EP0881380A1

EP0881380A1 - Hochdruckförderpumpe

Info

Publication number: EP0881380A1
Application number: EP98108103A
Authority: EP
Inventors: Fritz Spinnler
Original assignee: Schweizerische Industrie Gesellschaft
Current assignee: Schweizerische Industrie Gesellschaft
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-04
Publication date: 1998-12-02
Also published as: JPH10331760A; CN1201112A; CA2238916A1

Abstract

Die Hochdruckförderpumpe (14) weist einen Plungerzylinder (26) und einen in diesem hin- und herbewegten zylindrischen Plungerkolben (28) auf. Der Plungerzylinder (26) und der Plungerkolben (28) begrenzen einen Förderraum (24), der bei einem Füllhub (F) des Plungerkolbens (28) über ein Füllventil (34) mit einem Vorratsraum für ein Fördermedium verbindbar ist. Weiter ist der Förderraum (24) bei einem Förderhub (F') des Plungerkolbens (28) über ein Druckventil (42) mit einem Hochdruckraum verbindbar. Der Plungerzylinder (26) ist im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und von einem Druckkörper (44) unter Presspassung umgriffen. Die durch den Druckkörper (44) auf den Plungerzylinder (26) ausgeübte äussere Vorspannung entlastet diesen von hohen Spannungen, wenn die Pumpe extrem hohe Drücke erzeugen soll. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckförderpumpe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Förderpumpen, die nach dem Hubkolben-Prinzip arbeiten und einen inbezug auf den Durchmesser langen Kolben aufweisen, sind geeignet, hohe Drücke zu überwinden und können beispielsweise für die Erzeugung des Einspritzdruckes in einem sogenannten Common-Rail-Einspritzsystem für Dieselmotoren eingesetzt werden.

Hochdruckförderpumpen der gattungsbildenden Art weisen einen von einem Plungerzylinder und einem in diesem hin- und herbewegten zylindrischen Plungerkolben begrenzten Förderraum auf, dessen Volumen durch die Hubbewegung des Plungerkolbens verändert wird. Bei einem Füllhub des Plungerkolbens ist der Förderraum über ein Füllventil mit einem Vorratsraum für ein inkompressibles Fördermedium verbindbar, um den im Volumen sich vergrössernden Förderraum mit dem Fördermedium zu füllen. Im Zuge eines folgenden Förderhubs bei geschlossenem Füllventil steigt der Druck im Förderraum bis ein Druckventil öffnet und dadurch den Förderraum mit einem Hochdruckraum verbindet. Dieser Hochdruckraum ist bei eingangs erwähnten Einspritzsystemen ein Akkumuliervolumen oder das Common-Rail.

Eine gattungsbildende Hochdruckförderpumpe ist in der US-Patentschrift Nr. 5,094,216 offenbart. Auf einen Gehäuseteil, an dem Antriebselemente eines Exzentertriebs für den Plungerkolben gelagert sind, ist ein weiterer, einen Plungerzylinder bildender Gehäuseteil aufgesetzt. Der Plungerzylinder weist einen im wesentlichen kreiszylinderförmigen Durchlass auf, in dem einerseits der Plungerkolben hin- und herbewegbar geführt ist und der andererseits einen im Durchmesser wesentlich grösseren Aufnahmeraum bildet, in den ein Füllventil eingesetzt ist. Weiter weist der Plungerzylinder einen seitlichen Fortsatz auf, der über einen Kanal mit dem Förderraum verbunden ist und in den eine als eigene Baueinheit ausgebildetes Druckventil eingesetzt ist, das andererseits mit dem Common-Rail verbunden ist. Das in seiner Form komplizierte und für eine kostengünstige Herstellung schwer zugangliche, als Plungerzylinder wirkende weitere Gehäuseteil, dürfte bezüglich Belastbarkeit mit extrem hohen Förderdrücken begrenzt sein.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemässe Hochdruckförderpumpe zu schaffen, die sowohl für extrem hohe Förderdrücke geeignet, als auch in der Herstellung der den extrem hohen Förderdrücken ausgesetzten Teilen vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Hochdruckförderpumpe gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Erfindungsgemäss ist der Plungerzylinder im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Zur Erzielung der notwendigen Materialfestigkeit ist der Plungerzylinder aus einem härtbaren Material zu fertigen; durch die Rotationssymmetrie wird der Härteprozess in der Grosserienfertigung auf einfache Art und Weise beherrschbar.

Weiter ist gemäss der Erfindung der Plungerzylinder von einem Druckkörper unter Presspassung umgriffen. Durch die Presspassung bringt der Druckkörper auf den Plungerzylinder an dessen äusserer Peripherie eine Druckspannung auf. Diese als äussere Vorspannung wirkende Druckspannung auf den im wesentlichen rotationssymmetrischen Plungerzylinder entlastet diesen von hohen Spannungen, wenn mit der Hochdruckförderpumpe extrem hohe Drücke im Fördermedium erzeugt werden. Da der Plungerzylinder auch an seiner äusseren Peripherie zylindrisch, vorzugsweise kreiszylinderförmig ausgestaltet ist, kann er auf einfache Art und Weise mit einem gegengleich geformten Druckkörper umgeben werden, indem der Plungerzylinder in den Druckkörper in der Art einer Längs-Presspassung eingepresst oder mit diesem mittels Schrumpfverfahren zur Bildung einer Quer-Presspassung verbunden wird. Die erfindungsgemässe Anordnung von Plungerzylinder und Druckkörper erlaubt für den Druckkörper die Verwendung eines weniger kostspieligen Materials, welches zudem keiner speziellen Wärmebehandlung unterzogen werden muss.

Eine besonders bevorzugte Ausbildungsform der erfindungsgemässen Hochdruckförderpumpe ist im Anspruch 2 definiert. Je höher der mit einer Hochdruckförderpumpe zu erzeugende Druck ist, desto grösser wird die Belastung auf dem Plungerkolben, dem Plungerzylinder und insbesondere auch das Füllventil und das Druckventil. Insbesondere bei diesen Ventilen, die beispielsweise als Pilz- oder Kugelventile ausgebildet sein können, treten mit wachsenden Förderdrücken zunehmend Spannungen im Material im Bereich der Ventilsitze auf. Sind erfindungsgemäss die Ventilsitze am Plungerzylinder ausgebildet, lassen sich diese Spannungen mittels des Druckkörpers reduzieren. Durch die Presspassung wird eine bedeutende Druckspannung, ähnlich einem hydraulischen Druck, auf die äussere Peripherie des Plungerzylinders im Fügebereich mit dem Druckkörper aufgebracht, was zu einem gewünschten Abbau der Materialspitzenbelastungen im Bereich der Ventilsitze beim Betrieb der Hochdruckförderpumpe mit höchsten Förderdrücken führt.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Hochdruckförderpumpe gemäss Anspruch 3 erlaubt bei schonender Behandlung des Plungerzylinders und des Druckkörpers eine einfache und für die Grosserienfertigung geeignete Montage.

Eine besonders einfache Ausbildungsform der erfindungsgemässen Hochdruckförderpumpe mit wenigstens zwei Förderräumen ist im Anspruch 4 definiert.

Bei einer Ausbildungsform der Hochdruckförderpumpe gemäss Anspruch 5 dient der Druckkörper auf einfache Art und Weise zur Befestigung des Plungerzylinders an einem Gehäuseteil, an dem Antriebselemente für den Plungerkolben gelagert sind.

Ein besonders einfacher Aufbau der Hochdruckförderpumpe wird durch die Massnahmen gemäss Anspruch 6 erzielt.

Bei den weiteren besonders bevorzugten Ausbildungsformen der Hochdruckförderpumpe gemäss Anspruch 7 und 8 kann auf eine Hochdruckverbindungsleitung zwischen dem Plungerzylinder und dem Hochdruckraum, gegebenenfalls dem Common-Rail, verzichtet werden. Diese Ausbildungsformen der Hochdruckförderpumpe eignen sich insbesondere bei Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren, bei welchen die Kurbelwelle bzw. Nockenwelle des Verbrennungsmotors parallel zur Antriebswelle der Hochdruckförderpumpe angeordnet ist. In diesem Fall weist der Hochdruckraum bzw. das Common-Rail in bevorzugter Weise zur Kurbel- resp. Nockenwelle parallele Längsrichtung auf.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen rein schematisch:

Fig. 1: teilweise geschnitten eine erste Ausbildungsform einer Hochdruckförderpumpe, die über eine Hochdruckverbindungsleitung mit einem Common-Rail verbunden ist;
Fig. 2: in gleicher Darstellung wie Fig. 1 eine Ausbildungsform der Hochdruckförderpumpe mit darin integriertem Common-Rail; und
Fig. 3: im Querschnitt eine weitere Ausbildungsform der Hochdruckförderpumpe.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Brennstoffeinspritzsystem 12. Dieses weist eine Hochdruckförderpumpe 14 auf, die mittels eines Flansches 16 am Verbrennungsmotor 10 derart befestigt ist, dass die Drehachse 18 ihrer Antriebswelle 20 parallel zu einer strichpunktiert angedeuteten Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 10 verläuft. Die Antriebswelle 20 ist in allgemein bekannter Art und Weise zu ihrem Antrieb mit der Kurbelwelle 22 verbunden.

Die Hochdruckförderpumpe 14 weist beispielsweise zwei Förderräume 24 auf, die von je einem im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Plungerzylinder 26 und einem in diesem hin- und herverschiebbar geführten, schaftartigen, im Querschnitt kreiszylinderförmigen Plungerkolben 28 begrenzt sind. Die Längsachsen 28' der Plungerkolben 28 und somit der Plungerzylinder 26 verlaufen rechtwinklig zur Drehachse 18. Die Plungerzylinder 26 sind in Richtung der Drehachse 18 gesehen in Reihe hintereinander angeordnet. Wie dies anhand der Fig. 1 und 2 geschnitten dargestellten linken Plungerzylinders 26 gezeigt ist, ist der Plungerkolben 28 in einem kreiszylinderförmigen Durchlass 30 des Plungerzylinders 26 über eine Länge geführt, die wesentlich grösser ist als der Durchmesser des Plungerkolbens 28.

Der Durchlass 31 weist in seinem von der Antriebswelle 20 abgewandten Endbereich eine konische Verjüngung auf, die einem am Plungerzylinder 26 angeformten Ventilsitz 32 eines als Kugelventil ausgebildeten Füllventils 34 dient. Die Kugel des Füllventils 34 ist mittels einer an einem Wulst des Plungerzylinders 26 abgestützten Feder gegen den Ventilsitz 32 gedrängt. In Richtung der Längsachse 28' gesehen, ist der Förderraum 24 durch den Plungerkolben 28 und das Füllventil 34 begrenzt.

Vom Förderraum 24 verläuft ein Radialdurchlass bis zur kreiszylinderförmigen Peripherie bzw. Mantelfläche 38 des Plungerzylinders 26. In radialer Richtung gegen aussen gesehen, weist der Radialdurchlass 36 eine konische Erweiterung auf, die als ein am Plungerzylinder 26 angeformter Ventilsitz 40 eines ebenfalls als Kugelventil ausgebildeten Druckventils 42 wirkt. Die Kugel des Druckventils 42 ist ebenfalls mittels einer Feder gegen den Ventilsitz 40 gedrängt.

Die beiden Plungerzylinder 26 sind von einem ihnen gemeinsamen Druckkörper 44 unter Presspassung umgriffen. In Längsrichtung 28' gesehen, überlappen sich die Plungerzylinder 26 und der Druckkörper 44 derart, dass der Förderraum 24 und die Ventilsitze 32, 40 innerhalb des Füge- bzw. Überlappungsbereichs 38 angeordnet sind.

Per Druckkörper 44 weist auf seiner inneren, dem jeweiligen Plungerzylinder 26 zugewandten Seite einen gegen diesen offenen Ringraum 46 auf, in den im montierten Zustand der Radialdurchlass 36 mündet. Der dem in den Fig. 1 und 2 links gezeigten Plungerzylinder 26 zugeordnete Ringraum 46 ist über einen Verbindungskanal 48 im Druckkörper 44 mit dem dem anderen Plungerzylinder 26 zugeordneten Ringraum 46 verbunden, welcher seinerseits über einen ebenfalls am Druckkörper 44 angeformten Auslasskanal 50 verbunden ist. Der Verbindungskanal 48 und der Auslasskanal 50 verlaufen in Linie parallel zur Drehachse 18.

An den Auslasskanal 50 schliesst bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausbildungsform eine Hochdruckverbindungsleitung 52 an, die andernends mit einem einen Druckraum 54 bildenden Common-Rail 56 verbunden ist. Von diesem aus verlaufen zu jedem Injektor 58 des Verbrennungsmotors 10 Verbindungsleitungen 60.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausbildungsform ist das Common-Rail 56' in Form eines rohrartigen Auslegers am Druckkörper 44 angeformt, wobei die Längsachse des rohrartigen Common-Rails mit dem in dieses mündenden Auslasskanals 50 fluchtet. Auch hier verlaufen vom Common-Rail 56' zu Jedem Injektor 58 Verbindungsleitungen 60.

Auf der der Drehachse 18 abgewandten Seite liegen die Stirnseite des Druckkörpers 44 und die Stirnseiten der Plungerzylinder 26 in einer Ebene. In dieser Ebene ist auf den Druckkörper 44 ein Deckelelement 62 aufgesetzt, das über eine Speiseleitung 64 mit einem nur schematisch angedeuteten Vorratsraum 66, beispielsweise einem Treibstofftank, verbunden ist. Im Innern ist das Deckelelement 62 hohl ausgebildet, um die Speiseleitung 64 mit den Durchlässen 30 der beiden Plungerzylinder 26 zu verbinden.

Das Gehäuse 68 der Hochdruckförderpumpe 14 weist einen Gehäuseteil 70 auf, der einerseits am Flansch 16 befestigt ist und an dem andererseits der einen weiteren Gehäuseteil bildende Druckkörper 44, beispielsweise mittels Schrauben 45 (vergl. Fig. 3), befestigt ist. Im Gehäuseteil 70 ist die Antriebswelle 20 mittels Wellenlagern 72 frei drehbar gelagert. Die Welle weist zwei exzentrische Wellenabschnitte 74 auf, die je einem Plungerkolben 28 zugeordnet sind. Auf jedem der Wellenabschnitte 74 sitzt über ein Lager 76 frei drehbar abgestützt ein Ring 76'. Am der Antriebswelle 20 zugewandten Ende weisen die Plungerkolben 28 eine tellerartige Erweiterung 78 auf, an welcher eine Druckfeder 80 abgestützt ist, die sich andernends an einer Schulter 82 des betreffenden Plungerzylinders 26 abstützt. Mittels der Druckfedern 80 werden die Plungerkolben 28 am zugeordneten Ring 76' in Anlage gehalten, so dass sich dieser beim Drehen der Antriebswelle 20 an der Erweiterung 78 abwälzt.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Plungerzylinder 26 mit ihrem über den Druckkörper 44 in Richtung zur Antriebswelle 20 hin vorstehenden Teil in eine entsprechend geformte Ausnehmung 84 im Gehäuseteil 70, gegebenenfalls mit Spiel, eingreifen.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausbildungsform der Hochdruckförderpumpe 14 werden für Teile, die gleichwirkenden Teilen der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausbildungsformen entsprechen, dieselben Bezugszeichen benutzt. Der im wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildete Plungerzylinder 26 ist unter Presspassung vom Druckkörper 44 umgriffen und gehalten. Im in Längsrichtung 28' verlaufenden Durchlass 30 ist der Plungerkolben 28 hin- und herverschiebbar geführt und begrenzt mit dem Plungerzylinder 26 den Förderraum 24. Auf der dem Plungerkolben 28 abgewandten Seite ist der Förderraum 24 durch das Füllventil 34 begrenzt.

Der Förderraum 24 ist über den Radialdurchlass 36, in dem das Druckventil 42 angeordnet ist (siehe Fig. 1 und 2), mit dem Ringraum 46 im Druckkörper 44 verbunden, welcher seinerseits, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, mit dem Druckraum 54 verbunden ist.

Auch bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausbildungsform liegen, in Längsrichtung 28' gesehen, der Förderraum 24 und die Ventilsitze des Füllventils 34 und des Druckventils 42 (nicht sichtbar) innerhalb des Überlappungsbereichs des Druckkörpers 44 und Plungerzylinders 26.

Im nichtmontierten Zustand weist ein kreiszylinderförmiges Durchgangsloch im Druckkörper 44, das zur Aufnahme des Plungerzylinders 26 bestimmt ist, einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Aussendurchmesser des Plungerzylinders 26. Bei der Montage wird dann der Druckkörper 44 durch Fügen in axialer Richtung auf den Plungerzylinder 26 aufgeschrumpft. Es ist auch möglich, anstelle dieser Quer-Presspassung den Plungerzylinder 26 mit dem Druckkörper 44 durch Längs-Presspassung zu verbinden, indem diese Teile ineinander gepresst werden.

Hinsichtlich der Funktionsweise der Hochdruckförderpumpe 14 im Betrieb, wird auf die eingangs genannte US-Patentschrift Nr. 5,094,216 verwiesen. Ausgehend von der Lage, die die Plungerkolben 28 in der Fig. 3 und in den Fig. 1 und 2 im geschnitten gezeigten Plungerzylinder 26 einnehmen, führen die Plungerkolben 28 beim Drehen der Antriebswelle 20 in Pfeilrichtung D (Fig. 3) in Richtung des Pfeiles F einen Füllhub aus. Da dabei die Druckventile 42 geschlossen sind, baut sich im grösser werdenden Förderraum 24 ein Unterdruck auf, so dass die Füllventile 34 öffnen und der Förderraum 24 mit dem inkompressiblen Fördermedium gefüllt wird. An den Füllhub schliesst in Gegenrichtung F' ein Förderhub an, wobei infolge der Verkleinerung des Förderraumes 24 der Druck in diesem ansteigt, solange, bis das Druckventil 42 öffnet, wonach das Fördermedium aus dem Förderraum 24 in den Druckraum 54 des Common-Rails 56, 56' gepumpt wird.

Claims

Hochdruckförderpumpe mit einem von einem Plungerzylinder (26) und einem in diesem hin und her bewegten zylindrischen Plungerkolben (28) begrenzten Förderraum (24), der bei einem Füllhub (F) des Plungerkolbens (28) über ein Füllventil (34) mit einem Vorratsraum (66) für ein Fördermedium und bei einem Förderhub (F') des Plungerkolbens (28) über ein Druckventil (42) mit einem Hochdruckraum (54) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Plungerzylinder (26) im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und von einem Druckkörper (44) unter Presspassung umgriffen ist.
Hochdruckförderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllventil (34) und das Druckventil (42) am Plungerzylinder (26) angeformte Ventilsitze (32,40) aufweisen.
Hochdruckförderpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Presspassung eine Quer-Presspassung ist.
Hochdruckförderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch wenigstens zwei je einem Förderraum (24) zugeordneten Plungerzylinder (26), die von einem ihnen gemeinsamen Druckkörper (44) umgriffen sind.
Hochdruckförderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (44) mittels Befestigungselementen mit einem Gehäuseteil (70), an dem Antriebselemente (20) für den Plungerkolben (28) gelagert sind, verbunden ist, um den bezw. die Plungerzylinder (26) am Gehäuseteil (70) zu befestigen.
Hochdruckförderpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (44) einen weiteren Teil eines Gehäuses (68) bildet.
Hochdruckförderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Hochdruckraum (54) begrenzender Hochdruckbehälter (56), vorzugsweise ein Common-Rail, am Druckkörper (44) befestigt ist.
Hochdruckförderpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Hochdruckraum (54) begrenzender Hochdruckbehälter (56'), vorzugsweise ein Common-Rail, am Druckkörper (44) angeformt ist.