DE102015201452A1

DE102015201452A1 - Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe, Nocken für eine Vorrichtung, Kolbenpumpe und Verfahren zum Auslegen der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015201452A1
Application number: DE102015201452.5A
Authority: DE
Inventors: Otto Mueller; Bjoern Laibacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28
Also published as: WO2016120082A1

Abstract

Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe, aufweisend wenigstens einen auf einer Nockenwelle 9 angeordneten Nocken 8, der zur Erzeugung einer Hin- und Her-Bewegung eines Pumpenkolbens 7 der Kolbenpumpe mit dem Pumpenkolben 7 direkt oder indirekt zusammenwirkt, wobei der Nocken 8 ein Nockenprofil 19 mit einem ersten Abschnitt für einen Aufwärtshub und einen zweiten Abschnitt für einen Abwärtshub aufweist, und wobei das Nockenprofil 18 ein harmonisch generiertes Nockenprofil 18 ist. Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kolbenpumpe mit einem Nocken 8 für eine solche Vorrichtung angegeben, wodurch die Kolbenpumpe bezüglich ihres Betriebs, insbesondere hinsichtlich einer Reduzierung des maximalen Antriebsmoments und der maximalen Pumpenkolbengeschwindigkeit verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass der Nocken 8 zusätzlich eine asymmetrische Nockenform 19 aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe, aufweisend wenigstens einen auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken, der zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung eines Pumpenkolbens der Kolbenpumpe mit dem Pumpenkolben direkt oder indirekt zusammenwirkt, wobei der Nocken ein Nockenprofil mit einem ersten Abschnitt für einen Aufwärtshub und mit einem zweiten Abschnitt für einen Abwärtshub aufweist, und wobei das Nockenprofil ein harmonisch generiertes Nockenprofil ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Nocken für eine solche Vorrichtung, eine Kolbenpumpe und ein Verfahren zum Auslegen einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
Eine derartige Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe ist aus WO 2008/116241 A2 bekannt. Diese Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe weist wenigstens einen auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken auf, der zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung eines Pumpenkolbens der Kolbenpumpe mit dem Pumpenkolben direkt oder unter Einfügung eines Rollenstößels zusammenwirkt. Dieser Nocken weist ein Nockenprofil beziehungsweise eine Nockenerhebungskurve mit einem ersten Abschnitt für einen Aufwärtshub und mit einem zweiten Abschnitt für einen Abwärtshub auf. Dabei ist das Nockenprofil ein harmonisch generiertes Nockenprofil, das aus einer Summe von Sinusfunktionen oder Cosinusfunktionen beispielsweise bis zur dritten Ordnung plus einer Konstanten zusammengesetzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kolbenpumpe mit einem Nocken für eine solche Vorrichtung, eine Kolbenpumpe und ein Verfahren zum Auslegen einer solchen Vorrichtung anzugeben, wodurch die Kolbenpumpe bezüglich ihres Betriebs verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Nocken der Vorrichtung zusätzlich eine asymmetrische Nockenform aufweist beziehungsweise das Verfahren zur Auslegung des Nockens sieht vor, dass der Nocken zusätzlich mit einer asymmetrischen Nockenform zu einer Reduzierung einer Kolbenpumpengeschwindigkeit ausgelegt beziehungsweise versehen ist. Die asymmetrische Nockenform ermöglicht es, die Kolbenpumpengeschwindigkeit, insbesondere die Geschwindigkeit eines Pumpenkolbens der Kolbenpumpe, herabzusetzen. Dadurch werden die auf die Kolbenpumpe einwirkenden, beziehungsweise die in der Kolbenpumpe wirkenden Kräfte, herabgesetzt und somit der Betrieb der Kolbenpumpe insgesamt verbessert. Dabei kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung unter anderem das notwendige Pumpenantriebsmoment niedrig gehalten werden. Dadurch kann beispielsweise bei einem Antrieb der Kolbenpumpe durch einen Riemenantrieb der Antrieb kleiner beziehungsweise bezüglich des zu übertragenden Moments leistungsschwächer dimensioniert werden. Infolge dessen kann der Antrieb einen geringeren Bauraum beanspruchend ausgelegt werden und demzufolge auch kostengünstiger hergestellt werden. Zudem werden durch das geringere zu übertragende Drehmoment die in dem Antrieb wirkenden Kräfte reduziert, wobei diese Reduzierung der Kräfte sich verringernd auf Reibverluste in beispielsweise den Lagern, den Zahnrädern, und/oder den Riemenrädern, weiterhin auf die in einem Riemen und/oder einer Antriebskette und/oder Umlenkrollen wirkenden Kräfte beziehungsweise auftretenden Spankräfte auswirken.
In Weiterbildung der Erfindung ist die asymmetrische Nockenform eine Verschiebung eines oberen Totpunkts des Nockens generierend ausgebildet. Durch diese Verschiebung des oberen Totpunkts des Nockens lässt sich das Antriebsmoment der entsprechend ausgebildeten Nockenwelle besonders vorteilhaft reduzieren. Diese Reduzierung des Antriebsmoments bewirkt eine Reduzierung einer Federanregung, wobei die Feder in der Kolbenpumpe beispielsweise in der Form verbaut ist, dass diese für ein dauerhaftes Zusammenwirken eines Rollenstößels mit der Nockenwelle beziehungsweise insbesondere des Nockens bei einer Drehbewegung der Nockenwelle sorgt. Auch werden die Startbedingungen bei Inbetriebnahme der Kolbenpumpe, insbesondere beim Losrollen der Rolle des Rollenstößels auf der Nockenwelle, optimiert. Die Kolbenpumpe wird insbesondere bezüglich des Verschleißes des Antriebs der Kolbenpumpe gegenüber bisherigen Ausgestaltungen verbessert und robuster.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der obere Totpunkt des Nockens in Richtung eines größeren Nockenwellenwinkels verlegt. Dabei erfolgt eine Verlegung des oberen Totpunkts um bis zu 30°, insbesondere um bis zu 15° Nockenwellenwinkel. Eine solche Verlegung hat sich als besonders geeignet für eine Erreichung beziehungsweise eine Einstellung der zuvor genannten Vorteile erwiesen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die asymmetrische Nockenform mathematisch bestimmt. Grundsätzlich kann die asymmetrische Nockenform aber auch beispielsweise durch entsprechende Versuche oder Versuchsreihen optimiert werden. Bei einer mathematischen Auslegung kann beispielsweise ein Gleichungssystem mit mehreren Unbekannten aufgestellt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist das harmonische Nockenprofil ein 3-fach harmonisches Nockenprofil. Ein solches 3-harmonisches Nockenprofil setzt sich bevorzugt aus einer Summe von Sinusfunktionen oder Cosinusfunktionen beispielsweise bis zur 3. Ordnung zuzüglich einer Konstanten zusammen. Dabei wird pro Ordnung jeweils ein Summand verwendet. Ein solcher 3-harmonischer Nocken beziehungsweise ein solches Nockenprofil hat Vorteile bei der Anregung einer Feder, insbesondere einer Stößelfeder, da diese nur bis zur 3. Ordnung angeregt wird, weist jedoch Nachteile bezüglich des Antriebsmoments durch hohe Kolbengeschwindigkeiten auf, was aber erfindungsgemäß durch die asymmetrische Nockenform ausgeglichen wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Kolbenpumpe eine Kraftstoffhochdruckpumpe. Wenn auch der Gegenstand der Erfindung bei einer beliebigen Kolbenpumpe zur Förderung eines beliebigen Mediums eingesetzt werden kann, ist die bevorzugte Anwendung bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe zur Förderung eines Kraftstoffs gegeben. Dabei ist die Kraftstoffhochdruckpumpe Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems, das an einer Brennkraftmaschine verbaut wird.
Zusammenfassend lassen sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen folgende Vorteile erreichen:
Es ist eine Reduzierung des Antriebsmoments im Vergleich zu einem nur harmonisch generierten Nockenprofil möglich.
Dadurch ist eine Reduzierung einer Reibleistung in dem Antrieb der Kolbenpumpe möglich, wodurch eine Verbrauchsreduzierung und/oder CO₂-Reduzierung darstellbar ist.
Der so ausgebildete Antrieb ist kostengünstig darstellbar.
Die so ausgebildete Vorrichtung beziehungsweise Kolbenpumpe weist ein besseres Startverhalten auf, was sich insbesondere beim Losrollen der Rolle des Rollenstößels gegenüber bekannten Systemen auswirkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe, die von einer Nockenwelle angetrieben wird,
2 ein Diagramm mit einer Darstellung einer Verschiebung eines oberen Totpunkts eines Nockens der Nockenwelle und der dadurch erreichten Reduzierung der maximalen Kolbengeschwindigkeit der Kolbenpumpe.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Kolbenpumpe, die als Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems ausgebildet ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem ist insbesondere als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet und an einer Brennkraftmaschine verbaut. Mittels der Kraftstoffhochdruckpumpe wird aus einem Kraftstoffniederdrucksystem zugeführter Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher gefördert, aus dem der dort unter einem Druck von bis zu 3000 bar gespeicherte Kraftstoff von Injektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine entnommen wird. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweiser eine selbstzündende Brennkraftmaschine und der Kraftstoff Dieselkraftstoff.
Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist einen einteilig mit einem Pumpenzylinderkopf 1 ausgebildeten Pumpenzylinder 2 auf, in den eine Zylinderbohrung 3 eingelassen ist. Die Zylinderbohrung 3 setzt sich in dem Pumpenzylinderkopf 1 in einem Pumpenarbeitsraum 4 fort, wobei der Pumpenarbeitsraum 4 mit einem Einlassventil 5 und einem Auslassventil 6 verbunden ist. Über das Einlassventil 5, das beispielsweise als gesteuertes oder ungesteuertes Saugventil ausgebildet ist, ist aus dem Kraftstoffniederdrucksystem zugeführter Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum 4 einleitbar. Diese Zuführung von Kraftstoff erfolgt vorzugsweise bei einer Abwärtsbewegung eines in der Zylinderbohrung 3 auf und ab bewegbaren Pumpenkolbens 7. Bei einer Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 7 wird der in den Pumpenarbeitsraum 4 eingebrachte Kraftstoff durch das beispielsweise als Rückschlagventil ausgebildete Auslassventil 6 und eine daran anschließende Hochdruckleitung in den Druckspeicher gefördert. Die Auf- und Abbewegung des Pumpenkolbens 7 wird von einer zumindest einen Nocken 8 aufweisenden Nockenwelle 9 bewirkt, wobei die Nockenwelle 9 in einem Gehäuse 10, das beispielsweise ein Gehäuseteil der Brennkraftmaschine oder ein eigenständiges Pumpengehäuse sein kann, angeordnet ist. Der Nocken weist dementsprechend ein Nockenprofil mit einem ersten Abschnitt für einen Aufwärtshub und mit einem zweiten Abschnitt für einen Abwärtshub auf. Die Nockenwelle 9 wird beispielsweise über einen Riemenantrieb oder einen Kettentrieb von einer Welle der Brennkraftmaschine angetrieben.
Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist mit dem Pumpenzylinder 2 unter Anlage eines Flansches des Pumpenzylinderkopfs 1 auf dem Gehäuse 10 in das Gehäuse 10 eingesetzt und befestigt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist einen Rollenstößel 11 mit einer Laufrolle 12 auf, die gegebenenfalls unter Einbezug eines Lagerrings mittels eines Bolzens 13 an einem Stößelkörper 14 des Rollenstößels 11 befestigt ist. Auf dem Stößelkörper 14 stützt sich ein Pumpenkolbenfuß 15 des Pumpenkolbens 7 ab und ist gegebenenfalls mittels eines nicht dargestellten Halterings an dem Rollenstößel 11 festgelegt. Um insbesondere bei einer Abwärtsbewegung des Rollenstößels 11 auf dem Nocken 8 der Nockenwelle 9 einen dauernden Kontakt der Laufrolle 12 auf der sich drehenden Nockenwelle 9 zu gewährleisten, ist zwischen einem Pumpenzylinderabsatz 16 und dem Rollenstößel 11 eine Stößelfeder 17 angeordnet.
Der Nocken 8 weist ein harmonisch generiertes Nockenprofil 18 und zusätzlich eine (überlagerte) asymmetrische Nockenform 19 auf. Die asymmetrische Nockenform 19 ist dabei so ausgebildet, dass eine Verschiebung des oberen Totpunkts 20 des Nockens 8 in Richtung eines größeren Nockenwellenwinkels erreicht ist.
Die diesbezüglichen Zusammenhänge sind in dem Diagramm gemäß 2 dargestellt. Die parabelförmige Kurve K, die aus der Überlagerung des Nockenprofils 18 mit der Nockenkontur 19 besteht, zeigt die Verschiebung des oberen Totpunkts 20 des Nockens 8 um ca. 15° in Richtung eines größeren Nockenwellenwinkels ausgehend von einem bekannten Nockenprofil 18, bei dem der obere Totpunkt 20 bei einem Nockenwellenwinkel von 90° liegt. Dies ist durch die parabelförmige Kurve K₁ dargestellt.
Die Verschiebung des oberen Totpunkts 20 gemäß der Kurve K betrifft nur diesen, die weitere Nockenform ist so ausgebildet, dass diese wieder zumindest im Bereich des Nockenbeginns bei 0° Nockenwinkel und des Nockenendes bei 180° Nockenwellenwinkel mit dem ursprünglichen Nocken 8, der nur das Nockenprofil 18 aufweist, zusammenfällt. Weiterhin ist in dem Diagramm gemäß 2 die durch die Verschiebung des oberen Totpunkts 20 des Nockens 8 hervorgerufene Reduzierung der Pumpenkolbengeschwindigkeit KG des Pumpenkolbens 7 ausgehend von einer ursprünglichen Pumpenkolbengeschwindigkeit KG₁, die sich gemäß der Kurve K₁ einstellt, wiedergegeben. Erkennbar ist, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Nockens 8 mit der Verschiebung des oberen Totpunkts 20 gemäß der Kurve K ein deutlicher Abbau der Geschwindigkeitskuppe gemäß der Kurve KG erzielt ist. Dadurch werden die zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Verbesserung des Betriebs der Kolbenpumpe erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/116241 A2 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe, aufweisend wenigstens einen auf einer Nockenwelle (9) angeordneten Nocken (8), der zur Erzeugung einer Hin- und Her-Bewegung eines Pumpenkolbens (7) der Kolbenpumpe mit dem Pumpenkolben (7) direkt oder indirekt zusammenwirkt, wobei der Nocken (8) ein Nockenprofil (18) mit einem ersten Abschnitt für einen Aufwärtshub und einen zweiten Abschnitt für einen Abwärtshub aufweist, und wobei das Nockenprofil (18) ein harmonisch generiertes Nockenprofil (18) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (8) zusätzlich eine asymmetrische Nockenform (19) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrische Nockenform (19) eine Verschiebung eines oberen Totpunkts (20) des Nockens (8) generiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Totpunkt (20) in Richtung eines größeren Nockenwellenwinkels verlegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Totpunkt (20) um bis zu 30° insbesondere um bis zu 15° Nockenwellenwinkel verlegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrische Nockenform (19) mathematisch bestimmt ist.
Nocken (8) zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenverlauf des Nockens (8) ausgehend von einem harmonischen Nockenprofil (18) in der Form ergänzt ist, dass der Nocken (8) zusätzlich eine asymmetrische Nockenform (19) aufweist.
Nocken (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das harmonische Nockenprofil (18) ein 3-harmonisches Nockenprofil (18) ist.
Nocken (8) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Totpunkt (20) des Nockens (8) in Richtung eines größeren Nockenwellenwinkels verlegt ist.
Nocken (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Totpunkt (20) in Richtung einer Verringerung einer Pumpenkolbengeschwindigkeit verlegt ist.
Kolbenpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpe eine Kraftstoffhochdruckpumpe ist.
Verfahren zum Auslegen eines Nockens (8) einer Vorrichtung zum Antreiben einer Kolbenpumpe, aufweisend wenigstens einen auf einer Nockenwelle (9) angeordneten Nocken (8), der zur Erzeugung einer Hin- und Her-Bewegung eines Pumpenkolbens (7) der Kolbenpumpe mit dem Pumpenkolben (7) direkt oder indirekt zusammenwirkt, wobei der Nocken (8) ein Nockenprofil (18) mit einem ersten Abschnitt für einen Aufwärtshub und einen zweiten Abschnitt für einen Abwärtshub aufweist, und wobei das Nockenprofil (18) ein harmonisch generiertes Nockenprofil (18) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (8) zusätzlich mit einer asymmetrischen Nockenform (19) zu einer Reduzierung einer Pumpenkolbengeschwindigkeit versehen ist.