DE102010042295A1 - High pressure pump and engine for a high pressure pump - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine, welche zumindest einen Pumpenkolben aufweist, welcher durch die Drehung einer Antriebswelle um eine Drehachse herum über zumindest einen an der Antriebswelle angeordneten Nocken und eine an dem Pumpenkolben angeordnete Stößelbaugruppe in einer Hubbewegung in im Wesentlichen radialer Richtung zu einer Drehachse der Antriebswelle angetrieben wird, wobei die Stößelbaugruppe eine Laufrolle mit einer Laufrollenmantelfläche aufweist, welche in Kontakt mit einer Lauffläche des Nockens steht, wobei der Nocken an seiner Lauffläche und/oder die Laufrollenmantelfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Elastomer aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Triebwerk für eine Hochdruckpumpe, welches eine mit zumindest einem Nocken versehene Antriebswelle und eine in einem Rollenschuh angeordnete Laufrolle aufweist, wobei eine Laufrollenmantelfläche der Laufrolle mit einer Lauffläche des Nockens in Wälzkontakt stehen, wobei die Lauffläche des Nockens und/oder die Laufrollenmantelfläche der Laufrolle zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Elastomer aufweist.The invention relates to a high-pressure pump for a fuel injection device of an internal combustion engine, which has at least one pump piston, which by rotating a drive shaft about an axis of rotation via at least one cam arranged on the drive shaft and a tappet assembly arranged on the pump piston in a stroke movement in a substantially radial direction is driven to an axis of rotation of the drive shaft, wherein the tappet assembly has a roller with a roller surface that is in contact with a tread of the cam, the cam on its tread and / or the roller surface is at least partially provided with a coating that is an elastomer having. The invention further relates to an engine for a high-pressure pump, which has a drive shaft provided with at least one cam and a roller arranged in a roller shoe, wherein a roller surface of the roller is in rolling contact with a tread of the cam, the tread of the cam and / or The roller surface of the roller is at least partially provided with a coating which has an elastomer.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Triebwerk für eine Hochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The present invention relates to a high pressure pump for a fuel injection device of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and an engine for a high pressure pump according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Zum Beaufschlagen des Kraftstoffs mit Hochdruck in einem Kraftstoffeinspritzsystem, wie beispielsweise in einem Common-Rail-System, werden unter anderem Hochdruckpumpen mit Radialkolben mit einem oder mehreren Pumpenkolben eingesetzt, welche von einer Antriebswelle mittelbar beispielsweise über einen Nocken oder einen Exzenter in eine Hubbewegung versetzt werden, um einen Saughub und einen Druckhub auszuführen. Während des Saughubs wird Kraftstoff in einen Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe eingesaugt, und während des Druckhubs wird der angesaugte Kraftstoff komprimiert und an den Hochdruckspeicher des Common-Rail-Systems ausgegeben.For pressurizing the fuel at high pressure in a fuel injection system, such as in a common rail system, among other high pressure pumps with radial piston with one or more pump pistons are used, which are indirectly offset by a drive shaft, for example via a cam or an eccentric in a stroke to perform a suction stroke and a pressure stroke. During the suction stroke, fuel is sucked into a pump working space of the high pressure pump, and during the pressure stroke, the sucked fuel is compressed and output to the high pressure accumulator of the common rail system.
Bei den bekannten Hochdruckpumpen wird üblicherweise ein Rollennockenantrieb mit einer in einem Rollenschuh angeordneten Laufrolle eingesetzt.In the known high pressure pumps usually a roller cam drive is used with a arranged in a roller shoe roller.
Beispielsweise ist in
Die immer höheren Drücke in der Diesel-Common-Rail-Technologie setzen jedoch insbesondere die Triebwerke der Hochdruckpumpen einer hohen Belastung hinsichtlich Ermüdung oder Verschleiß aus. Die oben beschriebenen Triebwerke, die aus Nocken- bzw. Antriebswelle, Nocken, Laufrolle und Rollenschuh bestehen sind dabei verschiedenen tribologischen Belastungen ausgesetzt.However, the ever higher pressures in the diesel common rail technology, in particular, put the engines of high-pressure pumps of a high load in terms of fatigue or wear. The engines described above, which consist of cam or drive shaft, cam, roller and roller shoe are exposed to different tribological loads.
Typischerweise sind der Nocken und die Laufrolle jeweilig aus sehr hartem Stahl hergestellt, wobei Kraftstoff zwischen dem Nocken und der Laufrolle eine Zwischenschicht in Form eines Schmierfilms bildet. Bedingung für einen idealen Betrieb des Triebwerks ist, das immer ein kleiner jedoch nicht zu großer Schmierfilm zwischen Nocken und Laufrolle vorhanden ist. Da die Laufrolle selbst in einem Gleitlager in dem Rollenschuh geführt ist, ist es notwendig, dass die sogenannte „Haftung” zwischen der Laufrolle und dem Nocken gegenüber dem Gleitwiderstand groß genug ist, um eine permanente Drehung aufrecht zu erhalten. Wird eine permanente Drehung vorgesehen, so wird ebenfalls der Schmierfilm, der eine Art Schutzschicht gegenüber dem direkten Metall-Metall Kontakt darstellt, der zu Verschleiß beispielsweise in Form von Adhäsionsschäden führen kann, permanent zwischen den Wälzpartnern erzeugt. Ist die Schmierfilm-Schutzschicht zu groß, kann jedoch die Rollbewegung durch die fehlende Haftung nicht mehr gesichert werden. Dies würde zu einem Stillstand der Laufrolle führen („Aquaplaning-Efffekt”), was wiederum den Schmierfilm durch die fehlende Rollbewegung schlagartig abbaut und zu einem Einschlagen der Laufrolle auf die Nockenwelle mit anschließendem Adhäsionsverschleiß führt. Problematisch sind besonders Kraftstoffe minderer Qualität. Hier kann es passieren, dass der Schmierspalt sich nicht richtig aufbaut und zunehmend Metall-Metall Kontakte zustande kommen, die letztendlich zu Verschleiß und Ausfall des Triebwerks führen.Typically, the cam and roller are each made of very hard steel, with fuel forming an intermediate layer in the form of a lubricating film between the cam and the roller. Condition for an ideal operation of the engine is that there is always a small but not too large lubricating film between the cam and roller. Since the roller itself is guided in a sliding bearing in the roller shoe, it is necessary that the so-called "adhesion" between the roller and the cam against the sliding resistance is large enough to maintain a permanent rotation. If a permanent rotation is provided, then also the lubricating film, which is a kind of protective layer against the direct metal-metal contact, which can lead to wear, for example in the form of adhesion damage, permanently generated between the Wälzpartnern. If the lubricating film protective layer is too large, however, the rolling motion can no longer be ensured by the lack of adhesion. This would lead to a standstill of the roller ("aquaplaning effect"), which in turn abruptly degrades the lubricating film by the lack of rolling motion and leads to a turning of the roller on the camshaft with subsequent Adhäsionsverschleiß. Particularly problematic are fuels of inferior quality. Here it can happen that the lubricating gap does not build up properly and increasingly metal-metal contacts come about, which ultimately lead to wear and failure of the engine.
Die zunehmende Forderung nach höheren Drücken und Kraftstofftemperaturen und die Bedienung von Märkten mit schlechtschmierenden oder niederviskosen Kraftstoffen erfordert daher eine Optimierung des bestehenden Systems.The increasing demand for higher pressures and fuel temperatures and the servicing of markets with poorly lubricating or low viscosity fuels therefore requires optimization of the existing system.
Um ein Versagen der Hochdruckpumpe aufgrund einer mangelnden Schmiermittelversorgung zu vermeiden, ist es im Stand der Technik bekannt, die Kontaktflächen am Wälzkontakt des Triebwerks beispielsweise einer Oberflächenbehandlung wie beispielsweise einem Nitrieren zu unterziehen oder die Kontaktflächen mit einer Beschichtung zu überziehen.In order to avoid a failure of the high pressure pump due to a lack of lubricant supply, it is known in the art to subject the contact surfaces on the rolling contact of the engine, for example, a surface treatment such as nitriding or to coat the contact surfaces with a coating.
In
Eine Beschichtung mit den oben genannten Materialien verhindert zwar aufgrund ihrer Duktilität, dass aufgrund von Materialsprödigkeit sogenannte Pittings an den Gleitflächen entstehen. Eine Gewährleistung des zuverlässigen Abrollens des Nockens und der Laufrolle zum Sicherstellen des notwendigen Schmierfilms am Wälzkontakt kann hierdurch jedoch nicht erzielt werden.Due to their ductility, a coating with the above-mentioned materials prevents so-called pittings on the sliding surfaces due to material brittleness. A guarantee of reliable rolling of the cam and the roller for ensuring the necessary lubricating film on the rolling contact can not be achieved thereby.
Daher ist es wünschenswert, eine Hochdruckpumpe mit einem Triebwerk zu schaffen, bei dem im Bereich des Wälzkontakts zwischen der Laufrolle und dem Nocken eine permanente Haftung und somit eine permanente Drehung sichergestellt wird, um den Verschleiß und die Materialermüdung des Triebwerks zu reduzieren.Therefore, it is desirable to provide a high pressure pump with an engine that will provide permanent adhesion and thus permanent rotation in the area of rolling contact between the roller and the cam to reduce engine wear and fatigue.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine bereitgestellt, welche zumindest einen Pumpenkolben aufweist, welcher durch die Drehung einer Antriebswelle um eine Drehachse herum über zumindest einen an der Antriebswelle angeordneten Nocken und eine an dem Pumpenkolben angeordnete Stößelbaugruppe in einer Hubbewegung in im Wesentlichen radialer Richtung zu einer Drehachse der Antriebswelle angetrieben wird, wobei die Stößelbaugruppe eine Laufrolle mit einer Laufrollenmantelfläche aufweist, welche in Kontakt mit dem Nocken steht, wobei der Nocken an seiner Lauffläche und/oder die Laufrollenmantelfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Elastomer aufweist. Durch Vorsehen des Elastomers auf der Lauffläche des Nockens oder auf der Laufrollenmantelfläche wird der Wälzkontakt zwischen der Laufrolle und dem Nocken, an dem Kräfte von ungefähr 8000 N auftreten, deutlich verbessert. Es wird ein optimaler Betrieb ermöglicht, bei dem ein Abwälzen des Rollenkörpers auf der Nocke mit geringem Gleitschlupf stattfindet. Die Beschichtung besitzt eine hohe Adhäsionskraft, was bedeutet, dass sie in der Lage ist, die Laufrolle zuverlässig anzutreiben und hat dabei darüber hinaus den Vorteil, dass sich die Beschichtung in der Regel nur elastisch verformt, also seine Ursprungsform wiederherstellt und damit keinen direkten Verschleiß durch plastische Verformung zulässt. Adhäsionsverschleiß im Triebwerk und ein vorzeitiger Ausfall der Hochdruckpumpe werden durch die erfindungsgemäße Konfiguration effektiv vermieden. Besonders in kraftstoffkritischen Märkten oder bei hohen Belastungen ist die Elastomerbeschichtung im Bereich des Wälzkontaktes besonders hilfreich.According to the invention, a high-pressure pump is provided for a fuel injection device of an internal combustion engine, which has at least one pump piston, which by the rotation of a drive shaft about an axis of rotation about at least one arranged on the drive shaft cams and arranged on the pump piston plunger assembly in a lifting movement in a substantially radial direction is driven to an axis of rotation of the drive shaft, wherein the plunger assembly has a roller with a roller shell surface, which is in contact with the cam, wherein the cam is provided on its tread and / or the roller shell surface at least partially with a coating having an elastomer. By providing the elastomer on the tread of the cam or on the roller skirt surface, the rolling contact between the roller and the cam, at which forces of approximately 8000 N occur, is significantly improved. It is an optimal operation allows in which a rolling of the roller body takes place on the cam with low slip. The coating has a high adhesion, which means that it is able to reliably drive the roller and has the additional advantage that the coating usually only elastically deformed, so restores its original shape and thus no direct wear plastic deformation allows. Adhäsionsverschleiß in the engine and premature failure of the high-pressure pump are effectively avoided by the configuration of the invention. Particularly in fuel-critical markets or at high loads, the elastomer coating in the area of rolling contact is particularly helpful.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung an einem Hochlauf des Nockens vorgesehen. Der Hochlauf des Nockens stellt eine hochbelastete Stelle im Triebwerk dar, wo ein Schlupfen der Laufrolle massive Schäden verursachen kann. Eine Beschichtung insbesondere in diesem Bereich verhindert diese möglichen Schäden effektiv.According to a preferred embodiment, the coating is provided at a run-up of the cam. The run-up of the cam is a highly stressed point in the engine, where slipping of the caster can cause massive damage. A coating especially in this area effectively prevents these possible damages.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Beschichtung und der Lauffläche des Nockens zumindest eine Haftvermittlerschicht angeordnet.According to yet a preferred embodiment, at least one adhesion promoter layer is arranged between the coating and the running surface of the cam.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung zumindest eines der Materialien aus der Gruppe bestehend aus Silikonkautschuk, Silikon, Kautschuk, Gummi oder Latex. Wichtig bei der Auswahl des geeigneten Materials ist, dass es kraftstoffresistent, flexibel und hochadhäsiv ist. Es können auch silikonhaltige, kautschukhaltige, gummihaltige, latexhaltige oder andere elastische Materialien für die Beschichtung verwendet werden, die in der Regel in flüssiger, fester oder pulverförmiger Form vorliegen.According to yet another preferred embodiment, the coating comprises at least one of the materials selected from the group consisting of silicone rubber, silicone, rubber, rubber or latex. Important when choosing the right material is that it is fuel-resistant, flexible and highly adhesive. It is also possible to use silicone-containing, rubber-containing, rubber-containing, latex-containing or other elastic materials for the coating, which as a rule are in liquid, solid or pulverulent form.
Vorzugsweise wird dem Elastomer, insbesondere dem Kautschuk und dem Gummi, zumindest ein Additiv und/oder zumindest einen Füllstoff, zugesetzt. Vorzugsweise ist der Füllstoff eine pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure oder Ruß. In einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher Silikonkautschuk als Beschichtungsmaterial verwendet wird, umfasst der Füllstoff vorzugsweise Diatomenerde, Quarz oder Ruß. Vorzugsweise wird dem Silikonkautschuk als Additiv eine Vernetzungschemikalie, insbesondere Peroxid oder ein Platinkatalysator, zugesetzt.Preferably, at least one additive and / or at least one filler is added to the elastomer, in particular the rubber and the rubber. Preferably, the filler is a fumed silica, precipitated silica or carbon black. In a preferred embodiment, in which silicone rubber is used as the coating material, the filler preferably comprises diatomaceous earth, quartz or carbon black. Preferably, a crosslinking chemical, in particular peroxide or a platinum catalyst, is added to the silicone rubber as additive.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dem Elastomer ein Weichmacher, insbesondere ein Weichmacher auf Silikonpolymerbasis, zugesetzt.According to yet another preferred embodiment, a plasticizer, in particular a silicone polymer-based plasticizer, is added to the elastomer.
Vorzugsweise ist dem Beschichtungsmaterial eine Zusatzsubstanz zur Verbesserung der Dehnungseigenschaften und der Rissfestigkeit, insbesondere Kieselsäure, beigemischt. Besonders bevorzugt ist die Zugabe von Kieselsäure bei silikonhaltigen Materialien.Preferably, an additional substance for improving the elongation properties and the crack resistance, in particular silica, is added to the coating material. Particularly preferred is the addition of silica in silicone-containing materials.
Es ist auch bevorzugt, wenn die beigemischte Kieselsäure mit einem Gewichtsprozentanteil beigemischt wird, der zwischen 1 Gew.-% (Gewichtsprozent) und 30 Gew.-%, insbesondere zwischen 5 Gew.-% und 15 Gew.-%, liegt.It is also preferred if the admixed silica is admixed with a weight percentage ranging between 1% by weight (weight percent) and 30% by weight, especially between 5% and 15% by weight.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Elastomer farblos und weist eine Dichte in einem Bereich von 1,05 bis 1,14 g/cm3, eine Härte in einem Bereich von 20 bis 55 Shore A, eine Reißfestigkeit in einem Bereich von 6,0 bis 12,0 N/mm2, eine Reißdehnung in einem Bereich von 500 bis 1300%, einen Weiterreißwiderstand in einem Bereich von 15 bis 30 N/mm, eine Rückprallelastizität in einem Bereich von 50 bis 70% und eine Druckverformungsresistenz (22 h/175°C) in einem Bereich von 10 bis 30% auf.According to a preferred embodiment, the elastomer is colorless and has a density in a range of 1.05 to 1.14 g / cm 3 , a hardness in a range of 20 to 55 Shore A, a tear strength in a range of 6.0 to 12.0 N / mm 2 , an elongation at break in a range of 500 to 1300%, a tear resistance in a range of 15 to 30 N / mm, a rebound resilience in a range of 50 to 70% and a compression set resistance (22 h / 175 ° C) in a range of 10 to 30%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest teilweise Beschichtung durch Eintauchen mit anschließendem Trocknen und Polymerisieren hergestellt. According to a further preferred embodiment, the at least partial coating is produced by immersion with subsequent drying and polymerization.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest teilweise Beschichtung mittels Spritzguss, Bedampfen oder Aufwalzen auf die Lauffläche des Nockens und/oder die Laufrollenmantelfläche aufgebracht.According to yet another preferred embodiment, the at least partial coating is applied by means of injection molding, steaming or rolling on the running surface of the cam and / or the roller surface area.
Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Beschichtung eine Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 50 nm bis 5 μm, insbesondere in einem Bereich von 2 μm bis 3 μm, liegt.Moreover, it is particularly preferred if the coating has a layer thickness which is in a range of 50 nm to 5 μm, in particular in a range of 2 μm to 3 μm.
Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein Triebwerk für eine Hochdruckpumpe bereitgestellt, welches eine mit zumindest einem Nocken versehene Antriebswelle und eine in einem Rollenschuh angeordnete Laufrolle aufweist, wobei eine Laufrollenmantelfläche der Laufrolle mit einer Lauffläche des Nockens in Wälzkontakt stehen, wobei die Lauffläche des Nockens und/oder die Laufrollenmantelfläche der Laufrolle zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus einem Elastomer versehen ist. Das erfindungsgemäße Triebwerk weist durch den durch die Elastomerschicht optimierten Wälzkontakt keinen Adhäsionsverschleiß auf und verursacht somit keinen vorzeitigen Ausfall der Hochdruckpumpe, auch bei Verwendung niederviskoser oder schlechtschmierender Kraftstoffe.According to the invention, there is further provided an engine for a high-pressure pump which has a drive shaft provided with at least one cam and a roller arranged in a roller shoe, wherein a roller surface of the roller is in rolling contact with a running surface of the cam, the running surface of the cam and / or or the roller shell surface of the roller is at least partially provided with a coating of an elastomer. Due to the rolling contact optimized by the elastomer layer, the engine according to the invention has no adhesion wear and thus does not cause premature failure of the high-pressure pump, even when using low-viscosity or poorly lubricating fuels.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Nachfolgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Die Hochdruckpumpe
Der Pumpenarbeitsraum
Dem Pumpenelement
Die Stößelbaugruppe
Bei Drehung der Antriebswelle
Sowohl der Nocken
Mittels der erfindungsgemäßen Konfiguration kann effektiv ein Triebwerk
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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