DE10332361B4

DE10332361B4 - Kraftstoff-Einspritzpumpe

Info

Publication number: DE10332361B4
Application number: DE2003132361
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Rabanus; Horst Steinbinder
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: DE10332361A1; WO2005017343A1

Abstract

Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem eines Dieselmotors, welche ein nach dem Pumpe-Düse-System (Unit-Injector-System) arbeitender Injektor ist, mit einer Druckstück-Kolben-Einheit mit konvex-konkav gepaarten Stirnflächen (19, 17) der beiden Teile der Einheit, wobei jeweils die Stirnfläche (19, 17) eines der Teile eine ringförmige Berührungsfläche aufweist und das Druckstück als Kugelbolzen (15) mit einer kugelförmigen Stirnfläche (19) ausgebildet ist, der mit seiner ringförmigen Berührungsfläche an dem mit einer kalottenförmigen Stirnfläche (17) ausgebildeten Pumpenkolben (14) des Injektors axial anliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der kugelförmigen Stirnfläche (19) des Kugelbolzens (15), konzentrisch zu dessen Bolzenachse (18), eine durch einen Kreisdurchmesser (20) bestimmte zentrale Planfläche ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem eines Dieselmotors, welche ein nach dem Pumpe-Düse-System (Unit-Injector-System) arbeitender Injector ist, mit einer Druckstück-Kolben-Einheit mit konvex-konkav gepaarten Stirnflächen der beiden Teile der Einheit, wobei jeweils die Stirnfläche eines der Teile eine ringförmige Berührungsfläche aufweist und das Druckstück als Kugelbolzen mit einer kugelförmigen Stirnfläche ausgebildet ist, der mit seiner ringförmigen Berührungsfläche an dem mit einer kalottenförmigen Stirnfläche ausgebildeten Pumpenkolben des Injectors axial anliegend angeordnet ist. Eine solche Hochdruckpumpe ist aus der Druckschrift EP 0 027 791 A1 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Bei Dieseleinspritzvorrichtungen sorgt ein Niederdrucksystem dafür, dass der Kraftstoff vom Tank zur eigentlichen Hochdruckeinspritzung gefördert wird, wie es beispielsweise van Basshuysen und Schäfer im „Handbuch Verbrennungsmotor”, Vieweg-Verlag Braunschweig/Wiesbaden 2002, erläutern. Das Hochdrucksystem ist im Wesentlichen durch die eigentliche Hochdruckpumpe charakterisiert. Der erforderliche Hochdruck und damit die Einspritzleistung wird ausschließlich durch Kolbenpumpen erzeugt. Dabei können einzylindrige Axialkolbenpumpen zum Einsatz kommen, welche in der Lage sind, Drücke von mehr als 1.000 bar langzeitstabil zu erzeugen und ggf. auch die erforderlichen Mengen zu dosieren.
Bei der sogenannten Pumpe-Düse-Einheit (PDE), auch als Unit-Injector-System (UIS) oder Electronic-Unit-Injector (EUI) bezeichnet, bilden das hochdruckerzeugende Pumpenelement und das Einspritzventil eine Baueinheit. Der Antrieb des Pumpenkolbens erfolgt über die motoreigene, oben liegende Nockenwelle, auf der spezielle Einspritznocken angeordnet sind, deren Bewegungen jeweils von einem Kipphebel auf den Pumpenkolben einer Pumpe-Düse-Einheit übertragen werden kann. Ein solches System ermöglicht die höchsten Einspritzdrücke bei Dieselmotoren. Das Einspritzdruckniveau liegt derzeit bei knapp über 2.000 bis 2.500 bar. Das System kommt sowohl bei PKW-Motoren, als auch bei Nutzfahrzeugen zum Einsatz. Die Anordnung des Pumpe-Düse-Elements im Zylinderkopf erfordert eine Neukonstruktion des Zylinderkopfes mit integrierter Kraftstoffzu- und -abführung, sowie einen besonders steifen und belastungsfähigen Antrieb der Nockenwelle.
Aus der Druckschrift DE 100 44 997 A1 ist eine Hochdruckpumpe bekannt, die als Druckstücke mehrere Druckplatten aufweist. Jede Druckplatte liegt mit einer Seite an einer ebenen Fläche eines Tripoderinges an, der als Antriebsglied wirkt. An der anderen Seite weist die Druckplatte eine Anlagefläche für einen Radialkolben auf. Die Anlagefläche hat ein kegeliges oder ein gotisches Profil. Der Kolbenboden ist ballig ausgeführt, so dass zwischen ihm und der kegeligen oder gotisch gewölbten Fläche ein ringflächenförmiger Kontakt besteht.
Bei der Übertragung der über eine Nockenwelle bzw. einen Kipphebel aufgebrachten Kraft zur Komprimierung des Kraftstoffes im Injektor können starker Verschleiß und Fresser an der Kontaktstelle zwischen dem Druckstück und dem Kolben auftreten, die als Kugel-Kalotten-Verbindung ausgeführt sein kann. Die Ursachen für den Verschleiß liegen darin, dass durch die Höhe der eingeleiteten Kraft sehr hohe Flächenpressungen zwischen der kugelförmigen Kalotte und der Halbkugel des Druckstücks auftreten. Infolge einer Kugel- Kalotten-Verbindung kommt es zu einer punktförmigen Lastverteilung, die sich ungünstig auf die Spannungszustände wie Hertz'sche Pressungen auswirkt.
Die Druckschrift US 5 282 574 A offenbart ebenfalls eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem. Dass dort ein Kugelbolzen mit einer kugelfömigen Stirnfläche axial an einer kalottenförmigen Stirnfläche eines Pumpenkolbens anliegt, ist nur aus der Zeichnung erkennbar. In der Beschreibung werden hierfür keine Angaben gemacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung anzugeben, welche in dem Druckstück und dem Kolben in deren Berührungsbereich eine optimierte Druckverteilung aufweist, so dass die Hertz'schen Pressungen und inneren Spannungszustände gegenüber denjenigen vorbekannter Hochdruckpumpen reduziert sind. Außerdem soll durch Verlagerung des mittigen Druckpunktes in der konkaven Stirnfläche auf eine ringförmig tragende Druckfläche ein besserer Zugang für Schmieröl zu dem Druckbereich geschaffen werden, so dass sich auch dadurch der Verschleiß reduzieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der kugelförmigen Stirnfläche des Kugelbolzens, konzentrisch zu dessen Bolzenachse, eine durch einen Kreisdurchmesser bestimmte zentrale Planfläche ausgebildet ist.
Der Kugelbolzen mit einer Bolzenachse und der Pumpenkolben mit einer Kolbenachse können jeweils eine kreiszylindrische Form aufweisen.
An der kugelförmigen Stirnfläche des Kugelbolzens kann konzentrisch zu dessen Bolzenachse die ringförmige Berührungsfläche angeordnet sein, welche von einem inneren Durchmesser sowie einem äußeren Durchmesser begrenzt ist.
Die ringförmige Berührungsfläche des Kugelbolzens weist einen Kreis mit einem mittleren Durchmesser auf, dabei kann jede durch die Kreislinie und den Kugelmittelpunkt der Stirnfläche verlaufende Gerade zu der Bolzenachse in einem spitzen Winkel angeordnet sein.
Der ringförmigen Berührungsfläche des Kugelbolzens entspricht eine ringförmige Berührungsfläche des Pumpenkolbens, die innerhalb von dessen kalottenförmiger Stirnfläche ausgebildet ist.
Durch die geometrische Ausbildung der Kalotte des Pumpenkolbens und der Halbkugel des Kugelbolzens bildet sich eine kreisringförmige Druckfläche, die zu einer Reduzierung der Hertz'schen Pressung führt. Darauf aufbauend ergibt sich eine verbesserte Spannungsverteilung in der Kalotte und eine Reduzierung der Verformungen mit verbessertem Schmierfilmaufbau. Die Folge ist eine Verringerung des Verschleißes.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Vergleich mit einer vorbekannten Pumpe im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Kugelbolzen einer erfindungsgemäßen Druckstück-Kolben-Einheit in der Seitenansicht;
2 einen Pumpenkolben der erfindungsgemäßen Druckstück-Kolben-Einheit in der Seitenansicht;
3 den Kugelbolzen gemäß 1 in vergrößerter Darstellung;
4 einen Injektor nach dem vorbekannten Stand der Technik, schematisch in einem Axialschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein Injektor der Fa. Robert Bosch GmbH für einen Pkw-Motor ist in 4 dargestellt. Er betrifft eine momentane Serienlösung für niedrigen Systemdruck mit einer Kugel-Kugel-Verbindung zwischen einem zylindrischen Pumpenkolben 1 und einem daran stirnseitig abgestützten Kugelbolzen. Der Pumpenkolben ist in der Bohrung eines Pumpenkörpers 2 längs seiner Kolbenachse verschiebbar angeordnet. Der Pumpenkörper 2 befindet sich in einem Zylinderkopf 3 eines Dieselmotors und weist im Bereich eines Brennraums 4 des Motors eine Einspritzdüse 5 mit einer Düsennadel 6 und deren Nadelsitz 7 auf. An dem von dem Brennraum 4 abgewandten Ende des Injektors ragt der Pumpenkolben 1 aus dem Pumpenkörper 2 heraus. Er ist hier mit einer konkaven Stirnfläche 8 an einer konvexen Stirnfläche 9 des Kugelbolzens 10 abgestützt. Ein von einer Nockenwelle 11 beaufschlagter Kipphebel 12 verschiebt den Kolbenbolzen 10 und den Pumpenkolben 1 periodisch zum Pumpenkörper 2 hin, während eine Rückstellfeder 13 den Pumpenkolben 1 periodisch aus dem Pumpenkörper 2 herausbewegt.
Die Verbindung zwischen einem Pumpenkolben 14 und einem Kugelbolzen 15 eines erfindungsgemäßen Injektors geht aus den 1 bis 3 hervor. Der zylindrische Pumpenkolben 14 mit seiner Kolbenachse 16 weist an einer Stirnseite eine kalottenförmige Stirnfläche 17 auf, an welcher der eine Bolzenachse 18 aufweisende zylindrische Kugelbolzen 15 im eingebauten Zustand mit einem stirnseitigen Ende anliegt und hier zu diesem Zweck mit einer kugelförmigen Stirnfläche 19 versehen ist, welche in die Kalottenform 17 des Pumpenkolbens 14 hineinpaßt.
An der kugelförmigen Stirnfläche 19 ist eine zu der Bolzenachse 18 konzentrische Planfläche mit einem Kreisdurchmesser 20 ausgebildet, welche an der Abstützung des Kugelbolzens 15 an dem Pumpenkolben 14 nicht mitwirkt. Daher ergibt sich für diese Abstützung an der Stirnfläche 19 eine entsprechend der Kugelform gewölbte ringförmige Berührungsfläche mit einem inneren Durchmesser 21 und einem äußeren Durchmesser 22. Mit diesem „Kugelring” liegt der Kugelbolzen 15 an dem Pumpenkolben 14, und zwar an dessen kalottenförmiger Stirnfläche 17 an.
Die geometrische Ausbildung ist so gewählt, daß von der Kugel der Stirnfläche 19 mit dem Kugeldurchmesser 23 der Mittelpunkt M auf der Bolzenachse 18 liegt. Ein mittlerer Durchmesser 24 bestimmt einen Kreis auf der Berührungsfläche der Stirnfläche 19. Jede durch diese Kreislinie und den Mittelpunkt M verlaufende Gerade 25 bildet mit der Bolzenachse 18 einen spitzen Winkel α.

Die Bemessungsverhältnisse sind hier für den Kugelbolzen 15 und seine kugelförmige Stirnfläche 19 beschrieben, sie gelten in entsprechender Weise auch für den Pumpenkolben 14 und dessen kalottenförmige Stirnfläche 17. Im Ausführungsbeispiel ist folgende Abmessungskombination möglich:
an dem Kugelbolzen 15:

Kugeldurchmesser 23	= 6,96 mm
Innerer Durchmesser 21	= 1,8 mm
Äußerer Durchmesser 22	= 4,9 mm
Mittlerer Durchmesser 24	= 3,48 mm
Spitzer Winkel α	= 30°
Durchmesser 20 der Planfläche	≤ 1,0 mm;

an dem Pumpenkolben 14:

Durchmesser der Kugelkalotte	= 9,96 mm
Innerer Durchmesser	= 1,7 mm
Äußerer Durchmesser	= 5,0 mm
Mittlerer Durchmesser	= 3,48 mm
Spitzer Winkel α	= 30°.

1: Pumpenkolben
2: Pumpenkörper
3: Zylinderkopf
4: Brennraum
5: Einspritzdüse
6: Düsennadel
7: Nadelsitz
8: Konkave Stirnfläche
9: Konvexe Stirnfläche
10: Kugelbolzen
11: Nockenwelle
12: Kipphebel
13: Rückstellfeder
14: Pumpenkolben
15: Kugelbolzen
16: Kolbenachse
17: Kalottenförmige Stirnfläche
18: Bolzenachse
19: Kugelförmige Stirnfläche
20: Kreisdurchmesser der Planfläche
21: Innerer Durchmesser
22: Äußerer Durchmesser
23: Kugeldurchmesser
24: Mittlerer Durchmesser
25: Gerade
M: Mittelpunkt
α: spitzer Winkel

Claims

Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem eines Dieselmotors, welche ein nach dem Pumpe-Düse-System (Unit-Injector-System) arbeitender Injektor ist, mit einer Druckstück-Kolben-Einheit mit konvex-konkav gepaarten Stirnflächen (19, 17) der beiden Teile der Einheit, wobei jeweils die Stirnfläche (19, 17) eines der Teile eine ringförmige Berührungsfläche aufweist und das Druckstück als Kugelbolzen (15) mit einer kugelförmigen Stirnfläche (19) ausgebildet ist, der mit seiner ringförmigen Berührungsfläche an dem mit einer kalottenförmigen Stirnfläche (17) ausgebildeten Pumpenkolben (14) des Injektors axial anliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der kugelförmigen Stirnfläche (19) des Kugelbolzens (15), konzentrisch zu dessen Bolzenachse (18), eine durch einen Kreisdurchmesser (20) bestimmte zentrale Planfläche ausgebildet ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelbolzen (15) mit seiner Bolzenachse (18) und der Pumpenkolben (14) mit seiner Kolbenachse (16) jeweils eine kreiszylindrische Form aufweisen.
Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der kugelförmigen Stirnfläche (19) des Kugelbolzens (15), konzentrisch zu dessen Bolzenachse (18), die ringförmige Berührungsfläche angeordnet ist, welche von einem inneren Durchmesser (21) sowie einem äußeren Durchmesser (22) begrenzt ist.
Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Berührungsfläche des Kugelbolzens (15) einen Kreis mit einem mittleren Durchmesser (24) aufweist, wobei jede durch die Kreislinie und den Kugelmittelpunkt (M) der Stirnfläche (19) verlaufende Gerade (25) zu der Bolzenachse (18) in einem spitzen Winkel (α) angeordnet ist.
Pumpe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine der ringförmigen Berührungsfläche des Kugelbolzens (15) entsprechende ringförmige Berührungsfläche des Pumpenkolbens (14), die innerhalb von dessen kalottenförmiger Stirnfläche (17) ausgebildet ist.