DE102009045113A1

DE102009045113A1 - Druckbegrenzungseinrichtung

Info

Publication number: DE102009045113A1
Application number: DE102009045113A
Authority: DE
Inventors: Karl Bendel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckbegrenzungseinrichtung (1), insbesondere für eine Kolbenpumpe (10), mit einem von einem Antriebselement (31) angetriebenen, oszilierenden Hubelement (15), das während einer Ansaugbewegung mit einem Druckmittel führenden Einlass (12) verbunden ist und aus diesem das Druckmittel ansaugt und während einer Ausschubbewegung das zuvor angesaugte Druckmittel ggf. unter Druckerhöhung in einen Auslass (13) ausstößt, und mit einer Einrichtung zur Begrenzung des Drucks in dem Auslass (13). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Begrenzung des Drucks als ein zwischen dem Antriebselement (31) und dem Hubelement (15) angeordnetes elastisches Element (22) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Druckbegrenzungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Druckbegrenzungseinrichtung ist bereits allgemein bekannt und wird beispielsweise in Form von Druckbegrenzungsventilen, Mengensteuerventilen oder Saugdrosselungen mittels Zumesseinheiten in Kolbenpumpen realisiert, um den Förderdruck der Kolbenpumpen einzustellen bzw. zu begrenzen. Ferner ist aus der DE 1020 5216 A1 auch bereits ein Verfahren bekannt, bei der der Kolbenhub einer Kolbenpumpe angepasst bzw. einstellbar ist. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwendig und wird daher aus Kostengründen relativ selten angewandt.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Druckbegrenzungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiter zu bilden, dass ein weitgehend konstanter Druck unabhängig von der Fördermenge mit möglichst geringem vorrichtungstechnischem Aufwand erzielt wird. Diese Aufgabe wird bei einer Druckbegrenzungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, durch ein zwischen dem Antriebselement und dem Hubelement angeordnetes elastisches Element eine Einrichtung auszubilden, die den Förderdruck eines oszillierenden Hubelementes begrenzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen dabei sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Eine bevorzugte konstruktive Umsetzung der erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung sieht vor, dass das Hubelement als Hubkolben ausgebildet ist und, dass das elastische Element als Druckfeder ausgebildet ist, die mit dem Hubkolben in Wirkverbindung angeordnet ist. Durch die Ausbildung des elastischen Elements als Druckfeder ergibt sich dabei eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit der Druckbegrenzungseinrichtung.
Bei einer Ausbildung des elastischen Elements als Druckfeder ist dabei insbesondere vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Druckfeder mit einer Vorspannkraft in einem Druckfedergehäuse angeordnet ist. Durch die Vorspannung der Druckfeder lässt sich bewirken, lässt sich die Dämpfungswirkung derart beeinflussen lässt, dass diese ab einem bestimmten Maximaldruck wirkt, der nicht überschritten werden soll. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Maximaldruck in einem Common-Rail-System in einer Brennkraftmaschine handeln.
In einer bevorzugten konstruktiven Umsetzung ist es weiterhin vorgesehen, dass das Druckfedergehäuse einen Anschlag aufweist, dass der Anschlag mit einem von der Druckfeder belasteten Koppelelement zusammenwirkt und, dass das Koppelelement auf der der Druckfeder gegenüber liegenden Seite mit dem Hubkolben verbunden ist. Durch diese Ausbildung wird ein besonders kompakter Aufbau der Druckbegrenzungseinrichtung verwirklicht, der darüber hinaus einen Schutz der Druckfeder ermöglicht.
Zur Steuerung der Druckmittelströme ist es darüber hinaus besonders bevorzugt vorgesehen, dass in dem Einlass und dem Auslass Rückschlagventile angeordnet sind. Dadurch lässt sich ein gezielter Zu- bzw. Abfluss des Druckmittels auf relativ einfache Art und Weise verwirklichen.
Eine weitere besonders bevorzugte konstruktive Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das Druckfedergehäuse von einer weiteren Druckfeder umfasst ist und dass sich die weitere Druckfeder zwischen einem ortsfesten Element und dem Druckfedergehäuse abstützt und den Hubkolben in Richtung seiner Ansaugbewegung kraftbeaufschlagt. Durch diese Ausbildung wird eine Kraftbeaufschlagung des Hubkolbens in Richtung seiner Ansaugbewegung ermöglicht, die bei kompaktem Aufbau eine sichere Kopplung des Hubelements bzw. des Hubkolbens mit dem Antriebselement ermöglicht.
Insbesondere lässt sich dabei ein relativ einfacher Aufbau der Druckbegrenzungseinrichtung bewirken, wenn das Antriebselement als Nockenwelle ausgebildet ist, dessen wenigstens eine Nocken mit dem Druckfedergehäuse zusammenwirkt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen sowie Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine Hubkolbenpumpe mit einer erfindungsgemäßen Druckbegrenzungseinrichtung, bei der sich deren Hubkolben nahe des unteren Totpunktes befindet,
2 die Hubkolbenpumpe gemäß der 1 in einer Stellung, bei der sich deren Hubkolben nahe des oberen Totpunktes befindet ebenfalls im Längsschnitt und
3 die Hubkolbenpumpe gemäß den 1 und 2 im Längsschnitt, bei der keine Förderung von Druckmittel stattfindet.
In der 1 ist eine Kolbenpumpe 10 dargestellt. Bei der Kolbenpumpe 10 kann es sich beispielsweise um eine Kolbenpumpe 10 handeln, die als Hochdruckpumpe für Benzin- bzw. Dieseleinspritzsysteme ausgebildet ist. Alternativ ist auch eine Ausbildung als ABS-Pumpe eine oder sonstige, Druckmittel fördernde Pumpe denkbar. Bei dem Druckmittel kann es sich hierbei um ein flüssiges Medium wie insbesondere Benzin- oder Dieselkraftstoff, oder aber auch um eine Hydraulikflüssigkeit oder Öl handeln.
Alternativ hierzu ist jedoch auch eine Gas fördernde Pumpe möglich, wenn die Kolbenpumpe 10 als Kompressor ausgebildet ist.
Die Kolbenpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 11 auf, das über eine Einlassbohrung 12 und eine Auslassbohrung 13 verfügt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa zueinander fluchten, und die jeweils als Stufenbohrung ausgebildet sind. Es sind jedoch auch Anordnungen denkbar, bei denen die Einlassbohrung 12 und die Auslassbohrung 13 anders zueinander angeordnet sind. Die Einlassbohrung 12 kann hierbei mit einem nicht näher dargestellten Speichermedium für das Druckmittel verbunden sein, in der das Druckmittel drucklos oder unter geringem Druck gespeichert ist, beispielsweise einem Kraftstofftank. Die Auslassbohrung 13 hingegen kann beispielsweise mit einem unter Druck stehenden Speicherkörper, beispielsweise einem sogenannten Rail in einem Common-Rail-System, gekoppelt sein, sodass in der Auslassbohrung 13 ein Systemdruck P_syst herrscht.
In dem Pumpengehäuse 11 ist weiterhin zwischen der Einlassbohrung 12 und der Auslassbohrung 13 eine quer zu diesen verlaufende Kolbenbohrung 14 als Sacklochbohrung ausgebildet. In der Kolbenbohrung 14 ist ein als Hubkolben 15 ausgebildetes Hubelement gleitend geführt. In der Einlassbohrung 12 beziehungsweise Auslassbohrung 13 ist jeweils ein Rückschlagventil 17 bzw. 18 angeordnet, das auf bekannte Art und Weise einen Fluss des Druckmittels jeweils nur von der Einlassbohrung 12 in die Kolbenbohrung 14 bzw. von der Kolbenbohrung 14 in die Auslassbohrung 13 ermöglicht. Hierbei ist die genaue Ausbildung der Rückschlagventile 17 und 18 für die Erfindung nicht wesentlich.
Das eine, untere Ende des Hubkolbens 15 ist mit einem plattenförmigen Koppelelement 20 als Teil einer Druckbegrenzungseinrichtung 1 verbunden. Die Druckbegrenzungseinrichtung weist weiterhin ein Hubkolbengehäuse 21 auf, in dem das Koppelelement 20 gleitend geführt ist. Hierbei stützt sich eine Druckfeder 22 zwischen dem Koppelelement 20 und dem Grund 23 des topfförmigen Hubkolbengehäuses 21 ab. Die Druckfeder 22 ist hierbei mit einer Kraft F durch die Druckfeder 22 vorgespannt. Dadurch liegt die Umrandung des Koppelelements 20 an einem oberen, zumindest teilweise umlaufenden Rand 24 des Hubkolbengehäuses 21 an, welcher somit als Anschlag für das Koppelelement 20 wirkt und die Bewegung bzw. den Bewegungsweg des Koppelelements 20 in Richtung der Kolbenbohrung 14 begrenzt.
Im unteren Bereich des Hubkolbengehäuses 21 weist dieses an dessen Außenumfang einen umlaufenden Bund 25 auf. Eine weitere Druckfeder 27 stützt sich zwischen dem Bund 25 und der Unterseite 28 des Pumpengehäuses 11 ab.
An der Unterseite des Hubkolbengehäuses 21 ist in einem Zwischenstück 29 eine Rolle 30 drehbar gelagert. Die Rolle 30 ist in Wirkverbindung mit einer als Antriebselement ausgebildeten Nockenwelle 31 angeordnet, die in einer Achse 32 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle 31 weist im Ausführungsbeispiel zwei, um 180 Grad zueinander versetzt angeordnete Nocken 33 und 34 auf, die den Hubkolben oszillierend bewegen. Anstelle zweier Nocken 33, 34 ist es jedoch auch denkbar, dass die Nockenwelle 31 nur einen Nocken oder mehr als zwei Nocken 33, 34 aufweist.
Die bereits erwähnte Vorspannkraft F der Druckfeder 22 wird so ausgelegt, dass diese ab einem Druck größer dem Systemdruck P_Syst gestaucht wird, wobei sich die Vorspannkraft F berechnen lässt nach: F = P_Syst × A wobei A der Querschnittsfläche des Hubkolbens 15 entspricht.
Die Vorspannkraft F lässt sich auch berechnen nach: F = K × d1 wobei K der Federsteifigkeit und d1 der Stauchung der Druckfeder 22 entspricht.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Federsteife K der Druckfeder 22 so gewählt, dass der Druck maximal auf den Druck P_max steigt, wenn der Hubkolben 15 sich nicht bewegt (Druck in Auslassbohrung 13 = Maximaldruck P_max) und die Druckfeder 22 dadurch zusätzlich um den Betrag des Nockenhubs dx gestaucht wird: K = (P_Max – P_Soll) × A/dx
Die Funktionsweise der Kolbenpumpe 10 wird nachfolgend anhand der in den 1 bis 3 dargestellten typischen Positionen näher erläutert: In der in der 1 dargestellten Position der Kolbenpumpe 10 bzw. des Hubkolbens 15 befindet sich dieser in seiner untersten Stellung, bei der der Hubkolben 15 über die Einlassbohrung 12 bereits Druckmittel über das geöffnete Rückschlagventil 17 angesaugt hat, während das Rückschlagventil 18 in der Auslassbohrung 13 verschlossen ist. Anschließend bewegt sich der Hubkolben 15 durch eine entsprechende Drehung der Nockenwelle 31 nach oben, wobei das Druckmittel verdichtet und in die Auslassbohrung 13 ausgestoßen wird. Hierbei ist das Rückschlagventil 17 in der Einlassbohrung 12 verschlossen, während das Rückschlagventil 18 in der Auslassbohrung 13 geöffnet ist. Das Einschieben des Druckmittels in die Auslassbohrung 13 erfolgt dabei so lange, bis der Druck in der Kolbenbohrung 14 dem in der Auslassbohrung 13 herrschenden Systemdruck P_Syst entspricht. Ab diesem Druck wird die Druckfeder 22 gestaucht und der Hubkolben 15 bewegt sich nur noch wenig weiter, was zu einer geringen Druckerhöhung in der Auslassbohrung 13 führen kann.
In der 3 ist der Fall dargestellt, bei der der über die weitere Druckfeder 27 bestimmte Maximaldruck P_max schon am Anfang des Nockenanstiegs erreicht wurde. So bewegt sich zwar das Hubkolbengehäuse 21 bei einer Aufwärtsbewegung durch die Nockenwelle 31 in Richtung des Pumpengehäuses 11, jedoch wird dabei der Hubkolben 15 mitsamt dem Koppelelement 20 in das Hubkolbengehäuse 21 eingedrückt, sodass der Hubkolben 15 im Wesentlichen stehen bleibt. Es findet somit keine weitere Erhöhung des Druckes in der Auslassbohrung 13 statt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10205216 A1 [0002]

Claims

Druckbegrenzungseinrichtung (1), insbesondere für eine Kolbenpumpe (10), mit einem von einem Antriebselement (31) angetriebenen, oszillierenden Hubelement (15), das während einer Ansaugbewegung mit einem Druckmittel führenden Einlass (12) verbunden ist und aus diesem das Druckmittel ansaugt und während einer Ausschubbewegung das zuvor angesaugte Druckmittel ggf. unter Druckerhöhung in einen Auslass (13) ausstößt, und mit einer Einrichtung zur Begrenzung des Drucks in dem Auslass (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Begrenzung des Drucks als ein zwischen dem Antriebselement (31) und dem Hubelement (15) angeordnetes elastisches Element (22) ausgebildet ist.
Druckbegrenzungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubelement als Hubkolben (15) ausgebildet ist und, dass das elastische Element als Druckfeder (22) ausgebildet ist, die mit dem Hubkolben (15) in Wirkverbindung angeordnet ist.
Druckbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (22) mit einer Vorspannkraft (F) in einem Druckfedergehäuse (21) angeordnet ist.
Druckbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfedergehäuse (21) einen Anschlag (24) aufweist, dass der Anschlag (24) mit einem von der Druckfeder (22) belasteten Koppelelement (20) zusammenwirkt und, dass das Koppelelement (20) auf der der Druckfeder (22) gegenüberliegenden Seite mit dem Hubkolben (15) verbunden ist.
Druckbegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einlass (12) und dem Auslass (13) Rückschlagventile (17, 18) angeordnet sind.
Druckbegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfedergehäuse (21) von einer weiteren Druckfeder (27) umfasst ist und, dass sich die weitere Druckfeder (27) zwischen einem ortsfesten Element (11) und dem Druckfedergehäuse (21) abstützt und den Hubkolben (15) in Richtung des Antriebselements (31) kraftbeaufschlagt.
Druckbegrenzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement als Nockenwelle (31) ausgebildet ist, dessen wenigstens eine Nocken (33, 34) mit dem Druckfedergehäuse (21) zusammenwirkt.
Druckbegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft (F) der Druckfeder (22) bei einer Federsteifigkeit (K) und einer Querschnittsfläche (A) des Hubkolbens (15) so gewählt ist, dass diese ab einem in dem Auslass (13) herrschenden Systemdruck (P_syst) um den Betrag d1 gestaucht wird, wobei gilt: F = P_syst × A = K × d1.
Druckbegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit (K) und die Vorspannung (X) der Druckfeder (22) so gewählt wird, dass sich diese berechnen nach K = (P_max – P_syst) × A/dx wobei P_max der Maximaldruck in dem Auslass (13) und dx der Nockenhub bedeuten.
Fördereinrichtung, insbesondere Hubkolbenpumpe (10), mit einer Druckbegrenzungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.