DE19920996A1 - Pumpeinheit - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Pumpeinheit für eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine Radialkolbenpumpe, bei der der Ventilkörper, vorzugsweise eine Kugel, lediglich hydraulisch gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist. Um den Schließvorgang des Druckventils in vorbestimmter Weise durchführen zu können, ist die Kugel mit einer gegenüber herkömmlichen Lösungen verringerten Spaltweite in einer Ventilführung aufgenommen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpeinheit für eine Hoch­ druckpumpe mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine mit mehreren derartigen Pumpeinheiten ausgeführte Ra­ dialkolbenpumpe.

Hochdruckpumpen, beispielsweise die aus der DE 196 52 831 A1 bekannten Radialkolbenpumpen werden unter anderem in Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen eingesetzt. Bei Benzineinspritzsystemen werden dabei Drücke im Bereich von bis zu 300 bar erzeugt; bei Dieseleinspritzsystemen liegen die Einspritzdrücke wesentlich höher bei bis zu 2000 bar.

Die bekannten Radialkolbenpumpen haben ein Gehäuse, in dem eine Exzenterwelle zum Antrieb mehrerer Pumpeinheiten gelagert ist. Jede Pumpeinheit hat einen Zylinder und einen Kolben, durch die ein Zylinderraum begrenzt ist. Durch Be­ tätigung der Verdränger der Pumpeinheiten kann Druckmittel über ein Saugventil in den jeweiligen Zylinderraum ange­ saugt und druckbeaufschlagt über ein Druckventil an ein Druckkanal im Gehäuse abgegeben werden. Die Druckkanäle sämtlicher Pumpeinheiten der Hochdruckpumpe sind über einen Sammelkanal miteinander verbunden, der zu einem Druckan­ schluß führt, an den die Common-Rail angeschlossen ist.

Als Druckventil wird häufig ein Kugelrückschlagventil verwendet, das über eine Druckfeder gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist und dessen Axialbewegung weg vom Ventilsitz durch einen Anschlag begrenzt ist. Der Ventilkörper kann durch den Druck im Zylinderraum gegen die Kraft der Druck­ feder und den im Druckkanal herrschenden Druck von seinem Ventilsitz abgehoben werden, so daß das druckbeaufschlagte Druckmittel in den Hochdruckbereich abströmen kann.

Die Druckfeder wird dabei so ausgelegt, daß ein Rück­ strömen des Druckmittels vom Druckkanal in den Zylinderraum praktisch ausgeschlossen ist. Dabei muß jedoch die Feder­ rate vergleichsweise gering gewählt werden, um keinen unnö­ tigen Druckverlust zu erzeugen.

Weiterhin problematisch bei der vorbeschriebenen Ausge­ staltung ist, daß sich die Kugel aufgrund von Turbulenzen im abströmenden Druckmittel gegenüber der Druckfeder ver­ drehen kann, so daß aufgrund der Reibung zwischen Druckfe­ der und Ventilkörperaußenfläche ein vorzeitiger Verschleiß eintreten kann, der zu einer Verringerung der Dichtwirkung oder gar Zerstörung der Kugel führen kann. Aufgrund der Vielzahl der Lastwechsel ist die Feder einer erheblichen Belastung ausgesetzt, so daß es insbesondere bei Hochdruck­ anwendungen zu Brüchen und damit zu einer Zerstörung der Pumpeinheit kommen kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pumpeinheit und eine mit einer derartigen Pumpeinheit ausgeführte Radialkolbenpumpe zu schaffen, bei denen die ordnungsgemäße Funktion des Druckbegrenzungsventils auch bei hohen Laufzeiten gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Pumpeinheit durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Ra­ dialkolbenpumpe durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Ventilkörper des Druckventils mit einem sehr geringen Spaltmaß in der Ventilführung auf­ genommen, so daß an der Ventilkörperrückseite hydraulisch ein Schließdruck aufbaubar ist, der ein reaktionsschnelles Schließen des Ventilkörpers und somit ein Rückströmen des Druckmittels vom Druckkanal in den Zylinderraum verhindert. D. h., die Schließkraft wird alleine durch den Druck im Druckkanal aufgebaut, so daß auf die Druckfeder verzichtet werden kann. Mit dem Wegfall der Druckfeder wird auch ein wesentlicher Schwachpunkt herkömmlicher Pumpeinheiten be­ seitigt, bei denen - wie eingangs erwähnt - die Lauflei­ stung der Hochdruckpumpe häufig durch den Bruch der Druck­ feder begrenzt war.

Die Spaltweite S, die als die Differenz zwischen Ven­ tilkörperaußendurchmesser und Ventilführungsinnendurchmes­ ser bezogen auf den Ventilkörperaußendurchmesser definiert ist liegt erfindungsgemäß unterhalb eines oberen Grenzwer­ tes von 10%, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 0,4% und 1,0%.

Die erfindungsgemäße Pumpeinheit kann im Hochdruckbe­ reich wesentlich einfacher als herkömmliche Pumpeinheiten ausgeführt werden, da auf die Druckfeder und die Bauele­ mente zur Abstützung verzichtet werden kann.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei der erfin­ dungsgemäßen Konstruktion die vergleichsweise komplizierte Montage der kleinen Druckfeder und der Abstützelemente ent­ fällt, so daß die Hochdruckpumpe aufgrund der verkürzten Montagezeit und des einfacheren Aufbaus wesentlich kosten­ günstiger als herkömmliche Pumpeinheiten herstellbar ist.

Das schnelle Schließen des Druckventils wird unter­ stützt, wenn der Druckkanal zum Abführen des druckbeauf­ schlagten Druckmittels in einem Bereich endet, der in Ab­ strömrichtung stromabwärts des Ventilkörpers in seiner Öff­ nungsposition mündet.

Dieser Ventilkörper wird vorteilhafter Weise als Kugel ausgeführt, die beispielsweise aus Keramik oder einem son­ stigen geeigneten Werkstoff hergestellt ist.

Der Aufbau der Pumpeinheit ist besonders einfach, wenn der Kolben feststehend gelagert ist und der Zylinder axial verschiebbar auf dem Kolben geführt und gegen eine Exzen­ terwelle vorgespannt ist. Der Druckkanal ist bei dieser Va­ riante über eine Axialbohrung im Kolben mit dem Zylinder­ raum verbunden, wobei ein radial erweiterter Teil der Axialbohrung die Ventilführung und den Ventilsitz für den kugelförmigen Ventilkörper ausbildet. Der Anschlag für den. Ventilkörper kann dabei durch einen Anschlagkörper im Kol­ ben oder durch eine stirnseitige Abdeckung der Ventilfüh­ rung gebildet werden.

Der Aufbau des Kolbens ist besonders einfach, wenn der Druckkanal zur Abführung des Druckmittels in einem Ringraum am Außenumfang des Kolben mündet, der über eine Radialboh­ rung mit der Ventilführung verbunden ist. Diese Radialboh­ rung mündet dann stromabwärts des Ventilkörpers.

Um eine thermische Belastung des Druckmittels zu mini­ mieren, ist die lichte Weite der Radialbohrungen oder des Druckkanals größer als die Fläche des Spalts zwischen Ven­ tilführung und Ventilkörper gewählt.

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 einen Schnitt durch eine Radialkolbenpumpe und

Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Pumpeinheit der Radialkolbenpumpe aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Hochdruckpumpe, die als Radialkolbenpumpe 1 ausge­ führt ist. Diese hat ein Gehäuse 2, in dem eine Exzenter­ welle 4 gelagert ist. Über die Exzenterwelle 4 werden drei über deren Umfang verteilte Pumpeinheiten 6, 8, 10 betä­ tigt, um Druckmittel anzusaugen und druckbeaufschlagt über einen nicht dargestellten Druckanschluß abzugeben. Das Druckmittel, im vorliegenden Fall Benzin wird mittels einer Vorförderpumpe über einen Sauganschluß 12 in einen Exzen­ terraum 14 des Gehäuses 2 gefördert. Ein Exzenterring 16 ist im Bereich des Exzenterraums 14 auf der Exzenterwelle 4 gelagert und mit drei Abflachungen versehen, von denen jede einer der Pumpeinheiten 6, 8, 10 zugeordnet ist.

Jede der in Fig. 2 vergrößert dargestellten Pumpein­ heiten 6, 8, 10 hat einen Zylinderdeckel 18, der in eine Aufnahme 20 des Gehäuses 2 eingeschraubt ist. Der Zylinder­ deckel 18 hat eine Sacklochbohrung 22, in die ein festste­ hender Kolben 24 dichtend eingepreßt ist. Auf dem aus dem Zylinderdeckel 18 vorstehenden Teil des Kolbens 24 ist ein Zylinder 26 verschiebbar geführt, der an seinem in Fig. 2 unteren Endabschnitt einen Gleitschuh 28 trägt, mit dem der Zylinder 26 auf der Abflachung des Exzenterrings 16 auf­ liegt. Zur Sicherstellung der Auflage auf dem Exzenterring 14 wird der Zylinder über eine am Zylinderdeckel 18 abge­ stützte Feder 30 in Richtung auf dem Exzenterring 16 vorge­ spannt.

Der Gleitschuh 28 hat sternförmig verlaufende Nuten 32, die in einer Bohrung 34 münden. Im Bereich des kolbenseiti­ gen Endabschnittes des Gleitschuhs 28 ist ein Saugventil 36 vorgesehen, dessen Ventilscheibe 38 in der dargestellten Grundposition die Bohrung 34 absperrt.

Gemäß Fig. 2 wird der Kolben 24 von einer Axialbohrung 40 durchsetzt, die in dem in Fig. 2 oberen Endabschnitt konisch zu einer Ventilführung 42 erweitert ist. Der koni­ sche Teil 44 der Ventilführung 42 bildet einen Ventilsitz eine Kugel 46, die axial verschiebbar in der Ventilführung 42 aufgenommen ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 oberhalb der Kugel 46 mündet zumindest eine Radialbohrung 48, die den Ringmantel des Kolbens 24 durchsetzt.

Die Radialbohrung 48 verbindet die Ventilführung 42 mit einem Ringraum 50, der durch eine Rückstufung des Außenum­ fangs des Kolbens 24 ausgebildet sein kann.

In diesem Ringraum 50 mündet des weiteren eine Schräg­ bohrung 52 im Zylinderdeckel, die ihrerseits in einen nicht dargestellten Druckkanal des Gehäuses 2 übergeht. Die Druckkanäle sämtlicher Pumpeinheiten 6, 8, 10 sind über ei­ nen Sammelkanal mit dem nicht dargestellten Druckanschluß der Radialkolbenpumpe 1 verbunden.

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Pumpeinheit liegt darin, daß das Druckventil ohne Druckfeder ausgebil­ det ist, d. h., die Kugel 46 ist nicht durch die Federkraft gegen den Sitz 44 vorgespannt.

Um ein zuverlässiges Schließen der Kugel 46 zu gewähr­ leisten, ist deren Außendurchmesser d um die Spaltweite S kleiner als der Innendurchmesser D der Ventilführung ausge­ führt. Dieses Spaltmaß berechnet sich nach:

Bei herkömmlichen Druckventilen beträgt dieses Spaltmaß etwa 15%, während es erfindungsgemäß kleiner als 7% ist. Besonders gute Ergebnisse stellen sich bei Spaltweiten S zwischen 0,5% und 1,0% ein. So wird das Spaltmaß bei ei­ nem Kugeldurchmesser von etwa 3,2 mm mit etwa 2/100 mm aus­ geführt, so daß das Spiel zwischen Ventilführung und Kugel wesentlich geringer als bei bekannten Lösungen ist. Durch diese geringe Spaltweite S wird bewirkt, daß bei einem Druckaufbau im Druckkanal und damit in der Schrägbohrung 52 der auf die Rückseite der Kugel 46 wirkende Druck so groß ist, daß diese schnellstmöglich in ihre dargestellte Schließstellung gegen den Ventilsitz 44 vorgespannt wird. Bei einer größeren Spaltweite könnte das Druckmittel die Kugel 46 umströmen, so daß diese nicht schnell genug in ih­ re Schließposition gebracht werden kann.

Um thermische Überbeanspruchungen des Druckmittels (Benzin) zu verhindern, ist die lichte Weite der Radialboh­ rung 48 wesentlich größer als die lichte Weite des Spaltes der Ventilführung 42 und der Kugel 46 ausgeführt.

Bei einem Druckaufbau in dem vom Kolben 24 und vom Zy­ linder 26 begrenzten Zylinderraum wird die Kugel 46 vom Ventilsitz 44 abgehoben und in ihre Anschlagposition gegen eine Stirnfläche 54 der Sacklochbohrung 22 gebracht. Der Axialabstand Z der Radialbohrung 48 zum Ventilsitz 44 ist so gewählt, daß die Radialbohrung 48 auch in dieser An­ schlagposition (gestrichelt in Fig. 2) noch im Bereich der Rückseite der Kugel 46 mündet, so daß diese bei einem Druckaufbau in Hochdruckbereich in Richtung auf den Ventil­ sitz 44 in die Schließposition beaufschlagt ist. Auf diese Weise ist ein zuverlässiges Schließen der Kugel 46 gesi­ chert, so daß die eingangs beschriebene Rückströmung des Benzins nahezu ausgeschlossen ist.

Die Spaltweite S darf allerdings auch nicht zu klein gewählt werden, da dann der Druckverlust bei der Durchströ­ mung des Spaltes zu groß wird.

Die Montage der erfindungsgemäßen Pumpeinheit ist ge­ genüber den herkömmlichen Lösungen wesentlich vereinfacht, da die Kugel 46 nur in die Ventilführung 42 eingelegt wer­ den muß, ohne daß es des Einsetzens einer Ventilfeder oder eines Anschlagbolzens bedarf.

In Abweichung von dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel könnten der Anschlag auch anstelle durch die Stirnfläche 54 auch durch einen geeigneten Anschlagkörper gebildet werden, der in die Ventilführung 52 eingesetzt ist. Die Kugel 46 wird vorzugsweise aus Stahl oder Keramik hergestellt.

Die erfindungsgemäße Konstruktion läßt sich auch bei einer Pumpeinheit mit feststehendem Zylinder und darin ver­ schiebbar geführten Kolben einsetzen. Prinzipiell läßt sich die erfindungsgemäße Konstruktion auch bei anderen Hydroma­ schinen verwenden.

Offenbart ist eine Pumpeinheit für eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine Radialkolbenpumpe, bei der der Ventilkör­ per, vorzugsweise eine Kugel lediglich hydraulisch gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist. Um den Schließvorgang des Druckventils in vorbestimmter Weise durchführen zu können, ist die Kugel mit einer gegenüber herkömmlichen Lösungen verringerten Spaltweite in einer Ventilführung aufgenommen.

Claims (8)

1. Pumpeinheit für eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine Radialkolbenpumpe (1), mit einem Zylinder (26), der ge­ meinsam mit einem Kolben (24) einen Zylinderraum be­ grenzt, in den Druckmittel über ein Saugventil (36) an­ saugbar und druckbeaufschlagt über ein Druckventil ab­ gebbar ist, das einen in einer Ventilführung (42) ge­ führten Ventilkörper (46) hat, der einerseits vom Druck im Zylinderraum und andererseits vom Druck in einem Druckkanal (48, 52) beaufschlagt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spaltweite:
mit D: Durchmesser Ventilführung (42)
d: Durchmesser Ventilkörper (40)
zwischen Ventilkörper (46) und Ventilführung (42) weni­ ger als 7%, vorzugsweise weniger als 1% beträgt.

2. Pumpeinheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckkanal (48, 52) in Abströmrichtung ge­ sehen hinter dem Ventilkörper (46) in seiner Öffnungs­ stellung in der Ventilführung (42) mündet.

3. Pumpeinheit nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilkörper eine Kugel (46) ist.

4. Pumpeinheit nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kugel (46) aus Keramik besteht.

5. Pumpeinheit nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zylinder (26) axial ver­ schiebbar auf dem feststehenden Kolben (24) geführt ist und die Ventilführung (42) in einem Abschnitt einer Axialbohrung (40) ausgebildet ist, die über eine den Ventilsitz (44) bildende Stufe in die Ventilführung (42) übergeht.

6. Pumpeinheit nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckkanal über eine Radialbohrung (48) im Mantel des Kolbens (24) in der Ventilführung (42) mün­ det.

7. Pumpeinheit nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Querschnitt der Radialbohrung (48) größer als die Fläche des Spaltes zwischen der Ventilführung (42) und dem Ventilkörper (46) ist.

8. Radialkolbenpumpe mit mehreren Pumpeinheiten gemäß ei­ nem der vorhergehenden Patentansprüche.