CN110945238A - 活塞泵、尤其用于内燃机的燃料高压泵 - Google Patents

活塞泵、尤其用于内燃机的燃料高压泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种活塞泵(16)，尤其是用于内燃机的燃料高压泵，具有泵壳体(26)、泵活塞(28)和至少由所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)限界的输送室(38)。本发明提出，优选在所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)之间布置有用于密封所述输送室(38)的密封件(44)和用于对所述泵活塞(28)导向的单独的导向元件(46)，其中，所述密封件(44)构造为金属套筒，其优选具有径向向外伸出的接片(45)。

Description

活塞泵、尤其用于内燃机的燃料高压泵
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的活塞泵，尤其是用于内燃机的燃料高压泵。
背景技术
由现有技术已知活塞泵，所述活塞泵例如使用在具有汽油直接喷射装置的内燃机中。这种活塞泵在泵缸体和泵活塞之间具有间隙密封件。泵缸体和泵活塞典型地由不锈钢制造。这样的间隙密封件在制造和装配泵缸体和泵活塞时要求高精度，由此产生高成本。始终存在的间隙尤其在低转速时导致次优的容积效率，所述间隙的尺寸例如由于所使用材料的热膨胀系数而不能任意地减小。
发明内容
本发明具有这样的任务：实现一种活塞泵，该活塞泵即使在低转速时也具有足够的容积效率、具有小的结构尺寸并且能够廉价地制造。
该任务通过具有权利要求1特征的活塞泵来解决。在从属权利要求中给出本发明的有利扩展方案。此外，在下面的说明和附图中得到对于本发明重要的特征。
根据本发明的活塞泵具有泵壳体、泵活塞和至少也由泵壳体和泵活塞限界的输送室。根据本发明提出，在泵活塞和泵壳体之间布置有用于密封输送室的密封件和用于对泵活塞导向的单独的导向元件，其中，所述密封件构造为具有径向向外伸出的接片的金属套筒。
这样的活塞泵可以较简单地制造，由此降低了构件成本。这与以下方式相关：间隙密封件和所述活塞泵的费事地待制造的泵缸体被具有密封件和至少一个导向件的密封组件代替。通过将密封件构造为具有接片的金属套筒实现对输送室的有利密封，使得尤其在低转速时改善容积效率。通过新的密封组件可以实现活塞泵的较小的总结构尺寸。导向和密封功能通过分开的构件，即通过导向元件和密封件(具有接片的金属套筒)实现。
泵活塞可以被接收在壳体中的槽口中并且在所述槽口中来回运动。所述槽口的内壁(周壁)可以构成泵活塞的工作面的至少一个区段。所述槽口可以构造为孔，尤其构造为阶梯孔。
具体地，(第一)导向元件可以构造为环形(导向环)。该导向元件可以布置在密封件的面向输送室的一侧上。在此，导向元件可以朝向泵活塞具有径向间隙(导向间隙)，该径向间隙可以如此小，使得导向元件用作对密封件的气蚀保护结构。导向间隙可以实施得足够小，使得蒸汽气泡不能到达密封件。因此降低了密封件损坏的危险。
密封件构造为金属套筒，该金属套筒优选具有径向向外伸出的接片，使得密封件具有尤其是L形的横截面轮廓。因此，密封件具有套筒区段和接片区段。密封件基于槽形环密封件，但在设计上经过优化并且具有径向接片。密封件尤其是高压密封件，该高压密封件将高压区域(输送室)相对于低压区域(在密封件的背离输送室的一侧上的区域)密封。
通过接片可以将密封件在径向方向上对中在活塞泵(槽口)中。以这种方式，密封件可以被安装在泵壳体中的固定位置上。金属套筒的壁厚取决于系统压力并且被相应地设计。壁厚例如可以为0.05mm-1.0mm(毫米)。
在一个优选构型的范畴内，可以设置另一导向元件，所述另一导向元件布置在活塞泵的密封件载体中。借此实现到(第一)导向元件的较大的轴承间距。因此优化了泵活塞的导向。所述另一导向元件可以构造为环形(导向环)。
以有利的方式，在泵壳体和泵活塞之间可以布置有用于密封件的固定环。该固定环尤其布置在密封件的背离输送室的一侧上。固定环构成用于密封件的座。借此，密封件被保险以防轴向移位，尤其从输送室离开。固定环可以固定，例如旋入、粘接或压入到接收泵活塞的槽口上。尤其，固定环和密封件可以这样地构造，使得在密封件贴靠在固定环上时形成静态密封部位。为了能够在径向方向上实现活塞和密封件之间的定位，有利的是，密封件具有例如0.01mm-1mm(毫米)的轴向间隙。因此，所述密封件可以是既不在轴向上也不在径向上固定的“浮动密封件”。因此，密封件可以优化地在轴向上相对于泵活塞定位。
在一个优选构型的范畴内，导向元件和固定环可以合并地构造成一个构件，即尤其一体地构造。然后，合并的构件可以承担导向和固定的功能。由此可以减少待制造和待装配的元件的数量。这有利于成本低地实施活塞泵。所述合并的构件和密封件可以在轴向上彼此重叠。因此，所述合并的构件的区段可以在径向上布置在泵活塞和泵壳体之间。
以符合目的的方式，密封件的接片可以在其径向的外边缘上相对于接收泵活塞的槽口的周壁具有例如0.01mm-1mm的径向间隙。换言之，接片具有比接收泵活塞的槽口(孔)的在接片所在的部位处的内径略微更小的外径。或还更一般地表述为：密封件能够相对于泵壳体径向地运动。所述间隙或者说径向可运动性意味着，密封件的径向位置可以精确地调整到泵活塞的位置上。因此可以得到相对于泵活塞均匀且对称的间隙(“浮动密封件”)。
在泵活塞的每个抽吸阶段中(泵活塞从输送室运动离开)都存在密封件重新定向的可能性。在输送阶段中(泵活塞朝向输送室运动、压缩并且输送燃料)，在密封件上方(面向输送室)以及径向地在密封件外形成输送压力。该输送压力作用到密封件的端侧上以及密封件的接片上，并且引起密封件在轴向方向(泵活塞的轴向方向)上承受力，该力将密封件压到固定环上。在该阶段期间，密封件由于轴向力而不能或仅能不明显地在径向方向上运动。由于该轴向力产生将密封件压到固定环上的挤压力。在这两个面(密封件和固定环)之间形成静态密封部位。由此防止燃料从输送室逸出并且因此降低容积效率。
优选地，在泵活塞和泵壳体之间可以布置有弹簧元件，该弹簧元件将密封件压抵固定环。由此保证，密封件总是贴靠在密封件和固定环之间的静态密封部位上。所述弹簧可以是压缩弹簧。该压缩弹簧可以构造为螺旋弹簧或波形弹簧。
对此替代地，密封件可以具有至少一个弹簧元件，所述弹簧元件与密封件连接并且将密封件压抵固定环。借此也可以保证，密封件贴靠在静态密封部位上。具体地，所述弹簧元件可以与密封件一体地构造。这减少了待制造和待装配的部件的数量。所述弹簧元件可以从密封件的套筒区段或接片区段出发延伸。所述弹簧元件可以构造为弹簧臂。
密封件可以是压力激活的密封件。这意味着，导向元件和泵活塞之间的小间隙足以在输送室中并且因此也在径向的外环边缘(密封件的背面)上产生初始压力。由于作用到密封件上的背侧压力，密封件变形并且由此在(套筒区段)内置的环边缘上减小相对于泵活塞的间隙。由于密封间隙变小，可以在输送室中并且因此也在密封件的背侧上形成更大的压力，使得密封件由于更大的压力而更强地变形，并且相对于泵活塞的间隙进一步减小。这是一种自增强效应，该效应一直持续到达到系统压力为止。
密封件几何形状可以这样地设计，使得在达到系统压力时或者调整出例如0.001mm至0.1mm的非常小的间隙，或者密封件直接贴靠在泵活塞上并且(密封件和泵活塞的)密封面相触碰。在系统压力下是仍然存在间隙还是密封件与活塞具有直接接触，取决于具体要求(容积效率、在使用寿命期间的磨损等)。通过压力激活可以达到非常高的系统压力，因为系统压力越高，则密封件越来越强地变形并且因此密封间隙越来越小。
由原理决定地，密封件是低磨损的，因为摩擦学上的接触仅发生在输送阶段中(在密封件的压力激活期间)。这相当于活塞泵的工作时间的一半。在抽吸阶段中(在此期间不发生压力激活)，密封件尤其被燃料冲洗。因此，起润滑剂作用的新的燃料始终被带到密封间隙中。通过密封件的压力激活能够补偿磨损。在密封件的密封面磨损的情况下，密封件由于压力激活而规则地朝在基本设计中所设计的间隙变形或者贴靠在泵活塞上。
在一个优选构型的范畴内，在密封件的外周面和泵壳体之间可以布置有O形环。O形环具有径向密封作用。通过O形环补充所述静态密封部位，并且改善密封作用。O形环尤其位于密封件的接片上，具体而言在接片的面向输送室的一侧上。
以有利的方式，密封件可以这样地布置，使得接片放置在固定环上。因此，在密封件的接片和固定环的在其上放置有接片的放置面之间可以形成静态密封部位。由此能够以简单的结构方式尤其如上面所说明的那样实现压力激活的密封。
对此替代地，固定环可以具有轴向伸出的环圈，接片可放置在该环圈上，并且密封件的套筒区段和环圈可以在轴向上彼此重叠。因此，在密封件的接片和固定环的环圈之间形成静态密封部位。然而，该密封部不是压力激活的，因为在该密封部后面(在密封件的径向外环边缘上)不作用有高的系统压力。因为没有实现压力激活，所以密封件材料和/或几何形状可以这样地设计，使得在作用有系统压力时，密封件不发生或仅发生小的变形(膨胀)。
这可以通过密封件(套筒区段)的尺寸设计得足够大的壁厚来实现，其中，所述壁厚可以为0.25mm-2mm。密封件可以相对于活塞具有过盈尺寸(压配合)、间隙尺寸(间隙)或过渡配合。对于低摩擦和低磨损而言，密封件的具有朝向泵活塞的径向间隙的构型是有利的，尤其具有0.001-0.1mm的间隙。活塞的导向和密封件的固定在很大程度上与之前所说明的压力激活的变型相同地构造。无压力激活的密封方案的优点在于，当密封件设计为相对于活塞具有间隙尺寸(间隙)时，在任何运行点中密封件和活塞之间都不出现固体接触，因为作用在动态密封部位中的系统压力始终迫使密封件扩张。由此，在使用寿命期间在密封件或活塞上不产生磨损。
在无压力激活的密封件中也可以设置至少一个单独的弹簧元件或布置在密封件上的弹簧元件，以便保证密封件贴靠在静态密封部位上。此外，该结构还具有以下优点：在高压系统中不出现过压，因为在过压的情况下密封件还更强地扩张并且因此允许压力降。在有利设计地该效应的情况下能够实现，可以取消在内部安装在活塞泵中的限压阀或在外部安装在燃料系统中的限压阀。
在一个优选构型的范畴内，密封件可以由不锈钢构造。以便实现良好的耐腐蚀性。密封件优选由具有与泵活塞和壳体相同或类似的纵向膨胀系数的不锈钢制造。由此，密封件与泵活塞和泵壳体的热膨胀无关。
附图说明
在下面根据附图详细地阐述本发明，其中，相同或功能相同的元件可能仅一次地设有附图标记。附图示出了：
图1具有呈活塞泵形式的燃料高压泵的燃料系统的示意图；
图2图1的活塞泵的局部纵截面；
图3图1的活塞泵的泵活塞、密封件、导向元件、固定环和弹簧元件的放大视图；
图4图3的密封件的放大的剖视图；
图5图1的活塞泵的一个替代构型的局部纵截面；
图6图1的活塞泵的另一替代构型的局部纵截面；
图7具有连接的弹簧元件的图1的活塞泵的密封件的多个局部剖视图；
图8在一个替代构型中的具有连接的弹簧元件的图1的活塞泵的密封件的多个局部剖视图；
图9在一个替代构型中的具有连接的弹簧元件的图1的活塞泵的密封件的多个局部剖视图；和
图10在一个替代构型中的具有连接的弹簧元件的图1的活塞泵的密封件的多个局部剖视图。
具体实施方式
内燃机的燃料系统在图1中总体上带有附图标记10。该燃料系统包括燃料容器12，电的预输送泵14将燃料从所述燃料容器输送至构造为活塞泵16的燃料高压泵。该燃料高压泵将燃料进一步输送至燃料高压轨18，在所述燃料高压轨上连接有多个燃料喷射器20，所述燃料喷射器将燃料喷射到未示出的内燃机的燃烧室中。
活塞泵16包括入口阀22、出口阀24和泵壳体26。泵活塞28能够来回运动地被接收在所述泵壳体中。泵活塞28通过驱动装置30被置于运动中，其中，驱动装置30在图1中仅示意性地示出。驱动装置30例如可以是凸轮轴或偏心轴。入口阀22构造为流量控制阀，通过该流量控制阀可以调整由活塞泵16输送的燃料量。
活塞泵16的结构由图2更详细地得出，其中，下面仅提及重要部件。泵活塞28构造为阶梯式活塞，具有在图2中下方的挺杆区段32、衔接到该挺杆区段上的导向区段34和未详细示出的上方的端部区段。导向区段34具有比挺杆区段32和端部区段更大的直径。
泵活塞28的端部区段以及导向区段34与泵壳体26一起限界未详细示出的输送室38。泵壳体26可以构造为总体上旋转对称的零件。泵活塞28在泵壳体26中被接收在在那里存在的槽口40中，该槽口构造为阶梯孔42。孔42具有多个阶梯(三个阶梯42',42",42"'；参见图2和3)。
在泵活塞28的导向区段34和孔42的内周壁(阶梯42")之间布置有密封件44。该密封件直接在泵活塞28和泵壳体26之间密封，并且因此，将处于密封件44上方的输送室(高压区域)相对于图2中布置在泵活塞28下方的、尤其泵活塞28的挺杆区段32所在的区域(低压区域)密封。密封件44构造为具有径向向外伸出的接片45的金属套筒。密封件44具有L形横截面，该横截面具有套筒区段43和由接片45构成的区段(接片区段)。
在泵活塞28的导向区段34和孔42的内周壁之间(阶梯42')布置有与密封件44分离的导向元件46。导向元件46在轴向上尤其直接与密封件44相邻并且在图2中布置在密封件44上方(面向输送室)。导向元件46构造为环形(导向环)并且可以固定在阶梯42'上。
活塞泵16具有另一导向元件48，该导向元件布置在活塞泵16的密封件载体50中(参见图2)。导向元件46和另一导向元件48用于对泵活塞28导向。另一导向元件48构造为环形(导向环)并且可以固定在密封件载体50上。
活塞泵16在泵活塞28的导向区段34和孔42的内周壁(阶梯42”')之间具有用于密封件44的固定环52。密封件44放置在固定环52上，具体而言这样地放置，使得接片45放置在固定环52上。通过密封环44和固定环52的放置的接触面形成一个静态密封部位53(参见图3)。密封件44、导向元件46、另一导向元件48和固定环52构成密封组件。密封件44可以由不锈钢构成。
从密封件44径向伸出的接片45在其径向外边缘上相对于接收泵活塞28的槽口40的内周壁(阶梯42”)具有径向间隙54(参见图3)。由此，密封件44可以在径向方向上相对于泵活塞28定向。在泵活塞28和泵壳体26之间布置有弹簧元件56，该弹簧元件将密封件44压抵固定环52。弹簧元件56是构造为压缩弹簧的螺旋弹簧58。该螺旋弹簧可以在一端例如贴靠在导向元件46上，而在另一端贴靠在密封件44的接片45上。
在输送室38中占主导的压力61经由径向间隙60(导向间隙)到达密封件44，所述径向间隙如上面所说明的那样可以用作对密封件44的气蚀保护结构。该压力在那里以力F(箭头62)作用到密封件44的第一端侧64上(参见图4)。由此将密封件44压抵固定环52。此外，压力61也作用到密封件44的外周面66上，使得密封件44由于在那里作用的力F(箭头68)而经受变形70。因此，在泵活塞28、尤其在导向区段34和密封件44(在径向上内置的环边缘72)之间形成动态密封部位。可选地，在密封件44的外周面66和泵壳体26之间(阶梯42”)可以布置有O形环74。O形环74可以放置在接片45上。O形环74具有径向密封作用并且辅助静态密封部位53。密封件44的第二端侧带有附图标记65。
图5示出图2的活塞泵16的一个替代构型。该构型在很大程度上相应于前面所说明的活塞泵16，其中，相同或功能相同的元件设有相同的附图标记。
根据图5，固定环52具有轴向(在泵活塞28的轴向方向上)伸出的环圈76，该环圈伸入到槽口40中。密封件44这样地布置，使得接片45放置在环圈76上。密封件44的套筒区段43和环圈76在轴向上彼此重叠。环圈76在径向上布置在套筒区段43和槽口40的内周壁(阶梯42”)之间。密封件44在套筒区段43和接片区段45上构造有更大的壁厚。在接片45和环圈76之间形成静态密封部位53。弹簧元件56构造为呈波形弹簧78形式的压缩弹簧。
密封件44的径向内置的环边缘72相对于泵活塞28、尤其相对于泵活塞28的导向区段34具有间隙80。因此，在活塞泵16不运行的状态下，密封件44和泵活塞28之间不发生接触，因为从输送室38到达动态密封部位82的压力如下作用到密封件44上，使得该密封件经受变形84并且扩张。由此在使用寿命期间在密封件44或泵活塞28上不产生磨损。
图6示出图2的活塞泵16的另一替代构型。该构型在很大程度上相应于前面对图1至4所说明的活塞泵16，其中，相同或功能相同的元件设有相同的附图标记。
在当前构型中，第一导向元件46和固定环52合并为一个构件95(一体式构型)。构件95承担导向和固定功能。合并的构件95和密封件44在轴向(泵活塞28的轴向方向)上彼此重叠。因此，合并的构件95的重叠区段93在径向上布置在泵活塞28(导向区段34)和泵壳体26(孔42的周壁42')之间。
可以在构件95的下方区段97上进行导向。例如可以借助压配合、楔紧或从构件95径向向外突出的突出部99在构件95的下方区段97或重叠区段93中实现将构件95固定在孔42中。
图7至图10示出密封件44的构型可能性，在所述构型可能性中，密封件44本身具有至少一个弹簧元件56(一体式构型)。可以省去单独的弹簧元件。由此简化了活塞泵16的制造和装配。这样的具有在其上构造有弹簧元件56的密封件44不但可以使用在根据图2的活塞泵16中，而且可以使用在根据图5或图6的活塞泵16中。
图7示出密封件44，该密封件具有三个构造为弹簧臂86的弹簧元件56。弹簧臂86从密封件44的接片区段45出发延伸。弹簧臂86分别从在径向上超过接片区段45的外边缘突出的边缘区段88延伸。在此，弹簧臂86在俯视图中具有弓形构型并且从接片区段45在轴向上从接片区段45伸出(朝向密封件44的端侧64)。
根据图8的密封件44也具有三个弹簧臂86，所述弹簧臂从密封件44的接片区段45在轴向上离开接片区段45地延伸。在此，弹簧臂86从接片区段45的径向外边缘延伸。弹簧臂86分别具有平行于密封件44的套筒区段43的臂区段90和弯曲的臂区段92。
根据图9的密封件44也具有三个弹簧臂86，所述弹簧臂离开密封件44的套筒区段43地延伸。在此，弹簧臂86从密封件44的第一端侧64伸出并且相对于套筒区段43弯曲。
根据图10的密封件44的构型在很大程度上相应于在图7中所示的密封件44。与之不同地，在根据图9的密封件44中，弹簧臂86从接片区段45延伸至接片区段45的背离套筒区段43的一侧。在此，弹簧臂86超过密封件44的第二端侧65伸出。

Claims (10)

1.一种活塞泵(16)，尤其是用于内燃机的燃料高压泵，所述活塞泵具有泵壳体(26)、泵活塞(28)和至少也由所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)限界的输送室(38)，其特征在于，优选在所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)之间布置有用于密封所述输送室(38)的密封件(44)和用于对所述泵活塞(28)导向的单独的导向元件(46)，其中，所述密封件(44)构造为金属套筒，所述金属套筒优选具有径向向外伸出的接片(45)。
2.根据权利要求1所述的活塞泵(16)，其特征在于，优选在所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)之间布置有用于所述密封件(44)的固定环(52)。
3.根据权利要求2所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述导向元件(46)和所述固定环(52)合并地构造成一个构件()。
4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，具有另一导向元件(48)，所述另一导向元件布置在所述活塞泵(16)的密封件载体(50)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述接片(45)在其径向外边缘上相对于接收所述泵活塞(28)的槽口(40)的周壁具有间隙(54)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，优选在所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)之间布置有弹簧元件(56)，所述弹簧元件将所述密封件(44)压抵所述固定环(52)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述密封件(44)具有至少一个弹簧元件(56)，所述弹簧元件与所述密封件(44)连接并且所述弹簧元件将所述密封件(44)压抵所述固定环(52)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，在所述密封件(44)的外周面(66)和所述泵壳体(26)之间布置有O形环(74)和/或所述密封件(44)由不锈钢构成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述密封件(44)这样地布置，使得所述接片(45)放置在所述固定环(52)上。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述固定环(52)具有轴向伸出的环圈(76)，所述接片(45)放置在所述环圈上，并且所述密封件(44)的套筒区段(43)和所述环圈(76)在轴向上彼此重叠。
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