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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Pumpenkolbens einer Kraftstoffhochdruckpumpe sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das eine solche Antriebsanordnung und eine solche Kraftstoffhochdruckpumpe aufweist.
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Kraftstoffhochdruckpumpen in Kraftstoffeinspritzsystemen werden dazu verwendet, einen Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 150 bar bis 400 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 bar bis 3000 bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung des Kraftstoffes in einer Brennkammer entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
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Um die hohen Drücke in dem jeweiligen Kraftstoff erzielen zu können, wird die Kraftstoffhochdruckpumpe typischerweise als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Pumpenkolben von einem Rollenstößel angetrieben wird. Bisher bekannt ist es, dass der Rollenstößel dabei eine Rolle aufweist, die in Kontakt kommt mit einer Nockenoberfläche der Nockenwelle der Brennkraftmaschine, wobei eine Rotationsbewegung der Nockenwelle über den Rollenstößel in eine translatorische Bewegung übersetzt und auf den Pumpenkolben der Kraftstoffhochdruckpumpe übertragen wird.
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Bauartbedingt können die üblicherweise verwendeten Nockenwellen den immer größeren zu erzeugenden Drücken im Kraftstoff und den damit steigenden Kräften nicht mehr standhalten, sodass ein Normalbetrieb nicht mehr möglich ist. Für Drücke höher als der maximale Druck, der von einer Nockenwelle abgedeckt werden kann, ohne dass die Nockenwelle überbelastet wird, ist ein Betrieb durch die Nockenwelle daher nicht mehr gesichert. Denn die Kraftstoffhochdruckpumpe erzeugt eine große Radialkraft an der Nockenwelle.
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Daher gibt es Überlegungen, die Kraftstoffhochdruckpumpe an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu koppeln, um so die Kurbelwelle als Pumpenantriebswelle zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass die Nockenwelle nicht, wie bisher üblich, verlängert werden muss, um eine Kopplung mit der Kraftstoffhochdruckpumpe realisieren zu können.
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Das Problem bei der Kopplung mit der Kurbelwelle ist, dass die Kurbelwelle im Vergleich zu der Nockenwelle deutlich niedriger am Motor der Brennkraftmaschine setzt. Das heißt, dass auch die Kraftstoffhochdruckpumpe sehr niedrig stehen müsste, wenn sie von der Kurbelwelle betrieben werden soll. Dies ist jedoch bauartbedingt problematisch, weil dadurch der Motor erstens verbreitert wird und zweitens die Pumpe in der sogenannten Crashzone des Motors sitzen müsste.
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Es ist daher wünschenswert, eine Lage der Kraftstoffhochdruckpumpe zu finden, die hoch im Motor steht, das heißt nicht in der sogenannten Crashzone, wobei trotzdem ein Antrieb über die Kurbelwelle möglich ist.
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DE 10 2010 062 159 A1 offenbart eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Kolben, der durch einen Rollenstößel angetrieben wird, wobei eine Laufrolle des Rollenstößels mit einem nockenförmigen Element einer Antriebswelle gekoppelt ist. Die Laufrolle und das nockenförmige Element weisen jeweils Rillen auf, die eine Mikroverzahnung bilden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Pumpenkolbens vorzuschlagen, mit der die oben genannten Bedingungen erfüllt werden können.
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Diese Aufgabe wird mit einer Antriebsanordnung mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das eine solche Antriebsanordnung aufweist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Pumpenkolbens einer Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem weist ein erstes Zahnrad mit einer Umfangsoberfläche auf, das mit dem Pumpenkolben derart gekoppelt ist, dass eine Rotationsbewegung des ersten Zahnrades in eine Translationsbewegung des Pumpenkolbens übersetzt wird, wobei das erste Zahnrad an seiner Umfangsoberfläche eine Nockenkontur aufweist. Weiter weist die Antriebsanordnung ein zweites Zahnrad mit einer Umfangsoberfläche auf, das mit einer Antriebswelle derart gekoppelt ist, dass eine Rotationsbewegung der Antriebswelle auf das zweite Zahnrad übertragen wird. Das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad greifen an ihren Umfangsoberflächen derart formschlüssig ineinander, dass die Rotationsbewegung des zweiten Zahnrades auf das erste Zahnrad übertragen wird.
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Unter Umfangsoberflächen der beiden Zahnräder soll dabei der Bereich verstanden werden, an dem die Zähne der Zahnräder angeordnet sind.
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Vorteilhaft ist das erste Zahnrad mit dem Pumpenkolben über einen Rollenstößel gekoppelt, wobei eine Rolle des Rollenstößels durch das erste Zahnrad gebildet ist.
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Es wird demnach vorgeschlagen, einen Zahnstößel zu verwenden, der im Vergleich zu dem normalen Rollenstößel nicht durch einen Nocken betrieben wird, sondern durch ein Zahnrad, nämlich das zweite Zahnrad. Die Antriebsanordnung besteht dabei aus zwei Teilen, nämlich einerseits aus dem ersten Zahnrad, das eine Nockenkontur aufweist, und dessen Rotationsbewegung zur Translationsbewegung des Pumpenkolbens führt, und andererseits aus dem zweiten Zahnrad, das direkt von der Kurbelwelle betrieben werden kann.
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Vorteil dieser Antriebsanordnung ist es, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe praktisch an beliebiger Stelle im Motor angeordnet sein kann. Sie kann durch die Kurbelwelle angetrieben werden, ist also geeignet für höhere Drücke, muss aber nicht in der Nähe der Kurbelwelle angeordnet sein, da der Antrieb des ersten Zahnrades über das zweite Zahnrad erfolgt, das indirekt mit der Kurbelwelle gekoppelt sein kann.
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Vorteilhaft weist das erste Zahnrad eine ebene Seitenfläche mit einem Mittelpunkt auf, wobei der Rollenstößel an dem Mittelpunkt schwenkbar um den Mittelpunkt befestigt ist. Besonders vorteilhaft weist das erste Zahnrad zwei ebene Seitenflächen auf, die getrennt sind durch die Umfangsoberfläche, an der sich die Zähne befinden, wobei die beiden Mittelpunkte der beiden Seitenflächen auf einer Achse liegen, und wobei der Rollenstößel an beiden Seitenflächen befestigt ist. Dadurch ist die Befestigung des Rollenstößels an dem ersten Zahnrad vorzugsweise stabiler.
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Die schwenkbare Befestigung des Rollenstößels an der oder den Seitenflächen des ersten Zahnrades ermöglicht die Übersetzung der Rotationsbewegung des ersten Zahnrades in die Translationsbewegung des Pumpenkolbens.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist das zweite Zahnrad über eine Kette mit der Antriebswelle gekoppelt, wobei insbesondere keine weiteren Kopplungselemente zwischen dem zweiten Zahnrad und der Antriebswelle angeordnet sind.
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Alternativ kann statt der Kette auch ein Zahnriemen verwendet werden.
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Durch Verwendung lediglich einer Kette oder eines Zahnriemens ist besonders vorteilhaft eine einfache Kopplung zwischen der Antriebswelle und dem zweiten Zahnrad möglich. Eine Kette/ein Zahnriemen hat den Vorteil, dass sie nur sehr wenig Bauraum beansprucht, und somit die Möglichkeit besteht, den Gesamtmotor, der die Brennkraftmaschine enthält, sowohl kompakter als auch sicherer auszugestalten.
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Vorzugsweise ist das zweite Zahnrad mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine als Antriebswelle gekoppelt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Umfangsoberfläche des ersten Zahnrades in einem parallel zu den Seitenflächen des ersten Zahnrades angeordneten Schnitt oval, insbesondere elliptisch, ausgebildet.
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Unter oval soll dabei eine Form abweichend von einer kreisrunden Form verstanden werden, die aber nicht unbedingt symmetrisch um den Mittelpunkt der Seitenfläche ausgebildet sein muss. Beispielsweise kann das erste Zahnrad lediglich eine Nockenkontur aufweisen. Vorzugsweise ist das Zahnrad im Schnitt jedoch elliptisch ausgestaltet und hat somit im Vergleich zu einer ovalen Form eine größere Symmetrie, indem beispielsweise zwei gegenüberliegende Nocken ausgebildet sind. Dabei bilden bei der elliptischen Form die beiden Hauptscheitelpunkte der Ellipse jeweils die Nockenkontur, das heißt es ist eine doppelte Nockenkontur an der Umfangsoberfläche vorhanden.
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Vorteilhaft ist die Umfangsoberfläche des zweiten Zahnrades in einem parallel zu den Seitenflächen des zweiten Zahnrades angeordneten Schnitt kreisrund ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der Umfang des ersten Zahnrades kleiner als der Umfang des zweiten Zahnrades, wobei der Umfangsunterschied vorteilhaft so groß ist, dass das zweite Zahnrad mindestens doppelt so groß ist wie das erste.
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Insgesamt kann so ein zweiteiliges System zum Antreiben des Pumpenkolbens der Kraftstoffhochdruckpumpe bereitgestellt werden, wobei einerseits ein Oval-Zahnrad die Rotationsbewegung in die Translationsbewegung des Pumpenkolbens überführt, und andererseits ein größeres rundes Zahnrad verwendet wird, das direkt von der Kurbelwelle durch die Kette betrieben wird.
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Vorteilhaft kann dadurch die Frequenz der Kraftstoffhochdruckpumpe praktisch beliebig durch die Größe der beiden Zahnräder eingestellt werden, was im Vergleich zu einem normalen Rollenstößelsystem mit üblicherweise Drei- oder Vierfachnocken von großem Vorteil ist.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine weist eine Kurbelwelle zum Antreiben der Brennkraftmaschine und eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit mindestens einem Pumpenkolben auf. Weiter umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem eine Antriebsanordnung wie oben beschrieben, wobei die Antriebsanordnung zum Übersetzen einer Rotationsbewegung der Kurbelwelle in eine Translationsbewegung des Pumpenkolbens ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das eine Kraftstoffhochdruckpumpe aufweist, in der sich ein Pumpenkolben translatorisch bewegt;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereiches einer Brennkraftmaschine im Bereich der Kurbelwelle;
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3 eine Schnittdarstellung durch eine Antriebsanordnung zum Antreiben des Pumpenkolbens aus 1 in einem ersten Betriebszustand; und
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4 eine Schnittdarstellung durch die Antriebsanordnung aus 1 in einem zweiten Betriebszustand.
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1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10, mit dem Brennräumen 24 in einer Brennkraftmaschine 12 (siehe 2) mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff 14 zugeführt wird. Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 weist hierzu einen Tank 16, eine Vorförderpumpe 18, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 20 und einen Druckspeicher 22, das sogenannte Rail, auf, an dem pro zu versorgendem Brennraum 24 der Brennkraftmaschine 12 jeweils ein Injektor 26 angeordnet ist.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 20 ist als Kolbenpumpe ausgebildet und weist einen Pumpenkolben 34 auf, der sich translatorisch in einem Druckraum 36 bewegt, sodass in dem Druckraum 36 befindlicher Kraftstoff 14 auf einen vorbestimmten Hochdruck verdichtet werden kann. Danach wird der druckbeaufschlagte Kraftstoff 14 zu dem Druckspeicher 20 gefördert.
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Um den Kraftstoff 14 in den Druckraum 36 der Kraftstoffhochdruckpumpe 20 einzulassen ist ein Einlassventil 38 vorgesehen, das beispielsweise als aktives Ventil ausgebildet sein kann.
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Der Pumpenkolben 34 ist bei gewöhnlichen Kraftstoffhochdruckpumpe 20 über eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine 12 angetrieben. Solche Nockenwellen können jedoch nur bis zu vorbestimmten maximalen Systemdrücken normal betrieben werden, da ansonsten die Kräfte, die an der Nockenwelle entstehen, zu hoch für einen Normalbetrieb sind.
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Daher ist die Idee, den Pumpenkolben 34 in seiner translatorischen Bewegung von einer Kurbelwelle 30 antreiben zu lassen.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs einer Brennkraftmaschine 12, die von einem Injektor 26 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 aus 1 mit Kraftstoff 14 versorgt wird. Die Brennkraftmaschine 12 weist mehrere Brennräume 24 auf, von denen einer gezeigt ist, und in die der Kraftstoff 14 von dem jeweiligen Injektor 26 eingespritzt wird, wobei sich ein Kolben 28 in dem Brennraum 24 translatorisch bewegt, um so das darin befindliche Gemisch zu verdichten, sodass es gezündet werden kann.
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Der Kolben 28 wird von einer Kurbelwelle 30 und einem daran gekoppelten Pleuel 32 in seiner translatorischen Bewegung angetrieben.
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Um die Kurbelwelle 30 aus 2 mit dem Pumpenkolben 34 aus 1 zu koppeln, ist eine in einer jeweiligen Schnittdarstellung in 3 und 4 gezeigte Antriebsanordnung 42 zum Antreiben des Pumpenkolbens 34 vorgesehen.
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3 zeigt dabei die Antriebsanordnung 42 in einem ersten Betriebszustand, während 4 die Antriebsanordnung 42 in einem zweiten Betriebszustand zeigt. Ansonsten sind die Bauteile der Antriebsanordnung 42, die in den beiden Figuren gezeigt sind, identisch. Daher wird im Nachfolgenden der Aufbau der Antriebsanordnung 42 lediglich anhand von 3 erläutert.
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Es ist in 3 zu sehen, dass die Antriebsanordnung 42 ein erstes Zahnrad 44 und ein zweites Zahnrad 46 aufweist. Das erste Zahnrad 44 weist dabei eine Umfangsoberfläche 48 mit Zähnen 50 auf, und auch das zweite Zahnrad 46 weist eine Umfangsoberfläche 48 mit Zähnen 50 auf. Die beiden Zahnräder 44, 46 greifen dabei mit ihren Zähnen 50 so formschlüssig ineinander, dass eine Rotationsbewegung des zweiten Zahnrades 46 auf das erste Zahnrad 44 übertragen werden kann.
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Das erste Zahnrad 44 ist mit dem Pumpenkolben 40 über einen Rollenstößel 52 gekoppelt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Rollenstößeln, die eine Rolle mit einer glatten Lauffläche verwenden, ist hier das erste Zahnrad 44 als Ersatz für die normalerweise verwendete Rolle vorgesehen und bildet somit einen Teil des Rollenstößels 52. Der Rollenstößel 52 ist an wenigstens einer ebenen Seitenfläche 54 des ersten Zahnrades 44 befestigt, und zwar an einem Mittelpunkt 56 des ersten Zahnrades 44. Der Rollenstößel 52 ist so befestigt, dass er sich schwenkbar um den Mittelpunkt 56 bewegen kann. Dadurch kann eine Rotationsbewegung des ersten Zahnrades 44 in eine Translationsbewegung des Pumpenkolbens 34 übertragen werden.
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Wäre das erste Zahnrad 44 wie die üblicherweise verwendete Rolle rotationssymmetrisch ausgebildet, könnte keine Translationsbewegung des Pumpenkolbens 34 erzeugt werden. Um daher eine Translationsbewegung zu ermöglichen, weist das erste Zahnrad 44 an seiner Umfangsoberfläche 48 eine Nockenkontur 58 auf.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Nockenkontur 58 so ausgebildet, dass zwei symmetrisch ausgebildete Nocken 60 vorhanden sind. Das heißt, das erste Zahnrad 44 hat nicht bloß eine einfache ovale Form, die zum Beispiel einen einfachen Nocken 60 ausbildet, sondern eine höhere Symmetrie, da das erste Zahnrad 44 elliptisch ausgebildet ist.
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Um eine Rotationsbewegung von dem zweiten Zahnrad 46 auf das erste Zahnrad 44 übertragen zu können, ist es nötig, dass sich auch das zweite Zahnrad 46 bewegt. Dies wird dadurch bewirkt, dass das zweite Zahnrad 46 mit einer Antriebswelle 62, nämlich im vorliegenden Fall mit der Kurbelwelle 30, gekoppelt ist.
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Dies kann zum Beispiel über eine nicht gezeigte Kette bzw. einen nicht gezeigten Zahnriemen erfolgen.
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Dreht sich nun die Kurbelwelle 30, wird diese Drehbewegung auf das zweite Zahnrad 46 übertragen, sodass sich das zweite Zahnrad 46 um seinen Mittelpunkt 56 dreht. Durch den Eingriff der Zähne 50 in die Zähne 50 des ersten Zahnrades 44 dreht sich auch das erste Zahnrad 44 um seinen Mittelpunkt 56. Durch die Nockenkontur 58 hebt und senkt sich der Rollenstößel 52 und bewirkt so die translatorische Bewegung des Pumpenkolbens 34.
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3 zeigt dabei einen ersten Betriebszustand, bei dem sich der Pumpenkolben 34 in seinem oberen Totpunkt, das heißt an seinem höchsten Punkt, befindet, wobei die Nockenkontur 58 mit den Nocken 60 parallel zur Kolbenachse 64 angeordnet ist.
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4 zeigt einen zweiten Betriebszustand, bei dem sich der Pumpenkolben 34 in seinem unteren Totpunkt befindet, das heißt die Nocken 60 sind senkrecht zu der Kolbenachse 64 angeordnet.
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Das zweite Zahnrad 46 ist mit einem deutlich größeren Umfang 70 ausgebildet als das erste Zahnrad 44.
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Es wird demgemäß als Antriebsanordnung 42 zum Antreiben des Pumpenkolbens 34 eine Art Zahnstößel vorgeschlagen, der im Vergleich zu dem normalerweise verwendeten Rollenstößel nicht durch einen Nocken einer Nockenwelle angetrieben wird, sondern durch eine Zahnradanordnung. Diese Zahnradanordnung besteht dabei aus zwei Teilen, nämlich einem ovalen ersten Zahnrad 44, dessen Rotationsbewegung zur Translationsbewegung des Pumpenkolbens 34 führt, und aus einem größeren runden zweiten Zahnrad 46, das direkt von der Kurbelwelle 30, beispielsweise durch eine Kette, betrieben wird.
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Damit kann die Kraftstoffhochdruckpumpe 20 praktisch an beliebiger Stelle im Motor angeordnet werden, und dennoch durch die Kurbelwelle 30 betrieben sein. Die Frequenz der Kraftstoffhochdruckpumpe kann beliebig durch die Größe der Zahnräder 44, 46 eingestellt werden.
