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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Hochdruckpumpen
werden beispielsweise in Common-Rail-Systemen von Kraftfahrzeugen
dazu eingesetzt, einem Hochdruckspeicher bei allen Betriebsbedingungen
unter Hochdruck stehenden Kraftstoff bereitzustellen bzw. zuzuführen. Dabei
verfügen derartige
Diesel-Hochdruckpumpen in der Regel entweder Exzenterantriebe oder
aber Nockenantriebe. Der Vorteil von nockengetriebenen Hochdruckpumpen
liegt darin, dass hierbei die Möglichkeit
besteht, für
eine gewünschte
Applikation ein daran angepasstes Nockenprofil, welches den Kolbenhub über einen Drehwinkel
der Antriebswelle bzw. der Nockenwelle darstellt, zu entwerfen.
Beispielsweise kann über
ein asymmetrisches Nockenprofil eine langsame Förderphase und eine schnelle
Saugphase der Hochdruckpumpe realisiert werden, wodurch ein Vorteil
durch das hierdurch bewirkte niedrige maximale Antriebsmoment erzielt
wird, welches der Motor zum Antrieb der Hochdruckpumpe aufbringen
muss.
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Um
jedoch die Teilevielfalt bei der Herstellung zu reduzieren, wurden
im Stand der Technik im Wesentlichen symmetrische Nockenkonturen
entwickelt, die in der Saug- und Förderphase den gleichen Hubverlauf
aufweisen. Eine derartig ausgelegte Nockenkontur ist damit auch
sowohl für
den Rechts- als auch für
den Linkslauf einsetzbar.
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Obwohl
die symmetrisch ausgelegten Nockenkonturen den oben beschriebenen
Vorteil aufweisen, dass die Teilevielfalt gering gehalten wird, haben
sie jedoch den Nachteil, dass die prinzipiellen Unterschiede, die
sich für
die Saugphase und die Förderphase
der Hochdruckpumpe ergeben, nicht berücksichtigt bzw. einbezogen
werden.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Hochdruckpumpen wurden darüber hinaus
die für ihre
Antriebswellen eingesetzten Nocken bezüglich ihrer Nockenkontur auch
lediglich hinsichtlich der Förderphase
optimiert. Die hieraus resultierenden Nockenkonturen ergaben jedoch
ungünstige
Eigenschaften für
das Füllverhalten
des Elementraums bzw. des Pumpenarbeitsraums der Hochdruckpumpe in
der Saugphase.
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Daher
ist es notwendig, eine Hochdruckpumpe für Kraftstoffeinspritzeinrichtungen
und insbesondere für
Common-Rail-Systeme bereitzustellen, welche eine Nockenkontur aufweist,
welche auch hinsichtlich der Saugphase optimiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß, wird
eine Hochdruckpumpe für
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere
für ein
Common-Rail-Einspritzsystem,
vorgesehen, welche ein Nockentriebwerk aufweist, bei welchem die
Drehbewegung einer Nockenwelle über
zumindest einen Nocken in eine Hubbewegung eines Pumpenkolbens der
Hochdruckpumpe umgesetzt wird, wobei eine Nockenkontur des Nockens
ausgelegt ist, so dass in einer Saugphase der Hochdruckpumpe in
einem Bereich von einem oberen Totpunkt bis zu einem unteren Totpunkt,
in welcher Kraftstoff in einen Pumpenarbeitsraum angesaugt wird,
der Kolbenhub des Pumpenkolbens als Funktion des Nockendrehwinkels
einem sinusförmigen
Verlauf folgt. Durch die sinusförmige
Auslegung der Nockenkontur wird das Füllverhalten des Elementraums
bzw. des Pumpenarbeitsraums der Hochdruckpumpe in der Saugphase
verbessert und starke Variationen der Kraftstofffördermenge
als Funktion der Drehzahl werden reduziert. Weiterhin wird der Bereich
im Druckabbau nach dem oberen Totpunkt des Nockens verbessert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
der zumindest eine Nocken eine asymmetrische Nockenkontur auf. Dies
ermöglicht
eine Anpassung an spezielle Anforderungen, beispielsweise bezüglich der
Saugphase und der Förderphase.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
entspricht der sinusförmige
Verlauf in der Saugphase einer fallenden Flanke einer Sinusfunktion,
welche an einem oberen Totpunkt des Nockens beginnt und an einem
unteren Totpunkt des Nockens endet. Durch den „Halbsinusnocken” mit z.
B. 2 × 6 mm
Hub gemäß der Ausführungsform
können
deutliche Förderzuwächse im
Vergleich zu herkömmlichen Nocken
mit z. B. 2 × 6
mm Hub erzielt werden. Die Förderrate
steigt beispielsweise von 160 l/h beim Einsatz eines herkömmlichen
Nockens auf 178 l/h an, wenn der „Halbsinusnocken” gemäß der Ausführungsform
eingesetzt wird. Darüber
hinaus lassen sich hierdurch Fördermengenschwankungen über der
Drehzahl beispielsweise einer Zweistempelpumpe reduzieren und das
Abspringverhalten der Stößelbaugruppe
der Hochdruckpumpe wird in der Saugphase verbessert. Eine Korrektur
bzw. Kompensation von Fordermengenschwankungen über der Drehzahl und reduzierten
Förderraten
durch eine Erhöhung des
Kolbenhubs ist nicht mehr notwendig, was die Dauerhaltbarkeit der
Hochdruckpumpe verbessert. Insbesondere werden durch die oben beschriebene Konfiguration
eine hohe Belastung der Stößelfeder, ein
hohes Antriebsmoment der Hochdruckpumpe und hohe Umpumpverluste,
was zu einem Mehrverbrauch der Hochdruckpumpe führt, vermieden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die fallende Flanke aus einer Summe von harmonischen Funktionen
gebildet ist. Bei Bilden der fallenden Flanke des Nockenprofils
aus einer Summe von harmonischen Funktionen wird die Leistung der
Hochdruckpumpe weiter optimiert. Insbesondere werden die Abhebeeigenschaften
des Stößelkörpers der
Hochdruckpumpe verbessert und je nach Beschleunigungsverlauf der
steigenden Flanke in der Förderphase
werden größere Beschleunigungsstufen
im Übergangsbereich
zur Saugphase vermieden. Insbesondere werden durch diese Ausgestaltung
der Geschwindigkeits- und Be schleunigungsverlauf des Pumpenkolbens
sowie die Hertz'sche
Pressung verbessert.
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Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
entspricht der sinusförmige
Verlauf in der Saugphase an dem oberen Totpunkt des Nockens einem
maximalen Förderhub
des Pumpenkolbens. Durch diese Konfiguration wird die Saugphase weiter
optimiert, wobei der Verlauf bzw. die Nockenkontur der vor der Saugphase
stattfindenden Förderphase
unerheblich ist und einer bereits optimierten Nockenkontur folgen
kann. Der Sinusverlauf zeichnet sich durch einen langsamen und harmonischen
Abfall bzw. Anstieg bezüglich
des Kolbenhubs, der Kolbengeschwindigkeit und der Kolbenbeschleunigung nach
bzw. vor den Totpunkten aus. Die hohe Kolbengeschwindigkeit im Mittelbereich
der Förderphase war
bisher der Grund für
hohe Antriebsmomente der Hochdruckpumpe und war bei den bisher an
die Hochdruckpumpen im Stand der Technik gestellten Anforderungen
nicht durchsetzbar. Durch den langsamen, harmonischen Abfall nach
dem oberen Totpunkt werden jedoch eine verbesserte Saugphase und
geringere negative Drehmomente beim Druckaufbau erreicht. Durch
die langsame Annäherung
an den unteren Totpunkt kann das Saugventil der Hochdruckpumpe früher mit
seinem Schließvorgang
beginnen und Förderverluste
durch ein spätes
Schließen
des Saugventils werden deutlich reduziert.
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Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
entspricht der sinusförmige
Verlauf in der Saugphase an dem unteren Totpunkt des Nockens einem
minimalen Förderhub
des Pumpenkolbens.
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Vorzugsweise
ist die Nockenkontur ausgelegt, so dass in der Saugphase der Hochdruckpumpe die
Kolbengeschwindigkeit des eine Abwärtsbewegung ausführenden
Pumpenkolbens als Funktion des Nockendrehwinkels einem sinusförmigen Verlauf folgt.
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Vorzugsweise
ist die Nockenkontur ausgelegt, sodass in einer Förderphase
der Hochdruckpumpe, in welcher der Kraftstoff in dem Pumpenarbeitsraum
komprimiert und einem Förderventil
zugeführt
wird, eine Beschleunigung des Pumpenkolbens als Funktion des Nockendrehwinkels
einem Verlauf folgt, der sich aus sinusförmigen, linearen, tangentialen
oder bogenförmigen
Abschnitten zusammensetzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
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1 einen
Schnitt durch eine Hochdruckpumpe gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein
Diagramm, welches die Förderrate in
Abhängigkeit
von der Drehzahl eines Nockens gemäß dem Stand der Technik und
eines Nockens gemäß einer
Ausführungsform
darstellt;
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3 ein
Diagramm des Verlaufs des Kolbenhubs in Abhängigkeit von dem Nockendrehwinkel;
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4 ein
Diagramm des Verlaufs der Kolbengeschwindigkeit in Abhängigkeit
von dem Nockendrehwinkel; und
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5 ein
Diagramm des Verlaufs der Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit
von dem Nockendrehwinkel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
ein Schnitt durch eine Hochdruckpumpe 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer
Brennkraftmaschine dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik
bekannt ist. Die Hochdruckpumpe 1 weist ein mehrteiliges
Pumpengehäuse 2 auf,
in welchem eine durch die Brennkraftmaschine rotierend angetriebene
Antriebswelle bzw. Nockenwelle 3 angeordnet ist. Die Nockenwelle 3 ist
beispielsweise über
zwei in Richtung der Drehachse 4 der Nockenwelle 3 voneinander
beabstandeten Lagerstellen drehbar gelagert. Die Lagerstellen können in
verschiedenen Teilen des Pumpengehäuses 2 angeordnet
sein, beispielsweise kann eine erste Lagerstelle in einem Grundkörper 5 des
Pumpengehäuses 2 und
eine zweite Lagerstelle in einem mit dem Grundkörper 5 verbundenen
Flanschteil 6 angeordnet sein.
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In
einem zwischen den Lagerstellen liegenden Bereich weist die Nockenwelle 3 einen
Nocken 7 auf, welcher auch als Mehrfachnocken ausgebildet sein
kann. Die Hochdruckpumpe 1 weist wenigstens ein oder mehrere
im Gehäuse 2 angeordnete
Pumpenelemente 8 mit jeweils einem Pumpenkolben 9 auf,
der durch den Nocken 7 der Nockenwelle 3 in einer
Hubbewegung in zumindest annähernd
radialer Richtung zur Drehachse 4 der Nockenwelle 3 angetrieben
wird. Bei Drehung des Nockens 7 wird der Pumpenkolben 9 in
eine Hin- und Her- bzw. Aufwärts- und
Abwärts-Bewegung
versetzt. Hierdurch ergibt sich eine zyklische Veränderung
des Volumens eines von dem Pumpenkolben 9 begrenzten Pumpenarbeitsraums 14.
Im Bereich eines jeden Pumpenelements 8 ist ein mit dem
Grundkörper 5 verbundenes Pumpengehäuseteil 10 vorgesehen,
das als Zylinderkopf ausgebildet ist. Das Pumpengehäuseteil 10 weist
einen an einer Außenseite
des Grundkörpers 5 anliegenden
Flansch 11 und einen durch eine Öffnung im Grundkörper 5 zur
Nockenwelle 3 hin durchragenden, zumindest annähernd zylinderförmigen Ansatz 12 mit
gegenüber
dem Flansch 11 kleinerem Durchmesser auf. Der Pumpenkolben 9 ist
in einer im Ansatz 12 ausgebildeten Zylinderbohrung 13 im Pumpengehäuseteil 10 dicht
verschiebbar geführt und
begrenzt mit seiner der Nockenwelle 3 abgewandten Stirnseite
in der Zylinderbohrung 13 den Pumpenarbeitsraum 14.
Die Zylinderbohrung 13 kann sich bis in den Flansch 11 hinein
erstrecken, in dem dann der Pumpenarbeitsraum 14 angeordnet ist.
Der Pumpenarbeitsraum 14 weist über einen im Pumpengehäuse 2 verlaufenden
Kraftstoffzulaufkanal 15 eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf, beispielsweise
einer Förderpumpe
(nicht dargestellt), auf. An der Mündung des Kraftstoffzulaufkanals 15 in den
Pumpenarbeitsraum 14 ist ein in den Pumpenarbeitsraum 14 öffnendes
Einlassventil 16 angeordnet. Der Pumpenarbeitsraum 14 weist
außerdem über einen
im Pumpengehäuse 2 verlaufenden
Kraftstoffauslasskanal 17 eine Verbindung mit einem Auslass auf,
der beispielsweise mit einem Hochdruckspeicher 18 verbunden
ist. Mit dem Hochdruckspeicher 18 sind ein oder mehrere
an Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren 19 verbunden, durch
die Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. An der Mündung
des Kraftstoffauslasskanals 17 in den Pumpenarbeitsraum 14 ist
ein aus dem Pumpenarbeitsraum 14 öffnendes Auslassventil bzw.
Förderventil 20 angeordnet.
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Beim
Saughub des Pumpenkolbens 9 bzw. in der Saugphase, bei
dem sich der Pumpenkolben 9 radial nach innen bewegt, wird
der Pumpenarbeitsraum 14 durch den Kraftstoffzulaufkanal 15 bei
geöffnetem
Einlassventil 16, welches als Saugventil wirkt, mit Kraftstoff
befüllt,
wobei das Förderventil 20 geschlossen
ist. Beim Förderhub
des Pumpenkolbens 9 bzw. in der Förderphase, bei dem sich der
Pumpenkolben 9 radial nach außen bewegt, wird durch den Pumpenkolben 9 Kraftstoff
unter Hochdruck durch den Kraftstoffauslasskanal 17 bei
geöffnetem
Förderventil 20 zum
Hochdruckspeicher 18 gefördert, wobei das Einlassventil 16 geschlossen
ist.
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Zwischen
dem Pumpenkolben 9 und dem Nocken 7 der Nockenwelle 3 ist
ein Stößel 21 angeordnet, über den
sich der Pumpenkolben 9 zumindest mittelbar am Nocken 7 der
Nockenwelle 3 abstützt. Der
Stößel 21 ist
hohlzylinderförmig
mit rundem Außenquerschnitt
ausgebildet und ist in einer Bohrung 22 des Grundkörpers 5 des
Pumpengehäuses 2 in Richtung
der Längsachse 23 des
Pumpenkolbens 20 verschiebbar geführt. Die Längsachse des Stößels 21 ist
somit zumindest im Wesentlichen identisch mit der Längsachse 23 des
Pumpenkolbens 9. Im Stößel 21 ist
in dessen der Nockenwelle 3 zugewandtem Endbereich ein
Stützelement 24 eingesetzt,
in dem eine Rolle 25 drehbar gelagert ist, die auf dem
Nocken 7 der Nockenwelle 3 abrollt. Die Drehachse 26 der
Rolle 25 ist zumindest annähernd parallel zur Drehachse 4 der
Nockenwelle 3. Das Stützelement 24 weist
auf seiner der Nockenwelle 3 zugewandten Seite eine Vertiefung 27 auf,
in der die Rolle 25 drehbar gelagert ist. Das Stützelement 24 und
der Stößel 21 können auch
einstückig
ausgebildet sein.
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Am
Stößel 21 oder
am Pumpenkolben 9 greift eine vorgespannte Feder 28,
welche als Rückstellfeder
ausgebildet ist, an, die sich am Pumpengehäuseteil 10 abstützt. Durch
die Feder 28 werden der Pumpenkolben 9 und der
Stößel 21 zum
Nocken 7 der Nockenwelle 3 hin beaufschlagt, so
dass die Anlage der Rolle 25 am Nocken 7 auch
beim zur Nockenwelle 3 hin gerichteten Saughub des Pumpenkolbens 9 und
auch bei hoher Drehzahl der Nockenwelle 3 sichergestellt
ist. Der Pumpenkolben 9 kann mit dem Stößel 21 gekoppelt sein,
zumindest in Richtung von dessen Längsachse 23. Alternativ
kann der Pumpenkolben 9 auch nicht mit dem Stößel 21 verbunden
sein, wobei dann durch die Rückstellfeder 28 die
Anlage des Pumpenkolbens 9 am Stößel 21 sichergestellt
wird. Es kann vor gesehen sein, dass die Rückstellfeder 28 beispielsweise über einen
Federteller 29 an einem im Durchmesser vergrößerten Kolbenfuß des Pumpenkolbens 9 angreift,
der dadurch in Anlage an einem am Stößel 21 von dessen
Mantel nach innen ragenden Flansch gehalten wird, der wiederum in
Anlage am Stützelement 24 gehalten
wird, so dass der gesamte Verbund aus Pumpenkolben 9, Stößel 21 und
Stützelement 24 mit
Rolle 25 zum Nocken 7 der Nockenwelle 3 hin
beaufschlagt ist.
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In
Richtung der Drehachse 26 ist seitlich neben der Rolle 25 für diese
eine Abstützung 30 angeordnet,
durch die verhindert wird, dass sich die Rolle 25 in Richtung
ihrer Drehachse 26 aus dem Stützelement 24 herausbewegt.
Die Rolle 25 kann an ihren der Abstützung 30 zugewandten
Seitenflächen
konvex gewölbt
ausgebildet sein, beispielsweise zumindest annähernd kugelförmig gewölbt. Die
den Seitenflächen
der Rolle 25 zugewandte Fläche der Abstützung 30 kann
zumindest annähernd
eben oder gewölbt
ausgebildet sein. Die Abstützung 30 kann
als ein die Rolle 25 umgebender Ring ausgebildet sein oder
nur seitlich neben den Seitenflächen
der Rolle 25 angeordnet sein.
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2 zeigt
ein Diagramm, welches die Förderrate
einer Hochdruckpumpe 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl eines
Nockens 7 einerseits gemäß dem Stand der Technik und
eines weiteren Nockens 7 andererseits gemäß einer
Ausführungsform
darstellt, welche gemäß einer
Simulation ermittelt wird. Die Simulation der Förderraten bzw. der Vergleich
der Förderraten
wurde auf der Basis der Bedingungen eines Drucks von 1800 bar und
einer Temperatur von 40°C durchgeführt. Weiterhin
wurde einerseits eine Radialkolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik mit
einem herkömmlichen
Nocken 7 mit 2 × 6
mm Hub mit einer Radialkolbenpumpe mit einem Nocken 7 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verglichen, welcher bezüglich der Saugphase eine Nockenkontur
aufweist, die einem sinusförmigen
Verlauf folgt. Der Nocken 7 gemäß der Ausführungsform wird im Folgenden
als Halbsinusnocken bezeichnet. Wie aus dem Diagramm erkannt werden
kann, steigt gemäß der Simulation
die Förderrate
von 160 l/h, welche durch den herkömmlichen Nocken 7 erzielt wird,
auf 178 l/h für
den Halbsinusnocken bei einer Drehzahl von ca. 5000 rpm an.
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3 zeigt
ein Diagramm des Verlaufs des Kolbenhubs in Abhängigkeit von dem Nockendrehwinkel.
Dabei ist in der linken Hälfte
des Diagramms die Förderphase über einen
Nockendrehwinkelbereich von 0° bis
90° gezeigt,
in welchem die Kurve aus linearen, sinusförmigen, tangentialen oder bogenförmigen Beschleunigungsbereichen
zusammengesetzt ist. Wichtig ist jedoch, dass in der Saugphase die
Nockenkontur in einem Nockendrehwinkelbereich von 90° bis 180° einem sinusförmigen Verlauf folgt.
Beginnend am durch Bezugszeichen 31 gekennzeichneten oberen
Totpunkt des Nockens 7 bei einem Nockendrehwinkel von 90° fällt der
Kolbenhub harmonisch ab, bis er sich bei einem Nockendrehwinkel
von 180° an
dem unteren Totpunkt des Nockens 7, welcher durch Bezugszeichen 32 gekennzeichnet ist,
an Null annähert.
Durch den langsamen, harmonischen Abfall im Beginn der Flanke nach
Durchlaufen des oberen Totpunkts 31 und eine anschließende schnelle
Saugphase werden u. a. eine verbesserte Saugphase und geringere
negative Drehmomente beim Druckabbau erreicht.
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Die
fallende Flanke 33 der Nockenkontur kann auch aus einer
nicht reinen Sinusfunktion gebildet werden, wobei die fallende Flanke 33 der
Nockenkontur dann aus einer Summe von harmonischen Funktionen erhalten
wird, wodurch ein noch weiterer Optimierungsspielraum in der Nockenauslegung
erhalten werden kann.
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Wenn
die fallende Flanke 33 als Summe von harmonischen Funktionen
verschiedener Ordnungen zusammengesetzt ist, dann ergibt sich der
Kolbenhub aus der folgenden Gleichung: Hub =
A0 + A1·sin(1·(α + α0))
+ A2·sin(2·(α + α1))
+ A3·sin(3·(α + α2))
+
...
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Beiträge ab der
4. Ordnung dürfen
aus Gründen
der Federanregung nur kleiner als 1% der 1. Ordnung A1 sein.
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4 zeigt
ein weiteres Diagramm, in welchem der Verlauf der Kolbengeschwindigkeit
in Abhängigkeit
von dem Nockendrehwinkel in einer Förderphase und in der Saugphase
dargestellt ist. Auch hier folgt die Kolbengeschwindigkeit in der
Saugphase wiederum einem sinusförmigen
Verlauf.
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Schließlich zeigt 5 ein
Diagramm des Verlaufs der Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit von
dem Nockendrehwinkel. Wiederum ist in der Saugphase der einer Sinuskurve
folgende Verlauf zu erkennen, während
der Verlauf der Förderphase
aus sinusförmigen
und linearen Bereichen zusammengesetzt ist.
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Die
sinusförmige
Kolbenbeschleunigung ergibt sich dabei aus der Formel: b = b0·sin(a0·(α + α0))
+ c.
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Die
Kolbengeschwindigkeit und der Kolbenhub ergeben sich durch entsprechende
Integration der Kolbenbeschleunigung.
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Insgesamt
betrachtet wird mit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 1 mit
einer optimierten Saugphase geschaffen, wodurch die Förderrate
gesteigert und Fördermengeneinbrüche vermieden
werden können.