DE19954639C2 - Hydraulische Kolbenpumpe, insb. für Common Rail-Einspritzsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenpumpe, insbe­ sondere für Common-Rail-Einspritzsysteme, mit ringförmig o­ der sternförmig angeordneten Kolben, mit Auslassventilen, die mit geringstmöglichem Abstand unmittelbar dem Kolben ge­ genüber oder dazu senkrecht liegend eingebaut sind, und mit einer Fördermengenregelung durch an dem Kolben befindlichen, die Fördermenge einstellenden schrägen Steuerkanten.

Aus der Literaturstelle Böge, Alfred (Hrsg.): Das Techniker Handbuch, 15. Auflage, Vieweg Braunschweig Wiesbaden 1999, Seite 1180 bis 1181 ist eine Axialkolbenpumpe dargestellt. Diese Axialkolbenpumpe besteht aus mehreren Pumpenzylindern mit Pumpenkolben. Diese werden alle über eine von einer ge­ meinsamen Antriebswelle angetriebenen Taumelscheibe axial bewegt. Diese Axialkolbenpumpe hat den Nachteil, dass keine Mittel zu einer Fördermengenregelung vorgesehen sind.

Zur Realisierung einer Fördermengenregelung für die Anwendung in Common-Rail-Einspritzsystemen kommen die übli­ chen Regelsysteme der Ölhydraulik, bei denen die Fördermenge durch Schwenken der Antriebsscheibe oder des Pumpenkörpers regelbar ist, nicht in Frage. Solche Pumpen sind für Common Rail-Systeme zu groß und zu teuer und außerdem in den Belastungsverhältnissen schwer beherrschbar, da in der Industrie­ hydraulik Drücke über 1000 bar in der Regel nicht angewendet werden. Für Common Rail-Pumpen mit Drücken von 1500 bar oder höher werden deshalb andere Regelsysteme angewandt. Diese, den Stand der Technik repräsentierenden Systeme sind einschließlich ihrer Nachteile nachfolgend angegeben.

• 1. Saugseitige Drosselung des einströmenden Kraftstoffes mit dem Nachteil, das Unterdruckbildung und Kavitation entstehen können.
• 2. Absteuern des Kraftstoffs auf der Hochdruckseite mit dem Nachteil einer bedeutenden Verschlechterung der Energiebi­ lanz und einer hohen Kraftstofferwärmung.
• 3. Abschalten von Pumpenelementen mit dem Nachteil, dass der Gleichförmigkeitsgrad des Förderstromes verschlechtert wird.
• 4. Einschalten von Mitteln wie Zwischenhebel u. a. zur Hub­ verstellung der Kolben mit dem Nachteil des höheren Bauauf­ wandes und des höheren Verschleißes, wie z. B. DE 38 03 735, DE 41 40 801.

In dem DE-GM 91 04 468 ist eine Lösung angegeben, die eine Fördermengenregelung durch relativ einfache und vor allem von außen steuerbare Mittel bewerkstelligt. Hierbei wird ein Verteilerring mittels einer Zahnstange auf einem Pumpkolben verdreht. Dieser Verteilerring weist eine Auslassbohrung auf, die mit einer Spiralnut derart in Wirkungsverbindung steht, dass bei Gegenüberliegen von Spiralnut und Auslass­ bohrung der Pumpraum druckentlastet wird und somit dadurch das Ende des Pumpvorganges eingeleitet wird. Durch eine Ver­ drehung des Verteilerringes relativ zu der Spiralnut ändert sich damit der Punkt, an dem der Pumpraum druckentlastet wird. Dadurch ist mittels der Zahnstange von außen der Zeit­ punkt des Endes des Pumpvorganges und damit wiederum die Fördermenge regelbar.

Allerdings besteht der Nachteil dieser Lösung darin, dass ein relativ aufwändiger Aufbau erforderlich ist und dass diese Anordnung - wenn sie von außen gesteuert werden soll - mit einer Zahnstange arbeitet, die den Einsatz einer gemein­ samen Antriebswelle verhindert, da dann die einzelnen Kol­ ben-Zylinderanordnungen in der Flucht der Zahnstange anzu­ ordnen wären.

In DE 36 01 462 A1 ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung beschrieben, bei der eine Kolben-Zylinder-Anordnung über ei­ ne Nockenwelle mit zwei verschieden hohen Nocken angesteuert wird. Die dabei entstehende unterschiedliche Fördermenge wird über einen Druckspeicher gepuffert. Damit soll die Auf­ gabe erfüllt werden, bei eine hohen Einspritzintensität die Belastung des Nockenwellenantriebes gering zu halten.

Eine Steuerung der Fördermenge ist nicht vorgesehen. In der DE-AS 12 22 373 wird eine Kolbenpumpe angegeben, die einen Antriebs- und einen Arbeitskolben aufweist. Beide Kolben weisen auf ihrer dem Pumpraum zugewandten Seite eine Schräg­ fläche auf. Die Steigung der Schrägfläche des Antriebskol­ bens ist dabei größer als die des Arbeitskolbens.

Der Antriebskolben wird nun in Rotation versetzt. Infolge der Schrägstellung gibt er damit in dem Pumpraum wechselweise eine Einlassöffnung und ein Auslassöffnung frei. Infolge der sich bei Drehung des Antriebskolbens und der unterschiedlichen Schrägstellung ändernden Volumina in dem Pumpraum wird eine Kompression des Pumpmediums und damit eine Bewegung des Ar­ beitszylinders erreicht. Die Schrägstellung der Flächen des An­ triebskolbens dient somit der Auslösung des Pumpvorganges. Hierin ist jedoch keine Schrägkantensteuerung zu erkennen, wie sie etwa in dem DE-GM 91 04 468 angegeben ist.

Auch die unebene Gestaltung der Pumpfläche des Kolbens in der DD-PS 31 169 dient der reinen Pumpensteuerung. Damit kann keine Fördermengenregelung erreicht werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile des genannten Standes der Technik zu vermeiden. Es soll unter Beibehaltung einer einfachen und raumsparenden Bauweise eine echte För­ dermengenregelung erzielt, also nur die jeweils gewünschte Kraftstoffmenge unter Hochdruck gesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die schrägen Steuerkanten erfindungsgemäß an den Stirnseiten der Kolben angeordnet sind und dass alle Kolben zugleich und in gleicher Weise verdrehende Mittel vorgesehen sind. Hierbei sind zwei Fälle zu unterscheiden:
Bei ringförmig angeordneten Kolben greifen auf den Kolben­ köpfen angeordnete Kolben in eine Innenverzahnung eines ver­ stellbaren Zahnkranzes ein.

Bei radial angeordneten Kolben sind gabelförmig gestaltete Zahnsegmente vorgesehen, die einerseits an Gleitflächen der Kolben angreifen und die andererseits über Außenverzahnungen mit einer Gegenverzahnung des Zahnkranzes in Verbindung ste­ hen.

Besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Längs­ schnitt durch eine 5-zylindrige Pumpe mit axialer Kolbenan­ ordnung (Axialpumpe),

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 den gleichen Schnitt wie Fig. 2 mit einem elektro-magnetischen Drehstellwerk als Steuereinheit,

Fig. 4 eine ergänzende Darstellung des Kolben- Verdrehsystems mit Verzahnungselementen (Axialpumpe),

Fig. 5 ein anderes Kolben-Verdrehsystems (Axialpumpe),

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine 5-zylindrige Pumpe mit radialer Kolbenanordnung (Radialpumpe) und

Fig. 7 eine ergänzende Darstellung des Kolben- Verdrehsystems (Radialpumpe).

Die Fig. 1 zeigt ein in einem Gehäuse 1 installiertes Taumelscheibentriebwerk 2, welches von einer Antriebswelle 3 in Umdrehung versetzt wird. Dadurch führen die Kolben 4 axiale Hubbewegungen aus, wobei die Druckfedern 5 den ständigen Kontakt zwischen den Kolbenköpfen 6 und der Druckscheibe 7 des Taumelscheibentriebwerks 2 herstellen.

Dieser herkömmliche Aufbau einer Axialkolbenpumpe mit nicht verstellbarer Fördermenge wird erfindungsgemäß auf einfache Weise zu einer Verstellpumpe wie folgt gestaltet:
Die Kolben 4 besitzen an ihrer, dem Auslassventil 8 zugewandten Stirnseite eine schräge Steuerkante 9, welche - in der von Reiheneinspritzpumpen her bekannten Weise - mit der Einlassbohrung 10 korrespondiert. Je nach Drehstellung eines Kolbens 4 wird die betreffende Einlassbohrung 10 durch die schräge Steuerkante 9 während des Kolbenhubes nicht verschlossen (der Kraftstoff fließt zurück - Nullförderung) oder sie wird, wenn die Steuerkante 9 von der Einlassbohrung 10 weggedreht ist, schon von der Stirnseite des Kolben 4 verschlossen und der gesamte Kraft­ stoff durch das Auslassventil 8 in den Sammelanschluss 11 gefördert (Vollförderung). Dazwischen ist entsprechend der Drehstellung des Kolbens 4 jede Teilfördermenge einstellbar. Die Auslassventile 8 sind erfindungsgemäß mit geringstem Ab­ stand zu den Kolben 4 angeordnet. Um die Kolben 4 bei den hohen hydraulischen Drücken von seitlichen Druckkräften frei zu halten, sind zwei schräge Steuerkanten 9 gegenüberliegend an den Kolben 4 angeordnet.

Die Verdrehung aller Kolben 4 geschieht erfindungsgemäß der­ art, dass jeder Kolbenkopf 6 eine Außenverzahnung 12 be­ sitzt, welche in die entsprechende Innenverzahnung 13 eines verstellbaren Zahnkranzes 14 eingreift. Während der Hubbewe­ gung der Kolben 4 führen auch die Außenverzahnungen 12 diese Hubbewegung in der Innenverzahnung 13 aus. Dies ist, da die Verstellkräfte gering sind, bei entsprechender Werkstoffaus­ wahl der Verzahnungspartner möglich. Es können jedoch auch, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, auf den Kolbenköpfen 6 vorgefertigte Zahnsegmente 15 aufgesetzt sein. Der Kraft­ stoff tritt an der Einlassöffnung 16 in das Gehäuse 1 ein und fließt von hier über den Zylinderraum 17 zu den Einlass­ bohrungen 10. Ferner strömt Kraftstoff über den Gehäusekanal 18 in das Triebwerksgehäuse, kühlt das Triebwerk und ver­ lässt die Pumpe an der Auslassöffnung 19.

Die Fig. 2 zeigt die Verstellung des Zahnkranzes 14, die in herkömmlicher Weise über einen tangential angeordneten Ver­ stellkolben 20 erfolgen kann. Die Verstell- bzw. Rückstellkräfte können durch Elektromagnete bzw. durch Federn oder den Kraftstoffdruck im Pumpeninnen­ raum aufgebracht werden.

Für die Verstellung des Zahnkranzes 14 kann jedoch auch, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ein elektromagnetisches Dreh­ stellwerk 21, z. B. ein Schrittmotor, direkt über eine Teil­ verzahnung 22 in den Zahnkranz 14 eingreifen und diesen ver­ stellen. Damit ergibt sich ein in die Pumpe integriertes Verstellsystem, welches keine Abdichtungen nach außen er­ fordert.

Die Fig. 4 zeigt in ergänzender Darstellung nochmals das Kolben-Verdrehsystem mit den Kolben 4, den Kolbenköpfen 6 und den Zahnsegmenten 15, deren Außenverzahnungen 12 in die Innenverzahnung 13 des Zahnkranzes 14 eingreifen. Die Ver­ drehung des Zahnkranzes 14 ist analog zur Fig. 2 mittels Verstellkolben 20 angegeben.

Die Fig. 5 zeigt das Prinzip eines Kolbenverdrehsystems, bei welchem auf eine zahnradähnliche Übertragung verzichtet wird. Hierbei sind Stellringe 23 im Gehäuse 1 axial nicht verschiebbar, aber verdrehbar gehalten. Diese Stellringe 23 besitzen Keilverzahnungen 24, in welchen die Kolben 4 mit ihren Außenverzahnungen 12 (nun ebenfalls Keilverzahnungen) gleiten können. Die Stellringe 23 besitzen angearbeitete Bolzen 25, welche mit ihrem äußeren Ende über quergebohrte Drehzapfen 26 in das Teil 14 eingreifen. Dieses besitzt nun anstelle einer Innenverzahnung die entsprechende Anzahl von Bohrungen zur Aufnahme der Drehzapfen 26.

Die Fig. 6 zeigt das in einem Gehäuse 1 (hier sternförmig) befindliche Triebwerk einer Radialkolbenpumpe, bestehend aus einer Antriebswelle 3 (hier Exzenterwelle), Zwischenelemen­ ten wie Gleitschuhen u. a., hier vereinfacht dargestellt durch den Laufring 27 sowie fünf Kolben 4. Diese führen nacheinander Hubbewegungen aus. In der untersten Stellung jedes Kolben 4 strömt Kraftstoff über die - hier hinter dem Kolben 4 liegende - Einlassbohrung 10 ein. Die Schrägkan­ tensteuerung arbeitet in der schon beschriebenen Weise. Steht die schräge Steuerkante 9 so zur Einlassbohrung 10, dass diese bis zum Hubende nicht verdeckt wird, findet keine Kraftstoffförderung statt. Ist der Kolben 4 so eingestellt, dass schon die Kolbenstirnseite die Einlassbohrung 10 ver­ schließt, wird die volle Kraftstoffmenge über das Auslass­ ventil 8 zum Sammelauslass 11 gefördert. Die einzelnen Aus­ lassventile 8 sind über - hier nicht dargestellte - Zwischenkanäle untereinander und mit dem Sammelauslass 11 verbunden. Der Kraftstoff tritt über die Einlassöffnung 16 in die Pumpe ein, fließt einerseits zu den Einlassbohrungen 10, andererseits über den Gehäusekanal 18 durch das Trieb­ werk zur Auslassöffnung 19. Das Kolben-Verdrehsystem ist er­ findungsgemäß derart gestaltet, dass jeder Kolben 4 zwei an­ gearbeitete, gegenüberliegende Gleitflächen 28 besitzt, an welchen die Zahnsegmente 15 gabelförmig angreifen. Diese sind in Gehäuseschlitzen axial gehalten und stehen mit ihren Außenverzahnungen 12 mit einer Gegenverzahnung 29 des Zahn­ kranzes 14 im Eingriff. Dabei ist die Verzahnung als Kegel­ radverzahnung ausgeführt. Mit Verdrehung des Zahnkranzes 14 werden auf diese Weise alle Kolben 4 im gewünschten Sinne verstellt und die Fördermenge geregelt.

Die Steuereinheit, z. B. auch hier als elektromagnetisches Drehstellwerk 21, ist in die Pumpe vollkommen integriert. Sie ist direkt einerseits mit dem Zahnkranz 14 verbunden und stützt sich andererseits im Gehäuse 1 ab.

Die Fig. 7 zeigt in ergänzender Darstellung das Kolben-Ver­ drehsystem bei der Radialpumpe. Die Kolben 4 mit ihren schrägen Steuerkanten 9 stützen sich über den Laufring 27 auf dem Exzenter der Antriebswelle 3 ab. Die Zahnsegmente 15 greifen gabelförmig an den Gleitflächen 28 an und stehen an­ dererseits mit ihren schrägen Außenverzahnungen 12 mit der Gegenverzahnung 29 des Zahnkranzes 14 im Eingriff.

Die Elemente für die beschriebenen Ausführungen, insbes. die Verstellsysteme für die Fördermenge, sind einfach gestaltet und für eine Massenfertigung geeignet. Bei entsprechender Werkstoffauswahl werden sie sich einschließlich der Verzah­ nungen komplett spanlos fertigen lassen. Entsprechend der Aufgabe der Erfindung kann somit eine hydraulische Verstell­ pumpe ohne zusätzliche feingepasste Elemente oder hubver­ stellende Zwischenglieder auf einfache Weise hergestellt werden.

Die Fig. 8 zeigt ergänzend zu der die Erfindung charakteri­ sierenden Fig. 1 eine weitere besonders vorteilhafte Ausge­ staltung der Erfindung. Jeder Kolben 4 bewegt sich feinge­ passt in einer gesonderten Zylinderbüchse 30. Diese Zylin­ derbüchsen 30 sind im Gehäuse 1 eingesetzt und werden durch einen geschlossenen Druckring 31 mittels Schrauben 32 gegen die Dichtung 33 gepresst und damit hochdruckseitig abgedich­ tet. Durch diese erfindungsgemäßen Mittel kann das Gehäuse 1 stirnseitig geschlossen gehalten werden. Die großen Ein­ schraubungen, wie sie in Fig. 1 auf der Stirnseite darge­ stellt sind und von denen jede für sich gegen Hochdruck ab­ gedichtet sein muss, können entfallen.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Taumelscheibentriebwerk

3

Antriebswelle

4

Kolben

5

Druckfeder

6

Kolbenkopf

7

Druckscheibe

8

Auslassventil

9

Steuerkante

10

Einlassbohrung

11

Sammelauslass

12

Außenverzahnung

13

Innenverzahnung

14

Zahnkranz

15

Zahnsegment

16

Einlassöffnung

17

Zylinderraum

18

Gehäusekanal

49

Auslassöffnung

20

Verstellkolben

21

Drehstellwerk

22

Teilverzahnung

23

Stellring

24

Keilverzahnung

25

Bolzen

26

Drehzapfen

27

Laufring

28

Gleitflächen

Claims (5)

1. Hydraulische Kolbenpumpe, insbesondere für Common-Rail- Einspritzsysteme, mit ringförmig oder sternförmig angeord­ neten Kolben, mit Auslassventilen, die mit geringstmögli­ chem Abstand unmittelbar dem Kolben gegenüber oder dazu senkrecht liegend eingebaut sind, und mit einer Fördermen­ genregelung durch an dem Kolben befindlichen, die Förder­ menge einstellenden schrägen Steuerkanten, dadurch gekennzeichnet,
dass die schrägen Steuerkanten (9) an den Stirnseiten der Kolben (4) angeordnet sind und
dass alle Kolben (4) zugleich und in gleicher Weise verdrehende Mittel vorgesehen sind, derart,
dass bei ringförmig angeordneten Kolben (4) auf den Kolbenköpfen (6) befindliche Außenverzahnungen (12) in eine Innenverzahnung eines verstellbaren Zahnkranzes (14) eingreifen,
oder bei radial angeordneten Kolben (4) gabelförmig gestaltete Zahnsegmente (15) einerseits an Gleitflächen (28) der Kolben (4) angreifen und andererseits über Außenverzahnungen (12) mit einer Gegenverzahnung (29) des Zahnkranzes (14) in Verbindung stehen.

2. Hydraulisch Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kolbenköpfen (6) gesonderte Zahnsegmente (15), welche Außenverzahnungen tragen, aufgesetzt sind.

3. Hydraulische Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung des Zahnkranzes (14) ein elektromagnetisches Drehstellwerk (21) mit direktem Eingriff in eine äußere Teilverzahnung (22) des Zahnkranzes (14) angeordnet ist.

4. Hydraulische Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenköpfe (6) mit Stellringen (23) über Keilverzahnungen (12; 13) drehfest aber axial verschiebbar verbunden sind und an den Stellringen (23) befindliche Bolzen (25) in Drehzapfen (26) in Bohrungen des Zahnkranzes (14) gelagert sind.

5. Hydraulische Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Drehstellwerk (21) in Inneren eines Gehäuses (1) angeordnet und einerseits direkt mit dem Zahnkranz (14) und andererseits mit dem Gehäuse (1) ver­ bunden ist.