-
Die
Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe gemäß dem Patentanspruch
1, eine Gleitlagerbuchse für
eine derartige Verdrängerpumpe
und ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer in Radialkolbenbauweise
ausgeführten
Verdrängerpumpe.
-
Bei
Verdrängerpumpen,
beispielsweise in Radialkolbenbauweise werden die Verdränger über eine
Pumpenwelle angetrieben, die über
zumindest ein Gleitlager in einem Pumpengehäuse geführt ist. In Radialkolbenbauweise
ausgeführte
Verdrängerpumpen
werden beispielsweise als Hochdruckpumpen bei Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet,
wobei der Antrieb beispielsweise durch Kupplung an die Nockenwelle
des Verbrennungsmotors erfolgen kann. Aufgrund der hohen auftretenden Drehzahlen
und der vorgegebenen Laufleistungen derartiger Pumpen werden erhebliche
Anforderungen an die Auslegung der Wellenlagerung gestellt, um ein
Festgehen der Pumpe zu vermeiden.
-
Zur
Verbesserung der Schmierung von Gleitlagern einer Radialkolbenpumpe
wird in der
DE 1653632
A vorgeschlagen, das Druckmittel über ein Gleitlager zur Lagerung
eines Exzenterringes in den Niederdruckbereich der Pumpe zu leiten.
Dazu wird die Pumpenwelle mit einer axial und radial verlaufenden
Schmiermittelbohrung versehen, die in einer Anfräsung am Außenumfang der Pumpenwelle mündet. Diese
An fräsung
bildet mit der Innenumfangswandung der Gleitlagerbuchse einen Schmiermittelkanal, über den
das Druckfluid in den Niederdruckbereich geführt werden kann.
-
Nachteilig
bei dieser Variante ist, dass die Pumpenwelle durch die Kanäle zur Zuführung des Druckmittels
in den Gleitlagerbereich geschwächt
ist, und darüber
hinaus durch die unsymmetrische Anfräsung eine ungleichmäßige Belastung
der Pum- penwelle erfolgt. Mit einer derartigen Konstruktion lassen sich
nicht die insbesondere in der Automobilindustrie geforderten Standzeiten
realisieren.
-
Aus
der
DE 90 00 615 U1 ist
ferner eine Gleitlagerbuchse mit zwei Schmiernuten bekannt, die einseitig
benachbarten von druckentlastenden Bereichen angeordnet sind.
-
Bei
den bekannten Pumpenkonstruktionen wird die Pumpenwelle am kupplungsseitigen
Endabschnitt häufig über ein
Wälzlager
geführt,
während
am anderen Endabschnitt das vorbeschriebene Gleitlager angeordnet
ist. Aufgrund des Gleitlagers ergibt sich zwangsläufig eine
Schiefstellung der Pumpenwelle, so dass aufgrund des Kantenlaufs
ein erhöhter
Gleitlagerverschleiß eintritt.
Diese Schiefstellung kann durch die Gleitringdichtung nur in begrenztem
Umfang ausgeglichen werden, so dass zur Vermeidung des Kantenlaufs
ein geringes Gleitlagerspiel vorgesehen werden muss. Aufgrund des
daraus resultierenden engen Spaltes im Gleitlagerbereich kann nicht
genügend
Kühlmittel
in den Gleitlagerbereich geführt
werden, so dass auch bei geringerem Gleitlagerspiel ein vorzeitiger
Verschleiß eintreten kann.
-
Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe und eine für eine derartige
Verdrängerpumpe
geeignete Gleitlagerbuchse zu schaffen, durch die eine zuverlässige Schmierung/Kühlung einer
Pumpenwellenlagerung auch bei hohen Belastungen gewährleistet
ist. Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe
soll insbesondere auch bei Kraftstoffeinspritzsystemen einsetzbar sein.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Verdrängerpumpe durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1, und hinsichtlich des Kraftstoffeinspritzsystems durch
die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.
-
Erfindungsgemäß werden
die Gleitlagerbuchsen der Verdrängerpumpe
mit einer Wendelnut versehen, über
die das Druckmittel vom Niederdruckbereich in die mechanisch und
thermisch belasteten Teile der Lagerung führbar ist. D.h., im Gegensatz
zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung werden die Schmiermittelkanäle in der
Gleitlagerbuchse ausgebildet, so dass eine Bearbeitung und damit
Schwächung
der Pumpenwelle nicht erforderlich ist. Durch die Ausbildung der
Nut in der Innenumfangswandung der Gleitlagerbuchse ist gewährleistet,
dass die Pumpenwelle mit einem umlaufend geschlossenen Schmierfilm
versehen ist, so dass eine wirksame Kühlung der Wellenlagerung gewährleistet ist.
Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Nuten
ermöglicht
es, auch bei engem Lagerspiel einen ausreichenden Kühlmitteldurchsatz
zu gewährleisten.
-
Die
Ausbildung der Nut in der Gleitlagerbuchse ist des Weiteren noch
aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft, da die Bearbeitung
der Buchse im Hinblick auf die verwendeten Materialien wesentlich
einfacher als die Bearbeitung der Pumpenwelle ist.
-
Aus
der
US 4, 730, 994 A ist
es zwar per se bekannt, eine Welle eines Kompressors mit wendelartigen
Schmiernuten zu versehen, bei dieser Konstruktion sind allerdings
Schmiermittel- und Druckmittelkreislauf getrennt voneinander ausgebildet,
so dass der Aufwand zur Kühlung/Schmierung
wesentlich höher
als bei der erfindungsgemäßen Lösung ist. Weiterer
Nachteil einer derartigen Konstruktion liegt darin, dass bei einer
Ausbildung der Nuten am Außenumfang
der Pumpenwelle stets die gleichen Umfangsbereiche der Welle an
die Gleitlagerwandung gedrückt
werden, so dass eine ungleichmäßige Belastung
der Pumpenwelle erfolgt.
-
Die
Schmier-/Kühlwirkung
ist verbessert, in dem die in der Gleitlagerbuchse ausgebildete
Nut gegenüber
der Wellenachse angestelltist, so dass beispielsweise wendelartige
Nuten ausgebildet sind, deren Steigung vorzugsweise im Bereich zwischen
30° und
80° liegt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Variante werden mehrere Nuten gleichmäßig an der
Innenumfangsfläche
der Gleitlagerbuchse verteilt, so dass eine schnelle und weitgehend
drehzahlunabhängige Ausbildung
eines Schmierfilms ermöglicht
ist.
-
Die
erfindungsgemäßen Gleitlagerbuchsen lassen
sich besonders vorteilhaft bei einer Radialkolbenpumpe anwenden,
wobei sowohl die Wellenlagerung als auch die Lagerung eines Exzenterringes über mit
Nuten versehene Gleitlagerbuchsen erfolgen kann.
-
Bei
einem besonders einfach ausgeführten Ausführungsbeispiel
ist die Gleitlagerbuchse einstückig
mit einem Exzenterring ausgebildet.
-
Die
Gleitlagerbuchsen werden vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt,
wobei sich bei Radialkolbenpumpen für Kraftstoffeinspritzsystemen
besonders polyimid- oder polyetheretherketonhaltige Kunststoffe
als geeignet herausgestellt haben.
-
Die
Steigung der Nuten wird bei Kunststoffbuchsen so gewählt, dass
einerseits eine leichte Entformbarkeit der beispielsweise im Spritzgießverfahren
hergestellten Gleitlagerbuchse möglich
ist und andererseits die Kühl/Schmierwirkung
optimal ist, wobei durch die Schrägstellung der Nuten ein gewisser
Pumpeffekt erzielbar ist.
-
Die
mit Nuten versehenen Gleitlagerbuchsen lassen sich besonders vorteilhaft
bei Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren einsetzen,
bei denen der von einer Vorförderpumpe
zugeführte
Kraftstoff über
die Nuten in den Niederdruckbereich der Radialkolbenpumpe geführt ist,
während überschüssiger,
von der Common-Rail zurückströmender Kraftstoff über einen
eigenen Anschluss direkt in den Niederdruckbereich eingespeist wird.
Durch diese Aufteilung der Kraftstoffvolumenströme ist gewährleistet, dass die Wellenlagerung
nicht mit dem von der Common-Rail zurückströmenden Volumen strom beaufschlagt
wird, der Temperaturen über
100°C und
Gasblasen aufweisen kann. D.h., die Wellenlagerbereiche sind lediglich
mit dem kalten, von der Vorförderpumpe
geförderten
Kraftstoff beaufschlagt, so dass eine optimale Kühl/Schmierwirkung gewährleistet
ist.
-
Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren
Unteransprüche.
-
Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Schnittdarstellung
einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;
-
2 eine
Schnittdarstellung einer Gleitlagerbuchse für die Radialkolbenpumpe aus 1;
-
3 eine
Buchse der Wellenlagerung aus 1 mit eingesetzter
Gleitlagerbuchse gemäß 2;
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer in einen Exzenterring eingesetzten Gleitlagerbuchse und
-
5 und 6 einen
Exzenterring, der einstückig
mit einer erfindungsgemäßen Gleitlagerbuchse
ausgebildet ist.
-
1 zeigt
in stark vereinfachter Form ein Schaltschema eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems
eines Verbrennungsmotors. Der Kraftstoff wird über eine Vorförderpumpe 1 aus
einem Tank T angesaugt und über
einen Filter 2 einem Sauganschluss 18 einer Hochdruckpumpe
zugeführt, die
beim gezeigten Ausführungsbeispiel
als Radialkolbenpumpe 4 ausgebildet ist. Der Kraftstoff
wird in der Radialkolbenpumpe 4 mit Hochdruck beaufschlagt
und über
einen Druckanschluss 18 einer Common-Rail 6 zugeführt, an
die Einspritzventile 8 ange schlossen sind. Jedes der Einspritzventile 8 ist einem
Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet, so dass die Verbrennung
in jedem Zylinder durch Ansteuerung des zugeordneten Einspritzventils
steuerbar ist.
-
Der
Druck in der Common-Rail 6 lässt sich über ein an die Motorsteuerung
angeschlossenes Druckbegrenzungsventil 10 begrenzen. Bei Überschreiten
des voreingestellten Druckes öffnet
dieses Druckbegrenzungsventil 10, so dass Kraftstoff von der
Common-Rail 6 in einen Rücklaufkanal 12 einströmen kann.
Dieser ist an einen Rücklaufanschluss 14 der
Radialkolbenpumpe 4 angeschlossen. Diese hat ein Pumpengehäuse 16,
in dem der vorgenannte Rücklaufanschluss 14 der
Druckanschluss 18 und der Sauganschluss 20 ausgebildet
sind. In der Darstellung nach 1 sind der
Saug- und der Druckanschluss 18, 20 lediglich
angedeutet.
-
Im
Pumpengehäuse 16 ist
eine Exzenterwelle 22 gelagert, die über eine Kupplung 24 an
eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors oder an einen sonstigen
Antrieb angekoppelt ist. Ein Exzenter 26 der Exzenterwelle 22 treibt
mehrere, beispielsweise drei über
den Außenumfang
des Exzenters 26 verteilte Pumpeinheiten 28 an.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
hat jede der Pumpeinheiten 28 einen feststehenden Kolben 30,
auf dem ein Zylinder 32 axial verschiebbar geführt ist.
Dieser wird über
eine Druckfeder 34 in Richtung auf einen Exzenterring 36 vorgespannt,
wobei zwischen letzterem und dem Zylinder 32 ein Gleitschuh 38 angeordnet
ist. Im Zylinder 32 ist ein Saugventil 40 und
im feststehenden Kolben ein Druckventil 42 angeordnet,
so dass Kraftstoff bei geöffnetem
Saugventil 40 aus einem Exzenterraum 44 ansaugbar
und druckbeaufschlagt über das
Druckventil 42 an einen Druckkanal 46 abgebbar ist.
Die Druckkanäle 46 aller
Pumpeinheiten 28 münden
in einem Sammelkanal 48, an den der Druckanschluss 18 angeschlossen
ist.
-
Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Exzenterwelle 22 einerseits über ein Wälzlager 50 und
ande rerseits über
ein Gleitlager 52 im Pumpengehäuse 16 gelagert. Die
Abdichtung des Exzenterraums 44 gegenüber dem Wälzlager 50 erfolgt über einen
Wellendichtring 54 dessen Aufbau prinzipiell aus dem Stand
der Technik bekannt ist, so dass weitere Ausführungen entbehrlich sind. Etwa auftretende
Leckagen im Bereich des Wälzlagers 50 werden über einen
Leckagekanal 56 an den Ölkreislauf
des Kraftstoffverbrennungsmotors abgegeben.
-
Die
Zuführung
des Kraftstoffes in den Exzenterraum 44 erfolgt über den
Sauganschluss 20, der im stirnseitigen Bereich des Gleitlagers 52 mündet. Das
im Folgenden noch näher
beschriebene Gleitlager 52 hat gestrichelt angedeutete
Nuten 58 und eine Längsbohrung 60, über die
der Kraftstoff vom Sauganschluss 20 zum Exzenterraum 44 führbar ist.
-
Der
Exzenterring 36 ist über
eine Lagerbuchse 62 auf dem Exzenter 26 der Exzenterwelle 22 gelagert.
Das Gleitlager 52 zur Lagerung des in 1 rechten
Endabschnittes der Exzenterwelle 22 hat eine Gleitlagerbuchse 64,
in der die vorgenannten Nuten 58 ausgebildet sind.
-
2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
einer derartigen Gleitlagerbuchse 64. Diese ist im Spritzgießverfahren
aus Kunststoff, beispielsweise, aus Polyimid (PI) oder aus Polyetheretherketon (PEEK)
hergestellt.
-
Die
Stirnflächen
der Gleitlagerbuchse 64 sind sowohl außenumfangsseitig als auch Innenumfangsseitig
mit Anfassungen 66, 68 versehen. In der Innenumfangswandung
der Gleitbuchse 64 sind die vorgenannten Nuten 58 ausgebildet,
die gemäß dem Detail
A-A beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen
können.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind 6 Nuten 58 über
die Innenumfangswandung der Gleitlagerbuchse 64 verteilt,
wobei die Nuten in der Darstellung nach 2 von der
linken Stirnfläche
der Gleitlagerbuchse 64 zur rechten Stirnfläche hin
ansteigen. Die Steigung beträgt
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa
100°. Selbst verständlich können auch
andere Steigungen gewählt
werden, wobei die Steigung einerseits davon abhängt, wie viel Kraftstoff zur
Kühlung-/Schmierung
in den Lagerbereich eintreten soll und welcher Aufwand zur Entformung
der Gleitlagerbuchse beim Spritzgießen betrieben werden soll.
-
Gemäß 3 wird
die erfindungsgemäße Gleitlagerbuchse 64 mit
Presspassung in eine Buchse 70 eingesetzt. Am Außenumfang
der Buchse 70 sind umlaufende Ringnuten 72 zur
Aufnahme von O-Ringen (siehe 1) ausgebildet.
Im Bereich zwischen den beiden O-Ringen mündet der Sammelkanal 48,
der seinerseits als Ringkanal im Pumpengehäuse 16 ausgebildet
ist. D.h., die Abdichtung des Sammelkanals 48 gegenüber dem
Niederdruckbereich erfolgt über
die beiden in den Ringnuten 72 aufgenommenen O-Ringe.
-
Zur
Zuführung
des Kraftstoffes vom Sauganschluss 20 in den Exzenterraum 44 ist
in der Buchse 70 die eingangs bereits genannte Längsbohrung 60 ausgebildet.
Diese hat einen größeren Querschnitt als
die Nuten 58, so dass ein wesentlicher Teilstrom des Kraftstoffs über die
Längsbohrung 60 vom
Sauganschluss 20 zum Exzenterraum 44 geführt wird.
Die Abstimmung der Querschnitte der Nuten 58 und des Durchmessers
der Längsbohrung 60 erfolgt
derart, dass stets ein Teilstrom des Kraftstoffs die Nuten 58 durchströmt, so dass
eine hinreichende Schmierung/Kühlung
des Lagerbereichs gewährleistet
ist.
-
Wie
bereits anhand 1 erläutert, wird das erfindungsgemäße Konzept
nicht nur zur Kühlung/Schmierung
der Wellenlagerung sondern auch zur Führung des Exzenterrings 36 verwendet,
gegen den die Verdränger,
d.h. im vorliegenden Fall die Zylinder 32 der Pumpeinheiten 28 vorgespannt
sind.
-
4 zeigt
einen Schnitt durch einen Exzenterring 36, wie er bei einer
Ausführung
gemäß 1 verwendbar
ist. Demgemäß ist in
eine Innenbohrung 74 des Exzenterrings 36 eine
Lagerbuchse 62 eingepresst, in der ebenfalls wendelartige
Nuten 58 ausgebildet sind. Bei dem in 4 ausgeführten Ausführungsbeispiel
der Lagerbuchse 62 sind die Nuten 58 mit etwas
geringerer Steigung ausgeführt.
Der Querschnitt entspricht etwa demjenigen des in 3 beschriebenen
Ausführungsbeispiels,
d.h., bei einem Pumpenwellendurchmesser von etwa 10 und 20 mm. beträgt die Breite
der Nut etwa 1 mm und die Tiefe. etwa 0,1 mm. Selbstverständlich sind
auch andere Maße
und Geometrien anwendbar. So können
die Nuten beispielsweise als Dreiecksnuten, trapezförmig oder
auf sonstige Weise ausgestaltet werden.
-
Im Übrigen entspricht
der Aufbau der Lagerbuchse 62 demjenigen der Gleitlagerbuchse 64 zur Abstützung der
Welle, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich
sind.
-
Bei
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
wurde die Lagerbuchse 62 in die Innenbohrung 74 des
Exzenterrings 36 eingepresst. Die 5 und 6 zeigen
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Lagerbuchse in einen Exzenterring 36 integriert
ist. Dabei sind acht wendelförmige
Nuten 58 ähnlich
wie bei einem mehrgängigen
Gewinde an einer Lagerbohrung 76 des Exzenterrings 36 verteilt.
Der Quer- schnitt der Nuten 58 ist etwas geringer als derjenige als
bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeipielen gewählt. Die
stirnseitigen Bereiche der Lagerbohrung 76 sind wiederum
mit Anfassungen 66 versehen, die das Aufsetzen des Exzenterrings 36 auf
die Exzenterwelle 22 und das Zu- und Abführen des
Kraftstoffs in bzw. von den wendelartigen Nuten 58 erleichtern. Der
in den 5 und 6 dargestellte Exzenterring 36 wird
ebenfalls im Spritzgießverfahren
hergestellt und besteht aus einem temperaturbeständigen und abriebfesten Kunststoff,
beispielsweise Polyimid oder Polyetheretherketon (PI, PEEK). Wie
insbesondere aus 6, entnehmbar ist, hat der Exzenterring 36 drei
Abflachungen 78, gegen den die Verdränger der Pumpeinheiten 28 vorgespannt
sind.
-
Neben
der vorbeschriebenen Wellenlagerung und der Lagerung des Exzenterrings 36 liegt
die Besonderheit der in der 1 beschriebenen
Konstruktion auch in der Strömungführung des
Kraftstoffes.
-
Erfindungsgemäß wird der überschüssige, über das
Druckbegrenzungsventil 10 von der Common-Rail 6 zurückgeführte Kraftstoff
nicht wie bei herkömmlichen
Konstruktionen in den Tank T oder in die Saugleitung 80 zwischen
Vorförderpumpe 1 und Radialkolbenpumpe 4 zurückgeführt (siehe
gestrichelte Verbindungsleitung) sondern über einen eigenen Rücklaufanschluss 14 direkt
in den Niederdruckbereich eingeleitet. Wie bereits eingangs erwähnt wurde,
hat der von der Common-Rail 6 zurückströmende Kraftstoff
eine hohe Temperatur (etwa 130°C) und
enthält
Gasblasen, so dass eine Beaufschlagung der Wellenlagerung mit diesem
Kraftstoff die Kühlung/Schmierung
negativ beeinträchtigen
könnte,
da nicht genügend
Wärme von
der Lagerstelle abgeführt wird.
Die hinreichende Kühlung/Schmierung
wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
dadurch bewirkt, dass lediglich der von der Vorförderpumpe geförderte Kraftstoffvolumenstrom,
der etwa eine Temperatur von 60°C
aufweist, über
den Sauganschluss 20 in den Lagerbereich (Wellenlagerung,
Exzenterwellenlagerung) gebracht wird. Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird der Kraftstoff zur Schmierung des Exzenterrings 36 zwar
aus dem Exzenterraum 44 entnommen, in den der heiße Kraftstoff
eingeleitet wird, dies ist jedoch nicht so kritisch, da im Exzenterraum 44 der
von der Vorförderpumpe 1 geförderte Kraftstoffvolumenstrom
mit dem von der Common-Rail 6 zurückströmenden Kraftstoffvolumenstrom
gemischt wird, so dass im Exzenterraum 44 eine Temperatur
vorliegt, die wesentlich unterhalb der Temperatur in der Common-Rail 6 liegt.
-
Bei
den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
mündet
der Sauganschluss 20 etwa stirnseitig im Pumpengehäuse. Selbstverständlich kann
die Kanalführung
auch auf andere Weise ausgebildet werden, es muss lediglich sicher
gestellt sein, dass der kühle,
von der Vorförderpumpe 1 geförderte Kraftstoff
in den Mündungsbereich
der Nuten 58 gelangt und hin zu den Lagerbereichen strömt.
-
Die
Steigung und die Geometrien der Nuten 58 werden so gewählt, dass
durch die Rotation der Exzenterwelle 22 eine gewisse Pumpwirkung
eingestellt wird, die die Durchströmung der Nuten 58 mit Kraftstoff
unterstützt.
-
Die
erfindungsgemäße Wellenlagerung
lässt sich
prinzipiell auch bei anderen Pumpenbauarten anwenden.
-
Offenbart
ist eine Verdrängerpumpe,
bei der eine Gleitlagerbuchse mit Nuten versehen ist, über die
Druckmittel vom Niederdruckbereich der Verdrängerpumpe zur Kühlung/Schmierung
in den Lagerbereich führbar
ist.