DE102011082740A1

DE102011082740A1 - Kolbenpumpe mit einem Gehäuse und mindestens einem in einer Kolbenführung des Gehäuses angeordneten axial bewegbaren Kolben

Info

Publication number: DE102011082740A1
Application number: DE102011082740A
Authority: DE
Inventors: Tilla Haubold; Matthias Schumacher; Bernd Schroeder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: DE102011082740B4; WO2013037555A1

Abstract

Es wird eine Kolbenpumpe (24) mit einem Gehäuse (34) und mindestens einem in einer Kolbenführung des Gehäuses (34) angeordneten axial bewegbaren Kolben (48) beschrieben, wobei der Kolben (48) und/oder die Kolbenführung jeweils einstückig nach einem Verfahren des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens hergestellt sind/ist, und wobei ein dem jeweils anderen Teil zugewandter Oberflächenbereich des Kolbens (48) und/oder der Kolbenführung aus einem härteren Material hergestellt ist als ein oberflächenferner Bereich.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren nach dem nebengeordneten Patentanspruch.
Vom Markt her bekannt sind Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Ottomotoren und Dieselmotoren, welche eine oder mehrere Hochdruckpumpen aufweisen. Diese Hochdruckpumpen arbeiten häufig nach dem so genannten "Radialkolbenprinzip" und werden tribologisch stark belastet. Bei Dieselmotoren erfolgt dies insbesondere wegen des vergleichsweise hohen Förderdrucks, und bei Ottomotoren wegen der vergleichsweise schlechten Schmiereigenschaften des Kraftstoffs (Benzin). Darüber hinaus können – insbesondere bei Ottomotoren – hohe Kraftstofftemperaturen eine Dampfblasenbildung des Kraftstoffs und damit eine lokale Überhitzung aufgrund einer stark verminderten Wärmeabfuhr bewirken. Im Überlastungsfall kann ein Kolben der Hochdruckpumpe die zugehörige Laufbuchse daher beschädigen oder sogar in der Laufbuchse festklemmen.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe nach Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine Kolbenpumpe einer Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine besonders einfach und robust hergestellt werden kann. Dabei kann ein Gehäuse bzw. ein Element des Gehäuses der Kolbenpumpe eine verminderte Masse aufweisen. Insbesondere kann auch ein Kolben der Kolbenpumpe eine geringere Masse aufweisen. Die erfindungsgemäß hergestellten Elemente können an tribologisch stärker beanspruchten Oberflächen besonders verschleißfest ausgeführt sein. Weiterhin können eine Laufbuchse für den Kolben gemeinsam mit dem Gehäuse bzw. einem Element des Gehäuses hergestellt und Kosten gesenkt werden.
Die Kolbenpumpe ("Radialkolbenpumpe") umfasst ein Gehäuse und mindestens einen in einer Kolbenführung des Gehäuses angeordneten axial bewegbaren Kolben. Erfindungsgemäß sind bzw. ist der Kolben und/oder die Kolbenführung jeweils einstückig nach einem Verfahren des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens hergestellt. Dabei ist ein dem jeweils anderen Teil zugewandter Oberflächenbereich des Kolbens und/oder der Kolbenführung aus einem härteren Material hergestellt als ein oberflächenferner Bereich.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die Technik des Zweikomponenten-Pulverspritzgießens (2K-PIM, "2-Komponenten powder injection molding") auf den Kolben der Kolbenpumpe und/oder die Kolbenführung anzuwenden. Mittels der Verwendung unterschiedlich harter Materialien kann der Kolben bzw. die Kolbenführung optimal an seine bzw. ihre Aufgabe angepasst sein, indem ein jeweils tribologisch beanspruchter Oberflächenbereich aus einem besonders harten Material hergestellt ist. Zudem können durch die einstückige Bauweise des Kolbens bzw. der Kolbenführung gegebenenfalls Herstellschritte und/oder Montageschritte eingespart werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Kern des Kolbens aus einem ersten Material und ein Mantel des Kolbens aus einem zweiten Material hergestellt ist, welches härter als das erste Material ist. Dadurch werden Abschnitte des Kolbens in Abhängigkeit von ihrer spezifischen Funktion aus einem jeweils dafür besonders geeigneten Material hergestellt.
Besonders nützlich ist es, wenn der Kern des Kolbens als Hohlzylinder ausgeführt ist. Dadurch kann die bewegte Masse der Kolbenpumpe vermindert und eine Antriebsleistung der Kolbenpumpe gegebenenfalls reduziert werden. Eine Wandstärke des Hohlzylinders kann dabei minimiert sein, wobei die erforderliche Mindestwandstärke in Abhängigkeit von einer jeweiligen Bauteilfestigkeit sowie den Anforderungen an die Herstellbarkeit bestimmt sind.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das härtere Material der Kolbenführung eine Laufbuchse für den Kolben bildet. Somit weisen – vergleichbar zum Kolben – die Abschnitte der Kolbenführung in Abhängigkeit von ihrer spezifischen Funktion ein jeweils besonders geeignetes Material auf. Dadurch kann die Laufbuchse als Reibpartner des Kolbens mittels der Zweikomponententechnik als vergleichsweise dünne und besonders verschleißfeste Schicht zusammen mit einem Element bzw. Abschnitt des Gehäuses einstückig als "Kolbenführung" hergestellt sein. Eine separate Laufbuchse ist nicht erforderlich. Gegebenenfalls kann sogar die Größe der Kolbenpumpe insgesamt verringert werden.
Die Kolbenpumpe wird ergänzend verbessert, wenn das Gehäuse oder mindestens ein Element des Gehäuses nach einem Verfahren des Pulverspritzgießens hergestellt ist. Dadurch ist es auch für übrige Abschnitte der Kolbenpumpe möglich, das Gehäuse auf besonders vielfältige Weise zu gestalten und die Masse zu reduzieren. Für diese Elemente kann ein Einkomponenten-Pulverspritzgießen ein geeignetes Herstellverfahren sein. Beispielsweise können Anschlüsse der Kolbenpumpe unsymmetrisch ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Wandstärke des Gehäuses bzw. des Gehäuseelements möglichst konstant ausgeführt ist. Dadurch können unerwünschte Materialanhäufungen im Wesentlichen vermieden werden, wobei die Masse reduziert und Kosten gesenkt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren des Pulverspritzgießens und/oder des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens Metall-Pulverspritzgießen (MIM, "metal injection molding") und/oder Keramik-Pulverspritzgießen (CIM, "ceramic injection molding") umfasst. Dadurch kann eine jeweils optimale Kombination von Materialen für die Kolbenpumpe genutzt werden. Vorzugsweise wird ein kostengünstiges, kraftstoffbeständiges erstes Material ("Grundwerkstoff") verwendet, und daran bzw. darauf ein besonders hartes zweites Material, welches ebenfalls kraftstoffbeständig ist, einstückig angeordnet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Mantel des Kolbens und/oder die Laufbuchse Hartmetall, Keramik, insbesondere Zirkoniumdioxid umfasst. Diese Materialien sind besonders geeignet, um den Kolben verschleißfest in der Laufbuchse bzw. in dem als Laufbuchse verwendeten Abschnitt der Kolbenführung zu führen.
Ergänzend sieht die Erfindung vor, dass der Kern und der Mantel und/oder das Gehäuse bzw. ein Element des Gehäuses und die Laufbuchse einen zumindest ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Somit kann beim gemeinsamen Sintern der Komponenten eine stabile und spannungsarme Verbindung entstehen. Im Betrieb der Kolbenpumpe können die jeweiligen Reibpartner im Wesentlichen unabhängig von der aktuellen Betriebstemperatur optimal zusammenwirken.
Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn die Kraftstoffpumpe eine Kraftstoff-Förderpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist. Die bei derartigen Pumpen vorliegenden Betriebsbedingungen, wie beispielsweise ein hoher Förderdruck und/oder eine schlechte Schmiereigenschaft des zu fördernden Mediums (Kraftstoff), erfordern eine besonders präzise und dauerhafte Führung des Kolbens in der Laufbuchse. Dies wird durch die erfindungsgemäße Herstellung des Kolbens bzw. der Kolbenführung bzw. des Gehäuses bzw. von Gehäuseelementen nach dem Verfahren des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens bzw. des Einkomponenten-Pulverspritzgießens einfach und kostengünstig ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe wird vorzugsweise so gefertigt, dass der Kern und der Mantel und/oder das Gehäuse bzw. ein Element des Gehäuses und die Laufbuchse jeweils als ein gemeinsames Grünteil hergestellt und danach gemeinsam einem Sinterprozess zugeführt werden. Damit werden zwei besonders geeignete Verfahrensschritte zur Herstellung der Kolbenpumpe beschrieben.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Kraftstofffördereinrichtung einer Brennkraftmaschine;
2 eine Kolbenpumpe der Kraftstofffördereinrichtung in einer Schnittdarstellung; und
3 eine Grundform eines Kolbens.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine Kraftstofffördereinrichtung 10 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, und über ein von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 20 ("Elektromagnet") betätigbares Mengensteuerventil 22 einer Hochdruckpumpe – nachfolgend als Kolbenpumpe 24 bezeichnet – zugeführt. Stromabwärts ist die Kolbenpumpe 24 über eine Hochdruckleitung 26 an einen Hochdruckspeicher 28 ("Common Rail") angeschlossen. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Kolbenpumpe 24, sind in der 1 nicht gezeichnet. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 20 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 30 angesteuert.
Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 22 auch als Baueinheit mit der Kolbenpumpe 24 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 22 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Kolbenpumpe 24 sein.
Beim Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Dabei steuert das Mengensteuerventil 22 die einem Arbeitsraum 25 der Kolbenpumpe 24 zugeführte Kraftstoffmenge. Das Mengensteuerventil 22 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Der Kraftstoff ist beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff.
2 zeigt die Kolbenpumpe 24 der Kraftstofffördereinrichtung 10 in einer axialen Schnittdarstellung. Die Kolbenpumpe 24 ist zumindest teilweise um eine Längsachse 32 rotationsymmetrisch angeordnet.
Die Kolbenpumpe 24 umfasst ein Gehäuse 34, welches mittels eines Flansches 36 an einem – nicht dargestellten – Motorblock einer Brennkraftmaschine anschraubbar ist. Das Gehäuse 34 weist außerdem mehrere hydraulische Verbindungen 39, 41 und 43 auf, welche vorliegend als Bohrungen in dem Gehäuse 34 ausgeführt sind. Im in der Zeichnung oberen Bereich umfasst die Kolbenpumpe 24 einen stirnseitigen Gehäuseabschnitt 38 ("Deckel"), sowie einen Einlass 40 zum Anschluss an die Niederdruckleitung 18. In dem Gehäuseabschnitt 38 ist ein Druckdämpfer 42 angeordnet.
Im in der Zeichnung linken Bereich weist die Kolbenpumpe 24 einen zweiten Einlass 44 zum Anschluss an die Niederdruckleitung 18 auf. Ein Auslassanschluss zur Hochdruckleitung 26 ist in der 2 nicht dargestellt. Im in der Zeichnung mittleren Bereich umfasst die Kolbenpumpe 24 den im Wesentlichen zylinderförmigen Arbeitsraum 25, dessen Längsachse 62 (siehe 3) parallel zu der Längsachse 32 ausgerichtet ist bzw. der Längsachse 32 gleich ist. Weiterhin ist in dem Arbeitsraum 25 ein vertikal bewegbarer Kolben 48 angeordnet. Der Kolben 48 umfasst einen als Hohlzylinder ausgeführten Kern 50, welcher in einem in der Zeichnung oberen Abschnitt einen ersten Durchmesser (ohne Bezugszeichen) aufweist, und in einem unteren Abschnitt einen zweiten, kleineren Durchmesser (ohne Bezugszeichen) aufweist.
Auf dem radialen Umfang des oberen Abschnitts des Kolbens 48 ist ein erster Mantel 52a angeordnet, dessen äußerer Durchmesser entsprechend einer Dicke des Mantels 52a größer ist als der erste Durchmesser des Kerns 50. Der Mantel 52a ist in einer zylinderförmigen Laufbuchse 53 radial geführt. Die Laufbuchse 53 bildet zusammen mit einem umgebenden Abschnitt des Gehäuses 34 eine Kolbenführung (ohne Bezugszeichen) für den Kolben 48.
An dem radialen Umfang des unteren Abschnitts des Kolbens 48 ist ein zweiter Mantel 52b vertieft angeordnet, derart, dass ein äußerer Durchmesser des Mantels 52b in etwa dem zweiten Durchmesser des Kerns 50 entspricht. Die axialen Längen des ersten Mantels 52a und des zweiten Mantels 52b sind etwas kleiner als die jeweiligen axialen Längen des oberen bzw. unteren Abschnitts des Kerns 50.
Der Kern 50 des Kolbens 48 ist zusammen mit dem Mantel 52a und dem Mantel 52b einstückig nach einem Verfahren des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens hergestellt. Dabei ist der Kern 50 aus einem ersten Material und der Mantel 52a bzw. 52b jeweils aus einem zweiten Material hergestellt, welches härter als das erste Material ist. Das zweite Material besteht vorliegend aus Zirkoniumdioxid (ZrO2).
Die Laufbuchse 53 bildet zusammen mit dem umgebenden Abschnitt des Gehäuses 34 die Kolbenführung, welche somit ebenfalls einstückig nach einem Verfahren des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens hergestellt ist. Dabei ist – entsprechend zum Kolben 48 – das Gehäuse 34 aus dem ersten Material und die Laufbuchse 53 aus dem Material Zirkoniumdioxid hergestellt. Vorzugsweise ist die Laufbuchse 53 als besonders dünne Materialschicht an dem Gehäuse 34 ausgebildet.
Zur Herstellung des Kolbens 48 bzw. des Gehäuses 34 werden zum einen der Kern 50 und der Mantel 52a und 52b, sowie zum andern das Gehäuse 34 und die Laufbuchse 53 jeweils als gemeinsame Grünteile hergestellt und danach einem Sinterprozess zugeführt. Es versteht sich, dass darüber hinaus weitere Elemente der Kolbenpumpe 24 – beispielsweise der Einlass 40, der zweite Einlass 44 oder sonstige Elemente des Gehäuses 34 – nach einem Verfahren des Pulverspritzgießens und/oder des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens hergestellt sein können. Unter anderem können dadurch bestimmte Materialanhäufungen, wie sie bei spanenden Verfahren fertigungstechnisch bedingt sind, vermieden oder zumindest klein gehalten werden. Das Verfahren des Pulverspritzgießens und/oder des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens zur Herstellung der Kolbenpumpe 24 bzw. der in der Kolbenpumpe 24 angeordneten Elemente kann Metall-Pulverspritzgießen und/oder Keramik-Pulverspritzgießen umfassen. Vorzugsweise weisen die jeweils durch das 2-Komponenten-Pulverspritzgießen miteinander verbundenen Komponenten einen zumindest ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
Am in der Zeichnung unteren Abschnitt des Gehäuses 34 ist eine in etwa topfförmig ausgebildete Federaufnahme 54 angeordnet, welche einen in der Zeichnung oberen Endabschnitt einer Schraubenfeder 56 aufnimmt. Die Schraubenfeder 56 ist in Richtung der Längsachse 32 stauchbar. Ein unterer Endabschnitt der Schraubenfeder 56 ist an einem Federteller 58 angeschlagen, in welchen ein unterer Endabschnitt des Kerns 50 eingepresst ist. Der Mantel 52b wird in einer Führung 60 radial geführt, welche starr mit der Federaufnahme 54 gekoppelt und vorzugsweise in diese eingepresst ist. Unterhalb des Federtellers 58 sind ein Rollenstößel sowie eine auf einer Lauffläche einer Nocke laufende Rolle angeordnet, welche in der 2 jedoch nicht mit dargestellt sind. Sonstige zum Betrieb der Kolbenpumpe 24 erforderliche Elemente, wie beispielsweise weitere hydraulische Verbindungen, Ventile oder Ventilelemente sind in der Schnittdarstellung der 2 ebenfalls nicht gezeigt bzw. nicht sichtbar.
In einer Ansaugphase der Kolbenpumpe 24 wird der Kolben 48 bei einer entsprechenden Nockenstellung mittels der Kraft der Schraubenfeder 56 in der Zeichnung der 2 nach unten bewegt. Das freie Volumen des Arbeitsraums 25 wird vergrößert, wobei Kraftstoff über den Einlass 40 in den Arbeitsraum 25 strömen kann.
In einer Förderphase der Kolbenpumpe 24 wird der Federteller 58 und damit der Kolben 48 mittels der Kraft der Nocke in der Zeichnung nach oben bewegt. Das freie Volumen des Arbeitsraums 25 wird verkleinert, wobei Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 25 in die Hochdruckleitung 26 gefördert wird. Die Kolbenpumpe 24 arbeitet im Wesentlichen periodisch in Abhängigkeit von der Bewegung der Nocke. Die wegen des Hohlzylinders reduzierte Masse des Kolbens 48 ermöglicht eine verminderte Federkraft der Schraubenfeder 56 sowie entsprechend geringe Schwankungen der erforderlichen Antriebsleistung.
Bei der Bewegung des Kolbens 48 gleiten der Mantel 52a auf einer Oberfläche der Laufbuchse 53 sowie der Mantel 52b auf einer Oberfläche der Führung 60 reibungsarm aufeinander. Dies wird zum ersten durch eine mittels des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens erzielte gute Maßhaltigkeit erreicht, und zum zweiten durch die tribologischen Eigenschaften des Zirkoniumdioxids.
3 zeigt eine Grundform des Kolbens 48 in einer Schnittdarstellung, ähnlich zu dem in der 2 dargestellten Kolben 48. Vorliegend ist der Mantel 52a auf der gesamten axialen Länge des Kerns 50 angeordnet. Der Kern 50 ist vergleichbar zu der 2 als Hohlzylinder um die Längsachse 62 ausgeführt und weist vorliegend einen konstanten Durchmesser auf. Vorzugsweise ist der Mantel 52a als besonders dünne Materialschicht ausgebildet.

Claims

Kolbenpumpe (24) mit einem Gehäuse (34) und mindestens einem in einer Kolbenführung des Gehäuses (34) angeordneten axial bewegbaren Kolben (48), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (48) und/oder die Kolbenführung jeweils einstückig nach einem Verfahren des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens hergestellt sind/ist, wobei ein dem jeweils anderen Teil zugewandter Oberflächenbereich des Kolbens (48) und/oder der Kolbenführung aus einem härteren Material hergestellt ist als ein oberflächenferner Bereich.
Kolbenpumpe (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern (50) des Kolbens (48) aus einem ersten Material und ein Mantel (52a, 52b) des Kolbens (48) aus einem zweiten Material hergestellt ist, welches härter als das erste Material ist.
Kolbenpumpe (24) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (50) als Hohlzylinder ausgeführt ist.
Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das härtere Material der Kolbenführung eine Laufbuchse (53) für den Kolben (48) bildet.
Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (34) oder mindestens ein Element des Gehäuses (34) nach einem Verfahren des Pulverspritzgießens hergestellt ist.
Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Pulverspritzgießens und/oder des 2-Komponenten-Pulverspritzgießens Metall-Pulverspritzgießen und/oder Keramik-Pulverspritzgießen umfasst.
Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (52a, 52b) des Kolbens (48) und/oder die Laufbuchse (53) Hartmetall, Keramik, insbesondere Zirkoniumdioxid umfasst.
Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (50) und der Mantel (52a, 52b) und/oder das Gehäuse (34) bzw. ein Element des Gehäuses (34) und die Laufbuchse (53) einen zumindest ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftstoff-Förderpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist.
Verfahren zur Herstellung der Kolbenpumpe (24) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (50) und der Mantel (52a, 52b) und/oder das Gehäuse (34) bzw. ein Element des Gehäuses (34) und die Laufbuchse (53) jeweils als ein gemeinsames Grünteil hergestellt und danach einem Sinterprozess zugeführt werden.