DE102010039920A1

DE102010039920A1 - Pumpe für ein Hochdrucksystem

Info

Publication number: DE102010039920A1
Application number: DE201010039920
Authority: DE
Inventors: Siamend Flo; Frank Nitsche; Thorsten Allgeier; Juergen Arnold; Michael Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-03-01
Also published as: WO2012028369A1

Abstract

Bei einer Pumpe (10) für ein Hochdrucksystem mit einem ein Fluid fördernden Pumpenelement und einem das Pumpenelement antreibenden Aktuator (14), bei der ein stufenloses Getriebe (12) vorgesehen ist, mittels dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator (14) zum Pumpenelement veränderbar ist, ist erfindungsgemäß ein mechanisches Verstellelement (28; 34) vorgesehen, mit dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator (14) zum Pumpenelement abhängig von dem am Ausgang der Pumpe (10) vorherrschenden Druck veränderbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Pumpe für ein Hochdrucksystem mit einem ein Fluid fördernden Pumpenelement und einem das Pumpenelement antreibenden Aktuator, bei der ein stufenloses Getriebe vorgesehen ist, mittels dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator zum Pumpenelement veränderbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer derartigen Pumpe.
Eine derartige Pumpe ist aus DE 102 41 729 A1 bekannt. Dort ist eine Kraftstoffeinspritzanlage vorgeschlagen, bei der eine Hochdruckpumpe von einem stufenlosen Getriebe angetrieben wird. Dadurch soll im Vergleich zu herkömmlichen, direkt vom Verbrennungsmotor angetriebenen Hochdruckpumpen auf eine Zumesseinheit oder ein Druckregelventil zur Fördermengenregelung der Hochdruckpumpe verzichtet werden können. Außerdem soll sich das Startverhalten der Brennkraftmaschine verbessern. Die Kraftstoffeinspritzanlage erfordert am zugehörigen Common-Rail einen Drucksensor, der über eine Signalleitung mit einem Steuergerät verbunden ist. Die Hochdruckpumpe wird dann mittels des vom Steuergerät gesteuerten stufenlosen Getriebes mit einer solchen Drehzahl angetrieben, dass sie genau die erforderliche Kraftstoffmenge in den Common-Rail fördert und außerdem der Druck im Common-Rail dem Soll-Druck, welcher vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt, entspricht.
Aus DE 198 34 121 A1 ist eine Kraftstoffversorgungsanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der zwischen zwei in Reihe geschalteten Kraftstoffpumpen ein Steuerventil angeordnet ist. Das Steuerventil soll bei geringem Aufwand eine sehr genaue Mengenregelung der von der zweiten Kraftstoffpumpe in eine Druckleitung geförderten Kraftstoffmenge erzielen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist eine Pumpe für ein Hochdrucksystem mit einem ein Fluid fördernden Pumpenelement und einem das Pumpenelement antreibenden Aktuator geschaffen, bei der ein stufenloses Getriebe vorgesehen ist, mittels dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator zum Pumpenelement veränderbar ist, und bei der ein mechanisches Verstellelement vorgesehen ist, mit dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator zum Pumpenelement abhängig von dem am Ausgang der Pumpe vorherrschenden Druck veränderbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet eine kostengünstige Bedarfsregelung. Sie ist insbesondere für nockengetriebene Pumpen von Kraftstoffeinspritzanlagen besonders geeignet. Besonders dann, wenn diese bei kleinen Drehzahlen laufen. Das erfindungsgemäß rein mechanisch geregelte stufenlose Getriebe ermöglicht eine einfache Bedarfsregelung ohne Elektronik. Außerdem macht die Lösung gemäß der Erfindung den Einsatz von kostengünstigen Pumpen ohne Elektromotor möglich. Die Pumpe kann sich mittels einer rein mechanischen Drehzahlanpassung selbst regeln. Die Drehzahl n ist dabei eine Funktion des Drucks p am Ausgang der Pumpe. Als Formel dargestellt: n = f(p).
Die Vorteile der Erfindung liegen also in einer Bedarfsregelung ohne Elektromagnetventile und ohne Elektronik. Dies führt zu geringerem Energieverbrauch. Ferner können die Kosten gesenkt werden, weil kostengünstige Pumpen ohne Elektromotor verwendet werden können.
Bei den bisher genutzten Pumpen von Kraftstoffeinspritzsystemen war es hingegen so, dass ein Drucksensor den im Common-Rail vorhandenen Druck sensiert und wie in DE 198 34 121 A1 entsprechend dem sensierten Druck ein elektromagnetisches Mengensteuerventil die Fördermenge bestimmt oder wie bei DE 102 41 729 A1 die Pumpe entsprechend über ein Steuergerät geregelt wird. Beim erfindungsgemäßen Vorschlag kann hingegen auf einen Drucksensor und auch auf ein elektromagnetisches Mengensteuerventil verzichtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pumpe ist das Verstellelement mit einem Kolben gestaltet, der von dem am Ausgang der Pumpe vorherrschenden Druck gegen eine Federkraft bewegbar ist.
Mit dem gegen eine Federkraft bewegbaren Kolben wirkt der am Ausgang der Pumpe vorherrschende Druck direkt auf die Verstellung der Pumpe ein und führt damit zu einer Druckregulierung am Ausgang der Pumpe. Der Druck wird dabei auf eine vorgegebene Größe reguliert, indem mit der Verstelleinrichtung die Kraftübertragung zwischen dem Aktuator und der Pumpe verändert wird. Insbesondere wird das Verhältnis der Kraftübertragung derart verändert, dass die Pumpe eine pro Zeiteinheit veränderte Förderleistung zeigt. Es wird dann, wie oben bereits erwähnt, der Druck insbesondere aufgrund einer entsprechenden Anpassung der Drehzahl der Pumpe auf ein vordefiniertes Niveau geregelt. Diese Regelung erfolgt rein mechanisch und bedarf keiner zusätzlichen elektrischen oder elektronischen Steuerung.
Das erfindungsgemäße stufenlose Getriebe ist vorteilhaft mit einem ersten und einem zweiten Reibrad gestaltet, wobei die Position des zweiten Reibrads relativ zum ersten Reibrad veränderbar ist.
Mit der genannten Positionsänderung kann das Übersetzungsverhältnis vom Aktuator zur Pumpe auf rein mechanische Weise verändert werden. Diese Art der Verstellung ist besonders betriebssicher und einfach zu regeln. Sie kann mit einer Zylinder-Kolben-Anordnung auf einfache Weise angesteuert und verstellt werden. Ferner können mit den genannten Reibrädern hohe Drehmomente bei geringen Reibverlusten übertragen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung rollt das zweite Reibrad an einer Stirnseite des ersten Reibrads ab.
Mit der derartigen Anordnung zweier Reibräder ist ein besonders leicht zu verstellendes und zugleich hoch belastbares stufenloses Getriebe geschaffen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pumpe ist das erste Reibrad mit seiner Stirnseite gegen das zweite Reibrad federnd vorgespannt.
Die federnde Vorspannung sichert während des Betriebs des erfindungsgemäßen stufenlosen Getriebes die geforderte Drehmomentenübertragung.
Das zweite Reibrad ist ferner vorteilhaft an der Stirnseite des ersten Reibrads, insbesondere mittels des Verstellelements, radial zum ersten Reibrad versetzbar.
Das radiale Versetzen führt zu einer radial veränderten Lage des zweiten Reibrads relativ zum ersten Reibrad und stellt auf diese Weise besonders einfach ein verändertes Über- bzw. Untersetzungsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Reibrad her.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ferner das zweite Reibrad an einer Drehmoment übertragenden Schiebeverbindung versetzbar.
Mit der Schiebeverbindung ist gewährleistet, dass dauerhaft, also auch während des Verstellvorgangs, eine Übertragung von hohen Drehmomenten möglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe ist der Aktuator ein Nockenantrieb und das Pumpenelement nach dem Rotationsprinzip wirksam.
Wie oben erläutert ist diese Bauweise besonders vorteilhaft, da ein Rotationsgetriebe einfach die geforderte Änderung des Kraftverhältnisses zwischen Aktuator und Pumpe zulässt und zugleich mittels einer Kolben-Zylinder-Anordnung ein solches stufenloses Rotationsgetriebe sehr einfach verstellbar ist. Der Nockenantrieb kann direkt an einem zugehörigen Verbrennungsmotor abgegriffen werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe bei einer ersten Stellung eines zugehörigen Verstellelements und
2 die Ansicht gemäß 1 bei einer zweiten Stellung des Verstellelements.
In 1 ist eine Pumpe 10 in Gestalt einer Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem dargestellt, die über ein stufenloses Getriebe 12 mittels eines Akuators 14 antreibbar ist. Der Aktuator 14 ist vorliegend mit einer Welle 16 gestaltet, die von einem weiter nicht dargestellten Verbrennungsmotor angetrieben wird. Das Kraftstoffeinspritzsystem dient zum Zuführen von flüssigem Kraftstoff zu diesem Verbrennungsmotor.
Die Welle 16 ist an einem Lager 17 radial geführt und axial abgestützt und an ihrem Endbereich ist ein Reibrad 18 in axialer Richtung mittels einer Führung 20 geführt abgestützt. Das Reibrad 18 ist dabei axial zur Welle 16 beweglich und mittels einer innerhalb der Führung 20 angeordneten Schraubenfeder 22 in dieser Bewegung vorgespannt.
Das Reibrad 18 ist auf diese Weise gegen ein Reibrad 24 gedrängt, das sich quer zu ihm erstreckt und sich mit seiner Umfangsfläche gegen eine Stirnseite 26 des Reibrades 18 abstützt.
Das Reibrad 24 ist an einer Schiebeverbindung 28 mit einer Welle 30 drehmomentenübertragend verbunden. Die Welle 30 bildet den zur Pumpe 10 gerichteten Abtrieb des derart gebildeten Getriebes 12. Die Schiebeverbindung 28 ist mit einem Polygon- bzw. Zahnprofil gestaltet, welches ein Verschieben des Reibrades 24 längs der Schiebeverbindung 28 und damit ein Versetzen dieses Reibrades 24 in radialer Richtung an der Stirnfläche 26 des Reibrades 18 ermöglicht. Mit diesem Versetzen wird das Verhältnis der Kraftübertragung zwischen dem Reibrad 18 und dem Reibrad 24, welche vorliegend eine Drehmomentenübertragung bewirkt, verändert.
Innerhalb der Schiebeverbindung 28 ist eine Schraubenfeder 32 angeordnet, mit der das Reibrad 24 in Richtung eines Kolbens 34 weg von der Welle 30 gedrängt ist. Die Welle 30 ist dazu an einem Lager 36 radial geführt und axial abgestützt. Der Kolben 34 ist in einem Zylinder 38 radial geführt und axial abgestützt. In einem dabei im Zylinder 38 ausgebildeten Zylinderraum 40 liegt, zugeleitet durch eine Leitung 42, der Druck an, der am Ausgang der Pumpe 10 vorherrscht. Der derart im Zylinderraum 40 herrschende Druck bewirkt, dass der Kolben 34 und damit das Reibrad 24 während des Betriebs der Pumpe 10 relativ zum Reibrad 18 verstellt wird, sobald sich der Druck am Ausgang der Pumpe 10 verändert. Der Kolben 34 wirkt also zusammen mit der Schiebeverbindung 28 als Verstellelement für das Getriebe 12.
Diese Verstellung des Reibrades 24 relativ zum Reibrad 18 ist stufenlos, so dass das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Reibrädern entsprechend stufenlos verstellt werden kann. Die Verstellung erfolgt dabei so, dass mit steigendem Druck am Ausgang der Pumpe 10, beispielsweise weil dort pro Zeiteinheit geringere Mengen an Brennstoff abströmen bzw. am Verbrennungsmotor eingespritzt werden, der Druck auf den Kolben 34 entsprechend steigt. Die Drucksteigerung im Zylinderraum 40 führt dazu, dass der Kolben bezogen auf die Fig. nach rechts verschoben und dabei das Reibrad 24 relativ zum Reibrad 18 radial nach innen versetzt wird. Mit diesem Versatz wird das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Reibrad 18 und dem Reibrad 24 verringert und die Welle 30 als Ausgangswelle im Verhältnis zur Welle 16 als Eingangswelle langsamer gedreht als zuvor. Damit wird auch die Pumpe 10 langsamer angetrieben und senkt entsprechend ihre Fördermenge pro Zeiteinheit. Diese Reduzierung der Förderleistung führt zu einer Reduzierung des Drucks am Ausgang der Pumpe 10. Es stellt sich also mit dieser Vorgehensweise ein vordefinierter Druck am Ausgang der Pumpe ein, ohne dass es dazu einer elektrischen oder elektronischen Steuerung, beispielsweise mittels Elektromagnetventilen, bedarf.
Die Situation der derart erfindungsgemäßen Anordnung bei hohem Druck am Ausgang der Pumpe 10 ist in 1 dargestellt. Das Reibrad 24 befindet sich radial weit innen am Reibrad 18. Die 2 zeigt die Situation, wenn der Druck am Ausgang der Pumpe 10 gering ist und sich dann aufgrund der Federkraft der Schraubenfeder 32 der Kolben 34 wieder bezogen auf die Fig. nach links bewegt hat. Das Reibrad 24 befindet sich dann radial außen am Reibrad 18. Der Verstellweg, den das Reibrad 24 dabei zurücklegt, ist in 2 mit Bezugszeichen 44 gekennzeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10241729 A1 [0002, 0007]
DE 19834121 A1 [0003, 0007]

Claims

Pumpe (10) für ein Hochdrucksystem mit einem ein Fluid fördernden Pumpenelement und einem das Pumpenelement antreibenden Aktuator (14), bei der ein stufenloses Getriebe (12) vorgesehen ist, mittels dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator (14) zum Pumpenelement veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches Verstellelement (28; 34) vorgesehen ist, mit dem das Verhältnis der Kraftübertragung vom Aktuator (14) zum Pumpenelement abhängig von dem am Ausgang der Pumpe (10) vorherrschenden Druck veränderbar ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement mit einem Kolben (34) gestaltet ist, der von dem am Ausgang der Pumpe (10) vorherrschenden Druck gegen eine Federkraft (32) bewegbar ist.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlose Getriebe (12) mit einem ersten Reibrad (18) und einem zweiten Reibrad (24) gestaltet ist, wobei die Position des zweiten Reibrads (24) relativ zum ersten Reibrad (18) veränderbar ist.
Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reibrad (24) an einer Stirnseite (26) des ersten Reibrads (18) abrollt.
Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reibrad (18) mit seiner Stirnseite (26) gegen das zweite Reibrad (24) federnd vorgespannt (22) ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reibrad (24) an der Stirnseite (26) des ersten Reibrads (18), insbesondere mittels des Verstellelements (28; 34), radial zum ersten Reibrad (18) versetzbar ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reibrad (24) an einer Drehmoment übertragenden Schiebeverbindung (28) versetzbar ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (14) ein Nockenantrieb und das Pumpenelement nach dem Rotationsprinzip wirksam ist.
Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Pumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.