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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12 und ein Verbrennungsmotorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
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Stand der Technik
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In Hochdruckeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, insbesondere in Common-Rail-Einspritzsystemen von Diesel- oder Benzinmotoren, sorgt eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des Druckes in dem Hochdruckspeicher des Common-Rail-Einspritzsystems. Die Hochdruckpumpe kann beispielsweise durch eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors mittels einer Antriebswelle angetrieben werden. Für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe werden Vorförderpumpen, z. B. eine Zahnrad- oder Drehschieberpumpe, verwendet, die der Hochdruckpumpe vorgeschaltet sind. Die Vorförderpumpe fördert den Kraftstoff von einem Kraftstofftank durch eine Kraftstoffleitung zu der Hochdruckpumpe.
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Als Hochdruckpumpen werden unter anderem Kolbenpumpen eingesetzt. In einem Gehäuse ist eine Antriebswelle gelagert. Radial dazu sind Kolben in einem Zylinder angeordnet. Auf der Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken liegt eine Laufrolle mit einer Rollen-Rollfläche auf, die in einem Rollenschuh gelagert ist. Der Rollenschuh ist mit dem Kolben verbunden, so dass der Kolben zu einer oszillierenden Translationsbewegung gezwungen ist. Eine Feder bringt auf den Rollenschuh eine radial zu der Antriebswelle gerichtet Kraft auf, so dass die Laufrolle in ständigen Kontakt zu der Antriebswelle steht. Die Laufrolle steht mit der Rollen-Rollfläche an einer Wellen-Rollfläche als Oberfläche der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken in Kontakt mit der Antriebswelle. Die Laufrolle ist mittels eines Gleitlagers in dem Rollenschuh gelagert.
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Kraftfahrzeuge mit einem hydraulischen Hybridsystem weisen einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und einen Druckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie auf. Mit dem hydraulischen Hybridsystem kann mechanische Energie, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor oder in einem Rekuperationsbetrieb die kinetische Energie des Kraftfahrzeuges, genutzt werden, um den Druck an Hydraulikflüssigkeit in einem Druckspeicher, insbesondere in einem Hochdruckspeicher, zu erhöhen um dadurch hydraulische Energie in den Hochdruckspeicher zu speichern. Aus diesem Grund ist es erforderlich, an dem Kraftfahrzeug mit dem hydraulischen Hybridsystem einen hydraulischen Motor als auch eine hydraulische Pumpe sowie den Druckspeicher aufzubewahren bzw. vorzuhalten. Die hydraulische Pumpe dient zur Umwandlung von mechanischer Energie, z. B. des Verbrennungsmotors, in hydraulische Energie, d. h. zur Erhöhung des Druckes in dem Druckspeicher. Der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe können auch an der Hochdruckpumpe ausgebildet sein.
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Die
DE 10 2006 045 933 A1 zeigt eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffhochdruckförderung. Die Hochdruckpumpe weist eine Antriebswelle mit Nocken auf. Zylindrische Rollen sind von Rollenschuhen gelagert und liegen auf den Nocken auf. Die Rollenschuhe sind mittels einer Stößelbaugruppe in einer Bohrung eines Teils des Gehäuses gelagert. Die Pumpenelemente sind an der Stößelbaugruppe befestigt. Eine Schraubenfeder drückt die Stößelbaugruppe auf die Nocken.
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Aus der
DE 103 56 262 A1 ist eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen bekannt. In einem Pumpengehäuse ist eine Antriebswelle gelagert. Kolben stützen sich an der Antriebswelle ab, so dass durch Drehen der Antriebswelle die Kolben hin und her bewegt werden. Zwischen den Kolben und der Antriebswelle sind Stößel angeordnet.
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Die
DE 10 2012 220 851 A1 zeigt eine Hochdruckpumpe mit einer hydraulischen Pumpe und einem hydraulischen Motor. Ein Zusatzzylinder und ein Zusatzkolben begrenzen einen im Volumen veränderlichen Zusatzarbeitsraum. Ein Zusatzeinlassventil und Zusatzauslassventil dient zum Ein- und Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit in und aus dem Zusatzarbeitsraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluides, insbesondere von Kraftstoff, z. B. Diesel oder Benzin, umfassend eine Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken, einen Kolben zum Fördern von Kraftstoff, einen Zusatzkolben zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit, einen Zylinder zur Lagerung des Kolbens, einen Zusatzzylinder zur Lagerung des Zusatzkolbens, wobei sich der Kolben und Zusatzkolben mittelbar auf der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken abstützen, so dass von dem Kolben und Zusatzkolben eine Translationsbewegung aufgrund einer Rotationsbewegung der Antriebswelle ausführbar ist und der Zusatzkolben und der Zusatzzylinder einen im Volumen veränderlichen Zusatzarbeitsraum begrenzen aufgrund der Translationsbewegung des Zusatzkolbens, ein Hochdruckventil zum Ein- oder Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck in oder aus dem Zusatzarbeitsraum, wobei das Hochdruckventil als ein Magnetventil mit einem beweglichen Hochdruckventilkolben ausgebildet ist und das Hochdruckventil ein elastisches Ventilelement, insbesondere eine Ventilfeder, umfasst zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens von einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung. Auf den Hochdruckventilkolben wirkende hydrostatische Druckkräfte aufgrund des Fluides, welches an dem Hochdruckventilkolben anliegt und eine Bewegung des Hochdruckventiles von der Öffnungsstellung in die Schließstellung ausführbar ist, sofern die hydrostatischen Druckkräfte bzw. die Summe der auf den Hochdruckventilkolben in der Bewegungsrichtung bzw. axialen Richtung zum Schließen des Hochdruckventilkolbens größer sind als die Kraft, welche von dem elastischen Ventilelement auf den Hochdruckventilkolben aufgebracht ist. Damit kann in vorteilhafter Weise auch bei einem abgeschalteten Elektromagneten das Hochdruckventil aufgrund der wirkenden hydrostatischen Druckkräfte geschlossen werden bzw. ist schließbar.
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Insbesondere umfasst das Hochdruckventil einen Elektromagneten zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens von einer Öffnungsstellung in eine Schließstellung. Bei einem abgeschalteten Elektromagneten bzw. einem nicht bestromten Elektromagneten befindet sich das Hochdruckventil bzw. der Hochdruckventilkolben in einer Öffnungsstellung, sofern die Resultierende der auf den Hochdruckventilkolben wirkenden hydrostatischen Druckkräfte zum Schließen des Hochdruckventilkolbens kleiner sind als die von dem elastischen Ventilelement auf dem Hochdruckventilkolben aufgebrachten Kräfte zum Öffnen des Hochdruckventilkolbens.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die von dem Elektromagneten auf den Hochdruckventilkolben mittelbar oder unmittelbar aufgebrachten Magnetkräfte dahingehend ausgerichtet, dass mit diesen Magnetkräften keine Bewegung des Hochdruckventilkolbens von der Schließstellung in die Öffnungsstellung ausführbar ist. Die auf den Hochdruckventilkolben mit dem Elektromagneten aufgebrachten Magnetkräfte dienen somit ausschließlich zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens von der Öffnungsstellung in die Schließstellung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Hochdruckventilkolben in einer Führungsbuchse gelagert und vorzugsweise ist die Führungsbuchse an dem Zusatzzylinder befestigt. Die Führungsbuchse ist aus einem weichen Material, beispielsweise nicht gehärtetem Stahl und/oder Messing und/oder PTFE, ausgebildet. Der Zusatzzylinder ist ebenfalls aus einem weichen Material, insbesondere aus 100 Cr6-austenisiert-750 HV, ausgebildet, so dass sowohl der Zusatzzylinder als auch die Führungsbuchse aus einem weichen Material ausgebildet sind. Die Führungsbuchse ist form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels eines Einpressvorganges und damit mittels eines Presssitzes, an dem Zusatzzylinder befestigt. Aufgrund der geringen Härte sowohl des Materiales des Zusatzzylinders als auch der Führungsbuchse können damit in vorteilhafter Weise Risse zwischen der Führungsbuchse und dem Zusatzzylinder vermieden werden. Dadurch ist in vorteilhafter Weise die Führungsbuchse besonders zuverlässig an dem Zusatzzylinder befestigt.
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Vorzugsweise liegt ein erstes Ende des elastischen Ventilelementes auf einem ersten, feststehenden Auflageteil auf und ein zweites Ende des elastischen Ventilelementes liegt auf einem zweiten, mit dem Hochdruckventilkolben in mechanischer Wirkverbindung stehenden, beweglichen Auflageteil auf.
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In einer Variante ist das erste Auflageteil, insbesondere als Ring ausgebildet, an der Führungsbuchse befestigt und/oder das zweite Auflageteil, insbesondere als Ring ausgebildet, ist an dem Hochdruckventilkolben und/oder einem Anker befestigt. Das bewegliche Auflageteil kann einteilig mit den Hochdruckventilkolben und/oder dem Anker ausgebildet sein oder ein gesondertes Bauteil, welches an dem Hochdruckventilkolben und/oder Anker befestigt ist.
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Zweckmäßig ist an dem Hochdruckventilkolben ein Anker befestigt und/oder in einer Schließstellung des Hochdruckventilkolbens ist ein in den Zusatzarbeitsraum mündender Zusatzauslasskanal von dem Hochdruckventilkolben verschlossen und in einer Öffnungsstellung des Hochdruckventilkolbens steht ein in den Zusatzarbeitsraum mündender Zusatzauslasskanal in fluidleitender Verbindung mit dem Zusatzarbeitsraum und/oder der Hochdruckventilkolben ist in einer Öffnungsstellung vollständig innerhalb eines von Begrenzungsflächen begrenzten, zur Umgebung abgedichteten Raumes angeordnet und der Raum steht in fluidleitender Verbindung mit dem Zusatzauslasskanal, und/oder der Hochdruckventilkolben weist eine erste Wirkfläche auf, so dass auf die erste Wirkfläche einwirkende hydrostatische Druckkräfte des Fluides eine Kraft auf den Hochdruckventilkolben aufbringt zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens von der Schließstellung in die Öffnungsstellung und/oder der Hochdruckventilkolben weist eine zweite Wirkfläche auf, so dass auf die zweite Wirkfläche einwirkende hydrostatische Druckkräfte des Fluides eine Kraft auf den Hochdruckventilkolben aufbringt zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens von der Öffnungsstellung in die Schließstellung. Aufgrund der Anordnung des Hochdruckventilkolbens innerhalb des Raumes und der fluidleitenden Verbindung des Raumes zu dem Zusatzauslasskanal steht damit der Raum unter dem gleichen Druck mit dem Fluid, welcher in dem Zusatzauslasskanal vorhanden ist. Aufgrund der an dem Hochdruckventilkolben vorhandenen ersten und zweiten Wirkfläche und der Geometrie bzw. der Fläche der ersten und zweiten Wirkfläche kann somit aufgrund der hydrostatischen Druckkräfte ein Bewegen des Hochdruckventilkolbens hieraus resultierend ausgeführt werden bzw. ist ausführbar. In der Schließstellung des Hochdruckventilkolbens ist aufgrund des Aufliegens eines Teils des Hochdruckventilkolbens auf einem Ventilsitz die erste Wirkfläche nicht mit dem Fluid aus dem Zusatzauslasskanal beaufschlagt, so dass dadurch die auf die zweite Wirkfläche wirkenden hydrostatischen Druckkräfte in der axialen Richtung des Hochdruckventilkolbens größer sind als die auf die erste Wirkfläche wirkenden hydrostatischen Druckkräfte, so dass dadurch aufgrund der vorhandenen hydrostatischen Druckkräfte an dem Hochdruckventilkolben der Hochdruckventilkolben in der Schließstellung gehalten ist, sofern die von dem elastischen Ventilelement auf dem Hochdruckventilkolben wirkenden Kräfte kleiner sind als die resultierenden Kräfte aufgrund der hydrostatischen Druckkräfte an der ersten und zweiten Wirkfläche. Die erste und/oder zweite Wirkfläche kann auch in erste und/oder zweite Teilwirkflächen unterteilt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Begrenzungsflächen an dem Zusatzzylinder und/oder an einem Polrohr ausgebildet, insbesondere ist in der Führungsbuchse wenigstens ein Kanal ausgebildet zur fluidleitenden Verbindung eines Teiles des Raumes mit dem Zusatzauslasskanal.
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Insbesondere ist der Durchmesser des Zusatzkolbens größer, insbesondere um wenigstens 10%, 30% oder 50% größer, als der Durchmesser des wenigstens einen Kolbens und/oder der Kolben und Zylinder begrenzen einen im Volumen veränderlichen Arbeitsraum aufgrund der Translationsbewegung des Kolbens und/oder die Hochdruckpumpe umfasst ein Niederdruckventil und das Niederdruckventil, insbesondere Magnetventil, mit einem beweglichen Niederdruckventilkolben dient zum Ein- oder Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit unter Niederdruck in oder aus dem Zusatzarbeitsraum. Der Kraftstoff wird von der Hochdruckpumpe unter einem Druck von z. B. 1000–3000 bar zu dem Hochdruck-Rail gefördert und die Hydraulikflüssigkeit unter einem Druck von z. B. 200–700 bar zu dem Hochdruckspeicher gefördert. Die Hydraulikflüssigkeit wird somit mit einem wesentlich geringeren Druck gefördert, so dass dadurch ein größerer Durchmesser des Zusatzkolbens und damit auch ein größeres Fördervolumen an Hydraulikflüssigkeit ausführbar ist mit der Hochdruckpumpe je Hub des Zusatzkolbens im Vergleich zu dem Kolben mit dem kleineren Durchmesser.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Hydraulikflüssigkeit Kraftstoff, z. B. Benzin oder Diesel. Als Hydraulikflüssigkeit kann insbesondere auch Kraftstoff, zum Beispiel Diesel, eingesetzt werden. Dadurch ist keine zusätzliche Hydraulikflüssigkeit notwendig und der ohnehin vorhandene Kraftstoff in einem Kraftstofftank kann auch als Hydraulikflüssigkeit eingesetzt werden. Damit kann auch der Kraftstofftank in vorteilhafter Weise als Niederdruckspeicher für die Hydraulikflüssigkeit als Kraftstoff eingesetzt werden.
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In einer ergänzenden Variante ist die Hochdruckpumpe, insbesondere der Zusatzkolben, der Zusatzzylinder und das Nieder- und Hochdruckventil, ausgebildet zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit als hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und als hydraulischer Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind der Zylinder und der Zusatzzylinder zwei getrennte Bauteile oder der Zylinder und der Zusatzzylinder sind einteilig als nur ein Bauteil ausgebildet.
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Erfindungsgemäßes hydraulisches Hybridsystem, umfassend einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einen Druckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hochdruckpumpe, insbesondere der Zusatzkolben, der Zusatzzylinder und das Nieder- und Hochdruckventil der Hochdruckpumpe, als der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe fungiert.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst das Hybridsystem einen Niederdruckspeicher, insbesondere Kraftstofftank, und einen Hochdruckspeicher.
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Erfindungsgemäßes Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Hochdruckeinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe, einem Hochdruck-Rail, einer Vorförderpumpe zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe, ein hydraulisches Hybridsystem mit einem hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, einer hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einem Druckspeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei die Hochdruckpumpe des Hochdruckeinspritzsystems und die hydraulische Pumpe sowie der hydraulische Motor des hydraulischen Hybridsystems als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hochdruckpumpe ausgebildet ist.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die Hochdruckpumpe des Hochdruckeinspritzsystems und die hydraulische Pumpe sowie der hydraulische Motor des hydraulischen Hybridsystems von nur einer Baueinheit gebildet und/oder der Kolben der Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff zu dem Hochdruck-Rail dient und der Zusatzkolben der Hochdruckpumpe zum Fördern der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit, des hydraulischen Hybridsystems dient.
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Zweckmäßig stützt sich der wenigstens eine Zusatzkolben mittelbar auf der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken ab und vorzugsweis stützt sich der wenigstens eine Kolben und der wenigstens eine Zusatzkolben auf der identischen Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken ab.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Hochdruckpumpe einen Schmierraum auf innerhalb dessen die Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken angeordnet ist, zur Schmierung und Kühlung der Antriebswelle auf. Der Schmierraum dient zur Kühlung und/oder Schmierung von Komponenten der Hochdruckpumpe, insbesondere der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken und/oder einer Laufrolle und/oder einer Gleitlagerung der Laufrolle an einem Rollenschuh.
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Vorzugsweise weist die Hochdruckpumpe eine Zusatzzumesseinheit an einem Zusatzeinlasskanal auf zur Steuerung und/oder Regelung des dem wenigstens einen Zusatzarbeitsraum an dem Zusatzkolben zuführbaren Volumenstromes an Fluid. Die Zusatzzumesseinheit weist einen Ventilschieber auf, der mit einem Elektromagneten geöffnet und geschlossen werden kann. Der Ventilschieber wird dabei ständig geöffnet und geschlossen und länger die Öffnungszeiten sind im Verhältnis zu den Schließzeiten, desto mehr Hydraulikflüssigkeit kann von dem Zusatzkolben durch den Zusatzarbeitsraum gefördert werden und umgekehrt. Mit der Zusatzzumesseinheit kann somit beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb gesteuert und/oder geregelt werden, wie viel kinetische Energie mit der Hochdruckpumpe an dem wenigstens einen Zusatzkolben in hydraulische Energie umgewandelt wird, wobei dies auch mit dem Nieder- und Hochdruckventil gesteuert werden kann, so dass keine Zusatzzumesseinheit notwendig ist.
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In einer weiteren Ausführungsform stützt sich der wenigstens eine Kolben und/oder der wenigstens eine Zusatzkolben mittelbar mittels wenigstens einer Laufrolle oder einem Tassenstößel auf der Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken ab.
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In einer weiteren Variante umfasst das Verbrennungsmotorsystem und/oder das hydraulische Hybridstem einen mechanischen Antriebsstrang zur ausschließlichen mechanischen Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor zu dem wenigstens einen Antriebsrad des Kraftfahrzeuges.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorförderpumpe eine Vorförderpumpe mit Elektromotor, so dass die Vorförderpumpe von dem Elektromotor angetrieben ist und insbesondere ist die Förderleistung der Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken als eine Exzenterwelle ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Zumesseinheit und/oder die Zusatzzumesseinheit als ein elektrisches Schaltventil ausgebildet.
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Zweckmäßig ist die Antriebswelle mit dem wenigstens einen Nocken eine im Querschnitt kreisförmige Antriebswelle, welche exzentrisch zu einer zentrischen Längsachse der Antriebswelle gelagert ist, so dass die Rotationsachse einen Abstand zu der Längsachse aufweist. Die Längsachse ist im Querschnitt im Mittelpunkt der kreisförmigen Antriebswelle angeordnet.
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Zweckmäßig ist die Vorförderpumpe eine Zahnrad- oder Drehschieberpumpe. Insbesondere weist die Hochdruckpumpe als eine Baueinheit nur eine Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken auf.
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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 stark vereinfachten Teilquerschnitt an einem Kolben und eines Gehäuses einer Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluides,
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2 einen weiteren stark vereinfachten Teilquerschnitt an einem Zusatzkolben und dem Gehäuse der gleichen Hochdruckpumpe gemäß 1,
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3 einen Schnitt A-A gemäß 1 und 2 einer Laufrolle mit Rollenschuh und einer Antriebswelle,
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4 eine perspektivische Ansicht der Hochdruckpumpe,
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5 einen Teilquerschnitt an dem Zusatzkolben und einem Zusatzzylinder mit einem Hochdruckventil in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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6 einen Längsschnitt des Hochdruckventils in dem ersten Ausführungsbeispiel,
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7 einen Längsschnitt des Hochdruckventils in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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8 einen Längsschnitt des Hochdruckventils in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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9 eine stark schematisierte Ansicht eines Verbrennungsmotorsystems mit einem Hochdruckeinspritzsystems und einem hydraulischen Hybridsystem,
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10 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 und 2 ist ein Querschnitt einer Hochdruckpumpe 1 zum Fördern von Kraftstoff dargestellt. Die Hochdruckpumpe 1 dient dazu, Kraftstoff, z. B. Benzin oder Diesel, unter Hochdruck zu einem Hochdruck-Rail 30 eines Verbrennungsmotors 39 für ein Kraftfahrzeug 52 mit einem Antriebsrad 53 zu fördern und Hydraulikflüssigkeit zu einem Hochdruckspeicher 43 eines hydraulischen Hybridsystems 37 (9) zu fördern. Der von der Hochdruckpumpe 1 erzeugbare Druck liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 3000 bar für das Hochdruck-Rail 30 und zwischen 200 und 700 bar für das hydraulische Hybridsystem 37.
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Die Hochdruckpumpe 1 weist nur eine Antriebswelle 2 mit zwei Nocken 3 auf, die um eine Rotationsachse 26 eine Rotationsbewegung ausführt. Die Rotationsachse 26 liegt in der Zeichenebene von 1 und 2 und steht senkrecht auf der Zeichenebene von 3. Ein Kolben 5 ist in einem Zylinder 6 bzw. Zylinderkopf 6 gelagert und der Zylinder 6 ist an einem Gehäuse 8 der Hochdruckpumpe 1 befestigt. Ein Arbeitsraum 29 wird von dem Zylinder 6 als Kolbenführung 7 und dem Kolben 5 begrenzt. In den Arbeitsraum 29 mündet ein Einlasskanal 22 mit einem Einlassventil 19 und ein Auslasskanal 24 mit einem Auslassventil 20. Durch den Einlasskanal 22 mit einer Einlassöffnung 21 strömt der Kraftstoff in den Arbeitsraum 29 ein und durch den Auslasskanal 24 mit einer Auslassöffnung 23 strömt der Kraftstoff unter Hochdruck aus den Arbeitsraum 29 wieder aus. Das Einlassventil 19, z. B. ein Rückschlagventil, ist dahingehend ausgebildet, dass nur Kraftstoff in den Arbeitsraum 29 einströmen kann und das Auslassventil 20, z. B. ein Rückschlagventil, ist dahingehend ausgebildet, dass nur Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 29 ausströmen kann. Das Volumen des Arbeitsraumes 29 wird aufgrund einer oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 5 verändert. Der Kolben 5 stützt sich mittelbar auf der Antriebswelle 2 ab. Am Ende des Kolbens 5 bzw. Pumpenkolbens 5 ist ein Rollenschuh 9 mit einer Laufrolle 10 befestigt. Die Laufrolle 10 kann dabei eine Rotationsbewegung ausführen, deren Rotationsachse 25 in der Zeichenebene gemäß 1 und 2 liegt und senkrecht auf der Zeichenebene von 3 steht. Die Antriebswelle 2 mit dem wenigstens einen Nocken 3 weist eine Wellen-Rollfläche 4 und die Laufrolle 10 eine Rollen-Rollfläche 11 auf.
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Die Rollen-Lauffläche 11 der Laufrolle 10 rollt sich auf der Wellen-Rollfläche 4 als Kontaktfläche 12 der Antriebswelle 2 mit den beiden Nocken 3 ab. Der Rollenschuh 9 ist in einer von dem Gehäuse 8 gebildeten Rollenschuhlagerung als Gleitlager gelagert. Eine Feder 27 bzw. Spiralfeder 27 als elastisches Element 28, die zwischen dem Gehäuse 8 und dem Rollenschuh 9 eingespannt ist, bringt auf den Rollenschuh 9 eine Druckkraft auf, so dass die Rollen-Rollfläche 11 der Laufrolle 10 in ständigen Kontakt mit der Wellen-Rollfläche 4 der Antriebswelle 2 steht. Der Rollenschuh 9 und der Kolben 5 führen damit gemeinsam eine oszillierende Hubbewegung aus. Die Laufrolle 10 ist mit einer Gleitlagerung 13 in dem Rollenschuh 9 gelagert.
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Die in 1 bis 3 dargestellte Hochdruckpumpe 1 weist neben dem in 1 dargestellten Kolben 5 zum Fördern von Kraftstoff auch einen Zusatzkolben 14 (2, 5) zum Fördern einer Hydraulikflüssigkeit, nämlich Kraftstoff, insbesondere Diesel, auf. Sowohl der Kolben 5 als auch der Zusatzkolben 14 stützt sich mittelbar auf nur einer Antriebswelle 2 auf. Im Nachfolgenden werden bezüglich des Zusatzkolbens 14 nur im Wesentlichen die Unterschiede zu dem in 1 dargestellten Kolben 5 dargestellt. Der in 2 dargestellte Zusatzkolben 14 ist in analoger Weise wie der in 1 dargestellten Kolben 5 von einer Zusatzkolbenführung 16 als Zusatzzylinder 15 gelagert. Aufgrund der oszillierenden Bewegung des Zusatzkolbens 14 weist ein Zusatzarbeitsraum 51 ein veränderliches Volumen auf. Das von dem Zusatzkolben 14 geförderte Fluid, nämlich Kraftstoff, unterscheidet sich nicht von der in einem Schmierraum 40 befindlichen Schmierflüssigkeit, nämlich Kraftstoff.
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In 9 ist ein Hochdruckeinspritzsystem 36 für das Kraftfahrzeug 52 dargestellt. Eine, vorzugsweise elektrische, Vorförderpumpe 35 fördert Kraftstoff durch eine Kraftstoffleitung 33 von einem Kraftstofftank 32 zu der Hochdruckpumpe 1, d. h. dem Arbeitsraum 29 der Hochdruckpumpe 1 an dem Kolben 5. Das Einlassventil 19 und das Auslassventil 20 sind dabei als Rückschlagventile ausgebildet, so dass durch das Einlassventil 19 nur Kraftstoff in den Arbeitsraum 29 einströmen kann und durch das Auslassventil 20 nur Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 29 ausströmen kann. Mit einer Zumesseinheit 18 wird die Förderleistung der Hochdruckpumpe 1 an dem Kolben 5 gesteuert und/oder geregelt. Sofern die Förderleistung der elektrischen Vorförderpumpe 35 steuerbar und/oder regelbar ist, kann auf die Zumesseinheit 18 auch verzichtet werden. Der von dem Kolben 5 unter Hochdruck der Kraftstoffleitung 33 zugeführte Kraftstoff wird in das Hochdruck-Rail 30 bzw. ein Kraftstoffverteilerrohr 31 eingeführt. Von dem Hochdruck-Rail 30 wird der Kraftstoff unter Hochdruck, z. B. 2000 bar, mittels nicht dargestellter Einspritzorgane den Brennräumen des Verbrennungsmotors 39 zugeführt.
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An der Antriebswelle 2 mit zwei Nocken 3 stützt sich mittelbar nicht nur der Kolben 5, sondern auch der Zusatzkolben 14 ab. Der Zusatzkolben 14 und der Zusatzzylinder 15 bildet damit eine zweite Pumpeneinheit der Hochdruckpumpe 1 und diese weitere Fördereinheit dient als hydraulische Pumpe 41 und hydraulischer Motor 38 des hydraulischen Hybridsystems 37. Dabei ist der Durchmesser 69 des Zusatzkolbens 14 größer als der Durchmesser 68 des Kolbens 5, da der erforderliche Druck an Hydraulikflüssigkeit in dem hydraulischen Hybridsystem 37 wesentlich kleiner ist, beispielsweise im Bereich zwischen 200 und 700 bar, als der erforderliche Druck in dem Hochdruck-Rail 30, beispielsweise mit einem Druck von 2000 bar. Dadurch kann mit einem Förderhub des Zusatzkolbens 14 ein größeres Volumen an Hydraulikflüssigkeit als Kraftstoff gefördert werden als bei einem Kolbenhub des Kolbens 5 an Kraftstoff. Ein Niederdruckventil 46 an einem Zusatzeinlasskanal 55 und ein Hochdruckventil 47 an einem Zusatzauslasskanal 56 (2) zu dem Zusatzarbeitsraum 51 sind als Magnetventile 48 ausgebildet. Das Niederdruckventil 46 umfasst ein Ventilgehäuse und einen beweglichen Niederdruckventilkolben 57. Der Niederdruckventilkolben 57 ist von einem Elektromagneten 49 und einer Ventilfeder zwischen einer Schließstellung und eine Öffnungsstellung beweglich.
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Das Hochdruckventil 47 umfasst unter anderem einen beweglichen Hochdruckventilkolben 58, einen Elektromagneten 63, ein elastisches Ventilelement 59 als Ventilfeder 60 und eine Führungsbuchse 65. Der Hochdruckventilkolben 58 ist von dem Elektromagneten 63 und der Ventilfeder 60 zwischen einer Schließstellung und eine Öffnungsstellung beweglich. Mittels eines entsprechend gesteuerten Öffnen und Schließens des Niederdruckventiles 46 und des Hochdruckventiles 47 kann der Zusatzkolben 14 an dem Zusatzzylinder 15 als hydraulische Pumpe 41 und als hydraulischer Motor 38 betrieben werden. Der Zusatzeinlasskanal 55 fungiert bei einem Betrieb als hydraulischer Motor 38 aus Zusatzauslasskanal 55 und der Zusatzauslasskanal 56 als Zusatzeinlasskanal 56. Der Zusatzeinlasskanal 55 fungiert bei einem Betrieb als hydraulischer Pumpe 41 aus Zusatzeinlasskanal 55 und der Zusatzauslasskanal 56 als Zusatzauslasskanal 56.
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Das hydraulische Hybridsystem 37 weist ferner zwei Druckspeicher 42 als Hochdruckspeicher 43 und Niederdruckspeicher 44 auf, wobei der Niederdruckspeicher 44 von dem Kraftstofftank 32 gebildet ist. Die Förderleistung der Hochdruckpumpe 1 als hydraulische Pumpe 41 und/oder hydraulischen Motor 38 an dem Zusatzkolben 14 kann dabei mit einer Zusatzzumesseinheit 34 und/oder dem Hoch- und/oder Niederdruckventil 46, 47 (9) gesteuert und/oder geregelt werden. Die Antriebswelle 2 wird von dem Verbrennungsmotor 39 angetrieben. Bei einer Rotationsbewegung der Antriebswelle 2 um die Rotationsachse 26 führen damit sowohl der Kolben 5 als auch der Zusatzkolben 14 eine oszillierende Bewegung aus. Dadurch kann mit dem Zusatzkolben 14 Hydraulikflüssigkeit als Kraftstoff von dem Niederdruckspeicher 44 dem Hochdruckspeicher 43 unter einem höheren Druck zugeführt werden und dadurch hydraulische Energie in dem Hochdruckspeicher 43 gespeichert werden. Zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie kann mittels nicht dargestellter Ventile an den Hydraulikleitungen 45 die Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck von dem Hochdruckspeicher 43 durch den hydraulischen Motor 38 dem Niederdruckspeicher 44 zugeführt bzw. zugeleitet werden und diese hydraulische Energie wird von dem hydraulischen Motor 38 in mechanische Energie umgewandelt, so dass dadurch mittels hydraulischer Energie aus dem Hochdruckspeicher 43 das Antriebsrad 53 des Kraftfahrzeuges 52 angetrieben werden kann. Bei einem Antrieb der Antriebswelle 2 durch kinetische Energie des Kraftfahrzeuges 52 in einem Rekuperationsbetrieb kann somit mittels des Zusatzkolbens 14 kinetische Energie des Kraftfahrzeuges 52 in hydraulische Energie umgewandelt und in dem Hochdruckspeicher 43 gespeichert werden.
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Ein Verbrennungsmotorsystem 50 umfasst sowohl das Hochdruckeinspritzsystem 36 als auch das hydraulische Hybridsystem 37.
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Die Hochdruckpumpe 1 weist die erste Pumpeneinheit auf, welche im Wesentlichen von dem Kolben 5, dem Zylinder 6 sowie dem Einlassventil 19 und dem Auslassventil 20 gebildet ist. Außerdem ist an der Hochdruckpumpe 1 auch eine zweite Pumpeneinheit ausgebildet, welche im Wesentlichen gebildet ist von dem Zusatzkolben 14, dem Zusatzzylinder 15 sowie dem Niederdruckventil 46 und dem Hochdruckventil 47. Der Zylinder 6 und der Zusatzzylinder 15 sind an einem gemeinsamen Gehäuse 8 befestigt. An dem Gehäuse 8 sind vier Befestigungsbohrungen 86 mit einem Innengewinde ausgebildet und mittels der Befestigungsbohrungen 86 mit dem Innengewinde sowie Schrauben 71 mit einem Schraubenkopf 72 ist der Zylinder 6 an dem Gehäuse 8 festgeschraubt. An dem Zylinder 6 ist eine Aufnahmenut 70 ausgebildet und innerhalb der Aufnahmenut 70 ist eine Dichtung 17 als eine O-Ring-Dichtung 17 angeordnet. Die Dichtung 17 liegt somit auf dem Gehäuse 8 auf. Die Dichtung 17 liegt unter einer Vorspannkraft zwischen der Aufnahmenut 70 und dem Gehäuse 8 auf. Der Zusatzzylinder 15 ist in gleicher Weise an dem Gehäuse 8 befestigt wie der Zylinder 6. Der Zusatzzylinder 15 ist damit mittels vier Schrauben 71 innerhalb der Befestigungsbohrungen 86 mit dem Gehäuse 8 verschraubt. Die Dichtung 17 zwischen dem Zusatzzylinder 15 und dem Gehäuse 8 liegt somit unter Vorspannung zwischen der Aufnahmenut 70 in dem Zusatzzylinder 15 und dem Gehäuse 8 auf.
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In 5 und 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Hochdruckventiles 47 dargestellt. Der Hochdruckventilkolben 58 ist zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung beweglich. In der Schließstellung liegt ein Ende des Hochdruckventilkolbens 58 auf einem Ventilsitz 85 als Anschlag des Zusatzzylinders 15 auf, so dass dadurch keine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zusatzauslasskanal 56 und dem Zusatzarbeitsraum 51 besteht. Der Hochdruckventilkolben 58 ist in einer axialen Richtung 54 als einer Bewegungsrichtung 54 beweglich von der Führungsbuchse 65 gelagert. Die Führungsbuchse 65 ist mittels eines Presssitzes an dem Zusatzzylinder 15 befestigt. Ein Raum 74 ist von Begrenzungsflächen 75 begrenzt und die Begrenzungsflächen 75 sind an dem Zusatzzylinder 15 und an einem Polrohr 64 ausgebildet. Der Raum 74 ist fluidleitend mit dem Zusatzauslasskanal 56 verbunden. In der Führungsbuchse 65 sind eine Vielzahl von Kanälen 78 ausgebildet, so dass dadurch durch diese Kanäle 78 Hydraulikflüssigkeit von dem Zusatzauslasskanal 56 auch in einen Teil 84 des Raumes 74 gemäß der Darstellung in 6 rechts von der Führungsbuchse 65 strömen kann. In der Öffnungsstellung des Hochdruckventilkolbens 58 ist somit die gesamte Außenseite des Hochdruckventilkolbens 58 mit der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzauslasskanal 56 beaufschlagt, weil auch der gesamte Raum 74 mit der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzauslasskanal 56 beaufschlagt ist, sofern vorzugsweise auch an dem Zusatzarbeitsraum 51 die Hydraulikflüssigkeit mit dem Druck im Wesentlichen an dem Zusatzauslasskanal 56 vorhanden ist, und die Gleitlagerfläche zur Lagerung des Hochdruckventilkolbens 58 an der Führungsbuchse 65 auch als mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzauslasskanal 56 beaufschlagt betrachtet ist.
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In ein Polrohr 64 sind Elektromagnete 63 eingebaut, integriert oder befestigt. Das Polrohr 64 ist mittels einer Überwurfmutter 80 an dem Zusatzzylinder 15 befestigt. Zwischen dem Zusatzzylinder 15 und dem Polrohr 64 ist eine Ventildichtung 79 als eine Bohrringdichtung 79 angeordnet. Ein Innengewinde 81 an der Überwurfmutter 80 ist mit einem Außengewinde 82 an dem Zusatzzylinder 15 verschraubt, so dass dadurch die Ventildichtung 79 mit einer Druckkraft zwischen dem Zusatzzylinder 15 und dem Polrohr 64 aufliegt. Dadurch ist der Raum 74 und insbesondere auch der Teil 84 des Raumes 74 rechts von der Führungsbuchse 65 gemäß der Darstellung in 6 bzw. der von dem Polrohr 64 begrenzte Teil 84 des Raumes 74 fluiddicht bezüglich der Umgebung abgedichtet.
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An der Führungsbuchse 65 ist ein erstes feststehendes Auflageteil 66 als ein ringförmiges, feststehendes Auflageteil 66 als Ring 83 befestigt und an dem Hochdruckventilkolben 58 ist ein bewegliches Auflageteil 67 befestigt, ebenfalls als ein Ring 83 ausgebildet. Das Auflageteil 66 ist damit feststehend und das Auflageteil 67 führt Bewegungen des Hochdruckventilkolbens 58 in der axialen Richtung 64 mit aus. Die Ventilfeder 60 ist vorgespannt, so dass dadurch von der Ventilfeder 60 auf das bewegliche Auflageteil 67 und damit auch mittelbar auf den Hochdruckventilkolben 58 eine Kraft aufgebracht ist, zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens 58 von der in 6 nicht dargestellten Schließstellung in die in 6 darstellte Öffnungsstellung des Hochdruckventilkolbens 58. Ein erstes Ende 61 des elastischen Ventilelementes 59 liegt auf dem feststehenden Auflageteil 66 auf und ein zweites Ende 62 des elastischen Ventilelementes 59 liegt auf dem beweglichen Auflageteil 67 auf. Zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens 58 von der Öffnungsstellung in die Schließstellung ist eine Bestromung der Elektromagnete 63 bzw. des Elektromagneten 63 notwendig, so dass dadurch aufgrund der von den Elektromagneten 63 auf einen Anker 73 aufgebrachten Magnetkräfte in axialer Richtung 54 der Hochdruckventilkolben 58 von der Öffnungsstellung in die Schließstellung bewegt wird, weil die Magnetkräfte in der axialen Richtung 54 größer sind als die von der Ventilfeder 60 in entgegengesetzter Richtung aufgebrachten Kräfte. Der Anker 73 ist fest an dem Hochdruckventilkolben 58 befestigt bzw. ausgebildet.
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Der Hochdruckventilkolben 58 weist eine erste Wirkfläche 76 und eine zweite Wirkfläche 77 auf. Die erste und zweite Wirkfläche 76, 77 weist bei einer fiktiven Projektion in Richtung der axialen Richtung 54 auf eine fiktive Ebene senkrecht zu der axialen Richtung 54 eine Fläche auf. Hydrostatische Druckkräfte, welche auf die erste Wirkfläche 76 einwirken, bringen daher auf den Hochdruckventilkolben 58 hydrostatische Druckkräfte in der axialen Richtung 54 auf zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens 58 von der Schließstellung in die Öffnungsstellung. In umgekehrter Weise bringen die auf die zweite Wirkfläche 77 einwirkenden hydrostatischen Druckkräfte auf den Hochdruckventilkolben 68 Kräfte auf zum Bewegen des Hochdruckventilkolbens 58 in der axialen Richtung 54 von der Öffnungsstellung in die Schließstellung. In der Schließstellung des Hochdruckventilkolbens 58 ist die erste Wirkfläche 76 im Wesentlichen nicht mit der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zusatzauslasskanal 56 unter Hochdruck beaufschlagt wie der Raum 74, so dass dadurch bei keinem oder einem geringen Druck an Hydraulikflüssigkeit in dem Zusatzarbeitsraum 51, welcher in der Schließstellung im Wesentlichen auf die erste Wirkfläche 76 wirkt, der Hochdruckventilkolben 58 von den hydrostatischen Druckkräften in der Schließstellung gehalten ist, sofern die hydrostatischen Druckkräfte größer sind als die von der Ventilfeder 60 auf den Hochdruckventilkolben 58 aufgebrachten Kräfte.
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In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Hochdruckventiles 47 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in 6 abgebildeten ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das feststehende Auflageteil 66 ist von der Führungsbuchse 65 mit ausgebildet, d. h. die Führungsbuchs 65 fungiert auch als feststehendes Auflageteil 66, so dass dadurch das erste Ende 61 des elastischen Ventilelementes 59 unmittelbar auf der Führungsbuchse 65 aufliegt. Die Geometrie des Hochdruckventilkolbens 58 ist dahingehend ausgebildet, dass die zweite Wirkfläche 77 auch in dem Raum 74 zwischen der Führungsbuchse 65 und dem Zusatzarbeitsraum 51 vorhanden ist.
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In 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiels des Hochdruckventils 47 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das feststehende Auflageteil 66 zur Auflage des ersten Endes 61 des elastischen Ventilelementes 59 fungiert auch als Führungsbuchse 65, d. h. zur Gleitlagerung des Hochdruckventilkolbens 58. Die Geometrie des Hochdruckventilkolbens 58 ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in 7 ausgebildet. In der Führungsbuchse 65 sind außerhalb des feststehenden Auflageteiles 66 die Kanäle 78 ausgebildet.
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Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 1 und dem erfindungsgemäßen hydraulischen Hybridsystem 37 wesentliche Vorteile verbunden. Die Führungsbuchse 65 und der Zusatzzylinder 15 ist aus einem weichen Material ausgebildet, so dass dadurch in vorteilhafter Weise keine Mikrorisse an dem Presssitz zwischen der Führungsbuchse 65 und dem Zusatzzylinder 15 auftreten. Der Hochdruckventilkolben 58 kann auch nach der Befestigung der Führungsbuchse 65 an dem Zusatzzylinder 15 durch Einführen in die Führungsbuchse 65 an dieser gelagert werden. Das Polrohr 64 ist mittels der Überwurfmutter 80 lösbar an dem Zusatzzylinder 15 befestigt, so dass durch ein Abschrauben der Überwurfmutter 80 und einem Entfernen des Polrohres 64 von dem Zusatzzylinder 15 und nach weiteren geringeren Demontagearbeiten auch der Hochdruckventilkolben 58 in Betrieb des Hochdruckventiles 47 ausgetauscht werden kann. Bei einem Verschleiß an dem Hochdruckventilkolben 58 kann dadurch mit geringen Kosten und einem geringen Montageaufwand der Hochdruckventilkolben 58 mit einem Schaden durch einen neuen Hochdruckventilkolben 58 einfach ausgetauscht werden. Der Hochdruckventilkolben 58 kann auch als Hohlkolben mit einer Hohlbohrung ausgebildet sein, so dass dadurch das Gewicht des Hochdruckventilkolbens 58 deutlich reduziert sein kann. Das Gewicht des Hochdruckventilkolbens 58 beträgt beispielsweise 2 oder 3 g.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006045933 A1 [0005]
- DE 10356262 A1 [0006]
- DE 102012220851 A1 [0007]
