WO2005017343A1 - Kraftstoff-einspritzpumpe - Google Patents

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Christian Rabanus
Horst Steinbinder
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    • F02M57/022—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure pump for a fuel injection system of a diesel engine, which is provided with a pressure-piston unit with a convex-concave paired end faces of the two parts of the unit and in which the end face of one of the parts has an annular contact surface.
  • a low-pressure system ensures that the fuel is conveyed from the tank to the actual high-pressure injection, as explained, for example, by van Basshuysen and Schwarzfer in the "Manual Combustion Engine", Vieweg-Verlag Braunschweig / Wiesbaden 2002.
  • the high-pressure system is essentially due to the actual high-pressure pump Characteristic
  • the required high pressure and thus the injection power is generated exclusively by piston pumps, whereby single-cylinder axial piston pumps can be used which are able to generate pressures of more than 1,000 bar with long-term stability and, if necessary, to dose the required quantities.
  • the high-pressure-generating pump element and the injection valve form a structural unit.
  • the pump piston is driven by the engine's own overhead camshaft, on which special injection cams are arranged, the movements of which can be transferred from a rocker arm to the pump piston of a pump-nozzle unit.
  • Such a system enables the highest injection pressures in diesel engines.
  • the injection pressure level is currently just over 2,000 to 2,500 bar.
  • the system is used for both car engines and commercial vehicles.
  • the arrangement of the pump-nozzle element in the cylinder head requires a redesign of the cylinder head with integrated fuel supply and removal, as well as a particularly stiff and resilient drive of the camshaft.
  • a high-pressure pump of the type mentioned at the outset which has a plurality of pressure plates as pressure pieces.
  • Each side of the pressure plate lies against a flat surface of a tripod ring, which acts as a drive element.
  • the pressure plate has a contact surface for a radial piston.
  • the contact surface has a conical or a Gothic profile.
  • the piston crown is spherical, so that there is an annular surface contact between it and the conical or Gothic arched surface.
  • the invention has for its object to provide a high pressure pump for fuel injection, which has an optimized pressure distribution in the pressure piece and the piston in their contact area, so that the Hertzian pressures and internal stresses are reduced compared to those of known high pressure pumps.
  • a high pressure pump for fuel injection which has an optimized pressure distribution in the pressure piece and the piston in their contact area, so that the Hertzian pressures and internal stresses are reduced compared to those of known high pressure pumps.
  • by shifting the central pressure point in the concave end face onto an annular load-bearing pressure area better access for lubricating oil to the pressure area is to be provided, so that wear can also be reduced thereby.
  • the high-pressure pump is an injector operating according to the pump injector system (unit injector system), in which the pressure piece is designed as a ball pin with a spherical end face, which is in contact with its annular contact surface the pump piston of the injector, which is designed with a spherical end face, is arranged axially adjacent.
  • the pump injector system unit injector system
  • the ball pin with a pin axis and the pump piston with a piston axis can each have a circular cylindrical shape.
  • a central plane surface determined by a circular diameter and an annular contact surface, which is delimited by an inner diameter and an outer diameter, can be arranged concentrically with its bolt axis.
  • An annular contact surface of the ball pin has a circle with an average diameter; each straight line through the circular line and the center of the ball of the end face can be arranged at an acute angle to the boizen axis.
  • the ring-shaped contact surface of the ball pin corresponds to an ring-shaped contact surface of the pump piston, which is formed within its spherical end face.
  • the geometrical design of the spherical cap of the pump piston and the hemisphere of the ball pin forms an annular pressure surface, which leads to a reduction in Hertzian pressure. Building on this, there is an improved stress distribution in the calotte and a reduction in deformation with improved lubricating film build-up. The result is a reduction in wear.
  • Figure 1 shows a ball pin of a pressure piece-piston unit according to the invention in side view
  • Figure 2 shows a pump piston of the pressure piece-piston unit according to the invention in side view
  • Figure 3 shows the ball pin according to Figure 1 in an enlarged view
  • FIG. 4 shows an injector according to the prior art, schematically in an axial section. Detailed description of the drawing
  • FIG. 4 An injector from Robert Bosch GmbH for a car engine is shown in FIG. 4. It relates to a current series solution for low system pressure with a ball-ball connection between a cylindrical pump piston 1 and a ball pin supported on the end face.
  • the pump piston is arranged displaceably in the bore of a pump body 2 along its piston axis.
  • the pump body 2 is located in a cylinder head 3 of a diesel engine and has an injection nozzle 5 with a nozzle needle 6 and its needle seat 7 in the area of a combustion chamber 4 of the engine.
  • the pump piston 1 protrudes from the pump body 2 out. It is supported here with a concave end face 8 on a convex end face 9 of the ball pin 10.
  • a rocker arm 12 acted upon by a camshaft 1 periodically displaces the piston pin 10 and the pump piston 1 towards the pump body 2, while a return spring 13 periodically moves the pump piston 1 out of the pump body 2.
  • FIGS. 1 to 3 The connection between a pump piston 14 and a ball pin 15 of an injector according to the invention can be seen in FIGS. 1 to 3.
  • the cylindrical pump piston 14 with its piston axis 16 has a spherical end face 17 on one end face, against which the cylindrical ball pin 15 having a pin axis 18 abuts in the installed state with an end face and is here provided with a spherical end face 19 for this purpose , which fits into the dome shape 17 of the pump piston 14.
  • the geometric design is chosen such that the center M of the ball end face 19 with the ball diameter 23 lies on the pin axis 18.
  • An average diameter 24 defines a circle on the contact surface of the end face 19.
  • Each straight line 25 running through this circular line and the center point M forms an acute angle ⁇ with the pin axis 18.
  • Diameter 20 of the flat surface ⁇ 1.0 mm
  • diameter of the spherical cap 9.96 mm

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Abstract

Eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem eines Dieselmotors, welche mit einer Druckstück-Kolben-Einheit mit konvex-konkav gepaarten Stirnflächen (19) der beiden Teile der Einheit versehen ist, und bei welcher jeweils die Stirnfläche (19) eines der Teile eine ringförmige Berührungsfläche aufweist, ist erfindungsgemäß ein nach dem Pumpe-Düse-System arbeitender Injektor, in welchem das Druckstück als Kugelbolzen (15) mit einer kugelförmigen Stirnfläche (19) ausgebildet ist, der mit seiner ringförmigen Berührungsfläche an dem mit einer kalottenförmigen Stirnfläche ausgebildeten Pumpenkolben des Injektors axial anliegend angeordnet ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung Kraftstoff-Einspritzpumpe
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem eines Dieselmotors, welche mit einer Druckstück-Kolben-Einheit mit konvexkonkav gepaarten Stirnflächen der beiden Teile der Einheit versehen ist und bei welcher jeweils die Stirnfläche eines der Teile eine ringförmige Berührungsfläche aufweist.
Hintergrund de Erfindung
Bei Dieseleinspritzvorrichtungen sorgt ein Niederdrucksystem dafür, daß der Kraftstoff vom Tank zur eigentlichen Hochdruckeinspritzung gefördert wird, wie es beispielsweise van Basshuysen und Schäfer im „Handbuch Verbrennungsmotor", Vieweg-Verlag Braunschweig/Wiesbaden 2002, erläutern. Das Hochdrucksystem ist im Wesentlichen durch die eigentliche Hochdruckpumpe cha- rakterisierb Der erforderliche Hochdruck und damit die Einspritzleistung wird ausschließlich durch Kolbenpumpen erzeugt. Dabei können einzylindrige Axialkolbenpumpen zum Einsatz kommen, welche in der Lage sind, Drücke von mehr als 1.000 bar langzeitstabil zu erzeugen und ggf. auch die erforderlichen Mengen zu dosieren.
Bei der sogenannten Pumpe-Düse-Einheit (PDE), auch als Unit-Injector- System (UIS) oder Electronic-Unit-Injector (EUI) bezeichnet, bilden das hochdruckerzeugende Pumpenelement und das Einspritzventil eine Baueinheit. Der Antrieb des Pumpenkolbens erfolgt über die motoreigene, oben liegende Nockenwelle, auf der spezielle Einspritznocken angeordnet sind, deren Bewegungen jeweils von einem Kipphebel auf den Pumpenkolben einer Pumpe-Düse- Einheit übertragen werden kann. Ein solches System ermöglicht die höchsten Einspritzdrücke bei Dieselmotoren. Das Einspritzdruckniveau liegt derzeit bei knapp über 2.000 bis 2.500 bar. Das System kommt sowohl bei PKW-Motoren, als auch bei Nutzfahrzeugen zum Einsatz. Die Anordnung des Pumpe-Düse- Elements im Zylinderkopf erfordert eine Neukonstruktion des Zylinderkopfes mit integrierter Kraftstoffzu- und -abführung, sowie einen besonders steifen und belastungsfähigen Antrieb der Nockenwelle.
Aus der Druckschrift DE 100 44 997 A1 ist eine Hochdruckpumpe der eingangs genannten Art bekannt, die als Druckstücke mehrere Druckplatten aufweist. Jede Druckplatte liegt mit einer Seite an einer ebenen Fläche eines Tripode- ringes an, der als Antriebsglied wirkt. An der anderen Seite weist die Druckplatte eine Anlagefläche für einen Radialkolben auf Die Anlagefläche hat ein kegeliges oder ein gotisches Profil. Der Kolbenboden ist ballig ausgeführt, so daß zwischen ihm und der kegeligen oder gotisch gewölbten Fläche ein ringflä- chenförmiger Kontakt besteht.
Bei der Übertragung der über eine Nockenwelle bzw. einen Kipphebel aufgebrachten Kraft zur Komprimierung des Kraftstoffes im Injektor können starker Verschleiß und Fresser an der Kontaktstelle zwischen dem Druckstück und dem Kolben auftreten, die als Kugel-Kalotten-Verbindung ausgeführt sein kann. Die Ursachen für den Verschleiß liegen darin, daß durch die Höhe der eingeleiteten Kraft sehr hohe Flächenpressungen zwischen der kugelförmigen Kalotte und der Halbkugel des Druckstücks auftreten. Infolge einer Kugel-Kalotteπ- Verbindung kommt es zu einer punktförmigen Lastverteilung, die sich ungünstig auf die Spannungszustände wie Hertz'sche Pressungen auswirkt. Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzung anzugeben, welche in dem Druckstück und dem Kolben in deren Berührungsbereich eine optimierte Druckverteilung aufweist, so daß die Hertz'schen Pressungen und inneren Spannungszustände gegenüber denjenigen vorbekannter Hochdruckpumpen reduziert sind. Außerdem soll durch Verlagerung des mittigen Druckpunktes in der konkaven Stirnfläche auf eine ringförmig tragende Druckfläche ein besserer Zugang für Schmieröl zu dem Druck- bereich geschaffen werden, so daß sich auch dadurch der Verschleiß reduzieren läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hochdruckpumpe ein nach dem Pumpen-Düse-System (Unit-Injector-System) arbeitender In- jektor ist, in welchem das Druckstück als Kugelbolzen mit einer kugelförmigen Stirnfläche ausgebildet ist, der mit seiner ringförmigen Berührungsfläche an dem mit einer kalottenförmigen Stirnfläche ausgebildeten Pumpenkolben des Injektors axial anliegend angeordnet ist.
Der Kugelbolzen mit einer Bolzenachse und der Pumpenkolben mit einer Kolbenachse können jeweils eine kreiszylindrische Form aufweisen.
An der kugelförmigen Stirnfläche des Kugelbolzens können konzentrisch zu dessen Bolzenachse eine durch einen Kreisdurchmesser bestimmte zentrale Planfläche und eine ringförmige Berührungsfläche angeordnet sein, welche von einem inneren Durchmesser sowie einem äußeren Durchmesser begrenzt ist.
Eine ringförmige Berührungsfläche des Kugelbolzens weist einen Kreis mit einem mittleren Durchmesser auf, dabei kann jede durch die Kreislinie und den Kugelmittelpunkt der Stirnfläche verlaufende Gerade zu der Boizenachse in einem spitzen Winkel angeordnet sein. Der ringförmigen Berührungsfläche des Kugelbolzens entspricht eine ringförmige Berührungsfläche des Pumpenkolbens, die innerhalb von dessen kalot- tenförmiger Stirnfläche ausgebildet ist.
Durch die geometrische Ausbildung der Kalotte des Pumpenkolbens und der Halbkugel des Kugelbolzens bildet sich eine kreisringförmige Druckfläche, die zu einer Reduzierung der Hertz'schen Pressung führt. Darauf aufbauend ergibt sich eine verbesserte Spannungsverteilung in der Kalotte und eine Reduzierung der Verformungen mit verbessertem Schmierfilmaufbau. Die Folge ist eine Verringerung des Verschleißes.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Vergleich mit einer vorbekannten Pumpe im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Kugelbolzen einer erfindungsgemäßen Druckstück-Kolben- Einheit in der Seitenansicht;
Figur 2 einen Pumpenkolben der erfindungsgemäßen Druckstück- Kolben-Einheit in der Seitenansicht;
Figur 3 den Kugelbolzen gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung;
Figur 4 einen Injektor nach dem vorbekannten Stand der Technik, schematisch in einem Axialschnitt. Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein Injektor der Fa. Robert Bosch GmbH für einen Pkw-Motor ist in Figur 4 dar- gestellt. Er betrifft eine momentane Serienlösung für niedrigen Systemdruck mit einer Kugel-Kugel-Verbindung zwischen einem zylindrischen Pumpenkolben 1 und einem daran stirnseitig abgestützten Kugelbolzen. Der Pumpenkolben ist in der Bohrung eines Pumpenkörpers 2 längs seiner Kolbenachse verschiebbar angeordnet. Der Pumpenkörper 2 befindet sich in einem Zylinderkopf 3 eines Dieselmotors und weist im Bereich eines Brennraums 4 des Motors eine Einspritzdüse 5 mit einer Düsennadel 6 und deren Nadelsitz 7 auf An dem von dem Brennraum 4 abgewandten Ende des Injektors ragt der Pumpenkolben 1 aus dem Pumpenkörper 2 heraus. Er ist hier mit einer konkaven Stirnfläche 8 an einer konvexen Stirnfläche 9 des Kugelbolzens 10 abgestützt. Ein von einer Nockenwelle 1 beaufschlagter Kipphebel 12 verschiebt den Kolbenbolzen 10 und den Pumpenkolben 1 periodisch zum Pumpenkörper 2 hin, während eine Rückstellfeder 13 den Pumpenkolben 1 periodisch aus dem Pumpenkörper 2 herausbewegt.
Die Verbindung zwischen einem Pumpenkolben 14 und einem Kugelbolzen 15 eines erfindungsgemäßen Injektors geht aus den Figuren 1 bis 3 hervor. Der zylindrische Pumpenkolben 14 mit seiner Kolbenachse 16 weist an einer Stirnseite eine kalottenförmige Stirnfläche 17 auf, an welcher der eine Bolzenachse 18 aufweisende zylindrische Kugelbolzen 15 im eingebauten Zustand mit ei- nem stirnseitigen Ende anliegt und hier zu diesem Zweck mit einer kugelförmigen Stirnfläche 19 versehen ist, welche in die Kalottenform 17 des Pumpenkolbens 14 hineinpaßt.
An der kugelförmigen Stirnfläche 19 ist eine zu der Bolzenachse 18 konzentri- sehe Planfläche mit einem Kreisdurchmesser 20 ausgebildet, welche an der Abstützung des Kugelbolzens 15 an dem Pumpenkolben 14 nicht mitwirkt. Daher ergibt sich für diese Abstützung an der Stirnfläche 19 eine entsprechend der Kugelform gewölbte ringförmige Berührungsfläche mit einem inneren Durchmesser 21 und einem äußeren Durchmesser 22. Mit diesem „Kugelring" liegt der Kugelbolzen 15 an dem Pumpenkolben 14, und zwar an dessen kalot- tenförmiger Stirnfläche 17 an.
Die geometrische Ausbildung ist so gewählt, daß von der Kugel der Stirnfläche 19 mit dem Kugeldurchmesser 23 der Mittelpunkt M auf der Bolzenachse 18 liegt. Ein mittlerer Durchmesser 24 bestimmt einen Kreis auf der Berührungsfläche der Stirnfläche 19. Jede durch diese Kreislinie und den Mittelpunkt M verlaufende Gerade 25 bildet mit der Bolzenachse 18 einen spitzen Winkel α.
Die Bemessungsverhältnisse sind hier für den Kugelbolzen 15 und seine kugelförmige Stirnfläche 19 beschrieben, sie gelten in entsprechender Weise auch für den Pumpenkolben 14 und dessen kalottenförmige Stirnfläche 17. Im Ausführungsbeispiel ist folgende Abmessungskombination möglich:
an dem Kugelbolzen 15:
Kugeldurchmesser 23 = 6,96 mm
Innerer Durchmesser 21 = 1 ,8 mm
Äußerer Durchmesser 22 = 4,9 mm Mittlerer Durchmesser 24 = 3,48 mm
Spitzer Winkel α = 30°
Durchmesser 20 der Planfläche < 1 ,0 mm;
an dem Pumpenkolben 14: Durchmesser der Kugelkalotte = 9,96 mm
Innerer Durchmesser = 1 ,7 mm
Äußerer Durchmesser = 5,0 mm
Mittlerer Durchmesser = 3,48 mm
Spitzer Winkel α = 30°. Bezugszahlenliste
1 Pumpenkolben
2 Pumpenkörper 3 Zylinderkopf
4 Brennraum
5 Einspritzdüse
6 Düsennadel
7 Nadelsitz 8 Konkave Stirnfläche
9 Konvexe Stirnfläche
10 Kugelbolzen
11 Nockenwelle
12 Kipphebel 13 Rückstellfeder
14 Pumpenkolben
15 Kugelbolzen
16 Kolbenachse
17 Kalottenförmige Stirnfläche 18 Bolzenachse
19 Kugelförmige Stirnfläche
20 Kreisdurchmesser der Planfläche
21 Innerer Durchmesser
22 Äußerer Durchmesser 23 Kugeldurchmesser
24 Mittlerer Durchmesser
25 Gerade M Mittelpunkt α spitzer Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem eines Dieselmotors, welche mit einer Druckstück-Kolben-Einheit mit konvex-konkav gepaarten Stirnflächen (19, 17) der beiden Teile der Einheit versehen ist, und bei welcher jeweils die Stirnfläche (19, 17) eines der Teile eine ringförmige Berührungsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckpumpe ein nach dem Pumpe-Düse-System (Unit-Injector-System) arbeitender Injektor ist, in welchem das Druckstück als Kugelbolzen (15) mit einer kugelförmigen Stirnfläche (19) ausgebildet ist, der mit seiner ringförmigen Berührungsfläche an dem mit einer kalottenförmigen Stirnfläche (17) ausgebildeten Pumpenkolben (14) des Injektors axial anliegend angeordnet ist.
2. Pumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelbolzen (15) mit einer Bolzenachse (18) und der Pumpenkolben (14) mit einer Kolbenachse (16) jeweils eine kreiszylindrische Form aufweisen.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der kugelförmigen Stirnfläche (19) des Kugelbolzens (15), konzentrisch zu dessen Bolzenachse (18), eine durch einen Kreisdurchmesser (29) bestimmte zentrale Planfläche ausgebildet ist.
4. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der kugelförmigen Stirnfläche (19) des Kugelbolzens (15), konzentrisch zu dessen Bolzenachse (18), die ringförmige Berührungsfläche angeordnet ist, welche von einem inneren Durchmesser (21 ) sowie einem äußeren Durchmesser (22) begrenzt ist.
5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Berührungsfläche des Kugelbolzens (15) einen Kreis mit einem mittleren Durchmesser (24) aufweist, wobei jede durch die Kreislinie und den Kugel- mittelpunkt (M) der Stirnfläche (19) verlaufende Gerade (25) zu der Bolzenachse (18) in einem spitzen Winkel (α) angeordnet ist.
6. Pumpe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine der ringförmigen Berührungsfläche des Kugelbolzens (15) entsprechende ringförmige Berührungsfläche des Pumpenkolbens (14), die innerhalb von dessen kalotten- förmiger Stirnfläche (17) ausgebildet ist.
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