CN110945239B - 活塞泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种塞泵(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)构造为塑料环，其具有基本上套筒形的基础区段(45)。

Description

活塞泵
技术领域
本发明涉及一种活塞泵，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。
该任务通过本发明的活塞泵来解决。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，优选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，所述密封件构造为相对于泵壳体至少基本上静止的塑料环并且在轴向上(在泵活塞的轴向方向上)尤其间接或直接地与所述导向元件相邻，所述塑料环具有基本上套筒形的基础区段，该基础区段例如具有柱形外表面，其中，接收所述泵活塞的槽口构造为具有多个阶梯的孔，并且其中，导向元件固定在所述孔的阶梯上，并且所述密封件在轴向端部上具有径向向外伸出的接片，所述接片成型在所述套筒形的基础区段上。
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。通过将密封件构型为塑料环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。导向和密封功能从现在起通过单独的构件，即通过导向元件和密封件(塑料环)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。可选地，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。
密封件可以由PEEK(聚醚醚酮)、PEAK、聚酰胺酰亚胺(PAI；例如，在Torlon名称下可购得的PAI)或类似材料制造。所述材料可以附加地通过填料增强和/或优化。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。
密封件具有径向的外环边缘(外周面)、径向内环边缘、第一端侧和第二端侧。所述密封件在泵活塞的轴向方向上可以具有比相应的导向元件和/或固定环更大的长度。借此可以为密封件的不同构型赢得结构空间，其中，轴向长度可以保持得小。
密封件可以基于槽形环密封件，但在设计上经过优化并且具有不同的横截面。密封件的壁厚(在径向方向上的壁厚)取决于系统压力地设计。壁厚可以为0.1mm-3.0mm(毫米)。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。
在最简单的情况下，如上面已经所提及的那样，密封件可以构造为套筒形。密封件则具有I形的横截面，尤其具有矩形的横截面轮廓。I形的横截面可以构成密封件的基础区段。替代I形的横截面地，密封件可以具有L形或U形的横截面。
在一个优选构型的范畴内，可以设置有另一导向元件，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，可以在泵壳体和泵活塞之间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、粘接或压入到在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。为了能够实现在径向方向上活塞和密封件之间的定位，密封件可以具有例如0.01mm-1mm(毫米)的轴向间隙(“浮动密封件”)。密封件、导向元件、所述另一导向元件和固定环构成密封组件。
优选地可以在泵活塞和泵壳体之间布置有弹簧元件，该弹簧元件将密封件压抵固定环。弹簧元件可以(在泵活塞的轴向方向上)布置在导向元件和密封件之间。所述弹簧元件可以在一端轴向地例如贴靠在导向元件上，而在另一端将密封件压抵固定环。弹簧元件可以构造为压缩弹簧，尤其弹簧片或螺旋弹簧。弹簧元件可以至少部分地包围泵活塞。通过弹簧元件对密封件作用轴向力，其中，该力压到密封件的面向输送室的轴向端侧上。该轴向力引起，密封件放置在固定环上，使得确保静态密封部位上的初始密封性。由此可以结合在密封件和活塞之间的动态密封部位处的节流，在输送阶段中，在输送室中形成初始压力，该初始压力有利于密封件的压力激活。
在一个优选构型的范畴内，密封件可以在(第一)轴向端部上具有径向向外伸出的、尤其环绕的接片。换言之，该接片在密封件的外周面(基础区段)上径向地伸出。因此，密封件具有L形的横截面。通过接片提高了密封件的刚度。此外，可以将密封件在径向方向上对中在泵壳体中。由此可以将密封件安装在泵壳中的固定位置中。具有接片的轴向端部可以面向输送室或背离输送室。接片可以构造为环形凸肩。接片的长度可以匹配应用情况和占主导的系统压力。接片的长度例如可以为0.2mm至2mm。
以有利的方式，密封件可以在第二轴向端部上具有径向向外伸出的另一接片(另一接片从基础区段伸出)。密封件从而具有C形或U形的横截面。通过所述另一接片再次提高了密封件的刚度。再次改善密封件在径向方向上在泵壳体中的对中。有利于将密封件布置在泵壳体中的固定位置中。所述另一接片可以构造为环形凸肩。所述另一接片例如可以具有0.2mm至2mm的长度。
根据一个优选的构型，接片和/或另一接片可以在其径向外边缘上相对于接收泵活塞的槽口的周壁具有例如0.001-1mm的径向间隙。换言之，接片具有比接收泵活塞的槽口(孔)的在密封件所在的部位处的内径略微更小的外径。该间隙引起，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。
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)，在密封件的面向输送室的一侧上形成输送压力。该压力作用到密封件的(第一)端侧上并且引起密封件在轴向方向上承受力，该力将密封件压到固定环上。
在输送阶段期间，密封件由于作用到其上的轴向力而不能或仅能不明显地在径向方向上运动。在密封件(第二端面)和固定环的接触面之间可以形成静态密封部位。由此防止燃料从输送室逸出并且降低容积效率。密封件和固定环的接触面可以横向地、尤其与泵活塞的轴向方向正交(90±2°的角度)地取向。
以符合目的的方式，密封件可以在布置有接片的第一轴向端部上在端侧具有环绕的环圈。通过该环圈保证，从输送室作用到密封件上的轴向力以优化的力走势通过密封件延伸，并且精确地被引入到静态密封部位(密封件和固定环之间的接触面)上。因此得到提高的面压力和还更好的静态密封作用。所述环圈在轴向方向上从密封件伸出。环圈在端侧尤其布置在密封件的径向内置的环边缘上。
以有利的方式，(第一)导向元件和固定环可以合并地-即尤其一体地-构造成一个构件。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。该构件和密封件可以在轴向上彼此重叠。因此，该构件的区段可以在径向上布置在泵活塞和泵壳体之间。
在一个优选构型的范畴内，在密封件的径向外周面和泵壳体(用于泵活塞的槽口的周壁)之间可以布置有O形环。O形环具有径向密封作用。通过O形环补充静态密封部位和改善密封作用。
在一个优选构型的范畴内，在密封件的径向外周面和泵壳体(用于泵活塞的槽口的周壁)之间可以布置有用于O形环的支撑环。由此保护O形环，因为可以防止O形环的损坏，例如挤出。支撑环尤其布置在O形环的背离输送室的一侧上并且可以具有三角形的横截面轮廓。三角形轮廓的斜边可以面向O形环。
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)上形成初始压力。由于作用到密封件上的背侧压力，该密封件变形并且由此在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。
所述变形例如可以在存在两个接片的情况下在两个接片之间发生。由此在限定的部位上实现密封作用。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，或者密封件贴靠在泵活塞上并且(密封件的和泵活塞的)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)。这恰好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)，密封件被燃料冲洗。因此，起润滑剂作用的新的燃料始终被带入到密封间隙中。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。
附图说明
在下面根据附图详细地阐述本发明，其中，相同的或功能相同的元件可能仅一次性地设有附图标记。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、导向元件和固定环的放大视图；
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具有在第一取向中的密封件的图1的活塞泵的一个替代构型的局部纵截；
图7具有在第二取向中的密封件的图6的活塞泵；
图8具有弹簧元件的图6的活塞泵；
图9具有O形环和支撑环的图3的密封件的放大剖视图；
图10具有O形环和支撑环的图6的密封件的放大剖视图；和
图11用于图2的活塞泵的密封件的一个替代构型。
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构造为塑料环。密封件44具有基本上套筒形的基础区段45，该基础区段具有柱形外表面。
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可以在轴向上与密封件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。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在其第一轴向端部54上具有径向向外伸出的接片56(参见图4)，该接片从基础区段45伸出。接片56构造为环形凸肩，该环形凸肩超过密封件44的外周面58径向地突出。接片56完全环绕密封件44(外周面58)。
密封件44在其第二轴向端部60上具有径向向外伸出的另一接片62，所述另一接片从基础区段45伸出。所述另一接片62也构造为环形凸肩，该环形凸肩超过密封件44的外周面58径向地突出。所述另一接片62完全环绕密封件44(外周面58)。密封件44具有U形的横截面。
接片56和另一接片62在其径向外边缘上相对于接收泵活塞28的槽口40的周壁(梯级42")具有径向间隙64(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。此外，在输送室中占主导的压力65也通过该间隙(间隙64)到达外周面58，使得密封件壁66由于在那里作用的力(箭头68)径向向内经受变形69(参见图4)。因此，在泵活塞28，尤其在导向区段34和密封件44(径向内置的环边缘70)之间形成动态密封部位。
在输送室中占主导的压力也负责，力F(箭头72)作用在密封件44的第一端侧74上(参见图4右侧)。可选地，密封件44在布置有接片56的第一轴向端部54上在端侧具有环绕的环圈76。以便保证，力F(轴向力；箭头72)优化地通过密封件44延伸并且精确地被引入到静态密封部位53中。环绕的环圈76在第二端侧78上构造在密封件44的径向内置的环边缘70上。
根据一个替代构型，第一导向元件46和固定环52合并为一个构件80(参见图5)。构件80承担导向和紧固功能。构件80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80的重叠区段82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)之间。可以在图5中的下方区段84上进行导向。在下方区段84或在重叠区段82中实现将构件80固定在孔42中，例如可以借助径向向外伸出的突出部86。
图6示出图3的活塞泵16的一个替代构型，其中，密封件44仅具有从基础区段45出发的第一接片56和环绕的环圈76。取消所述另一接片62。因此，密封件44具有L形的横截面。接片56面向固定环52。这在通过力F(箭头68)对密封件44加载压力的情况下(输送阶段)引起密封件44在图6的上方区域90中的变形88。
图7示出图3的活塞泵16的另一替代构型，该构型相应于图6的活塞泵16的构型，其中，密封件44如下所述地取向，使得接片56面向(第一)导向元件46。这在通过力F(箭头68)对密封件44加载压力的情况下(输送阶段)，引起密封件44在图7的下方区域92中(面向固定环52)的变形88。
图8示出图3的活塞泵16的另一替代构型，该构型在很大程度上相应于图6的活塞泵16并且附加地具有弹簧元件47。因此，在泵活塞28和泵壳体26之间可以布置有弹簧元件47，该弹簧元件将密封件44压抵固定环52。弹簧元件47可以在泵活塞28的轴向方向上布置在导向元件46和密封件44之间。弹簧元件47可以构造为呈弹簧片或螺旋弹簧形式的压缩弹簧。弹簧元件47在一端轴向地尤其贴靠在导向元件46上，而在另一端将密封件44压抵固定环52。
在密封件44的径向外周面58和泵壳体26之间可以布置有O形环94(参见图9和10)。该O形环用于增强静态密封部位53并且改善密封作用。此外，可以在密封件44的径向外周面58和泵壳体26之间布置有用于O形环94的支撑环96。支撑环96用于保护O形环94，例如以便避免O形环94挤出。图9直观示出在密封件44上具有O形环94和支撑环96的配置，该密封件具有相应于图3和图4的U形的轮廓。图10直观示出在根据图6、7和8的密封件44仅具有一个接片56的情况下(L形的轮廓)的该配置。
图11示出密封件44的一个替代的、在结构上简化的实施方式，该密封件仅具有基础区段45并且总体上构造为套筒形。密封件44具有恒定的密封件壁66，在该密封件壁中，内周面70和外周面58相对彼此平行。因此，密封件44具有I形的横截面。如果力F(箭头68)作用到密封件44上，因此发生平行移位102。当需要更大的密封面时，这可以是有利的。密封件的具有矩形横截面轮廓的这样的构型在制造过程中相对简单。

Claims (12)

1.一种活塞泵(16)，所述活塞泵具有泵壳体(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)，其特征在于，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)构造为塑料环，所述塑料环具有基本上套筒形的基础区段(45)，其中，接收所述泵活塞(28)的槽口(40)构造为具有多个阶梯(42',42",42"')的孔(42)，并且其中，所述导向元件(46)固定在所述孔(42)的阶梯(42')上，并且所述密封件(44)在轴向端部(54)上具有径向向外伸出的接片(56)，所述接片成型在所述套筒形的基础区段(45)上。
2.根据权利要求1所述的活塞泵(16)，其特征在于，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(80)。
4.根据权利要求2或3所述的活塞泵(16)，其特征在于，在所述泵活塞(28)和所述泵壳体(26)之间布置有弹簧元件(47)，所述弹簧元件将所述密封件(44)压抵所述固定环(52)。
5.根据权利要求1至3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。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述密封件(44)具有总体上L形的横截面。
7.根据权利要求6所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述接片(56)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(64)。
8.根据权利要求1、2、3和7中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述密封件(44)在第二轴向端部(60)上具有径向向外伸出的另一接片(62)，所述另一接片成型在所述套筒形的基础区段(45)上，使得所述密封件(44)具有总体上U形或C形的横截面。
9.根据权利要求8所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述另一接片(62)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(64)。
10.根据权利要求1、2、3、7和9中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，所述密封件(44)在所述轴向端部(54)上在端侧具有环绕的环圈(76)。
11.根据权利要求1、2、3、7和9中任一项所述的活塞泵(16)，其特征在于，在所述密封件(44)的径向外周面(58)和所述泵壳体(26)之间布置有O形环(94)。
12.根据权利要求11所述的活塞泵(16)，其特征在于，在所述密封件(44)的径向外周面(58)和所述泵壳体(26)之间布置有用于所述O形环(94)的支撑环(96)。
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