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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik werden zur Druckerzeugung für die Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren unter anderem Kolben-Zylinder-Systeme beispielsweise in Radialkolbenpumpen eingesetzt. Der Kolben wird dabei beispielsweise durch einen Nocken nach oben bewegt und verdichtet dabei Kraftstoff. Nach Überschreiten eines oberen Totpunktes wird durch Kolben durch eine vorgespannte Spiralfeder aus Federdraht, eine sogenannte Kolbenrückholfeder, wieder abwärts bewegt.
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In
DE 10 2006 041 673 A1 ist eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine beschrieben, welche eine Antriebswelle mit einem Nocken oder Exzenter und wenigstens ein Pumpenelement mit einem Pumpenkolben aufweist, der durch den Nocken oder Exzenter der Antriebswelle in einer Hubbewegung antetrieben wird. Zwischen dem Pumpenkolben und dem Nocken der Antriebswelle ist ein Stößel einer Stößelbaugruppe angeordnet, über den sich der Pumpenkolben mittelbar an dem Nocken der Antriebswelle abstützt. An dem Stößel oder an dem Pumpenkolben greift eine vorgespannte Rückstellfeder an, die sich an einem Pumpengehäuseteil abstützt. Durch die Rückstellfeder werden der Pumpenkolben und der Stößel zum Nocken der Antriebswelle hin beaufschlagt, so dass die Anlage einer Laufrolle der Stößelbaugruppe am Nocken auch beim zur Antriebswelle hin gerichteten Saughub des Pumpenkolbens sichergestellt ist.
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Jedoch für die Hubbewegung zu einer Schwingungsanregung der Feder und dadurch zu einer deutlichen Zunahme der Beanspruchung durch die Dynamik. Mit zunehmender Hubfrequenz erhöht sich die dynamische Beanspruchung deutlich. Dies kann zu einer Überbeanspruchung der Feder und somit zum Bruch derselben führen. Eine sichere Auslegung der Feder für die Lebensdauer bedarf somit großer Federn, was einen entsprechenden Bauraum erfordert.
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Eine weitere Forderung, die die Feder erfüllen muss, ist die Medienbeständigkeit insbesondere gegenüber Wasser und anderer korrosiver Medien. Korrosion an der Feder führt ebenfalls zu Bruch bei deutlich reduzierter Lebensdauer. Korrosionsbeständige Federstähle besitzen gegenüber rostenden Stählen deutlich geringere Festigkeiten, so dass für die Darstellung der gleichen Festigkeit eine größere Dimensionierung der rostfreien Feder notwendig ist.
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Beim möglichen Einsatz von Spiralfedern besteht der Nachteil, dass diese beim Zusammendrücken um ihre Hochachse tordieren und so Kräfte auf die stirnseitigen Federführungen einleiten. Diese Kräfte können dann wiederum zu einer ungewollten Beeinflussung des Systems führen.
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Daher ist es notwendig, eine Hochdruckpumpe mit einem verbesserten Federelement zum Rückstellen des Pumpenkolbens zu schaffen.
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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 einen zumindest teilweise in einem Pumpenarbeitsraum angeordneten Pumpenkolben aufweist, welcher durch die Drehung einer Antriebswelle um eine Drehachse herum über zumindest einen an der Antriebswelle angeordneten Nocken mittelbar in einer Hubbewegung in im Wesentlichen radialer Richtung zu der Drehachse der Antriebswelle angetrieben wird, wobei der Nocken den Pumpenkolben zum Verdichten von Kraftstoff in dem Pumpenarbeitsraum nach oben bewegt und ein Federelement den Pumpenkolben nach Überschreiten eines oberen Totpunkts wieder nach unten drückt, wobei das Federelement ein pneumatisches Federelement ist. Durch Ersetzen der aus dem Stand der Technik bekannten mechanischen Federung durch die pneumatische Federung kann einerseits Bauraum eingespart werden und andererseits ein auf Lebenszeit sicheres Federelement ausgelegt werden. Torsionskräfte, die beim Zusammendrücken beispielsweise einer Spiralfeder entstehen, werden vermieden. Auch ist bei der erfindungsgemäßen Konfiguration die Verwendung von medienbeständigen Materialien problemlos.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das pneumatische Federelement ein in einem gasdichten Behälter mit veränderbaren Volumen angeordnetes kompressibles Gas auf. Die Federkraft des pneumatischen Federelements resultiert aus der Verdichtung des Gases während des Kolbenhubs (Druckhub). Da das Gas in einem dichten Raum, nämlich in dem gasdichten Behälter, eingeschlossen ist, wird es während der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens komprimiert. Dadurch steigt der Gasdruck und somit auch die Rückstellkraft bei möglichst geringer Temperaturabhängigkeit an. Durch die geeignete Auslegung von Druck und Fläche kann der Bauraum auf vorteilhafte Weise reduziert werden. Auch wird durch den Einsatz des pneumatischen Federelements eine freie Wahl von Volumen und Grundflächen in Kombination mit dem Druckniveau des Gases in dem Behälter, um die resultierenden Kräfte einzustellen, ermöglicht. Die Form des Behälters kann entsprechend der Anforderungen gestaltet werden. Zum Beispiel kann bei Kolben-Zylindersystemen ein konzentrisches Element verwendet werden, welches um die Kolbenführung herum angeordnet ist. Die Positionierung des Federelements erfolgt auf vorteilhafte Weise durch Führung an einer Mantelfläche und/oder Stirnfläche.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der gasdichte Behälter zumindest ein erstes und ein zweites Behälterelement auf, welche zueinander angeordnet ein Volumen einschließen. Durch eine enge Führung und eine lange Überlappung des ersten und zweiten Behälterelements kann auch bei großen Hüben eine hohe Stabilität erzielt werden.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das erste und das zweite Behälterelement mittels einer innenliegenden Membran verbunden.
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Vorzugsweise weist der gasdichte Behälter eine Hubbegrenzungseinrichtung auf. Dies erleichtert die Montage.
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Noch bevorzugter ist es, wenn der reibungsreduzierenden Beschichtung versehen ist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Gas in dem gasdichten Behälter während der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens komprimiert.
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Vorzugsweise ist der Gasdruck in dem gasdichten Behälter kleiner als 50 bar. Hierbei ist von Vorteil, dass keine mechanische Überbeanspruchung von Bauteilen auftritt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn dem Gas ein Schmiermedium beigemischt ist, um die Reibung der Bauteile gegeneinander zu minimieren.
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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; und
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2 eine schematische Seitenansicht eines Kolben-Zylinder-Systems einer Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform.
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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 3 angeordnet ist. Die Antriebswelle 3 ist beispielsweise über zwei in Richtung der Drehachse 4 der Antriebswelle 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 Antriebswelle 3 einen Nocken 7 oder einen exzentrisch zu ihrer Drehachse 4 ausgebildeten Abschnitt auf, wobei der Nocken 7 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 Antriebswelle 3 in einer Hubbewegung in zumindest annähernd radialer Richtung zur Drehachse 4 der Antriebswelle 3 angetrieben wird. 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 Antriebswelle 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 Antriebswelle 3 abgewandten Stirnseite in der Zylinderbohrung 13 einen 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, 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 Kraftstoffablaufkanal 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 Kraftstoffablaufkanals 17 in den Pumpenarbeitsraum 14 ist ein aus dem Pumpenarbeitsraum 14 öffnendes Auslassventil 20 angeordnet.
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Beim Saughub des Pumpenkolbens 9, bei dem sich dieser radial nach innen bewegt, wird der Pumpenarbeitsraum 14 durch den Kraftstoffzulaufkanal 15 bei geöffnetem Einlassventil 16 mit Kraftstoff befüllt, wobei das Auslassventil 20 geschlossen ist. Beim Förderhub des Pumpenkolbens 9, bei dem sich dieser radial nach außen bewegt, wird durch den Pumpenkolben 9 Kraftstoff unter Hochdruck durch den Kraftstoffablaufkanal 17 bei geöffnetem Auslassventil 20 zum Hochdruckspeicher 18 gefördert, wobei das Einlassventil 16 geschlossen ist.
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Zwischen dem Pumpenkolben 9 und dem Nocken 7 der Antriebswelle 3 ist ein Stößel 21 angeordnet, über den sich der Pumpenkolben 9 zumindest mittelbar am Nocken 7 der Antriebswelle 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 Antriebswelle 3 zugewandtem Endbereich ein Rollenschuh 24 eingesetzt, in dem eine Laufrolle 25 drehbar gelagert ist, die auf dem Nocken 7 der Antriebswelle 3 abrollt. Die Drehachse 26 der Laufrolle 25 ist zumindest annähernd parallel zur Drehachse 4 der Antriebswelle 3. Der Rollenschuh 24 weist auf seiner der Antriebswelle 3 zugewandten Seite eine Vertiefung 27 auf, in der die Laufrolle 25 drehbar gelagert ist.
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Am Stößel 21 oder am Pumpenkolben 9 greift ein vorgespanntes mechanisches Federelement 28, welche als Rückstellfeder ausgebildet ist, an, die sich am Pumpengehäuseteil 10 abstützt. Durch das Federelement 28 werden der Pumpenkolben 9 und der Stößel 21 zum Nocken 7 der Antriebswelle 3 hin beaufschlagt, so dass die Anlage der Rolle 25 am Nocken 7 auch beim zur Antriebswelle 3 hin gerichteten Saughub des Pumpenkolbens 9. 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 vorgesehen 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 an einem Rollenschuh 24 gehalten wird, so dass der gesamte Verbund aus Pumpenkolben 9, Stößel 21 und Rollenschuh 24 mit Laufrollolle 25 zum Nocken 7 der Antriebswelle 3 hin beaufschlagt ist.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kolben-Zylinder-Systems 30, welches beispielsweise Bestandteil einer Hochdruckpumpe 1 gemäß einer Ausführungsform sein kann. Das Kolben-Zylinder-System 30 weist en Gehäuse 31 auf, welches mit einem Einlass 32 zum Einleiten beispielsweise von Kraftstoff in das Gehäuse 31 und mit einem Auslass 33 zum Ausgeben des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffs aus dem Gehäuse 31 aufweist. Das Gehäuse 31 weist einen zylindrischen Schaftabschnitt 34 bzw. eine Kolbenführung auf, in dem ein Pumpenkolben 9 angeordnet ist, der durch eine hier nicht dargestellte Antriebswelle in eine Hubbewegung versetzt wird. An dem Schaftabschnitt 34 bzw. der Kolbenführung ist ein konzentrisch ausgebildeter gasdichter Behälter 35 mit variablen Volumen angeordnet, welcher ein erstes Behälterelement 36 und ein zweites Behälterelement 37 umfasst. Das zweite Behälterelement 37 ist eng auf dem ersten Behälterelement 36 geführt und überlappt mit diesem über einen weiten Bereich, um eine hohe Stabilität auch bei großen Kolbenhüben vorzusehen. Darüber hinaus ist das erste Behälterelement 36 mit dem zweiten Behälterelement 37 über eine innenliegende Membran verbunden, um den Behälter 35 nach außen gasdicht abzuschließen. Der gasdichte Behälter 35 ist mit einem kompressiblen Gas gefüllt und bildet so das pneumatische Federelement 38. Die Federkraft dieses pneumatischen Federelements 38 resultiert, wie bereits beschrieben, durch die Verdichtung des kompressiblen Gases während des Druckhubs des Pumpenkolbens 9. Durch Kompression des Gases beim Druckhub und den dadurch steigenden Gasdruck im Inneren des gasdichten Behälters 35 nimmt die Rückstellkraft des pneumatischen Federelements 38 zum. Das pneumatische Federelement 38 weist zur Montage eine hier nicht dargestellte Hubbegrenzung auf. Das pneumatische Federelement 38 wird auf einfache Weise durch Führung an einer Mantelfläche, wie beispielsweise die Außenseite der Kolbenführung und/oder einer Stirnfläche positioniert.
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Insgesamt betrachtet wird mit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 1, die ein Kolben-Zylinder-System 30 mit einem pneumatischen Federelement 38 aufweist, eine bauraumsparende und sichere Lösung zum Rückstellen des Pumpenkolbens nach Überschreiten des oberen Totpunkts geschaffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006041673 A1 [0003]
