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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Hochdruck-Kraftstoffpumpen und insbesondere Pumpen,
die einwärts pumpende
Radialkolben haben.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Auf
dem Gebiet, das Hochdruck-Kraftstoffpumpen betrifft, ist bekannt,
dass eng passende hin- und hergehende Kolben verwendet werden, um
wirksame Pumpelemente bereitzustellen, die geeignet sind, hohe Kraftstoffdrücke für die Direkteinspritzung von
Kraftstoff in Motorverbrennungskammern zu entwickelt. Solche Pumpen
werden weithin in Dieselmotoren für die Direkteinspritzung von
Kraftstoff mit hohen Zylinderdrücken
für eine
Verdichtungsentflammung des Kraftstoffs verwendet. Jedoch hat Dieselkraftstoff
eine verhältnismäßig hohe
Lubrizität,
eine höhere
Viskosität
und andere Eigenschaften, die von herkömmlichem Autobenzin zur Verwendung
in Ottomotoren abweichen. Es war gewünscht, eine Hochdruckkolben-Kraftstoffpumpe
zu entwickeln, die für eine
Verwendung mit Otto- oder Zweimodusmotoren geeignet ist, um Benzin
und ähnliche
Kraftstoffe zum Zünden
und Verbrennen direkt in Motorverbrennungskammern einzuspritzen.
US-A-5 318 001 offenbart eine Pumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Kraftstoffpumpe zum Zuführen von
Kraftstoff mit hohen Kraftstoffdrücken bereit, wobei die Pumpe
einen feststehenden Körper
umfasst, der mehrere Radialzylinder aufweist, die innen mit einer
zentralen Kraftstoffkammer verbunden sind. Einlass- und Auslassdurchgänge stehen
in Verbindung mit der Kraftstoffkammer, um Kraftstoff aus der Kammer
einströmen
und ausströmen
zu lassen. Kolben können
in den Zylindern hin- und herbewegt werden und sind außen mit Nockenstößeln verbunden,
die in Stößelaussparungen
des Körpers
hin- und herbewegt
werden können.
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Ein
Rotationsinnennocken steht mit den Nockenstößeln in Eingriff und ist drehbar
um den Körper getragen.
Der Nocken ist dafür
konfiguriert, die Kolben in zeitgesteuertem Verhältnis hin- und herzubewegen,
um als Reaktion auf die Drehung des Rotationsnockens nacheinander
Kraftstoff aus dem Einlassdurchgang in die zentrale Kraftstoffkammer
zu ziehen und abwechselnd Kraftstoff aus der zentralen Kraftstoffkammer
zum Auslassdurchgang zu drücken.
Die Materialien der Zylinder und Kolben sind für eine ausgedehnte Lebensdauer
unter Betrieb mit Benzinkraftstoff, der eine verhältnismäßig niedrige Lubrizität und Viskosität hat, ausgewählt. Die
Erfindung umfasst paarweise Zylinder und Kolben mit kleinen und
größeren Durchmessern,
die auf eine überlappende
Weise nacheinander betätigt
werden, um das Pulsieren des unter Druck gesetzten Kraftstoffs, der
aus der Pumpe in zugeordnete Motorkraftstoffleitungen abgegeben
wird, auf ein Minimum zu verringern.
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Diese
und andere Merkmale und Vorzüge der
Erfindung werden vollständiger
zu verstehen sein aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer
Ausführungsformen
der Erfindung, betrachtet zusammen mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
Ansicht des Antriebsendes einer Kraftstoffpumpe mit Radialzylinderkolben
nach der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
axiale Querschnittsansicht der Pumpe von der Linie 2-2 von 1,
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3 eine
Ansicht der Pumpe von 1 vom Kraftstoffanschlussende,
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4 eine
radiale Querschnittsansicht der Pumpe von der Linie 4-4 von 2,
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5 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
Pumpe von der Linie 5-5 von 3 und
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6 eine
Ansicht, ähnlich 4,
die eine alternative Ausführungsform
zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnungen bezeichnet nun die
Zahl 10 im Allgemeinen eine Radialkolben-Kraftstoffpumpe
nach der Erfindung. Die Pumpe 10 umfasst einen feststehenden
Körper 12,
der einen abdichtend an einem umschließenden Gehäuse 16 angebrachten
Stirnabschnitt 14 aufweist. Das Gehäuse umfasst einen ausgestellten
Abschnitt 18, der eine kreisförmige Hülle 20 und eine mit
Flansch versehene Erweiterung 22 definiert, die einen Anbringungsabschnitt
definiert.
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Das
Gehäuse 16 trägt drehbar
ein Nockenelement 24, das eine Antriebswelle 26 hat,
die durch ein angrenzend an einen Anbringungsflansch 30 an der
Erweiterung 22 getragenes Kugellager 28 gestützt wird.
Die Antriebswelle ist mit einer Radialscheibe 32 verbunden,
die einen Nockenring 34 zum Drehen innerhalb der Hülle 20 trägt. Eine
mechanische Kraftstoffdichtung 35 steht mit der Scheibe 32 angrenzend
an die Antriebswelle 26 abdichtend in Eingriff.
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Das
Innere des Rings 34 ist mit vier mit gleichem Winkelabstand
angeordneten, nach innen erhöhten
Nockenerhebungen 36 versehen, die sich von der ansonsten
kreisförmigen
Innenfläche 38 des Rings 34 nach
innen erstrecken. Die Nockenerhebungen sind als ebene Flächen gezeigt,
können
aber mit einer beliebigen gewünschten
Konfiguration hergestellt sein, die für ihren anschließend beschriebenen
Zweck geeignet ist.
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Ein
allgemein zylindrischer Abschnitt 40 des Körpers 12 erstreckt
sich innerhalb der kreisförmigen Hülle 20 des
Gehäuses 16 in
den Nockenring 34. Innerhalb des zylindrischen Abschnitts 40 werden mehrere
Radialbohrungen oder -zylinder bereitgestellt. Diese umfassen zwei
Paar von Pumpzylindern, die zwei radial ausgerichtete kleine Zylinder 42 und zwei
radial ausgerichtete größere Zylinder 44 einschließen. Die
kleineren Zylinder sind in der Drehrichtung des Nockenrings (im
Uhrzeigersinn, wie in 4 gezeigt) bei vorbestimmten
Winkeln vor den größeren Zylindern
angeordnet, um verbundene Paare von zusammenwirkenden kleinen und
größeren Zylindern
zu bilden, die auf eine anschließend zu erklärende Weise
eine Druckimpulsdämpfung
gewährleisten.
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Innerhalb
der Zylinder 42, 44 sind hin- und hergehende passend
bemessene Kolben 46 bzw. 48 aufgenommen. Die Kolben
werden durch Federn 50, 52 nach außen vorgespannt,
um mit Nockenstößeln in
Eingriff zu stehen, die Stößelschuhe 54 und
Stößelrollen 56 umfassen.
Die Schuhe 54 werden in Stößelschlitzen oder -aussparungen 58 im
Körper 12 aufgenommen,
und die Stößelrollen 56 sind
zum Drehen in den Schuhen 54 getragen. Federn 60 drücken die
Schuhe nach außen,
um die Rollen an der Innenfläche
des Nockenrings 34 zu halten. Die Innenseiten der Kolben
sind hohl, um ein radiales Einströmen von überschüssigem Kraftstoff aus den Stößelaussparungen
zu gewährleisten.
Kugelventile 62 werden bereitgestellt, um einen Rückfluss
des Kraftstoffs nach außen
durch die Kolben zu verhindern.
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Die
Zylinder 42, 44 sind an ihren inneren Enden offen
zu einer sich in Axialrichtung erstreckenden zentralen Kraftstoffkammer 64,
in die durch eine Einlassöffnung 66 im
Stirnabschnitt 14 des feststehenden Körpers 12 Kraftstoff
gezogen wird. Ein Ventil, wie beispielsweise ein gefedertes Einlass-Rückschlagventil, 68 verhindert
einen Rückkehrkraftstoffstrom
aus der Öffnung 66.
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Zusätzliche
Radialbohrungen, die mit der zentralen Kraftstoffkammer verbunden
sind, schließen
einen Auslassdurchgang 70, einen Überlaufdurchgang 72 und
einen inneren Entlastungsdurchgang 74 ein. Der Auslassdurchgang 70 umfasst
ein Rückschlagventil 76,
um ein Kraftstoffrückfluss-Einströmen zu verhindern,
und ist mit einer Auslassöffnung 78 verbunden,
die sich in Axialrichtung durch den Körperstirnabschnitt 14 öffnet, für eine Verbindung
mit einer nicht gezeigten Kraftstoffverteilungsleitung. Der Überlaufdurchgang 72 ist
mit einer Überlauföffnung 80 verbunden,
die sich in Axialrichtung durch den Körperstirnabschnitt 14 öffnet, für eine Verbindung
mit einem nicht gezeigten äußeren Druckregelventil
zum Regeln des Kraftstoffauslassdrucks. Der innere Entlastungsdurchgang 74 umfasst ein
gefedertes Druckentlastungsventil 82, das sich öffnet, um überschüssigen Kraftstoffdruck
durch ein offenes äußeres Ende
des Durchgangs 74 zu einem Totraum 84, der den
zylindrischen Abschnitt 40 des Körpers 12 umschließt, zu entlasten.
Ein hoher Kraftstoffdruck innerhalb dieses Totraums kann durch einen
Rückführungskraftstoffstrom
durch die Kolben 46, 48 zur zentralen Kraftstoffkammer 64 entlastet werden.
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Zusätzlich zu
dem Kugellager 28, das die Antriebswelle 26 des
Nockenelements 24 trägt,
wird der Nockenring 34 unmittelbar durch eine Zapfenhülse 86 getragen,
die am Nockenring angebracht ist und mit einer inneren Lagerhülse 88 in
Eingriff steht, die im Gehäuse 16 des
Körpers 12 angebracht
ist. Diese Lagerhülsen
sind vorzugsweise aus einem harten verschleißfesten Material, wie beispielsweise
Wolframkarbid, hergestellt, um trotz der schlechten Schmiereigenschaften
des durch die Pumpe unter Druck gesetzten Benzinkraftstoffs eine
lange Lebensdauer zu gewährleisten.
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Im
Betrieb der Kraftstoffpumpe 10 wird die Antriebswelle 26 durch
eine äußere Energiequelle, wie
beispielsweise eine Motorkurbelwelle, die nicht gezeigt wird, angetrieben.
Die Welle dreht den Nockenring 34 im Uhrzeigersinn, wie
in 4 gezeigt, in der Richtung des Pfeils 90.
Während
des Drehens nehmen die nach innen erhöhten Nockenerhebungen 36 nacheinander
als Erstes die Nockenstößelrollen 56 der
kleineren Kolben 46 und als Zweites die Rollen 56 der
größeren Kolben 48 in
Eingriff. Folglich werden die kleineren Kolben zuerst nach innen
bewegt und drücken
ein anfängliches
Volumen an Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 64 durch
die Auslassöffnung 78.
Wenn die kleineren Kolben beginnen zurückzukehren, werden die größeren Kolben
nach innen betätigt
und drücken
ein größeres Volumen
an Kraftstoff aus der Kammer 64 durch die Auslassöffnung 78.
Die überlappenden
Kraftstoffpulse gewährleisten
eine zuneh mende Durchflussgeschwindigkeit für jeden Kraftstoffpuls, so
dass die durch die Kraftstoffpulse ausgelösten Stoßwellen gemäßigt werden.
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Da
der Nockenring 34 mit vier Nockenerhebungen 36 versehen
ist, werden die Kolben für
jede Umdrehung des Nockenelements jeweils viermal betätigt. Folglich
gibt die Pumpe mit jeder Umdrehung der Pumpenantriebswelle vier
gemäßigte aufeinanderfolgende
Kraftstoffpulse aus beiden Paaren von kleineren und größeren Kolben
ab.
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Der
normale Kraftstoffauslassdruck der Pumpe kann geregelt werden durch
einen äußeren Druckregler,
der mit dem Auslass der Pumpe verbunden ist, oder mit Hilfe eines
nicht gezeigten elektronisch geregelten Überlaufventils, das mit der
wahlweisen Überlauföffnung 80 verbunden
ist, die Kraftstoff unmittelbar aus dem Zylindervolumen leitet,
wobei das Einlass- und das Auslassventil umgangen werden. Ein mit
der Öffnung 80 und
zusätzlich
mit der Einlasszufuhrleitung verbundenes Überlaufventil stellt folglich
ein Mittel bereit, damit ein veränderliches
Volumen an Kraftstoff den Pumpvorgang umgeht und durch das Überlaufventil
zur Einlassseite der Pumpe hindurchgeht. Da sie praktisch als Verstellpumpe
funktioniert, kann eine Netto-Energieeinsparung verwirklicht werden.
Das Umsetzen eines Überlaufventil-Druckregelungssystems
würde normalerweise
eine Druckrückkopplungsschleife
einschließen
und kann ebenfalls eine Pumpen-Zylinder-Positionsreferenz erfordern.
Falls ein maximaler Auslassdruck überschritten wird, öffnet sich
das innere Druckentlastungsventil und gibt Kraftstoff in den Totraum 84 innerhalb
des Nockenrings 34 ab, um den Druck zu verringern. Falls
ein Druckanstieg im Totraum 84 auftritt, wird er durch
einen Kraftstoffstrom durch die Kolben und zurück zur zentralen Kraftstoffkammer 64 entlastet.
Die Wellendichtung 35 wirkt, um einen Verlust an Kraftstoff
durch Auslaufen vorbei an der Antriebswelle 26 zu verhindern.
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In 6 der
Zeichnungen zeigt die Zahl 92 eine Pumpe an, die eine alternative
Ausführungsform der
Erfindung umfasst, wobei gleiche Zahlen Bestandteile, ähnlich denen
der ersten Ausführungsform,
anzeigen. Die Pumpe 92 unterscheidet sich durch das Weglassen
der zwei kleineren Zylinder und Kolben aus dem Körper 94 und durch
eine Neuanordnung der Radialbohrungen von der Pumpe 10.
Folglich umfasst der Körper 94 zwei
größere Zylinder 44 mit
Kolben 48, die in Radialrichtung einander gegenüberliegend
ausgerichtet sind. Ein Auslassdurchgang 70, ein Überlaufdurchgang 72 und
ein Entlastungsdurchgang 74 sind ebenfalls eingeschlossen, wie
auch eine zentrale Kraftstoffkammer 64 und eine nicht gezeigte
Auslassöffnung.
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Da
die Pumpe 92 durch Weglassen der kleineren Zylinder vereinfacht
ist, ist ihr Betrieb gesteigerten Druckimpulsen ausgesetzt, ohne
die Modulation durch den allmählicheren
Drucksanstieg, der durch die kleineren Zylinder gewährleistet
wird. Jedoch gewährleistet
die Pumpe in beiden Fällen
eine wirksame Hochdruckabgabe in einer kompakten Einheit mit einem
Minimum an äußerem Auslaufen
und mit Kraftstoffverbindungen, die auf Einlass- und Auslassöffnungen
im Gehäusestirnabschnitt
begrenzt sind.
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Während die
Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, sollte es sich verstehen, dass zahlreiche
Veränderungen
innerhalb des Geistes und des Rahmens der beschriebenen erfindungsgemäßen Konzepte
vorgenommen werden könnten.
Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die
offenbarten Ausführungsformen
begrenzt wird, sondern dass sie den vollen Rahmen hat, der durch
die Sprache der folgenden Ansprüche erlaubt
wird.