EP1314882B1 - Hochdruckpumpe - Google Patents

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EP1314882B1
EP1314882B1 EP02020978A EP02020978A EP1314882B1 EP 1314882 B1 EP1314882 B1 EP 1314882B1 EP 02020978 A EP02020978 A EP 02020978A EP 02020978 A EP02020978 A EP 02020978A EP 1314882 B1 EP1314882 B1 EP 1314882B1
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EP
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piston
pressure pump
driveshaft
section
recess
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EP02020978A
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Gerd Blessing
Franz Huber
Günter Kellermann
Walter Modrich
Bernd Wiemann
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Mercedes Benz Group AG
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Daimler AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/02—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type
    • F02M59/04—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by special arrangement of cylinders with respect to piston-driving shaft, e.g. arranged parallel to that shaft or swash-plate type pumps
    • F02M59/06—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by special arrangement of cylinders with respect to piston-driving shaft, e.g. arranged parallel to that shaft or swash-plate type pumps with cylinders arranged radially to driving shaft, e.g. in V or star arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
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    • F02M59/10—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps of reciprocating-piston or reciprocating-cylinder type characterised by the piston-drive
    • F02M59/102—Mechanical drive, e.g. tappets or cams
    • 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
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    • F04B1/0404—Details or component parts
    • F04B1/0426—Arrangements for pressing the pistons against the actuated cam; Arrangements for connecting the pistons to the actuated cam

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure pump for fuel supply of fuel injection systems for internal combustion engines, in particular of common rail injection systems, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • a pump element for a piston pump for fuel high pressure generation in fuel injection systems of internal combustion engines in which a bearing surface of a piston and a recess of a piston attached to the plate form a substantially flat contact zone. This can prevent the plate from performing a tilting movement.
  • a generic high-pressure pump is from the WO 99/37916 A1 or the US 6,077,056 known. Further high-pressure pumps are from the MTZ 58 (1997) p. 572 or the DE 197 56 087 A1 known.
  • the principal mode of action of these high-pressure pumps is very well suited to operating according to the common rail principle internal combustion engines, but the special construction does not guarantee a perfect function in all operating conditions, so that it may well damage the high-pressure pump and possibly even damage the internal combustion engine can come.
  • high-pressure pump 1 The basic structure of in Fig. 1 shown high-pressure pump 1 is from the DE 197 56 087 A1 known, which is why in the following only briefly on the principle of operation of the same is discussed. In addition, not all components required for the function of the high pressure pump 1 are shown. This is also on the DE 197 56 087 A1 directed.
  • the high-pressure pump 1 has a drive shaft 2, which is provided for driving in the present case three mutually offset by 120 ° piston 3. Since the high-pressure pump 1 is designed to be symmetrical, the following also applies to the other two pistons 3 for one of the three pistons 3. In this connection, it is of course possible to have a larger or a smaller number of pistons 3 on the circumference of the drive shaft 2 to install.
  • the pistons 3 are provided for the compression of fuel, which is then supplied to a high-pressure accumulator, not shown.
  • the high pressure pump 1 is used for fuel supply of a fuel injection system, not shown, for a likewise not shown internal combustion engine, in particular for a common rail injection system, which also in the DE 197 56 087 A1 is described.
  • the drive shaft 2 can be driven for example by a crank mechanism of the internal combustion engine.
  • a connection of the drive shaft 2 directly with a camshaft of the internal combustion engine or a completely separate drive the same is conceivable.
  • the drive shaft 2 In the region in which the drive shaft 2 is in operative connection with the piston 3, it is eccentric, ie it has an eccentric shaft portion 2a.
  • the shaft portion 2a is provided at its periphery with a so-called polygon ring 4, which in the present case has three flats 5 which are in direct contact with the piston 3.
  • the polygon ring 4 has a number of flats 5 corresponding to the number of pistons 3.
  • the polygon ring 4 is rotatable relative to the drive shaft 2 and brings in this way a force acting in the radial direction of the piston 3, whereby they perform an oscillating movement successively.
  • piston plates 6 are arranged between the piston 3 and the drive shaft 2 and the polygon ring 4, respectively, which have a recess 7 in which a first portion 8 of the piston 3 is mounted.
  • the piston plates 6 guide the polygon ring 4 during its movement.
  • Each piston 3 is further associated with a spring element 9, which serves to return the respective piston 3.
  • the piston 3 has, in addition to the section 8 connected to the polygon ring 4, further piston sections 10, 11 and 12.
  • the high-pressure pump 1 then works optimally when each piston 3 is exactly perpendicular to the associated piston plate 6 and is not tilted. Due to the free mobility of the polygon ring 4 in operation, however, such tilting may well occur and can not always be prevented, as it is Fig. 2 shows. For this reason, the portion 8 of the piston 3 mounted in the recess 7 and thus also the recess 7 itself have a larger diameter than the subsequent portion 10 of the piston 3.
  • the diameter of the section 8 depends on the loads to which the high-pressure pump 1 is exposed. Furthermore, created by this enlarged diameter of the section 8, a circumferential projection 13 on which a bracket 14 is supported, which serves as an assembly aid for the Piston plate 6 serves with the piston 3 and in Fig. 1 not shown.
  • the recess 7 facing portion 8 of the piston 3 is provided with a radius 15, which is generally 10 to 50 times the diameter of the section 8. In this way it is achieved that in a possible tilting of the piston 3 relative to the polygon ring 4, the piston 3 returns faster to its normal position, since the restoring force is greater.
  • the radius should be less than 45 times the diameter of section 8 to achieve this effect.
  • the radius 15 is shown greatly enlarged.
  • the diameter of the piston 3 is in a range between 8 - 10 mm and the radius 15 is about 200 mm, so that the radius 15 is approximately 20 to 25 times the diameter of the piston 3, which the practice is very well suited.
  • the radius 15 is also larger.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung von Kraftstoffeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Common-Rail-Einspritzsystemen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten WO 03/042534 A2 ist ein Pumpenelement für eine Kolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei welcher eine Auflagefläche eines Kolbens und eine Vertiefung einer an dem Kolben angebrachten Platte eine im wesentlichen ebene Kontaktzone bilden. Dadurch kann verhindert werden, dass die Platte eine Kippbewegung ausführt.
  • Eine gattungsgemäße Hochdruckpumpe ist aus der WO 99/37916 A1 oder der US 6,077,056 bekannt. Weitere Hochdruckpumpen sind aus der MTZ 58 (1997) S. 572 bzw. der DE 197 56 087 A1 bekannt. Die prinzipielle Wirkungsweise dieser Hochdruckpumpen ist für nach dem Common-Rail-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschinen sehr gut geeignet, die spezielle Konstruktion derselben gewährleistet jedoch nicht in allen Betriebszuständen eine einwandfreie Funktion, so dass es durchaus zu Beschädigungen der Hochdruckpumpe und in Folge dessen eventuell sogar zu Beschädigungen der Brennkraftmaschine kommen kann.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffversorgung von Kraftstoffeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen zu schaffen, welche eine sehr hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aufweist und dabei die Vorteile der prinzipiellen Wirkungsweise gattungsgemäßer Hochdruckpumpen beibehält.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Vergrößerung des in der Aussparung der Kolbenplatte untergebrachten Abschnitts des Kolbens gegenüber dem restlichen Teil des Kolbens werden im Betrieb der Hochdruckpumpe auftretende Verkippungen der Kolbenplatte ge-Hochdruckpumpe auftretende Verkippungen der Kolbenplatte gegenüber dem Kolben sehr viel besser aufgenommen, was insgesamt zu einer erheblich geringeren Verkippung des Kolbens führt. Dies ermöglicht einen bezüglich auftretender Störungen erheblich verbesserten Betrieb der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe und lässt des weiteren eine Vergrößerung des möglichen Betriebsbereiches der Hochdruckpumpe zu.
  • Dadurch, dass der Radius des der Aussparung zugewandten Abschnittes des Kolbens das 10- bis 50-fache des Durchmessers des Abschnittes beträgt und damit erheblich geringer ist als bisher, ergibt sich auch hierdurch eine geringere Möglichkeit zur Verkippung des Kolbens, was die bereits oben erwähnten Vorteile mit sich bringt.
  • In der Praxis hat sich eine Kombination dieser beiden Lösungen als besonders vorteilhaft bezüglich der Zuverlässigkeit und des möglichen Betriebsbereiches der Hochdruckpumpe erwiesen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen Teil der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe; und
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung der Hochdruckpumpe aus Fig. 1.
  • Der prinzipielle Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Hochdruckpumpe 1 ist aus der DE 197 56 087 A1 bekannt, weshalb im folgenden nur kurz auf die prinzipielle Wirkungsweise derselben eingegangen wird. Außerdem sind nicht alle zur Funktion der Hochdruckpumpe 1 erforderlichen Bauteile dargestellt. Hierzu wird ebenfalls auf die DE 197 56 087 A1 verwiesen.
  • Die Hochdruckpumpe 1 weist eine Antriebswelle 2 auf, die zum Antrieb von im vorliegenden Fall drei um 120° zueinander versetzte Kolben 3 vorgesehen ist. Da die Hochdruckpumpe 1 symmetrisch ausgeführt ist, gilt das im folgenden für einen der drei Kolben 3 erläuterte auch für die anderen beiden Kolben 3. In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich möglich, am Umfang der Antriebswelle 2 eine größere oder auch eine geringere Anzahl an Kolben 3 anzubringen.
  • Die Kolben 3 sind zur Verdichtung von Kraftstoff vorgesehen, der anschließend einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher zugeführt wird. Die Hochdruckpumpe 1 dient zur Kraftstoffversorgung eines nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzsystems für eine ebenfalls nicht dargestellte Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, welches ebenfalls in der DE 197 56 087 A1 beschrieben ist.
  • Die Antriebswelle 2 kann beispielsweise von einem Kurbeltrieb der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Alternativ ist auch eine Verbindung der Antriebswelle 2 unmittelbar mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine oder ein vollkommen separater Antrieb derselben denkbar.
  • In demjenigen Bereich, in dem die Antriebswelle 2 mit den Kolben 3 in Wirkverbindung steht, ist sie exzentrisch ausgebildet, d.h. sie weist einen exzentrischen Wellenabschnitt 2a auf. Der Wellenabschnitt 2a ist an seinem Umfang mit einem sogenannten Polygonring 4 versehen, der im vorliegenden Fall drei Abflachungen 5 aufweist, die unmittelbar mit den Kolben 3 in Kontakt stehen. Allgemein weist der Polygonring 4 eine der Anzahl der Kolben 3 entsprechende Anzahl an Abflachungen 5 auf. Der Polygonring 4 ist gegenüber der Antriebswelle 2 verdrehbar und bringt auf diese Weise eine in radialer Richtung wirkende Kraft auf die Kolben 3 auf, wodurch diese nacheinander eine oszillierende Bewegung ausführen.
  • Wie in der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 besser erkennbar ist, sind zwischen den Kolben 3 und der Antriebswelle 2 bzw. dem Polygonring 4 jeweils Kolbenplatten 6 angeordnet, die eine Aussparung 7 aufweisen, in der ein erster Abschnitt 8 des Kolbens 3 gelagert ist. Die Kolbenplatten 6 führen den Polygonring 4 bei seiner Bewegung. Jedem Kolben 3 ist des weiteren ein Federelement 9 zugeordnet, der zur Rückstellung des jeweiligen Kolbens 3 dient.
  • Der Kolben 3 weist neben dem mit dem Polygonring 4 in Verbindung stehenden Abschnitt 8 weitere Kolbenabschnitte 10, 11 und 12 auf. Hierbei legt der größte Durchmesser des Kolbens 3, also derjenige des Kolbenabschnitts 12, das Fördervolumen der Hochdruckpumpe 1 bei einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Hub fest.
  • Die Hochdruckpumpe 1 arbeitet dann optimal, wenn jeder Kolben 3 genau senkrecht zu der zugehörigen Kolbenplatte 6 steht und nicht verkippt ist. Durch die freie Beweglichkeit des Polygonrings 4 im Betrieb kann eine solche Verkippung allerdings durchaus auftreten und ist nicht immer zu verhindern, wie dies auch Fig. 2 zeigt. Aus diesem Grund weisen der in der Aussparung 7 gelagerte Abschnitt 8 des Kolbens 3 und somit auch die Aussparung 7 selbst einen größeren Durchmesser als der nachfolgende Abschnitt 10 des Kolbens 3 auf.
  • Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass der Punkt, an dem die Kraft von der Kolbenplatte 6 auf den Kolben 3 übertragen wird, in jeder Winkellage des Kolbens 3 auf demselben liegt. Hierdurch ergibt sich in jedem Betriebszustand eine sichere Übertragung der Bewegung des Polygonrings 4 auf die Kolben 3. Der Durchmesser des Abschnittes 8 hängt dabei von den Belastungen ab, denen die Hochdruckpumpe 1 ausgesetzt ist. Des weiteren entsteht durch diesen vergrößerten Durchmesser des Abschnitts 8 ein umlaufender Vorsprung 13, an dem sich eine Klammer 14 abstützt, die als Montagehilfe für die Kolbenplatte 6 mit dem Kolben 3 dient und in Fig. 1 nicht dargestellt ist.
  • Des weiteren ist der der Aussparung 7 zugewandte Abschnitt 8 des Kolbens 3 mit einem Radius 15 versehen, der im allgemeinen das 10- bis 50-fache des Durchmessers des Abschnitts 8 beträgt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem eventuellen Verkippen der Kolben 3 gegenüber dem Polygonring 4 der Kolben 3 schneller in seine Grundstellung zurückkehrt, da die Rückstellkraft hierfür größer ist. Im allgemeinen sollte der Radius weniger als das 45-fache des Durchmessers des Abschnitts 8 betragen, um diese Wirkung zu erreichen. In Fig. 2 ist der Radius 15 allerdings stark vergrößert dargestellt.
  • Im vorliegenden Fall liegt der Durchmesser des Kolbens 3 in einem Bereich zwischen 8 - 10 mm und der Radius 15 beträgt ca. 200 mm, so dass der Radius 15 ca. das 20- bis 25-fache des Durchmessers des Kolbens 3 beträgt, was für die Praxis sehr gut geeignet ist. Wenn der Durchmesser des Abschnitts 8 größer ist, ist folglich auch der Radius 15 größer.

Claims (4)

  1. Hochdruckpumpe (1) zur Kraftstoffversorgung von Kraftstoffeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Common-Rail-Einspritzsystemen, mit einer Antriebswelle (2) und mit wenigstens zwei von der Antriebswelle (2) bewegbaren Kolben (3) zur Verdichtung des Kraftstoffes, wobei zwischen der Antriebswelle (2) und den wenigstens zwei Kolben (3) jeweils eine Kolbenplatte (6) angeordnet ist, die eine Aussparung (7) aufweist, in der ein Abschnitt (8) des Kolbens (3) kippbar gelagert ist, wobei die Aussparung (7) und der der Aussparung (7) zugewandte Abschnitt (8) des Kolbens (3) einen größeren Querschnitt aufweisen als ein nachfolgender, von der Kolbenplatte (6) abgewandter Abschnitt (10) des Kolbens (3), der der Aussparung (7) zugewandte Abschnitt (8) des Kolbens (3) an seiner der Kolbenplatte (6) zugewandten Seite einen Radius (15) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Radius (15) das 10- bis 50-fache des Durchmessers des Abschnittes (8) beträgt.
  2. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchmesser des Kolbens (3) zwischen 8 - 10 mm beträgt.
  3. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Antriebswelle (2) in demjenigen Bereich, in dem sie mit den Kolben (3) in Wirkverbindung steht, exzentrisch ausgebildet ist.
  4. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Antriebswelle (2) in demjenigen Bereich, in dem sie mit den Kolben (3) in Wirkverbindung steht, mit einem Ring (4) versehen ist, der eine der Anzahl der Kolben (3) entsprechende Anzahl an Abflachungen (5) aufweist.
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Publication Number Publication Date
EP1314882A1 EP1314882A1 (de) 2003-05-28
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