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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpenanordnung für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere
für ein Common-Rail-Einspritzsystem eines Kraftfahrzeuges,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Pumpenanordnung kann beispielsweise mehrere, radial um
einen auf einer Antriebswelle drehfest gelagerten Exzenter angeordnete
Pumpenelemente umfassen, deren Aufgabe darin besteht, Kraftstoff
zu verdichten und einem Einspritzsystem zuzuführen. Bei
einem Common-Rail-Einspritzsystem führt die Hochdruckpumpe
den verdichteten Kraftstoff zunächst einem gemeinsamen
Hochdruckspeicher zu, dem so genannten Rail. An das Rail angeschlossene
Injektoren bewirken den eigentlichen Einspritzvorgang. Derartige
Pumpenanordnungen mit radial um einen Exzenter oder Nocken angeordneten
Pumpenelementen sind auch als Mehrfach- oder Radialkolbenpumpen
bekannt.
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Eine
Hochdruckpumpe der eingangs genannten Art wird beispielsweise in
der
DE 19 00 884 U beschrieben.
Bei dieser Pumpenanordnung ist der Arbeitskolben wenigstens eines
Pumpenelements über einen Pleuel mit der Antriebswelle
verbunden, so dass die Rotationsbewegung der Antriebswelle über
den Pleuel in eine translatorische Bewegung der Arbeitskolbens umgesetzt
wird. Hierzu ist das eine Ende des Pleuels drehbeweglich am Arbeitskolben angelenkt.
Das andere Ende des Pleuels weist ein Großauge auf, in
dem ein drehfest mit der Antriebswelle verbundener Exzenter angeordnet
ist. Bei einer Rotationsbewegung der Antriebswelle wird der Pleuel über
den Exzenter in eine Taumelbewegung versetzt, wobei der angelenkte Arbeitskolben
hin- und herbewegt wird. Darüber hinaus wird die Anordnung einer
weiteren Pleuelstange vorgeschlagen, deren eines Ende drehbeweglich
in einem kleinen Auge im Bereich des Großauges des Pleuels
angelenkt ist und deren anderes Ende an einem weiteren Arbeitskolben
angelenkt ist. Dabei liegen sich die beiden Arbeitskolben diametral
gegenüber. Entsprechend der Anordnung der Arbeitskolben
weist das Gehäuse zur Aufnahme der Pumpenelemente jeweils
links und rechts der Antriebswellenlängsachse liegende
Führungsbahnen zur Führung der Arbeitskolben auf.
Die Anschlussmöglichkeit einer weiteren Pleuelstange besitzt
den Vorteil, eine beispielsweise Dreikolbenpumpe unter Hinzufügen
von gleichen Teilen, wie sie in einer Dreikolbenpumpe bereits verwendet
werden, in eine Sechskolbenpumpe zu verwandeln, so dass in kurzer
Zeit und mit verhältnismäßig geringen
Kosten Pumpen mit doppelter Förderleistung hergestellt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Hochduckpumpenanordnung
mit einem Pleuel bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin,
den Wirkungsgrad einer solchen Hochdruckpumpenanordnung zu erhöhen.
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Diese
Aufgaben werden gelöst durch eine Hochdruckpumpenanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Hochdruckpumpenanordnung werden
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Antriebswelle der vorgeschlagenen Hochdruckpumpenanordnung zumindest
einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten, zum ersten Wellenabschnitt
axial beabstandeten Wellenabschnitt. Kennzeichnend ist ferner, dass
zur Verbindung des Pleuels mit der Antriebswelle ein zwischen dem
ersten und dem zweiten Wellenabschnitt angeordnetes Kopplungselement
vorgesehen ist, an das der Pleuel drehbeweglich angelenkt ist. Das
Kopplungselement ist drehfest mit den beiden Wellenabschnitten verbunden.
Ein Vorteil dieser vorgeschlagenen Hochdruckpumpenanordnung ist darin
zu sehen, dass auf die Anordnung eines Exzenters oder eines Nockens
verzichtet wird. Stattdessen ist der Pleuel über das Kopplungselement
mit den ersten und dem zweiten Abschnitt der Antriebswelle in der
Weise verbunden, dass eine Rotationsbewegung der Antriebswelle eine
translatorische Bewegung des mit dem Pleuel verbundenen Arbeitskolbens
bewirkt.
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Bevorzugt
weist das Kopplungselement eine gegenüber den beiden Wellenabschnitten
geringere Querschnittsabmessung auf. Weiterhin bevorzugt ist das
Kopplungselement beidseitig in jeweils einer sich axial erstreckenden
Ausnehmung eines Wellenabschnitts gehalten, wobei die Ausnehmung
eines jeden Wellenabschnitts im Querschnitt als Langloch ausgebildet
ist. Das Kopplungselement ist somit verschiebbar gegenüber
der Wellenlängsachse gelagert. Durch die Ausbildung der
zur Aufnahme des Kopplungselements vorgesehenen Ausnehmung als Langloch
kann die radiale Lage des Kopplungselementes in Bezug auf die Wellenlängsachse
W entlang einer senkrecht zur Wellenlängsachse W liegenden
weiteren Achse A derart verändert werden, dass eine Verlagerung
der Exzentrizität stattfindet. Das Kopplungselement ist
demnach zwischen zwei extremen exzentrischen Positionen verschiebbar,
so dass hierüber auf die Pleuelbewegung und damit den Kolbenhub
des mit dem Pleuel verbundenen Arbeitskolbens Einfluss genommen
werden kann. Eine Verlagerung der Exzentrizität des Kopplungselements
bewirkt, dass beispielsweise der mittelbar über den Pleuel
mit dem Kopplungselement verbundene Arbeitskolben bei jeder Drehung
der Antriebswelle um 360° einen Doppelhub ausführt.
Denn bei einer Drehung um 180° rutscht das Kopplungselement
entlang der Achse A aus der einen extremen exzentrischen Position
in die andere extreme exzentrische Position, so dass der Arbeitskolben über
den Pleuel erneut angehoben wird. Auf diese Weise wird ein verbesserter Wirkungsgrad
der Hochdruckpumpenanordnung erreicht.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das
Kopplungselement in einer Ausnehmung über einen drehfest
mit dem Kopplungselement verbundenen Führungskörper
gehalten. Dieser weist weiterhin bevorzugt zumindest eine an einer
Innenfläche der Ausnehmung anliegende, ebene und vorzugsweise
als Gleitfläche ausgebildete Führungsfläche
auf. Alternativ kann das Kopplungselement wenigstens eine Abflachung
aufweisen, die an einer Innenfläche der Ausnehmung anliegt
und vorzugsweise als Gleitfläche ausgebildet ist. Ein derart
ausgebildeter Führungskörper bzw. die wenigstens
eine Abflachung am Kopplungselement gewährleisten die gewünschte
drehfeste Lagerung des Kopplungselements. Denn das Kopplungselement
soll zugleich der Verbindung des ersten Wellenabschnitts mit dem zweiten
Wellenabschnitt dienen und dabei die Übertragung des Drehmoments
sicherstellen. Demnach ist die Verbindung des Kopplungselements
mit den jeweiligen Wellenabschnitten drehfest auszubilden. Darüber
hinaus muss weiterhin die Verschiebbarkeit des Kopplungselements
entlang der Achse A gewährleistet sein. Dieser Aufgabe
wird Rechnung getragen, indem die jeweiligen Führungsflächen
bzw. Anlageflächen als Gleitflächen ausgebildet
sind. Beispielsweise können diese Flächen eine
Beschichtung erhalten haben, die als Gleitschicht dient.
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Um
eine Drehbewegung des Kopplungselementes gegenüber der
Antriebswelle bzw. den Wellenabschnitten auszuschließen,
kann der Führungskörper beispielsweise ein mehrkantiges
Querschnittsprofil aufweisen. Bevorzugt weist der Führungskörper
ein geradliniges mehrkantiges Querschnittsprofil mit wenigstens
zwei sich gegenüberliegenden parallelen Kanten auf, deren
Abstand zueinander im Wesentlichen dem Abstand der Längskanten
des Langlochquerschnittes der Ausnehmungen der beiden Wellenabschnitte
entspricht. Weiterhin bevorzugt weist er ein vierkantiges Querschnittsprofil
mit jeweils zwei sich gegenüberliegenden parallelen Kanten
auf, an die sich zumindest zwei als Gleitflächen ausgebildete
Führungsflächen anschließen.
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Vorzugsweise
sind auch die Ausnehmungen in den beiden Wellenabschnitten jeweils
als Gleitlager ausgebildet. Hierzu können beispielsweise
die Innenflächen der Ausnehmungen ebenfalls mit einer Beschichtung
zur Gleitlagerausbildung versehen sein.
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Die
Teilung der Antriebswelle in einen ersten Wellenabschnitt und einen
zweiten Wellenabschnitt erfordert die Ausbildung wenigstens eines
weiteren Wellenlagers. Bei zwei Wellenabschnitten sind demnach zumindest
zwei Lager zur drehbeweglichen Lagerung jeweils eines Wellenabschnitts
vorzusehen. Vorzugsweise ist daher wenigstens ein Lager als Gleitlager
und/oder als Wälzlager ausgebildet. Die separate Lagerung
der beiden Wellenabschnitte gewährleistet eine ausreichende
Abstützung der Antriebswelle. Das zwischen den beiden Wellenabschnitten
angeordnete Kopplungselement stell zudem die koaxiale Ausrichtung
der beiden Wellenabschnitt zueinander sicher.
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Zur
Umsetzung der Rotationsbewegung der Antriebswelle in eine translatorische
Bewegung des Arbeitskolbens ist dieser drehbeweglich am Pleuel angelenkt.
Beispielsweise kann ein durch den Pleuel und den Arbeitskolben geführter
Bolzen das Drehgelenk ausbilden. Weiterhin vorzugsweise ist der
Kolbenfuß des Arbeitskolbens als Führungskolben
ausgebildet, um die Übertragung von Querkräften
auf den Kolben zu verhindern. Der zur Ausbildung eines Drehgelenks
vorgesehene Bolzen ist dann vorzugsweise mit dem Führungskolben
verbunden.
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Des
Weiteren ist vorgesehen, dass der Arbeitskolben von der Druckkraft
einer Feder beaufschlagt wird. Bei herkömmlichen Hochdruckpumpen dient
eine solche Feder vorrangig dazu, die Rückstellung des
Arbeitskolbens sicherzustellen. Da bei der vorliegenden Ausführungsform
der Pleuel den Arbeitskolben mitführt, ist die Rückstellung
des Arbeitskolbens hier bereits durch den Pleuel gewährleistet. Die
Feder dient bei der vorliegenden Hochdruckpumpenanordnung im Wesentlichen
dazu, mittelbar über den Arbeitskolben und den Pleuel eine
Verschiebung des Kopplungselements in der als Langloch ausgebildeten
Ausnehmung entlang der Achse A, d. h. in Richtung der Wellenlängsachse
W zu bewirken.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass die Druckkraft der Feder mittelbar eine Verschiebung des Kopplungselementes
entlang der Achse A bewirkt, wenn die Antriebswelle eine Rotationslage
einnimmt, in der die jeweils im Querschnitt als Langloch ausgebildeten Ausnehmungen
im Wesentlichen koaxial oder parallel zur Kolbenlängsachse
K ausgerichtet sind. In dieser Lage ist die Druckkraft der Feder
koaxial oder zumindest parallel zur Achse A ausgerichtet. Dabei muss
die Federkraft derart bemessen sein, dass die Reibungskräfte,
die an den jeweiligen Führungsflächen bzw. Anlageflächen
der als Langloch ausgebildeten Ausnehmungen und dem Kopplungselement entstehen, überwunden
werden. Durch eine Verschiebung des Kopplungselements und damit
des Pleuels entlang der Achse A wird eine Verschiebung ihrer exzentrischen
Lage und damit ein erneuter Kolbenhub nach einer Drehung der Antriebswelle
um 180° bewirkt. Die Förderleistung des Pumpenelementes
kann damit um das Doppelte gesteigert werden.
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Auch
wenn vorstehend lediglich Hochdruckpumpenanordnungen mit jeweils
einem Pleuel und einem hieran angelenkten Arbeitskolben eines Pumpenelements
beschrieben wurden, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt.
Es ist ferner möglich, mehrere Pleuel über ein
Kopplungselement mit einer Antriebswelle zu verbinden und über
die mehreren Pleuel mehrere Arbeitskolben anzutreiben. Die Pleuel sind
dabei bevorzugt axial beanstandet zueinander, das heißt
in einer Reihe, auf dem Kopplungselement angeordnet, wobei die jeweilige
radiale Lage der Pleuel variieren kann. Die vorgeschlagene Hochdruckpumpenanordnung
kann demnach mehr als ein Pumpenelement umfassen.
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Dank
der Verwendung eines Pleuels als Kraftübertragungselement
ist die vorgeschlagene Hochdruckpumpenanordnung auch bei sehr hohen Arbeitsdrücken
einsetzbar. Der Verzicht auf einen Exzenter oder Nocken erweist
sich dabei nicht als Nachteil. Das Gegenteil ist der Fall, da Gewicht
eingespart werden kann. Die beschriebene Pumpenanordnung zeigt zudem
einen hohen Wirkungsgrad, der dadurch noch gesteigert werden kann,
dass der am Pleuel angelenkte Arbeitskolben bei jeder Drehung der
Antriebswelle um 360° zu einem Mehrfachhub, vorzugsweise
zu einem Doppelhub angetrieben wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der vorgeschlagenen Hochdruckpumpenanordnung
wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpenanordnung
und
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2 einen
Längsschnitt durch die Hochdruckpumpenanordnung der 1.
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Der
schematischen Darstellung der 1 ist eine
Antriebswelle 1 mit einer im Querschnitt als Langloch ausgebildeten
Ausnehmung 5 zu entnehmen, in der ein Kopplungselement 4 über
einen Führungskörper 6 verschiebbar gelagert
ist. Die Verschiebung erfolgt entlang einer Achse A, die der Mittelachse
des Langlochquerschnitts der Ausnehmung 5 entspricht. Der Führungskörper 6 weist
sich gegenüberliegende parallele Führungsflächen 7 auf,
die zur Verbesserung der Gleiteigenschaften beschichtet sind. Die
an den Führungsflächen 7 des Führungskörpers 6 anliegenden
Innenflächen der Ausnehmung 5 sind ebenfalls zur
Ausbildung eines Gleitlagers beschichtet. Das Kopplungselement 4 wiederum
ist drehfest mit dem Führungskörper 6 verbunden,
so dass der exzentrisch in Bezug auf die Wellenlängsachse
W angeordnete Führungskörper 6 einschließlich
Kopplungselement 4 bei einer Rotationsbewegung der Antriebswelle 1 um
die Wellenlängsachse W rotiert. Ein an dem Kopplungselement 4 drehbeweglich
angelenkter Pleuel 3 wird dabei mitgeführt. An
dem der Wellenlängsachse W abgewandeten Ende des Pleuels 3 ist
ein Arbeitskolben 2 drehbeweglich angelenkt, der dabei
hin- und herbewegt wird. Gelangt die Antriebswelle 1 in
einer Rotationslage, in der die Achse A koaxial oder zumindest parallel
zur Kolbenlängsachse K ausgerichtet ist, bewirkt eine den
Arbeitskolben 2 beaufschlagende Druckkraft einer Feder 8,
dass der Pleuel 3 einschließlich des Führungskörpers 6 innerhalb
der im Querschnitt als Langloch ausgeführten Ausnehmung 5 der
Antriebswelle 1 in eine andere exzentrische Lage entlang
der Achse A verschoben wird. Die Verschiebung hat zur Folge, dass
bereits bei einer Drehung der Antriebswelle um weitere 180° der
Arbeitskolben 2 einen erneuten Arbeitshub ausführt.
Demzufolge weist die dargestellte Hochdruckpumpenanordnung einen
verbesserten Wirkungsgrad gegenüber bekannten Hochdruckpumpenanordnungen
auf.
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Wie
der 2 zu entnehmen ist, umfasst die Antriebswelle 1 zur
Aufnahme des Kopplungselementes 4 bzw. des Führungskörpers 6 einen
ersten Wellenabschnitt 1.1 und einen zweiten Wellenabschnitt 1.2,
der zum ersten Wellenabschnitt axial beanstandet ist. Jeder Wellenabschnitt 1.1, 1.2 ist
separat gelagert. Die beiden Lager der Wellenabschnitte 1.1, 1.2 sind
vorliegend als Gleitlager 11 ausgebildet. Durch die separate Lagerung
der beiden Wellenabschnitte ist die Antriebswelle 1 hinreichend
abgestützt. Für eine weitere Stabilisierung der
Antriebswelle 1 sorgt das zwischen beiden Wellenabschnitten angeordnete
Kopplungselement 4.
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Der
Arbeitskolben 2 weist einen Führungskolben 9 auf,
der die Übertragung von Querkräften auf den Arbeitskolben 2 verhindern
soll. Die drehbewegliche Verbindung des Arbeitskolbens 2 mit
dem Pleuel 3 erfolgt über den Führungskolben 9.
Ein durch den Führungskolben 9 und den Pleuel 3 geführter
Bolzen 10 bildet dabei das Drehgelenk aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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