DE19859188A1 - Hochdruckpumpe - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Pumpe, bei der die Hochdruckkanäle mehrerer Pumpeinheiten über einen Sammelkanal mit einem Druckanschluß verbunden sind. Im Einmündungsbereich der Hochdruckkanäle zueinander und zum Sammelkanal werden Druckspannungen erzeugt, die einer Rißbildung entgegenwirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe mit einem oder mehreren, mittels einer Antriebswelle betätigten Kol­ ben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Hochdruckpumpen können beispielsweise als Ra­ dialkolbenpumpe ausgeführt werden. Dabei ist in einem Pum­ pengehäuse eine Antriebswelle gelagert, über die drei in Radialrichtung bewegbare Verdränger - im folgenden Kolben genannt angetrieben werden. Die Kolben sind jeweils in Zy­ lindern aufgenommen, die mit einem Saug- und einem Druck­ ventil zum Ansaugen und Abgeben des verdichteten Druckmittels ausgebildet sind. Das über den Kolbendruck druckbeaufschlagte Druckmittel tritt über das Druckventil in einen Hochdruckkanal ein, der gemeinsam mit den Hoch­ druckkanälen der anderen Zylindern in einen gemeinsamen Sammelkanal einmündet. Dieser ist zum Ausgangsanschluß der Pumpe geführt, über den das verdichtete Druckmittel aus der Pumpe austritt.

Derartige Hochdruckpumpen in Radialkolbenbauweise wer­ den beispielsweise bei Common-Rail-Kraftstoffein­ spritzsystemen für Verbrennungsmotoren eingesetzt, wobei an den Druckanschluß die Common-Rail angeschlossen ist, mit der die Einspritzdüsen zur Kraftstoffeinspritzung verbunden sind.

Die bei derartigen Anwendungen auftretenden Drücke kön­ nen im Bereich bis zu 2000 bar liegen, so daß das Pumpenge­ häuse und die anderen druckbeaufschlagten Teile erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Beim Einsatz herkömmlicher Hochdruckpumpen zeigt es sich, daß insbesondere der Einmündungsbereich der Hoch­ druckkanäle in den Sammelkanal eine Schwachstelle dar­ stellt, an der die Gefahr von Rißbildungen im Pumpengehäuse besteht. In diesem Einmündungsbereich laufen zumindest zwei Kanäle mehr oder weniger spitzwinklig zusammen, so daß es im Schnittbereich der Kanäle zu Spannungsüberhöhungen kommen kann, die insbesondere bei Druckschwankungen ein Versagen auslösen können. Diese Rißbildung kann zu Leckagen oder gar zum Bruch des Gehäuses führen, so daß eine zuver­ lässige Funktion der Hochdruckpumpe nicht gewährleistet ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, bei der mit minimalem vor­ richtungstechnischen Aufwand ein Bauteil dauerfest gemacht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Maßnahme, den Einmündungs- oder Schnittbe­ reich der Hochdruckkanäle mit einer Druckspannung zu beauf­ schlagen, wird eine Rißbildung im Einmündungsbereich ver­ hindert bzw. nach der Entstehung gestoppt. Die Druckspannungen wirken den einen Riß initierenden Zugspannungen entgegen, ohne daß es Verstärkungen des Pum­ pengehäuses oder einer aufwendigeren Führung der Kanäle mit abgerundeten Einmündungsbereichen bedarf.

Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei Kon­ struktionen einsetzen, bei denen die Kanäle als Bohrungen im Pumpengehäuse ausgebildet sind, so daß zumindest zwei der Kanäle spitzwinklig zusammenlaufen. Eine derartige Ka­ nalführung läßt sich mit minimalem fertigungstechnischen Aufwand herstellen, wobei die Ausfallwahrscheinlichkeit durch die Erzeugung der erfindungsgemäßen Druckspannungen minimiert ist.

Bei einer Variante können die Druckspannungen durch ei­ gene Einrichtungen erzeugt werden, die im Anmündungsbereich Wirkung entfalten. So kann beispielsweise ein den Druckan­ schluß der Pumpe bildender Anschlußnippel derart angeordnet werden, daß er mit seiner ins Pumpengehäuse eintauchenden Stirnseite im Einmündungsbereich der Kanäle gegen eine Ge­ häuseschulter vorgespannt wird, so daß die entstehenden Druckspannungen in den Einmündungsbereich eingeleitet wer­ den. Die kräftemäßige Abstützung des Anschlußnippels er­ folgt über das Außengewinde, so daß zur Vermeidung von Überlagerungen der Zugspannungen im Gewindebereich und der Druckspannungen im stirnseitigen Bereich des Anschlußnippels, das Einschraubgewinde in größtmöglichen Abstand zur Stirnseite angeordnet sein sollte. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Axialbeabstandung oder durch geeignete Wahl des Außendurchmessers erfolgen.

Selbstverständlich kann anstelle des Anschlußnippels auch jede andere geeignete Spanneinrichtung, wie beispiels­ weise eigene Spannschrauben etc. eingesetzt werden.

Alternativ zu einer Spanneinrichtung können die Um­ fangswandungen der Kanäle im Einmündungsbereich auch derart bearbeitet werden, daß sich im Einmündungsbereich Druck­ spannungen entstellen. Dies kann beispielsweise durch Stauchen oder Prägen (Verfestigen) der Umfangswandungen mittels eines durch die Kanäle hindurch eingeführten Werk­ zeuges oder durch Kugelstrahlen erfolgen. Beim Kugelstrah­ len werden kleine Kügelchen mit hoher Geschwindigkeit in die Kanäle eingeschossen, so daß diese im Einmündungsbe­ reich auf die Umfangswandung auftreffen und dabei die eine Rißbildung bewirkenden Bereiche verfestigen. Prinzipiell vorstellbar ist es auch, die Druckspannungen durch thermi­ sche oder chemische Einwirkungen zu erzeugen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, z. B. bei der hydraulischen Endprüfung die Pumpe einem erhöhten Druck aus­ zusetzen und damit die hochdruckbeaufschlagten Teile zu Au­ tofrettieren. Dies kann dann mit einer Druckprüfung der Hochdruckpumpe einhergehen.

Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei Ra­ dialkolbenpumpen einsetzen, bei denen eine Vielzahl von Pumpeinheiten gleichmäßig am Außenumfang einer Antriebs­ welle verteilt sind und deren Hochdruckkanäle in einen oder mehrere Sammelkanäle einmünden. Die Einmündungs- oder Schnittbereiche der Kanäle werden dann in der vorbeschrie­ benen Weise mit Druckspannungen beaufschlagt.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Teilschnittdarstellung einer Radialkolbenpumpe;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Einmündungsbe­ reiches dreier Hochdruckkanäle in einen Sammelkanal.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Radialkolben­ pumpe 1, wie sie beispielsweise als Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems von Verbrennungsmotoren, ins­ besondere von Dieselmotoren eingesetzt wird. Der Kraftstoff wird über die Axialkolbenpumpe 1 von einem Vorförderdruck von beispielsweise 2 bar auf einen Hochdruck im Bereich von 1000 bar verdichtet. Die Einspritzung selber wird dann über Einspritzventile gesteuert, welche an die Commen-Rail ange­ schlossen sind.

Die dargestellte Radialkolbenpumpe 1 hat ein Pumpenge­ häuse 2, in dem eine Antriebswelle 4 drehbar gelagert ist. Das Pumpengehäuse 2 ist beispielsweise aus Grauguß (GGG) hergestellt. Die Antriebswelle 4 hat einen Exzenter 6, über den drei am Umfang verteilte Pumpeinheiten (siehe Fig. 2) betätigt werden. In der Darstellung nach Fig. 1 ist eine der Pumpeinheiten im Schnitt dargestellt. Demgemäß hat jede Pumpeinheit einen Kolben 8, der über einem Gleitschuh 10 auf einem Exzenterring 12 aufliegt. Dieser ist über einen Gleitring 14 auf dem Außenumfang des Exzenters 6 gelagert. Der Gleitschuh 10 liegt dabei mit seiner unteren Stirnfläche auf Abflachungen des Exzenterrings 12 flächig auf. Der Kolben 8 ist in einem Zylinderraum 15 geführt, der in einem Zylindergehäuse 16 ausgebildet ist.

Zur Aufnahme des Exzenters 6 und der Zylindergehäuse 16 ist das Pumpengehäuse 2 mit einem Kurbelraum 18 versehen, in dem drei Radialbohrungen münden, in die die fußseitigen Endabschnitte der Zylindergehäuse 16 eintauchen.

Im kopfseitigen Endabschnitt des Zylindergehäuses 16 sind ein Sauganschluß mit einem Saugventil 22 und eine Win­ kelbohrung 24 mit einem Druckventil 26 ausgebildet. Zur Vereinfachung des fertigungstechnischen Aufwandes wird das Druckventil 26 in der Trennebene zwischen dem Zylinderge­ häuse 16 oder genauer gesagt dem kopfseitigen Endabschnitt 20 des Zylindergehäuses 16 und dem mit einem Befestigungs­ flansch 44 (Fig. 2) versehenen Pumpengehäuse 2 ausgebil­ det. Die Winkelbohrung 24 des Zylindergehäuses 16 mündet in einem Hochdruckkanal 28a, der sich vom Druckventil 26 zu einem Sammelkanal 30 erstreckt. Dieser ist als Axialbohrung ausgeführt, wobei die Achse des Sammelkanals 30 im Parallelabstand zur Antriebswellenachse angeordnet sein kann.

In einen erweiterten Teil des Sammelkanals 30 ist ein Anschlußnippel 32 eingeschraubt, an dem die Hochdrucklei­ tung zur Common-Rail befestigt wird. Im Gehäuse des An­ schlußnippels 32 ist eine Axialbohrung 34 ausgebildet, in die der Sammelkanal 30 einmündet. Die Abdichtung der Axial­ bohrung 34 und des Sammelkanals 30 gegenüber dem Pumpenge­ häuse erfolgt über einen Dichtungsring 36, der durch den Anschlußnippel 32 gegen eine Radialschulter 38 des Pumpen­ gehäuses gedrückt wird. Das Außengewinde des Anschlußnippels 32 steht im Axialabstand zur Radialschulter 38.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1. Aus dieser Darstellung geht hervor, daß das Zylin­ dergehäuse 16 mit seinem kopfseitigen Endabschnitt 20 über Befestigungsschrauben 42 mit dem Befestigungsflansch 44 des Gehäuses 2 verschraubt ist. Wie bereits eingangs beschrie­ ben, mündet jede Winkelbohrung 24 der Pumpeinheiten im Ein­ gangsanschluß des Druckventils 26, das als Rückschlagventil ausgeführt ist. Jede Pumpeinheit hat stromabwärts des Druckventils 26 einen der eingangs genannten Druckkanäle 28, die sich in der Darstellung gemäß Fig. 2 in einem Ein­ mündungsbereich 46 schneiden. Der in Fig. 1 dargestellte Sammelkanal 30 erstreckt sich in der Darstellung nach Fig. 2 vom Einmündungsbereich 46 senkrecht zur Zeichenebene zum Betrachter hin.

Dieser Einmündungsbereich 46 ist im Axialabstand zur Antriebswelle 4 ausgebildet, so daß die beiden Hochdruckka­ nalabschnitte 28b, 28c der in Fig. 2 unten liegenden Pum­ peneinheiten eine größere Axiallänge als der Hochdruckkanal 28a aufweisen. Entsprechend ist der Winkel α zwischen den beiden Hochdruckkanälen 28b, 28c spitzer als der Winkel β zwischen dem Hochdruckkanal 28a und einem der Kanäle 28b, 28c.

Insbesondere im Mündungsbereich der Kanäle 28b, 28c kann es zu Kerbwirkungen kommen, die bei hohen Drücken und Schwellbelastungen zu den eingangs beschriebenen Rißbildun­ gen führen.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Gefahr des Bauteilversagens minimiert, in dem der Schnittbereich der Kanäle 28a, 28b, 28c mit dem Sammelkanal 30 mit einer Druckspannung beaufschlagt wird. Diese Druckspannung wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel über den Anschluß­ nippel 32 erzeugt, der beim Einschrauben ins Pumpengehäuse 2 mit großer Kraft angezogen wird, so daß seine Stirnfläche über den Dichtungsring 36 mit großer Kraft an der Radial­ schulter 38 anliegt, so daß in diesem Bereich hohe Druck­ spannungen erzeugt werden.

Die Kraftverhältnisse sind in Fig. 3, die eine vergrößerte Ansicht des Einmündungsbereichs der Kanäle 28 in die Sammelleitung 30 gemäß Fig. 2 zeigt, dargestellt.

D.h., in den sich in Axialrichtung gemäß Fig. 1 links an den Dichtungsring 36 anschließenden Gehäuseteil werden vergleichsweise hohe Druckspannungen eingeleitet, die sich bis hin zu den Umfangswandungen im Einmündungsbereich 46 fortpflanzen. Dieser Druckspannungsbereich ist in der Dar­ stellung gemäß Fig. 3 eng schraffiert dargestellt. Durch das Aufbringen der Druckspannungen in diesem Bereich wird die Rißbildungsgefahr verringert, so daß die Dauerfestig­ keit des Pumpengehäuses 2 auch bei schwellenden Betriebs­ druckspannungen und hohen Ausgangsdrücken in den Kanälen 28a, 28b, 28c verringert ist.

Die Geometrie des Anschlußnippels 32 ist so gewählt, daß die vom Außengewinde 38 aufzubringenden Reaktions- oder Abstützkräfte, die als Zugkräfte ins Gehäuse 2 eingeleitet werden radial oder axial in einem derartigen Abstand zum Einmündungsbereich 46 angeordnet sind, daß eine Wechselwir­ kung und damit eine gegenseitige Aufhebung der Zug- und Druckkräfte nicht oder in vernachlässigbarem Maße erfolgt. Dies kann dadurch erzielt werden, in dem der Axialabstand zwischen dem Außengewinde 40 und dem Einmündungsbereich 46 groß genug gewählt wird. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Außengewindes 40 größer als der wirksame Durchmesser des Einmündungsbereiches 46 ausgebil­ det, so daß es zu keiner wesentlichen Überlagerung der Zug- und Druckkräfte im Außengewindebereich bzw. im Einmündungs­ bereich 46 kommt.

Die Erfindung ist keinesfalls auf die Anwendung bei Ra­ dialkolbenpumpen beschränkt, sondern kann prinzipiell bei jeder Pumpenbauart eingesetzt werden, bei der eine oder mehrere Pumpeinheiten über Druckkanäle in eine Sammellei­ tung einmünden.

Bei Konstruktionen mit mehr als drei Pumpeinheiten können stromaufwärts der Sammelleitungen bereits mehrere Hochdruckleitungen zusammenlaufen, so daß in diesen Mün­ dungsbereichen ebenfalls wieder die erfindungsgemäßen Druckspannungen aufgebracht werden können, um eine Rißge­ fahr im Einmündungsbereich auszuschließen.

Anstelle des vorbeschriebenen Aufbringens der Druck­ spannungen über den Anschlußnippel 32 könnten auch geson­ derte spannschrauben ins Pumpengehäuse 2 eingefügt werden. Da bei der vorbeschriebenen Konstruktion die Hochdruck- und Sammelkanäle als Bohrungen vom Außenumfang des Gehäuses her eingearbeitet sind, können die Druckspannungen auch durch eine geeignete Bearbeitung vom Außenumfang des Pumpengehäu­ ses 2 her aufgebaut werden. So kann der Einmündungsbereich 46 durch Einführen eines Stempels durch einen der Kanäle 28, 30 her verfestigt werden oder aber der Einmündungsbe­ reich kann durch Kugelstrahlen, d. h. durch Einschießen von kleinen Kügelchen mit hoher Geschwindigkeit verfestigt und somit mit Druckspannungen beaufschlagt werden. Denkbar ist es auch, das Gehäuse thermisch zu behandeln und dadurch die Druckspannungen zu erzeugen. Desweiteren kann der Hoch­ druckbereich der Pumpe durch Höchstdruckbeaufschlagung im Sinne einer Autofrettage vorbehandelt werden, so daß sich im Mündungsbereich die beschriebenen Druckspannungen oder Verfestigungen ausbilden, die einer Rißbildung entgegenwir­ ken. Für den Fall, daß die Höchstdruckbeaufschlagung nach der Montage der gesamten Pumpe erfolgt, kann dies mit einer Richtigkeitsprüfung einhergehen, so daß kein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist.

Beim eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Druckspannungen durch Einschrauben des Anschlußnippels 32 aufgebracht. Selbstverständlich könnte dies auch durch Einschrauben eines anderen Bauteils, beispielsweise eines Hochdruckbegrenzungsventils erfolgen, daß im eingeschraub­ ten Zustand den Einmündungsbereich der Kanäle 28, 30 mit einer Druckspannung beaufschlagt.

Offenbart ist eine Pumpe, bei der die Hochdruckkanäle mehrerer Pumpeinheiten über einen Sammelkanal mit einem Druckanschluß verbunden sind. Im Einmündungsbereich der Hochdruckkanäle zueinander und zum Sammelkanal werden Druckspannungen erzeugt, die einer Rißbildung entgegen wir­ ken.

Claims (10)

1. Hochdruckpumpe mit zumindest einem, mittels einer An­ triebswelle (4) betätigten Kolben (8), der in einem Zy­ linder (16) geführt sind, der jeweils ein Saug- und Druckventil (22, 26) hat, über die Druckmittel ansaug­ bar bzw. mit Druck beaufschlagt an einen Hochdruckkanal (28) abgebbar ist, wobei zumindest ein Hochdruckkanal (28/30) in einen Sammelkanal (30) einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse (2) im Einmün­ dungsbereich (46) der Kanäle (28, 30) mit einer Druck­ spannung beaufschlagt ist.

2. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (28, 30) als Bohrungen im Pum­ pengehäuse (2) ausgebildet sind und zumindest zwei Ka­ näle (28b, 28c) im Einmündungsbereich (46) zusammenlau­ fen.

3. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine Spanneinrichtung (32) zum Beauf­ schlagen des Einmündungsbereiches (46) mit einer Druck­ spannung.

4. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spanneinrichtung ein den Druckan­ schluß der Hochdruckpumpe bildender Anschluß (32) ist, der mit seiner ins Pumpengehäuse (2) eingeschraubten Stirnseite mittelbar oder unmittelbar den Einmündungs­ bereich (46) mit einer Druckspannung beaufschlagt.

5. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Außengewinde (40) des Anschlußnippels (32) in einem vorbestimmten Radial- oder Axialabstand zur Stirnseite steht.

6. Hochdruckpumpe nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswandungen der Kanäle (28, 30) im Einmündungsbereich (46) durch eine mechanische Bearbeitung, wie beispielsweise Stauchen, Prägen, Kugelstrahlen etc. mit Druckspannung beauf­ schlagt ist.

7. Hochdruckpumpe nach einem der hervorgehenden Patentan­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Ra­ dialkolbenpumpe mit zumindest drei Pumpeinheiten ist, deren Hochdruckkanäle (28, 28b, 28c) in einem im Axial­ abstand zur Antriebswelle (4) angeordneten Kanal (30) einmünden.

8. Hochdruckpumpe nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die kritischen Bereiche der Hochdruckeinmündungen (28, 30) durch Belasten mit er­ höhtem Innendruck plastisch verformt und damit Druckei­ genspannungen erzeugt werden.

9. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 8 dadurch gekenn­ zeichnet, daß dies bei der hydraulischen Entprüfung durchgeführt wird und damit auch die stat. Druck­ dichtheit der Pumpe überprüft wird.

10. Hochdruckpumpe nach Patentanspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spanneinrichtung ein Hochdruckbegren­ zungsventil ist, das mit seiner ins Pumpengehäuse (2) eingeschraubten Stirnseite mittelbar oder unmittelbar den Einmündungsbereich (28, 30, 46) mit einer Druck­ spannung beaufschlagt.