insbesondere darin zu sehen, dass sie einfach aufgebaut ist,
wenig Bauraum beansprucht und zudem geräusch- und verschleißarm
betrieben werden kann. Eine solche Pumpe weist zudem eine hohe Lebensdauer
auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10148222
A1 [0002]
- - DE 10229398 A1 [0004]