DE19844272C2 - Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, die einen exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt aufweist, auf dem ein Polygonring gleitend gelagert ist, an dem sich vorzugsweise mehrere bezüglich der Antriebswelle radial in einer jeweiligen Elementbohrung angeordnete Kolben abstützen, die durch Drehen der Antriebswelle in der jeweiligen Elementbohrung in radialer Richtung hin- und herbewegbar sind.

Bei einer derartigen innen abgestützten Radialkolbenpumpe, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 42 16 877 A1 bekannt ist, hat jeweils der Fuß der Kolben Kontakt mit dem auf der Antriebswelle gelagerten Polygonring. Die Kolben werden in Folge der Exzentrizität der Antriebswelle nacheinander in einer Hin- und Herbewegung versetzt. Der Hub der Kolben ist dabei konstant und entspricht dem zweifachen Betrag der Exzentrizität der Antriebswelle.

Um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen, ist vorgeschlagen worden, die in einen von jedem Kolben begrenzten Zylinderraum geförderte Kraftstoffmenge mit Hilfe einer Zumesseinheit zu steuern. Dabei kann es in Teillastbereichen zu einer Vakuumbildung über dem jeweiligen Kolben kommen, wodurch die Stellkraft auf den Polygonring reduziert wird. In Verbindung mit Reibungseinflüssen kann es dann bei jedem Kolbenhub zu vorübergehenden Verzögerungen und Beschleunigungen des Polygonrings kommen. Diese Verzögerungen und Beschleunigungen wiederum führen zu extremen Belastungen der betroffenen Bauteile.

Aus der DE 21 31 496 B ist eine Hochdruckpumpe bekannt, bei der durch geschraubte Kulissensteine, die mit komplementären Nuten im Gehäuse der Hochdruckpumpe zusammenwirken, Querkräfte auf die Pumpenkolben vermieden werden sollen.

Aus der US 2 324 291 ist eine Hochdruckpumpe mit einem Polygonring bekannt, der mit Hilfe einer Kreuzscheibenkupplung an dem Gehäuse der Hochdruckpumpe geführt ist. Diese Hochdruckpumpe hat den Nachteil, dass bei hohen Pumpendrücken Beschädigungen an der Führungsscheibe auftreten können. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Pumpe zur Erzeugung von höchsten Drücken bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen eingesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Teilbefüllung der Zylinderräume der Radialkolbenpumpe zu ermöglichen. Dabei sollen Beschädigungen der einzelnen Bauteile im Betrieb vermieden werden. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe einen Pumpendruck von bis zu 2000 Bar in Förderrichtung aushalten und kostengünstig herstellbar sein.

Die Aufgabe ist bei einer Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, die einen exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt aufweist, auf dem ein Polygonring gleitend gelagert ist, an dem sich vorzugsweise mehrere bezüglich der Antriebswelle radial in einer jeweiligen Elementbohrung angeordnete Kolben abstützen, die durch Drehen der Antriebswelle in der jeweiligen Elementbohrung in radialer Richtung hin- und herbewegbar sind, wobei eine Führungseinrichtung für den Polygonring eine Führungsscheibe mit zwei Längsführungen umfaßt, die kreuzweise angeordnet sind, dadurch gelöst, dass zwischen der Führungsscheibe und dem Polygonring eine Mitnehmerscheibe auf dem exzentrischen Wellenabschnitt angeordnet ist.

Die Führungseinrichtung verhindert, dass der Polygonring im Betrieb der Radialkolbenpumpe unkontrolliert verzögert bzw. beschleunigt wird. Durch die Zwangsführung des Polygonrings werden Beschädigungen an einzelnen Bauteilen der Radialkolbenpumpe, insbesondere am Kolbenfuß, im Betrieb vermieden. Die Mitnehmerscheibe dient dazu, den Polygonring mit der Führungsscheibe zu koppeln. Dabei befindet sich die Mitnehmerscheibe in der gleichen Art und Weise wie bei den vorab beschriebenen Ausführungsarten der Polygonring mit der Führungsscheibe in Eingriff. Durch die auf dem exzentrischen Wellenabschnitt angeordnete Mitnehmerscheibe können die Führungskräfte von der Führungsscheibe gleichmäßiger in den Polygonring eingeleitet werden.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Mitnehmerscheibe radiale Klauen vorgesehen sind, die in Nasen eingreifen, die an der Stirnseite des Polygonrings vorgesehen sind. Die radialen Klauen und Nuten können sternförmig angeordnet sein. Das führt zu einer optimalen Krafteinleitung in den Polygonring.

Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen und die Nuten oder Durchbrüche jeweils auf einer Achse angeordnet sind, und die beiden Achsen in einer Ebene um 90° ± δ versetzt sind, wobei δ dem Reibungswinkel entspricht. Dadurch wird der Reibungswinkel in die Lage der Ausnehmungen und Nuten oder Durchbrüche einbezogen. D. h. die Winkel der Ausnehmungen und Nuten oder Durchbrüche zueinander sind nicht genau 90°, sondern, je nach Drehsinn, etwas mehr oder weniger als 90°. Dadurch kommt es zu einer verringerten Kraftwirkung auf die Kolbenführung. Außerdem wird der Schmierfilm verbessert. Ein mehrfacher Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung, was zu einer Schwächung bzw. Unterbrechung des Schmierfilmes führt, wird vermieden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Fig. 1 zeigt die Ansicht eines Schnitts quer zu der Antriebswelle einer herkömmlichen Radialkolbenpumpe;

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Schnitts längs zu der Antriebswelle einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;

Fig. 3 zeigt einen Schritt durch die in Fig. 2 dargestellte Radialkolbenpumpe, wobei der Pfeil A in Fig. 2 die Blickrichtung angibt;

Fig. 4 zeigt die Ansicht eines Schnitts durch die in Fig. 2 dargestellte Radialkolbenpumpe, wobei der Pfeil B in Fig. 2 die Blickrichtung angibt.

Fig. 5 zeigt eine Variante der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;

Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 6 dargestellte Radialkolbenpumpe, wobei der Pfeil B in Fig. 6 die Blickrichtung angibt;

Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Radialkolbenpumpe wird insbesondere in Common-Rail-Einspritzsystemen zur Kraftstoffversorgung von Dieselmotoren eingesetzt. Dabei bedeutet "Common-Rail" soviel wie "gemeinsame Leitung". Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochdruckeinspritzsystemen, in denen der Kraftstoff über getrennte Leitungen zu den einzelnen Brennräumen gefördert wird, werden die Einspritzdüsen in Common-Rail-Einspritzsystemen aus einer gemeinsamen Leitung gespeist. Die gezeigte Radialkolbenpumpe ist mit einer integrierten Bedarfsmengenregelung ausgestattet. Die Kraftstoffzufuhr und Dimensionierung erfolgt über eine nicht dargestellte Zumesseinheit.

Die in Fig. 1 gezeigte Radialkolbenpumpe umfasst eine in einem Pumpengehäuse 2 gelagerte Antriebswelle mit einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt 6. Auf dem exzentrischen Wellenabschnitt 6 ist ein Polygonring 8 vorgesehen, gegenüber dem der Wellenabschnitt 6 drehbar ist. Der Polygonring 8 umfasst drei jeweils um 120° zueinander versetzte Abflachungen 10, gegen die sich jeweils ein Kolben 12 abstützt. Die Kolben 12 sind jeweils in einer Elementbohrung 18 zur Antriebswelle in radialer Richtung hin- und herbewegbar aufgenommen und begrenzen jeweils einen Zylinderraum 19.

Am Fuß eines jeden Kolbens 12 ist durch einen Plattenhalter 13 eine Platte 14 angebracht, die an der zugehörigen Abflachung 10 des Polygonrings 8 anliegt. Die in Fig. 1 dargestellte Radialkolbenpumpe dient dazu, Kraftstoff, der von einer Vorförderpumpe aus einem Tank geliefert wird, mit Hochdruck zu beaufschlagen. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann in die oben angesprochene gemeinsame Leitung gefördert. Im Förderhub werden die Kolben 12 in Folge der Exzenterbewegung des exzentrischen Wellenabschnitts 6, die über den Polygonring 8 auf die Kolben 12 übertragen wird, von der Achse der Antriebswelle weg in radialer Richtung nach außen bewegt. Im Saughub bewegen sich die Kolben 12 radial auf die Achse der Antriebswelle zu, um Kraftstoff in die Zylinderräume 19 zu saugen. Die Saughubbewegung der Kolben 12 wird durch Federn 15 erreicht, die gegen die Platten 14 vorgespannt sind.

In Fig. 2 ist ein Schnitt längs zu einer Antriebswelle 20 gezeigt, die einen exzentrischen Wellenabschnitt 21 aufweist. Die Antriebswelle 20 ist in einem Gehäuse 22 drehbar gelagert. Die Exzenterbewegung des exzentrischen Wellenabschnitts 21 wird im Betrieb der Radialkolbenpumpe über einen Polygonring 23 auf drei sternförmig angeordnete Kolben 24 übertragen, von denen in der in Fig. 2 gezeigten Schnittansicht nur einer zu sehen ist. Der Kolben 24 ist in einer Elementbohrung 28 hin- und herbewegbar aufgenommen. Am Fuß des Kolbens 24 ist eine Platte 26 mit Hilfe eines Plattenhalters 25 angebracht. Die Platte 26 ist durch eine Feder 27 gegen den Polygonring 23 vorgespannt.

Zwischen dem exzentrischen Wellenabschnitt 21 und dem Polygonring 23 ist eine Gleitlagerbuchse 29 angeordnet. Durch die Ausbildung eines Gleitlagers zwischen dem exzentrischen Wellenabschnitt 21 und dem Polygonring 23 soll erreicht werden, dass die Drehbewegung des exzentrischen Wellenabschnitts nicht auf den Polygonring 23 übertragen wird. Bedingt durch den stets gleichen Kolbenhub kommt es jedoch bei unterschiedlichen Kraftstofffördermengen, insbesondere in Teillastbereichen zu einer Vakuumbildung in den Zylinderräumen 19. Dadurch wird die Stellkraft auf den Polygonring 23 reduziert. In Verbindung mit Reibungseinflüssen kommt es dann bei jedem Kolbenhub zu vorübergehenden Verzögerungen und Beschleunigungen des Polygonrings 23, was zu Schäden am Kolbenfuß führen kann. Außerdem wird der Schmierfilm in dem Gleitlager unterbrochen.

Die Kraftübertragung zwischen Polygonring 23 und Gehäuse 22 folgt über Klauen 81, 82, die von einer Mitnehmerscheibe 80 in komplementäre Nuten oder Durchbrüche greifen, die in dem Polygonring 23 ausgespart sind. Alternativ können die Klauen auch an dem Polygonring 23 und die Nuten in der Mitnehmerscheibe 80 angebracht sein. Die Klauen und Nuten sind gleichmäßig auf dem Umfang der Mitnehmerscheibe 80 und des Polygonrings 23 verteilt angeordnet. Die Anzahl der Klauen und Nuten beträgt mehr als drei, um eine gleichmäßige Krafteinleitung zu gewährleisten. Eine Relativbewegung zwischen den Klauen und den Nuten findet nicht statt.

Die Mitnehmerscheibe 80 ist auf dem dem exzentrischen Wellenabschnitt 21 gelagert.

Auf der von dem Polygonring 23 abgewandten Stirnseite der Mitnehmerscheibe sind Nasen 83 und 84 angebracht. Die Nasen 83 und 84 sind in Nuten 85 und 86 einer Führungsscheibe 87 geführt. Die Führungsscheibe wiederum ist mit Klauen 41, 42 ausgestattet, die in Ausnehmungen 44, 45 des Gehäuses 22 geführt sind.

Wie in der in Fig. 3 dargestellten Schnittansicht zu sehen ist, haben die Nuten 85 und 86 die Form von langgestreckten Rechtecken, die auf einer Radialen 37 angeordnet sind. Die Nuten 85 und 86 sind jeweils im gleichen Abstand von der Längsachse 38 der Antriebswelle angeordnet und dienen zur Führung der Nasen 83 und 84. Durch gestrichelt dargestellte Linien ist die Kontur des Polygonrings 23 in Fig. 3 angedeutet.

Auf einer Achse 40, die sich senkrecht zu der Achse 37 erstreckt, sind, wie in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist, an der Rückseite der Führungsscheibe 87 zwei Klauen 41 und 42 ausgebildet. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind die Klauen 41 und 42 auf der von dem exzentrischen Wellenabschnitt 21 abgewandten Seite der Führungsscheibe 35 angeordnet. Die Klauen 41 und 42 ragen in zwei Ausnehmungen 44 und 45, die in dem Gehäuse 22 ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 44 und 45 sind bezüglich der Achse 37 symmetrisch und erstrecken sich in Richtung der Achse 40. Die Achsen 37 und 40 sind in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse 38 der Antriebswelle in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sitzt die Führungsscheibe 87 auf dem zentrisch ausgebildeten Ende 30 der Antriebswelle 20.

Die Längsausdehnung der Ausnehmungen 44 und 45 sowie der Nuten 85 und 86 sollte mindestens dem Zweifachen der Exzentrizität des exzentrischen Wellenabschnitts 21 entsprechen, um zu gewährleisten, dass die Exzenterbewegung voll umgesetzt werden kann.

Ein besonders gleichmäßiger Lauf des Polygonrings wird durch die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform erreicht. Die Darstellung in Fig. 4 entspricht weitestgehend der Darstellung in Fig. 3, auf deren Beschreibung verwiesen wird.

Der Unterschied zwischen der in Fig. 3 dargestellten und der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die Ausnehmungen 44, 45 und die Nuten oder Durchbrüche 33, 34 nicht um 90° sondern um 90° ± δ zueinander versetzt sind, wobei δ dem Reibungswinkel entspricht. Das heißt, der Reibungswinkel wird in die Lage der Ausnehmungen 44, 45 und der Nuten oder Durchbrüche 33, 34 mit einbezogen. Das Vorzeichen richtet sich nach dem Drehsinn. Die Aufnahme für den Fuß des Kolbens 24 in der Platte 26 muß deshalb mit einer kegeligen Aussparung versehen sein, wobei der Kegelwinkel dem Reibungswinkel δ entspricht.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Kraftwirkung auf die Kolbenführung verringert wird. Ein mehrfacher Wechsel zwischen Haftreibung und Gleitreibung, der zu einer Schwächung und zum Durchbruch des Schmierfilms führen kann, wird vermieden.

Die in Fig. 5 dargestellte Variante der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Radialkolbenpumpe sieht eine andere Ausbildung der Klauen vor. Bei der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Klauen 41 und 42 in derselben Richtung wie die Antriebswelle 20, also in axialer Richtung. Bei der in Fig. 4 dargestellten Variante erstrecken sich Klauen 49, von denen in Fig. 5 nur eine dargestellt ist, bezogen auf die Längsachse 38 der Antriebswelle in radialer Richtung von der Führungsscheibe 35. Die Klaue 49 ragt in eine Ausnehmung 50, die in dem Gehäuse 22 angebracht ist.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Kopplung von Führungsscheibe 87 und Gehäuse 22 dargestellt. Der in Fig. 6 dargestellte Ausschnitt entspricht weitestgehend dem in Fig. 3 dargestellten Ausschnitt. Um Wiederholungen zu vermeiden, sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Außerdem wird auf die vorangegangene Beschreibung zu den Fig. 2 bis 4 verwiesen. Im folgenden Text wird hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen eingegangen.

Die Führungsscheibe 87 weist beidseitig eingearbeitete Kreuznuten 53, 54 und 73, 74 auf. In das Gehäuse 22 sind zwei Führungsstifte 71, 72 eingepresst. Wie in Fig. 7 am besten zu sehen ist, ragt der Kopf 75 des Führungsstiftes 72 aus dem Gehäuse 22 in die Nut 74. Diese Variante ist die fertigungstechnisch günstigste Lösung.

Claims (3)

1. Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Gehäuse (22) gelagerten Antriebswelle (20), die einen exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt (6, 21) aufweist, auf dem ein Polygonring (8, 23) gleitend gelagert ist, an dem sich vorzugsweise mehrere bezüglich der Antriebswelle (20) radial in einer jeweiligen Elementbohrung (18) angeordnete Kolben (12, 24) abstützen, die durch Drehen der Antriebswelle (20) in der jeweiligen Elementbohrung (18) in radialer Richtung hin- und herbewegbar sind, wobei eine Führungseinrichtung für den Polygonring (8, 23) eine Führungsscheibe (35, 55, 70, 87) mit zwei Längsführungen (31-34, 41-42 und 44-45; 49, 50-54, 71-74, 81-86) umfaßt, die kreuzweise angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Führungsscheibe (87) und dem Polygonring (23) eine Mitnehmerscheibe (80) auf dem exzentrischen Wellenabschnitt (21) angeordnet ist.

2. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mitnehmerscheibe (80) radiale Klauen (81, 82) vorgesehen sind, die in Nuten eingreifen, die an der Stirnseite des Polygonrings (23) vorgesehen sind.

3. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Polygonring (23) abgewandten Stirnseite desselben Klauen (41, 42) ausgebildet sind, dass die Klauen (41, 42) mit Ausnehmungen (44, 45; 73, 74) im Gehäuse (22) zusammenwirken, dass die Ausnehmungen (44, 45; 73, 74) und die Nuten (53, 54) oder Duchbrüche (33, 34) jeweils auf einer Achse (37, 40; 56, 58) angeordnet sind, und dass die beiden Achsen (37, 40; 56, 58) in einer Ebene um 90° ± δ versetzt sind, wobei δ dem Reibungswinkel entspricht.