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Die
Erfindung betrifft ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem
mit einem Pumpenkolben zum Verdichten von Kraftstoff und mit einem Übertragungsstück über das
eine Kraft auf den Pumpenkolben übertragbar
ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
eines Übertragungsstücks für ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem.
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Die
europäischen
und nordamerikanischen Abgasgrenzwerte stellen hohe Ansprüche an moderne
Dieselmotoren. Eine Herausforderung dabei ist, die notwendigen technischen
Verbesserungen bei gleichem oder geringerem Bauaufwand zu realisieren.
Nach wie vor gilt das Einspritzsystem als primäre Quelle für Verbesserungen am Dieselmotor.
Bei einem Pumpe-Düse-Einspritzsystem
wird der Druck für jede
Einspritzdüse
von einer separaten Pumpe erzeugt. Dabei sind jeweils eine Düse und die
dazu gehörige
Pumpe in einer gemeinsamen Baugruppe ausgeführt.
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Als
zentraler Punkt bei der Optimierung eines Pumpe-Düse-Einspritzsystems
hinsichtlich der geforderten Abgasgrenzwerte ist die Darstellung
eines hinreichend großen
Einspritzdrucks zu nennen. Bei der Erhöhung des Einspritzdrucks bei
gleichbleibender Einspritzmenge und Einspritzzeit steigt jedoch
auch die Betätigungskraft
an, die auf den Pumpenkolben wirken muss. Dadurch erhöht sich
gleichzeitig der Verschleiß an
allen Wirkverbindungen am und im Pumpe-Düse-Einspritzsystem, an denen
die Betätigungskraft übertragen
wird.
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In
der Regel sind die Betätigungsflächen in Pumpe-Düse-Einspritzsystemen
gewölbt
ausgeführt, um
eine Kippbewegung der beteiligten Komponenten auszugleichen. Findet
zwar eine Kippbewegung statt, bleibt aber der Kippwinkel maximaler
Auslenkung klein, so können
keine Schmiermittel zur Verringerung des mechanischen Abriebs eingesetzt
werden. Die beteiligten Kontaktflächen sind somit immer hoher
Beanspruchung ausgesetzt.
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Im
Stand der Technik werden als Übertragungsstücke metallische
Komponenten verwendet, die sowohl mit dem metallischen Antriebssystem,
wie beispielsweise der Einstellschraube eines Kipphebels, als auch
mit dem metallischen Pumpenkolben in Wirkverbindung stehen. Bei
derartigen Wirkverbindungen zwischen zwei metallischen Komponenten tritt
bei hoher Beanspruchung oft die Problematik des Verschweißens auf,
die nicht nur zum Ausfall der Komponenten, sondern auch zu einem
gefährlichen Totalausfall
des Motors führen
kann.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Übertragungsstück für ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das
Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem mit
einem Übertragungsstück aus Keramik
bereitgestellt. Das Pumpe-Düse-Einspritzsystem
dient dabei zum Verdichten von Kraftstoff. Ferner überträgt das Übertragungsstück dabei
eine Kraft von einem Antriebssystem auf einen Pumpenkolben.
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Der
Vorteil eines keramischen Übertragungsstücks im Sinne
der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass auch bei hohen Betätigungskräften, die über die
Wirkverbindungen im Pumpe-Düse-Einspritzsystem vermittelt
werden, ein Verschweißen zwischen
zwei metallischen Komponenten vermieden wird. Wird eine beiderseits
metallisch ausgeführte
Wirkverbindung stark beansprucht, so können die beiden metallischen
Komponenten miteinander verschweißen. Dies führt unweigerlich zu einem Ausfall der
beteiligten Komponenten und kann darüber hinaus auch zu einem gefährlichen
Totalausfall des Motors führen.
Ein Verschweißen
zwischen einem keramischen Übertragungsstück und einer
metallischen Komponente ist nicht möglich.
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Des
Weiteren lässt
sich durch den Einsatz eines keramischen Übertragungsstücks der
Herstellungsaufwand deutlich reduzieren. Metallische Übertragungsstücke und
Komponenten erfordern vielfach ein mehrstufiges Herstellungsverfahren:
Oft wird dabei die metallische Komponente zunächst über grobe formgebende Herstellungsverfahren,
wie beispielsweise dem Guss, hergestellt. Danach muss die Form durch
aufwändige
zerspannende Verfahren verfeinert werden, bevor die Komponente durch
einen abschließenden
Poliervorgang fertig gestellt werden kann. Keramische Komponenten
können
jedoch bereits während
der ersten Herstellungsphase präzise hergestellt
werden und erfordern lediglich einen abschließenden Poliervorgang. Des Weiteren
weisen keramische Komponenten weitere vorteilhafte Eigenschaften
auf, wie beispielsweise eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
das keramische Übertragungsstück Siliziumnitrid.
Durch die Verwendung von Siliziumnitrid lässt sich ein geeignetes Übertragungsstück mit vorteilhaften
Eigenschaften über
einen etablierten und effizienten Prozess herstellen. Des Weiteren hat
sich gezeigt, dass ein Übertragungsstück, das
Siliziumnitrid enthält,
in vorteilhafter Weise dem Einsatz im Zusammenspiel mit metallischen
Komponenten in einem Pumpe-Düse-Einspritzsystem auch bei
hohen Belastungen standhält.
Gemäß weiterer Ausführungsformen
kann das Übertragungsstück Siliziumcarbid
oder ein Cermet-Material enthalten. Letztere Materialien sind als
ein zusammengesetzter Werkstoff aus Keramik und Metall zu verstehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Übertragungsstück eine
konkave Betätigungsfläche auf.
Das Übertragungsstück kann
des Weiteren auch eine konvexe Betätigungsfläche aufweisen. Diese nach innen
bzw. nach außen
gewölbten
Betätigungsflächen können so
eine Kippbewegung zwischen den beteiligten Komponenten ausgleichen.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die Betätigungsflächen eine sphärische Form
auf und sind somit als Ausschnitt einer Kugeloberfläche zu verstehen.
Durch die Verwendung sphärischer
Betätigungsflächen ist
ein Kontakt, und damit auch ein Kraftübertrag, über die gesamte Betätigungsfläche auch
bei unterschiedlichen Kippwinkeln gewährleistet. Bei hoher Beanspruchung
ist das Verteilen großer
Kräfte
auf eine konstante Fläche
vorteilhaft, gerade hinsichtlich eines reduzierten Abriebs und einer deutlich
erhöhten
Zuverlässigkeit.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die maximale Rautiefe einer Betätigungsfläche des
keramischen Übertragungsstücks unter
7 μm. Dadurch
ist gewährleistet, dass
lediglich eine minimale Reibung an den Wirkverbindungen auftritt.
Dies führt
insbesondere zu einem reduzierten Verschleiß und dadurch zu einer deutlich
erhöhten
Lebensdauer der beteiligten Komponenten.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung eines Übertragungsstücks in einem
Pumpe-Düse-Einspritzsystem
bereitgestellt. Dabei weist das Übertragungsstück zwei
Betätigungsflächen auf.
Das Übertragungsstück wird
im Sinne der vorliegenden Erfindung aus Keramik hergestellt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform dieses
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird das Übertragungsstück aus Siliziumnitrid
hergestellt. Damit kann durch einen etablierten und effizienten
Herstellungsprozess ein zuverlässiges Übertragungsstück für ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem
hergestellt werden. Gemäß weiterer
Ausführungsformen kann
das Übertragungsstück aus Siliziumcarbid
oder aus einem Cermet-Material hergestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Betätigungsflächen des Übertragungsstücks poliert. Des
Weiteren können
die Betätigungsflächen des Übertragungsstücks geschliffen
werden. In der Praxis werden die Betätigungsflächen des Übertragungsstücks oft
sowohl poliert, als auch geschliffen. Vorteilhafterweise liegt die
Rautiefe der Betätigungsflächen des Übertragungsstücks nach
obiger Bearbeitung unter 7 μm.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Pumpe-Düse-Einspritzsystem
mit einem Kipphebel;
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2 ein Übertragungsstück zur Übertragung
der Betätigungskraft;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
der Oberfläche
der Betätigungsfläche;
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1 zeigt
ein Pumpe-Düse-Einspritzsystem
in einem Dieselmotor. Dabei ist das Pumpe-Düse-Einspritzsystem 1 in
einem Zylinderkopf 2 befestigt. Im Pumpe-Düse-Einspritzsystem 1 befindet
sich ein Kolben 11, der ein Kraftstoffvolumen 16 komprimiert
und so für
die Einspritzung durch die Düse (nicht
gezeigt) vorbereitet. Der Kolben 11 kann sich dabei entlang
der Rotationsachse des Kolbens auf und ab bewegen. Die Abwärtsbewegung,
also die Kompression, kann, wie hier gezeigt, durch einen Kipphebel 30 erfolgen.
Der Kipphebel 30 eines Betätigungssystems 3 ist
an einem Lager 32 aufgehängt und wird über ein
Rad 33 von einer Nocke 34 angetrieben.
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Die
Nocke 34 führt
dabei eine Rotationsbewegung um eine Nockenwelle 35 aus.
Eine asymmetrische Ausführung
der Nocke 34 kann dabei beispielsweise zu einem asymmetrischen
Kraftverlauf gegen die Zeit dienen. Wie hier gezeigt, steigt die Kraft
durch die steile Flanke der Nocke 34 zunächst schnell
an und nimmt dann durch die sanftere Steigung im unteren Teil der
Nocke 34 langsamer ab. Über
eine Einstellschraube 31 wird die Kraft vom Kipphebel 30 auf
das Pumpe-Düse-Einspritzsystem 1 übertragen.
Die Kraft abwärts
wird, wie hier gezeigt, zunächst über eine
Wirkverbindung auf ein Übertragungsstück 13 und
dann über
eine weitere Wirkverbindung auf den Pumpenkolben 11 übertragen.
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Die
Rückstellkraft,
also die Kraft, die den Pumpenkolben 11 aus dem Pumpe-Düse-Gehäuse 14 herauszieht,
wird durch eine Rückstellfeder 15 und
eine Hülse 12 auf
den Pumpenkolben 11 vermittelt. Die Rückstellfeder 15 ist
dabei zwischen der Hülse 12 und
dem Gehäuse 14 des
Pumpe-Düse-Einspritzsystems 1 eingespannt.
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Das Übertragungsstück 13 weist
dabei zwei Betätigungsflächen auf,
von denen die eine eine konvexe und die andere eine konkave Form
aufweist. Dadurch kann das Übertragungsstück 13 eine
Kippbewegung zwischen den beteiligten Komponenten, also hier zwischen
der Einstellschraube 31 und dem Übertragungsstück 13 oder
zwischen dem Übertragungsstück 13 und
dem Pumpenkolben 11, ausgleichen. Die Betätigungskraft
kann dabei auch über mehrere Übertragungsstücke übertragen
werden. Des Weiteren kann die Kraft auch von einem anderen Antriebssystem
bereitgestellt werden, so etwa von einem Piezoaktuator.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
des keramischen Übertragungsstücks 200.
Das Übertragungsstück 200 ist
dabei rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 203 ausgeführt. Beide
hier gezeigten Betätigungsflächen, die
obere konkave Betätigungsfläche 202 und
die untere konvexe Betätigungsfläche 201,
sind dabei sphärisch
ausgeführt. Dadurch
ist ein Maximum an Flächenkontakt
der Betätigungsflächen untereinander
auch bei variierenden Kippwinkeln zwischen dem Übertragungsstück und weiterer
Komponenten gewährleistet.
Das Übertragungsstück 200 ist
im Sinne der vorliegenden Erfindung einteilig aus Keramik hergestellt.
Vorzugsweise enthält
die Keramik zur Herstellung des Übertragungsstücks 200 Siliziumnitrid.
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3 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
der Betätigungsfläche 201 gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die konvex und sphärisch ausgeführte Betätigungsfläche 201 weist dabei
eine Soll-Oberfläche
auf, die einem Ausschnitt einer Kugeloberfläche entspricht. Im rechten
Teil der 3 ist ein Schnitt durch das Übertragungsstück 200 vergrößert dargestellt.
In dieser Schnittdarstellung entspricht die kugelförmige Soll-Oberfläche der Betätigungsfläche 201 einer
Kreislinie 301. Die tatsächliche Oberfläche 300 weicht
jedoch in der Praxis von der theoretischen Soll-Oberfläche 301 ab.
Eine maximale Rautiefe 302 sei im Sinne der vorliegenden Erfindung
definiert als der maximale Höhenunterschied
der tatsächlichen
Oberfläche 300 zur Soll-Oberfläche 301.
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Im
Zuge der Herstellung kann die Höhe
der mikroskopischen Erhöhungen 303 der
Oberfläche 300 durch
Schleifen und Polieren reduziert werden. Ein entsprechender Effekt
kann dabei auch durch einen Einfahrvorgang oder durch den regulären Betrieb
erzielt werden. Die Betätigungsflächen 202 und 201 des
keramischen Übertragungsstücks 200 stehen
im Sinne der vorliegenden Erfindung mit metallischen Komponenten
in Wirkverbindung. Durch die keramische Ausführung des Übertragungsstücks 200 ist
ein Verschweißen
mit den metallischen Komponenten, so beispielsweise mit dem Pumpenkolben 11 oder
der Einstellschraube 31 aus 1, ausgeschlossen.