DE102012007125A1

DE102012007125A1 - Radialkolbenpumpe für Kraftstoffförderung

Info

Publication number: DE102012007125A1
Application number: DE201210007125
Authority: DE
Inventors: Volker Cornelius
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-04-07
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe (1) eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit einer Druckkammer (2), in welcher der erforderliche Druckaufbau des Kraftstoffs für die Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Zum Druckaufbau dient ein in die Druckkammer (2) hineinreichender, in einem Pumpengehäuse (3) der Radialkolbenpumpe (1) translatorisch beweglicher Kolben (4). Der Kolben (4) ist an seinem der Druckkammer (2) abgewandten Ende von einem als Exzenternocken ausgebildeten Wellenabschnitt (5) einer Antriebswelle (6) der Brennkraftmaschine entgegen der Rückstellkraft eines Federelements (7) auslenkbar. Von einer radialen Erweiterung (9) wird eine Ringkammer (11) begrenzt, die durch ein Trennelement (12) in einen dem Wellenabschnitt (5) zugewandten unteren Sammelraum (11b) für Motoröl und einen der Druckkammer (2) zugewandten oberen Sammelraum (11a) für Kraftstoff unterteilt ist. Indem der obere Sammelraum (11a) ein konstantes Volumen einschließt, werden Druckunterschiede und Pumpeffekte wesentlich reduziert, die anderenfalls zu einem Überströmen des Motoröl-Kraftstoff-Gemischs in die Druckkammer (2) und dort zu einer Beschädigung der Radialkolbenpumpe (1) führen könnten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffförderung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Druckkammer und einen in einem Pumpengehäuse translatorisch beweglich, insbesondere gleitend gelagerten Kolben, welcher mittels eines exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitts einer drehbar gelagerten Antriebswelle reversierend entgegen der Rückstellkraft eines Federelements antreibbar ist, wobei der Wellenabschnitt gegen eine Kontaktfläche des Kolbens anliegt und mit diesem zusammenwirkt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Radialkolbenpumpen haben eine in einem Pumpengehäuse drehbar angeordnete Antriebswelle und wenigstens eine Pumpeneinheit umfassend einen Zylinder und einen Kolben, der in dem Zylinder hin und her bewegbar angeordnet ist und der mit der Antriebswelle zum Antreiben der wenigstens einen Pumpeneinheit in Wirkverbindung steht.
Das Antriebsdrehmoment zum Antreiben der pumpeneigenen Antriebswelle wird beispielsweise durch einen Riemen oder eine Kette auf die Pumpenantriebswelle übertragen. Diese Übertragung des Antriebsdrehmoments auf die Pumpenantriebswelle erfordert zusätzliche Bauteile und erhöht somit das Gewicht sowie den vorrichtungstechnischen Aufwand der Pumpenanordnung.
Die DE 10 2007 001 373 A1 offenbart bereits eine Abdichtung einer direkt einspritzenden Hochdruckkolbenkraftstoffpumpe, bei der ein an dem Kolben vorbeiströmender Teil des Kraftstoffs von einem Balg aufgenommen wird. Durch einen Bypasskanal, welcher hierzu ein Rückschlagventil aufweist, gelangt der Kraftstoff bei entsprechendem Druck zurück in das Kraftstoffreservoir, wenn sich der Balg zusammenzieht.
Im Stand der Technik sind verschiedene Typen von Hochdruckpumpen für Common-Rail-Einspritzsystemebekannt, bei denen der Antrieb des Pumpenkolbens durch die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine erfolgt. Durch die Nutzung der Nockenwelle als Antriebswelle entfallen weitere Bauteile, beispielsweise für das Pumpenantriebsrad einschließlich der Lagerung.
Eine derartige Hochdruckpumpe ist beispielsweise aus der DE 103 22 604 A1 bekannt. Die als Radialkolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe ist dabei zumindest teilweise in dem Gehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet, sodass die Nockenwelle der Brennkraftmaschine den Kolben der Radialkolbenpumpe über Rollen- oder Tassenstößel antreiben kann.
Auch in der DE 10 2005 033 634 A1 ist eine Radialkolbenpumpe beschrieben, bei welcher ein Kolben durch eine externe Nocken- oder Exzenterwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Die Trennung der beiden Medien-Motoröl im Zylinderkopf und Kraftstoff in der Pumpe – erfolgt durch einen Wellendichtring mit einer oder mehreren Dichtlippen. Durch die Nutzung eines Nockenwellenlagers im Zylinderkopf als Pumpenantriebslager für die Antriebswelle der Radialkolbenpumpe kann im Zylinderkopf befindliches Motoröl als Schmierstoff des Lagers verwendet werden. Durch eine gemeinsame Nutzung des Nockenwellenlagers kann auf die Schmierung des Lagers mit Kraftstoff verzichtet werden.
Allerdings erweist sich bei solchen Hochdruckkraftstoffpumpen, bei denen die Wellenlagerung bzw. die Kontaktfläche zwischen dem Wellenabschnitt und dem Kolben durch Motoröl geschmiert ist, eine in der Praxis nahezu unvermeidliche Mischung von Kraftstoff und Motoröl als problematisch. Insbesondere kann es durch den Kraftstoffeintrag zu einer Verdünnung des Motoröls mit Kraftstoff kommen und/oder zu einer Verkokung der Einspritzdüsen durch in den Kraftstoff eingetragenes Motoröl kommen.
Demgegenüber treten bei solchen Hochdruckkraftstoffpumpen, bei denen die Lagerung der Antriebswelle durch Kraftstoff, insbesondere Dieselöl geschmiert ist, aufgrund von Qualitätsschwankungen des Kraftstoffs Beeinträchtigungen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine zumindest weitgehende Unterbindung eines Kraftstoffeintrags in das Motoröl bei einer durch Motoröl geschmierten Radialkolbenpumpe zu erreichen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Radialkolbenpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also bei der Radialkolbenpumpe der Kolben mit einer gemeinsam mit diesem translatorisch beweglichen radialen Erweiterung verbunden, welche gemeinsam mit dem Kolben und dem Pumpengehäuse eine entsprechend der Hubstellung des Wellenabschnitts der Antriebswelle veränderliche, gegenüber der Druckkammer räumlich getrennte Ringkammer einschließt, wobei die Ringkammer eine Öffnung für in dem Ringraum gegebenenfalls vorhandene oder frei werdende Substanzen, insbesondere Kraftstoff- oder Motorölbestandteile oder deren flüchtige Bestandteile, aufweist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die unerwünschte Rückführung der im Betrieb gegebenenfalls entstehenden Mischung des Kraftstoffs mit dem Motoröl dann in wirkungsvoller Weise vermieden werden kann, wenn diese nicht etwa durch eine Bypassleitung einer Druckkammer der Radialkolbenpumpe zurückgeführt wird, sondern in dem Ringraum gesammelt und einer Entsorgung bzw. weiteren Nutzung zugeführt wird. Indem also die Erweiterung eine Ringkammer einschließt, in welcher sich Kraftstoff sowie Motoröl sammeln können, und diese Ringkammer sowohl gegenüber der Antriebswelle als auch gegenüber der Druckkammer der Radialkolbenpumpe abgedichtet ist, entsteht eine räumliche Trennung, so dass weder Kraftstoff in den Motorölkreislauf noch Motoröl in die Druckkammer der Radialkolbenpumpe gelangen kann. Dadurch, dass die gegebenenfalls in der Ringkammer aufgefangenen Substanzen durch die Öffnung abgeführt werden können, kann zudem auf eine Bypassleitung verzichtet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Ringkammer durch ein gegen die Innenwandfläche des Pumpengehäuses dichtend anliegendes Trennelement in einen dem Wellenabschnitt zugewandten unteren Sammelraum und einen dem Wellenabschnitt abgewandten, der Druckkammer zugewandten oberen Sammelraum unterteilt ist. Durch das gegenüber der Innenwandfläche unbewegliche Trennelement wird in einfacher Weise ein oberer Sammelraum geschaffen, welcher in seinem Volumen unveränderlich und daher frei von zyklischen Druckschwankungen oder Pulsationen ist. Indem also zwischen dem Trennelement und dem druckkammerseitigen Endbereich der Ringkammer der obere Sammelraum mit einem konstanten Volumen eingeschlossen ist, gelingt es, Druckunterschiede und Pumpeffekte zu vermeiden, die beim Stand der Technik zu einem Überströmen des sich sammelnden Kraftstoffs und damit zu einer Beschädigung der Radialkolbenpumpe oder zum Verkoken der Einspritzdüsen führen können. Dabei kann das Trennelement mittels eines Dichtungselements gegenüber dem Kolben abgedichtet sein, um so einen unerwünschten Durchtritt des Motoröls in die obere Kammer entlang der Kolbenaußenseite zu vermeiden. Weiterhin können die radiale Erweiterung und das Trennelement auch zu einer gemeinsamen Baueinheit verbunden werden, sodass gegebenenfalls lediglich eine einzige Dichtfläche der so geschaffenen Baueinheit gegenüber dem Pumpengehäuse erforderlich ist. Der obere Sammelraum ist in seinem Volumen in Abhängigkeit der Kolbenstellung veränderlich, wobei eine weitere Unterteilung des oberen Sammelraums zur Erzielung eines konstanten Teilvolumens gegebenenfalls problemlos realisierbar und sinnvoll einsetzbar ist.
Die Ringkammer könnte eine an sich beliebige Geometrie aufweisen. Vorzugsweise ist die eingeschlossene Ringkammer rotationssymmetrisch ausgeführt. Eine besonders Erfolg versprechende Variante wird auch dadurch realisiert, dass die Ringkammer eine zylindrische Grundform aufweist und dass die Erweiterung als ein Kolbenring ausgeführt ist. In der Praxis schließt die zylindrische Ringkammer den Kolben koaxial ein.
Die aus der Ringkammer durch die Öffnung abgeführten Substanzen könnten einer Nachbehandlung zugeführt werden, so dass unerwünschte Schadstoffemissionen vermieden werden. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn die Öffnung mittels einer Zufuhrleitung mit einer Luftstrecke, insbesondere im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine, verbunden ist, um so die aufgefangenen Substanzen einer sinnvollen Nutzung zuzuführen. Aufgrund einer Erwärmung des Pumpengehäuses kommt es im Betrieb der Brennkraftmaschine zu einer Verdunstung der Kraftstoff- bzw. Motorölbestandteile, die in dem gasförmigen Zustand problemlos dem Kraftstoff-Luftgemisch im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine beigemischt werden können. Hierzu kann die Öffnung auch derart beschaffen sein, dass lediglich gasförmige Anteile durch die Öffnung entweichen können, flüssige Bestandteile hingegen zurückgehalten werden, wie dies beispielsweise mittels einer Membran realisierbar ist.
Die Erweiterung kann grundsätzlich an einer beliebigen Position der axialen Erstreckung des Kolbens angebracht werden. Vorzugsweise bildet die Erweiterung zugleich auch den der Druckkammer abgewandten Endbereich des Kolbens, wobei die Erweiterung an ihrer dem Wellenabschnitt der Antriebswelle zugeordneten Seite mit der Kontaktfläche ausgestattet ist. In optimaler Weise kann daher die durch die Erweiterung verfügbare Grundfläche für eine wesentlich verbesserte Kraftübertragung zwischen der Antriebswelle und dem Kolben optimiert werden, wobei zugleich die Reibungseinflüsse verringert sind. Zu diesem Zweck kann infolge der durch die Erweiterung realisierten Abdichtung des Kolbens gegenüber einer Innenwandfläche des Pumpengehäuses die Kontaktfläche mit Motoröl als Schmierstoff beaufschlagt werden.
Weiterhin ist die Erweiterung gegenüber einer Innenwandfläche des Pumpengehäuses abgedichtet und weist eine umlaufende, nutenförmige Ausnehmung zur Zuführung des Motoröls mittels einer Druckschmierung auf, um so eine zuverlässige Versorgung der Erweiterung mit dem Motoröl als Schmiermittel sicherzustellen. Hierdurch wird eine geringe Reibung und dadurch ein reduzierter Verschleiß erreicht.
Weiterhin hat es sich bereits als zweckmäßig erwiesen, wenn der Ringraum ein der Auslenkung des Kolbens entgegenwirkendes Federelement, insbesondere eine Druckfeder einschließt, die somit ebenfalls gegenüber äußeren Einflüssen optimal geschützt ist. Zudem entfällt ein nach dem Stand der Technik erforderlicher Faltenbalg zur Abdichtung des Kolbens einschließlich des Federelements als bewegliches Element gegenüber dem Pumpengehäuse.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Diese zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe 1 eines Kraftstoffeinspritzsystems einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die Radialkolbenpumpe 1 hat eine lediglich andeutungsweise dargestellte Druckkammer 2, in welcher der erforderliche Druckaufbau des Kraftstoffs für die Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Zum Druckaufbau dient ein in die Druckkammer 2 hineinreichender, in einem Pumpengehäuse 3 der Radialkolbenpumpe 1 translatorisch beweglicher Kolben 4. Der Kolben 4 ist an seinem der Druckkammer 2 abgewandten Ende von einem als Exzenternocken ausgebildeten Wellenabschnitt 5 einer Antriebswelle 6 der Brennkraftmaschine entgegen der Rückstellkraft eines Federelements 7 auslenkbar. Eine Kontaktfläche 8 des Kolbens 4 mit dem Wellenabschnitt 5 wird dabei durch eine gegen den Kolben 4 anlegende und dementsprechend gemeinsam mit dem Kolben 4 bewegliche radiale Erweiterung 9 gebildet. Durch die Erweiterung 9 wird auf diese Weise eine von einer Innenwandfläche 10 des Pumpengehäuses 3 begrenzte und durch die Hubstellung des Wellenabschnitts 5 der Antriebswelle 6 veränderliche Ringkammer 11 geschaffen. Diese Ringkammer 11 ist zusätzlich durch ein ebenfalls gegenüber der Innenwandfläche 10 dichtend anliegendes und mit dieser verbundenes Trennelement 12 in einen dem Wellenabschnitt 5 zugewandten unteren Sammelraum 11b für Motoröl und einen der Druckkammer 2 zugewandten oberen Sammelraum 11a für Kraftstoff unterteilt, sodass der Sammelraum 11a im Betrieb ein konstantes Volumen aufweist. Indem der obere Sammelraum 11a ein konstantes Volumen einschließt, werden Druckunterschiede und Pumpeffekte, die anderenfalls zu einem Überströmen des Gemischs aus Motoröl und Kraftstoff in die Druckkammer führen, was zu einer Beschädigung der Radialkolbenpumpe 1 führen könnte, wesentlich reduziert. Ein in dem oberen Sammelraum 11a entstehendes Gemisch aus Leckageanteilen des Motoröls und des Kraftstoffs gelangt so, anders als beim Stand der Technik, nicht über eine Bypassleitung in die Druckkammer 2. Vielmehr ist in dem oberen Sammelraum 11a eine Öffnung 13 vorgesehen, durch welche die in dem oberen Sammelraum 11a gegebenenfalls vorhandenen oder frei werdenden Substanzen, insbesondere Kraftstoff- oder Motorölbestandteile bzw. deren flüchtige Bestandteile, einer nicht dargestellten Luftstrecke der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Zur Minimierung der im Betrieb auftretenden Reibungseinflüsse hat die Erweiterung 9 eine umlaufende, nutenförmige Ausnehmung 14, welche das mittels einer Druckschmierung der Brennkraftmaschine zugeführte Motoröl aufnimmt.
Bezugszeichenliste

1: Radialkolbenpumpe
2: Druckkammer
3: Pumpengehäuse
4: Kolben
5: Wellenabschnitt
6: Antriebswelle
7: Federelement
8: Kontaktfläche
9: Erweiterung
10: Innenwandfläche
11: Ringkammer
11a: oberer Sammelraum
11b: unterer Sammelraum
12: Trennelement
13: Öffnung
14: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007001373 A1 [0004]
DE 10322604 A1 [0006]
DE 102005033634 A1 [0007]

Claims

Radialkolbenpumpe (1) zur Kraftstoffförderung bei einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Druckkammer (2) und einen in einem Pumpengehäuse (3) translatorisch beweglich gelagerten Kolben (4), welcher mittels eines exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitts (5) einer drehbar gelagerten Antriebswelle (6) reversierend antreibbar ist, indem der Wellenabschnitt (5) gegen eine dem Kolben (4) zugeordnete Kontaktfläche (8) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mit einer gemeinsam mit diesem translatorisch beweglichen radialen Erweiterung (9) verbunden ist, welche gemeinsam mit dem Kolben (4) und dem Pumpengehäuse (3) eine entsprechend der Hubstellung des Wellenabschnitts (5) der Antriebswelle (6) veränderliche, gegenüber der Druckkammer (2) räumlich getrennte Ringkammer (11) einschließt, und dass die Ringkammer (11) eine Öffnung (13) für in der Ringkammer (11) gegebenenfalls vorhandene oder frei werdende Substanzen, insbesondere Kraftstoff- oder Motorölbestandteile oder deren flüchtige Bestandteile, aufweist.
Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (11) durch ein insbesondere gegenüber dem Pumpengehäuse (3) dichtend anliegendes, mit der Innenwandfläche Trennelement (12) in einen dem Wellenabschnitt (5) zugewandten unteren Sammelraum (11b) und einen dem Wellenabschnitt (5) abgewandten oberen Sammelraum (11a) unterteilt ist.
Radialkolbenpumpe (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (11) eine zylindrische Grundform aufweist und dass die Erweiterung (9) als ein Kolbenring ausgeführt ist.
Radialkolbenpumpe (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (13) mit einer Luftstrecke, insbesondere im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine, verbunden ist.
Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Sammelraum (11a) in einem gegenüber dem unteren Sammelraum (11b) höher liegenden Bereich angeordnet ist und dass die Öffnung (13) dem oberen Sammelraum (11a) zugeordnet ist.
Radialkolbenpumpe (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (8) an einer dem Wellenabschnitt (5) der Antriebswelle (6) zugeordneten Seite der Erweiterung (9) angeordnet ist.
Radialkolbenpumpe (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (9) gegenüber einer Innenwandfläche (10) des Pumpengehäuses (3) abgedichtet ist und dass die Erweiterung (9) eine umlaufende, nutenförmige Ausnehmung (14) zur Zuführung des Motoröls mittels einer Druckschmierung aufweist.
Radialkolbenpumpe (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (11) ein der Auslenkung des Kolbens (4) entgegenwirkendes Federelement (7), insbesondere eine Druckfeder, einschließt.