Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidpumpe, insbesondere Hochdruck-Kraftstoffpumpe für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Fluidpumpe ist beispielsweise aus der DE 10 2004 048 714 A1 bekannt und umfasst ein Pumpelement in Form eines Pumpkolbens, welcher zur Hin- und Herbewegung in Richtung einer Pumpelementachse in einem Pumpengehäuse geführt und in dieser Richtung formschlüssig mit einem so genannten Kreuzkopf verbunden ist, welcher ebenfalls in Richtung der Pumpelementachse im Pumpengehäuse geführt ist und mittels welchem der Pumpkolben antreibbar ist. Zum Antrieb des Kreuzkopfes ist ein Pleuel vorgesehen, welches einerseits an einem Exzenterabschnitt einer um eine Drehachse drehantreibbaren Exzenterwelle und andererseits am Kreuzkopf angelenkt ist. Die bekannte Pumpe kann als Radialkolbenpumpe mit Kurbeltrieb bezeichnet werden, wobei der Kurbeltrieb durch die drehantreibbare Exzenterwelle mit Exzenterabschnitt, das Pleuel und den Kreuzkopf gebildet ist. Durch die Verwendung eines separat geführten Kreuzkopfes können vorteilhaft Querkräfte, d. h. orthogonal zur Pumpelementachse wirkende Kräfte, vom Pumpkolben (Pumpelement) ferngehalten bzw. zumindest verringert werden.

Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass derartige Querkräfte im Pumpenbetrieb auf den Kreuzkopf ausgeübt werden, was insbesondere für vergleichsweise hoch beanspruchte Pumpen wie z. B. eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe problematisch ist. Derartige Querkräfte erhöhen tendenziell die Reibung und verringern somit die Lebensdauer der Pumpe.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Fluidpumpe der eingangs genannten Art den Verlauf der am Antriebsorgan (z. B. Kreuzkopf) im zyklischen Betrieb des Kurbeltriebs auftretenden Querkraft zu beeinflussen, beispielsweise um einen reibungsbedingten Verschleiß zu verringern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fluidpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Fluidpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anlenkungsstelle des Pleuels am Antriebsorgan bezüglich der Pumpelementachse versetzt ist. Durch diesen Versatz ergibt sich, dass eine orthogonal zur Drehachse verlaufende Verbindungslinie zwischen der Drehachse und der Anlenkungsstelle des Pleuels am Antriebsorgan bezüglich der Pumpelementachse schräggestellt ist.

Im Gegensatz zur bekannten Radialkolbenpumpe, bei welcher die erwähnte Verbindungslinie parallel bzw. koaxial zur Pumpelementachse vorgesehen ist und sich somit eine "symmetrische Querkraftcharakteristik" für die beiden Hubrichtungen des Pumpelements ergibt, ist die Querkraftcharakteristik bei der erfindungsgemäßen Pumpe asymmetrisch bezüglich dieser beiden Pumpenhübe. Diese Asymmetrie ist insbesondere zur Verringerung von reibungsbedingtem Verschleiß geeignet. Die Querkraftcharakteristik bzw. das Ausmaß der Asymmetrie dieser Charakteristik lässt sich in gewissen Grenzen durch die konkrete Wahl der geometrischen Verhältnisse am Kurbeltrieb einstellen.

Die Erfindung kann sehr vorteilhaft für Kraftstoffpumpen, insbesondere Hochdruck-Kraftstoffpumpen für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen verwendet werden. Hierbei ist insbesondere an vergleichsweise hoch belastete Hochdruck-Kraftstoffpumpen für Speichereinspritzsysteme (z. B. "common rail") zu denken. Förderdrücke derartiger Hochdruck-Kraftstoffpumpen liegen nicht selten in der Größenordnung von etwa 2000 bar oder mehr, so dass in diesen Anwendungen besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Leichtgängigkeit der im Pumpenbetrieb bewegten Pumpenbauteile gestellt werden.

Das Pumpelement kann in an sich bekannter Weise von einem Pumpkolben bzw. Pumpstempel gebildet sein, der mit einer zylindrischen Umfangsfläche in einem zylindrischen Abschnitt eines Pumpenarbeitsraumes hin- und herläuft.

Die Enden des Pleuels können jeweils mittels eines Bolzens am Exzenterabschnitt der Exzenterwelle bzw. am Antriebsorgan angelenkt sein. Jeder solche Bolzen kann in an sich bekannter Weise eines von zwei so genannten Pleuelaugen des Pleuels durchsetzen. Der exzenterwellenseitige Bolzen kann hierbei z. B. von dem Exzenterabschnitt selbst gebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Antriebsorgan separat vom Pumpelement ausgebildet ist, etwa als Kreuzkopf wie in der oben erwähnten DE 10 2004 048 714 A1 beschrieben. Mittels einer derartigen Konstruktion lassen sich durch die Führung des Antriebsorgans in Richtung der Pumpelementachse auf das Pumpelement wirkende Querkräfte vermeiden. Ein Kreuzkopf kann z. B. in einer zum Pumpenarbeitsraum koaxialen Öffnung im Pumpengehäuse geführt sein und einen mittels zweier Gleitlagerbuchsen gelagerten Kreuzkopfbolzen aufweisen, von welchem ein mittlerer Bolzenabschnitt ein Pleuelauge durchsetzt. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Pleuelauge mit einer Gleitlagerbuchse versehen sein und/oder anstelle eines Gleitlagers ein Wälzlager vorgesehen sein.

Das Pumpelement kann z. B. einen Pumpelementfuß aufweisen, der zumindest in Richtung der Pumpelementachse formschlüssig mit einem separaten Antriebsorgan (Kreuzkopf) oder einem das Antriebsorgan gelenkig mit dem entsprechenden Pleuelende verbindenden Bolzen (z. B. Kreuzkopfbolzen) verbunden ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehachse der Exzenterwelle bezüglich der Pumpelementachse versetzt ist. Auch durch einen solchen Versatz können die oben bereits erwähnte Schrägstellung einer orthogonal zur Drehachse verlaufenden Verbindungslinie zwischen der Drehachse und der Anlenkungsstelle des Pleuels am Antriebsorgan bezüglich der Pumpelementachse und somit die damit verbundenen Vorteile erreicht werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Anlenkungsstelle des Pleuels am Antriebsorgan einerseits und die Drehachse der Exzenterwelle andererseits in verschiedenen Richtungen bezüglich der Pumpelementachse versetzt sind. In diesem Fall addieren sich die beiden Versätze gewissermaßen zur Schaffung einer besonders großen und dennoch bauraumsparenden Schrägstellung.

Für viele Fluidpumpen, insbesondere z. B. gängige Hochdruck-Kraftstoffpumpen für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, wird das Pumpelement durch das betreffende Fluid in Richtung der Pumpelementachse für die beiden Pumpelementhubrichtungen ganz unterschiedlich belastet. Bei der Radialkolbenpumpe gemäß der oben erwähnten DE 10 2004 048 714 A1 ist die in Richtung der Pumpelementachse wirkende Belastung des Pumpelements für den "Pumphub" wesentlich größer als für den "Ansaughub".

In einer im Hinblick auf die Verschleißreduzierung besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schrägstellung derart vorgesehen, dass gegenüber einer Ausführung ohne Schrägstellung die auf das Antriebsorgan wirkende mittlere und/oder maximale Querkraft während desjenigen Pumpelementhubs reduziert ist, welcher das Pumpelement stärker belastet. In der Regel wird der stärker belastende Pumpelementhub der "Pumphub" sein, bei welchem das zu pumpende Fluid durch das Pumpelement im Arbeitsraum komprimiert bzw. aus dem Arbeitsraum ausgestoßen wird. Bei dieser Ausführungsform können Querkräfte nicht lediglich am Antriebsorgan sondern auch z. B. am Pumpelement und/oder den Führungen dieser Komponenten im Pumpengehäuse vorteilhaft reduziert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Pumpe kann ein und diesselbe Exzenterwelle, gegebenenfalls auch derselbe Exzenterabschnitt, ohne weiteres zur Betätigung mehrerer Pleuel mit jeweiligem Pumpelement vorgesehen sein ("Mehrzylinderpumpe").

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:

1 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Kurbeltriebs einer Fluidpumpe mit Schrägstellung einer Verbindungslinie zwischen einer Exzenterwellenachse und einer Pleuelanlenkungsstelle an einem Pumpelement bzw. einem mit dem Pumpelement verbundenen Antriebsorgan,

2 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Versatzes einer Pleuelanlenkungsstelle an einem Kreuzkopf bezüglich einer Pumpelementachse, und

3 den Verlauf einer vom Pumpelement bzw. Antriebsorgan für den Kurbeltrieb gemäß 1 wirkenden Querkraft in Abhängigkeit von einer Winkelstellung des Kurbeltriebs während des Pumphubs.

1 veranschaulicht einige für das Verständnis der Erfindung wesentliche Komponenten einer Kraftstoffpumpe mit einem Pumpkolben 12, welcher zur Hin- und Herbewegung (vgl. Pfeil 14) in Richtung einer Pumpelementachse 16 in einem (nicht dargestellten) Pumpengehäuse geführt ist.

Die Länge des Pfeils 14 in 1 entspricht etwa dem im Pumpbetrieb vom Pumpkolben 12 zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt vollführten Kolbenhub. Die obere Totpunktstellung des Pumpkolbens 12 ist in 1 gestrichelt eingezeichnet.

Die in 1 obere Stirnfläche des zylindrisch ausgebildeten Pumpkolbens 12 begrenzt einen (nicht dargestellten) Arbeitsraum, der in an sich bekannter Weise über ein Einlassventil mit einer Niederdruck-Kraftstoffpassage und über ein Auslassventil mit einer Hochdruck-Kraftstoffpassage in Verbindung steht. Bei einer Bewegung des Kolbens 12 nach oben ("Pumphub") wird der im Arbeitsraum befindliche Kraftstoff über das Auslassventil in eine Hochdruck-Kraftstoffpassage gefördert, wohingegen bei der entgegengesetzten Kolbenbewegung ("Ansaughub") neuer Kraftstoff aus der Niederdruck-Kraftstoffpassage in den Arbeitsraum gefördert wird.

Die in 1 eingezeichnete Pumpelementachse 16 verläuft durch das Zentrum des (hier: kreisförmigen) Pumpelementquerschnitts.

Im Pumpenbetrieb wird der Pumpkolben 12 durch einen mit diesem verbundenen und ebenfalls in Richtung der Pumpelementachse 16 geführten Kreuzkopf angetrieben, von welchem in 1 lediglich ein Kreuzkopfbolzen 20 symbolisiert ist.

Der Kreuzkopfbolzen 20 bzw. eine durch diesen definierte Kreuzkopfbolzenachse bildet eine Anlenkungsstelle, an welcher ein oberes Ende einer Pleuelstange 22 gelenkig mit dem Kreuzkopf verbunden ist.

Das untere Ende der Pleuelstange 22 ist um eine Anlenkungsachse 24 herum schwenkbar an einem Exzenterabschnitt einer um eine Exzenterdrehachse 28 drehantreibbaren Exzenterwelle angelenkt.

Die Exzenterwelle mit dem Exzenterabschnitt, die diesen Abschnitt mit dem Kreuzkopf verbindende Pleuelstange 22 sowie der Kreuzkopf selbst bilden somit einen Kurbeltrieb, der bei einer Drehung der Exzenterwelle um die Drehachse 28 diese Drehbewegung in die Hin- und Herbewegung 14 des Kolbens 12 wandelt.

Bei der Drehung der Exzenterwelle um die bezüglich des Pumpengehäuses feststehende Drehachse 28 vollführt die Anlenkungsachse 24 eine Kreisbewegung entlang eines in 1 eingezeichneten Kurbelkreises 30. In 1 sind ferner orthogonal zur Drehachse 28 verlaufende Koordinatenachsen x (parallel zur Pumpelementachse 16) und y (orthogonal zur Pumpelementachse 16) eingezeichnet. In diesem Koordinatensystem ergeben sich die Koordinaten der Anlenkungsachse 24 als x = –r cos(phi) und y = r sin(phi), wobei r den Abstand der Pleuelanlenkungsachse 24 von der Exzenterdrehachse 28 ("Kurbelradius") und phi den in 1 ebenfalls eingezeichneten Winkel der Anlenkungsachse 24 entlang des Kurbelkreises 30 ("Kurbelwinkel") bezeichnen.

Eine Besonderheit des Kurbeltriebs besteht darin, dass eine orthogonal zur Drehachse 28 verlaufende, also in der Zeichenebene von 1 verlaufende Verbindungslinie 32 zwischen der Drehachse 28 und dem die obere Pleuelanlenkungsstelle bildenden Kreuzkopfbolzen 20 bezüglich der Pumpelementachse 16 schräggestellt ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Schrägstellung dadurch realisiert, dass der Kreuzkopfbolzen 20 in y-Richtung gegenüber der Pumpelementachse 16 versetzt angeordnet bzw. "deachsiert" ist und die Drehachse 28 der Exzenterwelle in entgegengesetzter Richtung (negative y-Richtung) bezüglich der Pumpelementachse 16 versetzt angeordnet ist.

In 1 ist der Versatz (Deachsierung) des Kreuzkopfbolzens 20 mit d1 und der Versatz der Exzenterwellenachse 28 mit d2 bezeichnet.

Im dargestellten Beispiel ist der Versatz d2 etwa so groß wie der Versatz d1. Ganz allgemein hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Verhältnis d1/d2 im Bereich von 0,5 bis 1,5 liegt (weiter bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,0).

Unabhängig davon ist es günstig, wenn die "bezogene Exzentrität", definiert als das Verhältnis zwischen dem "Gesamtversatz" (zwischen dem Kreuzkopfbolzen 20 und der Drehachse 28) d1 + d2 und der Pleuellänge l, im Bereich von 0,01 bis 0,1 liegt (weiter bevorzugt im Bereich von 0,02 bis 0,08). Dies insbesondere für Kurbeltriebe, bei denen das Verhältnis zwischen Kurbelradius r und Pleuellänge l im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt.

2 zeigt eine konkrete Realisierung des Versatzes d1. Aus dieser detaillierteren Darstellung geht die gegenseitige Lage des Kreuzkopfbolzens 20, des Kreuzkopfes 18 und des Pumpkolbens 12 deutlicher hervor.

Der mit dem Pumpkolben 12 verbundene Kreuzkopf 18 kann z. B. eine zylindrische Umfangsfläche aufweisen, mittels welcher der Kreuzkopf 18 gleitbeweglich koaxial zum Pumpkolben 12 in einer Gehäuselaufbuchse geführt ist. Abweichend davon könnte die Führung des Kreuzkopfes 18 in Richtung der Pumpelementachse 16 selbstverständlich auch in anderer Weise vorgesehen sein, etwa durch in dieser Richtung im Pumpengehäuse verlaufende Führungsnuten, in welche entsprechende Führungsabschnitte des Kreuzkopfes 18 eingreifen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 wird die Schrägstellung der Verbindungslinie 32 zwischen Exzenterwellendrehachse 28 und oberer Pleuelanlenkungsstelle 20 bezüglich der Pumpelementachse 16 zum Zwecke einer Verringerung des im Pumpenbetrieb sich ergebenden Verschleißes genutzt. Dieser vorteilhafte Effekt im Vergleich zur herkömmlichen Anordnung (ohne Schrägstellung) wird nachfolgend anhand des Diagramms von 3 näher erläutert.

3 ist eine Auftragung der auf den Kreuzkopfbolzen 20 wirkenden Querkraft Fy in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel phi während des "Pumphubs", bei welchem also der Pumpkolben 12 ausgehend von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt bewegt wird.

Die durch das vom Kolben 12 zu verdrängende Fluid auf den Kolben einwirkende Kolbenkraft (in negativer x-Richtung) sei beispielhaft zu 8,5 kN angenommen. Die sich sodann in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel phi ergebende Querkraft Fy wurde unter Berücksichtigung beispielhafter Werte für den Kurbelradius r (3 mm) und die Pleuellänge l (38 mm) anhand einer einfachen trigonometrischen Berechnung ermittelt.

Ein Querkraftverlauf Fy(phi), der sich im herkömmlichen Fall, d. h. ohne Versatz (d1 = d2 = 0) ergeben würde, ist in der Figur als Querkraftverlauf 40 (dünne Linie) eingezeichnet.

Zu Beginn des Pumphubs (phi = 0°) verläuft das Pleuel in x-Richtung, so dass durch die in negativer x-Richtung auf den Pumpkolben 12 wirkende Kolbenkraft keine Querkraftkomponente erzeugt wird. Im weiteren Verlauf des Pumphubs steht das Pleuel zunehmend schräg bezüglich der x-Richtung, so dass eine betragsmäßig zunehmende Querkraft Fy entsteht, die in negativer y-Richtung orientiert ist und bei phi = 90° ein Maximum von etwa 0,7 kN erreicht. In der zweiten Hälfte des Pumphubs verringert sich der Winkel zwischen der Pleuelerstreckung und der x-Richtung wieder, so dass die Querkraft Fy betragsmäßig wieder abnimmt und bei phi = 180° wieder den Wert 0 annimmt. Zusammenfassend ergibt sich im herkömmlichen Fall betragsmäßig eine maximale Querkraft von etwa 0,7 kN und eine mittlere Querkraft von etwa 0,4 kN.

Für den erfindungsgemäßen Fall der in 1 veranschaulichten Schrägstellung der Verbindungslinie zischen der Drehachse 28 und dem Kreuzkopfbolzen 20, beispielhaft mit d1 + d2 = 1,6 mm angenommen, ergibt sich für die Querkraft Fy der in 3 zum Vergleich eingezeichnete Querkraftverlauf 42 (dicke Linie). Zu Beginn des Pumphubs (phi ungefähr 0°) steht das Pleuel geringfügig derart schräg zur x-Richtung, dass sich eine Querkraft Fy in positiver y-Richtung von etwa 0,4 kN ergibt. Im weiteren Verlauf des Pumphubs verringert sich der Winkel zwischen dem Pleuel und der x-Richtung zunehmend, wird bei einem Kurbelwinkel phi von etwa 30° zu 0 und wechselt dann das Vorzeichen. Bei einem Kurbelwinkel von etwa 90° ergibt sich wieder ein lokales Maximum der (betragsmäßigen) Querkraft Fy von etwa 0,3 kN. In der zweiten Hälfte des Pumphubs nimmt die Querkraft Fy wieder ab, wird bei einem Kurbelwinkel phi von etwa 150° wieder 0 und steigt dann mit umgekehrtem Vorzeichen im letzten Viertel des Pumphubs wieder auf einen Wert von etwa 0,4 kN an. Zusammenfassend ergibt sich im erfindungsgemäßen Fall betragsmäßig eine maximale Querkraft von etwa 0,4 kN und eine mittlere Querkraft von etwa 0,2 kN.

Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Schrägstellung der Verbindungslinie 32 zwischen Exzenterdrehachse 28 und oberer Pleuelanlenkungsstelle 20 wird somit die Querkraftbelastung am Antriebsorgan (Kreuzkopf) während des Pumphubs verringert, was wiederum einen verringerten Verschleiß und eine erhöhte Lebensdauer der Pumpe mit sich bringt.

In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, dass bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Winkel des Pleuels gegenüber der Pumpelementachse (x-Richtung) im Ansaughub zwar sowohl im Mittel als auch hinsichtlich des Maximums größere Werte annimmt. Dies ist jedoch hinsichtlich der resultierenden Querkraft Fy in der Praxis nicht relevant, da die in x-Richtung während des Ansaughubs auf den Pumpkolben wirkende Kolbenkraft zumeist wesentlich (etwa um einen Faktor 10² bis 10³) geringer als die entsprechende Kolbenkraft im Pumphub ist. Mit anderen Worten kommt es in der Praxis im Wesentlichen lediglich darauf an, die Querkraftbelastung während des Pumphubs zu verringern, was durch die erfindungsgemäße Schrägstellung der Verbindungslinie 32 zwischen Drehachse 28 und oberer Anlenkungsstelle 20 sehr effektiv gelingt. Die damit verbundene Erhöhung der Querkraftbelastung während des Ansaughubs kann in Kauf genommen werden.

Die bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel angegebenen Zahlenwerte sind selbstverständlich lediglich beispielhaft zu verstehen und können in der Praxis weitreichend modifiziert werden.

Was die im Ausführungsbeispiel veranschaulichte Querkraftverringerung im Pumphub anbelangt, so ist es ganz allgemein bevorzugt, wenn der Kurbeltrieb derart ausgebildet ist, dass die (für eine konstante Kolbenkraft in x-Richtung berechnete) Querkraft Fy während des Pumphubs zwei Mal das Vorzeichen wechselt und insbesondere für beide Querkraftrichtungen betragsmäßig wenigstens annähernd gleiche Maximalkräfte resultieren. Bevorzugt liegt z. B. der Wert einer der beiden Maximalkräfte innerhalb eines +/-20%-Intervalls (weiter bevorzugt +/-10%-Intervall) um den Wert der anderen Maximalkraft.