Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe mit einer in einem Pumpengehäuse
gelagerten Antriebswelle und wenigstens einer von der Antriebswelle angetriebenen
Pumpeneinheit.
Aus der DE 198 48 035 A1
ist bereits eine Radialkolbenpumpe für die Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen
von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, bekannt.
Die Radialkolbenpumpe weist ein Pumpengehäuse auf, in dem eine Pumpenwelle drehbar
gelagert ist. An der Pumpenwelle ist ein Exzenterabschnitt ausgebildet, auf dem
ein Hubring gleitend geführt ist. An dem Hubring stützen sich vorzugsweise mehrere,
bezüglich der Antriebswelle radial im Pumpengehäuse längs bewegbar geführte Pumpenkolben
ab. Jedem Pumpenkolben ist ein Saugventil sowie ein Druckventil zugeordnet. Während
des Ansaughubs wird dem Pumpenzylinder Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich zugeführt.
Nach dem Kompressionshub gelangt der komprimierte Kraftstoff über das Druckventil
zu einem gemeinsamen Hochdruckspeicher, dem sogenannten Common-Rail.
Einer derartigen Radialkolbenpumpe ist üblicherweise eine Kraftstoffvorförderpumpe
vorgeschaltet, die den Kraftstoff aus dem Kraftstofftank der Hochdruckpumpe zuführt.
Die Kraftstoffvorförderpumpe wird in der Regel durch einen Elektromotor oder über
die Nockenwelle angetrieben.
Aufgrund der Exzentrizität der Pumpenwelle kommt es im Pumpenbetrieb
insbesondere bei hohen Drehzahlen zu hohen Fliehkräften, die an der Pumpenwelle
angreifen und die dadurch eine Unwucht der Pumpenwelle erzeugen. Dies führt zu Drehschwingungen
in der Pumpe. Die Drehschwingungen können zu Problemen, insbesondere in Hinblick
auf die Befestigung der Radialkolbenpumpe am Motorblock führen. Durch die Vibrationen
kann sich die Befestigung mit der Zeit lösen. Zudem können durch die Schwingungen
der Radialkolbenpumpe Körperschallgeräusche erzeugt werden.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es somit Aufgabe der Erfindung,
eine Radialkolbenpumpe bereitzustellen, bei der die Drehschwingungen in der Pumpe
aufgrund der Unwucht der Pumpenwelle vermieden werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs
1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, welche einzeln oder in
Kombination miteinander einsetzbar sind, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Pumpenwelle
ein Ausgleichsgewicht angeordnet ist, welches einer Unwucht der Pumpenwelle während
des Pumpenbetriebs entgegenwirkt. Das Ausgleichsgewicht ist dabei derart ausgebildet,
dass es im Pumpenbetrieb eine Fliehkraft erzeugt, die der Fliehkraft des Exzenterabschnittes
entgegenwirkt. Hierdurch heben sich die Fliehkräfte gegeneinander auf und die Drehschwingungen
der Pumpe werden wirkungsvoll unterbunden. Die Fliehkraft des Ausgleichsgewichtes
lässt sich dabei über die Masse des Ausgleichsgewichtes so wie die Exzentrizität
des Ausgleichsgewichtes zur Pumpenwellenachse festlegen.
Erfindungsgemäß bevorzugt weist das Ausgleichsgewicht dieselbe Exzentrizität
auf wie der Exzenterabschnitt der Pumpenwelle. Die Masse des Ausgleichsgewichtes
kann dann über die Dicke bzw. den Aussenumfang des Ausgleichsgewichtes festgelegt
werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das
Ausgleichsgewicht mit der Pumpenwelle über eine Wellen-Naben-Verbindung verbunden
ist. Wellen-Naben-Verbindungen lassen sich einfach herstellen und gewährleisten
eine sichere Verbindung zwischen dem Ausgleichsgewicht und der Pumpenwelle.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
eine Wellen-Naben-Verbindung als formschlüssige Verbindung ausgebildet. Die formschlüssige
Verbindung ermöglicht eine besonders sichere Verbindung zwischen der Pumpenwelle
und dem Ausgleichsgewicht. Ein Lösen der Verbindung während des Pumpenbetriebs wird
dadurch ausgeschlossen. Als formschlüssige Verbindung eignen sich insbesondere Keilwellenprofile,
Kerbverzahnungen oder Polygonprofile.
Es ist auch möglich die formschlüssige Verbindung zwischen dem Ausgleichsgewicht
und der Pumpenwelle durch zusätzliche Elemente wie Passfedern, Gleitfeder oder Querstifte
formschlüssig zu verbinden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor,
dass die formschlüssige Verbindung derart ausgebildet ist, dass das Ausgleichsgewicht
nur in einer vorgegebenen Position auf der Pumpenwelle fixierbar ist. Hierdurch
wird die Montage des Ausgleichsgewichtes auf der Pumpenwelle erheblich erleichtert.
Die formschlüssige Verbindung ist dabei derart ausgestaltet, dass die Fliehkraft
des Ausgleichsgewichtes der Fliehkraft des Exzenters entgegengerichtet
ist. Ein Fehler bei der Montage wird sicher vermieden, da das Ausgleichsgewicht
nur in einer vorgegebenen Position fixierbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Pumpenwelle einen fliegend gelagerten Endbereicht aufweist, auf dem das Ausgleichsgewicht
angeordnet ist. An dem fliegend gelagerten Endbereich der Pumpenwelle lässt sich
besonders einfach ein Aufnahmeprofil für das Ausgleichsgewicht ausbilden. Das Ausgleichsgewicht
kann dann sehr einfach auf den fliegend gelagerten Endbereich aufgesteckt werden.
Damit sich das Ausgleichsgewicht nicht von der Pumpenwelle lösen kann, wird es bevorzug
zusätzlich durch ein Sicherungselement gesichert. Zur Sicherung eignen sich beispielsweise
Keile, die zwischen dem Ausgleichsgewicht und der Pumpenwelle eingetrieben werden.
Hierzu weist die Welle und die Nabe eine Aufnahmenut auf. Durch die Aufnahmenut
in beiden Bauteilen, ist die Einbaulage zueinander eindeutig vorgegeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
das Ausgleichsgewicht gleichzeitig ein Rotor für eine Kraftstoffvorförderpumpe ist.
Hierdurch kann die Vorförderpumpe baulich sehr nah an der Radialkolbenpumpe angeordnet
sein, wodurch sich eine besonders kompakte Bauform ergibt. Zusätzlich lässt sich
die Vorförderpumpe durch eine besonders geringe Anzahl an Bauteilen herstellen,
was die Montage erleichtert und die Herstellungskosten erheblich reduziert.
Besonders bevorzugt ist die Kraftstoffvorförderpumpe als Sperrflügelpumpe
ausgebildet. Die Sperrflügelpumpe eignet sich besonders aufgrund ihres einfachen
Aufbaus. Die Sperrflügelpumpe besteht im wesentlichen nur aus einem Außenring mit
einem meist federbelasteten, feststehenden Sperrflügel sowie dem als Rotor ausgebildeten
Ausgleichsgewicht. Die Vorförderpumpe lässt sich somit besonders preiswert und einfach
ausbilden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Rotor der Sperrflügelpumpe als Drehschieber ausgebildet. In der Vorförderpumpe ist
dazu ein Einlauf sowie ein Ablauffenster ausgebildet, welches durch den als Drehschieber
ausgebildeten Rotor geöffnet bzw. verschlossen wird. Somit kann auf zusätzliche
Ein- und Auslassventile verzichtet werden, wodurch sich der Aufbau der Vorförderpumpe
weiter vereinfacht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Kraftstoffvorförderpumpe in das Pumpengehäuse der Radialkolbenhochdruckpumpe integriert.
Die Integration der Kraftstoffvorförderpumpe erlaubt eine besonders kompakte Ausgestaltung
der Pumpeneinheit.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe zeichnet sich somit zum einen
dadurch aus, dass auf der Pumpenwelle ein Ausgleichsgewicht angeordnet ist, welches
einer Unwucht der Pumpenwelle während des Pumpenbetriebs entgegenwirkt. Zum anderen
kann das Ausgleichsgewicht zusätzlich als Rotor für eine Kraftstoffvorförderpumpe
verwendet werden. Hierdurch lässt sich eine besonders preiswerte und einfach aufgebaute
Pumpeneinheit, bestehend aus der Radialkolbenhochdruckpumpe und der Kraftstoffvorförderpumpe,
ausbilden.
Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden im
folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt schematisch:
1a einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße
Radialkolbenpumpeneinheit bestehend aus einer Radialkolbenpumpe und einer Vorförderpumpe,
1b eine Detailansicht des Ausgleichsgewichtes
wie es in 1a verwendet werden kann,
2a bis 2d
eine Kraftstoffvorförderpumpe mit einem Ausgleichsgewicht nach 1b,
das gleichzeitig als Rotor der Kraftstoffvorförderpumpe ausgebildet ist.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1a zeigt einen Radialschnitt durch die
Radialkolbenhochdruckpumpe. Die Radialkolbenhochdruckpumpe besteht im wesentlichen
aus einem Pumpengehäuse 1, in dem eine Pumpenwelle 2 drehbar gelagert
angeordnet ist. Die Pumpenwelle 2 weist einen Exzenterabschnitt
3 auf. Auf dem Exzenterabschnitt 3 ist ein Hubring 11
gleitend gelagert. Der Hubring 11 weist eine der Anzahl der Pumpenkolben
4 entsprechende Anzahl von Abflachungen auf. Die Pumpenkolben
4 stützen sich über Gleitschuhe 12 an den Abflachungen des Hubrings
11 ab. Die Pumpenkolben 4 werden während des Pumpenbetriebs vom
Exzenterabschnitt der Pumpenwelle 2 im Pumpenzylinder 5 hin- und
herbewegt. Dabei führen sie abwechselnd einen Saug- und einen Kompressionshub durch.
Die Pumpenwelle 2 weist einen fliegend gelagerten Endbereich
10 auf. Der fliegend gelagerte Endbereich 10 hat zwei Abflachungen
7 die zur formschlüssigen Aufnahme eines Ausgleichsgewichtes
6 dienen. Das Ausgleichsgewicht 6 weist einen Durchbruch auf,
der eine zum fliegend gelagerten Endbereich 10 korrespondierende Form aufweist,
so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem fliegend gelagerten Endbereich
10 und dem Ausgleichsgewicht 8 besteht.
Um ein Lösen des Ausgleichsgewichtes 6 von dem fliegend gelagerten
Endbereich 10 der Pumpenwelle 2 zu verhindern, wird das Ausgleichsgewicht
zusätzlich mit einem Sicherungselement 13 gesichert. Das Sicherungselement
13 ist dabei bevorzugt in einer, sowohl in der Pumpenwelle als auch im
Ausgleichsgewicht 6 ausgebildeten Nut eingebracht und verspannt die beiden
Bauteile miteinander. Hierzu eignen sich insbesondere Keile.
Die sowohl im Ausgleichsgewicht 6 als auch in der Pumpenwelle
ausgebildete Nut sorgt zusätzlich dafür, dass das Ausgleichsgewicht 6 nur
in einer Position auf die Pumpenwelle 2 aufgesteckt werden kann. Hierdurch
können Montagefehler vermieden werden und das Ausgleichsgewicht 6 wird
stets richtig zum Exzenterabschnitt 3 der Pumpenwelle 2 ausgerichtet.
Das Ausgleichsgewicht 6 weist dabei die gleiche Exzentrizität
wie der Exzenterabschnitt 3 der Pumpenwelle 2 auf. Das Ausgleichsgewicht
6 ist dabei jedoch gegenüber dem Exzenter um 180°, verschoben auf der
Pumpenwelle 2 angeordnet. Hierdurch erzeugt das Ausgleichsgewicht
6 während des Pumpenbetriebs eine Fliehkraft, die der Fliehkraft des Exzenters
entgegenwirkt. Die Fliehkräfte heben sich dadurch auf, wodurch Drehschwingungen
der Pumpe wirksam vermieden werden.
Die Ausgleichsmasse des Ausgleichsgewichts 6 kann über die
Exzentrizität s des Ausgleichsgewichtes 6 sowie die Dicke bzw. den Durchmesser
des Ausgleichsgewichtes 6 festgelegt werden.
Selbstverständlich ist auch möglich, dass das Ausgleichsgewicht
6 nicht an einem fliegend gelagerten Endbereich 10 befestigt wird,
sondern vor der Montage auf die Pumpenwelle 2 aufgeschoben wird. Die fliegend
gelagerte Endbereich ermöglicht allerdings eine besonders einfache Montage des Ausgleichsgewichtes
6 nach dem Zusammenbau von Pumpengehäuse und Pumpenwelle.
Wie Anhand der 2a–2d
ersichtlich ist, kann das Ausgleichsgewicht 6 gleichzeitig als Rotor
8 für eine Kraftstoffvorförderpumpe 9 verwendet werden. Die Kraftstoffvorförderpumpe
9 besteht im wesentlichen aus dem als Rotor 8 ausgebildeten Ausgleichsgewicht
6, einem Außenring 15 sowie einem feststehenden Sperrflügel
16. An der Stirnseite der Kraftstoffvorförderpumpe 9 ist ein Einlauf-
und ein Ablauffenster 17, 18 ausgebildet, durch die das Fluid
ein- bzw. ausströmen kann. Der Pumpenraum 19 ergibt sich durch die exzentrische
Anordnung des Rotors 8 bezüglich des Außenrings 15. Hierdurch
entsteht ein sichelförmiger Pumpenraum 19, welcher sich mit der Umdrehung
der Antriebswelle 2 bzw. des Rotors 8 entlang des Umfangs bewegt.
Hierdurch kann je nach Lage Rotors 8, Kraftstoff durch das Einlauffenster
17 in den Pumpenraums 19 einlaufen bzw. durch das Ablauffenster
18 aus dem Pumpenraum 19 ablaufen. Der Sperrflügel 16
wird über eine Feder 20 gegen den Rotor 8 gedrückt und dichtet
dadurch die Einlassseite und die Auslassseite des Pumpenraums gegeneinander ab.
Nachfolgend wird an den 2a bis
2d die Funktionsweise der Sperrflügelpumpe
beschrieben.
In 2a befindet sich der Rotor
8 in seiner oberen Ausgangsstellung. Dabei ist das Ablauffenster
18 vollständig vom Rotor 8 verschlossen, so dass kein Kraftstoff
aus dem sichelförmigen Pumpenraum 19 ausströmen kann. Das Einlauffenster
17 ist dagegen nicht vollständig vom Rotor 8 verschlossen und
Kraftstoff kann durch das Einlauffenster 17 in den sichelförmigen Pumpenraum
19 einströmen.
In 2b hat sich der Rotor um 90° entgegen
dem Uhrzeigersinns gedreht. In dieser Position verschließt der Rotor 8
das Einlassfenster 17 vollständig. Der sichelförmige Pumpenraum
19 hat sich ebenfalls um 90° gegenüber dem Uhrzeigersinn verschoben,
so dass nun das Ablauffenster 18 vom Rotor 8 freigegeben wird
und der Kraftstoff aus dem Ablauffenster 18 aus der Kraftstoffvorförderpumpe
9 ausströmen kann.
In 2c hat sich der Rotor um weitere 90°
entgegen dem Uhrzeigersinns gedreht. In dieser Phase ist das Ablauffenster
18 weiterhin geöffnet, so dass Kraftstoff von der Kraftstoffvorförderpumpe
9 gefördert wird. Gleichzeitig wird vom Rotor 8 bereits das Einlassfenster
17 freigegeben so dass Kraftstoff in einen Teil des sichelförmigen Pumpenraums
19 einströmen kann. Die Zulauf- und die Ablaufseite durch den Sperrflügel
16 voneinander getrennt.
In 2d hat sich der Rotor 8 um
weitere 90° gegenüber dem Uhrzeigersinns gedreht, so dass er um 270° zu
seiner Ausgangsstellung verdreht ist. In dieser Position ist das Ablauffenster
18 wieder fast vollständig geschlossen so dass kein Kraftstoff mehr aus
der Pumpe ausströmt. Das Einlassfenster 17 wird hingegen fast vollständig
vom Rotor 8 freigegeben so dass eine maximale Kraftstoffmenge in den sichelförmigen
Pumpenbereich 19 einströmen kann. Nach einer weiteren Drehung der Pumpenwelle
8 um 90° ist ein gesamter Arbeitshub der Sperrflügelpumpe abgeschlossen.
Neben einer Ausbildung der Kraftstoffvorförderpumpe als Sperrflügelpumpe
sind auch andere Ausführungen denkbar. So ist es beispielsweise auch denkbar, den
Rotor mit mehreren verschiebbaren Flügeln auszubilden und die Pumpe als Flügelzellenpumpe
zu betreiben.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass durch die Verwendung
eines Ausgleichsgewichtes, welches an der Pumpenwelle angeordnet ist eine Umwucht
der Pumpenwelle aufgrund eines an der Pumpenwelle ausgebildeten Exzenterabschnittes
vermieden werden kann. Hierdurch können Drehschwingungen der Pumpe wirkungsvoll
unterbunden werden. Das Ausgleichsgewicht kann dabei vorteilhaft gleichzeitig als
Rotor für eine Kraftstoffvorförderpumpe verwendet werden. Als Kraftstoffvorförderpumpe
eignet sich insbesondere eine Sperrflügelpumpe mit einem feststehenden Sperrflügel.
Das Pumpengehäuse kann direkt in einen Pumpendeckel des Pumpengehäuses ausgebildet
sein. Die vorgeschlagene Radialkolbenpumpe eignet sich insbesondere zur Kraftstoffhochdruckerzeugung
in modernen Common-Rail-Einspritzsystemen.
