EP1633971A1 - Radialkolbenpumpe zur kraftstoffhochdruckerzeugung bei kraftstoffeinspritzsystemen von brennkraftmaschinen - Google Patents

Radialkolbenpumpe zur kraftstoffhochdruckerzeugung bei kraftstoffeinspritzsystemen von brennkraftmaschinen

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EP1633971A1
EP1633971A1 EP04736393A EP04736393A EP1633971A1 EP 1633971 A1 EP1633971 A1 EP 1633971A1 EP 04736393 A EP04736393 A EP 04736393A EP 04736393 A EP04736393 A EP 04736393A EP 1633971 A1 EP1633971 A1 EP 1633971A1
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EP
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roller
piston
ceramic
pump according
piston pump
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Gerhard Breuer
Claudia Kohler
Franz Rückert
Karl-Heinz Thiemann
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    • F05C2251/10—Hardness

Definitions

  • the invention relates to a radial piston pump for generating high fuel pressure in fuel injection systems of internal combustion engines, in particular in a common rail injection system, with a drive shaft mounted in a pump housing with an eccentric shaft section on which a roller is mounted, and preferably with a plurality of radial ones with respect to the drive shaft Pistons arranged in a respective cylinder, at the ends of which are facing the roller, a piston footplate is arranged, which contacts the peripheral surface of the roller, according to the preamble of claim 1.
  • Such a radial piston pump is known for example from DE 198 09 315 Al.
  • the piston base plate and the roller of the known radial piston pump are usually made of case hardening steel or also ' of tempering steel. Over time, however, these components may experience sliding wear due to adhesion, abrasion or surface disruption. This undesirable wear can lead to a failure of the radial piston pump and thus also to a failure of the internal combustion engine.
  • the present invention is based on the object of further developing a radial piston pump of the type mentioned in such a way that its reliability is increased.
  • the surface of the piston foot plate contacting the peripheral surface of the roller consists of a wear-resistant material, namely of hard metal, of a ceramic material, of a cast carbide material or of cermet, and / or at least part of the roller, in particular at least a part of it
  • a wear-resistant material namely of hard metal, of an investment casting material, of a cast carbide material, of a sintered tool steel or of an alloyed nitriding steel and / or the piston is made of a ceramic material
  • the piston base plate rollers will tend to wear -Grid pairing and the piston-cylinder pairing significantly reduced.
  • the materials mentioned have a significantly higher modulus of elasticity than the steel materials previously used, which results in less deformation under load and consequently also in a more uniform surface pressure without any significant stress peaks.
  • ceramic materials their lower weight plays a role, which results in a low mass inertia of the roller, the piston and the piston foot plate.
  • the roller and / or the piston footplate can be made entirely of the wear-resistant material or these parts consist, as previously, of case-hardening steel or tempering steel and carry at least one insert made of the wear-resistant material.
  • inserts has the advantage of a modular structure, ie that a standardized roller and a standardized piston footplate can each be provided with inserts made of different materials and a large number of pairing variants can thus be generated. Due to the material properties of the wear-resistant materials used, the following pairings are particularly preferred:
  • the roller consists of a hardened and tempered steel and has inserts made of hard metal such as G20, GC37 or GC20 and the piston foot disc consists of ceramic such as Si 3 N 4 ceramic, from hard cast iron such as SoGSH or from Cermet or it has inserts made from the materials mentioned.
  • the roller consists of an investment casting such as GX-210WCrl3 H and the piston base plate made of ceramic such as Si 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20 or cermet or it has inserts made of the materials mentioned.
  • the roller consists of a cast carbide material such as hard cast SoGGH and the piston base plate made of ceramic such as Si 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20 or cermet or it has inserts made of the materials mentioned.
  • the roller consists of sintered tool steel such as ASP23 or an alloyed nitriding steel and the piston base plate made of ceramic such as SI 3 N 4 ceramic, hard metal such as G20, cermet or a cast carbide material such as SoGGH or it has inserts made of the materials mentioned ,
  • the alloyed nitriding steel can contain C and / or Cr and / or V and / or Mo, is gas nitrided and in the contact area with the piston footplate there is no connection layer.
  • the surface of the piston footplate and / or the roller has a roughness depth R z between 0.15 ⁇ m and 2 ⁇ m. More precisely, the ceramic material has a roughness depth R z between 0.15 ⁇ m and 0.5 ⁇ m, the hard metal has a roughness depth R z between 0.3 ⁇ m and 1.0 ⁇ m and the cast carbide material has a roughness depth R z between 0.5 ⁇ m and 2.0 ⁇ m.
  • the roller has at least one transverse groove extending transversely to the direction of movement on its circumferential surface.
  • the piston footplate can also have at least two intersecting grooves on its surface facing the roller. Fuel can accumulate in these grooves, each of which acts as a storage gap, which, due to the sliding movement between the circumferential surface of the roller and the piston foot plate, promotes the formation of a hydrodynamic sliding film, which further reduces wear on the sliding surfaces.
  • the flask preferably consists of an Si 3 N 4 or a ZrO 2 ceramic, is produced by extrusion and has a porosity of less than 5%, the surface being infiltrated with MoS 2 .
  • the piston is extruded and sintered isostatically. This results in a very smooth surface with a low coefficient of friction, which also has a favorable effect on wear behavior.
  • Fig.l is a cross-sectional view of a radial piston pump with a piston foot plate and a drive shaft according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of a piston and a piston base plate according to a further embodiment
  • FIG. 2a shows an enlarged detail from FIG. 2;
  • FIG. 2b shows a further enlarged detail from FIG. 2;
  • FIG. 3 shows a view from below of the piston footplate of FIG. 2; 4 shows a cross-sectional view of a piston
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a drive shaft according to a further embodiment
  • Figure 6 is a view along the line VI-VI of Figure 5;
  • FIG. 7 is a view along the line VII-VII of Fig.6.
  • the radial piston pump 1 shown in Fig.l is preferably used to generate the system pressure for the high pressure accumulator (rail) of a common rail injection system of a self-igniting internal combustion engine. It comprises a drive shaft 4 which is mounted in a pump housing 2 and has an eccentric shaft section 6, on which a polygonal roller 8 which is rotatable relative to the shaft section 6 is received.
  • the polygonal roller 8 has flat flat sections 12 arranged along its circumferential surface 10 with circumferential spacing from one another.
  • a piston 16 which is guided radially in a cylinder 14 to the drive shaft 4 with its piston foot plate 18, is supported on the flat sections 12 of the roller 8.
  • the piston base plate 18 is preferably pivotally connected to the end of the piston 16 facing the drive shaft 4 by means of a spherical bearing 20.
  • the spherical bearing 20 is realized, for example, in that the piston end is designed as a partial ball 22 which engages in a complementarily designed spherical recess 24 in the piston foot plate 18.
  • the piston base plate 18 is biased together with the piston 16 by a spring 26 against the associated flat portion 12 of the roller 8.
  • At least the surface 28 of the piston foot plate 18 contacting the peripheral surface 10 of the roller 8 is made of a wear-resistant material, namely of hard metal, of a ceramic material, of a cast carbide material or of cermet.
  • a wear-resistant material namely of hard metal, of a ceramic material, of a cast carbide material or of cermet.
  • the piston foot plate 18 has at least one, for example, disk-shaped insert 30 made of the wear-resistant material on its surface 28 facing the roller 8.
  • the insert 30 can be connected to the remaining piston foot plate 18 in a form-fitting and / or cohesive manner, for example by gluing or by soldering.
  • the insert 30 can, as shown in Fig.l, extend over the entire contact surface 28 of the piston foot plate 18 with the roller 8 or only over a part of it.
  • the entire piston foot plate 18 can also be made of the wear-resistant material, so that no additional insert 30 is necessary.
  • Hard metals can consist of G20, GC37 or GC20, for example, while the cast carbide material can contain a hard cast material, in particular GGH or SoGGH.
  • the piston 16 itself can be made of wear-resistant material, for example of an Si 3 N 4 or a ZrO 2 ceramic.
  • the piston 16 can be produced by extrusion and have a porosity less than 5%, the surface being infiltrated with MoS 2 .
  • the piston 16 can also be isostatically pressed and sintered.
  • At least part of the roller 8, in particular the flat sections 12, consists of a wear-resistant material, namely of hard metal, of an investment casting material, from a cast carbide material, from a sintered tool steel or from an alloyed nitriding steel.
  • the flat sections 12 are each provided with an insert 32 made of the wear-resistant material, as shown in FIG.
  • an insert 32 is in each case received in a complementarily shaped recess 34 in the flat section 12 in a form-fitting and / or cohesive manner, for example by gluing or by soldering.
  • the entire roller 8 can consist of the wear-resistant material.
  • hard metals are used here, which have low adhesion coefficients.
  • a suitable investment casting material is, for example, GX-210WCrl3 H, for the cast carbide material locally remelted, carbide SoGGH (gradient material) can be used.
  • ASP23 is suitable for sintered tool steel.
  • a nitriding steel specially alloyed by nitriding or gas nitriding with Cr and / or Mo and / or V and / or C is used for a variant with gradient material.
  • the basic elements and the process parameters for nitriding lead to a deep diffusion with hardnesses of HV 750 to 850 and at the same time higher strength of the base material.
  • the connection layer that forms is removed for functional reasons by grinding.
  • the surfaces of the piston foot plate 18 and the roller 8 preferably have a roughness depth R z between 0.15 ⁇ m and 2 ⁇ m on the sliding surfaces, depending on the materials used.
  • the lower limit applies to ceramics, in particular a range from 0.15 ⁇ m to 0.5 ⁇ m upper limit for metals like SoGGH or ASP23.
  • a roughness depth R z between 0.3 ⁇ m and 1 ⁇ m is provided for hard metal.
  • a carbide zone is formed in the area of the flat sections 12 of the castor 8, which is made of a cast steel material and is shown separately in FIG.
  • This carbidic zone is generated either by a targeted solidification rate when casting the roller 8 or by remelting and then preferably forms the gradient material SoGGH.
  • the result is a roller 8, in which a carbide zone 33 is formed in the region of the flat sections 12, while the remaining zones and regions of the roller 8 consist of cast steel with unchanged properties.
  • transverse grooves 36 can be formed in each case in the area of the flat sections 12 of the roller 8, as can best be seen from FIG.
  • the transverse groove 36 is arranged in the center of a depression 29 of the flat section 12 forming a groove outlet.
  • the depression 29 is formed by two planes arranged at an angle with respect to the flat section 12, in the section line of which the transverse groove 36 lies.
  • the sink angle ⁇ of the sink 29 is, for example, less than 15 degrees.
  • the transition from the depression 29 and the flat section 12 is rounded with a radius R 4 of preferably less than or equal to 1 mm.
  • the radius R 4 is generated, for example, by vibratory grinding.
  • the piston base plate 18 is held by a plate holder 38 on the associated piston 16 in the example according to FIG.
  • the piston foot plate 18 has a circular recess 40 on its surface facing the piston 16, into which the crowned end 42 of the piston 16 engages and contacts the bottom of the recess 40.
  • the plate holder 38 is countered on the piston 16 by means of a snap ring 46 which engages in a groove 44 of the piston 16.
  • a complementarily shaped insert 30 made of one of the wear-resistant materials described above is held in a circular recess 48 in the piston foot plate 18, for example by material closure, in particular by soldering.
  • the insert 30 is provided on the edge 31 on its surface 31 facing the roller 8 with an angular outlet 35, the outlet angle ⁇ being approximately 15 degrees.
  • the transition between this surface 31 and the outlet 35 is rounded with a radius R 2 of approximately 2 mm.
  • the transition between the outlet 35 and the edge surface 37 of the insert 30 is also rounded by means of a radius Ri of less than or equal to 1 mm.
  • the inserts 30 of the piston foot plate 18 preferably have at least two intersecting grooves 50, as best shown in FIG. Due to the intersecting arrangement of the grooves 50, there is a high probability that one of the grooves 50 is oriented transversely to the direction of movement with regard to the piston foot plate 18, which is rotatable with respect to the plate holder 38, in order to promote the formation of a hydrodynamic lubricating film.
  • the grooves 50 are preferably created by pressing. Thereby This results in a lower notch effect compared to cutting processes, since the material fibers are not cut.
  • the grooves 50 are each arranged in the center of a depression 39 of the surface 31 forming a groove outlet.
  • the depression is formed by two planes arranged at an angle with respect to the surface 31, in the intersecting line of which the respective groove 50 lies.
  • the sink angle ⁇ of the sink 39 is, for example, 5 degrees.
  • the transition from the depression 39 and the surface 31 is rounded with a radius R 3 of preferably less than or equal to 1 mm.
  • the piston foot plate 18 consists entirely of one of the abrasion-resistant materials mentioned above and is inserted into the through hole 52 of an annular sleeve 54 which is made of steel.
  • the connection between the ring sleeve 54 and the piston foot plate 18 is preferably made by soldering.
  • other possibilities are also conceivable for attaching wear-resistant material to the mutually associated sliding surfaces 12, 28 of the roller 8 and piston foot plate 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe (1) zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4) mit einem exzentrischen Wellenabschnitt (6), auf welchem eine Laufrolle (8) gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinder (14) angeordneten Kolben (16), an deren der Laufrolle (8) zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfussplatte (18) angeordnet ist, welche die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktiert. Die Erfindung sieht vor, dass zumindest die die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktierende Fläche (28) der Kolbenfussplatte (18) aus einem verschleissfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht, und/oder dass zumindest ein Teil der Laufrolle (8), insbesondere wenigstens ein Teil der Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) aus einem verschleissfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem Feingussmaterial, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl besteht und/oder dass der Kolben (16) aus einem keramischen Werkstoff besteht.

Description

DaimlerChrysler AG
Radialkolbenputnpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei KraftstoffeinspritzSystemen von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung geht aus von einer Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail- Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Antriebswelle mit einem exzentrischen Wellenabschnitt, auf welchem eine Laufrolle gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle radial in einem jeweiligen Zylinder angeordneten Kolben, an deren der Laufrolle zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte angeordnet ist, welche die Umfangsflache der Laufrolle kontaktiert, gemäß der Gattung von Anspruch 1.
Eine solche Radialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der DE 198 09 315 Al bekannt. Die Kolbenfußplatte und die Laufrolle der bekannten Radialkolbenpumpe bestehen in der Regel aus Einsatzstahl oder auch' aus Vergütungsstahl. Mit der Zeit kann es jedoch an diesen Bauteilen zu Gleitverschleiß aufgrund von Adhäsion, Abrasion oder Oberflächenzerrüttung kommen. Dieser unerwünschte Verschleiß kann zu einem Ausfall der Radialkolbenpumpe und damit auch zu einem Ausfall der Brennkraftmaschine führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass ihre Zuverlässigkeit erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst . Indem erstmalig zumindest die die Umfangsflache der Laufrolle kontaktierende Fläche der Kolbenfußplatte aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht, und/oder zumindest ein Teil der Laufrolle, insbesondere wenigstens ein Teil der Umfangsflache der Laufrolle aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem Feingussmaterial, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl besteht und/oder der Kolben aus einem keramischen Werkstoff besteht, wird die Verschleißneigung der Kolbenfußplatten- Laufrollen-Gleitpaarung sowie der Kolben-Zylinder-Paarung entscheidend reduziert. Die genannten Werkstoffe weisen gegenüber den bisher verwendeten Stahlwerkstoffen einen signifikant höheren E-Modul auf, was in geringeren Verformungen bei Belastung und folglich auch in einer gleichmäßigeren Flächenpressung ohne nennenswerte Spannungsspitzen resultiert. Beim Einsatz von keramischen Werkstoffen spielt vor allem deren geringeres Gewicht eine Rolle, was in einer geringen Massenträgheit der Laufrolle, des Kolbens und der Kolbenfußplatte resultiert .
Dabei kann die Laufrolle und/oder die Kolbenfußplatte vollständig aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein oder diese Teile bestehen wie bisher aus Einsatzstahl oder Vergütungsstahl und tragen wenigstens einen Einsatz aus dem verschleißfesten Material. Die Verwendung von Einsätzen bringt den Vorteil eines modularen Aufbaus, d.h. dass eine standardisierte Laufrolle und eine standardisierte Kolbenfußplatte jeweils mit Einsätzen aus verschiedenem Material versehen werden können und somit eine Vielzahl von Paarungsvarianten erzeugbar ist. Aufgrund der Werkstoffeigenschaften der verwendeten verschleißfesten Materialien sind die folgenden Gleitpaarungen besonders zu bevorzugen:
Die Laufrolle besteht aus einem Vergütungsstahl und weist Einsätze aus Hartmetall wie G20, GC37 oder GC20 auf und die Kolbenfußscheibe besteht aus Keramik wie Si3N4- Keramik, aus Schalenhartguss wie SoGSH oder aus Cermet oder sie weist Einsätze aus den genannten Materialien auf.
Die Laufrolle besteht aus einem Feinguss wie GX-210WCrl3 H und die Kolbenfußscheibe aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20 oder aus Cermet oder sie weist Einsätze aus den genannten Materialien auf.
Die Laufrolle besteht aus einem gegossen karbidischen Werkstoff wie Schalenhartguss SoGGH und die Kolbenfußscheibe aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20 oder aus Cermet oder sie weist Einsätze aus den genannten Materialien auf.
Die Laufrolle besteht aus gesintertem Werkzeugstahl wie ASP23 oder aus einem legierten Nitrierstahl und die Kolbenfußscheibe aus Keramik wie SI3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20, aus Cermet oder aus einem gegossen karbidischen Werkstoff wie SoGGH oder sie weist Einsätze aus den genannten Materialien auf. Der legierte Nitrierstahl kann C und/oder Cr und/oder V und/oder Mo enthalten, ist gasnitriert und im Kontaktbereich mit der Kolbenfußplatte verbindungsschichtfrei .
Eine weitere Maßnahme sieht vor, dass die Oberfläche der Kolbenfußplatte und/oder der Laufrolle eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 2 μm aufweist. Genauer hat der keramische Werkstoff eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 0,5 μm, das Hartmetall eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,3 μm und 1,0 μm und der gegossen karbidische Werkstoff eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,5 μm und 2,0 μm. Besonders bevorzugt weist die Laufrolle auf ihrer Umfangsflache wenigstens eine sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckende Quernut auf. Zusätzlich kann auch die Kolbenfußplatte auf ihrer der Laufrolle zugewandten Fläche wenigstens zwei sich kreuzende Nuten aufweisen. In diesen jeweils als Stauspalt wirkenden Nuten kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitbewegung zwischen der Umfangsflache der Laufrolle und der Kolbenfußplatte die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen weiter reduziert wird.
Nicht zuletzt besteht der Kolben vorzugsweise aus einer Si3N4- oder einer ZrO2-Keramik, wird durch Strangpressen hergestellt und weist eine Porosität kleiner als 5% auf, wobei die Oberfläche mit MoS2 infiltriert ist. Insbesondere wird der Kolben isostatisch stranggepresst und gesintert. Hieraus ergibt sich eine sehr glatte Oberfläche mit niedrigem Reibkoeffizienten, was sich ebenfalls günstig auf das Verschleißverhalten auswirkt .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . In den Zeichnungen zeigt :
Fig.l eine Querschnittsdarstellung einer Radialkolbenpumpe mit einer Kolbenfußplatte und einer Antriebswelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig.2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Kolbens und einer Kolbenfußplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig.2a einen vergrößerten Ausschnitt von Fig.2;
Fig.2b einen weiteren vergrößerten Ausschnitt von Fig.2;
Fig.3 eine Ansicht von unten auf die Kolbenfußplatte von Fig.2; Fig.4 eine Querschnittsdarstellung eines Kolbens mit
Kolbenfußplatte und einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig.5 eine Querschnittsdarstellung einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig.6 eine Ansicht entlang der Linie VI-VI von Fig.5;
Fig.7 eine Ansicht entlang der Linie VII-VII von Fig.6.
Die in Fig.l gezeigte Radialkolbenpumpe 1 dient bevorzugt zur Erzeugung des Systemdrucks für den Hochdruckspeicher (Rail) eines Common-Rail-Einspritzsystems einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Sie umfasst eine in einem Pumpengehäuse 2 gelagerte Antriebswelle 4 mit einem exzentrischen Wellenabschnitt 6, auf welchem eine polygonförmige , gegenüber dem Wellenabschnitt 6 drehbare Laufrolle 8 aufgenommen ist. Die polygonförmige Laufrolle 8 weist entlang ihrer Umfangsflache 10 mit Umfangsabstand zueinander angeordnete, ebene Flachabschnitte 12 auf .
An den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 stützt sich jeweils ein in einem Zylinder 14 zur Antriebswelle 4 radial geführter Kolben 16 mit seiner Kolbenfußplatte 18 ab. Die Kolbenfußplatte 18 ist vorzugsweise mittels eines sphärischen Lagers 20 mit dem zur Antriebswelle 4 weisenden Ende des Kolbens 16 schwenkbar verbunden. Das sphärische Lager 20 ist beispielsweise dadurch realisiert, dass das Kolbenende als Teilkugel 22 ausgebildet ist, welche in eine komplementär ausgebildete sphärische Ausnehmung 24 in der Kolbenfußplatte 18 eingreift. Darüber hinaus wird die Kolbenfußplatte 18 zusammen mit dem Kolben 16 durch eine Feder 26 gegen den zugeordneten Flachabschnitt 12 der Laufrolle 8 vorgespannt. Die Funktionsweise einer solchen Radialkolbenpumpe 1 ist beispielsweise in der DE 198 02 475 Al beschrieben, deshalb soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
Zumindest die die Umfangsflache 10 der Laufrolle 8 kontaktierende Fläche 28 der Kolbenfußplatte 18 besteht aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet . Dies ist vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Kolbenfußplatte 18 auf ihrer zur Laufrolle 8 weisenden Fläche 28 wenigstens einen beispielsweise scheibenförmigen Einsatz 30 aus dem verschleißfesten Material aufweist. Der Einsatz 30 kann mit der restlichen Kolbenfußplatte 18 form- und/oder Stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Kleben oder durch Löten. Der Einsatz 30 kann sich, wie in Fig.l gezeigt ist, über die gesamte Kontaktfläche 28 der Kolbenfußplatte 18 mit der Laufrolle 8 oder auch nur über einen Teil von ihr erstrecken. Alternativ kann auch die gesamte Kolbenfußplatte 18 aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein, so dass kein zusätzlicher Einsatz 30 nötig ist.
Bei Verwendung eines keramischen Werkstoffs für die Kolbenfußplatte 18 enthält dieser vorzugsweise Siliziumnitrit Si3N4. Hartmetalle können beispielsweise aus G20, GC37 oder GC20 bestehen, während der gegossen karbidische Werkstoff ein Hartgussmaterial, insbesondere GGH oder SoGGH beinhalten kann.
Ferner kann der Kolben 16 selbst aus verschleißfestem Material gefertigt sein, beispielsweise aus einer Si3N4- oder einer ZrO2- Keramik. Der Kolben 16 kann durch Strangpressen hergestellt sein und eine Porosität kleiner als 5% aufweisen, wobei die Oberfläche mit MoS2 infiltriert ist. Alternativ kann der Kolben 16 auch isostatisch gepresst und gesintert sein.
Nicht zuletzt besteht auch zumindest ein Teil der Laufrolle 8, insbesondere die Flachabschnitte 12 aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem Feingussmaterial, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl .
Analog wie bei der Kolbenfußplatte 18 ist dies vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Flachabschnitte 12 mit je einem Einsatz 32 aus dem verschleißfesten Material versehen sind, wie Fig.l zeigt. Ein solcher Einsatz 32 ist jeweils in einer komplementär geformten Ausnehmung 34 in dem Flachabschnitt 12 form- und/oder stoffschlüssig aufgenommen, beispielsweise durch Kleben oder durch Löten. Alternativ kann die gesamte Laufrolle 8 aus dem verschleißfesten Material bestehen.
Bei Verwendung von Hartmetall für die Einsätze 32 bzw. für die Laufrolle 8 selbst kommt ein besonders verschleißfestes Hartmetall mit einer Vickers-Härte von mindestens HV 1100 und einer Risszähigkeit KiC >= 10 MPa/m3'2 mit Bindergehalten von 12 bis 20 % in Frage, besonders bevorzugt G20, GC37 oder GC20. Hier werden insbesondere Hartmetalle eingesetzt, die geringe Adhäsionskoeffizienten aufweisen. Einen geeigneten Feingusswerkstoff bildet beispielsweise GX-210WCrl3 H, für den gegossen karbidischen Werkstoff kommt lokal umgeschmolzenes, karbidisches SoGGH (Gradientenwerkstoff) in Frage. Bei dem gesinterten Werkzeugstahl eignet sich ASP23. Ein speziell durch Nitrieren oder Gasnitrieren mit Cr und/oder Mo und/oder V und/oder C legierter Nitrierstahl wird für eine Variante mit Gradientenwerkstoff eingesetzt. Die Basiselemente und die Prozessparameter beim Nitrieren führen zu einer tiefen Diffusion mit Härten von HV 750 bis 850 bei gleichzeitiger höherer Festigkeit des Basiswerkstoffs. Die sich dabei ausbildende Verbindungsschicht wird aus Funktionsgründen durch Schleifen entfernt. Die Oberflächen der Kolbenfußplatte 18 und der Laufrolle 8 weisen auf den Gleitflächen vorzugsweise eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 2 μm auf, abhängig von den verwendeten Materialien. Dabei gilt die untere Grenze für Keramik, insbesondere ein Bereich von 0,15 μm bis 0,5 μm, die obere Grenze für Metalle wie SoGGH oder ASP23. Für Hartmetall ist eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,3 μm und 1 μm vorgesehen.
In nachfolgenden Tabelle sind zu bevorzugende Material- Paarungen der Kolbenfußplatte 18 einerseits und der Laufrolle 8 andererseits aufgeführt. Falls sowohl in der Laufrolle 8 als auch in der Kolbenfußplatte 18 Einsätze verwendet werden, sind beliebige Kombinationen von Materialpaarungen bei jeweils unveränderten Trägerkόrpern möglich. Insbesondere können bei den Paarungen in der Tabelle, in welchen die Laufrolle 8 vorzugsweise insgesamt aus dem verschleißfesten Material besteht („VollmaterialΛΛ) alternativ auch Einsätze 32 aus dem entsprechenden Material im Bereich der Flachabschnitte 12 verwendet werden, wie es bereits in Fig.l gezeigt ist. Die Laufrolle 8 als Trägerkörper für die Einsätze 32 kann dann aus einem anderen Material bestehen, beispielsweise aus 50Cr4, aus 42CrV4 oder aus 16MnCr5. Eine besondere Rolle kommt dem Ausführungsbeispiel in der 3. Zeile in der Tabelle zu. In diesem Fall wird im Bereich der Flachabschnitte 12 der aus einem Stahlgusswerkstoff bestehenden und in Fig.5 separat dargestellten Laufrolle 8 jeweils eine karbidische Zone ausgebildet. Diese karbidische Zone wird entweder durch eine gezielte Erstarrungsgeschwindigkeit beim Gießen der Laufrolle 8 oder durch Umschmelzen erzeugt und bildet dann vorzugsweise den Gradientenwerkstoff SoGGH aus. Ergebnis ist folglich eine Laufrolle 8, bei welcher im Bereich der Flachabschnitte 12 eine karbidische Zone 33 ausgebildet ist, während die restlichen Zonen und Bereiche der Laufrolle 8 aus Stahlguss mit unveränderten Eigenschaften bestehen.
Tabelle: Bevorzugte Materialpaarungen
Im Bereich der Flachabschnitte 12 der Laufrolle 8 können jeweils eine oder mehrere Quernuten 36 ausgebildet sein, wie am besten anhand von Fig.6 zu sehen ist. Wie aus Fig.7 hervorgeht, ist die Quernut 36 im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke 29 des Flachabschnitts 12 angeordnet. Die Senke 29 wird durch zwei in Bezug zum Flachabschnitt 12 winkelig angeordnete Ebenen gebildet, in deren Schnittlinie die Quernut 36 liegt. Der Senkenwinkel γ der Senke 29 ist beispielsweise kleiner als 15 Grad. Der Übergang von der Senke 29 und dem Flachabschnitt 12 ist mit einem Radius R4 von vorzugsweise kleiner gleich 1 mm verrundet. Der Radius R4 wird beispielsweise durch Gleitschleifen erzeugt. In dieser als Stauspalt wirkenden Quernut 36 bzw. Senke 29 kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitgeschwindigkeit zwischen den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 und der Kolbenfußplatte 18 die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen reduziert wird.
Bei den in den Fig.2 bis Fig.4 gezeigten Ausführungsformen sind die gegenüber dem Beispiel von Fig.l gleichbleibenden und gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zu diesem wird beim Beispiel gemäß Fig.2 die Kolbenfußplatte 18 von einem Plattenhalter 38 an dem zugehörigen Kolben 16 gehalten. Die Kolbenfußplatte 18 weist an ihrer dem Kolben 16 zugewandten Fläche eine kreisförmige Ausnehmung 40 auf, in welche das ballig geformte Ende 42 des Kolbens 16 eingreift und den Boden der Ausnehmung 40 kontaktiert. Der Plattenhalter 38 wird am Kolben 16 mittels eines in eine Nut 44 des Kolbens 16 eingreifenden Sprengrings 46 gekontert. In einer kreisförmigen Ausnehmung 48 in der Kolbenfußplatte 18 ist ein komplementär geformter Einsatz 30 aus einem der oben beschriebenen verschleißfesten Materialien gehalten, beispielsweise durch StoffSchluss, insbesondere durch Löten. Wie aus Fig.2a hervorgeht, ist der Einsatz 30 auf seiner zur Laufrolle 8 weisenden Fläche 31 randseitig mit einem winkeligen Auslauf 35 versehen, wobei der Auslaufwinkel α ca. 15 Grad beträgt. Weiterhin ist der Übergang zwischen dieser Fläche 31 und dem Auslauf 35 mit einem Radius R2 von ca. 2 mm verrundet . Mittels eines Radius Ri von kleiner gleich 1 mm ist auch der Übergang zwischen dem Auslauf 35 und der Randfläche 37 des Einsatzes 30 verrundet.
Analog zu den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 weisen die Einsätze 30 der Kolbenfußplatte 18 vorzugsweise wenigstens zwei sich kreuzende Nuten 50 auf, wie am besten Fig.3 zeigt. Aufgrund der sich kreuzenden Anordnung der Nuten 50 ist die Wahrscheinlichkeit hoch dafür, dass im Hinblick auf die in Bezug zum Plattenhalter 38 drehbare Kolbenfußplatte 18 eine der Nuten 50 quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, um die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms zu fördern. Die Nuten 50 werden vorzugsweise durch Einpressen erzeugt. Dadurch ergibt sich eine geringere Kerbwirkung verglichen mit spanabhebenden Verfahren, da die Werkstofffasern nicht durchtrennt werden. Wie aus Fig.2b hervorgeht, sind die Nuten 50 jeweils im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke 39 der Fläche 31 angeordnet. Die Senke wird durch zwei in Bezug zur Fläche 31 winkelig angeordnete Ebenen gebildet, in deren Schnittlinie die jeweilige Nut 50 liegt. Der Senkenwinkel ß der Senke 39 beträgt beispielsweise 5 Grad. Der Übergang von der Senke 39 und der Fläche 31 ist mit einem Radius R3 von vorzugsweise kleiner gleich 1 mm verrundet .
Beim Ausführungsbeispiel von Fig.4 besteht die Kolbenfußplatte 18 vollständig aus einem der oben erwähnten, verschleißfesten Materialien und ist in das Durchgangsloch 52 einer Ringbüchse 54 eingesetzt, welche aus Stahl besteht. Die Verbindung zwischen der Ringbüchse 54 und der Kolbenfußplatte 18 ist vorzugsweise durch Löten hergestellt. Selbstverständlich sind darüber hinaus weitere Möglichkeiten denkbar, um verschleißfestes Material an den einander zugeordneten Gleitflächen 12, 28 der Laufrolle 8 und Kolbenfußplatte 18 anzubringen.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Radialkolbenpumpe (1) zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4) mit einem exzentrischen Wellenabschnitt (6) , auf welchem eine Laufrolle (8) gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinder (14) angeordneten Kolben (16) , an deren der Laufrolle
(8) zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte (18) angeordnet ist, welche die Umfangsflache (10, 12) der Laufrolle
( 8) kontaktiert , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die die Umfangsflache (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktierende Fläche (28, 31) der Kolbenfußplatte (18) aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht, und/oder dass zumindest ein Teil der Laufrolle (8) , insbesondere wenigstens ein Teil der Umfangsflache (10, 12) der Laufrolle (8) aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem Feingussmaterial, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl besteht, und/oder dass der Kolben (16) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
2. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ dass die Laufrolle (8) auf ihrer Umfangsflache (10, 12) und/oder die Kolbenfußplatte (18) auf ihrer der Laufrolle (8) zugewandten Fläche (31) wenigstens einen Einsatz (30, 32) aus dem jeweiligen verschleißfesten Material aufweist.
3. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrolle (8) aus einem Vergütungsstahl besteht und Einsätze (32) aus Hartmetall wie G20, GC37 oder GC20 aufweist und dass die Kolbenfußscheibe (18) aus Keramik wie Si3N4- Keramik, aus Schalenhartguss wie SoGGH oder aus Cermet besteht oder Einsätze (30) aus den genannten Materialien aufweist.
4. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrolle (8) aus einem Feingussmaterial wie GX-210WCrl3 H besteht und dass die Kolbenfußscheibe (18) aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20 oder aus Cermet besteht oder Einsätze (30) aus den genannten Materialien aufweist.
5. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrolle (8) aus einem gegossen karbidischen Werkstoff wie Schalenhartguss SoGGH besteht und dass die Kolbenfußscheibe (18) aus Keramik wie Si3N4. -Keramik, aus Hartmetall wie G20 oder aus Cermet besteht oder Einsätze (30) aus den genannten Materialien aufweist.
6. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrolle (8) aus gesintertem Werkzeugstahl wie ASP23 oder aus einem legierten Nitrierstahl besteht und dass die Kolbenfußscheibe (18) aus Keramik wie Si3N4-Keramik, aus Hartmetall wie G20, aus Cermet oder aus einem gegossen karbidischen Werkstoff wie SoGGH besteht oder Einsätze (30) aus den genannten Materialien aufweist.
7. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der legierte Nitrierstahl C und/oder Cr und/oder V und/oder Mo enthält, gasnitriert und im Kontaktbereich mit der Kolbenfußplatte (18) verbindungsschichtfrei ist.
8. Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrolle (8) an ihrer Umfangsflache (10, 12) wenigstens eine sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckende Quernut (36) aufweist .
9. Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfußplatte (18) auf ihrer der Laufrolle (8) zugewandten Fläche (31) wenigstens zwei sich kreuzende Nuten (50) aufweist.
10. Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kolbenfußplatte (18) und/oder der Laufrolle (8) eine Rauhtiefe Rz zwischen 0,15 μm und 2 μm aufweist.
11. Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus einer Si3N4- oder einer ZrO2-Keramik besteht.
12. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) durch Strangpressen hergestellt ist und eine Porosität kleiner als 5% aufweist, wobei die Oberfläche mit MoS2 infiltriert ist.
13. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) isostatisch stranggepresst und gesintert ist.
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