EP1301708B1 - Radialkolbenpumpe - Google Patents

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EP1301708B1
EP1301708B1 EP01951390A EP01951390A EP1301708B1 EP 1301708 B1 EP1301708 B1 EP 1301708B1 EP 01951390 A EP01951390 A EP 01951390A EP 01951390 A EP01951390 A EP 01951390A EP 1301708 B1 EP1301708 B1 EP 1301708B1
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EP
European Patent Office
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fuel
piston pump
surface area
high pressure
drive shaft
Prior art date
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EP01951390A
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English (en)
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EP1301708A1 (de
Inventor
Kurt Frank
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/0404—Details or component parts
    • F04B1/0408—Pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/0404—Details or component parts
    • F04B1/0421—Cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/02—Packing the free space between cylinders and pistons

Definitions

  • the invention relates to a radial piston pump for high-pressure fuel generation in fuel injection systems of internal combustion engines, in particular in a common rail injection system, having a drive shaft mounted in a housing, which has an eccentrically shaped shaft portion, with preferably a plurality of respect to the drive shaft radially in a respective element bore down. and movable piston cooperates to draw fuel and pressurize in a high pressure area with high pressure.
  • the raceways of the pistons and the element bores must on the one hand be very smooth and have a uniform surface.
  • a certain amount of the medium to be compressed as a lubricant on the surfaces adhere, which requires a certain surface roughness.
  • This roughness is to the disadvantage of the supporting portion of the surface, ie not the entire lateral surface of the piston and element bores can be effectively used as a raceway.
  • the surface roughness also limits the dimensional and dimensional accuracy to be achieved. This limitation means that certain minimum games can not be exceeded, which in turn reduces the efficiency of the radial piston pump. This effect is all the stronger, the higher the pressure in the radial piston pump.
  • the object of the invention is to increase the efficiency and the life of the known radial piston pump.
  • raceways formed on the piston skirt surface and in the element bore can be made very smooth and dimensionally accurate in the radial piston pump according to the invention. As a result, very small games can be realized, especially at high pressures because of the low
  • Gap losses leads to a good efficiency of the radial piston pump.
  • the smooth surfaces would prevent sufficient lubrication during operation of the radial piston pump and lead to seizure.
  • the targeted structuring of the surface of the piston and / or the element bores has the function of lubrication pockets and lubrication channels.
  • the structuring may e.g. targeted by a laser.
  • the lubricant introduced into the surface distributes the lubricating medium during operation to the lubrication points on the raceways to be supplied.
  • the structuring serves as a reservoir for the lubricating medium.
  • paired lubrication channels of different lengths each having two arms arranged at right angles to each other, wherein the one arm in axial Direction and the other arm is arranged in the circumferential direction of the respective lateral surface, a particularly good distribution of the lubricant over the surface to be lubricated is achieved.
  • the structure may be formed by a plurality of axially extending channels arranged in groups and communicating with each other through circumferentially extending channels.
  • Direction over the number of axially extending channels can be varied.
  • the flow resistance is also u.a. depending on the parameters channel shape, channel cross section and channel length. By a suitable choice of these parameters, the lubricant supply can be designed as needed.
  • the radial piston pump according to the invention is used in particular in common rail injection systems for supplying fuel to diesel engines.
  • common rail means as much as common line or common rail.
  • injection nozzles in common-rail injection systems are fed from a common line.
  • Such a radial piston pump is shown for example in Figures 4 to 6 of DE 198 47 044 A1 shown.
  • the radial piston pump shown there comprises a drive shaft mounted in a pump housing with an eccentrically formed shaft section. On the eccentric shaft portion, a ring is provided, against which the eccentric shaft portion is rotatable. The ring comprises three each flattened by 120 ° flats, against each of which a piston is supported. The pistons are each reciprocated in an element bore to the drive shaft in the radial direction and each limit a cylinder space.
  • a plate is mounted by a plate holder, which abuts against the corresponding flattening of the ring.
  • the plate holder is secured by a snap ring on the piston.
  • the radial piston pump is used to pressurize fuel, which is supplied by a prefeed pump from a tank, with high pressure.
  • the fuel is preferably diesel fuel.
  • the high pressure diesel fuel is then delivered to the common rail mentioned above.
  • the pistons are moved away from the axis of the drive shaft as a result of the eccentric movement of the ring.
  • the pistons move radially toward the axis of the drive shaft to suck fuel into the cylinder chambers.
  • the suction stroke of the pistons is achieved by a spring which is biased against the plate holder or the plate.
  • FIG. 1 shows an unclaimed development of the lateral surface of a piston.
  • 1 is the high pressure side and 2 denotes the low pressure side of the radial piston pump.
  • the settlement of the piston skirt surface is designated overall by 3.
  • a plurality of circumferentially extending lubrication channels 4, 5, 6, 7 and 8 are arranged parallel zueiander.
  • the lubrication channels are spaced closer together than to the low pressure side 2.
  • the individual lubrication channels are not connected to each other and are connected in parallel.
  • an element bore 20 is shown in section in perspective.
  • a plurality of circumferentially extending lubrication channels 4, 5, 6, 7 and 8 are formed.
  • FIG. 3 shows a development of the piston skirt surface of a piston according to a first embodiment of the invention.
  • ten lubrication channels 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 and 18 are in a group summarized.
  • the lubrication channels 9 to 18 are L-shaped.
  • one leg of an L-shaped lubrication channel in the circumferential direction and the other leg is arranged in the axial direction.
  • two lubrication channels with the same length legs in the axial direction are arranged in pairs to each other so that the legs are facing each other in the circumferential direction.
  • a respective T-shaped lubrication channel 24 is disposed in the vicinity of the high pressure side 1.
  • the T-shaped lubrication channel 24 is bordered by two L-shaped lubrication channels 25 and 26.
  • the axially extending lubrication channels 27 are cut by a plurality of circumferentially extending lubrication channels. In Figure 4, one of these extending in the circumferential direction of the lubricating channels is designated by way of example by 28.
  • the introduced by laser lubrication channels are not continuous in the axial direction.
  • the lubrication channels are interrupted in order to keep the gap losses and leakage flows as low as possible.
  • the lubrication channels may, as shown in Figures 3 and 4, form regular patterns, but may also be arranged irregularly.

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  • Reciprocating Pumps (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, die einen exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt aufweist, der mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle radial in einer jeweiligen Elementbohrung hin- und herbewegbaren Kolben zusammenwirkt, um Kraftstoff anzusaugen und in einem Hochdruckbereich mit Hochdruck zu beaufschlagen.
  • Aus der DE 198 47 044 A1 ist eine gattungsmäßge Radialkolbenpumpe bekannt. Bei der bekannten Radialkolbenpumpe ist in der äußeren Mantelfläche der Kolben in Umfangsrichtung eine Ringnut angebracht, die mit mehreren axial angeordneten Kanälen in Verbindung steht. Die makroskopischen Kanäle dienen dazu, die Kolben jeweils in der zugehörigen Elementbohrung "hydraulisch" auszurichten. Diese makroskopischen Kanäle stehen im Betrieb mit einem drucklosen Leckagerückführkanal in Verbindung.
  • In der EP 0 967 384 A2 wird ein Pumpenkolben beschrieben, dessen Oberfläche parallele in Umfangsrichtung des Kolbens oder kreuzweise zueinenander verlaufende Nuten aufweist.
  • Die Laufbahnen der Kolben und der Elementbohrungen müssen einerseits sehr glatt sein und eine gleichmäßige Oberfläche aufweisen. Andererseits soll auch eine gewisse Menge des zu verdichtenden Mediums als Schmierstoff an den Oberflächen haften, was eine gewisse Oberflächenrauigkeit voraussetzt. Diese Rauigkeit geht zu Ungunsten des Traganteils der Oberfläche, d.h. nicht die gesamte Mantelfläche der Kolben und Elementbohrungen kann als Laufbahn effektiv genutzt werden. Durch die Oberflächenrauigkeit wird auch die zu erreichende Form- und Maßgenauigkeit begrenzt. Diese Begrenzung führt dazu, dass bestimmte Mindestspiele nicht unterschritten werden können, was wiederum den Wirkungsgrad der Radialkolbenpumpe herabsetzt. Dieser Effekt wirkt sich umso stärker aus, je höher der Druck in der Radialkolbenpumpe wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der bekannten Radialkolbenpumpe zu erhöhen.
  • Die Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen Radialkolbenpumpe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die an der Kolbenmantelfläche und in der Elementbohrung gebildeten Laufbahnen können bei der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe sehr glatt und formgenau ausgeführt werden. Dadurch können sehr kleine Spiele realisiert werden, was speziell bei hohen Drücken wegen der geringen
  • Spaltverluste zu einem guten Wirkungsgrad der Radialkolbenpumpe führt. Die glatten Oberflächen würden jedoch im Betrieb der Radialkolbenpumpe eine ausreichende Schmierung verhindern und zu Kolbenfressern führen. Die gezielte Strukturierung der Oberfläche der Kolben und/oder der Elementbohrungen hat die Funktion von Schmiertaschen und Schmierkanälen. Die Strukturierung kann z.B. mit Hilfe eines Lasers gezielt eingebracht werden. Über die in die Oberfläche eingebrachte Struktur wird das Schmiermedium im Betrieb auf die zu versorgenden Schmierstellen an den Laufbahnen verteilt. Gleichzeitig dient die Strukturierung als Reservoir für das Schmiermedium.
  • Wenn die Struktur von paarweisen angeordneten Schmierkanälen unterschiedlicher Länge gebildet wird, die jeweils zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Arme aufweisen, wobei der eine Arm in axialer Richtung und der andere Arm in Umfangsrichtung der jeweiligen Mantelfläche angeordnet ist, wird eine besonders gute Verteilung des Schmiermittels über die zu schmierende Fläche erreicht.
  • Alternativ kann die Struktur von einer Vielzahl in axialer Richtung verlaufender Kanäle gebildet werden, die gruppenweise angeordnet sind und durch in Umfangsrichtung verlaufende Kanäle miteinander in Verbindung stehen. Bei dieser Art Hintereinanderschaltung kann der Strömungswiderstand in axialer. Richtung über die Anzahl der in axialer Richtung verlaufenden Kanäle variiert werden. Durch zusätzliche Verbindungskanäle in Umfangsrichtung kann die Schmierung in bestimmten Bereichen gezielt verbessert werden. Der Strömungswiderstand ist außerdem u.a. abhängig von den Parametern Kanalform, Kanalquerschnitt und Kanallänge. Durch eine geeignete Wahl dieser Parameter kann die Schmierstoffzufuhr bedarfsgerecht ausgelegt werden.
    • Zeichnung
  • In der Zeichnung zeigt:
    • Figur 1
    eine nicht beanspruchte Abwicklung einer Mantelfläche eines Kolbens;
    Figur 2
    eine perspektivische Schnittdarstellung einer nicht beanspruchte Elementbohrung;
    Figur 3
    einen Abschnitt der Abwicklung einer Kolbenmantelfläche gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
    Figur 4
    einen Abschnitt der Abwicklung einer Kolbenmantelfläche gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe wird insbesondere in Common-Rail-Einspritzsystemen zur Kraftstoffversorgung von Dieselmotoren eingesetzt. Dabei bedeutet Common-Rail soviel wie gemeinsame Leitung oder gemeinsame Schiene. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochdruckeinspritzsystemen, in denen der Kraftstoff über getrennte Leitungen zu den einzelnen Brennräumen gefördert wird, werden die Einspritzdüsen in Common-Rail-Einspritzsystemen aus einer gemeinsamen Leitung gespeist.
  • Eine solche Radialkolbenpumpe ist z.B. in den Figuren 4 bis 6 der DE 198 47 044 A1 dargestellt. Die dort gezeigte Radialkolbenpumpe umfasst eine in einem Pumpengehäuse gelagerte Antriebswelle mit einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt. Auf dem exzentrischen Wellenabschnitt ist ein Ring vorgesehen, gegenüber dem der exzentrische Wellenabschnitt drehbar ist. Der Ring umfasst drei jeweils um 120° zueiander versetzte Abflachungen, gegen die sich jeweils ein Kolben abstützt. Die Kolben sind jeweils in einer Elementbohrung zur Antriebswelle in radialer Richtung hin- und herbewegbar aufgenommen und begrenzen jeweils einen Zylinderraum.
  • Am Fuß eines jeden Kolbens ist durch einen Plattenhalter eine Platte angebracht, die an der zugehörigen Abflachung des Rings anliegt. Dabei ist der Plattenhalter durch einen Sprengring an dem Kolben befestigt. Die Radialkolbenpumpe dient dazu, Kraftstoff, der von einer Vorförderpumpe aus einem Tank geliefert wird, mit Hochdruck zu beaufschlagen.
  • Bei dem Kraftstoff handelt es sich vorzugsweise um Dieselkraftstoff. Der mit Hochdruck beaufschlagte Dieselkraftstoff wird dann in die oben angesprochene gemeinsame Leitung gefördert.
  • Im Förderhub werden die Kolben in Folge der Exzenterbewegung des Rings von der Achse der Antriebswelle weg bewegt. Im Saughub bewegen sich die Kolben radial auf die Achse der Antriebswelle zu, um Kraftstoff in die Zylinderräume zu saugen. Die Saughubbewegung der Kolben wird durch eine Feder erreicht, die gegen den Plattenhalter bzw. die Platte vorgespannt ist.
  • In Figur 1 sieht man eine nicht beanspruchte Abwicklung der Mantelfläche eines Kolbens. Mit 1 ist die Hochdruckseite und mit 2 die Niederdruckseite der Radialkolbenpumpe bezeichnet. Die Abwicklung der Kolbenmantelfläche ist insgesamt mit 3 bezeichnet. In der Kolbenmantelfläche sind mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Schmierkanäle 4, 5, 6, 7 und 8 parallel zueiander angeordnet. Zur Hochdruckseite 1 hin sind die Schmierkanäle dichter zueinander beabstandet als zur Niederdruckseite 2 hin. Die einzelnen Schmierkanäle stehen untereinander nicht in Verbindung und sind praktisch parallel geschaltet.
  • In Figur 2 ist eine Elementbohrung 20 im Schnitt perspektivisch dargestellt. An der inneren Umfangsfläche der Elementbohrung 20 sind mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Schmierkanäle 4, 5, 6, 7 und 8 ausgebildet.
  • In Figur 3 ist eine Abwicklung der Kolbenmantelfläche eines Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform sind jeweils zehn Schmierkanäle 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 18 in einer Gruppe zusammengefasst. Die Schmierkanäle 9 bis 18 sind L-förmig ausgebildet. Dabei ist jeweils der eine Schenkel eines L-förmigen Schmierkanals in Umfangsrichtung und der andere Schenkel in axialer Richtung angeordnet. Jeweils zwei Schmierkanäle mit gleich langen Schenkeln in axialer Richtung sind paarweise so zueinander angeordnet, dass die Schenkel in Umfangsrichtung einander zugewandt sind.
  • Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist jeweils ein T-förmig ausgebildeter Schmierkanal 24 in der Nähe der Hochdruckseite 1 angeordnet. Dabei ist die Mittelachse des T-förmigen Schmierkanals zur Hochdruckseite 1 hin gewandt. Der T-förmige Schmierkanal 24 wird von zwei L-förmigen Schmierkanälen 25 und 26 eingefasst. Von den in Umfangsrichtung angeordneten Schenkel der L-förmigen Schmierkanäle 25 und 26 gehen in axialer Richtung mehrere Schmierkanäle 27 aus. Die in axialer Richtung verlaufende Schmierkanäle 27 werden von mehreren in Umfangsrichtung verlaufenden Schmierkanälen geschnitten. In Figur 4 ist einer dieser in Umfangsrichtung verlaufenden Schmierkanäle beispielhaft mit 28 bezeichnet. Von den in Umfangsrichtung verlaufenden Schmierkanälen gehen wiederum mehrere in axialer Richtung verlaufende Schmierkanäle aus, von denen in Figur 4 einer beispielhaft mit 29 bezeichnet ist. Im Anschluss an diese in axialer Richtung verlaufenden Schmierkanäle sind wiederum in Umfangsrichtung verlaufende Schmierkanäle 30 angeordnet. Darauf folgen in axialer Richtung ausgerichtete Schmierkanäle 31 und in Umfangsrichtung ausgerichtete Schmierkanäle 32.
  • Die mittels Laser eingebrachten Schmierkanäle sind in axialer Richtung nicht durchgehend. Die Schmierkanäle sind unterbrochen, um die Spaltverluste und Leckströmungen so gering wie möglich zu halten. Die Schmierkanäle können, wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, regelmäßige Muster bilden, können aber auch unregelmäßig angeordnet sein.

Claims (2)

  1. Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, die einen exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt aufweist, der mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle radial in einer jeweiligen Elementbohrung hin- und herbewegbaren Kolben zusammenwirkt, um Kraftstoff anzusaugen und in einem Hochdruckbereich mit Hochdruck zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass in der äußeren Mantelfläche (3) der Kolben und/oder der inneren Mantelfläche (20) der Elementbohrung eine Struktur im µm-Bereich ausgebildet ist, dass die Struktur von paarweise angeordneten Schmierkanälen (9 bis 18) unterschiedlicher Länge gebildet wird, die jeweils zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Arme aufweisen, wobei der eine Arm in axialer Richtung und der andere Arm in Umfangsrichtung der jeweiligen Mantelfläche angeordnet ist.
  2. Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle, die einen exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt aufweist, der mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle radial in einer jeweiligen Elementbohrung hin- und herbewegbaren Kolben zusammenwirkt, um Kraftstoff anzusaugen und in einem Hochdruckbereich mit Hochdruck zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass in der äußeren Mantelfläche (3) der Kolben und/oder der inneren Mantelfläche (20) der Elementbohrung eine Struktur im µm-Bereich ausgebildet ist, und dass die Struktur von einer Vielzahl in axialer Richtung verlaufender Kanäle (27, 29, 31) gebildet wird, die gruppenweise angeordnet sind und durch in Umfangsrichtung verlaufende Kanäle (28, 30, 32) miteinander in Verbindung stehen.
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