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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse, in dem in einem kraftstoffbefüllten Triebwerksraum eine Antriebswelle angeordnet ist, durch zumindest mittelbar wenigstens ein Pumpenkolben angetrieben wird, und wobei ferner die Antriebswelle über mindestens ein in einer Gehäusebohrung angeordnetes Wellenlager drehbar gelagert ist,
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Stand der Technik
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Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik sind Common-Rail-Pumpen mit mengen- und druckgeregelten Niederdruckkreisläufen, die druckgeschmierte Lager aufweisen, bekannt. Bekannt sind ebenso Common-Rail-Pumpen mit einer sogenannten Sumpfschmierung der Lagerstellen. Hierbei wird lediglich der Bereich vor und nach den Lagerstellen hydraulisch miteinander verbunden, ohne dass eine gezielte Durchströmung der Lager erfolgt, bzw. eine Lagerdurchflussmenge abgeführt wird.
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Bei Konzepten mit druckgeschmierten Lagerstellen muss ein Druckunterschied vor und nach dem Lager vorhanden sein. Der Lagerwerkstoff sollte ausreichend robust z.B. gegen Flow-Erosion sein. Weiterhin muss die Durchströmmenge, die je nach Lagerspiel und Viskosität des Kraftstoffs sehr unterschiedlich sein kann, bei der Festlegung der Niederdruckmengenbilanz seitens der Vorförderpumpe vorgehalten werden.
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Bei sumpfgeschmierten Lagerstellen erfolgt keine gezielte Durchströmung der Lager. Die in den Lagern aufgrund der Reibleistung entstehende Wärme kann nur bedingt abgeführt werden. Sumpfgeschmierte Lager sind daher deutlich weniger belastbar als druckgeschmierte Lager.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe der vorstehend genannten Art geht beispielsweise aus der
DE 41 26 640 A1 hervor. Der Kraftstoffhochdruckpumpe ist eine Vorförderpumpe vorgeschaltet, welche einen Ablaufströmungspfad zur Rückführung einer Überschuss-Strömungsmittelmenge zurück in einen Tank umfasst. Zur Anhebung der Belastbarkeit der Bereiche der Kraftstoffhochdruckpumpe, welche einer erhöhten thermischen und/oder mechanischen Belastung unterliegen, werden diese Bereiche in den Ablauf-Strömungspfad einbezogen, so dass die Überschuss-Strömungsmittelmenge diese Bereiche erfasst und effektiv kühlen kann.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet und weist eine Antriebswelle mit einem Exzenterbetrieb zur Betätigung mindestens eines Pumpenelementes auf. Als Bereiche, die einer überhöhten thermischen und/oder mechanischen Belastung unterliegen, sind die gehäuseseitigen Wellenlager sowie die Gleitlager des Exzentertriebs anzusehen. Um diese Bereiche zu schmieren und zu kühlen, werden sie von der Überschuss-Strömungsmittelmenge umspült. Hierzu wird ein Fluidstrom quer durch das Gehäuse an die Antriebswelle heran und entlang der Antriebswelle im Bereich eines ersten Wellenlagers in einen den Exzentertrieb aufnehmenden Triebwerksraum der Pumpe geführt. Über ein weiteres Wellenlager und mehrere Gehäusebohrungen gelangt die Fluidmenge in eine Tank-Ablaufleitung.
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Des Weiteren ist aus der
DE 102 40 310 A1 ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Niederdruckbereich, einer Kraftstoffhochdruckpumpe und einem Hochdruckbereich bekannt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst unter anderem einen Antriebsraum und eine Schmiermittel-Versorgungseinrichtung zur Versorgung beweglicher Teile mit Kraftstoff als Schmiermittel, wobei durch die Schmiermittel-Versorgungseinrichtung der Antriebsraum mit einem Druck beaufschlagt werden kann, der höher ist als der Druck im Niederdruckbereich. In einer Antriebswelle ist ein von einer axialen Endfläche ausgehender und bis zu einem Exzenterabschnitt in Längsrichtung in der Antriebswelle verlaufender Kanal vorhanden. Dieser Kanal mündet über zur Längsachse der Antriebswelle radial verlaufende Stichkanäle in die Mantelfläche der Antriebswelle, und zwar zum einen in einem Bereich des Lagers und zum anderen in einem Bereich des Exzenterabschnitts. Über den Kanal wir eine Schmierung der Lagerstellen auf der Mantelfläche der Antriebswelle gewährleistet.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem vorgehend genannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine automatische Generierung einer bedarfsgerechten, internen Lagerdurchflussmenge aufzuzeigen, die automatisch über die jeweilige Drehzahl der Antriebswelle einstellbar ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.
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Erfindungsgemäß weist eine Antriebswelle an einer Stirnfläche eine axiale Aussparung zum Durchfluss des Kraftstoffs auf, wobei die Aussparung mittig bezogen auf eine Längsachse der Antriebswelle angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Aussparung als Sacklochbohrung ausgebildet. Diese Aussparung dient dem Durchfließen des Kraftstoffs durch die Antriebswelle. Es ist denkbar die Aussparung durch Bohren oder Erodieren aber auch laserfertigungstechnisch einzubringen. Die Aussparung dringt vorteilhafter Weise nur geringfügig in die Antriebswelle ein und durchläuft diese nicht vollständig, so dass die Festigkeit der Antriebswelle nicht zu stark herabgesetzt wird.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Aussparung über mindestens eine radial von der Aussparung wegführende Schmierbohrung fluidtechnisch mit einem Triebwerksraum verbunden. Die Schmierbohrungen realisieren einen Abfluss des Kraftstoffs aus der Aussparung in den Triebwerksraum. Über die Drehzahl der Antriebswelle und dem jeweiligen Abstand zur Längsachse der Antriebswelle variiert die Geschwindigkeit des Kraftstoffs in der Schmierbohrung. Die Geschwindigkeit des Kraftstoffs ist geprägt von der auf dem Kraftstoff wirkenden Zentrifugalkraft und nimmt mit zunehmender Drehzahl der Antriebswelle und zunehmenden Abstand von der Längsachse der Antriebswelle ebenfalls zu. Die Schmierbohrung führt vorteilhafter Weise schräg von der Aussparung in den Triebwerksraum, kann aber auch senkrecht zu der Längsachse der Antriebswelle verlaufen.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass ein Eintritt und ein Austritt der mindestens einen Schmierbohrung unterschiedliche Abstände von der Längsachse der Antriebswelle aufweisen. Dadurch erfährt der Kraftstoff zum Austritt hin eine Beschleunigung durch die Zentrifugalkraft.
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Vorzugsweise weist die mindestens eine Schmierbohrung einen geringeren Durchmesser auf als die Aussparung. Dies ermöglicht einen geringen Einfluss der mindestens einen Schmierbohrung auf die Festigkeit der Antriebswelle und erlaubt einen kontinuierlichen Durchfluss von Kraftstoff durch die Schmierbohrung.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zwischen der Antriebswelle und dem mindestens einen Wellenlager ein Lagerspiel zum Durchfluss des Kraftstoffs vorhanden ist. Darüber hinaus ist bei jeder axialen Position der Antriebswelle an der Stirnfläche der Antriebswelle ein Spalt zum Durchfluss des Kraftstoffs ausgebildet. Somit wird ein Durchfluss des Kraftstoffs aus dem Triebwerksraum über das Lagerspiel zwischen Antriebswelle und Wellenlager, entlang der Stirnfläche der Antriebswelle, in die Aussparung der Antriebswelle gewährleistet. Durch die mindestens eine Schmierbohrung gelangt der Kraftstoff aus der Aussparung in den Triebwerksraum zurück.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Aussparung und der Triebwerksraum einen Druckunterschied aufweisen, der zu einem Kraftstoffkreislauf zwischen der Aussparung und dem Triebwerksraum führt, wobei ein Druck im Triebwerksraum höher ist als ein Druck in der Aussparung.
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Durch eine Zunahme der Drehzahl der Antriebswelle erhöht sich der Druck im Triebwerksraum. Aufgrund der auf den Kraftstoff in der Aussparung wirkenden Zentrifugalkraft steigt der Druck in der Aussparung zuerst an, fällt dann aber ab einer bestimmten Drehzahl wieder ab. Der Druck im Triebwerksraum übersteigt den Druck in der Aussparung zu jedem Zeitpunkt, so dass der Triebwerksraum von einem Überdruck und die Aussparung von einem darauf bezogenen Unterdruck geprägt ist.
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Die Drehzahl der Antriebswelle reguliert unter anderem die Durchflussgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die mindestens eine Schmierbohrung. Mit zunehmender Drehzahl der Antriebswelle steigt die Durchflussgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die mindestens eine Schmierbohrung. Da es sich um einen internen Kreislauf entlang der Mantelfläche der Antriebswelle durch die Lagerstellen handelt, werden den Lagerstellen mit zunehmender Drehzahl automatisch mehr Schmier- und Kühlmittel zugeführt.
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Die automatische Regulierung der Schmier- und Kühlmittelzufuhr ist sinnvoll, da sich beispielsweise die Reibleistung von Gleitlagerstellen bei Überschreitung einer bestimmten Drehzahl wieder erhöht und somit auch die Wärmebildung im Lager ansteigt. Das Gleitlager erfährt dadurch bei hoher Drehzahl und einen daraus resultierenden zunehmenden Druckunterschied zwischen Triebwerksraum und Aussparung einen erhöhten Kraftstoffdurchfluss. Der Kraftstoffdurchfluss kann durch eine entsprechende Auslegung von Lagerdurchmesser, Lagerlänge und Lagerspiel gezielt optimiert werden.
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Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zur Ausbildung des mindestens einen Wellenlagers ein Lagerring in die Gehäusebohrung eingesetzt ist. Der Lagerring kann aus einem Gleitlagermaterial hergestellt sein oder eine Beschichtung aus einem solchen Gleitlagermaterial aufweisen. Das die Gehäusebohrung aufweisende Gehäuseteil kann demgegenüber aus einem kostengünstigeren Werkstoff gefertigt sein.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein ausschnittsweise dargestelltes Pumpengehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe fördert aus einem Niederdrucksystem zugeführten Kraftstoff, in einen Hochdruckspeicher, aus dem der Kraftstoff von Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in Brennräume einer Brennkraftmaschine entnommen wird. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um eine mit Dieselkraftstoff betriebene selbstzündende Brennkraftmaschine.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist das Pumpengehäuse 1 auf, in dem ein Triebwerksraum 2 gebildet ist. Dem Triebwerkraum 2 wird der Kraftstoff von dem Niederdrucksystem zugeführt. In dem Pumpengehäuse 1 ist eine Antriebswelle 3 drehbar gelagert, die in den Triebwerksraum 2 hineinragt und über eine an einem Nocken 5 der Antriebswelle 3 sich abstützende Stößelbaugruppe 6 mit einem Pumpenkolben 4 zusammenwirkt. Der Pumpenkolben 4 fördert den in einem Pumpenarbeitsraum eingebrachten Kraftstoff in den Hochdruckspeicher, dem sogenannten Common-Rail. Der im Pumpenarbeitsraum eingebrachte Kraftstoff wird von einer – hier nicht dargestellten – Zumesseinheit zugemessen, die ebenfalls in das Pumpengehäuse 1 eingebaut ist und mit dem Triebwerksraum 2 verbunden ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in den Triebwerksraum 2 beispielsweise eine konstante Menge an Kraftstoff eingebracht wird und die Zumesseinheit in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine unterschiedliche Kraftstoffmengen in den Pumpenarbeitsraum einleitet.
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An einer Stirnfläche weist die Antriebswelle 3, welche über zwei Wellenlager 9, 10 in den Gehäusebohrungen 7, 8 gelagert ist, eine als Sacklochbohrung ausgebildete axiale Aussparung 11 zum Durchfluss des Kraftstoffs auf. Die Aussparung 11 ist mittig bezogen auf eine Längsachse 12 der Antriebswelle 3 angeordnet. Über zwei radial von der Aussparung 11 wegführende Schmierbohrungen 13 in der Antriebswelle 3 entsteht eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Aussparung 11 und dem Triebwerksraum 2. Zwischen der Antriebswelle 3 und dem Wellenlager 9 ist ein Lagerspiel L zum Durchfluss des Kraftstoffs vorhanden. Der Kraftstoff dient als Schmier- und Kühlmittel für die Wellenlager 9, 10.
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Zwischen der Stirnfläche der Antriebswelle 3 in dem die Aussparung 11 eingebracht ist und einem Gehäusedeckel 15 ist erfindungsgemäß bei jeder axialen Position der Antriebswelle 3 ein Spalt S zum Durchfluss des Kraftstoffs ausgebildet. Aufgrund des Spalts S und des Lagerspiels L entsteht über die Aussparung 11 und die beiden Schmierbohrungen 13 ein interner Kühlfluss und Kraftstoffaustausch durch das Wellenlager 9. Die Zwangsströmung resultiert aus einem Druckunterschied zwischen der Aussparung 11 und dem Triebwerksraum 2, wobei der Druck im Triebwerksraum 2 größer ist als der Druck in der Aussparung 11.
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Die Nutzung der mit der Drehzahl der Antriebswelle 3 ansteigenden Zentrifugalkraft ermöglicht eine automatische Generierung einer bedarfsgerechten, internen Lagerdurchflussmenge, die automatisch über die jeweilige Drehzahl einstellbar ist. Je höher die Drehzahl ist, umso größer ist auch die Reibung und Wärmeentwicklung in dem Wellenlager 9 und umso größer sollte die schmierende und wärmeabführende Zwangsströmung durch das Wellenlager 9 sein. Dadurch, dass die Lagerdurchflussmenge nur im Pumpeninnenraum bewegt wird, können Vorförderpumpen entsprechend kleiner dimensioniert werden und somit mit einem reduzierten Energiebedarf betrieben werden.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle der zwei Schmierbohrungen 13 auch mehrere in sich verzweigte Schmierbohrungen 13 in die Antriebswelle einzubringen. Des Weiteren ist es denkbar in eine beliebige Welle die Schmierbohrungen 13 und die Aussparung 11 einzubringen, um die Versorgung von Wellenlager mit Schmier- und Kühlmittel sicherzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4126640 A1 [0005]
- DE 10240310 A1 [0007]
