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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 14 und einen Verbrennungsmotor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 15.
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Stand der Technik
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In
Hochdruckeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, insbesondere
in Common-Rail-Einspritzsystemen von Diesel- oder Benzinmotoren, sorgt
eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des
Druckes in dem Hochdruckspeicher des Common-Rail-Einspritzsystems.
Die Hochdruckpumpe wird durch eine Nockenwelle oder Kurbelwelle
des Verbrennungsmotors angetrieben werden. Für die Förderung
des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe werden Vorförderpumpen,
z. B. eine Zahnrad- oder Drehschieberpumpe, verwendet, die der Hochdruckpumpe
vorgeschaltet sind. Die Vorförderpumpe fördert
den Kraftstoff von einem Kraftstofftank durch eine Kraftstoffleitung
zu der Hochdruckpumpe.
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Als
Hochdruckpumpen werden beispielsweise Radialkolbenpumpen eingesetzt.
In einem Gehäuse ist zentral eine Antriebswelle gelagert.
Radial dazu sind Pumpenkolben angeordnet. Die Antriebswelle mit
wenigstens einem Nocken zwingt die Pumpenkolben zu einer oszillierenden
Translationsbewegung, weil sich die Pumpenkolben mittelbar auf der
Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken abstützen
und die Pumpenkolben von einer Feder auf der Antriebswelle gedrückt
werden.
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Die
Förderleistung der Hochdruckpumpe hängt von der
Drehzahl des Verbrennungsmotors ab, weil die Drehzahl der Antriebswelle
mit dem wenigstens einen Nocken der Hochdruckpumpe von der Drehzahl
der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors abhängt. Die für
den Verbrennungsmotor erforderliche Menge an Kraftstoff hängt
jedoch nicht nur von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ab, so
dass die Förderleistung der Hochdruckpumpe an den tatsächlichen
Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors anzupassen ist.
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Die
DE 10 2004 012 183
A1 zeigt ein Hochdruckeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe,
einem Hochdruck-Rail und einer Kraftstoffförderpumpe als
Vorförderpumpe. In einer Leitung von der Vorförderpumpe
zu der Hochdruckpumpe ist ein Kraftstoffvolumenstromsteuerventil
eingebaut, das die zu der Hochdruckpumpe strömende Menge
an Kraftstoff steuert. Damit kann die Förderleistung der
Hochdruckpumpe an den Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors angepasst
werden. In nachteiliger Weise wird somit bei einer Drosselung der
Hochdruckpumpe mittels des Kraftstoffvolumenstromsteuerventils bei
einem Saughub eines Kolbens der Arbeitsraum der Hochdruckpumpe,
welcher von einem Zylinder und dem Kolben begrenzt ist, nur teilweise
gefüllt. Damit entsteht in dem Arbeitsraum ein Dampf-Kraftstoffgemisch,
was zu einem Wasserschlageffekt bei einem Zusammenfallen der Dampfblasen
führen kann. Dies führt zu Druckspitzen bzw. Druckschwankungen
im Hochdruckbereich mit negativen Auswirkungen. Beispielsweise wird
die Hochdruckpumpe dadurch mechanisch belastet und die Steuerung
der Einspritzmengen in den Verbrennungsraum erschwert. Ferner wird
von der Hochdruckpumpe bei einer Drosselung mehr mechanische Energie
verbraucht als für die Förderung des Kraftstoffes
eigentlich notwendig ist.
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Aus
der
DE 60 2004
002 105 T2 ist eine Hochdruckpumpe mit variabler Förderrate
für ein Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors bekannt.
Mindestens ein Pumpenelement wird hin und her gehend betätigt,
wobei das Pumpenelement mit einem Einlassventil, das mit einem Einlassrohr verbunden
ist, und mit einem Auslassventil versehen ist, das mit einem Auslassrohr
verbunden ist, wobei die Strömungsrate der Pumpe durch
ein ein- und ausgeschaltetes Magnetventil geregelt ist, das an dem
Einlassrohr angeordnet ist und von einer Steuerungseinheit synchron
mit dem Ansaughub gesteuert wird. Das Magnetventil wird derart gesteuert,
dass es zu Beginn des Ansaughubes offen ist und dessen Schließen
während des Ansaughubes kontinuierlich moduliert. Die Hochdruckpumpe
weist damit auch die oben beschriebenen Nachteile auf.
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Die
DE 60 2004 011 229
T2 zeigt ein Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem mit
einer Pumpeneinheit. Die Pumpeneinheit umfasst einen Pumpenkolben,
der unter dem Einfluss einer Nockenantriebsanordnung in einer in
einem Pumpengehäuse bereitgestellten Kolbenbohrung hin-
und herbeweglich ist. Ein Einlassdosierventil dient dazu, sich während
eines Rückkehrhubes zu öffnen, um eine Versorgung
der Pumpenkammer mit Kraftstoff zu ermöglichen und sich
nach einem Teil des Rückkehrhubes zu schließen,
um die Kraftstoffmenge zu dosieren, mit der die Pumpenkammer während
des Rückkehrhubes versorgt wird. Das Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystem
weist damit auch die oben beschriebenen Nachteile auf.
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Die
DE 102 41 729 A1 zeigt
eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen
mit einer Hochdruckpumpe und mit einem Steuergerät, wobei die
Hochdruckpumpe von der Brennkraftmaschine angetrieben wird und Kraftstoff
in ein Common-Rail fördert. Die Hochdruckpumpe wird dabei
mittels eines stufenlosen Getriebes angetrieben. Die Drehzahl der
Hochdruckpumpe ist damit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine
entkoppelt, so dass die oben beschriebenen Nachteile nicht auftreten
zur Anpassung der Förderleistung der Hochdruckpumpe an
den Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine. Nachteiligerweise ist
jedoch ein stufenloses Getriebe konstruktiv aufwendig, teuer in
der Herstellung und störungsanfällig.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße
Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum
Fördern eines Fluides, insbesondere Kraftstoff, z. B. Diesel,
umfassend eine Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken, wenigstens
einen Kolben, wenigstens einen Zylinder zur Lagerung des wenigstens
eine Kolbens, wobei sich der wenigstens eine Kolben mittelbar oder unmittelbar
auf der Antriebswelle abstützt, so dass von dem wenigstens
einen Kolben eine oszillierende Hubbewegung zwischen einem oberen
und einem unteren Totpunkt mit einer Hubdifferenz aufgrund einer
Rotationsbewegung der Antriebswelle ausführbar ist und
die Förderleistung der Hochdruckpumpe veränderbar
ist unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle, wobei
die Hubdifferenz des wenigstens einen Kolbens veränderbar
ist zur Veränderung der Förderleistung der Hochdruckpumpe.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der wenigstens eine Nocken der
Antriebswelle in Richtung einer Längsachse der Antriebswelle
eine unterschiedliche maximale Ausdehnung senkrecht zu der Längsachse
auf und der wenigstens eine Kolben ist an unterschiedlichen Positionen
in Richtung der Längsachse der Antriebswelle mittelbar
oder unmittelbar auf der Antriebswelle mit dem wenigstens einen
Nocken abstütztbar. Die Förderleistung der Hochdruckpumpe
kann damit aufgrund der unterschiedlichen Geometrie der Antriebswelle
in Richtung der Längsachse und einer Bewegung der Antriebswelle
in Richtung der Längsachse gesteuert oder verändert
werden.
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In
eine ergänzenden Variante weist die Antriebswelle mit dem
wenigstens einen Nocken wenigstens einen Nockenmechanismus auf,
so dass die maximale Ausdehnung des wenigstens einen Nockens senkrecht
zu der Längsachse der Antriebswelle mittels des wenigstens
einen Nockenmechanismus veränderbar ist.
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Insbesondere
ist die Längsachse der Antriebswelle die Rotationsachse
der Antriebswelle.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nimmt in einer Richtung der Längsachse
der Antriebswelle die Ausdehnung des wenigstens einen Nockens senkrecht
zu der Längsachse, vorzugsweise stetig, insbesondere linear,
zu. Bei einer linearen Zunahme ist die Differenz zwischen dem oberen
und unteren Totpunkt des Kolbens direkt proportional zu der Bewegung
der Antriebswelle in Richtung der Längsachse.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform weist der wenigstens
eine Nocken in einem Längsschnitt in Richtung einer Längsachse
der Antriebswelle eine konkave Oberfläche, insbesondere
mit einem konstanten Krümmungsradius, auf. Damit kann bei
einem Nullfördermodus oder einem Fördermodus in der
Nähe des Nullfördermodus die Kippbewegung einer
Laufrolle und eines Rollenschuhes in einer Schwenkeben klein oder
Null gehalten werden.
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In
einer Variante ist die Oberfläche im Bereich der unmittelbaren
oder mittelbaren Abstützung durch den wenigstens einen
Kolben der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken in einem
Querschnitt, insbesondere ausschließlich, konvex. Dabei ist
die Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken vorzugsweise im
Querschnitt kreis- oder ellipsenförmig oder im Wesentlichen
kreis- oder ellipsenförmig.
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Zweckmäßig
ist die Antriebswelle in Richtung der Längsachse der Antriebswelle
bewegbar, um den wenigstens eine Kolben an unterschiedlichen Positionen
in Richtung der Längsachse der Antriebswelle mittelbar
oder unmittelbar auf der Antriebswelle abzustützen und/oder
der wenigstens eine Kolben und der wenigstens eine Zylinder in Richtung
der Längsachse der Antriebswelle bewegbar ist, um den wenigstens
eine Kolben an unterschiedlichen Positionen in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar auf der Antriebswelle
abzustützen. Damit kann die Förderleistung der
Hochdruckpumpe unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle
gesteuert werden.
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In
einer zusätzlichen Ausgestaltung stützt sich der
wenigstens eine Kolben mittels je eines Rollenschuhes und je einer
Laufrolle mittelbar auf der Antriebswelle ab. Abweichend hiervon
kann sich der Kolben auch mittels einer Kolbenfußplatte
auf der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken oder einer
Exzenterwelle abstützen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist auf den Kolben und/oder den Rollenschuh
mittelbar oder unmittelbar mittels eines elastischen Elementes,
insbesondere einer Feder, eine Kraft, insbesondere eine Druckkraft,
aufbringbar, damit sich beispielsweise die Laufrolle ständig
auf der Antriebswelle abstützt und von dem Kolben ein Saughub
ausführbar ist. Die für einen Druckhub des Kolben erforderlich
Kraft ist von dem wenigstens einen Nocken mittelbar oder unmittelbar
auf den Kolben aufbringbar.
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Insbesondere
stützt sich die Laufrolle unmittelbar auf der Antriebswelle
ab.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die Geometrie des Rollenschuhes
und der Rollenschuhlagerung dahingehend aufeinander abgestimmt,
dass der Rollenschuh verschwenkbar ist, vorzugsweise ausschließlich,
in einer Schwenkebene, wobei in der Schenkebene die Längsachse
der Antriebswelle und eine Zylinderachse liegt.
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In
einer Variante ist die Rollenschuhlagerung im Querschnitt rechteckförmig,
insbesondere quadratisch.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist der Rollenschuh in
Richtung senkrecht zu der Längsachse der Antriebswelle
eine ebene Fläche auf und die ebene Fläche liegt
auf einer ebenen Fläche der Rollenschuhlagerung auf und/oder
der Rollenschuh weist in Richtung zu der Längsachse der
Antriebswelle eine gekrümmte Fläche auf und die
gekrümmte Fläche liegt streifen- oder linienförmig
in Richtung der Zylinderachse auf der Rollenschuhlagerung auf.
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In
einer ergänzenden Ausgestaltung ist die gekrümmte
Fläche an der Oberfläche, des Rollenschuhes konvex
und/oder die gekrümmte Fläche des Rollenschuhes
ist im Querschnitt ein Kreissegment.
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In
einer Variante weist die konkave Oberfläche des wenigstens
eine Nockens in einem Längsschnitt in Richtung der Langsachse
der Antriebswelle einen konstanten Krümmungsradius in Richtung
der Längsachse der Antriebswelle auf.
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Vorzugsweise
weist die Laufrolle an einer Lauffläche in einem Längsschnitt
eine konvexe Oberfläche auf und insbesondere entspricht
der Krümmungsradius der konvexen Oberfläche der
Lauffläche in dem Längsschnitt dem konstanten
Krümmungsradius des wenigstens einen Nockens in dem Längsschnitt
in Richtung der Längsachse der Antriebswelle. Damit führt
die Laufrolle und der Rollenschuh bei einem Nullfördermodus
keine Schwenkbewegung in der Schwenkebene aus.
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In
eine weiteren Ausgestaltung weist die Hochdruckpumpe wenigstens
ein Mittel zum Bewegen der Antriebswelle mit dem wenigstens einen
Nocken in Richtung der Längsachse der Antriebswelle auf
und/oder die Antriebswelle ist in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle beweglich, z. B. mittels eines Gleitlagers, gelagert,
insbesondere ist die Antriebswelle mit einer Ringnut versehen, in
die Ringnut greift ein Ring ein und der Ring ist von einem Stellmotor
in Richtung der Längsachse der Antriebswelle bewegbar,
so dass die Antriebswelle in Richtung der Längsachse bewegbar
ist.
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Vorzugsweise
ist als Mittel zum Bewegen der Antriebswelle die Antriebswelle mit
radialen Zapfen oder einem radialen Ring versehen, der oder die
in eine bewegliche Ringnut an dem Gleitlager eingreift oder eingreifen,
wobei die Ringnut von einem Stellmotor beweglich ist.
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Insbesondere
wird eine Exzenterwelle als Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken
betrachtet.
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In
einer ergänzenden Variante besteht der wenigstens eine
Kolben und/oder der wenigstens eine Zylinder und/oder das Gehäuse
und/oder die Antriebswelle mit wenigstens dem wenigstens einem Nocken
und/oder der wenigstens eine Rollenschuh und/oder die wenigstens
eine Laufrolle wenigstens teilweise aus Metall, z. B. Stahl und/oder
Aluminium.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist mittels einer Steuerungseinheit
die Förderleistung der Hochdruuckpumpe steuerbar und/oder
regelbar, insbesondere indem die Antriebswelle in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle bewegbar ist, um den wenigstens eine Kolben an
unterschiedlichen Positionen in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar auf der Antriebswelle
abzustützen und/oder indem der wenigstens eine Kolben und
der wenigstens eine Zylinder in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle bewegbar ist, um den wenigstens eine Kolben an
unterschiedlichen Positionen in Richtung der Längsachse
der Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar auf der Antriebswelle
abzustützen.
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Erfindungsgemäßes
Hochdruckeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochdruckpumpe, ein
Hochdruck-Rail, eine Vorförderpumpe zum Fördern
eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe,
wobei die Hochdruckpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung
beschriebene Hochdruckpumpe ausgebildet ist.
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Der
von der Hochdruckpumpe erzeugbare Druck in dem Hochdruck-Rail liegt
beispielsweise im Bereich von 1000 bis 3000 bar z. B. für
Dieselmotoren oder zwischen 40 bar und 400 bar z. B. für
Benzinmotoren.
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Ein
erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mit einem
Hochdruckeinspritzsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
umfasst ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Hochdruckeinspritzsystem
und/oder eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hochdruckpumpe.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in
dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hochdruckpumpe und/oder
ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Hochdruckeinspritzsystem
und/oder einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbrennungsmotor.
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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
Längsschnitt einer Hochdruckpumpe in einem ersten Ausführungsbeispiel
mit einer Antriebswelle in einer ersten Stellung der Antriebswelle,
wobei eine Laufrolle auf einem oberen Totpunkt (OT) der Antriebswelle
aufliegt,
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2 einen
Querschnitt A-A der Antriebswelle gemäß 1,
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3 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 1 der
ersten Stellung der Antriebswelle, wobei die Laufrolle auf einem
unteren Totpunkt (UT) der Antriebswelle aufliegt,
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4 einen
Querschnitt B-B der Antriebswelle gemäß 3,
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5 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 1 einer
zweiten Stellung der Antriebswelle, wobei die Laufrolle auf einem
oberen Totpunkt (OT) der Antriebswelle aufliegt,
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6 einen
Querschnitt C-C der Antriebswelle gemäß 5,
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7 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 1 in
der zweiten Stellung der Antriebswelle, wobei die Laufrolle auf
einem unteren Totpunkt (UT) der Antriebswelle aufliegt,
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8 einen
Querschnitt D-D der Antriebswelle gemäß 7,
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9 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe in einem zweiten Ausführungsbeispiel
mit einer Antriebswelle in einer ersten Stellung der Antriebswelle,
wobei eine Laufrolle auf dem oberen Totpunkt (OT) der Antriebswelle
aufliegt,
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10 einen
Querschnitt E-E der Antriebswelle gemäß 9,
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11 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 9 einer
ersten Stellung der Antriebswelle, wobei die Laufrolle auf einem
unteren Totpunkt (UT) der Antriebswelle aufliegt,
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12 einen
Querschnitt F-F der Antriebswelle gemäß 11,
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13 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 9 einer
zweiten Stellung der Antriebswelle, wobei die Laufrolle auf einem
oberen Totpunkt (OT) der Antriebswelle aufliegt,
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14 einen
Querschnitt G-G der Antriebswelle gemäß 13,
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15 einen
Längsschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 9 in
der zweiten Stellung der Antriebswelle, wobei die Laufrolle auf
einem unteren Totpunkt (UT) der Antriebswelle aufliegt,
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16 einen
Querschnitt H-H der Antriebswelle gemäß 15,
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17 einen
weiteren Längsschnitt der Hochdruckpumpe senkrecht zu einer
Längsachse der Antriebswelle,
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18 einen
Schnitt I-I gemäß 17,
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19 eine
stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems und
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20 eine
Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 bis 18 sind
zwei Ausführungsbeispiele einer Hochdruckpumpe 1 für
ein Hochdruckeinspritzsystem 36 dargestellt. Die Hochdruckpumpe 1 dient
dazu, Kraftstoff, z. B. Benzin oder Diesel, zu einem Verbrennungsmotor 39 unter
Hochdruck zu fördern. Der von der Hochdruckpumpe 1 erzeugbare
Druck liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 3000
bar.
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Die
Hochdruckpumpe 1 weist eine Antriebswelle 2 mit
zwei Nocken 3 auf. Ein Kolben 4 ist in einem Zylinder 6 gelagert,
der von einem Gehäuse 14 gebildet ist. Ein Arbeitsraum 15 wird
von dem Zylinder 6, dem Gehäuse 14 und
dem Kolben 4 begrenzt. In den Arbeitsraum 15 mündet
ein Einlasskanal 22 mit einem Einlassventil 20 und
ein Auslasskanal 23 mit einem Auslassventil 21.
Durch den Einlasskanal 22 strömt der Kraftstoff
in den Arbeitsraum 15 ein und durch den Auslasskanal 23 strömt
der Kraftstoff unter Hochdruck aus den Arbeitsraum 15 wieder
aus. Das Einlassventil 20, z. B. ein Rückschlagventil,
ist dahingehend ausgebildet, dass nur Kraftstoff in den Arbeitsraum 15 einströmen
kann und das Auslassventil 21, z. B. ein Rückschlagventil,
ist dahingehend ausgebildet, dass nur Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 15 ausströmen
kann. Das Volumen des Arbeitsraumes 15 wird aufgrund einer
oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 4 verändert.
Der Kolben 4 stützt sich mittelbar auf der Antriebswelle 2 ab.
Am Ende des Kolbens 4 bzw. Pumpenkolbens 4 ist
ein Rollenschuh 18 mit einer Laufrolle 19 befestigt.
Die Laufrolle 19 kann dabei eine Rotationsbewegung ausführen,
deren Rotationsachse in der Zeichenebene gemäß 1 liegt.
Eine Lauffläche 16 der Laufrolle 19 ist
in dem ersten Ausführungsbeispiel (1 bis 8)
in einem Längsschnitt gemäß 1 eben
und in dem zweiten Ausführungsbeispiel (9 bis 16)
gekrümmt. Die Lauffläche 16 der Laufrolle 19 liegt
unmittelbar auf der Antriebswelle 2 mit den beiden Nocken 3 auf.
Der Rollenschuh 18 und die Laufrolle 19 bilden
einen Rollenstößel 17. Der Rollenschuh 18 ist in
einer von dem Gehäuse 14 gebildeten Rollenschuhlagerung 5 als
Gleitlager gelagert. Eine Feder 37 bzw. Spiralfeder 37 als
elastisches Element 29, die zwischen dem Gehäuse 14 und
dem Rollenschuh 18 eingespannt ist, bringt auf den Rollenschuh 18 eine
Druckkraft auf, so dass die Laufrolle 19 in ständigen
Kontakt mit der Oberfläche der Antriebswelle 2 steht.
Der Kolben 4 ist verschwenkbar mit dem Rollenschuh 18 verbunden.
Der Rollenschuh 18 und der Kolben 4 führen
damit gemeinsam eine oszillierende Hubbewegung in Richtung einer,
insbesondere zentrischen, Zylinderachse 10 aus.
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Der
Rollenschuh 18 und damit auch die Laufrolle 19 ist
innerhalb einer Schwenkebene 40 verschwenkbar aufgrund
der Lagerung des Rollenschuhes 18 in der Rollenschuhlagerung 5.
Die Geometrie des Rollenschuhes 18 und der Rollenschuhlagerung 5 ist
mit ebenen Flächen 12 hierzu entsprechend abgestimmt
(17 und 18). Die
Schwenkebene 40 entspricht dabei der Zeichenebene der 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 und 15.
In 17 steht die Schwenkebene 40 senkrecht
auf der Zeichenebene von 17 und
ist strichliert dargestellt. Der Rollenschuh 18 weist hierzu
zwei gegenüberliegende ebene Flächen 11 und
zwei gegenüberliegende gekrümmte Flächen 13 auf (18).
Der Radius der gekrümmten Flächen 13 ist in
dem Schnitt gemäß 18 und
z. B. 1 konstant, so dass es sich um ein Kreissegment
bzw. ein Kugelsegment handelt. Der Rollenschuh 18 kann
dabei aufgrund der ebenen Flächen 11, 12 Druckkräfte in
einer Richtung senkrecht auf der Schwenkebene 40 auf die
Rollenschuhlagerung 5 und das Gehäuse 14 übertragen.
Die ebenen Flächen 11, 12 bewirken außerdem
eine Führung des Rollenschuhes 18, so dass der
Rollenschuh 18 in einer Ebene senkrecht zu der Schwenkebene 14 nicht
verschwenkbar in der Rollenschuhlagerung 5 ist. Die beiden
gekrümmten Flächen 13 als Kugelsegmente
bewirkten, dass der Rollenschuh 18 in der Schwenkebene 40 verschwenkbar
oder kippbar ist.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel (1 bis 8)
befindet sich die Laufrolle 19 und damit auch der Kolben 4 in 1 und 3 in
einer ersten Stellung bezüglich einer Längsachse 7 der
Antriebswelle 2 und in 5 und 7 in
einer zweiten Stellung bezüglich der Längsachse 7 der
Antriebswelle 2. Dies ist möglich, weil die Antriebswelle 2 in
Richtung der Längsachse 7 der Antriebswelle 2 von
einem Mittel 24 zum Bewegen der Antriebswelle 2 bewegt
werden kann. Die Antriebswelle 2 ist mittels zweier Gleitlager 28 axial
verschieblich gelagert, wobei nur in 1 ein Gleitlager 28 und
das Mittel 24 dargestellt sind. Das Mittel 24 umfasst
einen Stellmotor 27, einen Ring 26 und eine in
die Antriebswelle 2 eingearbeitete Ringnut 25.
Der Ring 26 greift in die Ringnut 25 ein, so dass
bei einer Bewegung des Ringes 26 in Richtung der Längsachse 7 aufgrund
einer von dem Stellmotor 27 auf den Ring 26 aufgebrachten
Kraft auch die Antriebswelle 2 eine Bewegung in Richtung der
Längsachse 7 ausführt.
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In 1 und 5 befindet
sich die Antriebswelle 2 in einer ersten Rotationsstellung,
wobei die Rotationsachse der Längsachse 7 entspricht,
so dass die Zeichenebene gemäß 1 und 5 den oberen
Totpunkt (OT) der Antriebswelle schneidet. In 3 und 7 befindet
sich die Antriebswelle 2 in einer zweiten Rotationsstellung,
so dass die Zeichenebene gemäß 3 und 7 den
unteren Totpunkt (UT) der Antriebswelle schneidet. Zwischen der
ersten und zweiten Rotationsstellung ist die Antriebswelle 2 um
einen Drehwinkel von 90° bewegt.
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Die
Antriebswelle 2 weist zwei Nocken 3 auf (6 und 8).
Die Größe der beiden Nocken 3, d. h.
eine Ausdehnung 8 der Nocken 3 senkrecht zu der
Längsachse 7, nimmt dabei von dem Schnitt A-A bzw.
B-B gemäß 1 bzw. 3 linear
zu dem Schnitt C-C bzw. D-B gemäß 5 bzw. 7 zu.
Im Schnitt A-A und B-B in 2 und 4 ist
die Antriebswelle 2 im Querschnitt kreisförmig
und im Schnitt C-C und D-D gemäß 6 und 8 ist
die Antriebswelle im Querschnitt im Wesentlichen ellipsenförmig.
In den nicht dargestellten, dazwischen liegenden Schnitten der Antriebswelle 2 ist
der Querschnitt der Antriebswelle 2 dem Schnitt C-C und
D-D um so ähnlicher, je näher der Schnitt an den
Schnitten C-C und D-D ausgeführt ist und umgekehrt. Dies gilt
analog auch für die Schnitte A-A und B-B.
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In 5 und 7 befindet
sich die Laufrolle 19 und damit auch der Schnitt D-D kurz
vor der maximalen Ausdehnung der Nocken 3. Die Form der Nocken 3 in
der maximalen Ausdehnung ist in 6 strichliert
außerhalb der durchgezogenen Linie dargestellt, wobei sich
diese strichlierte Form für einen Schnitt gemäß 5 ergibt,
die rechts von dem Schnitt C-C gemäß 5 liegt.
Innerhalb der durchgezogenen Linie ist in 6 die Form
der Antriebswelle 2 für den Schnitt A-A bzw. B-B
dargestellt.
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In
der ersten Stellung der Laufrolle 19 und des Kolbens 4 bezüglich
der Längsachse 7 führt die Laufrolle 19 und
der Kolben 4 keine Hubbewegung bezüglich der Zylinderachse 10 aus,
so dass sich die Hochdruckpumpe 1 in einer Nullförderstellung
oder in einem Nullfördermoduls befindet wegen der Geometrie
der Antriebswelle 2 bei einem Schnitt A-A und B-B. Trotz
der Rotationsbewegung der Antriebswelle 2 führt
der Kolben 4 somit keine Hubbewegung aus. Lediglich der
Rollenschuh 18 und die Laufrolle 19 führen
eine Schwenk- bzw. Kippbewegung in der Schwenkebene 40 aus,
wobei die Schenkebene 40 der Zeichenebene von 1 und 3 entspricht. Zwischen
der Schwenkstellung des Rollenschuhes 18 und der Laufrolle 19 gemäß 1 und
der Schwenkstellung des Rollenschuhes 18 und der Laufrolle 19 gemäß 3 führt
die Antriebswelle 2 eine Rotationsbewegung von 90° aus.
Bei einer weiteren Rotationsbewegung der Antriebswelle 2 befindet
sich der Rollenschuh 18 und die Laufrolle 19 wieder
in der Schwenkstellung gemäß 1,
so dass bei einer Vollumdrehung der Antriebswelle von 360° der
Rollenschuh 18 und die Laufrolle 19 vier Schwenkbewegungen
als Schwenkbewegungen zwischen den Schwenkpositionen gemäß 1 und 3 und
umgekehrt ausführen. Dies gilt analog auch für
die zweite Stellung der Laufrolle 19 und des Kolbens 4 bezüglich
der Längsachse 7 (5 und 7).
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In
der zweiten Stellung der Laufrolle 19 und des Kolbens 4 (5 und 7)
bezüglich der Längsachse 7 führt
die Laufrolle 19 und der Kolben 4 eine Hubbewegung
bezüglich der Zylinderachse 10 aus, so dass sich
die Hochdruckpumpe 1 in einer Teilförderstellung
oder in einem Teilfördermodus befindet wegen der Geometrie
der Antriebswelle 2 bei einem Schnitt C-C und D-D. Die
Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt des Kolbens 4 bei
dieser Hubbewegung entspricht dabei der Differenz zwischen der Ausdehnung 8 des
Nockens 3 senkrecht zu der Längsachse 7 am
Schnitt C-C gemäß 5 und der
Ausdehnung 8 der Antriebswelle 2 senkrecht zu
der Längsachse 7 am Schnitt D-D gemäß 7.
Die Ausdehnung 8 der Antriebswelle 2 senkrecht
zu der Längsachse 7 am Schnitt D-D gemäß 7 entspricht
dabei der Ausdehnung 8 der Antriebswelle 2 senkrecht
zu der Längsachse 7 am Schnitt A-A und B-B gemäß 1 und 3.
In der Rotationstellung der Antriebswelle 2 gemäß 5 befindet
sich der Kolben 4 am oberen Totpunkt und in der Rotationstellung
der Antriebswelle 2 gemäß 7 befindet
sich der Kolben 4 am unteren Totpunkt. In nicht dargestellten
Zwischenrotationsstellungen der Antriebswelle 2 bewegt
sich der Kolben 4 z. B. vom oberen Totpunkt zum unteren
Totpunkt, wobei in 6 auch eine Ausdehnung 8 einer
Zwischenrotationsstellung eingezeichnet ist. Bei einer Vollumdrehung
der Antriebswelle 2 um 360° führt damit
der Kolben 4 in der zweiten Stellung der Laufrolle 19 und
des Kolbens 4 bezüglich der Längsachse 7 vier
Hubbewegungen zwischen dem oberen und unteren Totpunkt und umgekehrt
aus. Die Förderleistung der Hochdruckpumpe 2 kann
somit bei der Bewegung der Antriebswelle 2 in Richtung
der Längsachse 7 stufenlos gesteuert werden unabhängig
von der Drehzahl der Antriebswelle, weil sich dadurch die Differenz
der Hubbewegung des Kolbens 4 zwischen dem oberen und unteren
Totpunkt stufenlos steuern lässt. Die Förderleistung
der Hochdruckpumpe 1 an Kraftstoff, d. h. der Volumenstrom
an Kraftstoff oder das geförderte Volumen an Kraftstoff
pro Zeiteinheit, kann damit an den tatsächlichen Kraftstoffbedarf
des Verbrennungsmotors 39 angepasst werden.
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In
den 9 bis 16 ist das zweite Ausführungsbeispiel
der Hochdruckpumpe 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden
im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben. Die beiden Nocken 3 der Antriebswelle 2 weisen
in einem Längsschnitt entlang der Längsachse 7 der
Antriebswelle 2, d. h. in der Darstellung gemäß 9 und 13,
eine konkave Oberfläche 9 mit einem konstanten
Krümmungsradius auf. Die Lauffläche 16 der
Laufrolle 19 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel
in einem Längsschnitt gemäß 9 gekrümmt
(siehe oben). Der Krümmungsradius der Lauffläche 16 ist
identisch zu dem Krümmungsradius der beiden Nocken 3.
Damit liegt in 1 die Lauffläche 16 der
Laufrolle 19 vollständig auf der Antriebswelle 2 auf
und in 11 liegt die Lauffläche 16 der Laufrolle 19 nur
teilweise auf der Antriebswelle 2 auf. Bei der Rotationsbewegung
der Antriebswelle 2 bei ersten Stellung der Laufrolle 19 und
des Kolbens 4 bezüglich der Längsachse 7 gemäß 9 und 11 führt
die Laufrolle 19 und der Rollenschuh 18 im Gegensatz
zu dem ersten Ausführungsbeispiel damit keine Kippbewegung
in der Schwenkeben 40 aus. Bei einer geringfügigen
Bewegung der Antriebswelle 2 von der ersten Stellung gemäß 9 und 11 zu
der zweiten Stellung gemäß 13 und 15 werden
von der Laufrolle 19 und dem Rollenschuh 18 nur
geringe Kippbewegungen innerhalb der Schwenkebene 40 ausgeführt.
Damit ist bei ersten Stellung der Laufrolle 19 und des
Kolbens 4 bezüglich der Längsachse 7 gemäß 9 und 11 oder in
der Nähe der ersten Stellung der mechanische Verschleiß bzw.
die Reibung zwischen dem Rollenschuh 18 und der Rollenschuhlagerung 5 wegen
der Kippbewegung gering oder nicht vorhanden. Außerdem
befindet sich in der ersten Stellung der Laufrolle 19 und
des Kolbens 4 bezüglich der Längsachse 7 die
Hochdruckpumpe 1 wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
in einer Nullförderstellung oder einem Nullfördermoduls.
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Je
weiter die Antriebwelle 2 von der ersten Stellung gemäß 9 und 11 zu
der zweiten Stellung gemäß 13 und 15 bewegt
wird, desto größer wird die Schwenkbewegung der
Laufrolle 19 und des Rollenschuhes 18 (13 und 15)
und desto größer wird die Förderleistung
der Hochdruckpumpe 1 und umgekehrt. In 15 liegt die
Lauffläche 16 der Laufrolle 19 wie in 11 nur teilweise
auf der Antriebswelle 2 auf in 13 liegt die
Lauffläche 16 der Laufrolle 19 wie in 9 vollständig
auf der Antriebswelle 2 auf, wobei die Laufrolle 19 und
der Rollenschuh 18 bezüglich einer Schwenkstellung
gemäß 9 in der Schwenkebene 40 verschwenkt
sind.
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In 19 ist
in stark schematisierter Darstellung das Hochdruckeinspritzsystem 36 für
ein Kraftfahrzeug 38 abgebildet mit einem Hochdruck-Rail 30 oder
einem Kraftstoffverteilerrohr 31. Von dem Hochdruck-Rail 30 wird
der Kraftstoff mittels Ventilen in den Verbrennungsraum beispielsweise
einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine eingespritzt (nicht dargestellt).
Eine Vorförderpumpe 35 fördert Kraftstoff
von einem Kraftstofftank 32 durch eine Kraftstoffleitung 33 zu
der Hochdruckpumpe 1 gemäß dem obigen
Ausführungsbeispiel. Die Hochdruckpumpe 1 und
die Vorförderpumpe 35 werden dabei von der Antriebswelle 2 angetrieben.
Die Antriebswelle 2 ist mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 39 gekoppelt.
Das Hochdruck-Rail 30 dient dazu, den Kraftstoff in den
Verbrennungsraum des als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungsmotors 39 einzuspritzen.
Der von der Vorförderpumpe 35 geförderte
Kraftstoff wird durch die Kraftstoffleitung 33 zu der Hochdruckpumpe 1 geleitet.
Der von der Hochdruckpumpe 1 nicht benötigte Kraftstoff
wird dabei durch eine Kraftstoffrücklaufleitung 34 wieder
in den Kraftstofftank 32 zurückgeleitet. Die Förderleistung
der Hochdruckpumpe 1 kann gesteuert werden, so dass in
einer weiteren Ausgestaltung auf die Kraftstoffrücklaufleitung 34 verzichtet werden
kann (nicht dargestellt).
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Die
Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele können
miteinander kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt
wird.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 1 und
dem erfindungsgemäßen Hochdruckeinspritzsystem 36 erhebliche
Vorteile verbunden. Die Förderleistung der Hochdruckpumpe 1 kann
mit einfachen Mitteln gesteuert werden, so dass von der Hochdruckpumpe 1 nur
diejenige mechanische Energie verbracht wird, welche zur Förderung
des von dem Verbrennungsmotor 39 verbrauchten Kraftstoffes
notwendig ist. Eine Teilbefüllung des Arbeitsraumes 15 der
Hochdruckpumpe 1 tritt mit den damit verbundenen Nachteilen
nicht auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004012183
A1 [0005]
- - DE 602004002105 T2 [0006]
- - DE 602004011229 T2 [0007]
- - DE 10241729 A1 [0008]