Titel

Nockentrieb bei einem Verbrennungsmotor sowie eine hierüber angetriebene Hochdruckpumpe

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockentrieb bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, bestehend aus einer Antriebswelle mit mindestens einem ortsfest hierauf angeordneten Nocken, durch dessen Nockenprofil eine aus unterschiedlichen mathematischen Funktionen zusammengesetzte und zumindest teilsweise sinusförmige Beschleunigungsverläufe umfassende Nockenbahn gebildet ist, die mit mindestens einem Stößel zur Erzeugung einer translatorisch oszillierenden Antriebsbewegung zusammenwirkt.

Stand der Technik

Nockentriebe der hier interessierenden Art werden im Kraftfahrzeugbau vornehmlich im Rahmen von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen angewendet. Bei einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird der Kraftstoff, meist Dieselkraftstoff, auf Drücke von bis zu 2000bar komprimiert, um diesen unter Hochdruck einer effizienten Verbrennung zur Verfügung zu stellen. Der Hochdruck wird dabei von speziellen Hochdruckpumpen erzeugt, welche insbesondere im Rahmen einer sogenannten Common-Rail-Einspritzung eingesetzt werden. Hierbei füllt der unter Hochdruck stehende Kraftstoff ein Rohrleitungssystem, das beim Motorbetrieb ständig unter Druck steht. Für derartige Hochdruckpumpen werden gewöhnlich entweder Exzenterantriebe oder die hier interessierenden Nockentriebe verwendet.

Die DE 10 2004 01 1 284 A1 offenbart eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors. Die Hochdruckpumpe weist ein mehrteili- ges Gehäuse auf, in dem eine durch den Verbrennungsmotor rotierend angetriebene Antriebswelle angeordnet ist. Die Antriebswelle besitzt wenigstens einen Nocken, dessen Nockenprofil einen Stößel antreibt, der die Funktion eines Pumpenkolbens ausführt. Der Pumpenkolben ist in einem im Gehäuse ausgebildeten Zylinder verschiebbar geführt und begrenzt mit seiner der Antriebswelle abgewandten Stirnseite einen Pum- penarbeitsraum. Der Pumpenarbeitsraum weist über einen im Gehäuse verlaufenden

Kraftstoffzulaufkanal eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf mit Einlassventil auf. Weiterhin ist am Pumpenarbeitsraum ein Kraftstoffablaufkanal auslassseitig angeordnet, der mit einem Hochdruckspeicher in Verbindung steht. An dieser Stelle ist ein Auslassventil vorgesehen. Der als Pumpenkolben dienende Stößel stützt sich direkt mit ei- nem aus dem Zylinder in Richtung Nockenwelle hinausragenden Kolbenfuss an der

Nockenbahn ab. Im Kontaktbereich ist eine Rollenschuhanordnung zwecks Reibungs- minimierung vorgesehen.

Das Nockenprofil ist bei diesem Stand der Technik als Doppelnocken ausgeführt, so dass bei einer Umdrehung der Antriebswelle zwei Kolbenhübe des Stößels erzeugt werden. Die Formgebung des Nockenprofils richtet sich bei einem Nockentrieb gewöhnlich nach dem gewünschten Stößelhubverlauf über den Drehwinkel der Antriebswelle.

Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik werden Nockenprofile üblicherweise abschnittsweise zusammengesetzt, um für die verschiedenen Bewegungsphasen bei Förder- und Saughub die gewünschten Beschleunigungsverläufe zu erzielen. Eine Randbedingung für diese abschnittsweise Auslegung ist beispielsweise durch maximale Beschleunigung gesetzt, die an den vom Nocken betätigten Maschinenele- menten auftreten dürfen. Eine weitere Randbedingung kann die gewünschte Förder- charakterisik darstellen. Weil abschnittsweise in Umfangrichtung des Nockens unterschiedliche Randbedingungen gelten, wird die Nockenform auch abschnittsweise in Umfangsrichtung zusammengesetzt.

Bei dieser abschnittsweisen Synthese ist es jedoch schwierig zu berücksichtigen, dass der Nocken die betätigten Elemente nicht mit einem bestimmten Vielfachen seiner Umdrehungsfrequenz zu Schwingungen anregen darf. Diese schwingungserregende Eigenschaft eines Nockens ist keine Eigenschaft, die sich einem Einzelabschnitt auf seinem Umfang zuordnen lässt. Die schwingungserregende Eigenschaft lässt sich jedoch beurteilen, wenn der Nocken bei den von ihm angetriebenen Elementen, als Fourier- summe - also der Summe aus Sinusschwingungen verschiedener Ordnung - wie folgt dargestellt wird:

s = A ₀ + A ₁ ^* sin(1 α+α ₁ ) + A ₂ ^* sin(2α+α ₂ ) + ... + A _n ^* sin(nα+α _n ),

Darin sind:

s Hub α Drehwinkel des Nockens in Umfangsrichtung α _n Phasenlage der Schwingung der Ordnung n n die Ordnung der Schwingung

A _n die Amplituden der einzelnen Ordnungen

Der Nocken regt die von ihm betätigten Elemente mit dem n-Vielfachen seiner Umdre- hungsfrequenz an. Dies ist naturgemäß insbesondere dann der Fall, wenn ein n-

Vielfaches der Umdrehungsfrequenz eine Eigenschaft eines betätigten Elements trifft und es zur Resonanz kommt. Maßgeblich dafür, ob dieser nachteilige Fall eintritt, ist der Betrag der Amplitude A _n der zu den eigenschwingungsanregenden Ordnungen n gehört.

Nachteilig bei bekannten Nockenantrieben mit abschnittsweise zusammengesetzten Profil ist, dass diese nicht auf die kritischen Amplituden A _n hin optimiert werden können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Nockentrieb mit einem Nockenprofil zu schaffen, mit dem Resonanzerscheinungen durch einfache technische Maßnahmen wirkungsvoll unterdrückbar sind.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Nockentrieb gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Nockenprofil des Nockens aus einer solchen Summe von Sinusfunktionen zusammengesetzt ist, deren jeweilige Einzelamplituden A _n (der Ordnung n) an das Drehzahlband der Antriebswelle so ange- passt sind, dass durch den Nocken angetriebene Elemente nur außerhalb ihrer Eigenfrequenz erregt werden.

Mit anderen Worten werden erfindungsgemäß die Nockenprofile so ausgelegt, dass die zu den Ordnungen n gehörenden Amplituden A _n hinreichend klein sind, um die Schwingungserregung der betätigten Elemente bei bestimmten n-Vielfachen der Umdrehungsfrequenz zu minimieren. Damit wird die der Erfindung zu Grunde liegende Problemstellung direkt an der Ursache bekämpft.

Erfindungsgemäß ist das Nockenprofil anhand eines Drehzahlbandes zwischen einer minimalen und einer maximalen Drehzahl der Antriebswelle ausgelegt. Vorzugsweise lässt sich die erfindungsgemäße Lösung bei einem Nockenprofil in Form eines genau zwei Hübe pro Umdrehung der Antriebswelle erzeugenden Doppelnockens abwenden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Lösung für 1 -fach, 3-fach oder andere n-fach ausgebildete Nockenprofile angewendet wird, wobei die Periode entsprechend anzupassen ist.

Ein für die Vermeidung von Schwingungserregung vorteilhaftes Nockenprofil ergibt sich beispielsweise, wenn die Amplituden der Hubcharakteristik A _n ab der Ordnung n ≥ 4 besonders klein sind, nämlich A ₄ < 4% ₀ ; A ₅ < 1%o vom Maximalhub. Die Amplituden ab der 6. Ordnung sind gewöhnlich « 1%o.

Bestimmte Oberschwingungen, d.h. bestimmte Vielfache der anregenden Frequenz der Antriebswelle, werden nicht angeregt und eine größere Variabilität des Nockenprofils gegenüber einem reinen Sinusnocken der ersten Ordnung wird erzielt.

Der Hubwegverlauf des Stößels, der sich durch ein nach Art eines Doppelnockens ausgebildetes Nockenprofil ergibt, wird durch die folgende mathematische Funktion gebildet:

s = A ₀ + A ₁ ^* sin(1 α + σi) + A ₂ ^* sin(2α + α ₂ ) + ... + A _n ^* sin(nα + α _n )

,wobei die verwendeten Formelzeichen analog zu der vorstehend angegebenen Glei- chung sind. Diese spezielle mathematische Funktion, nach welcher die Formgebung des Nockenprofils erfolgt, bietet den Vorteil, dass das Nockenprofil in bestimmten Bereichen - vorzugsweise im oberen und unteren Totpunkt - den Anforderungen an eine harmonische Formgebung besser angepasst werden kann, als dies bei einer einfachen Sinusform gemäß der eingangs genannten mathematischen Funktion möglich wäre. Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung äußert sich darin, dass bestimmte schädigende Oberschwingungen eben nicht angeregt werden, dass das Abhebeverhalten des Stößels verbessert wird, und dass die Beschleunigungsänderungen pro Winkelintervall deutlich kleiner ausfallen als beim Stand der Technik.

Ein besonders harmonisches Nockenprofil ergibt sich, wenn die Anzahl n der Summanden der vorstehend aufgeführten mathematischen Funktion im Bereich zwischen 3 und 10 liegt, vorzugsweise maximal 5 beträgt, ganz vorzugsweise maximal 4 und besonders vorzugsweise maximal 3. Mit jedem Summand kommt ein Vielfaches der Frequenz hinzu. Es sollen zur Bildung eines harmonischen Nockenprofils die Summanden berücksichtigt werden, mit denen eine gefährdende Schwingung vermieden wird.

Insbesondere bei der Anwendung als Hochdruckpumpe sollte der Betrag der Amplituden 4. Ordnung und 5. Ordnung A ₄ < 4%o bzw. A ₅ < 1 %o vom Maximalhub betragen.

Ein Nockenantrieb, dessen Nockenprofil nach der vorgenannten speziellen mathematischen Funktion ausgebildet ist, umfasst vorzugsweise auch eine Druckfeder, mit welcher der Stößel gegen die Nockenbahn des Nockens gepresst wird. Die Druckfeder kann dabei als Schraubenfeder aus Stahl ausgeführt sein und zwischen einem Getriebegehäuse des Nockentriebs und der den Nocken zugewandten Ende des Stößels wir- ken. Der Stößel wirkt dabei vorzugsweise indirekt über eine Rollenschuhanordnung oder dergleichen als Kopplungsmittel mit dem Nocken zusammen. Neben diesen Kopplungsmitteln ist es jedoch auch denkbar, andere geeignete reibungsminimierende Kopplungsmittel einzusetzen.

Ausführungsbeispiele anhand Figurenbeschreibung

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Figur 1 einen Längsschnitt einer Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzung,

Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines Nockentriebs bei der Hochdruckpumpe nach Figur 1 , und

Figur 3 ein Hub-Winkel-Diagramm mit harmonischer Zerlegung des Hubweges des Doppelnockens nach Figur 2 bei einer halben Umdrehung.

Gemäß Figur 1 weist die Hochdruckpumpe ein mehrteiliges Pumpengehäuse 1 auf, in dem eine durch einen - hier nicht weiter dargestellten - Verbrennungsmotor eines

Kraftfahrzeuges eines rotierend angetriebene Antriebswelle 2 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 2 weist zwischen endseitigen Gleitlagerstellen einen Nocken 3 mit einem Nockenprofil 4 auf, welches hier in Form eines Doppelnockens ausgebildet ist. Über eine Nockenbahn 5 des Nockenprofils 4 wird ein Stößel 6 in eine oszillierende Hubbe- wegung versetzt. Der Kontakt zwischen dem Stößel 6 und der Nockenbahn 5 wird über eine dazwischen angeordnete Rollenschuhanordnung 7 der Druckfeder 13 realisiert.

Der Stößel 6 ist mit einem ihn umgebenden, seitens des Pumpengehäuses 1 ausgebildeten Zylinder 8 gepaart. Durch die Bewegung des insoweit eine Kolbenfunktion aus- führenden Stößels 6 innerhalb des Zylinders 8 gelangt während einer Einlaufphase über einen Kraftstoffzulaufkanal 9 Kraftstoff in einem Hochdruckraum 10 und wird während der anschließenden Förderphase komprimiert, um das Pumpengehäuse 1 über einen hieran ausgebildeten Kraftstoffablaufkanal 1 1 zu verlassen. Damit der Kraftstoff nach der Förderphase nicht vom nachgeordneten RaN in den Hochdruckraum zurück- fließt, ist ein Federrückschlagventil 12 vorgesehen.

Wie in Figur 2 illustriert ist das Nockenprofil 4 des Nockens 3 in Form eines genau zwei Hübe pro Umdrehung der Antriebswelle erzeugenden Doppelnocken ausgebildet. Das Nockenprofil 4 des Nockens 3 ist dabei aus einer solchen Summe von Sinusfunktionen zusammengesetzt, die bei jeweils variabler Amplitude maximal nur eine Ordnung aufweist, die an die maximale Drehzahl der den Nocken 3 in Drehbewegung versetzenden Antriebswelle 2 angepasst ist. Hierdurch werden durch die Bewegung des Nockens 3 bestimmte Oberschwingungen nicht erzeugt, welche beispielsweise der Eigenfrequenz einer den Stößel 6 gegen den Nocken 3 anpressenden Druckfeder 13 entsprechen, so dass unter anderem das Abhebeverhalten des Stößels 6 durch die spezielle Formgebung verbessert wird.

Die Figur 3 zeigt den bei einer halben Umdrehung des Doppelnockens auftreten- den Hubverlauf s, wobei Graph I den Hub und die Graphen III bis IV den Verlauf bezüglich der ersten Ordnung bis zur dritten Ordnung darstellt. Der Graph I ist bei dieser harmonischen Zerlegung die Summe der übrigen Graphen Il bis IV. Der die 0. Ordnung darstellende Graph Il ist ein konstanter Offset. Die Graphen III und IV der nachfolgenden Ordnungen unterscheiden sich in der Amplitude so- wie der Frequenz gemäß der vorstehend angegebenen erfindungsgegenständlichen mathematischen Funktion.