DE102018211647A1 - Piston pump, in particular high-pressure fuel pump for an injection system of an internal combustion engine - Google Patents
Piston pump, in particular high-pressure fuel pump for an injection system of an internal combustion engine Download PDFInfo
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Abstract
Eine Kolbenpumpe (10), insbesondere Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolben (22) und einem Arbeitsraum (24), der von dem Kolben (22) begrenzt wird, ist derart ausgestaltet und weitergebildet, dass der Kolben (22) in seinem Inneren einen nach außen hin verschlossenen Hohlraum (40) aufweist, der mit einem Medium (42) gefüllt ist, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Kolben (22) aufweist.A piston pump (10), in particular a high pressure fuel pump for an injection system of an internal combustion engine, with a piston (22) and a working space (24), which is delimited by the piston (22), is designed and developed in such a way that the piston (22 ) has in its interior a cavity (40) which is closed to the outside and which is filled with a medium (42) which has a higher thermal conductivity than the piston (22).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piston pump, in particular a high-pressure fuel pump for an injection system of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Eine solche Kolbenpumpe ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The problem underlying the invention is solved by a piston pump with the features of claim 1.
Der Kolben sorgt in der Saugphase der Kolbenpumpe (Kolben bewegt sich vom Arbeitsraum weg) dafür, dass das bereits auf Niederdruck geförderte Medium, bspw. Kraftstoff, bspw. aus einer Tankleitung in den Arbeitsraum (Förderraum) strömen kann. In der Förderphase (Kolben bewegt sich zum Arbeitsraum hin) wird das Medium verdichtet und so auf ein höheres Druckniveau gebracht. Das Medium kann dann unter hohem Druck in das Rail gefördert und der Einspritzeinheit zur Verfügung gestellt werden. Durch die hohe Kompression entstehen an der dem Arbeitsraum zugewandten Seite des Kolbens (Hochdruckseite) vergleichsweise hohe Temperaturen.In the suction phase of the piston pump (piston moves away from the work area), the piston ensures that the medium, e.g. fuel, which has already been pumped to low pressure, can flow into the work area (delivery chamber) from a tank line. In the delivery phase (piston moves towards the work area), the medium is compressed and brought to a higher pressure level. The medium can then be conveyed into the rail under high pressure and made available to the injection unit. The high compression causes comparatively high temperatures on the side of the piston (high-pressure side) facing the working area.
Auf Seiten der Anmelderin ist erkannt worden, dass durch die hohen Temperaturen bei Kompression der Kolben über seine Länge unterschiedlich erwärmt wird. Dies führt zu einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung entlang der Kolbenlängsachse. In thermisch höher beanspruchten Bereichen nimmt der Kolben aufgrund der Wärmeausdehnung im Querschnitt mehr zu als in thermisch geringer beanspruchten Bereichen. Dies hat Einfluss auf das Spiel zwischen Kolben und Führungselement, welches stets größer sein muss als die maximale thermische Ausdehnung des Kolbens an der thermisch belastetsten Stelle.On the part of the applicant it has been recognized that the pistons heat differently over their length due to the high temperatures during compression. This leads to a different thermal expansion along the longitudinal axis of the piston. In areas subject to higher thermal stress, the piston increases more in cross-section due to the thermal expansion than in areas subject to less thermal stress. This influences the play between the piston and the guide element, which must always be greater than the maximum thermal expansion of the piston at the most thermally stressed point.
Der Zielkonflikt zwischen einem möglichst geringen Spiel, welches positiv für die Reduktion von Leckage ist, und dem Klemmen des Kolbens wird durch einen optimierten Wärmetransport am Kolben gelöst. Hiermit kann die Ausdehnung des Kolbenquerschnitts in den thermisch höher belasteten Bereichen reduziert werden. Es wird vorgeschlagen, dass der Kolben in seinem Inneren einen nach außen hin verschlossenen Hohlraum aufweist, der mit einem Medium (Übertragungsmedium) gefüllt ist, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Kolben bzw. das Material aufweist, aus dem der Kolben ausgebildet ist.The conflict of objectives between the smallest possible play, which is positive for the reduction of leakage, and the pinching of the piston is solved by an optimized heat transfer on the piston. This can reduce the expansion of the piston cross-section in the areas subjected to higher thermal loads. It is proposed that the inside of the piston have a cavity which is closed to the outside and is filled with a medium (transmission medium) which has a higher thermal conductivity than the piston or the material from which the piston is formed.
Durch den Hohlraum im Kolbeninneren kann zunächst eine Gewichtsersparnis am Kolben erreicht werden. Die geringere Kolbenmasse wirkt sich positiv auf den Kolbenantrieb aus, da die zu beschleunigende und zu verzögernde Masse geringer ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens bezogen auf den Arbeitsraum wird das Medium im Hohlraum des Kolbens trägheitsbedingt ebenfalls auf- und abbewegt (Relativbewegung des Mediums bezogen auf den Kolben). Dadurch wird der Wärmetransport beschleunigt. Durch die gleichmäßigere Temperaturverteilung über den gesamten Kolben dehnt sich der Kolben in seinem Querschnitt, insbesondere in seinem Durchmesser, gleichmäßiger und mit geringeren Beträgen aus. Dadurch kann das Kolbenspiel reduziert werden. Dies steigert den Wirkungsgrad und die Laufzeit der Kolbenpumpe, da am Kolben besonders große Ausdehnungen an den Stellen höchster thermischer Belastung vermieden werden können (Kolben hat weniger „Kantenträger“).The cavity in the interior of the piston can initially save weight on the piston. The lower piston mass has a positive effect on the piston drive, since the mass to be accelerated and decelerated is lower. Due to the up and down movement of the piston in relation to the working space, the medium in the cavity of the piston is also moved up and down due to the inertia (relative movement of the medium in relation to the piston). This accelerates the heat transfer. Due to the more uniform temperature distribution over the entire piston, the cross section of the piston, in particular its diameter, expands more evenly and with smaller amounts. The piston play can thereby be reduced. This increases the efficiency and the running time of the piston pump, since particularly large expansions at the points of highest thermal stress can be avoided on the piston (piston has fewer "edge supports").
Bei dem Medium kann es sich um ein unter Normalbedingungen festes oder flüssiges Material handeln, welches jedenfalls im Betrieb der Kolbenpumpe flüssig wird, bspw. infolge der Kolbenerwärmung. Das Medium ist derart ausgebildet, dass sich dieses durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens im Hohlraum des Kolbens ebenfalls hin- und herbewegt. Wie bereits angedeutet, weist das Medium eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, vorzugsweise mindestens 100 W/(m * K).The medium can be a solid or liquid material under normal conditions, which in any case becomes liquid when the piston pump is operating, for example as a result of the piston heating. The medium is designed in such a way that it also reciprocates in the cavity of the piston due to the reciprocating movement of the piston. As already indicated, the medium has a high thermal conductivity, preferably at least 100 W / (m * K).
Bei dem Kolben der Kolbenpumpe kann es sich um einen Hubkolben zur Verdichtung eines Mediums (Fluid), bspw. Kraftstoff, handeln. Bei der Kolbenpumpe kann es sich um eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffdirekteinspritzung handeln.The piston of the piston pump can be a reciprocating piston for compressing a medium (fluid), for example fuel. The piston pump can be a high-pressure pump for direct fuel injection.
Der Kolben kann über seinen Laufflächenabschnitt, der auch als Lauffläche oder Führungsabschnitt bezeichnet werden kann, mittels des Führungselements am oder im Pumpengehäuse der Kolbenpumpe geführt werden.The piston can be guided on or in the pump housing of the piston pump via its tread portion, which can also be referred to as a tread or guide portion.
Der Kolben kann mehrere Kolbenabschnitte aufweisen. So kann der Kolben an dem dem Arbeitsraum zugewandten Ende einen Verdichtungsabschnitt zur Verdichtung des Kraftstoffes im Arbeitsraum aufweisen. Hieran kann sich der Laufflächenabschnitt (Lauffläche oder Führungsabschnitt) des Kolbens anschließen, über den der Kolben an einem Führungselement des Pumpengehäuses geführt ist. An der von dem Arbeitsraum abgewandten Ende kann der Kolben einen Betätigungsabschnitt aufweisen, über den der Kolben mittels einer Antriebseinrichtung (bspw. einer Nockenwelle) angetrieben werden kann. Der Verdichtungsabschnitt und/oder der Betätigungsabschnitt können einen gegenüber dem Laufflächenabschnitt reduzierten Querschnitt aufweisen. Der Kolben kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein (mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern). Der Kolben kann aus einem metallischen Material ausgebildet sein, bspw. aus einem geeigneten Stahl.The piston can have several piston sections. For example, at the end facing the working area, the piston can have a compression section for compressing the fuel in the working area. This can be followed by the running surface section (running surface or guide section) of the piston, via which the piston is guided on a guide element of the pump housing. At the end facing away from the working space, the piston can have an actuating section via which the piston can be driven by means of a drive device (for example a camshaft). The compression section and / or the The actuating section can have a reduced cross section compared to the tread section. The piston can be rotationally symmetrical (several sections with different diameters). The piston can be formed from a metallic material, for example from a suitable steel.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen.Advantageous further developments are specified in the subclaims. Features important to the invention can also be found in the following description and in the drawings.
Im Konkreten kann es sich bei dem verwendeten Medium um Natrium handeln. Auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der positiven stofflichen Eigenschaften für den vorliegenden Einsatzzweck wird der Wärmetransport weiter optimiert. Natrium schmilzt bei 97,5 °C, hat eine Dichte von 0,97 g/cm3 und ist ein sehr guter Wärmeleiter. Im Betrieb wird das Natrium flüssig und wird durch die Massenkräfte im Hohlraum des Kolbens trägheitsbedingt hin- und herbewegt.Specifically, the medium used can be sodium. Due to the high thermal conductivity and the positive material properties for the present application, the heat transport is further optimized. Sodium melts at 97.5 ° C, has a density of 0.97 g / cm 3 and is a very good heat conductor. During operation, the sodium becomes liquid and is moved back and forth due to the inertia due to the inertial forces in the cavity of the piston.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann sich sich die Mittellängsachse des Hohlraums parallel zur Mittellängsachse des Kolbens erstrecken. Hiermit werden durch Wegfall von Querkraftkomponenten die Hin- und Herbewegung des Mediums im Hohlraum des Kolbens und damit auch der Wärmetransport begünstigt.In the context of a preferred embodiment, the central longitudinal axis of the cavity can extend parallel to the central longitudinal axis of the piston. The omission of shear force components hereby promotes the back and forth movement of the medium in the cavity of the piston and thus also the heat transfer.
Vorteilhafterweise kann die Mittellängsachse des Hohlraums kongruent zur Mittellängsachse des Kolbens angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der vorzugsweise rotationssymmetrische Hohlraum bezogen auf die Mittellängsachse des Kolbens zentrisch ausgebildet sein. Hiermit kann ein bezogen auf den Umfang gleichmäßiger Wärmetransport am Kolben erzielt werden.The central longitudinal axis of the cavity can advantageously be arranged congruent to the central longitudinal axis of the piston. In other words, the preferably rotationally symmetrical cavity can be formed centrally with respect to the central longitudinal axis of the piston. In this way, uniform heat transport on the piston can be achieved in relation to the circumference.
Zweckmäßigerweise kann sich der Hohlraum über alle Abschnitte des Kolbens hinweg erstrecken. Hiermit sind vergleichsweise große Wärmemengen transportierbar und eine über den gesamten Kolben hinweg gleichmäßige Erwärmung wird begünstigt. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Kolbenausdehnung. Der Hohlraum kann sich über den dem Arbeitsraum zugewandten Verdichtungsabschnitt, den sich daran anschließenden Laufflächenabschnitt (Führungsabschnitt) und über den Betätigungsabschnitt an der von dem Arbeitsraum abgewandten Seite des Laufflächenabschnitts erstrecken.The cavity can expediently extend over all sections of the piston. In this way, comparatively large amounts of heat can be transported and uniform heating over the entire piston is promoted. This leads to a more even piston expansion. The cavity can extend over the compression section facing the working area, the adjoining tread section (guide section) and over the actuating section on the side of the tread section facing away from the working area.
Im Konkreten kann der Hohlraum teilweise mit dem Medium gefüllt sein, insbesondere zwischen 30 und 70 Prozent (Volumenanteil des Mediums am Volumen des Hohlraums). Hiermit wird bedingt durch die Kolbenbewegung eine hinreichende Hin- und Herbewegung des Mediums bei gleichzeitig hinreichender transportierter Wärmeenergiemenge erreicht. Dies begünstigt den Wärmetransport.Specifically, the cavity can be partially filled with the medium, in particular between 30 and 70 percent (volume fraction of the medium in the volume of the cavity). As a result of the piston movement, a sufficient back and forth movement of the medium is achieved with a sufficient amount of transported thermal energy. This favors heat transfer.
Vorteilhafterweise kann der Kolben durch ein generatives Fertigungsverfahren ausgebildet sein, bspw. durch ein 3D-Druckverfahren, ein Stereolithografieverfahren oder dergleichen. Hiermit kann der Kolben auch bei geringen Stückzahlen auf rentable Weise gefertigt werden, wobei auch Hinterschnitte möglich sind. In diesem Zusammenhang, aber auch unabhängig von dem gewählten Fertigungsverfahren, ist die Ausgestaltung der Innenwandung des Hohlraums des Kolbens mit einer Struktur denkbar, die die Oberfläche der Innenwandung des Hohlraums vergrößert, bspw. eine Struktur mit Rippen oder Wellen.The piston can advantageously be formed by a generative manufacturing process, for example by a 3D printing process, a stereolithography process or the like. This allows the piston to be manufactured in a profitable manner even with small quantities, undercuts are also possible. In this context, but also regardless of the selected manufacturing process, the configuration of the inner wall of the cavity of the piston with a structure is conceivable that increases the surface of the inner wall of the cavity, for example a structure with ribs or waves.
Alternativ hierzu kann der Kolben durch ein urformendes Fertigungsverfahren ausgebildet sein, bspw. durch Gießen. Somit lässt sich der Kolben mit bewährter Technologie in großen Stückzahlen zuverlässig fertigen. Dabei kann der Kolben einstückig ausgebildet sein und auch schon den Hohlraum im Kolbeninneren aufweisen. Dieser kann in der weiteren Herstellung mit dem Medium befüllt und anschließend verschlossen werden.As an alternative to this, the piston can be formed by an original manufacturing process, for example by casting. This means that the piston can be reliably manufactured in large quantities using proven technology. The piston can be formed in one piece and also have the cavity in the interior of the piston. This can be filled with the medium during further production and then closed.
Ebenfalls denkbar ist, dass der Kolben durch ein umformendes oder ein spanendes Fertigungsverfahren ausgebildet ist. Auch hiermit kann der Kolben mit bewährter Technologie zuverlässig gefertigt werden. Als umformendes Fertigungsverfahren kommt bspw. ein Schmieden des Kolbens infrage. Bei Anwendung eines spanenden Fertigungsverfahrens kann der Kolben durch Drehen gefertigt werden.It is also conceivable that the piston is formed by a forming or a machining manufacturing process. The piston can also be reliably manufactured using proven technology. For example, the piston can be forged as a forming manufacturing process. When using a cutting manufacturing process, the piston can be manufactured by turning.
Eine weitere Herstellungsmöglichkeit kann darin bestehen, dass der Kolben aus mehreren separaten Kolbenabschnitten (bspw. Hülsen) ausgebildet ist, wobei die benachbarten Kolbenabschnitte stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere durch Kleben oder Schweißen, bspw. ein Reibschweißen. Der Kolben kann somit als gebauter Kolben ausgebildet sein, wobei die einzelnen Bestandteile des Kolbens vor einem Zusammenfügen durch gute Zugänglichkeit individueller ausgestaltet werden können als bei einstückiger Ausgestaltung.A further production possibility can consist in the piston being formed from a plurality of separate piston sections (for example sleeves), the adjacent piston sections being integrally connected to one another, in particular by gluing or welding, for example friction welding. The piston can thus be designed as a built-in piston, the individual components of the piston being able to be designed more individually before being joined together due to good accessibility than in the case of a one-piece design.
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine Ausführungsform einer Kolbenpumpe in einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht; -
2 den Kolben und das Führungselement der Kolbenpumpe aus1 in einer geschnittenen Seitenansicht; -
3 in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht den Kolben mit Hohlraum der Kolbenpumpe aus1 ; -
4 in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht den Kolben mit Hohlraum der Kolbenpumpe aus1 bei einer Bewegung zum Arbeitsraum der Kolbenpumpe hin; und -
5 in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht den Kolben mit Hohlraum der Kolbenpumpe aus1 bei einer Bewegung vom Arbeitsraum der Kolbenpumpe weg.
-
1 an embodiment of a piston pump in a schematic and partially sectioned side view; -
2 the piston and the guide element of the piston pump1 in a sectional side view; -
3 in an enlarged and sectioned side view of the piston with the cavity of the piston pump1 ; -
4 in an enlarged and sectioned side view of the piston with the cavity of the piston pump1 when moving towards the working area of the piston pump; and -
5 in an enlarged and sectioned side view of the piston with the cavity of the piston pump1 when moving away from the working area of the piston pump.
In
Über einen am Pumpengehäuse
Die Kolbenpumpe
Der Kolben
In
Der Kolben
An seinem von dem Arbeitsraum
Der Kolben
Als Medium
Die Mittellängsachse
Der Hohlraum
Der Hohlraum
Die durch das Medium
Zur weiteren Ausgestaltung des Kolbens
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