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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung
bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere
bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse
gelagerten Antriebswelle, die mindestens einen bezüglich
der Antriebswelle radial in einer jeweiligen Elementbohrung angeordnete
Kolben abstützen, die durch Drehen der Antriebswelle in
der jeweiligen Elementbohrung in radialer Richtung hin und her bewegbar
sind, mit je einem zwischen den Kolben und der Antriebswelle angeordneten
und im Pumpengehäuse geführten Rollenstößel.
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Eine
solche Radialkolbenpumpe ist zum Beispiel aus der
DE 103 56 262 A1 bekannt.
Bei dieser Radialkolbenpumpe begrenzen die Stößel
und das Pumpengehäuse je einen Stößelraum
innerhalb dessen sich unter anderem je eine Feder befindet, welche
den Stößel in Anlage mit der Antriebswelle oder Nockenwelle
hält. Da die Stößel die oszillierende
Bewegung der Kolben der Radialkolbenpumpe mitmachen, ändert
sich das Volumen der Stößelräume periodisch.
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Um
die Reibung zwischen Stößel und Antriebswelle
zu minimieren, ist eine Rolle gleitend in dem Stößel
gelagert, wobei sich die Rolle auf den Nocken der Antriebswelle
abwälzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine solche Radialkolbenpumpe
hinsichtlich Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Verschleiß weiter
zu verbessern, ohne die Herstellungskosten wesentlich zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Radialkolbenpumpe
zur Kraftstoffhochdruckerzeugung, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem,
mit einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Antriebswelle
mit mindestens einem bezüglich der Antriebswelle radial
in jeweils einer Elementbohrung angeordneten Kolben, wobei der mindestens
eine Kolben durch Drehen der Antriebswelle in der Elementbohrung
in radialer Richtung hin- und herbewegbar ist, mit einem zwischen
dem Kolben und der Antriebswelle angeordneten und im Pumpengehäuse
geführten Stößel, wobei an einem der Antriebswelle
zugewandten Ende des Stößels eine Vertiefung zur
Aufnahme einer Rolle vorgesehen ist und die Rolle durch an seitlichen
Stirnseiten der Rolle ausgestaltete Wölbungen in einem
Führungskörper geführt wird, dadurch
gelöst, dass der Führungskörper entlang
einer Mittelachse der Rolle eine Bohrung aufweist.
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Dadurch,
dass sich die Rolle auf der Antriebswelle abrollt, dreht sich die
Rolle relativ zu dem Führungskörper. Die Wölbungen
an den seitlichen Stirnseiten der Rolle dienen zur Verringerung
des Verschleißes an der Kontaktstelle von Rolle und Führungskörper,
da nur in einem Zentrum der Wölbung Reibung auftreten kann.
Darüber hinaus wird mit jeder Hubbewegung des Stößels
beim Betrieb der Radialkolbenpumpe Kraftstoff an die Kontaktflächen zwischen
Stößel und Rolle gefördert. Dadurch bildet sich
ein kühlender Schmierstoffstrom aus, der die tribologischen
Bedingungen von Rolle, Stößel, Führungskörper
und Führungsbohrung zusätzlich verbessert. Die
noch auftretenden tribologischen Effekte können jedoch
trotzdem einen Verschleiß, insbesondere an den Wölbungen
der Rolle und an dem Führungskörper hervorrufen.
Die dadurch erzeugte Spanbildung kann im Innern der Radialkolbenpumpe zu
Beeinträchtigungen der Funktion der Radialkolbenpumpe führen.
Die erfindungsgemäße Bohrung zur Führung
der Rolle im Führungskörper bewirkt, dass die
Kontaktfläche zwischen Rolle und Führungskörper
vergrößert wird. In Folge dessen sinkt die Hertz'sche
Pressung (Spannungsverteilung) und die Spanbildung wird reduziert.
Dies verbessert die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der
Radialkolbenpumpe. Die Herstellungskosten sind sehr gering, insbesondere
auch dadurch, dass keine Veränderungen an weiteren Bauteilen
vorgenommen werden müssen.
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Ergänzend
dazu wird vorgeschlagen, dass die Bohrung zylindrisch oder konisch
ausgeführt ist. Wenn die Bohrung im Bereich der Kontaktfläche
konisch ausgeführt ist und der Kegelwinkel so gewählt wird,
dass die konische Bohrung die Stirnseite der Führungsrolle
tangential berührt, dann ergeben sich besonders günstige
tribologische Verhältnisse.
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Im
weiterer Ergänzung wird vorgeschlagen, dass der Führungskörper
eine Nut aufweist, die bevorzugt keilförmig ausgebildet
ist und in der Bohrung endet. Der gesamte Innenraum des Antriebs
der Radialkolbenpumpe ist bekanntermaßen von Kraftstoff durchströmt.
Die keilförmige Nut in Verbindung hat, insbesondere in
Verbindung mit der konischen Ausgestaltung der Bohrung, den Vorteil,
dass die Stirnseiten der Rolle im Führungskörper
und/oder die Führung des Führungskörpers
in einer Führungsbohrung besser geschmiert und gekühlt
werden kann. Durch die oszillierende Bewegung des Stößels
wird Kraftstoff gezielt zu den genannten Orten gefördert, was
sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit
der Radialkolbenpumpe auswirkt.
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Möglich
ist auch, dass die Vertiefung mindestens eine Nut aufweist, wobei
die Nut bevorzugt keilförmig ausgebildet ist und im Wesentlichen
senkrecht zur Mittelachse der Rolle verläuft. Die Nut ist
bevorzugt in einem mittleren Bereich der Vertiefung angeordnet,
wobei sich der Keil zu der der Antriebswelle zugesandten Seite öffnet.
Auch hier wirkt die oben beschriebene gezielte Anströmung
bzw. Pumpwirkung von Kraftstoff und verbessert dadurch die Schmierung
und Kühlung der gesamten Oberfläche der Rolle.
Die keilförmige Ausgestaltung der Nut unterstützt
den Effekt, indem der schmierende und kühlende Kraftstoff
während der Drehung der Rolle dadurch besser über
die Oberfläche der Rolle verteilt wird.
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In
einer weiteren Ergänzung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass im Pumpengehäuse mindestens eine Verbindungsbohrung
vorgesehen ist, und dass die mindestens eine Verbindungsbohrung
zwei Stößelräume hydraulische miteinander verbindet.
Dadurch ist es möglich, das ”Fördervolumen”,
des von den Stößeln aus einem Triebwerksraum in
die Stößelräume und zurück geförderten Kraftstoffs
zu begrenzen. Durch eine geeignete Abstimmung des Strömungswiderstands
der Verbindungsbohrung kann die durch die geförderte Kraftstoffmenge
auf das notwendige Maß beschränkt werden, so dass
die Pumparbeit der Stößel reduziert wird. Bei
dieser Variante ist es lediglich erforderlich, eine Verbindungsbohrung
zusätzlich in das Pumpengehäuse anzubringen, so
dass zwei benachbarte Stößelräume, hydraulisch
miteinander verbunden sind. Diese Maßnahme kann bisweilen
auch an bereits in Serie gefertigten Pumpengehäusen vorgenommen
werden, so dass eine Nachrüstung bereits in Serie befindlicher
Radialkolbenpumpen mit der erfindungsgemäßen hydraulischen
Verbindungsbohrung in manchen Fällen möglich ist.
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Zusätzlich
ist es auch möglich, in die hydraulische Verbindung eine
Schmierstoffversorgung münden zu lassen, so dass immer
frischer und kühler Kraftstoff an die tribologisch kritische
Kontaktstelle zwischen Rolle und Führungskörper
gefördert wird.
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Alternativ
können auch zwei Stößelräume durch
eine externe Verbindungsleitung hydraulisch verbunden werden. Diese
Variante empfiehlt sich dann, wenn aus konstruktiven oder sonstigen
Gründen eine Verbindungsbohrung im Pumpengehäuse nicht
untergebracht werden kann.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe
kann weiter verbessert werden, wenn die ohnehin vorhandene Versorgung
der Antriebswelle mit Kraftstoff zur Kühlung und Schmierung
in die hydraulische Verbindung zwischen zwei Stößelräumen
mündet, da in diesem Fall eine definierte Menge von Schmierstoff
zu Schmier- und Kühlzwecken den Stößeln
und den Stößelräumen zugeführt
werden kann. Dadurch steigt die Belastbarkeit der erfindungsgemäßen
Radialkolbenpumpe, ohne zusätzlichen Herstellungs- oder
Fertigungsaufwand.
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Bei
der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe kann die
Antriebswelle als Nockenwelle oder als Exzenterwelle ausgebildet
sein. Ebenso ist es möglich, die Stößel
mit einer Rolle zu versehen, welche auf der Nockenwelle abrollen,
so dass die Reibungskräfte zwischen Stößel
und Nockenwelle reduziert werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen
beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln
für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich
sein.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Radialkolbenpumpe;
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2 eine vergrößerte Darstellung
eines erfindungsgemäßen Rollenstößels;
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3 eine
vergrößerte Darstellung einer Vertiefung zur Aufnahme
einer Rolle in der Radialkolbenpumpe von 1 oder 2; und
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4 eine
alternative Ausgestaltung einer Bohrung aus 2.
oder 3.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 zeigt
schematisch eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung
bei Kraftstoffeinspritzsystemen, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen,
von Brennkraftmaschinen im Schnitt. Die in 1 dargestellte Radialkolbenpumpe
ist mit einer integrierten Bedarfsmengenregelung ausgestattet. Die
Fördermengenregelung erfolgt niederdruckseitig über
eine Zumesseinheit ZME.
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Die
in 1 gezeigte Radialkolbenpumpe umfasst eine in einem
Pumpengehäuse 1 gelagerte Antriebswelle 2 mit
zwei um 180° versetzt abgeordneten Nocken 36.
Gegen die Nocken 36 stützen sich zwei Kolben 8 ab.
Die Kolben 8 sind jeweils in einer Elementbohrung 11 in
radialer Richtung hin und her bewegbar aufgenommen. Die Kolben 8 sind
in einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet und
begrenzen an ihrem der Antriebswelle 2 abgewandten Ende
einen Förderraum (nicht dargestellt).
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An
dem zu der Antriebswelle 2 hin gerichteten Ende der Kolben 8 stützen
sich die Kolben 8 gegen einen Boden 20 eines Stößels 23 ab.
Um die Kraftübertragung zwischen Kolben 8 und
Boden 20 des Stößels 23 zu verbessern,
ist am Kolben 8 ein Teller 14 vorgesehen. Diese
Teller 14 können entweder einstückig
mit dem Kolben 8 oder abnehmbar daran befestigt sein. Gegen
den Teller 14 ist eine Feder 18 vorgespannt. Die
Federn 18 drücken die Kolben 8 gegen
die Böden 20 der Stößel 23.
Von den Böden 20 der Stößel 23 erstreckt
sich ein zylinderförmiger Führungskörper 26 in
Richtung der nicht dargestellten Förderräume.
Die Führungskörper 26 sind Teil der Stößel 23 und
verhindern ein Kippen der Stößel 23 in
einer Führungsbohrung 29. Die Stößel 23 sind in
dem Pumpengehäuse 1 verschiebbar.
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In
den Böden 20 der Stößel 23 ist
eine halbrunde Vertiefung 27 vorhanden, die zur Lagerung
einer Rolle 28 dient. Die Vertiefung 27 und die
Rolle 28 bilden ein Gleitlager, während sich die
Rolle 28 auf der Nocke 36 der Antriebswelle 2 abwälzt.
In seitlicher Richtung wird die Rolle 28 durch den Führungskörper 26 fixiert.
Dabei findet eine Relativbewegung zwischen den Stirnseiten der Rolle 28 und
dem Führungskörper 26 statt, die Verschleiß verursachen kann.
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Die
in 1 dargestellte Radialkolbenpumpe dient dazu, Kraftstoff,
der von einer Vorförderpumpe aus einem Tank geliefert wird,
mit Hochdruck zu beaufschlagen. Im Förderhub werden die
Kolben 8 infolge der Exzenterbewegung der Nocken 36 der Antriebswelle 2 von
der Drehachse der Antriebswelle Nockenwelle 2 wegbewegt.
In einem Saughub bewegen sich die Kolben 8 radial auf die
Achse der Nockenwelle 2 zu, um Kraftstoff in den nicht
dargestellten Förderraum zu saugen.
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Wenn
nun der Stößel 23 von den Nocken 36 der
Antriebswelle angetrieben wird, führt er eine oszillierende
Bewegung aus, die in 2a durch einen Doppelpfeil 34 angedeutet
ist. Da sich sowohl in den Stößelräumen 32 und 33 als
auch in einem Triebwerksraum 35 Kraftstoff befindet, führt
die oszillierende Bewegung des Stößels 23 dazu,
dass Kraftstoff von dem Triebwerksraum 35 in die Stößelräume 32 und 33 gefördert
wird, wenn der Kolben sich in 2a von
oben nach unten bewegt. Sobald der Stößel 23 sich
von unten nach oben bewegt, wird die Strömungsrichtung
umgekehrt und es wird Kraftstoff aus den Stößelräumen 32, 33 in
den Triebwerksraum 35 gefördert.
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In 2a)
ist der Stößel 23 im Längsschnitt und
in 2b) in einer Seitenansicht dargestellt. Aus dem
Längsschnitt (2a) ist gut zu erkennen, dass bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Boden 20 in
den Führungskörper 26 eingesetzt wird. Um
eine formschlüssige Verbindung zwischen Boden 20 und
Führungskörper 26 herzustellen, kann
ein Seeger-Ring 30 vorgesehen werden.
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Wie
man dem Längsschnitt weiter entnehmen kann, weist die Rolle 28 an
ihren Stirnseiten Wölbungen 56 auf. Weil sich
die Rolle 28 während der oszillierenden Bewegung
des Stößels 23 auf den Nocken 36 abwälzt,
drehen sich die Stirnseiten der Rolle 28 auf der Innenseite
des Führungskörpers 26. Um den dabei
entstehenden Verschleiß zu verringern, ist erfindungsgemäß im
Bereich einer Mittelachse 58 der Rolle 28 auf
beiden Seiten der Rolle 28 eine Bohrung 60 im
Führungskörper 26 vorgesehen, die mit
den Wölbungen 56 zusammenwirken und eine Lagerung
für die Rolle 28 bildet. Durch die Bohrung 60 wird
die Kontaktfläche zwischen der Rolle 28 und dem
Führungskörper 26 vergrößert,
so dass die Hertz'sche Pressung (Spannungsverteilung) und der Verschleiß abnehmen.
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3 zeigt
den Führungskörper 26 ohne Rolle 28,
d. h. 3 zeigt eine direkte Sicht in die Vertiefung 27.
Die Vertiefung 27 weist in der Mitte eine keilförmige
Nut 62 auf, die sich zur Mittelachse 60 hin öffnet
und auch dort endet. Weiterhin weist eine Wandung des Führungskörpers 27 an
einer Außenseite – also zur Führungsbohrung 29 hin – ebenfalls
eine keilförmige Nut 64 auf, deren Öffnungen
in den Bohrungen 64 enden. Der Bereich um die Bohrung 60 ist
mit dem Bezugszeichen 66 gekennzeichnet.
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4 zeigt
den Ausschnitt 66 aus 3 in einer
alternativen Ausgestaltung. Durch eine konische Ausgestaltung der
Bohrung 60 ist die Kontaktfläche zwischen der
Rolle 28 und der Bohrung 60 vergrößert,
so dass die auftretende Spannungsverteilung und damit auch der Verschleiß weiter
reduziert wird.
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Die
unter 1 beschriebene Strömungsbewegungen des
Kraftstoffs zwischen dem Triebwerksraum 35 und den Stößelräumen 32 und 33 wird
durch die Nuten 62 und 64 ausgenutzt, indem dadurch Kraftstoff
gezielt an die Kontaktstelle zwischen der Rolle 28 und
der Vertiefung 27 (Nut 62) und dem Führungskörper 26 und
der Führungsbohrung 29 (Nuten 64) gefördert
wird. Außerdem schmieren und kühlen die Nuten 64 die
Wölbungen 56 der Rolle 28 in dem Führungskörper 26.
Dies führt zu einer starken Reduktion des Verschleißes,
da die tribologisch kritischen Stellen ausreichend mit Kraftstoff
geschmiert werden. Des Weiteren werden, falls doch Verschleiß auftritt,
die dabei entstehenden Partikel sofort aus dem Kontaktbereich zwischen
Rolle 28 und Führungskörper 26 herausgespült,
so dass sie dort keinen weiteren Schaden anrichten.
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Außerdem
werden die Dissipationsverluste, die beim Pumpen von Kraftstoff
von den Stößelräumen 32, 33 in
dem Triebwerksraum 35 und zurück entstehen, deutlich
reduziert, so dass sich der Pumpenwirkungsgrad verbessert und der
Kraftstoff nicht so stark aufgeheizt wird.
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Wegen
des Winkels von 90° zwischen den Kolben 8 und 9 finden
die Volumenänderungen in den Stößelräumen 32 und 33 um
90° phasenverschoben statt. Diese Phasenverschiebung kann
ausgenützt werden, indem eine Verbindungsbohrung 37 zwischen
den Stößelräumen 32 und 33 vorgesehen wird,
so dass immer dann, wenn sich das Volumen eines Stößelraumes
verringert, der in diesem Stößelraum befindliche
Kraftstoffteilweise in den benachbarten Stößelraum
ausgeschoben wird, dessen Volumen zur gleichen Zeit zunimmt. Der
Teil des Kraftstoffs kann dabei durch die Nut 62 bzw. die
Nuten 64 fließen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel findet die Schmierung der Nockenwelle 2 und
deren Lagerung (nicht dargestellt) über eine Schmierstoffversorgung 38 mit
einer Drossel 39 statt, die direkt mit Kraftstoff aus dem
nicht dargestellten Kraftstofftank der Brennkraftmaschine über
eine Versorgungsleitung 40 gespeist wird. Von der Versorgungsleitung 40 zweigt eine
Leitung 43 ab, welche die Zumesseinheit ZME der Radialkolbenpumpe
mit Kraftstoff versorgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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