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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere
zur Förderung von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 198 47 044
A1 ist eine gattungsgemäße Hochdruckpumpe
bekannt. Diese umfasst einen Pumpenkolben, der in einem Pumpenkörper axial
beweglich in Richtung einer Hubachse geführt ist. Der Pumpenkolben
wirkt mit einer Ventileinheit zusammen, die im oberen Bereich des
Zylinderkopfes eingebracht ist. Durch die Hubbewegung des Pumpenkolbens
wird Kraftstoff angesaugt und auf den gewünschten Hochdruck
gefördert. Dafür ist der Pumpenkolben innerhalb
einer Führungsbohrung geführt, die sich im Pumpenkörper
oder im Zylinderkopf befindet.
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Ferner
sind Hochdruckpumpen bekannt, welche mittels eines Nockentriebes
die Hubbewegung im Pumpenkolben hervorrufen. Der Nockentrieb umfasst
eine auf einer Nockenwelle eingebrachte Nockengeometrie, so dass
die Hubbewegung mittels eines Abgriffselementes von der Nockengeometrie
abgegriffen wird. Das Abgriffselement steht mit einer Stößeleinrichtung
in Verbindung, welche den Pumpenkolben umfasst. Die Führung
des Pumpenkolbens ist eine Gleitführung, wobei zwischen
der Führungsbohrung und dem Pumpenkolben ein Radialspiel
vorgesehen ist, durch welchen unter Hochdruck stehender Kraftstoff
hindurchströmt. Damit wird eine hydraulische Führung
sicher gestellt, so dass ein Verschleißschutz der Gleitführung
erreichbar ist.
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Bekannt
sind zylindrische oder konische Radialspiele, wobei zwischen dem
Pumpenkolben und der Führungsbohrung das Radialspiel durch
die Durchmesserdifferenz zwischen dem Innendurchmesser der Führungsbohrung
und dem Außendurchmesser des Pumpenkolbens gebildet wird.
Das Radialspiel bildet daher einen Ringspalt, durch den der Kraftstoffdurchfluss
vom oben angeordneten Hochdruckraum der Hochdruckpumpe in den Niederdruckraum
entsteht, welcher durch den Raum gebildet ist, in dem der Nockentrieb
eingebracht ist. Dieser auch Leckagestrom genannte Durchfluss muss
sich möglichst genau einstellen, damit die Verluste durch
die Hochdruckleckage begrenzt sind und trotzdem ein hinreichender
Durchfluss des Kraftstoffs zur Schmierung der Mantelfläche
des Pumpenkolbens und der Führungsbohrung vorhanden ist.
Die Schmierung muss auch in Grenzbetriebszuständen, wie
bei einer schlechten Befüllung mit Kraftstoff, bei einem
Lufteinschluss in System, bei Kraftstoffverunreinigungen oder bei
einem fehlerhaften Kraftstoff ausreichend sein.
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Bezüglich
der Verschleißneigung der Führungsbohrung sowie
des Pumpenkolbens muss beobachtet werden, dass in Bereichen der
Querkraftübertragung zwischen dem Pumpenkolben und der Führungsbohrung
ein verstärkter Verschleiß entsteht. Insbesondere
bei Nockentrieben mit einem Abgriffselement werden in den Pumpenkolben
Querkräfte eingeleitet, welche zu erhöhten Flächenpressungen
in lokalen Bereichen zwischen der Führungsbohrung und dem
Pumpenkolben führen. Diese erhöhten Flächenpressungen
bewirken, dass sich der mit Kraftstoff gefüllte Schmierspalt
verringert, so dass Festkörperberührung entsteht,
und eine Mischreibung zwischen der Festkörperberührung
und der hydraulischen Führung durch den Kraftstoff entsteht. Sobald
sich die Oberflächen berühren, kann ein Verschleiß entstehen,
was zu einem Fressen des Pumpenkolbens innerhalb der Führungsbohrung
führen kann, und die Hochdruckpumpe fällt aus.
Die erhöhten Flächenpressungen entstehen insbesondere
in den Kantenbereichen der Führungsbohrung, welche im Bereich
der Mündung der Führungsbohrung innerhalb des
Zylinderkopfes vorhanden sind. Auch Mündungsbereiche mit
einer Einführfase weisen im Übergang zum zylindrischen
Bereich der Führungsbohrung Kanten auf, so dass es bei
einer Querkraftbelastung zu Kantenträgern kommt, die die
Bereiche der erhöhten Flächenpressung und damit
des verstärkten Verschleißes bilden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckpumpe
zur Förderung von Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine
zu schaffen, welche einen verringerten Verschleiß der Führung des
Pumpenkolbens innerhalb der Führungsbohrung im Zylinderkopf
aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Hochdruckpumpe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass in Bereichen
einer Querkraftübertragung zwischen dem Pumpenkolben und
der Führungsbohrung das Radialspiel um einen Spielerweiterungsbetrag
vergrößert ist.
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Erfindungsgemäß wird
damit der Vorteil erreicht, dass zumindest in Bereichen einer erhöhten Querkraftübertragung
das Radialspiel vergrößert ausgeführt
wird. Damit entsteht ein Sonderspielverlauf welcher in einer Konturänderung
in den Bereichen höherer Flächenpressungen resultiert.
Dieser Sonderspielverlauf ist so gestaltet, dass die maximale Flächenpressung
im Bereich der erhöhten Querkraftübertragung reduziert
und die Flächenpressung auf eine größere
Fläche verteilt wird, so dass folglich die Höhe
der Presskraft geringer wird. Dabei biegt sich der Kolben bis zur
gleichmäßigen Anlage in der Führungsbohrung
gemäß einer Biegelinie, welche sich an die Kontur
des Sonderspielverlaufes anpasst. So ist auch bei lokal erhöhten
Querkraftübertragungen eine gleichmäßige
Flächenpressung erreichbar, wobei sich die Biegung des
Kolbens der erhöhten Querkraft anpasst. Durch die Biegung
verändert sich der im unbelasteten Zustand runde Querschnitt
des Kolbens in eine elliptische Form. Die Größe
des Spielerweiterungsbetrages korrespondiert derart mit der Größe
des Radialspiels, dass die Biegung des Pumpenkolbens maximal so
stark wird, dass die Längen der größeren
Halbachsen der Ellipse in Bezug auf den Durchmesser des Pumpenkolbens
im unverformten Zustand nicht mehr als zumindest 95% von der unteren
Grenze des Spielwertes – Rundheit des Kolbens – Rundheit
der Bohrung betragen und die entstehenden Biegespannungen die zulässigen
Materialwerte nicht überschreiten. Der Übergang
vom Bereich mit Sonderspielverlauf in den zylindrischen Bereich
des Pumpenkolbens bzw. der Führungsbohrung erfolgt in einem
sehr großen tangential auslaufenden Radius oder einem tangentialen
Ellipsensegment.
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Die
Prozessüberwachung in der Fertigung des erfindungsgemäßen
Spielerweiterungsbetrages erfolgt über eine Durchmesserdifferenzmessung
an definierten Messstellen entlang des Pumpenkolbens bzw. der Führungsbohrung.
Die Länge des Bereiches, in den der Spielerweiterungsbetrag
eingebracht ist, beträgt maximal 25% der Überdeckungslänge,
damit die Hochdruckleckage nicht zu stark erhöht wird und
die Führung/Ausrichtung des Pumpenkolbens relativ zur Nockenwelle
mit ausreichender Genauigkeit sichergestellt ist. Der Sonderspielverlauf taucht
während einer Hubbewegung des Kolbens aus der Führungsbohrung
daher teilweise oder komplett ein und aus.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Ausführungsform der Bildung des Spielerweiterungsbetrages
ist vorgesehen, dass dieser durch eine Verringerung des Durchmessers
des Pumpenkolbens gebildet ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform zur Bildung des erfindungsgemäßen
Spielerweiterungsbetrages sieht hingegen vor, dass dieser durch eine
Vergrößerung des Durchmessers der Führungsbohrung
gebildet ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die
beiden Möglichkeiten der Bildung des Spielerweiterungsbetrages
zu kombinieren, so dass in einer Anordnung eines Pumpenkolbens innerhalb
einer Führungsbohrung sowohl der Pumpenkolben einen verringerten
Durchmesser aufweist, als auch die Führungsbohrung einen
vergrößerten Durchmesser aufweist.
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Vorteilhafterweise
weist die Führungsbohrung einen in Richtung des Nockentriebs
weisenden Mündungsbereich im Zylinderkopf auf, wobei der Spielerweiterungsbetrag
in an den Mündungsbereich angrenzenden Bereich eingebracht
ist, um das Radialspiel in diesem Bereich zu vergrößern.
Damit erstreckt sich der Bereich des Spielerweiterungsbetrages zwischen
dem Mündungsbereich und dem zylindrischen Bereich der Führungsbohrung
bzw. des Pumpenkolbens. Die Übergänge zwischen
dem Mündungsbereich, dem Spielerweiterungsbereich und dem
zylindrischen Bereich der Führungsbohrung bzw. des Pumpenkolbens
weist auch hier große tangential auslaufende Radien auf,
um zu vermeiden, dass sich an den Übergängen Kantenträger
zur Aufnahme der Querkraft bilden.
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Eine
vorteilhafte Möglichkeit der Erzeugung des Spielerweiterungsbetrages
kann in der Anwendung von abgerichteten Schleifscheiben bei einem Schleifprozess
gesehen werden. Der Schleifprozess ist ein Außenrund-Schleifprozess,
so dass mittels einer abgerichteten Schleifscheibe die gewünschte Kontur
zur Bildung des Spielerweiterungsbetrages in die Außenkontur
des Pumpenkolbens eingeschliffen werden kann. Alternativ kann der
Spielerweiterungsbetrag durch einen Polier- oder Läpparbeitsgang nach
dem Schleifen hergestellt werden.
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Zur
Schaffung des erfindungsgemäßen Spielerweiterungsbetrages
innerhalb der Führungsbohrung ist es von Vorteil, dass
dieses mittels eines erweiterten Honverfahrens in die Führungsbohrung eingebracht
wird. Im Bereich des Sonderspielverlaufes muss in der Führungsbohrung
Material entnommen werden, wobei die Materialentnahme nur wenigen Mikrometer
entspricht. Dies kann beispielsweise erzeugt werden, indem das Honwerkzeug
mit einer häufigeren Überlaufzahl im Bereich der
Spielerweiterung angewendet wird, um in den gewünschten
Bereich mehr Material von der Oberfläche abzutragen. Alternativ
kann die Bohrung auch mittels Innenschleifprozess mit abgerichteter
Konturschleifscheibe hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise
weist der Pumpenkolben wenigstens eine Ringnut auf, welche benachbart
zu dem wenigstens einen den Spielerweiterungsbetrag aufweisenden
Bereich eingebracht ist. Derartige Ringnuten dienen als Schmiervolumina
und sind zum Druckausgleich des teilweise nur einseitig auftretenden
Leckagestroms geeignet. Die Anzahl der Nuten muss abhängig
vom Lastfall und der Überdeckungslänge festgelegt
werden. dabei sollte die Breite der Nute minimal sein, damit die
Leckagemenge nicht zu stark ansteigt. Die Nut ist mit tangentialen
oder annähernd tangentialen Radien versehen, damit eine gradfreie
Herstellung möglich ist. Die Ringnuten können
in den Pumpenkolben entweder vor einem Härteverfahren in
das Weichteil eingedreht werden oder nach dem Härteverfahren
durch ein Schleifverfahren eingebracht werden.
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Die
Anzahl und die Lage der Nuten wird durch verschiedene Kriterien
festgelegt. Einerseits muss die Breite multipliziert mit der Anzahl
der Ringnuten so bemessen werden, dass die ausfallende Führungsfläche
des Pumpenkolbens innerhalb der Führungsbohrung nicht mehr
als 15% der gesamten Überdeckungslänge beträgt.
Ferner ist von Vorteil, dass eine erste Ringnut nahe an dem Hochdruckbereich
im oberen Segment des Pumpenkolbens zur optimalen Druckausgleichswirkung
gelegt wird. Der Abstand sollte vom oberen Ende des Pumpenkolbens
das 0,15fache des Kolbendurchmessers betragen. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass eine weitere Ringnut nahe des Niederdruckbereiches gelegt wird,
welcher in Richtung des Nockentriebes im Pumpenkörper liegt.
Der Abstand zum Mündungsbereich der Führungsbohrung
innerhalb des Zylinderkopfes sollte bezüglich der Ringnut
nicht mehr als die Hälfte des Kolbendurchmessers umfassen,
damit die Flächenpressung auf das Material neben der Ringnut
nicht unzulässig ansteigt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Pumpenkolbens bzw. der Führungsbohrung ist vorgesehen,
dass diese eine Oberflächenbeschichtung zur Bildung eines
Verschleißschutzes umfasst. Die Verschleißschutzschicht
kann dabei reibreduzierend wirken und/oder die zulässige Flächenpressung
erhöhen. Als Verschleißschutzschicht können
eine DLC-/Hartchrom-Schicht, ein Gleitlack oder vergleichbare Oberflächen
verwendet werden. Daher ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße
Spielerweiterung mit einer ebenfalls erfindungsgemäßen
Ringnut im unteren Bereich nahe des Niederdruckbereiches des Pumpenkolbens
eingebracht wird, wobei ferner eine Verschleißschutzschicht
als Kombination der beiden vorgenannten Merkmale vorgeschlagen wird.
Damit wird ein Produktbaukasten geschaffen, welcher die genannten Merkmale
beliebig miteinander kombinierbar macht. Somit kann ein Sonderspielverlauf
mit einer erfindungsgemäßen Ringnut im Bereich
oder in der Nähe des Sonderspielverlaufes kombiniert werden,
um die tragbare Belastung bzw. die Flächenpressung und damit
die Lebensdauer der Bauteile weiter zu erhöhen.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Es
zeigt:
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1 eine
quergeschnittene Ansicht einer Hochdruckpumpe;
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2 eine
schematische Darstellung des Ausschnittes eines Pumpenkolbens, an
dem ein Abgriffselement angeordnet ist, das über eine Nockengeometrie
abwälzt;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel mit einem Spielerweiterungsbetrag,
welcher in den Pumpenkolben eingebracht ist; und
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4 eine
erfindungsgemäße Anordnung einer Führungsbohrung
mit einem Spielerweiterungsbetrag, wobei der Spielerweiterungsbetrag
in die Führungsbohrung eingebracht ist.
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Die
in 1 gezeigte Hochdruckpumpe 1 umfasst einen
Pumpenkörper 2, auf welchen ein Zylinderkopf 3 aufgesetzt
ist. Im Pumpenkörper 2 ist ein Nockentrieb aufgenommen,
welcher zumindest eine Nockenwelle 5 mit einer auf dieser
aufgebrachten Nockengeometrie 6 umfasst. Ein Abgriffselement 4 wälzt über
die Nockengeometrie 6 ab, und versetzt einen Pumpenkolben 8 in
eine Hubbewegung. Der Pumpenkolben 8 führt somit
eine Hubbewegung entlang einer Hubachse 7 aus, und ist
in einer Führungsbohrung 9 geführt, welche
in dem Zylinderkopf 3 eingebracht ist. Im oberen Bereich
des Zylinderkopfes 3 ist eine Ventilanordnung dargestellt,
welche zur Verdichtung bzw. zur Förderung des Kraftstoffes
auf den gewünschten Hochdruck dient. Angrenzend an den Pumpenkolben 8 ist
ein Pumpraum zu sehen, welcher mit den Ventilen derart zusammenwirkt,
dass in der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 8 der Kraftstoff
durch eine Zuleitung in den Pumpraum gezogen und bei der Aufwärtsbewegung
des Pumpenkolbens verdichtet wird.
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2 zeigt
einen Pumpenkolben 8, an welchem ein Abgriffselement 4 in
Form einer Rolle angebracht ist. Das Abgriffselement 4 rollt
daher auf der Nockengeometrie 6 ab, welcher auf der Nockenwelle 5 aufgebracht
ist. Durch die Wälzbewegung des Abgriffselements 4 und
die damit zwischen dem Abgriffselement 4 und der Nockengeometrie 6 sich
einstellenden Kraftverhältnisse entsteht eine erste Querkraft
Q1, welche in den Pumpenkolben 8 eingeleitet wird. Resultierend
durch die erste Querkraft ergibt sich eine zweite Querkraft Q2,
welche sich zwischen dem Pumpenkolben 8 und der Führungsbohrung 9,
in der der Pumpenkolben 8 geführt ist, einstellt.
Im an die Ventileinheit angrenzenden Bereich entsteht ferner eine
weitere dritte Querkraft Q3, welche jedoch aufgrund der Hebewirkung
des sich länglich erstreckenden Pumpenkolbens 8 keine
kritischen Werte annimmt. Jedoch zeigt die Lage der zweiten Querkraft
Q2 in 2 den Bereich, welcher durch eine besonders hohe
Flächenpressung zwischen dem Pumpenkolben 8 und
der Führungsbohrung 9 entsteht.
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3 gibt
ein erstes Ausführungsbeispiel zur Bildung einer erfindungsgemäßen
Spielerweiterung wieder. Dargestellt ist zunächst ein Pumpenkolben 8 im
Halbschnitt, welcher sich entlang der Hubachse 7 erstreckt.
Erfindungsgemäß weißt der Pumpenkolben 8 einen
Bereich auf, in dem ein Spielerweiterungsbetrag 11 eingebracht
ist, welcher sich zum Radialspiel 10 hinzu addiert. Der
Spielerweiterungsbetrag 11 erstreckt sich zwischen einen
zylindrischen Bereich 14 des Pumpenkolbens 8 und
einem Schrägungsbereich 15. Gemäß der
Darstellung ist der Spielerweiterungsbetrag 11 makroskopisch
dargestellt, um diesen graphisch zu verdeutlichen. Der Spielerweiterungsbetrag 11 beträgt
dabei nur wenige Mikrometer (1... 5 μm), wobei auch Sub-Mikrometer möglich
sind. Das Radialspiel 10 beträgt hingegen gewöhnlich
1... 10 μm, vorzugsweise etwa 5 μm.
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Durch
die Bildung eines Spielerweiterungsbetrages 11 im Pumpekolben 8 vergrößert
sich das Radialspiel 10 um den Spielerweiterungsbetrag 11, so
dass bei einer Querkraftbelastung des Pumpenkolbens 8 ein
vergrößerter Bereich der Flächenpressung
erzeugt wird, um die Höhe der Flächenpressung
zu reduzieren.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Einbringung eines
Spielerweiterungsbetrages 11 auf. Auch in dieser Darstellung
ist der Pumpenkolben 8 innerhalb einer Führungsbohrung 9 im
Zylinderkopf 3 geführt, dieser weist jedoch keinen
Spielerweiterungsbetrag 11 auf. Dieser ist in der Führungsbohrung 9 eingebracht
und addiert sich zum Radialspiel 10 hinzu. Dabei erstreckt
sich dieser zwischen einem Mündungsbereich 12 und
dem zylindrischen Bereich 14.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung
auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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