EP2422072B1

EP2422072B1 - Hochdruckpumpe

Info

Publication number: EP2422072B1
Application number: EP10706987A
Authority: EP
Inventors: Andreas Dutt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: EP2422072A1; CN102414434A; DE102009002518A1; WO2010121857A1; CN102414434B

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine Radial- oder Reihenkolbenpumpe. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffpumpen für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
Aus der DE 10 2005 046 670 A1 ist eine Hochdruckpumpe für eine Brennstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine bekannt. Die bekannte Hochdruckpumpe weist ein mehrteiliges Pumpengehäuse auf, in dem wenigstens ein Pumpenelement angeordnet ist. Das Pumpenelement umfasst einen durch eine Antriebswelle in einer Pumpbewegung angetriebenen Pumpenkolben, der in einer Zylinderbohrung eines Teils des Pumpengehäuses verschiebbar geführt ist und in dieser einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Der Pumpenkolben stützt sich über einen hohlzylinderförmigen Stößel an der Antriebswelle ab, wobei der Stößel in einer Bohrung eines Teils des Pumpengehäuses in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens verschiebbar geführt ist. Beim Saughub des Pumpenkolbens, bei dem sich dieser radial nach innen bewegt, wird der Pumpenarbeitsraum durch einen Kraftstoffzulaufkanal bei geöffnetem Einlassventil mit Brennstoff befüllt, wobei das Auslassventil geschlossen ist. Beim Förderhub des Pumpenkolbens, bei dem sich dieser radial nach außen bewegt, wird durch den Pumpenkolben Brennstoff unter Hochdruck durch einen Kraftstoffablaufkanal bei geöffnetem Auslassventil zu einem Hochdruckspeicher gefördert, wobei das Einlassventil geschlossen ist.
Die aus der DE 10 2005 046 670 A1 bekannte Hochdruckpumpe hat den Nachteil, dass es im Betrieb auf Grund des Hochdrucks im Pumpenarbeitsraum zu einer Leckage über die Führung des Pumpenkolbens kommt. Hierbei kommt es zu Verformungen des Pumpenkolbens und einer Zylinderbohrung, in der der Pumpenkolben geführt ist, wodurch es zu einer Aufweitung der Führung und somit einer zunehmenden Leckage bei steigendem Hochdruck kommt.
Eine weitere Hechdruckpumpe für Brennstoffeinspritzanlagen ist aus dem später veröffentlichten Dokument DE 102008041176A bekannt.

Offenbarung der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht ist. Speziell kann die Zunahme einer Leckage von Brennstoff aus dem Pumpenarbeitsraum verhindert oder zumindest verringert werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Hochdruckpumpe möglich.
Vorteilhaft ist es, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens, der einen aniosotropen Elastizitätsmodul aufweist, eine Querdehnungszahl aufweist, die nicht kleiner als 0,3 ist. Dadurch kann eine negative Radialverformung, bei der der Pumpenkolben auf Grund der Druckbelastung radial zusammengedrückt wird, vermieden werden. Dadurch kann eine übermäßige Leckage verhindert werden. Eine Leckage zwischen dem Pumpenkolben und der Zylinderbohrung, in der der Pumpenkolben geführt ist, hat den Nachteil, dass es zu Wirkungsgradverlusten kommt, die mit zunehmendem Druck im Pumpenarbeitsraum ansteigen. Dadurch ist auch der Anwendungsbereich im Hinblick auf relativ hohe Drücke begrenzt. Durch die Verringerung der Leckage kann zum einen der Wirkungsgrad gesteigert werden. Zum anderen kann der Anwendungsbereich hin zu größeren von der Hochdruckpumpe erzeugbaren Drücken vergrößert werden.
Vorteilhaft ist es, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens entlang der Achse der Zylinderbohrung einen kleineren Elastizitätsmodul aufweist als senkrecht zu der Achse der Zylinderbohrung. Dadurch kommt es mit ansteigendem Druck im Pumpenarbeitsraum zu einer Verkürzung des Pumpenkolbens entlang der Achse der Zylinderbohrung und zu einer radialen Ausdehnung, das heißt zu einer positiven Radialverformung, des Pumpenkolbens in Bezug auf eine stirnseitige Beaufschlagung des Pumpenkolbens. Ferner tritt eine radiale Beaufschlagung des Pumpenkolbens durch den unter hohem Druck stehenden Brennstoff in einem Spalt zwischen der Zylinderbohrung und dem Pumpenkolben auf. Diese Beaufschlagung wirkt der positiven Radialverformung des Pumpenkolbens entgegen. Je nach Ausgestaltung des Pumpenkolbens kann die sich effektiv ergebende Radialverformung vorzugsweise etwa gleich Null oder größer als Null sein. Hierdurch kann auch eine gegebenenfalls auftretende Aufweitung der Zylinderbohrung im Bereich des Pumpenkolbens kompensiert werden.
Vorteilhaft ist es, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens ein metallischer oder teilmetallischer Werkstoff ist, der anisotrop bearbeitet ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens durch zumindest ein anisotropes Walzverfahren und/oder zumindest ein anisotropes Verfestigungsverfahren bearbeitet ist. Somit kann gezielt eine anisotrope Ausgestaltung des Werkstoffs im Hinblick auf die axiale Ausdehnung des Pumpenkolbens und eine radiale Ausdehnung des Pumpenkolbens, die senkrecht zu der axialen Ausdehnung des Pumpenkolbens ist, erfolgen.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens ein Glas- und/oder Carbonfaserwerkstoff ist, der durch Glas- und/oder Carbonfasern anisotrop verstärkt ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine gezielte Richtungsabhängigkeit des Elastizitätsmoduls in axialer Richtung und in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung vorgegeben werden. Außerdem kann die Größe des Elastizitätsmoduls in axialer Richtung und in radialer Richtung gezielt vorgegeben werden.
Vorteilhaft ist es, dass der Pumpenkolben eine Stirnfläche aufweist, dass die Stirnfläche des Pumpenkolbens in der Zylinderbohrung den Pumpenarbeitsraum begrenzt und dass der Pumpenkolben so ausgestaltet ist, dass bei einer Beaufschlagung der Stirnfläche des Pumpenkolbens mit einem hohen im Pumpenarbeitsraum herrschenden Druck eine zumindest im Wesentlichen verschwindende Radialverformung des Pumpenkolbens zumindest im Abschnitt des Werkstoffs, der den anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, auftritt. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens, der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, eine Querdehnungszahl aus einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 aufweist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine zumindest im Wesentlichen verschwindende Radialverformung des Pumpenkolbens erzielt werden, so dass ein Anstieg einer Leckage mit zunehmendem Druck im Pumpenarbeitsraum verringert ist.
Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass der Pumpenkolben eine Stirnfläche aufweist, dass die Stirnfläche des Pumpenkolbens in der Zylinderbohrung den Pumpenarbeitsraum begrenzt und dass der Pumpenkolben so ausgestaltet ist, dass bei einer Beaufschlagung der Stirnfläche des Pumpenkolbens mit einem hohen im Pumpenarbeitsraum herrschenden Druck eine positive Radialverformung des Pumpenkolbens zumindest im Abschnitt des Werkstoffs, der den anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, auftritt. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der Werkstoff des Pumpenkolbens, der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, eine Querdehnungszahl aufweist, die größer als 0,5 ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine positive Radialverformung erzielt werden, so dass der Anstieg einer Leckage mit zunehmendem Druck weiter verringert oder ganz verhindert ist. Hierbei kann gegebenenfalls eine Aufdehnung der Zylinderbohrung im Bereich des Pumpenkolbens durch eine positive Radialdehnung ganz oder teilweise ausgeglichen werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Hochdruckpumpe in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der Hochdruckpumpe des Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer schematischen Darstellung, die eine Längsbelastung veranschaulicht;
Fig. 3 den in Fig. 2 dargestellten Ausschnitt in einer schematischen Darstellung, die eine Querbelastung veranschaulicht; und
Fig. 4 den in Fig. 2 dargestellten Ausschnitt in einer schematischen Darstellung, die eine Summe aus der in Fig. 2 veranschaulichten Längsbelastung und der in Fig. 3 veranschaulichten Querbelastung darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Hochdruckpumpe 1 in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Die Hochdruckpumpe 1 kann insbesondere als Radial- oder Reihenkolbenpumpe für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Speziell eignet sich die Hochdruckpumpe 1 für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer Brennstoffverteilerleiste, die Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert. Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Die Hochdruckpumpe 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse 2 auf. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse 2 aus den Gehäuseteilen 3, 4, 5, wobei das Gehäuseteil 3 einen Grundkörper 3, das Gehäuseteil 4 einen Zylinderkopf 4 und das Gehäuseteil 5 einen an dem Grundkörper 3 befestigten Flansch 5 darstellt.
Die Hochdruckpumpe 1 weist eine Antriebswelle 6 auf, die einerseits an einer Lagerstelle 7 in dem Gehäuseteil 2 und andererseits an einer Lagerstelle 8 in dem Gehäuseteil 3 gelagert ist. Zwischen den Lagerstellen 7, 8 weist die Antriebswelle 6 einen Nocken 9 auf. Der Nocken 9 kann als Ein- oder Mehrfachnocken ausgestaltet sein. Ferner fällt unter den Begriff des Nockens auch eine Ausgestaltung des Nockens 9, bei der die Antriebswelle 6 einen exzentrischen Abschnitt oder dergleichen aufweist.
Das Gehäuseteil 3 der Hochdruckpumpe 1 weist eine Führungsbohrung 12 auf, in der eine Pumpenbaugruppe 13 angeordnet ist. Der Nocken 9 ist der Pumpenbaugruppe 13 zugeordnet. Je nach Ausgestaltung der Hochdruckpumpe 1 können auch mehrere Pumpenbaugruppen vorgesehen sein, die entsprechend der Pumpenbaugruppe 13 ausgestaltet sind. Solche Pumpenbaugruppen können ebenfalls dem Nocken 9 zugeordnet sein und/oder einem oder mehreren weiteren, dem Nocken 9 entsprechenden Nocken zugeordnet sein. Je nach Ausgestaltung kann dadurch eine Radial- oder Reihenkolbenpumpe verwirklicht werden.
Der Zylinderkopf 4 weist einen Ansatz 14 auf. Der Ansatz 14 erstreckt sich in die Führungsbohrung 12. Der Ansatz 14 weist eine Zylinderbohrung 15 auf, in der ein Pumpenkolben 16 entlang einer Achse 17 der Zylinderbohrung 15 verschiebbar geführt ist. Der Pumpenkolben 16 kann dabei entlang der Achse 17 in der Zylinderbohrung 15 hin und herbewegt werden, wie es durch den Doppelpfeil 18 veranschaulicht ist. Der Kolben 16 weist eine Stirnfläche 19 auf, die einen Pumpenarbeitsraum 20 in der Zylinderbohrung 15 begrenzt. In den Pumpenarbeitsraum 20 führt ein Brennstoffkanal 21, in dem ein Einlassventil 22 angeordnet ist. Bei einem Saughub des Pumpenkolbens 16 strömt über das Einlassventil 22 Brennstoff aus dem Brennstoffkanal 21 in den Pumpenarbeitsraum 20. Außerdem ist ein Brennstoffkanal 23 vorgesehen, in dem ein Auslassventil 24 angeordnet ist. Bei einem Förderhub des Pumpenkolbens 16 wird unter hohem Druck stehender Brennstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 20 über das Auslassventil 24 in den Brennstoffkanal 23 gefördert. Der Brennstoffkanal 23 ist beispielsweise mit einer Brennstoffverteilerleiste verbunden. Dadurch kann unter hohem Druck stehender Brennstoff solch einer Brennstoffverteilerleiste zugeführt werden.
Die Pumpenbaugruppe 13 weist eine Rolle 25 auf, die in einem Rollenschuh 26 gelagert ist. Der Rollenschuh 26 ist dabei in einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Stößelkörper 27 eingesetzt. Ferner ist der Stößelkörper 27 mit einem scheibenförmigen Mitnahmeelement 28 verbunden, das den Pumpenkolben 16 oberhalb eines Bundes 29 umgreift. Dadurch ist der Pumpenkolben 16 über seinen Bund 29 in Anlage mit dem Rollenschuh 26 gehalten. Hierbei ist eine Stößelfeder 30 vorgesehen, die auf den Stößelkörper 27 und das Mitnahmeelement 28 einwirkt und somit den Stößelkörper 27 zusammen mit dem Pumpenkolben 16 in Richtung auf die Rolle 25 mit einer gewissen Federkraft beaufschlagt. Dadurch liegen der Pumpenkolben 16 mit seinem Bund 29, der Rollenschuh 26, die Rolle 25 und eine Lauffläche 31 des Nockens 9 jeweils aneinander an, wobei diese gegenseitige Anlage auch bei hohen Drehzahlen der Hochdruckpumpe 1 gewährleistet ist.
Im Betrieb der Hochdruckpumpe 1 wird durch eine Rotation der Antriebswelle 6 mit dem Nocken 9 um eine Drehachse 32 der Antriebswelle 6 eine Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens 16 erzielt, so dass die Förderung von unter hohem Druck stehenden Brennstoff zu einer Brennstoffverteilerleiste oder dergleichen über den Brennstoffkanal 23 erfolgt. Während des Förderhubs befindet sich somit im Pumpenarbeitsraum 20 unter hohem Druck stehender Brennstoff.
Die Erzeugung des Hochdrucks im Pumpenarbeitsraum 20 erfolgt im Betrieb somit mittels des bewegten Pumpenkolbens 16, der in der Zylinderbohrung 15 sehr eng geführt ist. Zwischen der Zylinderbohrung 15 und einer Außenseite 35 des Pumpenkolbens 16 besteht ein gewisser Führungsspalt. Der Führungsspalt zwischen der zylindermantelförmigen Außenseite 35 des Pumpenkolbens 16 und der Zylinderbohrung 15 ist so gewählt, dass einerseits eine ausreichende Leichtgängigkeit des Pumpenkolbens 16 gewährleistet ist und andererseits eine Leckage über den Führungsspalt möglichst klein ist. Durch die hierbei gegebene sehr enge Führung ist eine geringe Hochdruckleckage vorgegeben. Allerdings besteht das Problem, dass auf Grund des in einem weiten Bereich variierenden Drucks im Pumpenarbeitsraum 20 eine druckbedingte Aufweitung des Führungsspalts ausgehend von dem Pumpenarbeitsraum 20 entlang der Zylinderbohrung 15 auftreten kann. Hierbei kann zum einen durch eine Beaufschlagung des Führungsspalts der Ansatz 14 des Zylinderkopfes 4 im Bereich der Zylinderbohrung 15 aufgeweitet werden. Zum anderen kann der Pumpenkolben 16 an seiner Außenseite 35 beaufschlagt und entsprechend etwas zusammengedrückt werden. Der Pumpenkolben 16 der Hochdruckpumpe 1 des Ausführungsbeispiels ist aus einem Werkstoff gebildet, der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist. Dadurch kann eine Leckage über den Führungsspalt verringert werden. Speziell kann eine mit steigendem Druck im Pumpenarbeitsraum 20 mögliche Zunahme der Leckagemenge verhindert oder zumindest verringert werden. Hierdurch kann speziell bei sehr hohen Drücken im Pumpenarbeitsraum 20 eine übermäßig große Leckage verhindert werden. Durch eine bei sehr hohen Drücken im Pumpenarbeitsraum 20 auftretende Leckage entsteht ein erheblicher Energieverlust, der somit verringert oder verhindert werden kann. Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe 1 auch bei hohen zu erzeugenden Drücken gewährleistet werden.
Die Ausgestaltung des Pumpenkolbens 16 der Hochdruckpumpe 1 des Ausführungsbeispiels ist im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 im weiteren Detail beschrieben.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Pumpenkolbens 16 der Hochdruckpumpe 1 des Ausführungsbeispiels in einer schematischen Darstellung, wobei eine Radialverformung U_RL auf Grund einer Längsbelastung veranschaulicht ist. Im Pumpenarbeitsraum 20 herrscht ein Druck P, der auf die Stirnfläche 19 des Pumpenkolbens 16 einwirkt. Entlang der Achse 17 des Pumpenkolbens 16 tritt dadurch eine Verkürzung des Pumpenkolbens 16, das heißt eine Längenänderung 36, auf. Der Pumpenkolben 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgestaltet. Der Pumpenkolben 16 weist hierbei im Ausgangszustand, das heißt ohne Druckbeaufschlagung an der Stirnfläche 19, einen Radius R auf. Der Pumpenkolben 16 ist aus einem Werkstoff gebildet, der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist. Hierbei ist entlang der Achse 17 eine relativ kleine Elastizität vorgegeben, während in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Achse 17, eine relativ große Elastizität vorgegeben ist. Der Elastizitätsmodul ist daher entlang der Achse 17 relativ klein und in radialer Richtung relativ groß. Außerdem weist der Werkstoff des Pumpenkolbens 16 eine Querdehnungszahl v auf, die nicht kleiner als 0,3 ist. Das Verhältnis einer Längsdehnung zu einer Querdehnung ist somit größer oder gleich 0,3. Beispielsweise kann ein anisotrop bearbeiteter Stahl eine Querdehnungszahl von 0,3 aufweisen.
Die Radialumformung U_RL auf Grund der Längsbelastung ergibt sich aus dem Produkt aus der Querdehnungszahl v, dem Radius R des Pumpenkolbens 16 und dem Quotienten aus dem Druck P und dem Elastizitätsmodul in Längsrichtung E_L: $U_{RL} = v \cdot R \cdot P / E_{L} .$
Diese Radialverformung U_RL auf Grund der Längsbelastung bedingt eine gewisse Aufweitung des Pumpenkolbens 16 entlang seiner Achse 17, wie es in der Fig. 2 durch eine unterbrochen dargestellte Linie 37 veranschaulicht ist. Hierbei ist anzumerken, dass in der Fig. 2 nur die Radialumformung U_RL auf Grund der Längsbelastung veranschaulicht ist, die in der Praxis nicht isoliert auftritt. Zu der Radialumformung U_RL auf Grund der Längsbelastung kommt noch eine Radialumformung U_RQ auf Grund einer Querbelastung, die im Folgenden anhand der Fig. 3 veranschaulicht ist.
Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 dargestellten Pumpenkolben 16 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung, wobei die Radialumformung U_RQ auf Grund Querbelastung des Pumpenkolbens 16 veranschaulicht ist. In der Fig. 3 wird die Beaufschlagung des Pumpenkolbens 16 an seiner Außenseite 35 idealisiert ohne die Beaufschlagung an seiner Stirnfläche 19 dargestellt. An der Außenseite 35 wird der Pumpenkolben 16 entlang der Achse 17 durch den Druck im Führungsspalt zwischen dem Pumpenkolben 16 und der Zylinderbohrung 15 beaufschlagt. Im Bereich der Stirnfläche 19 ist dieser Druck gleich dem Druck P im Pumpenarbeitsraum 20. In einer Richtung 38 entlang des Führungsspalts nimmt der Druck im Führungsspalt kontinuierlich ab. Dies ist in der Fig. 3 durch unterschiedlich lange Pfeile, die auf die Außenseite 35 des Pumpenkolbens 16 zeigen, veranschaulicht. Durch den Druck im Führungsspalt wird der Pumpenkolben 16 radial zusammengedrückt, so dass die Radialumformung U_RQ auftritt, die in der Fig. 3 durch eine unterbrochen dargestellte Linie 39 veranschaulicht ist. Zur Vereinfachung kann in nullter Näherung davon ausgegangen werden, dass der Druck im Führungsspalt in einem an die Stirnfläche 19 angrenzenden Abschnitt 40 des Pumpenkolbens 16 gleich dem Druck P im Pumpenarbeitsraum 20 ist. Die Radialverformung U_RQ im Abschnitt 40 ergibt sich dann als Produkt aus einer Differenz mit einem Minuend, der gleich der Querdehnungszahl v ist, und einem Subtrahend, der gleich der Zahl 1 ist, dem Druck P im Pumpenarbeitsraum 20 und einem Quotienten mit einem Dividend, der gleich dem Radius R des Pumpenkolbens 16 ist und einem Divisor, der gleich der Elastizität in Querrichtung E_Q ist. Der Radius R ist hierbei der Radius R des Pumpenkolbens 16 im Ausgangszustand. Somit ergibt sich: $U_{RQ} = (v - 1) \cdot P \cdot R / E_{Q} .$
Fig. 4 zeigt den in Fig. 2 gezeigten Ausschnitt des Pumpenkolbens 16 in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels, wobei die Summe aus der anhand der Fig. 2 veranschaulichten Radialumformung U_RL auf Grund Längsbelastung und der anhand Fig. 3 veranschaulichten Radialumformung U_RQ auf Grund Querbelastung dargestellt ist. Während in den Fig. 2 und 3 somit die isolierten Effekte dargestellt sind, die zur Auslegung des Pumpenkolbens 16 dienen, ist in der Fig. 4 der in der Praxis auftretende kombinierte Effekt veranschaulicht. Die Radialumformung U ergibt sich aus der Summe der Radialumformung U_RL auf Grund Längsbelastung und der Radialumformung U_RQ auf Grund Querbelastung: $U = U_{RL} + U_{RQ} .$
Hierbei tritt auch eine Verkürzung des Pumpenkolbens 16, das heißt eine Längenänderung 36, auf. Für die Radialverformung U auf Grund Längs- und Querbelastung ergibt sich mit den Formeln (1) und (2) somit: $U = P \cdot R \cdot (v / E_{L} + (v - 1) / E_{Q}) .$
Durch Erweiterung der Formel (4) mit einem Quotienten, dessen Dividend und Divisor jeweils gleich der Elastizität in Längsrichtung E_L sind und der deshalb gleich 1 ist, ergibt sich: $U = P \cdot R \cdot (v \cdot E_{Q} + v \cdot E_{L} - E_{L}) / (E_{L} \cdot E_{Q}) .$
Aus der Formel (4) beziehungsweise der Formel (5) ergibt sich, dass die Radialverformung U positiv und groß ist, wenn die Elastizität in Längsrichtung E_L klein wird, wenn die Querdehnungszahl v groß wird und wenn die Elastizität in Querrichtung E_Q groß wird. Somit kann durch eine Ausgestaltung des Pumpenkolbens 16 mit vorgegebener Variation des Elastizitätsmoduls die gewünschte Radialverformung U vorgegeben werden.
Ein Sonderfall ergibt sich, wenn der Elastizitätsmodul in Längsrichtung E_L gleich dem Elastizitätsmodul in Querrichtung E_Q ist. Dann gilt: $U = P \cdot R \cdot (2 \cdot v - 1) / E,$

wobei E den Elastizitätsmodul bezeichnet, der in Längs- und Querrichtung gleich groß ist. In diesem Sonderfall wird die Radialverformung U positiv, wenn die Querdehnungszahl v größer als 0,5 ist. Durch einen weiteren Anstieg der Querdehnungszahl V kann die Radialverformung U weiter vergrößert werden.
Somit kann durch eine Vorgabe, bei der der Elastizitätsmodul in Querrichtung E_Q größer ist als der Elastizitätsmodul in Längsrichtung E_L und/oder eine Vorgabe, bei der die Querdehnungszahl v größer als 0,5 ist, eine positive und große Radialverformung U erzielt werden. Hierbei ist es auch möglich, dass die Eigenschaften des Werkstoffs des Pumpenkolbens 16 entlang der Achse 17 in der Richtung 38 variiert werden, um eine Anpassung an den ebenfalls entlang der Achse 17 variierenden Druck im Führungsspalt zu erzielen.
Durch eine positive Radialverformung U, das heißt durch eine Radialverformung U, die mit zunehmendem Druck P im Pumpenarbeitsraum 20 zunimmt, wie es sich aus den Formel (4) und (5) ergibt, kann somit auch eine gewisse Aufweitung der Zylinderbohrung 15 des Ansatzes 14 bei zunehmendem Druck ganz oder teilweise kompensiert werden. Somit kann eine unerwünschte Zunahme der Leckage über den Führungsspalt verringert oder verhindert werden. Speziell kann eine im Betrieb auftretende Leckage auch bei hohen Drücken im Pumpenarbeitsraum 20 auf relativ niedrige Werte begrenzt werden. Dadurch ist die Hochdruckpumpe 1 des Ausführungsbeispiels auch zur Erzeugung sehr hoher Drücke im Pumpenarbeitsraum 20 geeignet.
Anhand der Fig. 4 ist eine Ausgestaltung veranschaulicht, bei der die Radialverformung U positiv ist. In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall ist es allerdings auch möglich, den Pumpenkolben 16 so auszulegen, dass dieser bei dem erreichten hohen Druck P im Pumpenarbeitsraum eine zylindrische Form annimmt beziehungsweise beibehält. Dies ist speziell bei Ausgestaltungen von Vorteil, bei denen sich die Zylinderbohrung 15 nicht oder nur geringfügig mit zunehmendem Druck P im Pumpenarbeitsraum 20 aufweitet.
Der Pumpenkolben 16 kann beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein. Hierbei können gezielte Walz- und Verfestigungsverfahren eingesetzt werden, um einen anisotropen Elastizitätsmodul im Pumpenkolben 16 zu erzielen. Hierbei wird speziell ein Unterschied zwischen dem Elastizitätsmodul in Längsrichtung E_L, das heißt entlang der Achse 17, und dem Elastizitätsmodul in Querrichtung E_Q, das heißt in Richtung des Radiuses R, vorgegeben. Ferner ist es möglich, den Pumpenkolben 16 aus Glasfaser- und/oder Carbonfaserwerkstoffen herzustellen, wobei die Glas- und/oder Carbonfasern anisotrop, insbesondere mit größerem Anteil in radialer Richtung, in dem Pumpenkolben 16 angeordnet sind. Durch den relativ kleinen Elastizitätsmodul in Längsrichtung E_L wird die Verformung 36 unter Druck entlang der Achse 17 des Pumpenkolbens 16 groß, wobei das Material des Werkstoffs des Pumpenkolbens 16 auf Grund der großen Querdehnungszahl v bevorzugt in Querrichtung, das heißt in radialer Richtung, ausweicht, während der Pumpenkolben 16 auf Grund der Druckbelastung an seiner Außenseite 35 wegen des hohen Elastizitätsmoduls in Querrichtung E_Q nur sehr gering eingeschnürt wird.
Durch eine variable Gestaltung des Elastizitätsmoduls in Längs- und Querrichtung kann eine Verformung des Pumpenkolbens 16 unter Druckbelastung gezielt vorgegeben werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Hochdruckpumpe (1), insbesondere Radial- oder Reihenkolbenpumpe für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Pumpenbaugruppe (13) und einer Antriebswelle (6), wobei die Pumpenbaugruppe (13) einen in einer Zylinderbohrung (15) entlang einer Achse (17) der Zylinderbohrung (15) geführten Pumpenkolben aufweist, der von der Antriebswelle (6) antreibbar ist, und wobei der Pumpenkolben (16) in der Zylinderbohrung (15) einen Pumpenarbeitsraum (20) begrenzt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pumpenkolben (16) zumindest abschnittsweise aus einem Werkstoff gebildet ist, der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16), der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, eine Querdehnungszahl aufweist, die nicht kleiner 0,3 ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16) einen Elastizitätsmodul aufweist, der entlang der Achse (14) der Zylinderbohrung (15) kleiner ist als senkrecht zu der Achse (14) der Zylinderbohrung (15).
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16) ein metallischer oder teilmetallischer Werkstoff ist, der anisotrop bearbeitet ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16) durch zumindest ein anisotropes Walzverfahren und/oder ein zumindest ein anisotropes Verfestigungsverfahren bearbeitet ist.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16) ein Glas- und/oder Carbonfaserwerkstoff ist, der durch Glas- und/oder Carbonfasern anisotrop verstärkt ist.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pumpenkolben (16) eine Stirnfläche (19) aufweist, dass die Stirnfläche (19) des Pumpenkolbens (16) in der Zylinderbohrung (15) den Pumpenarbeitsraum (20) begrenzt und dass der Pumpenkolben (16) so ausgestaltet ist, dass bei einer Beaufschlagung der Stirnfläche (19) des Pumpenkolbens (16) mit einem hohen im Pumpenarbeitsraum (20) herrschenden Druck eine zumindest im Wesentlichen verschwindende Radialverformung des Pumpenkolbens (16) zumindest im Abschnitts des Werkstoffs, der den anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, auftritt.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16), der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, eine Querdehnungszahl aus einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,5 aufweist.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Pumpenkolben (16) eine Stirnfläche (19) aufweist, dass die Stirnfläche (19) des Pumpenkolbens (16) in der Zylinderbohrung (15) im Pumpenarbeitsraum (20) begrenzt ist und dass der Pumpenkolben (16) so ausgestaltet ist, dass bei einer Beaufschlagung der Stirnfläche (19) des Pumpenkolbens (16) mit einem hohen im Pumpenarbeitsraum (20) herrschenden Druck eine positive Radialverformung des Pumpenkolbens (16) zumindest im Abschnitt des Werkstoffs, der den anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, auftritt.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Werkstoff des Pumpenkolbens (16), der einen anisotropen Elastizitätsmodul aufweist, eine Querdehnungszahl aufweist, die größer als 0,5 ist.