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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zur Förderung von Kraftstoff auf Hochdruck mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine Kolbenpumpe der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 223 795 A1 hervor. Sie weist wenigstens ein Pumpenelement mit einem in einer Zylinderbohrung eines Gehäuseteils verschiebbar geführten Pumpenkolben auf. Der Pumpenkolben begrenzt mit seinem in die Zylinderbohrung ragenden Ende einen Pumpenarbeitsraum. Das aus der Zylinderbohrung ragende Ende des Pumpenkolbens ist zur Abstützung an einem Nocken einer Antriebswelle mit einem Rollenstößel verbunden. Der am Nocken abgestützte Rollenstößel läuft bei einer Drehbewegung der Antriebswelle außen am Nocken ab, so dass die Drehbewegung der Antriebswelle in eine Hubbewegung des Pumpenkolbens innerhalb der Zylinderbohrung umgesetzt wird.
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Die Fördermenge einer solchen Kolbenpumpe ist abhängig vom Durchmesser und vom Hub des Pumpenkolbens. Soll die Fördermenge gesteigert werden, kann bzw. können der Durchmesser und/oder der Hub des Pumpenkolbens vergrößert werden. Der Hub des Pumpenkolbens ist dabei durch die Nockengeometrie vorgegeben, und zwar durch die Differenz zwischen einem einen oberen Totpunkt definierenden Kopfkreisdurchmesser und einem einen unteren Totpunkt definierenden Fußkreisdurchmesser des Nockens. Ist bauraumbedingt ein maximaler Kopfkreisdurchmesser des Nockens erreicht, kann eine Steigerung der Fördermenge nur über eine Vergrößerung des Durchmessers des Pumpenkolbens bewirkt werden. Doch auch hier setzt der zur Verfügung stehende Bauraum Grenzen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe zur Förderung von Kraftstoff auf Hochdruck anzugeben, die eine Steigerung der Fördermenge bei im Wesentlichen gleichbleibendem Bauraumbedarf ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zur Förderung von Kraftstoff auf Hochdruck vorgeschlagene Kolbenpumpe umfasst einen abschnittsweise in einer Zylinderbohrung aufgenommenen, hubbeweglichen Pumpenkolben, der innerhalb der Zylinderbohrung einen mit Kraftstoff befüllbaren Pumpenarbeitsraum begrenzt. Die Kolbenpumpe umfasst ferner eine Antriebswelle mit einem Nocken, über den der Pumpenkolben in einer Hubbewegung antreibbar ist. Erfindungsgemäß ist der Pumpenkolben mehrteilig ausgeführt und weist zumindest zwei ineinander geführte Kolbenteile auf, wobei jedes Kolbenteil mittelbar über mindestens eine Rolle am Nocken abgestützt ist und wobei der Nocken zur Abstützung der Kolbenteile mehrere Nockenabschnitte aufweist, die sich hinsichtlich ihres Fußkreisdurchmessers und/oder Kopfkreisdurchmessern unterscheiden.
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Der Pumpenkolben einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe weist demnach relativ zueinander bewegliche Kolbenteile auf. Dadurch, dass die relativ zueinander beweglichen Kolbenteile des Pumpenkolbens an unterschiedlich geformten Nockenabschnitten abgestützt sind, führen diese unterschiedlich große Hübe aus. Dies kann im Saugbetrieb der Kolbenpumpe dazu genutzt werden, das Volumen des Pumpenarbeitsraums zu vergrößern, so dass die Füllmenge und damit die Fördermenge steigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Nocken einen zentralen Nockenabschnitt auf, der gegenüber beidseits angrenzenden und/oder außenliegenden Nockenabschnitten einen reduzierten Fußkreisdurchmesser besitzt. Durch den reduzierten Fußkreisdurchmesser des zentralen Nockenabschnitts wird der Hub des hieran abgestützten Kolbenteils vergrößert. Das heißt, dass dieses Kolbenteil im Saugbetrieb der Kolbenpumpe einen Freihub ausführt, nachdem das mindestens eine weitere Kolbenteil seinen unteren Totpunkt erreicht hat. Der Freihub wiederum führt zur gewünschten Volumenvergrößerung des Pumpenarbeitsraums, so dass die Fördermenge der Kolbenpumpe gesteigert wird.
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Sofern der Kopfkreisdurchmesser des Nockens unverändert bleibt bzw. die mehreren Nockenabschnitte des Nockens jeweils den gleichen Kopfkreisdurchmesser aufweisen, kann eine Steigerung der Fördermenge ohne erhöhten Bauraumbedarf realisiert werden. Das heißt, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen im Wesentlichen bauraumneutral sind.
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Bevorzugt ist ein außenliegendes Kolbenteil der ineinander geführten Kolbenteile als Hohlkolben ausgeführt und über mindestens zwei Rollen am Nocken abgestützt. Die Ausführung des außenliegenden Kolbenteils als Hohlkolben erlaubt die Aufnahme und Führung mindestens eines weiteren Kolbenteils, und zwar in koaxialer Anordnung. Beispielsweise können die mehreren Kolbenteile teleskopartig zusammengesetzt sein.
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Als Hohlkolben weist vorzugsweise das außenliegende Kolbenteil eine zum Pumpenarbeitsraum hin offene Axialbohrung auf, in der zumindest ein weiteres Kolbenteil aufgenommen ist. Die Stirnflächen der mehreren Kolbenteile begrenzen somit den Pumpenarbeitsraum gemeinsam. Haben die mehreren Kolbenteile ihren jeweiligen oberen Totpunkt erreicht, bilden ihre Stirnflächen bevorzugt eine durchgehende ebene Druckfläche aus.
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Die der Abstützung des außenliegenden Kolbenteils dienenden Rollen sind vorzugsweise in einem Rollenschuh drehbar gelagert, der mehrteilig ausgeführt oder von einer zentrischen Bohrung durchsetzt ist. Die mehrteilige Ausführung bzw. die zentrische Bohrung des Rollenschuhs erlaubt die Durchführung eines innenliegenden Kolbenteils des Pumpenkolbens.
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Die Anzahl der Rollen zur Abstützung des außenliegenden Kolbenteils beträgt vorzugsweise zwei, wobei die Anordnung koaxial zueinander und beidseits des innenliegenden Kolbenteils erfolgt. Die beiden Rollen liegen weiterhin vorzugsweise an zwei außenliegenden Nockenabschnitten des Nockens an, die hinsichtlich ihrer Geometrie gleich ausgebildet sind. Auf diese Weise erfährt das außenliegende Kolbenteil eine gleichmäßige Abstützung am Nocken.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Bewegungsraum der der Abstützung des außenliegenden Kolbenteils dienenden Rollen in Richtung der Rollenlängsachsen außenseitig durch einen Stößelkörper und innenseitig durch eine Hülse begrenzt wird. Dadurch ist eine optimale Ausrichtung der Rollen in Bezug auf den ihnen jeweils zugeordneten Nockenabschnitt sichergestellt. Die den Bewegungsraum innenseitig begrenzende Hülse ist vorzugsweise in die zentrische Bohrung des Rollenschuhs eingesetzt, so dass die Hülse einfach zu montieren und in ihrer radialen Lage ausreichend fixiert ist.
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Der Stößelkörper ist bevorzugt über einen Federteller, an dem eine Druckfeder abgestützt ist, mit einem Kolbenfuß eines Kolbenteils, vorzugsweise mit dem außenliegenden Kolbenteil, verbunden. Eine solche Verbindung ist einfach herstellbar, zudem kann auf bereits vorhandene Bauteile zurückgegriffen werden. Die Federkraft der Druckfeder hält die Rollen in Anlage mit dem ihnen jeweils zugeordneten Nockenabschnitt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass zwischen den Kolbenteilen des Pumpenkolbens eine weitere Druckfeder angeordnet ist. Aufgabe der weiteren Druckfeder ist es, ein im außenliegenden Kolbenteil aufgenommenes innenliegendes Kolbenteil gegen den ihm zugeordneten Nockenabschnitt zu drücken. Die weitere Druckfeder ist hierzu bevorzugt einerseits am außenliegenden Kolbenteil, andererseits am innenliegenden Kolbenteil, vorzugsweise am Kolbenfuß des innenliegenden Kolbenteils, abgestützt.
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Das innenliegende Kolbenteil, vorzugsweise der Kolbenfuß des innenliegenden Kolbenteils, weist vorteilhafterweise eine stirnseitige Ausnehmung auf. Die stirnseitige Ausnehmung dient der drehbaren Lagerung der Rolle des Kolbenteils, so dass ein Rollenschuh entbehrlich ist. Auf diese Weise reduziert sich der Fertigungsaufwand.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das innenliegende Kolbenteil, vorzugsweise der Kolbenfuß des innenliegenden Kolbenteils, zumindest abschnittsweise von einer Hülse umgeben ist. Die Hülse dient der axialen Lagefixierung der im innenliegenden Kolbenteil drehbar gelagerten Rolle, so dass eine optimale Ausrichtung der Rolle in Bezug auf den ihr zugeordneten Nockenabschnitt gewährleistet ist. Die Hülse ist hierzu kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem innenliegenden Kolbenteil bzw. mit dem Kolbenfuß des innenliegenden Kolbenteils verbunden. Beispielsweise kann die Hülse aufgepresst oder aufgeschraubt sein und/oder mit dem innenliegenden Kolbenteil verklebt oder verschweißt sein.
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Zur Befüllung des Pumpenarbeitsraums der Kolbenpumpe mit Kraftstoff ist bevorzugt ein Saugventil vorgesehen, das einen Ventilkolben aufweist, der vorzugsweise koaxial in Bezug auf den Pumpenkolben angeordnet ist. Die koaxiale Anordnung des Ventilkolbens des Saugventils optimiert die Strömung des Kraftstoffs in den Pumpenarbeitsraum, wenn das Saugventil geöffnet ist. Dies begünstigt eine schnelle Befüllung des Pumpenarbeitsraums mit Kraftstoff.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe mit einer Pumpenkolbenstellung am unteren Totpunkt,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch die Kolbenpumpe der 1 mit einer Pumpenkolbenstellung am oberen Totpunkt und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Kolbenteil eines Pumpenkolbens für eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Kolbenpumpe handelt es sich um eine der Verdichtung von Kraftstoff dienende Kraftstoffhochdruckpumpe, die als Radialkolbenpumpe ausgeführt ist. Das heißt, dass die Kolbenpumpe einen in einer Zylinderbohrung 1 eines Zylinderkopfs 21 hubbeweglich aufgenommenen Pumpenkolben 2 aufweist, der innerhalb der Zylinderbohrung 2 einen über ein Saugventil 18 mit Kraftstoff befüllbaren Pumpenarbeitsraum 3 begrenzt. Andernends ist der Pumpenkolben 2 mittelbar über eine Rolle 6 an einem Nocken 5 einer Antriebswelle 4 abgestützt. Die Drehbewegung der Antriebwelle 4 wird auf diese Weise in eine Hubbewegung des Pumpenkolbens 2 innerhalb der Zylinderbohrung 2 umgesetzt. Dabei verkleinert sich das Volumen des Pumpenarbeitsraums 3 und der darin befindliche Kraftstoff wird verdichtet. Über einen Hochdruckabgang 22 wird der verdichtete Kraftstoff anschließend einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt, um mittels eines an den Hochdruckspeicher angeschlossenen Einspritzventils (nicht dargestellt) in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt zu werden.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Kolbenpumpe zeichnet sich durch einen mehrteilig ausgeführten Pumpenkolben 2 aus, wobei die mehreren Teile ein als Hohlkolben ausgeführtes erstes Kolbenteil 2.1 sowie ein hierin aufgenommenes zweites Kolbenteil 2.2 umfassen. Jedes Kolbenteil 2.1, 2.2 ist für sich über mindestens eine Rolle 6, 7 an einem ihm zugeordneten Nockenabschnitt 5.1, 5.2, 5.3 des Nockens 5 abgestützt, wobei die Nockenabschnitte 5.1, 5.2, 5.3 unterschiedliche Geometrien aufweisen. Vorliegend ist die Geometrie des zentralen Nockenabschnitts 5.2 derart gewählt, dass das zweite Kolbenteil 2.2 einen größeren Saughub als das erste Kolbenteil 2.1 ausführt. Das heißt, dass der Fußkreisdurchmesser des zentralen Nockenabschnitts 5.2 kleiner als der der angrenzenden Nockenabschnitte 5.1, 5.3 ist. Hat das erste Kolbenteil 2.1 den unteren Totpunkt erreicht, bewegt sich das zweite Kolbenteil 2.2 relativ zum ersten Kolbenteil 2.1 weiter. Dabei gibt das zweite Kolbenteil 2.2 innerhalb des als Hohlkolben ausgeführten ersten Kolbenteils 2.1 ein zusätzliches Volumen 23 frei, das den Pumpenarbeitsraum 3 vergrößert (siehe 1). Auf diese Weise kann der Pumpenarbeitsraum 3 mit einer größeren Menge Kraftstoff befüllt werden, wodurch die Fördermenge – bei im Wesentlichen gleichbleibenden Abmessungen der Kolbenpumpe – steigt. Das heißt, dass sich der Bauraumbedarf nicht verändert.
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Voraussetzung ist dabei, dass die Kolbenteile 2.1, 2.2 relativ zueinander beweglich sind. Um dies zu gewährleisten, ist jedes Kolbenteil 2.1, 2.2 separat am Nocken 5 abgestützt.
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Die Abstützung des als Hohlkolben ausgeführten ersten Kolbenteils 2.1 erfolgt vorliegend über zwei Rollen 6 bzw. eine geteilte Rolle 6, die in einem Rollenschuh 8 drehbar gelagert ist. Der Rollenschuh 8 ist in einem Stößelkörper 10 aufgenommen, der über eine Bohrung 24 in einem Grundgehäuse 20 axial verschiebbar geführt ist. Zur Verbindung des Stößelkörpers 10 mit dem ersten Kolbenteil 2.1 ist ein Federteller 12 vorgesehen, der einen Kolbenfuß 14 des ersten Kolbenteils 2.1 hintergreift und radial außen an einem Ringbund 25 des Stößelkörpers 10 abgestützt ist. Die Federkraft einer am Federteller 12 abgestützten Druckfeder 13 hält diesen in Anlage mit dem Stößelkörper 10 und dem Kolbenfuß 14.
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Die Abstützung des zweiten Kolbenteils 2.2 am Nocken 5 erfolgt über die weitere Rolle 7, die in einer stirnseitigen Ausnehmung 17 eines Kolbenfußes 16 des zweiten Kolbenteils 2.2 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 17 im Kolbenfuß 16 ist teilzylinderförmig, so dass ein Drehlager ausgebildet wird. Ferner ist eine weitere Druckfeder 15 vorgesehen, die zwischen den beiden Kolbenfüßen 14, 16 der beiden Kolbenteile 2.1, 2.2 angeordnet ist und das zweite Kolbenteil 2.2 einschließlich der Rolle 7 gegen den Nockenabschnitt 5.2 drückt.
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Um die Beweglichkeit der beiden Kolbenteile 2.1, 2.2 relativ zueinander zu gewährleisten, weist der die Rolle 6 bzw. Rollen 6 aufnehmende Rollenschuh 8 eine zentrische Bohrung 9 auf, durch die das zweite Kolbenteil 2.2 hindurchgeführt ist. In die Bohrung 9 ist zudem eine Hülse 11 eingesetzt, die eine Längsverschiebung der Rollen 6 verhindert.
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Hat auch das zweite Kolbenteil 2.2 seine untere Totpunktlage erreicht, ist die Saugphase beendet und die Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens 2 kehrt sich um. Dabei bewegen sich beide Kolbenteile 2.1, 2.2 wiederum relativ zueinander. Denn das innenliegende zweite Kolbenteil 2.2 hat einen größeren Hub zu durchlaufen als das außenliegende erste Kolbenteil 2.1. Haben beide Kolbenteile 2.1, 2.2 ihre obere Totpunktlage erreicht, bilden beide Kolbenteile 2.1, 2.2 eine durchgehende den Pumpenarbeitsraum 3 begrenzende Druckfläche aus (siehe 2).
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Mit Umkehrung der Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens 2 wird das Saugventil 18 aktiv und/oder passiv über den im Pumpenarbeitsraum 3 ansteigenden Druck geschlossen. Als vorteilhaft wirkt sich dabei die dargestellte koaxiale Anordnung eines Ventilkolbens 19 des Saugventils 18 in Bezug auf den Pumpenkolben 2 aus.
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Der 3 ist eine alternative Ausführungsform eines innenliegenden Kolbenteils 2.2 eines Pumpenkolbens 2 zu entnehmen. Die teilzylinderförmige Ausnehmung 17 zur drehbaren Lagerung der Rolle 7 erstreckt sich über den gesamten Durchmesser des Kolbenfußes 16, so dass die Rolle 7 seitlich einsetzbar ist. Dies ermöglicht einen Umschlingungswinkel größer 180°, so dass die Rolle 17 verliersicher in der Ausnehmung 17 gehalten ist. Zur axialen Lagefixierung der Rolle 7 ist auf den Kolbenfuß 16 eine Hülse 26 aufgepresst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223795 A1 [0002]
