DE112018005595T5

DE112018005595T5 - Kraftstoffzuführpumpe

Info

Publication number: DE112018005595T5
Application number: DE112018005595.7T
Authority: DE
Inventors: Shingo Tamura; Kenichiro Tokuo; Masayuki Suganami; Kazuaki TOKUMARU
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-07-30
Also published as: CN111480000B; CN111480000A; JP6902627B2; US20210207567A1; WO2019131049A1; JPWO2019131049A1

Abstract

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Kraftstoffzuführpumpe vorzusehen, bei der die Schmierwirkung eine am inneren Umfang eines Zylinders hin- und hergehenden Kolbens verbessert ist, um ein bei zunehmendem Kraftstoffdruck möglicherweise auftretendes Haften des Kolbens zu vermeiden. Die Kraftstoffzuführpumpe umfasst einen am inneren Umfang eines Zylinders hin- und hergehenden Kolben und eine von dem Kolben mit Druck beaufschlagte Druckkammer. Am äußeren Umfang des Kolbens ist eine Ringnut ausgebildet, die näher an der Druckkammer angeordnet ist als die axiale Mittelposition eines Zylindergleitbereichs in der unteren Totpunktlage.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffzuführpumpe.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, bei der Kraftstoff direkt in die Brennkammer eingespritzt wird, wird häufig eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe verwendet, um den Kraftstoffdruck zu erhöhen. Als verwandter Stand der Technik ist in JP 2017-25924 A eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe offenbart. PTL1 beschreibt, dass „der Zylinder 6 den Kolben 2 enthält, der sich in einer Druckkammer 11 längs der Richtung der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung gleitend vor und zurück bewegt“.
ZITATELISTE
PATENTLITERATUR
PTL1: JP 2017-25924 A
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
In den letzten Jahren besteht Bedarf an Hochdruck-Kraftstoffpumpen, die Hochdruck-Kraftstoff bei einem Abgabedruck von beispielsweise 20 MPa oder mehr zuführen. Zu diesem Zweck muss der Kraftstoffdruck in der Druckkammer erhöht werden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat jedoch festgestellt, dass Kolben und Zylinder mit zunehmendem Kraftstoffdruck aneinander haften können.
Ziel der Erfindung ist es, eine Kraftstoffzuführpumpe anzugeben, bei der die Schmierfähigkeit eines hin- und hergehenden Kolbens gegenüber dem Innenumfang eines Zylinders verbessert ist, um die bei zunehmendem Kraftstoffdruck möglicherweise auftretende Kolbenhaftung zu unterdrücken.
Problemlösung
Zum Erreichen dieses Ziels wird erfindungsgemäß eine Kraftstoffzuführpumpe mit einem im inneren Umfangsbereich eines Zylinders hin- und hergehenden Kolben und einer von dem Kolben druckbeaufschlagten Druckkammer vorgesehen. Am Außenumfang des Kolbens ist eine Ringnut ausgebildet, die näher an der Druckkammer angeordnet ist als die axiale Mittelposition eines Zylindergleitbereichs in der unteren Totpunktlage.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Kraftstoffzuführpumpe mit verbesserter Schmierfähigkeit eines im inneren Umfang hin- und hergehenden Kolbens zu schaffen.
Über die obige Beschreibung hinausgehende Ziele, Konzepte und Wirkungen ergeben sich aus der Beschreibung der nachstehenden Ausführungsbeispiele.
Figurenliste

1 ist ein vertikaler Querschnitt durch eine Kraftstoffzuführpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel, gesehen in seitlicher Richtung;
2 ist ein horizontaler Querschnitt durch die Kraftstoffzuführpumpe dieses Ausführungsbeispiels, gesehen von oben;
3 ist ein vertikaler Querschnitt durch die Kraftstoffzuführpumpe gemäß diesem Ausführungsbeispiel, gesehen in einer von 1 verschiedenen Richtung;
4 ist ein vergrößerter Querschnitt eines an der Kraftstoffzuführpumpe dieses Ausführungsbeispiels angebrachten elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus;
5 zeigt den schematischen Aufbau eines Kraftstoff-Zuführsystems mit der Kraftstoffzuführpumpe dieses Ausführungsbeispiels;
6 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung eines Kolbens in der Kraftstoffzuführpumpe dieses Ausführungsbeispiels, gesehen in Axialrichtung;
7 zeigt einen Zustand, bei dem sich der Kolben 2 dieses Ausführungsbeispiels am oberen und am unteren Totpunkt befindet; und
8 ist eine vergrößerte Ansicht des Kolbens 2 dieses Ausführungsbeispiels zur Veranschaulichung der Einzelheiten einer Ringnut 2c.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung kann die vertikale Richtung in den Zeichnungen spezifiziert und beschrieben sein; diese vertikale Richtung bedeutet aber nicht die vertikale Richtung im eingebauten Zustand der Kraftstoffzuführpumpe.
Erstes Ausführungsbeispiel
5 zeigt einen schematischen Aufbau eines Kraftstoff-Zuführsystems mit einer Kraftstoffzuführpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der mit einer gestrichelten Linie umgebene Teil zeigt einen Pumpenkörper 1 der Kraftstoffzuführpumpe, wobei die innerhalb der gestrichelten Linie dargestellten Mechanismen/Bestandteile in diesem Pumpenkörper 1 integriert sind.
Der Kraftstoff eines Kraftstofftanks wird durch eine Zuführpumpe 21 aufgrund eines Signals aus einer Motorsteuereinheit (ECU) 21 heraufgepumpt. Der Kraftstoff wird mit einem geeigneten Druck beaufschlagt und durch ein Ansaugrohr 28 an eine Niederdruck-Kraftstoffansaugöffnung 10a der Kraftstoffzuführpumpe geleitet. Der von der Niederdruck-Kraftstoffansaugöffnung 10a über einen Ansaugstutzen 51 zugeführte Kraftstoff erreicht über einen Druckimpuls-Dämpfungsmechanismus 9 und eine Ansaugleitung 10d eine Ansaugöffnung 31b eines elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300 eines Kapazitäts-Änderungsmechanismus.
Der dem elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300 zugeführte Kraftstoff gelangt über ein Ansaugventil 30 in eine Druckammer 11. Mit der Energie einer Hin- und Herbewegung wird über eine Mitnehmersteuerung 93 (siehe 1) eines Motors ein Kolben 2 beaufschlagt. Beim Abwärtshub des Kolbens 2 wird der Kraftstoff von dem Ansaugventil angesaugt; beim Aufwärtshub wird er mit Druck beaufschlagt. Über einen Auslassventilmechanismus 8 wird der druckbeaufschlagte Kraftstoff einer gemeinsamen Leitung 23 zugeführt, an der ein Drucksensor 26 angebracht ist.
An der gemeinsamen Leitung 23 sind eine Einspritzdüse 24 (sogenannter Direkteinspritzer) zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder eines (nicht gezeigten) Motors und der Drucksensor 26 angebracht. Direkteinspritzer 24 sind entsprechend der Anzahl von Motorzylindern (Zylindern) vorgesehen, öffnen und schließen entsprechend Steuersignalen von einer Motorsteuereinheit 27 und spritzen Kraftstoff in die Zylinder. Die Kraftstoffzuführpumpe (Kraftstoffzuführpumpe) dieses Ausführungsbeispiels ist bei einem sogenannten Direkteinspritz-Motorsystem angewandt, bei dem der Direkteinspritzer 24 Kraftstoff direkt in den Motor einspritzt.
Tritt in der gemeinsamen Leitung 23 aufgrund eines Fehlers des Direkteinspritzers 24 oder dergleichen ein anomal hoher Druck auf und ist die Differenz zwischen dem Druck einer Kraftstoff-Auslassöffnung 12 der Kraftstoffzuführpumpe und dem Druck in der Druckkammer 11 gleich oder höher als der Ventilöffnungsdruck eines Überdruckventil-Mechanismus 200, so öffnet ein Überdruckventil 202. In diesem Fall strömt der mit anomal hohem Druck beaufschlagte Kraftstoff der gemeinsamen Leitung 13 durch das Innere des Überdruckventil-Mechanismus 200 und wird von einer Überdruckleitung 200a an die Druckkammer 11 zurückgegeben. Auf diese Weise lässt sich die gemeinsame Leitung 23 (Hochdruckrohr) schützen. Die Erfindung lässt sich in ähnlicher Weise bei einem System anwenden, bei dem die Überdruckleitung 200a an eine Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 (siehe 1) angeschlossen ist und der unter anomal hohem Druck stehende Kraftstoff an die Niederdruckleitung zurückgegeben wird.
Die Kraftstoffzuführpumpe des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird anhand von 1, 2 und 3 beschrieben. 1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung einen zur Mittelachse des Kolbens parallelen Querschnitt durch die Kraftstoffzuführpumpe gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 2 zeigt einen horizontalen Querschnitt durch die Kraftstoffzuführpumpe dieses Ausführungsbeispiels, gesehen von oben. 3 ist eine Querschnittsdarstellung der Kraftstoffzuführpumpe dieses Ausführungsbeispiels, gesehen in einer von 1 verschiedenen Richtung.
In 2 ist der Ansaugstutzen 51 ist an der Seitenfläche des Gehäuses vorgesehen; die Erfindung ist aber darauf nicht beschränkt, vielmehr auch bei einer Kraftstoffzuführpumpe anwendbar, bei der der Ansaugstutzen 51 an einer oberen Fläche eines Dämpferdeckels 14 vorgesehen ist. Der Ansaugstutzen 51 ist an ein Niederdruckrohr angeschlossen, um Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 20 des Fahrzeugs zuzuführen, wobei der Kraftstoff von der Niederdruck-Ansaugöffnung 10a des Ansaugstutzens 51 durch eine in dem Pumpenkörper 1 ausgebildete Niederdruckleitung strömt. Am Einlass der in dem Pumpenkörper 1 ausgebildeten Kraftstoffleitung ist ein in den Pumpenkörper 1 eingepresstes (nicht gezeigtes) Ansaugfilter vorgesehen, das verhindert, dass zwischen dem Kraftstofftank 20 und der Niederdruck-Ansaugöffnung 10a vorhandene Fremdkörper in die Kraftstoffzuführpumpe gelangen.
Von dem Ansaugstutzen 51 strömt der Kraftstoff in Axialrichtung des Kolbens nach oben in die von einem oberen Dämpferteil 10b und einem unteren Dämpferteil 10c gebildete, in 1 gezeigte Niederdruck-Kraftstoffkammer 10, die durch Abdeckung mittels eines an dem Pumpenkörper 1 angebrachten Dämpferdeckels 14 entsteht. Der Kraftstoff, dessen Druckschwankung durch einen Druckschwankungs-Dämpfungsmechanismus 9 in der Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 verringert ist, gelangt über die Niederdruck-Kraftstoffleitung 10d zur Ansaugöffnung 31b des elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300. Dieser elektromagnetische Ansaugventilmechanismus 300 ist an einem in dem Pumpenkörper 1 ausgebildeten seitlichen Loch angebracht und führt eine gewünschte Durchflussmenge an Kraftstoff über eine in dem Pumpenkörper 1 ausgebildete Druckkammer-Einlassleitung 1a der Druckkammer 11 zu. Zwischen dem Zylinderkopf 90 und dem Pumpenkörper 1 ist in diesen ein O-Ring 61 eingesetzt, der den Austritt von Motoröl verhindert.
Wie in 1 gezeigt, ist an dem Pumpenkörper 1 ein die Hin- und Herbewegung des Kolbens 2 führender Zylinder 6 angebracht, der mit seiner Außenseite durch Einpressen und Stauchen in den Pumpenkörper 1 eingesetzt ist. Die Oberfläche des zylindrischen Presssitzteils des Zylinders 6 dichtet, so dass der unter Druck stehende Kraftstoff nicht durch den Spalt zwischen dem Zylinder 6 und dem Pumpenkörper 1 zur Niederdruckseite leckt. Die obere Stirnfläche des Zylinders 6 steht axial in Kontakt mit der Ebene des Pumpenkörpers 1, so das zwischen dem Pumpenkörper 1 und dem Zylinder 6 zusätzlich zu der Dichtung des zylindrischen Presssitzteils ein doppelter Dichtungsaufbau entsteht.
Am unteren Ende des Kolbens 2 ist ein Nockenstößel 92 vorgesehen, der die Drehbewegung des an einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors angebrachten Nockens 93 in eine Auf- und Abbewegung umsetzt, die auf den Kolben 2 übertragen wird. Der Kolben 2 wird durch eine Feder 4 über einen Halter 15 fest gegen den Nockstößel 92 gedrückt. Aufgrund dieses Aufbaus kann der Kolben 2 eine der Drehbewegung des Nockens 93 entsprechende Hin- und Herbewegung in vertikaler Richtung ausführen.
Ferner ist am unteren Ende des Innenumfangs eines Dichtungshalters 7 eine Kolbendichtung 13 angeordnet, die mit dem Außenumfang des Kolbens 2 im unteren Teil des in der Zeichnung dargestellten Zylinders 6 in Gleitkontakt steht. Gleitet bei diesem Aufbau der Kolben 2, so ist der Kraftstoff in einer Hilfskammer 7a dicht eingeschlossen und kann nicht in den Verbrennungsmotor strömen. Gleichzeitig verhindert die Kolbendichtung 13, dass zum Schmieren der gleitenden Teile in dem Verbrennungsmotor dienendes Schmieröl (einschließlich des Maschinenöls) in den Pumpenkörper 1 fließt.
Wie in 2 gezeigt, weist der Pumpenkörper 1 ein seitliches Loch zum Einbau des elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300, ein seitliches Loch zum Einbau des Auslassventilmechanismus 8 an der gleichen Stelle in Axialrichtung des Kolbens, ein seitliches Loch zum weiteren Einbau des Überdruckventil-Mechanismus 200 und ein seitliches Loch zum Einbau eines Auslassstutzens 12c auf. Der über den elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300 in der Druckkammer 11 mit Druck beaufschlagte Kraftstoff fließt über den Auslassventilmechanismus 8 durch eine Auslassleitung 12b und wird von der Kraftstoffauslassöffnung 12 des Auslassstutzens 12c abgegeben.
Der an der Auslassseite der Druckkammer 11 vorgesehene Auslassventilmechanismus 8 (2 und 3) umfasst einen Auslassventilsitz 8a, ein Auslassventil 8b, das mit dem Auslassventilsitz 8a in Berührung kommt oder von diesem getrennt ist, eine Auslassventilfeder 8c, die das Auslassventil 8b gegen den Auslassventilsitz 8a vorspannt, einen Auslassventilzapfen 8d und einen Auslassventilanschlag 8e, der den Hub (Weg) des Auslassventil 8b bestimmt. Der Auslassventilzapfen 8d und der Pumpenkörper 1 sind über eine Schweißung 401 verbunden, wobei diese Verbindung den Innenraum, durch den der Kraftstoff strömt, gegen die Außenseite verschließt. Der Auslassventilsitz 8a ist über ein Presssitzteil 402 mit dem Pumpenkörper 1 verbunden.
Besteht zwischen dem Kraftstoffdruck der Druckkammer 11 und dem einer Auslassventilkammer 12a kein Druckunterschied, so wird das Auslassventil 8b durch die die Druckkraft der Auslassventilfeder 8c dicht gegen den Auslassventilsitz 8a gedrückt und gelangt in den geschlossenen Zustand.
Nur dann, wenn der Kraftstoffdruck der Druckkammer 11 den der Auslassventilkammer 12a übersteigt, öffnet das Auslassventil 8b gegen die Auslassventilfeder 8c. Dann wird Hochdruck-Kraftstoff in der Druckkammer 11 über die Auslassventilkammer 12a durch die Auslassventilkammer 12a, die Kraftstoff-Auslassleitung 12b und die Kraftstoff-Auslassöffnung 12 an die gemeinsame Leitung 23 abgegeben.
Beim Öffnen kommt das Auslassventil 8b in Berührung mit dem Auslassventilanschlag 8e, was den Hub begrenzt. Somit wird der Hub des Auslassventils 8b durch den Auslassventilanschlag 8e in geeigneter Weise begrenzt. Mit diesem Konzept lässt sich verhindern, dass unter hohem Druck an die Auslassventilkammer 12a abgegebener Kraftstoff infolge der Verzögerung beim Schließen des Auslassventils 8b bei übermäßig großem Hub in die Druckkammer 11 zurückströmt. Somit lässt sich eine Verschlechterung im Wirkungsgrad der Kraftstoffzuführpumpe unterdrücken. Außerdem wird das Auslassventil 8b, wenn es wiederholt öffnet und schließt, von der äußeren Umfangsfläche des Auslassventilanschlags 8e derart geführt, dass es sich nur in Hubrichtung bewegt.
Wie oben beschrieben, umfasst die Druckkammer 11 den Pumpenkörper 1, den elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300, den Kolben 2, den Zylinder 6 und den Auslassventilmechanismus 8. Wie in 2 und 3 gezeigt, arbeitet die Kraftstoffzuführpumpe des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit einem an dem Pumpenkörper 1 vorgesehenen Montageflansch 1b, der dicht an die Ebene des Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors anschließt und über mehrere (nicht gezeigte) Bolzen befestigt ist.
Der Überdruckventil-Mechanismus 200 umfasst ein Sitzteil 201, das Überdruckventil 202, einen Überdruckventilhalter 203, eine Entlastungsfeder 204 und ein Halteteil 205. Der Überdruckventil-Mechanismus 200 ist ein Ventil, das so gestaltet ist, dass es arbeitet, wenn aufgrund eines Problems in der gemeinsamen Leitung 23 oder einem nahe davor liegenden Bauteil ein abnorm hoher Druck auftritt. Wird der Druck in der gemeinsamen Leitung 23 oder einem nahe davor liegenden Bauteil hoch, so öffnet das Ventil und gibt den Kraftstoff an die Druckkammer 11 oder die Niederdruckleitung (die Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 oder die Ansaugleitung 10d) zurück. Daher ist es erforderlich, den geschlossenen Ventilzustand unter einem vorgegebenen Druck zu halten, wobei die sehr starke Feder 204 hohem Druck entgegenwirkt.
Anhand von 4 wird der elektromagnetische Ansaugventilmechanismus 300 beschrieben. 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht durch den elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus dieses Ausführungsbeispiels und zeigt einen Querschnitt parallel zur Bewegungsrichtung des Ansaugventils und einen Querschnitt zur Veranschaulichung eines Zustands bei geöffnetem Ansaugventil.
Im nicht beaufschlagten Zustand wird das Ansaugventil 30 durch eine starke Stabspannfeder 40 in Ventilöffnungsrichtung betätigt und ist somit vom normalerweise offenen Typ. Wird von der Motorsteuereinheit 27 an den Ansaugventilmechanismus 300 ein Steuersignal angelegt, so fließt Strom über eine Klemme 46 an eine Elektromagnetspule 43. Fließt durch die Elektromagnetspule 43 Strom, so wird durch die magnetische Anziehungskraft eines Magnetkerns 39 ein beweglicher Kern 36 in Ventilschließrichtung zu einer magnetischen Anziehungsfläche S gezogen. Die Stabspannfeder 40 ist in einem in dem Magnetkern 39 ausgebildeten konkaven Teil angeordnet und drückt gegen einen Flanschteil 35a. An der von der Stabspannfeder 40 abgewandten Seite steht der Flanschteil 35a in Eingriff mit dem konkaven Teil des beweglichen Kerns 36.
Der Magnetkern 39 ist so gestaltet, dass in Kontakt mit einem Deckelteil 44 steht, der die die Elektromagnetspule 39 enthaltende Elektromagnetspulenkammer bedeckt. Wird der bewegliche Kern 36 von der Elektromagnetspule 39 angezogen und bewegt, so gelangt er in Eingriff mit dem Flanschteil 35a eines Stabes 35, der sich zusammen mit dem beweglichen Kern 36 in Ventilschließrichtung bewegt. Zwischen dem beweglichen Kern 36 du dem Ansaugventil 30 sind eine Ventilschließfeder 41, die den beweglichen Kern 36 in Ventilschließrichtung beaufschlagt, und ein Stabführungsteil 37 angeordnet, der den Stab 35 in Ventilöffnungs- und Ventilschließrichtung führt. Der Stabführungsteil 37 bildet eine Federsitz 37b der Ventilschließfeder 41. Ferner ist der Stabführungsteil 37 mit einer Kraftstoffdurchführung 37a versehen, durch die Kraftstoff in den und aus dem Raum strömen kann, in dem sich der bewegliche Kern 36 befindet.
Der bewegliche Kern 36, die Ventilschließfeder 41, der Stab 35 usw. sind in einem am Pumpenkörper befestigten Gehäuse 38 des elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus untergebracht. In diesem Gehäuse sind auch der Magnetkern 39, die Stabspannfeder 40, die Elektromagnetspule 43, der Stabführungsteil 37 usw. enthalten. Der Stabführungsteil 37 ist an dem Gehäuse 38 des elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus auf der von dem Magnetkern 39 und der Elektromagnetspule 43 abgewandten Seite angebracht und umfasst das Ansaugventil 30, eine Ansaugventil-Vorspannfeder 33 und einen Anschlag 32.
Das Ansaugventil 30, die Ansaugventil-Vorspannfeder 33 und der Anschlag 32 sind an der von dem Magnetkern 39 abgewandten Seite des Stabes 35 vorgesehen. Das Ansaugventil 30 ist mit einem Führungsteil 30b ausgebildet, der in Richtung der Druckkammer 11 herausragt und von der Ansaugventil-Vorspannfeder 33 geführt wird. Bei Bewegung des Stabes 35 bewegt sich Ansaugventil 30 in Ventilöffnungsrichtung (von einem Ventilsitz 31 weg) um den Spalt des Ventilkörperhubes 30e und gelangt in den Ventilöffnungszustand. Der Kraftstoff wird von einer Zuführleitung 10d der Druckkammer 11 zugeführt. Die Bewegung des Führungsteils 30b endet bei Erreichen des Anschlags 32, der in das Gehäuse (den Stabführungsteil 37) des elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus eingepresst ist. Der Stab 35 und das Ansaugventil 30 sind getrennte und unabhängige Bauteile. Bei Kontakt des Ventilsitzes 31a eines an der Ansaugseite angeordneten Ventilsitzteils 31 schließt das Ansaugventil 30 den Strömungsweg gegenüber der Druckkammer 11; beim Abheben von dem Ventilsitz 31a öffnet es den Strömungsweg zu der Druckkammer 11.
Wenn sich bei Drehung des Nockens 93 nach 1 der Kolben 2 in Richtung des Nockens 93 (Abwärtsrichtung) bewegt und dadurch in eine Ansaughubphase gelangt, vergrößert sich das Volumen der Druckkammer 11 und der Kraftstoffdruck in der Druckkammer 11 sinkt. Wird die Elektromagnetspule 43 während dieser Ansaughubphase abgeschaltet, so übersteigt die Summe aus der Druckkraft der Stabspannfeder 40 und der aus dem Druck in der Ansaugleitung 10d resultierenden Flüssigkeitskraft die aus dem Kraftstoffdruck in der Druckkammer 11 resultierende Flüssigkeitskraft. Dadurch wird das Ansaugventil 30 von dem Stab 35 in die Ventilöffnungsrichtung in den geöffneten Ventilzustand versetzt.
Erreicht der Kolben 2 mit Beendigung des Ansaughubes den unteren Totpunkt, so beginnt er sich wieder aufwärts zu bewegen. Dabei bleibt die Elektromagnetspule 43 abgeschaltet, und es wirkt keine magnetische Antriebskraft. Entsprechend der Verdichtungsbewegung des Kolbens 2 verringert sich das Volumen der Druckkammer 11. In diesem Zustand kehrt der vorher in die Druckkammer angesaugte Kraftstoff über die Öffnung des Ansaugventils 30, das wieder in den geöffneten Ventilzustand gelangt, in die Ansaugleitung 10d zurück. Dabei erhöht sich der Druck in der Druckkammer 11 nicht. Dieser Hub wird als Rückhub bezeichnet.
Danach wird durch Einschalten der Elektromagnetspule 43 zu einem geeigneten Zeitpunkt die magnetische Anziehungskraft wie oben beschrieben erzeugt, so dass sich der Stab 35 zusammen mit dem beweglichen Kern 36 in Ventilschließrichtung bewegt und die Spitze 35b des Stabs 35 von dem Ansaugventile trennt. In diesem Zustand wird das Ansaugventil 30, das als Rückschlagventil entsprechend der Druckdifferenz öffnet und schließt, durch die Vorspannung der Ansaugventil-Vorspannfeder 33 geschlossen. Nach dem Schließen des Ansaugventils 30 wird der Kolben 2 angehoben, so dass sich das Volumen der Druckkammer 11 verringert und der Kraftstoff mit Druck beaufschlagt wird. Dies wird als Verdichtungshub bezeichnet. Wenn der Kraftstoff in der Druckkammer 11 mit Druck beaufschlagt wird und der Kraftstoffdruck die Summe aus dem Kraftstoffdruck in der Auslassventilkammer 12a und der Vorspannung der Auslassventilfeder 8c übersteigt, öffnet sich das Auslassventil 8b und gibt Kraftstoff ab.
Die Menge an abgegebenem Hochdruck-Kraftstoff lässt sich durch Steuern des Zeitpunktes für das Einschalten der Elektromagnetspule 43 des elektromagnetischen Ansaugventilmechanismus 300 steuern. Wird dieser Zeitpunkt vorverlegt, wird der Anteil des Rückhubs in dem Verdichtungshub klein, und der Anteil des Auslasshubs steigt. Mit anderen Worten nimmt die der Ansaugleitung 10d zurückgegebene Kraftstoffmenge ab und die an die gemeinsame Leitung 23 abgegebene Menge steigt. Wird andererseits der Einschaltzeitpunkt verzögert, so nimmt der Anteil des Rückhubs in dem Verdichtungshub zu und der Anteil des Auslasshubs wird kleiner. Mit anderen Worten nimmt die der Ansaugleitung 10d zurückgegebene Kraftstoffmenge zu und die an die gemeinsame Leitung 23 abgegebene Menge an Hochdruck-Kraftstoff nimmt ab. Der Zeitpunkt für das Einschalten der Elektromagnetspule 43 wird durch einen Befehl aus der Motorsteuereinheit 27 gesteuert.
Wie oben beschrieben, lässt sich durch Steuern des Einschaltzeitpunkts für die Elektromagnetspule 43 die abzugebende Menge an Hochdruck-Kraftstoff auf den Wert steuern, den der Verbrennungsmotor benötigt.
In der Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 dient der Druckschwankungs-Dämpfungsmechanismus 9 dazu zu verhindern, dass sich in der Kraftstoffzuführleitung entstehenden Druckschwankungen in das Kraftstoffrohr 28 fortpflanzen. Über und unter dem Druckschwankungs-Dämpfungsmechanismus 9 sind in Abstand ein oberer Dämpferteil 10b und ein unterer Dämpferteil 10c vorgesehen. Kehrt der in die Druckkammer 11 eingeströmte Kraftstoff über das Ansaugventil 30, das zur Volumensteuerung wieder in den Öffnungszustand gelangt, in die Ansaugleitung 10d zurück, so entstehen in der Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 Druckschwankungen infolge des in die Ansaugleitung 10d zurückströmenden Kraftstoffs. Der in der Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 vorgesehene Druckschwankungs-Dämpfungsmechanismus 9 wird von einem Metallmembrandämpfer gebildet, bei dem zwei scheibenförmige gewellte Metallplatten mit einem dazwischen injizierten Inertgas, etwa Argon, an ihren Außenflächen verbunden sind, so dass Druckschwankungen durch Ausdehnen und Zusammenziehen des Metalldämpfers absorbiert und verringert werden. Die Bezugsziffer 9a bezeichnet eine an der Kraftstoffleitung vorgesehene Montageklammer zur Befestigung des Metalldämpfers am inneren Umfang des Pumpenkörpers 1. Der Tragteil mit dem Dämpfer erstreckt sich nicht über den gesamten Umfang sondern nur über einem Teil, so dass die Flüssigkeit zwischen Vorder- und Rückseite der Montageklammer 9a frei strömen kann.
Der Kolben 2 umfasst einen Teil 2a mit großem Durchmesser und eine Teil 2b mit kleinem Durchmesser. Mit der Hin- und Herbewegung des Kolbens 2 nimmt das Volumen der Hilfskammer 7a zu oder ab. Die Hilfskammer 7a ist über eine Kraftstoffleitung 10e (siehe 3) mit der Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 verbunden. Bei Abwärtsbewegung des Kolbens 2 strömt der Kraftstoff von der Hilfskammer 7a in die Niederdruck-Kraftstoffkammer 10. Bei Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 strömt der Kraftstoff von der Niederdruck-Kraftstoffkammer 10 in die Hilfskammer 7a.
Bei dem vorliegenden Aufbau lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit in die und aus der Pumpe im Ansaughub bzw. im Rückhub reduzieren, wobei sich die in der Kraftstoffzuführpumpe erzeugten Druckschwankungen verringern lassen.
Im Folgenden wird der Aufbau des Kolbens 2 dieses Ausführungsbeispiels anhand von 6, 7 und 8 im Einzelnen beschrieben. 6 ist eine Schnittansicht des Kolbens 2 in Axialrichtung der Kraftstoffzuführpumpe gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Bei dieser Pumpe ist die Druckkammer 11 durch Ausbilden eines Lochs 1a in einem Teil des Pumpenkörpers 1 von unten her geformt. Eine Kontaktstirnfläche 6a des Zylinders 6 steht in Kontakt mit einem oberen Ende 1b des das Loch 1a bildenden Pumpenkörpers 1. 6 zeigt einen Zustand, in dem sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet. In diesem Zeitpunkt ragt die Spitze des Kolbens 2 von der Kontaktstirnfläche 6a des Zylinders 6 in Richtung der Druckkammer 11 (im oberen Teil der 6) vor.
Nun werden die Kontaktfläche (eng angedrückter Teil) zwischen dem Zylinder 6 und dem Pumpenkörper 1 und die Gestaltung des Spiels beschrieben. Als Befestigungsteil des Zylinders 6 bezüglich des Pumpenkörpers 1 dient eine Presssitzteil 6b, bei dem es sich um einen konvexen Teil des Zylinders 6 handelt. Zur Befestigung werden der Pumpenkörper 1 und der Presssitzteil 6b ineinander gepresst. Mit diesem Aufbau kann die Befestigung in einem einfachen Arbeitsgang erfolgen. Anstelle des Presssitzteils 6b kann die Befestigung des Zylinders 6 am Pumpenkörper 1 auch mittels einer Schraube erfolgen. Ferner ist in einem Bereich nahe der Druckkammerseite des Presssitzteils 6b ein vom Pumpenkörper trennendes Spiel 6c ausgebildet. In Axialrichtung unter dem Presssitzteil 6b (konvexer Teil) weist der Zylinder 6 ferner einen Führungsteil 6d auf, dessen radiale Dicke ist im Vergleich zur radialen Dicke des Presssitzteils 6b klein bemessen ist. Zusätzlich zu der radial inneren Seitenfläche des Presssitzteils 6b und der in Radialrichtung des Spiels 6c inneren Seitenfläche ist der Führungsteil 6d vorgesehen, so dass sich eine Neigung des Kolbens 2 unterdrücken lässt. Daher lässt sich vermeiden, dass der Zylinder 6 stecken bleibt. Seitenkräfte, die auf die Kolbendichtung 13 und den Dichtungshalter 7 dort wirken, wo die Kolbendichtung 13 eingebaut ist, lassen sich verringern.
Zum Befestigen des Zylinders 6 ist ferner der äußere Durchmesserteil (der äußere Umfangsteil) 6b des Zylinders 6 in den Pumpenkörper 1 eingepresst, wobei eine Stirnfläche 6e an der von der Druckkammer des Zylinders 6 abgewandten Seite durch plastische Verformung eines gestauchten Teils 1c des Pumpenkörpers 1 an den Pumpenkörper angepasst ist. Dabei wird der Zylinder 6 an die Kontaktfläche (den gestauchten Teil 1 c) des Pumpenkörpers 1 eng angepresst, wobei die Presskraft in Axialrichtung in Richtung der Oberseite hinzutritt, um den Zylinder 6 am Pumpenkörper 1 zu befestigen.
Zwischen dem radial äußeren zylindrischen Teil des Kolbens 2 und dem inneren zylindrischen Teil des Zylinders 6 ist ein Spalt ausgebildet, in den Kraftstoff zum Schmieren des gleitenden Teils einströmt. Ferner ist die Seite der Druckkammer 11 mit Hochdruck-Kraftstoff von dem gleitenden Teil gefüllt, und das untere Ende des Zylinders 6 bildet einen mit Niederdruck-Kraftstoff gefüllten Bereich. Ist der Spalt groß, so nimmt der Schmiereffekt zu, wobei jedoch auch die Menge an durch den Spalt in den Niederdruck-Kraftstoffbereich leckendem Hochdruck-Kraftstoff steigt. Da somit die Abgabeleistung der Hochdruck-Kraftstoffpumpe sinkt, soll der Spalt zwischen den gleitenden Teilen möglichst klein sein.
Geht andererseits die Kraftstoffschmierung verloren, haftet der Kraftstoff leicht an dem gleitenden Teil zwischen dem Zylinder 6 und dem Kolben 2 an. Beim Betrieb der Kraftstoff-Zuführpumpe führt der Kolben 2 wiederholt schnelle Hin- und Herbewegungen aus, wobei er an der inneren Umfangsseite des Zylinders 6 gleitet. Da in den letzten Jahren für den Abgabedruck der Kraftstoff-Zuführpumpe hohe Werte von beispielsweise 20 MPa oder mehr verlangt werden, haben die Erfinder als Ergebnis von Experimenten herausgefunden, dass die Oberseite des gleitenden Teils des Kolbes 2 (die Seite der Druckkammer 11) gleich oder kleiner sein kann als der Sättigungsdruck.
Da der Druck in der Druckkammer 11 hoch und der Druck in der Hilfskammer 7a niedrig ist, strömt der Kraftstoff von der Druckkammer 11 zur Hilfskammer 7a. Dieser Strömungspfad ist sehr eng, da es sich um einen Spalt zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 6 handelt. Falls keine Nut vorhanden ist, ist der Strömungsquerschnitt konstant, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Kraftstoffs mit zunehmender Druckdifferenz steigt. Je kleiner der Strömungsquerschnitt, je länger der Strömungsweg und je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto wahrscheinlicher entsteht ein Unterdruck. Aus diesem Grund wird bei herkömmlichem Aufbau der Druck auf der Oberseite des gleitenden Teils des Kolbens 2 (die Seite der Druckkammer 11) gelegentlich gleich oder kleiner als der Sättigungsdruck des Kraftstoffs; dieses Problem haben die Erfinder erkannt.
In diesem Fall kann Kraftstoff am gleitenden Teil des Kobens 2 verdampfen, so dass dieser gleitende Teil des Kolbens 2 möglicherweise nicht geschmiert wird. Dies kommt daher, dass bei steigender Druckdifferenz zwischen der Druckkammer 11 und der Hilfskammer 7a (Niederdruckkammer) der Druck an dem gleitenden Teil dazu neigt, abzunehmen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher ein Aufbau gewählt, bei dem am äußeren zylindrischen Teil des Kolbens 2 eine Nut 2c vorgesehen ist, um die Druckdifferenz zu reduzieren.
Im Folgenden wird anhand von 7 eine wirkungsvolle Nutposition beschrieben, wenn eine einzige Ringnut 2c vorgesehen ist. 7 zeigt einen Zustand, in dem sich der Kolben 2 am oberen und am unteren Totpunkt befindet. Der gleitende Teil (Zylindergleitbereich) des Zylinders 6 ist mit einem schraffierten Teil 6f angegeben, wobei die Mittelposition des gleitenden Teils 6f des Zylinders 6 mit 6g bezeichnet ist. In der im linken Diagramm der 7 dargestellten oberen Totpunktlage des Kolbens 2 ist der gleitende Bereich des Kolbens 2 als schraffierter Teil 2f dargestellt, wobei die Mittelstellung des gleitende Bereichs 2f des Kolbens 2 mit 2g bezeichnet ist.
Wie oben beschrieben, ist bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die Kraftstoffzuführpumpe am inneren Umfangsteil des Zylinders 6 hin- und hergeht und die Druckkammer 11 von dem Kolben 2 mit Druck beaufschlagt wird, die Ringnut 2c am äußeren Umfangsteil des Kolbens 2 ausgebildet. Zweckmäßig liegt die Ringnut 2c näher an der Druckkammer 11 als die axiale Mittelstellung 6g des gleitenden Zylinderbereichs 6f in der im rechten Diagramm von 7 dargestellten unteren Totpunktlage des Kolbens 2. Zweckmäßig ist die Ringnut 2c zwischen der axialen Mittelposition 6g des Kolbengleitbereichs 2f und der axialen Mittelposition des Zylindergleitbereichs 6f in der unteren Totpunktlage angeordnet.
Es ist zweckmäßig, die Ringnut 2c näher an der Druckkammer 11 als die axiale Mittelposition 6g des Zylindergleitbereichs 6f in der im linken Diagramm von 7 dargestellten oberen Totpunktlage anzuordnen. Als Ergebnis intensiver Studien haben die Erfinder ferner herausgefunden, dass dann, wenn sich die Ringnut 2c in der unteren Totpunktlage befindet, die Position zweckmäßig auf der bezüglich der axialen Mittelposition 2g des Kolbengleitbereichs 2f von der Druckkammer abgewandten Seite und bezüglich der axialen Mittelposition 6g des Zylindergleitbereichs 6f an der Seite der Druckkammer 11 liegt.
Wird die Ringnut 2c an dieser Stelle ausgebildet, so ist es möglich, die obere Seite des Gleitbereichs des Kolbens 2 (die Seite der Druckkammer 11) auf einen Wert über dem Sättigungsdruck des Kraftstoffs (Gasolin) zu legen. Wie oben beschrieben, kann ein Verdampfen des Kraftstoffs und somit einer Verringerung der Schmierwirkung vermieden werden.
Weiterhin wird am äußeren Umfangsteil der Kolbens 2 zweckmäßig nur eine Ringnut 2c ausgebildet. Sind an dem Kolben 2 mehrere Ringnuten 2c ausgebildet, so lässt sich zwar die Schmierwirkung verbessern, doch erhöht dies die Prozesskosten. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Schmierwirkung ohne Erhöhung der Kosten zu verbessern.
Im Folgenden wird die Form der Ringnut 2c anhand von 8 im Einzelnen beschrieben. 8 ist eine vergrößerte Darstellung des Kolbens 2 und zeigt Einzelheiten der Ringnut 2c. Zweckmäßig hat die Ringnut 2c eine erste konische Fläche 2d, die bezüglich der Radialrichtung (Links/Rechts-Richtung in 8) zur Druckkammerseite hin geneigt ist, und eine zweite konische Fläche 2e, die bezüglich der Radialrichtung von der Druckkammerseite weg geneigt ist. Vorzugsweise liegt der Winkel, unter dem die erste konische Fläche 2c die Axialrichtung (vertikale Richtung in 8) schneidet, im Bereich von 10° bis 50°. Ferner ist es zweckmäßig, dass der Winkel, unter dem die zweite konische Fläche 2d die Axialrichtung (vertikale Richtung in 8) schneidet, im Bereich von 10° bis 50° liegt. Diese konischen Flächen werden durch Anwenden eines Schneidwerkzeugs bearbeitet. Ist der Überschneidungswinkel größer als 50°, so muss die Bearbeitung mittels eines Schneidwerkzeugs mit kleinem Winkel erfolgen. Bei kleinem Winkel besteht die Gefahr, dass das Schneidwerkzeug splittert; um dies zu vermeiden, ist ein teures Schneidwerkzeug mit sehr hoher Härte erforderlich. Insofern ist es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, das erforderliche Volumen der Ringnut 2c mit geringen Kosten und hoher Bearbeitbarkeit zu gewährleiten.
Vorzugsweise hat die Ringnut 2c zwischen der ersten konischen Fläche 2c und der zweiten konischen Fläche 2d einen ebenen Boden 2f. Zweckmäßig ist die Ringnut 2c so ausgebildet, dass die axiale Länge (die Länge einschließlich der ersten konischen Fläche 2d, des Bodens 2f und der zweiten konischen Fläche 2e) 2 mm oder weniger beträgt. Ferner beträgt die Tiefe T der Ringnut 2c in Radialrichtung 1 mm oder weniger. Bei einer solchen Länge einschließlich der ersten konischen Fläche 2d, des Bodens 2f und der zweiten konischen Fläche 2e ist die Bearbeitung leicht zu bewerkstelligen.
Bezugszeichenliste

1: Pumpenkörper
2: Kolben
2c: Ringnut
2d: Erste konische Fläche
2e: Zweite konische Fläche
2f: Boden
2f: Kolbengleitbereich
2g: Axiale Mittelposition
6: Zylinder
6f: Zylindergleitbereich
6g: Axiale Mittelposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017025924 A [0002, 0003]

Claims

Kraftstoffzuführpumpe mit einem Kolben, der an einem inneren Umfangsteil eines Zylinder hin- und hergeht, und einer von dem Kolben mit Druck beaufschlagte Druckkammer, wobei am Außenumfang des Kolbens eine Ringnut ausgebildet ist und wobei die Ringnut näher an der Druckkammer als die axiale Mittelposition eines Zylindergleitbereichs in der unteren Totpunktstellung angeordnet ist.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 1, wobei am äußeren Umfangsteil des Kolbens nur eine Ringnut ausgebildet ist.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 2, wobei die Ringnut in der unteren Totpunktlage zwischen einer axialen Mittelposition eine Kolbengeleitbereichs und der axialen Mittelposition des Zylindergleitbereichs angeordnet ist.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 2, wobei die Ringnut eine erste konische Fläche, die bezüglich einer Radialrichtung zur Seite der Druckkammer geneigt ist, und eine zweite konische Fläche, die bezüglich einer Radialrichtung zu einer der Druckkammer gegenüber liegenden Seite geneigt ist, aufweist.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 4, wobei der Winkel der ersten konischen Fläche und der Winkel der zweiten konischen Fläche bezüglich einer Axialrichtung der Ringnut im Bereich von 10° bis 50° liegt.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 4, wobei die Ringnut zwischen der ersten und der zweiten konischen Fläche einen ebenen Boden aufweist.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 2, wobei die axiale Länge der Ringnut 2 mm oder weniger beträgt.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 2, wobei die radiale Tiefe der Ringnut 1 mm oder weniger beträgt.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 2, wobei die Ringnut näher an der Druckkammer als die axiale Mittelposition des Zylindergleitbereichs in der oberen Totpunktlage angeordnet ist.
Kraftstoffzuführpumpe nach Anspruch 2, wobei in der unteren Totpunktlage die Ringnut näher an der der Druckkammer gegenüber liegenden Seite als die axiale Mittelposition des Kolbengleitbereichs und näher an der Druckkammer als die axiale Mittelposition des Zylindergleitbereichs angeordnet ist.