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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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Zum Beaufschlagen des Kraftstoffs in einem Kraftstoffeinspritzsystem, wie beispielsweise in einem Common Rail System, werden unter anderem Radialkolben mit einem oder mehreren Pumpenkolben eingesetzt, welche von einer Antriebswelle mittelbar beispielsweise über einen Nocken oder einen Exzenter in eine Hubbewegung versetzt werden, um einen Saughub, während welchem Kraftstoff in einen Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe eingesaugt wird, und einen Druckhub auszuführen, in welchem der angesaugte Kraftstoff komprimiert wird und an den Hochdruckspeicher des Common Rail Systems ausgegeben wird.
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Eine derartige Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Common Rail Einspritzsystemen ist z. B. aus
DE 102 21 305 A1 bekannt. Die Radialkolbenpumpe weist mehrere bezüglich einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Antriebswelle radial angeordnete Pumpenelemente auf, die von der Antriebswelle betätigt werden und je eine Saugseite und eine Hochdruckseite aufweisen. Die Pumpenelemente sind darüber hinaus mit Hochdruckkanälen im Pumpengehäuse verbunden, die jeweils die Hochdruckseite eines Pumpenelements mit einem Hochdruckanschluss verbinden.
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Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Hochdruckpumpe ist in
DE 10 2008 001 890 A1 beschrieben, wobei die Hochdruckpumpe entweder als Radial- oder Reihenkolbenpumpe ausgebildet sein kann. Die Hochdruckpumpe weist eine Pumpenbaugruppe und eine Antriebwelle auf, wobei an der Antriebswelle ein der Pumpenbaugruppe zugeordneter Nocken vorgesehen ist. Die Pumpenbaugruppe umfasst einen Kolben und einen Stößelkörper, wobei der Kolben von den Nocken der Antriebswelle mittels des Stößelkörpers antreibbar ist.
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Die im Stand der Technik bekannten Hochdruckpumpen sind dabei derartig ausgebildet, dass sich im Pumpenarbeitsraum ein Totraumvolumen um einen oberen Totpunkt des Pumpenkolbens herum erstreckt, wobei um den Pumpenkolben herum ein konzentrischer Freistich vorgesehen ist. Während des Betriebs der Hochdruckpumpe wird der Kraftstoff in dem Totraumvolumen komprimiert und entspannt, wodurch eine unerwünschte Wärmeentwicklung und ein Effizienzverlust entsteht.
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Daher ist es erforderlich, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, bei welcher das Totraumvolumen und der damit verbundene Effizienzverlust reduziert wird.
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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 vorgesehen, welche zumindest ein Pumpenelement mit einem Pumpenkolben aufweist, welcher in einem Pumpenarbeitsraum angeordnet ist und durch die Drehung einer Antriebswelle mittelbar in einer Hubbewegung in im Wesentlichen radialer Richtung zu einer Drehachse der Antriebswelle angetrieben wird, wobei ein Totraumvolumen in dem Pumpenarbeitsraum um den Pumpenkolben herum exzentrisch ausgebildet ist. Durch die exzentrische Ausbildung des Totraumvolumens um den Pumpenkolben herum wird dieses reduziert, und somit auch die unerwünschte Wärmeentwicklung, wobei die Effizienz der Hochdruckpumpe während der Hochdruckerzeugung gesteigert wird. Durch die exzentrische Ausbildung des Totraumvolumens um den Pumpenkolben herum wird insgesamt die Fördercharakteristik der Hochdruckpumpe verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pumpenelement in einem Zylinderkopf der Hochdruckpumpe ausgebildet.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist um einen oberen Totpunkt des Pumpenkolbens herum ein Freistich in dem Zylinderkopf vorgesehen.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Freistich exzentrisch um den Pumpenkolben herum ausgebildet. Hierdurch wird, wie bereits ausgeführt, das Totraumvolumen reduziert und die Effizienz bei der Hochdruckerzeugung gesteigert.
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Vorzugsweise ist der Pumpenarbeitsraum mit einem Kraftstoffablaufkanal verbunden, durch welchen mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff aus der Hochdruckpumpe abgeleitet wird.
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Noch bevorzugter ist es, wenn die Exzentrizität des Freistichs um den Pumpenkolben herum derartig ausgebildet ist, dass das Totraumvolumen gegenüberliegend dem Kraftstoffablaufkanal verringert wird, insbesondere entfernt wird. Das „hintere” Totraumvolumen gegenüberliegend dem Kraftstoffablaufkanal bzw. der Totraum auf der dem Auslass abgewandten Seite ist technisch überflüssig und schädlich für die Effizienz der Hochdruckerzeugung. Da die Strömung des Kraftstoffs im Pumpenarbeitsraum sich vorwiegend auf die Abflussseite konzentriert, bleibt insbesondere die Eliminierung des hinteren Totraumvolumens ohne große Auswirkungen, die kritisch für die Hochdruckerzeugung oder die Lebensdauer der Hochdruckpumpe sein könnten. Durch Verringern bzw. komplettes Eliminieren insbesondere dieses technisch überflüssigen hinteren Totraumvolumens wird die Effizienz der Hochdruckerzeugung noch weiter verbessert.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Freistich durch Fräsen hergestellt. Insbesondere kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch exzentrische Ausführung der Freistellung einer radialen Zustellung eines Fräsers in Richtung des Hochdruckabflusses der hintere Teil bzw. das hintere Totraumvolumen des gemäß dem Stand der Technik derzeit verwendeten ringförmigen Freistichs kann entfallen bzw. kann deutlich minimiert werden. Der radial zugestellte Fräser kann variiert werden, so dass beispielsweise in einem Magazin vorhandene Fräser zur Herstellung verwendet werden können. Die Herstellung des exzentrischen Freistichs mittels Fräsen ist gut in den Herstellungsablauf der Hochdruckpumpe integrierbar, da der Fräsvorgang in der Weichteilbearbeitung vorgenommen wird. Es ist jedoch auch jegliches vergleichbares Herstellungsverfahren, mittels welchem ein exzentrischer Freistich im hinteren Totraumvolumen hergestellt werden kann, einsetzbar.
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Vorzugsweise liegt ein radiales Spaltmaß zwischen dem Pumpenkolben und einer Zylinderbohrung in dem Zylinderkopf im Bereich des Kraftstoffablaufkanals bei bis zu 0,6 mm, insbesondere zwischen 0,35 mm und 0,5 mm. Um die Drucküberhöhung im Hochdruckbereich durch Drosseleffekte zum Kraftstoffablaufkanal beim Förderhub der Hochdruckpumpe zu reduzieren, kann das Spaltmaß optional je nach geometrischer Förderleistung der Hochdruckpumpe vergrößert bzw. variiert werden. Diese Drucküberhöhung wird gemäß der Ausführungsform vorteilhafter weise gering gehalten und liegt beispielsweise bei einem radialen Spaltmaß von 0,35 mm unterhalb von 10 bar. Bei einem Betriebsdruck der Hochdruckpumpe von ca. 1600 bar bis 2000 bar stellt dies eine vergleichsweise sehr kleine Drucküberhöhung und somit einen akzeptabler Wert dar. Darüber hinaus tritt die beim Förderhub entstehende Drucküberhöhung an unkritischen Stellen der Hochdruckpumpe auf.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hochdruckpumpe als Radialkolbenpumpe ausgebildet. Vorzugsweise wird die Radialkolbenpumpe im Dieseleinspritzbereich, insbesondere in Common Rail Systemen, eingesetzt. Sie kann jedoch auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die nicht mit Dieseleinspritztechnik arbeiten.
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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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1A einen Schnitt durch einen Abschnitt einer Hochdruckpumpe gemäß dem Stand der Technik;
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1B einen vergrößerten Ausschnitt von 1A;
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2 einen Ausschnitt einer Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform; und
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3 einen weiteren Ausschnitt einer Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Schnitt durch einen Abschnitt einer Hochdruckpumpe 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die hier dargestellte Hochdruckpumpe 1 ist eine Radialkolbenpumpe und wird in einem Common Rail System verwendet.
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Die Hochdruckpumpe 1 gemäß dem Stand der Technik weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine rotierend angetriebene Antriebswelle 3 angeordnet ist, die als Nockenwelle ausgebildet ist. Die Hochdruckpumpe 1 weist wenigstens ein oder mehrere in jeweils einem Zylinderkopf 8 angeordnete Pumpenelemente 4 mit jeweils einem Pumpenkolben 5 auf, der durch einen Nocken 6 der Antriebswelle 3 mittelbar in einer Hubbewegung in zumindest annähernd radialer Richtung zu einer Drehachse 7 der Antriebswelle 3 angetrieben wird. Der Pumpenkolben 5 ist in einer Zylinderbohrung 9 in einem Schaftabschnitt 10 des Zylinderkopfs 8 dicht verschiebbar geführt und begrenzt mit seiner der Antriebswelle 3 abgewandten Stirnseite in der Zylinderbohrung 9 einen Pumpenarbeitsraum 11. Um den Schaftabschnitt 10 herum ist eine Feder 12 angeordnet.
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Der Pumpenarbeitsraum 11 weist über einen im Gehäuse 2 verlaufenden Kraftstoffzulaufkanal (nicht dargestellt) eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf beispielsweise einer Förderpumpe auf. An der Mündung des Kraftstoffzulaufkanals in den Pumpenarbeitsraum 11 ist ein in den Pumpenarbeitsraum 11 öffnendes Einlassventil 13 angeordnet. Der Pumpenarbeitsraum 11 weist außerdem über einen im Zylinderkopf 8 verlaufenden Kraftstoffablaufkanal 14 eine Verbindung mit einem Auslass auf, der beispielsweise mit einem Hochdruckspeicher 15 verbunden ist. Mit dem Hochdruckspeicher 15 sind ein oder vorzugsweise mehrere an den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnete Injektoren 16 verbunden, durch die Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. An der Mündung des Kraftstoffablaufkanals 14 in den Pumpenarbeitsraum 11 ist ein aus dem Pumpenarbeitsraum 11 öffnendes Auslassventil 17 angeordnet.
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Dem Pumpenelement 4 ist eine Stößelbaugruppe zugeordnet, über die sich der Pumpenkolben 5 am Nocken 6 der Antriebswelle 3 abstützt. Die Stößelbaugruppe umfasst einen hohlzylindrischen Stößelkörper 18, der in einer Bohrung 19 verschiebbar geführt ist. Der Pumpenkolben 5 weist einen kleineren Durchmesser auf als der Stößelkörper 18 und ragt mit seinem dem Pumpenarbeitsraum 11 abgewandten Endbereich aus der Zylinderbohrung 9 heraus und in den Stößelkörper 18 hinein. An seinem dem Pumpenarbeitsraum 11 abgewandten Ende kann der Pumpenkolben 5 einen im Durchmesser gegenüber seinem übrigen Bereich vergrößerten Kolbenfuß 20 aufweisen.
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Die Stößelbaugruppe und der Pumpenkolben 5 werden durch die vorgespannte Feder 12 zum Nocken 6 der Antriebswelle 3 hin gedrückt. Die Feder 12 ist als den Pumpenkolben 5 umgebende und in den Stößelkörper 18 hineinragende Schraubendruckfeder ausgebildet. Die Feder 12 stützt sich einerseits am Zylinderkopf 8 und andererseits an einem Federteller 21 ab. Der Federteller 21 ist mit dem Pumpenkolben 5 verbunden und liegt auf einer einem Rollenschuh 22 abgewandten Seite des Ringstegs (hier nicht im Detail dargestellt) an. Die Feder 12 wirkt somit über den Federteller 21 sowohl auf den Pumpenkolben 5 als auch auf den Stößelkörper 18, um diese wie oben beschrieben, gegen den Nocken 6 der Antriebswelle 3 zu drücken. In den Stößelkörper 18 ist von dessen der Antriebswelle 3 zugewandter Seite her der Rollenschuh 22 eingefügt. Im Rollenschuh 22 ist in einer zylinderabschnittförmigen Aufnahme auf der dem Nocken 6 der Antriebswelle 3 zugewandten Seite des Rollenschuhs 22 eine zylindrische Rolle 23 drehbar gelagert.
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Bei Drehung der Antriebswelle 3 um die Drehachse 7 her die Drehbewegung somit über den Nocken 6 und die Stößelbaugruppe auf den Pumpenkolben 5 übertragen, um diesen auf und ab zu bewegen, wodurch entsprechen ein Saughub zum Fördern des Kraftstoffs in das Pumpenelement und ein Druckhub zum Verdichten des in das Pumpenelement geförderten Kraftstoffs ausgeführt wird. Der verdichtete bzw. mit Druck beaufschlagte Kraftstoff wird dann über das Auslassventil 17 dem Hochdruckspeicher 15 zugeführt.
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1B zeigt einen vergrößerten, in 1A durch Bezugszeichen 24 gekennzeichneten Ausschnitt von 1A im Bereich des Pumpenarbeitsraums 11. Der Pumpenarbeitsraum 11 wird auf die oben beschriebene Art und Weise durch den Pumpenkolben 5 mit seiner der Antriebswelle 3 abgewandten Stirnseite in der Zylinderbohrung 9 begrenzt. Der Pumpenkolben 5 ist hier in einer Position an einem oberen Totpunkt dargestellt, wobei die Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens 5 in der Zylinderbohrung 9 bei der sich dann anschließenden durch die Drehbewegung der Antriebswelle 3 verursachten Abwärtsbewegung durch den Pfeil 25 angedeutet ist. Darüber hinaus ist in der Figur der Kraftstoffablaufkanal 14 erkennbar, durch den der beim Druckhub des Pumpenkolbens 5 mit Hochdruck beaufschlage Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 11 abgeleitet wird. Die Strömungsrichtung des mit Druck beaufschlagten Kraftstoffs ist durch den Pfeil 26 angedeutet. Oberhalb des sich am oberen Totpunkt befindenden Pumpenkolbens 5 ist ein Totraumvolumen 27 erkennbar, welches sich ebenfalls entlang des Pumpenkolbens 5 um den ringförmigen Freistich 28 erstreckt. Das Spaltmass 29, welches zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenkolbens 5 und der Innenwand der Zylinderborhung 9 vorhanden ist, beträgt hier 0,23 mm. Wie bereits diskutiert, ist ein hinteres Totraumvolumen 27', welches sich auf der dem Kraftstoffablaufkanal 14 abgewandten Seite befindet, technisch überflüssig.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer Hochdruckpumpe 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei das Totraumvolumen 27 um den Pumpenkolben 5 herum exzentrisch ausgeführt ist. Bezugszeichen 30 kennzeichnet dabei schematisch den Durchmesser D von 5 mm eines radial zugestellten Fräsers zur Herstellung der exzentrischen Ausbildung des Totraumvolumens 27. Wie erkennbar ist, ist das in 1B dargestellte hintere Totraumvolumen 27', welches dem Kraftstoffablaufkanal 14 gegenüberliegt, durch Vorsehen eines exzentrischen Freistichs 28 eliminiert worden. Dagegen beträgt ein Spaltmaß 29, welches zwischen dem äußeren Umfang des Pumpenkolbens 5 und der Innenwand der Zylinderborhung 9 an der dem Kraftstoffablaufkanal 14 zugewandten Seite vorhanden ist, hier 0,35 mm.
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3 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Hochdruckpumpe 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei der Freistich 28 um den Pumpenkolben 5 herum exzentrisch ausgeführt ist. Wie in der Figur erkennbar ist, wird dabei um den äußeren Umfang des Pumpenkolbens 5 herum lediglich ein Totraumvolumen 27 zwischen einem Abschnitt des äußeren Umfangs des Pumpenkolbens 5 und der hier nicht dargestellten Zylinderbohrung gebildet, welcher sich auf der Seite des Kraftstoffablaufkanals (hier ebenfalls nicht dargestellt, siehe 1B) befindet. Die mit D1, D2 und D3 gekennzeichneten Doppelpfeile zeigen einen jeweiligen ersten, zweiten und dritten Durchmesser in den eingezeichneten Richtungen an, wobei D1 6,5 mm, D2 5 mm und D3 7,2 mm beträgt. Die Höhe H des Freistichs 28 beträgt in der Ausführungsform 8,73 mm.
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Die Hochdruckpumpe 1, bei welcher ein hinteres, dem Kraftstoffablaufkanal gegenüberliegendes Totraumvolumen durch Vorsehen des exzentrischen Freistichs um den Pumpenkolben herum eliminiert wird, weist eine verbesserte Fördercharakteristik mit deutlich erhöhter Förderrate auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10221305 A1 [0003]
- DE 102008001890 A1 [0004]
