Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe, insbesondere
Hochdruck-Kraftstoffpumpe für Brennkraftmaschinen mit
Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse, mit einem in dem
Gehäuse vorhandenen Antriebsraum, mit einer wenigstens
bereichsweise in dem Antriebsraum angeordneten Exzenter-
oder Nockenwelle, und mit mindestens einem Förderelement,
welches von der Exzenter- oder Nockenwelle wenigstens
mittelbar in eine Hin- und Herbewegung versetzt werden
kann.
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Eine Fluidpumpe der eingangs genannten Art ist vom Markt
her bekannt. Sie kommt bei Brennkraftmaschinen mit
Kraftstoff-Direkteinspritzung als Hochdruck-Kraftstoffpumpe
zum Einsatz. Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird der
Kraftstoff zunächst von einer Vorförderpumpe zu der
Hochdruck-Kraftstoffpumpe gefördert. Diese komprimiert den
Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn
weiter zu einer Kraftstoff-Sammelleitung, wo der Kraftstoff
unter sehr hohem Druck gespeichert wird. An die Kraftstoff-
Sammelleitung sind mehrere Injektoren angeschlossen, welche
jeweils einem Brennraum zugeordnet sind und den Kraftstoff
direkt in diesen einspritzen.
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Bei der bekannten Hochdruck-Kraftstoffpumpe handelt es sich
um eine Mehrzylinder-Radialkolbenpumpe, deren Kolben von
einer Nockenwelle angetrieben werden. Eine Nockenwelle ist
in einem Gehäuse gelagert und versetzt über Rollenstößel
die Kolben in eine Hin- und Herbewegung. Zur Schmierung der
beweglichen Teile der Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist diese
an eine Druckumlaufschmierung der Brennkraftmaschine
angeschlossen. Durch einen Montageflansch kann das
Schmieröl aus der Hochdruck-Kraftstoffpumpe zur
Brennkraftmaschine zurück strömen.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Fluidpumpe
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie eine
längere Lebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Fluidpumpe der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, dass der Antriebsraum in
einem Bereich, der in Drehrichtung der Exzenter- oder
Nockenwelle gesehen vor dem mindestens einen Förderelement
liegt, mit einem Schmiermittel-Entlastungsbereich verbunden
ist.
Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass bei den
herkömmlichen Fluidpumpen Kavitationsschäden an bestimmten
Gehäusekanten und an O-Ringen nicht ausgeschlossen werden
konnten. Auch wurden an den Elementen, welche die
Förderelemente gegen die Exzenter- oder Nockenwelle
beaufschlagen, und an zugehörigen Bauteilen, bisweilen
entsprechende Kavitationsspuren festgestellt. Diese
Probleme treten bei der erfindungsgemäßen Fluidpumpe nicht
mehr auf. Somit ist die Lebensdauer der erfindungsgemäßen
Fluidpumpe höher als bei herkömmlichen Fluidpumpen.
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Der Grund für die Erhöhung der Lebensdauer bei der
erfindungsgemäßen Fluidpumpe ist folgender: Im Antriebsraum
ist normalerweise Schmiermittel vorhanden, mit dem die
Lager der Antriebswelle sowie die Kontaktfläche zwischen
Exzenter oder Nocke und der daran anliegenden Komponente
geschmiert werden. Bei einer Drehung der Exzenter- oder
Nockenwelle wird auf Grund der Schleuderwirkung eines
Exzenters oder eine Nocke der Exzenter- oder Nockenwelle
ein Teil des sich im Arbeitsraum befindenden Schmiermittels
an die Umfangswand des Antriebsraums angelegt bzw. in Form
einer "Schmiermittelwalze" mitgeschleppt.
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Gelangt der abragende bzw. "auflaufende" Abschnitt des
Exzenters bzw. der Nocke in den Bereich der bei einem
Förderelement in den Antriebsraum hereinragenden und am
Exzenter bzw. der Nocke anliegenden Komponenten, wird das
für das mitgeschleppte Schmiermittel zur Verfügung stehende
Volumen kleiner. Es käme daher - ohne die erfindungsgemäßen
Gegenmaßnahmen - zu einer Aufstauung der Ölwalze.
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Jener Teilstrom des gesamten zugeführten Schmieröls,
welcher für die Führung einer am Exzenter bzw. der Nocke
anliegenden Komponente (bspw. eines Rollenstößels)
vorgesehen ist, tritt teilweise oberhalb und teilweise
unterhalb der Komponente aus. Durch das besagte Aufstauen
der Ölwalze wird der Ölaustritt aus der Führung der
Komponente in den Antriebsraum behindert. Somit tritt mehr
Öl nach oben in den radial auswärts von der Komponente
liegenden Raum (bspw. ein Federraum) aus und führt dort zu
einer "Überfüllung" mit entsprechendem Druckanstieg.
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In der Folge würde das ja weitgehend inkompressible
Schmiermittel versuchen, durch Spalte sowie sonstige
üblicherweise vorhandene Verbindungsmöglichkeiten und
Kanäle aus diesem Bereich in den Antriebsraum zu
entweichen. Derartige Spalte sind beispielsweise zwischen
einem Rollenstößel, der zwischen Förderelement und Exzenter
bzw. Nocke angeordnet sein kann, und seiner Führungsbohrung
vorhanden. Das übermäßig vorhandene Öl in dem radial
auswärts von der Komponente liegenden Raum kann nicht der
raschen Bewegung der Komponente (bspw. des Stößels) folgen.
Somit kommt es örtlich und plötzlich an benachteiligten
Stellen zur Unterschreitung des Öl-Dampfdrucks, also zu
Kavitation, was bisher zu den oben angegebenen Schäden
führen konnte.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann das Schmiermittel
in einen Schmiermittel-Entlastungsbereich entweichen. Die
Druckstöße in einem radial auswärts von der Komponente
liegenden Raum und im Antriebsraum sind daher viel geringer
als bisher.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer ersten Weiterbildung ist der Antriebsraum in
einem Bereich, der in Drehrichtung der Exzenter- oder
Nockenwelle hinter dem mindestens einen Förderelement
liegt, mit einem Belüftungsbereich verbunden. Der
Antriebsraum wird hierdurch ständig belüftet, was die
Ableitung des überschüssigen Öls erleichtert. Hierdurch
werden die im Antriebsraum und in dem radial auswärts von
der Komponente liegenden Raum auftretenden Druckstöße
vermindert.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Exzenter- oder
Nockenwelle mindestens zwei axiale Exzenter- oder
Nockenabschnitte aufweist, und dass jeder Bereich des
Antriebsraums, in dem ein Exzenter- oder Nockenabschnitt
vorhanden ist, über eine eigene Verbindung zum
Schmiermittel-Entlastungsbereich und/oder zum
Belüftungsbereich verfügt. Dies hat Vorteile insbesondere
bei Mehrzylinder-Hubkolbenpumpen. Auch bei solchen Pumpen
können mit der erfindungsgemäßen Maßnahme bzw. mit den
erfindungsgemäßen Maßnahmen die Druckstöße in den oben
genannten Räumen gering gehalten werden.
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Bevorzugt umfasst die Verbindung des Antriebsraums mit dem
Schmiermittel-Entlastungsbereich und/oder mit dem
Belüftungsbereich einen in einem Pumpenflansch endenden
Kanal mit einem axial im Gehäuse verlaufenden Abschnitt.
Eine solche Verbindung kann einfach hergestellt werden. Die
Anschlüsse dieses axial verlaufenden Kanalabschnitts an die
Bereiche des Antriebsraums, in dem die Exzenter- oder
Nockenabschnitte der Antriebswelle liegen, können durch
einfache radiale Bohrungen hergestellt werden.
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In konkreter Ausgestaltung wird auch vorgeschlagen, dass
das Förderelement wenigstens mittelbar durch ein
Vorspannelement gegen die Exzenter- oder Nockenwelle
beaufschlagt wird, welches in einem Vorspannraum
aufgenommen ist. Die Schäden durch Kavitation waren bisher
in derartigen Vorspannräumen besonders hoch. Bei einer
derart ausgestalteten Hochdruck-Kraftstoffpumpe sind die
erfindungsgemäßen Vorteile also besonders deutlich.
Zeichnung
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail
erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine
mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
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Fig. 2 einen Schnitt durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe
von Fig. 1; und
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Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der
Hochdruck-Kraftstoffpumpe von Fig. 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In Fig. 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das
Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine Vorförderpumpe 14 den Kraftstoff über eine
Niederdruck-Kraftstoffleitung 15 zu einer Hochdruck-
Kraftstoffpumpe 16 fördert.
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Von dieser gelangt der Kraftstoff weiter zu einer
Kraftstoff-Sammelleitung 18 ("Rail"), in der der Kraftstoff
unter hohem Druck gespeichert werden kann. An die
Kraftstoff-Sammelleitung 18 sind mehrere Injektoren 20
angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt in
entsprechende Brennräume 22 einspritzen können.
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Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 wird auf hier nicht näher
dargestellte Art und Weise mechanisch direkt von einer in
der Zeichnung nicht sichtbaren Nockenwelle der
Brennkraftmaschine 10 angetrieben. Hierzu ist die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 an einen Motorblock (nicht
dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 angeflanscht.
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Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 ist im Detail in Fig. 2
sowie in Fig. 3 dargestellt. Danach umfasst sie ein Gehäuse
24, in dem senkrecht zur Schnittebene von Fig. 2 eine
Ausnehmung mit kreisrundem Querschnitt vorhanden ist. Diese
Ausnehmung trägt das Bezugszeichen 26. Ferner sind in dem
Gehäuse 24 mehrere sich radial von der Ausnehmung 26
erstreckende Ausnehmungen vorhanden, von denen jene mit dem
Bezugszeichen 28 in Fig. 2 sichtbar ist, welche zu
entsprechenden V-förmig angeordneten Zylindern 32 und 34
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 gehören.
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In der Ausnehmung 26 ist eine Nockenwelle 36 aufgenommen.
Die Ausnehmung 26 wird daher auch als Nocken- oder
Exzentertunnel oder einfach als Antriebsraum bezeichnet.
Die Nockenwelle ist über Lager 38 und 40 (vgl. Fig. 3)
gegenüber dem Gehäuse 24 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16
gelagert. Die Nockenwelle 36 umfasst Wellenabschnitte 42a
und 42b sowie einen ersten Nockenabschnitt 44 und einen
zweiten Nockenabschnitt 46. Die beiden Nockenabschnitte 44
und 46 sind axial etwas voneinander beabstandet. Die
Nockenabschnitte 44 und 46 sind jeweils dreieckig mit
abgerundeten Spitzen. Zwischen den abgerundeten Spitzen der
Nockenabschnitte 44 und 46 und der Umfangswand der
Ausnehmung 26 ist ein geringer Spalt vorhanden.
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Die Zylinder 32 und 34 sind in axialer Richtung der
Nockenwelle 36 gesehen etwas versetzt zueinander jeweils
auf Höhe eines Nockenabschnitts 44 bzw. 46 der Nockenwelle
36 angeordnet. Sie sind identisch aufgebaut, so dass
vorliegend der Einfachheit halber nur die Komponenten des
in Fig. 2 geschnittenen und im Detail sichtbaren Zylinders
32 erläutert werden:
Auf dem zum Zylinder 32 gehörenden Nockenabschnitt 44 läuft
eine Rolle 48 eines Rollenstößels 50. Die Rolle 48 ist an
einem Körper 51 des Rollenstößels 50 drehbar gehalten. Der
Rollenstößel 50 ist in der Ausnehmung 28 gleitend geführt.
Er wird von einer Druckfeder 52 gegen den Nockenabschnitt
44 beaufschlagt. Die Druckfeder 52 ist in einem Federraum
53 aufgenommen und stützt sich an einem gehäuseseitigen
Absatz (ohne Bezugszeichen) ab. Der Rollenstößel 50 ist
wiederum mit einem Kolben 54 verbunden, welcher mit seinem
radial äußeren Ende einen Förderraum 56 begrenzt. Über hier
nicht näher interessierende Ein- bzw. Auslassventile ist
der Förderraum 56 einerseits mit der Niederdruck-
Kraftstoffleitung 15 und andererseits mit der Kraftstoff-
Sammelleitung 18 verbindbar.
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Der Federraum 53 ist über einen Kanal 58 im Körper 51 des
Rollenstößels 50 mit der Ausnehmung 26 verbunden. Auch ein e
Nut 60 in der Wand der Ausnehmung 28 verbindet den
Federraum 53 mit der Ausnehmung 26. Schließlich ist der
Federraum 53 mit einem Federraum 62 des Zylinders 34 über
einen Kanal verbunden, von dem in der Darstellung von Fig.
2 nur ein senkrecht zur Schnittebene liegender Bereich mit
dem Bezugszeichen 63 sichtbar ist.
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Im Gehäuse 24 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 ist ein
Kanal 64 vorhanden (vgl. auch Fig. 3), welcher die
Ausnehmung 26, in der die Nockenwelle 36 angeordnet ist,
mit einem Schmiermittel-Entlastungsbereich 64 verbindet.
Bei diesem Schmiermittel-Entlastungsbereich 64 kann es sich
bspw. um einen Ölsumpf der Brennkraftmaschine 10 handeln.
Der Kanal 64 umfasst zwei gegenüber der Längsachse der
Ausnehmung 26 radiale gebohrte Abschnitte 68a und 68b,
welche mit einem parallel zur Längsachse der Ausnehmung 26
verlaufenden gebohrten Abschnitt 70 des Kanals 64 verbunden
sind. Der axiale Abschnitt 70 führt zu einem Pumpenflansch
72 (vgl. Fig. 3), mit dem die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16
am nicht dargestellten Motorblock der Brennkraftmaschine 10
befestigt ist.
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Die Nockenwelle 36 dreht in der Darstellung in Fig. 2
entgegen dem Uhrzeigersinn (Pfeil 74). Die radialen
Abschnitte 68a und 68b des Kanals 64 sind in Drehrichtung
der Nockenwelle 36 gesehen in der Umfangswand der
Ausnehmung 26 in einem unmittelbar vor dem in Fig. 2
rechten Zylinder 34 liegenden Bereich 71 angeordnet. Dabei
befindet sich der Abschnitt 68a auf Höhe des in Fig. 2
hinteren Nockenabschnitts 46, wohingegen sich der radiale
Abschnitt 68b auf Höhe des in Fig. 2 in der Schnittebene
liegenden ersten Nockenabschnitts 44 liegt. Die Abschnitte
68a und 68b sind nach außen hin durch Verschlussstopfen
verschlossen, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind und von
denen in Fig. 2 nur jener mit dem Bezugszeichen 73 .
sichtbar ist. Werden die Verschlussstopfen 73 entfernt, ist
durch die Kanäle 68a und 68b eine Sichtinspektion der
Nockenabschnitte 44 und 46 möglich.
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Die Ausnehmung 26 ist ferner über einen Kanal 76 mit einem
Belüftungsbereich 78 verbunden. Beim Belüftungsbereich 78
kann es sich bspw. um die Außenatmosphäre handeln. Der
Kanal 76 ist ähnlich wie der Kanal 74 ausgestaltet, d. h. er
umfasst einen radialen Abschnitt 80 und einen sich parallel
zur Längsachse der Ausnehmung 26 erstreckenden axialen
Abschnitt 82. Im Gegensatz zum Kanal 64 weist der Kanal 76
allerdings nur einen radialen Abschnitt 80 auf. Dieser ist
in Drehrichtung der Nockenwelle 36 gesehen in der
Umfangswand der Ausnehmung 26 in einem Bereich 84
unmittelbar hinter dem Zylinder 34 angeordnet. Er liegt in
Längsrichtung der Ausnehmung 26 gesehen auf Höhe des ersten
Nockenabschnitts 44. In einem nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel ist in jedem Bereich eines Exzenter-
oder Nockenabschnitts ein radialer Kanalabschnitt
vorhanden, der Teil der Verbindung zum Belüftungsbereich
ist.
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Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 wird folgendermaßen
betrieben:
Die Rollenstößel 50 und hierdurch auch die mit ihnen
verbundenen Kolben 54 werden von den Federn 52 gegen die
Nockenabschnitt 44 bzw. 46 beaufschlagt. Bei einer Drehung
der Nockenwelle 36 werden die Rollenstößel 50 und mit ihnen
die entsprechenden Kolben 54 in eine Hin- und Herbewegung
versetzt. Über nicht dargestellte Zuführungen wird dabei
die Ausnehmung 26 mit Schmieröl versorgt. Bspw. kann die
Ausnehmung 26 an eine Druckumlaufschmierung der
Brennkraftmaschine 10 angeschlossen sein. Dadurch, dass die
Nockenabschnitte 44 und 46 an ihren abgerundeten Spitzen
nur einen geringen Abstand von der Umfangswand der
Ausnehmung 26 aufweisen, wird das sich in der Ausnehmung 26
befindende Schmieröl mitgerissen und, da sich die
Nockenwelle 36 sehr schnell dreht, durch die
Zentrifugalkraft an die Umfangswand der Ausnehmung 26
angelegt. In Drehrichtung der Nockenwelle 36 gesehen hinter
einer Spitze eines Nockenabschnitts 44 bzw. 46 bildet sich
dabei eine "Schmierölwalze", also ein mit vergleichsweise
viel Schmieröl angefüllter Bereich.
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Gelangt eine solche Schmierölwalze in jenen Bereich, in den
die Rollenstößel 50 der beiden Zylinder 32 und 34
hineinragen, steht für die Schmierölwalze nur ein
geringeres Volumen zur Verfügung, so dass das Schmieröl
durch die radialen Abschnitte 68a und 68b und den axialen
Abschnitt 70 des Schmiermittel-Entlastungskanals 64 zum
Schmiermittel-Entlastungsbereich 66 entweicht. Gleichzeitig
wird dann, wenn eine der abgerundeten Spitzen eines
Nockenabschnitts 44 bzw. 46 sich vom Rollenstößel 50 des
linken Zylinders 32 entfernt, über den radialen Abschnitt
80 und den axialen Abschnitt 82 des Belüftungskanals 76Luft aus dem Belüftungsbereich 78 in die Ausnehmung 26
angesaugt.
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Der Kanal 64 ermöglicht es also, dass eine vor einer Spitze
eines Nockenabschnittes 44 bzw. 46 herlaufende
Schmierölwalze zum Schmiermittelentlastungsbereich 66
abgeführt werden kann, wohingegen der Kanal 76 dafür sorgt,
dass in der Ausnehmung 26 in den Bereich der
Nockenabschnitte 44 und 46 Luft nachströmen kann, so dass
sich überhaupt erst keine übergroßen Schmierölwalzen bilden
können.
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Wären diese Kanäle 64 und 76 nicht vorhanden, würde die vor
einer Spitze eines Nockenabschnitts 44 bzw. 46 angesammelte
Schmierölwalze dann, wenn sie in den Bereich der Rolle 48
des Rollenstößels des rechten Zylinders 34 gelangt,
komprimiert werden, es gäbe also eine schlagartige
Druckerhöhung des sich in diesem Bereich befindlichen
Schmiermittels.
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Das durch die zwischen den Ausnehmungen 28 und den
entsprechenden Rollenstößeln 50 der beiden Zylinder 32 und
34 vorhandenen Spalte und Kanäle in die Federräume 53
gelangende Schmiermittel kann nicht unbehindert abfließen.
Aufgrund der großen Druckunterschiede könnte dabei
insbesondere im Bereich des Federraums 53 Kavitation
auftreten. Dies wird durch die Kanäle 64 und 76
weitestgehend vermieden.