DE102007057503A1

DE102007057503A1 - Radialkolbenpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007057503A1
Application number: DE200710057503
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Es wird eine Radialkolbenpumpe vorgeschlagen, bei der ein Großteil der dem Niederdruckbereich zuzuordnenden Bauelemente, nämlich Niederdruckkanäle (24), eine Zumesseinheit (23), ein Kraftstoffrücklauf (47) sowie ein Kraftstoffzulauf (21) in ein separat angeflanschtes Verteilerelement (17) integriert werden.

Description

Stand der Technik
Kraftstoffhochdruckpumpen mit radial zu einer Antriebswelle angeordneten Pumpenelementen haben sich unter anderem in Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen seit Jahren bewährt. In der DE 102 21 305 A1 wird eine solche Radialkolbenpumpe exemplarisch beschrieben.
Bei dieser Radialkolbenpumpe sind drei in einem Winkel von 120° zueinander angeordnete Pumpenelemente vorhanden, die durch im inneren des Pumpengehäuses verlaufende Kanäle sowohl saugseitig als auch hochdruckseitig mit einem Kraftstoffzulauf bzw. einem Hochdruckanschluss hydraulisch verbunden sind.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Komplexität, der Fertigungskosten und der Montierbarkeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialkolbenpumpen Vorteile aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Bremskraftmaschinen, insbesondere bei einem Common Rail Einspritzsystem, mit mindestens einem bezüglich einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Antriebswelle radial angeordneten Pumpenelement, wobei das mindestens eine Pumpenelement von der Antriebswelle betätigt wird und je eine Saugseite und eine Hochdruckseite aufweist, und mit einem Kraftstoffzulauf dadurch gelöst, dass an das Pumpengehäuse ein Verteilerelement angeflanscht ist und dass in dem Verteilerelement mindestens ein erster Kanal ausgebildet ist, der die Saugseiten des oder der Pumpenelemente mit dem Kraftstoffzulauf hydraulisch verbindet.
Dadurch, dass die ersten Kanäle, welche die Niederdruckversorgung der Pumpenelemente der Radialkolbenpumpe mit Kraftstoff sicherstellen, in das erfindungsgemäße separate Verteilerelement integriert werden und mehr im Pumpengehäuse verlaufen, verringert sich die Komplexität des Pumpengehäuses deutlich.
Da im Pumpengehäuse nach wie vor Hochdruckkanäle verlaufen, welche die Hochdruckseiten der Pumpenelemente mit einem zentralen Hochdruckanschluss der Radialkolbenpumpe verbinden, wird das Pumpengehäuse während des Betriebs mindestens im Bereich der Hochdruckkanäle mit Drücken von über 2000 bar beaufschlagt. Diese hohen Innendrücke führen zu inneren Spannungen. Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe keine Niederdruckkanäle mehr im Pumpengehäuse vorhanden sind, verbessert sich die Hochdruckfestigkeit des Pumpengehäuses.
Des weiteren ist es möglich, das Verteilerelement aus einem anderen Werkstoff als das Pumpengehäuse herzustellen. Da im Verteilerelement nur Kanäle und Bauteile bzw. Baugruppen integriert werden, die mit niedrigen Kraftstoffdrücken, von etwa 5 bis 10 Bar beaufschlagt werden, können bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verteilerelements auch andere Fertigungsverfahren als bei der Herstellung des Pumpengehäuses zum Einsatz kommen. Die vergleichsweise geringe Druckbeanspruchung des Verteilerelements erlaubt auch weitere Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Verteilerelements, so dass sich schon durch die konstruktive Aufteilung der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe in einen Niederdruckbereich, der vom Verteilerelement übernommen wird, und eines Hochdruckbereichs, der ausschließlich dem Pumpengehäuse und den Pumpenelementen angeordnet ist, eine erhebliche Reduktion der Komplexität und Vereinfachung der Herstellung ergibt.
Konsequenterweise können in das Verteilerelement neben den Niederdruckkanälen noch ein Rücklaufstutzen, eine Zumesseinheit, eine Zahnradpumpe, integriert werden. Dadurch ist es möglich, dem Niederdruckbereich zuordenbare Baugruppen in das Verteilerelement zu integrieren und außerhalb der Radialkolbenpumpe vorzumontieren und auf ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Das derart komplettierte und geprüfte Verteilerelement kann anschließend mit wenigen Handgriffen am Pumpengehäuse befestigt werden. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung bei der Montage der Radialkolbenpumpen und es ist möglich, die dem Niederdruckbereich zuzuordnenden Bauteile und Baugruppen in einer gesonderten Montagelinie herzustellen und erst nach Vervollständigung des erfindungsgemäßen Verteilerelements und einer Funktionsprüfung dieses am Pumpengehäuse anzuflanschen.
Um die Befestigung und die Positionierung des Verteilerelements relativ zum Pumpengehäuse einfach und sicher zu gestalten, ist vorgesehen, dass das Pumpengehäuse einen konzentrisch zur Antriebswelle angeordneten Einpass aufweist und dass das Verteilerelement einen mit dem Einpass zusammenwirkenden Vorsprung aufweist. Dadurch kann das Verteilerelement mit dem Vorsprung in den Einpass des Pumpengehäuses eingesetzt und dadurch relativ zum Pumpengehäuse fixiert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauweise ergibt sich, wenn der Einpass hydraulisch mit einem Innenraum des Pumpengehäuses verbunden ist, so dass der Kraftstoffrücklauf direkt über einen Rücklaufkanal im Vorsprung und einen Rücklaufstutzen aus dem Pumpengehäuse herausgeführt werden kann. Dadurch wird schon durch das Anflanschen des Verteilerelements am Pumpengehäuse gleichzeitig auch der Kraftstoffrücklauf der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe angeschlossen.
Um die Montage des erfindungsgemäßen Verteilerelements weiter zu vereinfachen, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der oder die Niederdruckkanäle mittels einer Klipsverbindung mit dem mindestens einen Pumpenelement, insbesondere mit dem Zylinderkopf des Pumpenelements, des oder der Pumpenelemente, dichtend verbunden sind. Dadurch wird durch das zuvor bereits erwähnte Aufstecken des Verteilerelements auf das Pumpengehäuse gleichzeitig auch die Saugseite des oder der Pumpenelemente mit dem Kraftstoffzulauf verbunden.
Selbstverständlich wird in aller Regel im Bereich der Klipsverbindung und im Bereich des Vorsprungs des Verteilerelements und des Einpasses im Pumpengehäuse ein Dichtring, insbesondere ein O-Ring, vorgesehen sein. Da beide Dichtungen nur mit vergleichsweise geringen Drücken, von beispielsweise 5 bis 10 Bar beaufschlagt werden und es sich außerdem um ruhende Dichtungen handelt, ist diese Art der Abdichtung ausreichend.
Selbstverständlich wäre es auch möglich, das Verteilerelement im Bereich der Saugseiten der Pumpenelemente mit den Pumpenelementen zu verschrauben.
Ein Fertigungstechnisch besonders geeigneter Werkstoff für das erfindungsgemäße Verteilerelement ist ein Kunststoff, insbesondere ein temperaturbeständiger und kraftstoffbeständiger Kunststoff. Dann nämlich wäre es möglich, dass erfindungsgemäße durch Spritzgießen herzustellen. Auch können verschiedene Bauteile, wie beispielsweise der Rücklaufstutzen, ein Zulaufstutzen und/oder die Zumesseinheit beim Herstellen des Verteilerelements umspritzt und somit zuverlässig und kostengünstig mit dem Verteilerelement verbunden werden.
Alternativ wäre es auch möglich, das Verteilerelement aus Aluminium, insbesondere aus Aluminiumguss herzustellen. Verglichen mit dem aus hochwertigem Stahlguss oder Grauguss hergestellten Pumpengehäuse sind Kunststoffe und Aluminium sehr viel kostengünstiger und einfacher zu bearbeiten.
Das erfindungsgemäße Verteilerelement kann bei Radialkolbenpumpen mit einem, zwei oder drei sowie auch noch mehr Pumpenelementen mit vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Wenn in das Verteilerelement eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Innenzahnradpumpe integriert ist, ist es in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebswelle mit ihrem flanschseitigen Ende an diese Zahnradpumpe antreibt. Selbstverständlich kann bei Bedarf der Antriebswelle und der Zahnradpumpe eine Kupplung, wie beispielsweise eine Oldham-Kupplung, vorgesehen werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe von der Motorseite aus gesehen,
2 einen Teillängsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
3 einen Teillängsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Ansicht von vorne auf die der nicht dargestellten Brennkraftmaschine zugewandte Seite einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe dargestellt. Die Radialkolbenpumpe umfasst ein Pumpengehäuse 1 in dem eine Antriebswelle 3 drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 3 weist auf der Brennkraftmaschine zugewandten Ende einen Zweikant 5 auf, über welchen sie beispielsweise mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Über einen Flansch 7 wird das Gehäuse 1 an der Bremskraftmaschine mit Hilfe von Befestigungsschrauben, an der Brennkraftmaschine festgeschraubt. Die dazu erforderlichen Durchgangsbohrungen im Flansch 7 haben das Bezugszeichen 9.
In 2 ist das Pumpengehäuse 1 im Teillängsschnitt auf seiner der Brennkraftmaschine abgewandten Seite dargestellt. In dem Pumpengehäuse ist die Antriebswelle 3 drehbar gelagert. In aller Regel handelt es sich hierbei um ein Gleitlager (ohne Bezugszeichen).
Bei dem in den 2 dargestellten Ausführungsbeispiel setzt sich die Lagerbohrung im Pumpengehäuse 1 bis ans Ende des Pumpengehäuses fort und bildet dort einen Einpass 13. In diesem Einpass 13 ist ein Vorsprung 15 eines erfindungsgemäßen Verteilerelements 17 eingeführt. Zwischen Einpass 13 und Vorsprung 15 ist ein Dichtring 19 angeordnet. Das Verteilerelement 17 ist bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere einem temperatur- und kaftstoff- bzw. ölbeständigen Kunststoff, und/oder Aluminium hergestellt.
In das erfindungsgemäße Verteilerelement 17 sind verschiedene Kanäle und Baugruppen aus dem Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems integriert. So ist beispielsweise ein Kraftstoffzulauf 21 an das Verteilerelement 17 angespritzt. Dieser Kraftstoffzulauf 21 kann beispielsweise auch als Metallhülse ausgebildet sein, die in das Spritzwerkzeug eingelegt wird und dann beim Herstellen des Verteilerelements 17 von Kunststoff umschlossen wird. Des weiteren sind in das Verteilerelement 17 eine Zumesseinheit 23 und Niederdruckkanäle 25 integriert.
Der Weg des nicht dargestellten Kraftstoffs durch das Verteilerelement 17 ist wie folgt: Über eine nicht dargestellte Vorförderpumpe wird der unter einem Druck von etwa 5 bis 10 Bar stehende Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf 21 gefördert. Anschließend fließt der Kraftstoff durch einen nicht dargestellten Kanal im Verteilerelement 17 zu einer Eingangsseite der Zumesseinheit 23. Dieser Weg ist in 2 durch einen Pfeil 25 angedeutet. Die Zumesseinheit 23 ermöglicht eine Fördermengenregelung der Radialkolbenpumpe. Zu diesem Zweck weist die Zumesseinheit 23 ein Stellglied 27 auf, das mehrere über den Umfang verteilte Aussparungen 29 aufweist. Diese Aussparungen 29 bilden zusammen mit einer oder mehreren Steueröffnungen 30 eine Drossel mit veränderlichem Strömungswiderstand. Je nach dem wie groß der Strömungswiderstand dieser in der Zumesseinheit 23 realisierten Drossel ist, saugen die Pumpenelemente 11 mehr oder weniger Kraftstoff an. Dadurch wird die Fördermenge der Radialkolbenpumpe gesteuert.
Nachdem der Kraftstoff die Steuerbohrung 31 passiert hat, gelangt er über einen nicht dargestellten Kanal im Verteilerelement 17 in den oder die Niederdruckkanäle 45. Dies ist durch einen Pfeil 31 angedeutet.
Die Niederdruckkanäle 24 sind hydraulisch mit einem Zylinderkopf 33 der Pumpenelemente 11 verbunden. Dies geschieht bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Klipsverbindung 35. Alternativ ist es auch möglich, das Verteilerelement 17 mit dem Zylinderkopf 33 zu verschrauben. Um eine gute Abdichtung zwischen dem Niederdruckkanal 24 des Verteilerelements 17 und dessen Fortsetzung im Zylinderkopf 33 zu erreichen, ist im Zylinderkopf 33 eine Stufenbohrung 37 vorgesehen, die mit einem entsprechend geformten und positionierten zylindrischen Vorsprung 39 des Verteilerelements 17 kompatibel ist. Zwischen der Bohrung 37 und dem Vorsprung 39 ist ein Dichtring 41 angeordnet.
Da es sich bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Radialkolbenpumpe mit drei um 120° versetzt zueinander angeordneten Pumpenelementen 11 handelt, liegt in dem Schnitt entlang der Linie A-A nur der oberhalb einer Längsachse angeordnete Teil des Niederdruckkanals 24 in der Schnittebene, während der unterhalb des der Längsachse befindliche Teil der Niederdruckkanäle 24 außerhalb der Schnittebene und ist daher gestrichelt dargestellt.
Wie aus 2 ersichtlich, ist in dem Gehäuse 1 unterhalb der Antriebswelle 3 eine Rücklaufbohrung 43 vorgesehen, welche einen nicht dargestellten Innenraum des Pumpengehäuses 1 mit dem Einpass 13 im Pumpengehäuse 1 verbindet. Im Vorsprung 15 wiederum ist ein Rücklaufkanal 45 ausgebildet, der in einen Rücklaufstutzen 47 mündet. Der Rücklaufstutzen 47 kann ebenso wie der Kraftstoffzulauf 21 aus Metall hergestellt sein und vor dem Spritzen des Verteilerelements 17 in das Spritzwerkzeug eingelegt werden. Dadurch wird er dichtend und mit dem Verteilerelement 17 verbunden.
Über die Rücklaufbohrung 43, den Einpass 13, den Rücklaufkanal 45 und den Rücklaufstutzen 47 kann somit der im Pumpengehäuse 1 während des Betriebs anfallende Kraftstoffrücklauf in den Tank (nicht dargestellt) zurückgeführt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Leckagemenge der Zumesseinheit 23 in den Rücklaufkanal 45 bzw. den Rücklaufstutzen 47 einzuleiten. Dies ist in 2 nicht dargestellt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch das nahezu alle Kanäle und Baugruppen, die dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe zuzuordnen sind, in das Verteilerelement 17 integriert sind und dadurch die Komplexität des Pumpengehäuses 1 und dessen Anfälligkeit gegenüber Rissen aufgrund der hohen Innendruckbeaufschlagung während des Betriebs deutlich reduziert wird. Daher ist das Pumpengehäuse 1 nicht nur fertigungstechnisch und kostengünstiger und mit geringeren Kosten herstellbar, sondern hat darüber hinaus auch noch eine erhöhte Druckfestigkeit.
Das Verteilerelement 17 und die in ihm integrierten Bauteile und Kanäle können beispielsweise durch Kunststoffspritzen hergestellt bzw. mit dem Verteilerelement 17 verbunden werden, was in aller Regel sehr viel kostengünstiger ist als die Herstellung der Niederdruckkanäle 24 und des Rücklaufkanals 45 in dem Pumpengehäuse 1.
Das Verteilerelement 17 kann dann durch Einsetzen in den Einpass 13 des Pumpengehäuses 1, Herstellen der Klipsverbindung 35 und Verschrauben mit Pumpengehäuse 1 sehr schnell und einfach montiert werden. Die Schraubverbindung 49 ist in 2 nur schematisch durch eine strichpunktierte Linie dargestellt.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verteilerelements 17 dargestellt. Gleiche Bauteile haben das gleiche Bezugszeichen und es gilt das bezüglich der 1 und 2 Gesagte entsprechend. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Pumpenelemente vorhanden, die um 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Infolge dessen sind in 3 auch zwei Zylinderköpfe 33 im Teilschnitt dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Verteilerelement 17 zweiteilig aufgebaut. Ein innerer Bereich 17.1 des Verteilerelements 17 ist aus Aluminium hergestellt, während ein äußerer Bereich 17.2 aus Kunststoffhergestellt ist. Dadurch kann die Verbindung zwischen Verteilerelement 17 und den Zylinderköpfen 33 ebenfalls wieder durch eine Klipsverbindung kostengünstig hergestellt werden. In den inneren Bereich 17.1 des Verteilerelements 17 ist eine Innenzahnradpumpe 51 integriert, die über eine Kupplung 53 mit der Antriebswelle 3 gekoppelt und von dieser angetrieben wird. Die Innenzahnradpumpe 51 ist in ihrer Funktionsweise hinlänglich bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
Die wichtigsten Bauteile der Innenzahnradpumpe 51 sind Antriebsritzel 53, Planetenrad 55 und ein Pumpendeckel 57. Der Pumpendeckel 57 ist über eine Schraubverbindung 59 mit dem inneren Bereich 17.1 des Verteilerelements 17 verschraubt. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass eine weitere Baugruppe des Niederdruckbereichs, nämlich die Vorförderpumpe 51 in das Verteilerelement integriert werden konnte und dadurch eine weitere Vereinfachung des Kraftstoffeinspritzsystems erfolgt ist. Durch die Materialkombination von beispielsweise Aluminium für den inneren Bereich 17.1 des Verteilerelements 17 und Kunststoff für den äußeren Bereich 17.2 des Verteilerelements 17 können die Vorteile beider Werkstoffe miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10221305 A1 [0001]

Claims

1., Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit mindestens einem bezüglich einer in einem Pumpengehäuse (1) gelagerten Antriebswelle (3) radial angeordneten Pumpenelement (11), wobei das mindestens eine Pumpenelement (11) von der Antriebswelle (3) betätigt wird, und mit einem Kraftstoffzulauf (21), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Pumpengehäuse (1) ein Verteilerelement (17) angeordnet ist, dass in dem Verteilerelement (17) mindestens ein Niederdruck-Kanal (24) vorgesehen ist, und dass der mindestens eine Niederdruck-Kanal (24) das oder die Pumpenelemente (11) mit dem Kraftstoffzulauf (21) hydraulisch verbindet.

Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Verteilerelement (17) ein Rücklaufstutzen (47), ein Rücklaufkanal (45), eine Zumesseinheit (23), eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Innenzahnradpumpe (51), und/oder ein einstufiges oder ein zweistufiges Überströmventil integriert sind.

Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (1) einen konzentrisch zur Antriebswelle (3) angeordneten Einpass (13) aufweist, und dass das Verteilerelement (17) einem mit dem Einpass (13) zusammenwirkenden Vorsprung (15) aufweist.

Radialkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpass (13) mindestens mittelbar mit einem Innenraum des Pumpengehäuses (1) hydraulisch verbunden ist (43), und dass in dem Vorsprung (15) des Verteilerelements (17) ein mit dem Rücklaufstutzen (47) hydraulisch in Verbindung stehender Rücklaufkanal (45) vorgesehen ist.

Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Pumpenelement (11) einen Kolben, eine Zylinderbohrung und einen Zylinderkopf (33) aufweist, und dass auf der Saugseite des Pumpenelements (11) ein erstes Rückschlagventil angeordnet ist.

Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Niederdruck-Kanäle (24) des Verteilerelements (17) mittels einer Klipsverbindung (35) mit dem mindestens einen Pumpenelement (11), insbesondere mit dem Zylinderkopf (33) des oder der Pumpenelemente (11), dichtend verbunden sind.

Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerelement (17) mindestens teilweise aus Kunststoff (17.2), insbesondere aus temperaturbeständigem und kraftstoffbeständigem Kunststoff, und/oder aus Aluminium (17.1) besteht.

Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialkolbenpumpe ein, zwei oder drei Pumpenelemente (11) aufweist.

Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (3) mit ihrem dem Verteilerelement (17) zugewandten Ende eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Innenzahnradpumpe (51) antreibt.