DE10045281C1

DE10045281C1 - Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE10045281C1
Application number: DE2000145281
Authority: DE
Inventors: Olav Altmann; Stefan Brodbeck
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: LOrange GmbH
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2020-09-14

Abstract

Für eine insbesondere in Verbindung mit Speicher-Einspritzsystemen von diesel- oder schwerölbetriebenen Brennkraftmaschinen wird eine Gestaltung des Kolbenkopfbereiches vorgeschlagen, bei der ausgehend von der druckraumseitigen Stirnfläche des Kolbenkopfes ein im Durchmesser reduzierter Bereich vorgesehen ist, wobei die Reduzierung des Durchmessers mit zunehmenden Abstand von der druckraumseitigen Stirnfläche des Kolbens insbesondere verlaufend abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere für den Einsatz in Speicher-Einspritzsystemen von diesel- oder schwerölbetriebenen Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Hochdruckpumpen finden in der Praxis, insbesondere auch als Ladepumpen für Speicher in Einspritzsystemen, wie z. B. Common- Rail-Systemen Verwendung, wobei Pumpendrücke in der Größenord nung von 2000 bar erreicht werden. Der in einer Zylinderboh rung dichtend geführte, einen zylinderseitigen Zulaufquer schnitt übersteuernde, kolbenringlose Kolben ist dabei in sei nem dem Druckraum des Zylinders zugewandten Kopfbereich mit reduziertem Durchmesser ausgeführt, wobei die Durchmesserredu zierung im Regelfall über eine Länge erfolgt, die in der Grö ßenordnung des Hubweges des Kolbens liegt, so dass in der un teren Totpunktstellung der zylinderseitige, vom Kolben über steuerte Zulaufquerschnitt auf die Zylinderbohrung freigegeben ist und in der oberen Totpunktstellung dieser Querschnitt über den Kolben abgesteuert und vom im Durchmesser nicht reduzier ten Bereich des Kolbens überdeckt ist. Der im Durchmesser re duzierte Bereich weist über seine Länge gleichen Durchmesser auf, so dass sich eine Stufe im Übergang auf den im Durchmes ser nicht reduzierten Bereich ergibt. Durch die Durchmesserre duzierung lassen sich zwar durch Druckstauchung und Wärmeein trag bedingte Durchmesseränderungen soweit auffangen, dass ein Klemmen und Fressen des Kolbens vermieden wird. Die Durchmes serreduzierung hat aber einen verringerten hydraulischen Wir kungsgrad zur Folge, und ist auch im Hinblick auf das sich fallweise einstellende Passungsspiel, insbesondere in Verbindung mit der Übersteuerung des Zulaufquerschnittes durch die sich im Übergang des reduzierten Durchmesserquerschnittes auf den Vollquerschnitt ergebende Stufe, verschleißkritisch.

Aus der DE 21 28 635 A ist eine Hochdruckpumpe der eingangs genannten Art bekannt, bei der zur Verzögerung des Druckan stieges im Förderraum der Ansaugquerschnitt in Abhängigkeit vom Kolbenhub so gestaltet ist, dass sich eine teilweise Rück förderung in den Sauganschluss ergibt, wozu der Kolben ausge hend von seiner dem Druckraum zugewandten, den zylinderseiti gen Ansaugkanal übersteuernden Stirnfläche angefast, oder auch angekerbt ist. Mit Hilfe dieser Fase oder Kerbe soll der Strö mungsquerschnitt über einen längeren Hub gedrosselt werden als bei einem scharfkantigen Kolben, was bedingt, das der Kolben im Bereich der Fase oder Kerbe im Durchmesser soweit zurückge nommen ist, das ein ausreichend großer kolbenseitiger Über strömquerschnitt entsteht.

Desweiteren ist es aus der DE 196 10 595 C1 für Kolben hy drostatischer Axialkolbenmaschinen bekannt, diese in den obe ren und unteren Endbereichen des Schaftes zu verrunden, um die Kantenpressung, die bei diesen Maschinen mit der Desachsierung der Kolbenachse zur Zylinderachse beim Umlauf verbunden ist, zu reduzieren. Die hierfür vorgesehenen Anfasungen gehen ver rundet von der jeweiligen Kolbenstirnfläche mit zunehmend grö ßer werdenden Radien in die Zylindermantelfläche über, wobei der sich ausgehend von der Zylindermantelfläche gegen die Kol benstirnfläche öffnende Ringspalt einen Öffnungswinkel von bis zu 5° hat, mit stärker verrundetem Einlauf in die Kolbenstirn fläche.

Im Sinne der Vermeidung oder Reduzierung von Kantenpressungen ist es bei Taumelscheibenmaschinen desweiteren durch die JP 10266970 A bekannt, die Kolben über ihre Länge insgesamt ver rundet ballig auszubilden.

Derartige Verrundungen bzw. Konizitäten der Kolben gegen ihre druckraumseitige Stirnfläche bedingen Spaltvolumina, die ins besondere bei Hochdruckpumpen ihren Wirkungsgrad ungünstig be einflussen, weswegen der Erfindung die Aufgabe zugrundeliegt, die Spaltvolumina ohne nachteilige Auswirkungen auf Ver schleiß- und Fressneigung zu verringern.

Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1, demzu folge die Durchmesserreduzierung dem mit Abstand zum Druckraum abnehmenden Wärmeeintrag folgt, so dass über die Kolbenlänge sich einschließlich des im Durchmesser reduzierten Bereiches im Betrieb, bezogen auf die angestrebte Gleitdichtung zwischen Kolben und Zylinder, optimierte Verhältnisse einstellen, also auch der Kolbenkopfbereich weitgehend als Dichtstrecke zur Verfügung steht, so dass schädliche Spaltvolumina weitmög lichst vermieden sind.

Der Reduzierung des Durchmessers des Kolbenkopfes entsprechend dem mit dem Abstand von Druckraum abnehmenden Wärmeeintrag auf den Kolben entspricht eine Ausgestaltung, bei der der Konus winkel des im Durchmesser reduzierten Bereiches bei etwa einer Minute liegt, bei Berücksichtigung fertigungstechnischer Tole ranzen bis in die Größenordnung von etwa 20 Sekunden, wobei die Länge des im Durchmesser reduzierten Bereiches etwa dem Durchmesser des Kolbens entspricht, dies bevorzugt bezogen auf Kolben, bei denen die Länge des im Durchmesser reduzierten Be reiches etwa dem Kolbenhub entspricht.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der im Durchmesser reduzierte, konisch sich aufweitende Kolbenkopf in Anbetracht des sehr kleinen Konuswinkels bereits nahezu absatzlos in den im Durchmesser nicht reduzierten Kolbenschaftbereich einlau fen, so dass der fertigungstechnische Aufwand, in Verbindung mit der ohnehin geforderten hoch präzisen Fertigung bei derar tigen Kolbenpumpen, für die Durchmesserreduzierung des Kolbens gering bleibt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend an hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung durch den Zylin derbereich einer Hochdruckpumpe

Fig. 2 eine isolierte, etwas vergrößerte Darstellung eines in Verbindung mit einer Hochdruckpumpe gemäß Fig. 1 verwendbaren Kolbens, und

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung des Kolbenkopfbereiches eines Kolbens, wie er in zum Stand der Technik zäh lenden Hochdruckpumpen eingesetzt ist.

In Fig. 1 ist von einer Hochdruckpumpe 1 der Zylinderbereich 2 dargestellt, wobei der Zylinder 3 eine Zylinderbohrung 4 auf weist, auf die Zulaufbohrungen 5 ausmünden, die von dem in der Zylinderbohrung 4 geführten Kolben 6 übersteuert werden.

Der Kolben 6 weist einen Kolbenkopfbereich 7 auf, wobei dieser Kolbenkopfbereich 7 als gegenüber dem anschließenden Kolbenbe reich 8 im Durchmesser reduzierter Bereich ausgeführt ist. Der Kolben 6, dessen Antrieb, beispielsweise über einen Exzenter, eine Nocken oder dergleichen ebensowenig dargestellt ist wie die Verbindung des Zylinderbereiches 2 zum zugehörigen An triebsteil, übersteuert über seinen Hubweg den zylinderseitigen Zulaufquerschnitt 9 der Zulaufbohrungen 5 und grenzt mit seiner Stirnfläche 10 in der Zylinderbohrung 4 den Druckraum 11 ab, von dem ein druckseitiger Anschluss 12 ausgeht, der in nicht weiter dargestellter Weise zu einem entsprechenden Verbraucher, beispielsweise einem Druckspeicher führt, unter Zwischenschal tung hier nicht weiter angesprochener Ventilanordnungen, so insbesondere auch eines Rückschlagventiles, so dass beim Ver fahren des Kolbens 6 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt - Pfeil 13 - Arbeitsmedium über die Zulaufbohrungen 5 angesaugt bzw. zugeführt werden kann, das beim Förderhub - Pfeil 14 - un ter Absteuerung des zylinderseitigen Zulaufquerschnittes 9 über den Kolben 6 im Druckraum 11 beaufschlagt und bei Erreichen ei nes bestimmten Grenzdruckes, der beispielsweise durch ein Druckbegrenzungsventil festgelegt sein kann, über den Anschluss 12 zum Verbraucher gefördert wird.

In einer in Fig. 3 dargestellten, zum Stand der Technik gehö renden Ausführungsform ist ein Kolben 16 gezeigt, wie er in be kannten Hochdruckpumpen eingesetzt ist, die einen Aufbau auf weisen, wie er grundsätzlich anhand der Fig. 1 geschildert ist. Der Kolben 16 weist in dieser bekannten Ausgestaltung ei nen Kolbenkopfbereich 17 auf, der über eine Länge 15 in seinem Durchmesser gleichmäßig reduziert ist, so dass sich ein Stufen sprung im Übergang auf diesen in Durchmesser reduzierten Be reich ergibt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Kolbens 6 gemäß Fig. 1 und 2 ist im Bereich des Kolbenkopfes 7 eine gegen die Stirnfläche 10 zunehmende Durchmesserreduzierung vorgese hen, wobei diese Durchmesserreduzierung vom Kolbenbereich 8, an den der Koplbenkopfbereich 7 anschließt, verlaufend ausgeht, so dass der im Durchmesser reduzierte Bereich sich als in Richtung auf die Stirnfläche 10 verjüngender Konus darstellt, der einen balligen Verlauf aufweisen kann, in fertigungstechnisch verein fachter Form aber als Kegelstumpf ausgebildet ist, und zwar mit einem Konuswinkel, d. h. einem halben Kegelöffnungswinkel in der Größenordnung von einer Minute, wobei dieser Konuswinkel in Fig. 2 durch die Pfeile 18 angedeutet ist.

Eine Verjüngung des Kolbenkopfbereiches 7 in Richtung auf den Druckraum 11 bzw. die zugehörige Stirnfläche 10 des Kolbens 6 mit einer Neigung von etwa einer Minute gegenüber einer Mantel linie 19 des zylindrischen Kolbenbereiches 8 erweist sich in der Größenordnung als zweckmäßig, um die kolbenseitige, druck abhängige Stauchung sowie auch den mit Abstand zur Stirnfläche 10 sich verringernden Wärmeeintrag auf den Kolben 6 auszuglei chen, wobei sich die genannte Winkelangabe auf eine Länge 20 des im Durchmesser reduzierten Bereiches bezieht, die im Regel fall etwa dem Arbeitshub des Kolbens 6 entspricht, wobei eine besonders zweckmäßige Ausbildung dann gegeben ist, wenn die Größe des Hubs etwa dem Durchmesser des Kolbens 6 entspricht.

Die verlaufende Durchmesserreduzierung im Kolbenkopfbereich 7 führt dazu, dass die Abdichtverhältnisse beim Förderhub verbes sert und die hydraulischen Verluste verringert werden, bei gleichzeitiger Reduzierung der Fressneigung, da die keilförmige Aufweitung des Spaltes in Richtung auf die Stirnfläche dazu führt, dass sich im höchstbeanspruchten Stirnflächenbereich 10 ein keilförmiger Schmierspalt bilden kann, der gleichzeitig auch eine zentrierende Wirkung auf den Kolben 6 hat, wobei es sich insoweit als zweckmäßig erweist, wenn der zylinderseitige Zulaufquerschnitt insgesamt symmetrisch, insbesondere punktsym metrisch zur Zylinderachse gestaltet ist, sei es dadurch, dass er als Ringquerschnitt über den Umfang des Zylinders umläuft, sei es dadurch, dass die Zulaufbohrungen zentrisch symmetrisch angeordnet sind.

Claims

1. Hochdruckpumpe, insbesondere für den Einsatz in Speicher- Einspritzsystemen von diesel- oder schwerölbetriebenen Brenn kraftmaschinen, mit einem in einer Zylinderbohrung dichtend geführten, einen zylinderseitigen Zulaufquerschnitt übersteu ernden, kolbenringlosen Kolben, der in seinem Kolbenkopfbe reich ausgehend von seiner dem Druckraum zugewandten Stirnflä che einen konischen, im Durchmesser reduzierten Bereich auf weist, dessen Reduzierung mit zunehmendem Abstand vom Druck raum verlaufend abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Durchmessers des Kolbenkopfes (7) entsprechend dem mit dem Abstand vom Druckraum (11) abnehmen den Wärmeeintrag auf den Kolben (6) abnimmt.

2. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (20) des im Durchmesser reduzierten Bereiches des Kolbenkopfes (7) bei einem Konuswinkel, der bei einer Mi nute liegt, etwa dem Durchmesser des Kolbens (6) entspricht.

3. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (20) des im Durchmesser reduzierten Bereiches des Kolbenkopfes (7) etwa dem Hub des Kolbens (6) entspricht.

4. Hochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Durchmesser reduzierte Bereich des Kolbenkopfes (7) verlaufend in den zylindrischen Mantel (19) des dem Kol benkopf (7) tragenden Kolbenbereiches (8) einläuft.