WO2009098095A1 - Querkraftfreier nocken für common-rail-hochdruckpumpen - Google Patents

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Peter Boehland
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/02—Fuel-injection apparatus having means for reducing wear

Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure pump for a fuel injection device of an internal combustion engine with a rotating camshaft whose cam offset means a pump piston in oscillating stroke movement, which is slidably guided in a cylinder for conveying fuel, wherein the longitudinal axis of the pump piston non-cutting to the axis of rotation Camshaft is arranged.
  • High-pressure pumps of the type of interest here are used in motor vehicle construction in the context of a fuel injection device to compress the fuel, usually diesel fuel, to pressures of up to 2,000 bar in order to achieve this under high pressure
  • High-pressure pumps of the type of interest here are used in particular in the context of a so-called common-rail injection.
  • the pressurized fuel here fills a piping system that is constantly under pressure during engine operation.
  • the high-pressure pump has a multi-part housing in which a camshaft which can be driven in rotation by the internal combustion engine is arranged.
  • the camshaft has at least one cam whose cam track drives a pump piston.
  • the pump piston is displaceably guided in a cylinder formed in the housing and limited with its side facing away from the camshaft end face a pump working space.
  • the pump working space has a connection with a fuel inlet with inlet valve via a fuel inlet channel extending in the housing.
  • a fuel drain passage is arranged on the outlet side of the pump working space, which is in communication with a high-pressure accumulator. At this point, an exhaust valve is provided.
  • the pump piston is supported directly on the cam track with a piston foot projecting out of the cylinder in the direction of the camshaft.
  • a roller shoe assembly is provided for the purpose of minimizing friction.
  • the longitudinal axis of the Pump piston not cutting to the axis of rotation of the camshaft.
  • the transverse force thus generated as a result of rotation of the camshaft on the pump piston causes only small forces acting on the leadership of the pump piston in the cylinder, so that they can be absorbed directly from the pump piston and its leadership in the cylinder without additional high and excessive wear surface pressures occur.
  • the invention includes the technical teaching that the cam track of the camshaft is designed such that during the delivery phase of the force application angle to the cam axis is at least approximately equal to zero.
  • the cam track exercises only between the
  • the lateral force during the wear-causing delivery phase can be brought to zero, whereas the pump piston need not be optimized transverse force during the non-wear intake phase due to the low load.
  • the area of the start marks the beginning of the promotion, while the area of the end of the promotion on the
  • Cam track features Especially in the area of the drain, the cam track has to be designed carefully, as here high pressure is applied to the pump piston. Calculations have shown that by a favorable design before here, the transverse force for a short time in the range of the eccentric drive is. However, since the transverse force rests only very briefly, it is to be expected that the risk of wear of the solution according to the invention as a whole is considerably lower than in the eccentric drive explained above.
  • the friction work A is lowered from previously greater than 1 Nm to less than 0.7 Nm, preferably 0.2 Nm per stroke.
  • the force application angle is greater than previous designs. In this area, however, only the restoring force for the pump piston is applied. This results in significantly lower shear forces up to a - A -
  • Cam angle of preferably 90 ° is less than 0.5 kN, in this area is thus approximately zero.
  • the cam track of the camshaft be designed in the form of a double cam.
  • a double stroke in the high-pressure pump can be performed with one revolution of the camshaft.
  • This advantage is not feasible with a simple eccentric shaft.
  • the coupling means between the camshaft and pump piston are formed as a roller shoe assembly.
  • the roller shoe assembly provides a low wear
  • Rolling bearing contact between the pump piston and the camshaft forth is characterized by a simple and robust design.
  • the restoring force for the pump piston during the inlet phase is preferably arranged by a between the pump piston and the pump housing and in the manner of a
  • Coil spring trained compression spring applied. Due to the shape of the coil spring while the cylinder of the high-pressure pump is at least partially enclosed to save space.
  • the solution according to the invention can also be used for a multi-cylinder high-pressure pump in which a corresponding number of pump pistons are alternately driven via a plurality of cam tracks of the camshaft according to the invention.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a high-pressure pump for a fuel injection device
  • a schematic side view of the pump drive according to Fig.l, and 3 shows a graphic representation of the transverse force profile over the angle of rotation of the camshaft.
  • the high-pressure pump has a multipart pump housing 1 in which a camshaft 2 driven in rotation by the internal combustion engine is rotatably mounted.
  • the camshaft 2 has between end-side sliding bearing points on a cam with a cam track 3, which is formed here in the form of a double cam.
  • a pump piston 4 is set in an oscillating stroke movement.
  • the contact between the pump piston 4 and the cam track 3 is realized via a roller shoe arrangement 5 arranged therebetween.
  • the pump piston 4 is paired with a surrounding him, formed on the pump housing 1 side of the cylinder 6.
  • the cam axis 10 is not intersecting with the axis of rotation 11 of the camshaft 2 is arranged.
  • the cam track 3 of the camshaft 2 is designed so that during the delivery phase of the force application angle to the cam axis 10 is approximately zero. This leads to an approximately lateral force-free force application of the force exerted by the camshaft 2 driving force on the pump piston 4. To return the pump piston 4, a force acting on this spring 12 is provided.

Abstract

Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Verbrennungsmotors mit einer rotierend angetriebenen Nockenwelle (2), deren Nocken über Kopplungsmittel einen Pumpenkolben (4) in oszillierende Hubbewegung versetzt, der in einem Zylinder (6) zum Fördern von Kraftstoff verschiebbar geführt ist, wobei die Längsachse des Pumpenkolbens (4) nicht schneidend zur Drehachse der Nockenwelle (2) angeordnet ist, wobei ferner die Nockenbahn (3) der Nockenwelle (2) derart ausgelegt ist, dass während der Förderphase der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse gleich Null ist.

Description

Querkraftfreier Nocken für Common-Rail-Hochdruckpumpen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Verbrennungsmotors mit einer rotierend angetriebenen Nockenwelle, deren Nocken über Kopplungsmittel einen Pumpenkolben in oszillierende Hubbewegung versetzt, der in einem Zylinder zum Fördern von Kraftstoff verschiebbar geführt ist, wobei die Längsachse des Pumpenkolbens nicht schneidend zur Drehachse der Nockenwelle angeordnet ist.
Stand der Technik
Hochdruckpumpen der hier interessierenden Art werden im Kraftfahrzeugbau im Rahmen einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung dafür verwendet, den Kraftstoff, meist Dieselkraftstoff, auf Drücke von bis zu 2.000 bar zu komprimieren, um diesen unter Hochdruck einer effizienten
Verbrennung zur Verfügung zu stellen. Hochdruckpumpen der hier interessierenden Art kommen insbesondere im Rahmen einer sogenannten Common-Rail-Einspritzung zur Anwendung. Der hier unter Druck stehende Kraftstoff füllt dabei ein Rohrleitungssystem, das beim Motorbetrieb ständig unter Druck steht.
Aus der DE 10 2004 011 284 Al geht eine gattungsgemäße Horchdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung hervor. Die Hochdruckpumpe weist ein mehrteiliges Gehäuse auf, in dem eine durch den Verbrennungsmotor rotierend antreibbare Nockenwelle angeordnet ist. Die Nockenwelle besitzt wenigstens einen Nocken, dessen Nockenbahn einen Pumpenkolben antreibt. Der Pumpenkolben ist in einem im Gehäuse ausgebildeten Zylinder verschiebbar geführt und begrenzt mit seiner der Nockenwellen abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeitsraum. Der Pumpenarbeitsraum weist über einen im Gehäuse verlaufenden Kraftstoffzulaufkanal eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf mit Einlassventil auf. Weiterhin ist am Pumpenarbeitsraum ein Kraftstoffablaufkanal auslassseitig angeordnet, der mit einem Hochdruckspeicher in Verbindung steht. An dieser Stelle ist ein Auslassventil vorgesehen. Der Pumpenkolben stützt sich direkt mit einem aus dem Zylinder in Richtung Nockenwelle hinausragenden Kolbenfuß an der Nockenbahn ab. Im Kontaktbereich ist eine Rollenschuhanordnung zwecks Reibungsminimierung vorgesehen. Um verschleißverursachende Querkräfte zwischen Pumpenkolben und Zylinder zu minimieren, verläuft die Längsachse des Pumpenkolbens nicht schneidend zur Drehachse der Nockenwelle. Die hierdurch in Folge Rotation der Nockenwelle auf den Pumpenkolben erzeugte Querkraft verursacht nur geringe auf die Führung des Pumpenkolbens im Zylinder wirkende Kräfte, so dass diese direkt vom Pumpenkolben und dessen Führung im Zylinder aufgenommen werden können, ohne dass zusätzliche hohe und zu starkem Verschleiß führende Flächenpressungen auftreten.
Nachteilig bei dieser technischen Lösung ist jedoch, dass mit immer größer werdenden Leistungen in Folge steigender Rail-Drücke diese Maßnahmen nicht zur Verschleißvermeidung ausreichen. Der Verlauf herkömmlicher Nockenbahnen wurde bislang bezüglich Pumpenwirkungsgrad, zulässigen Druck, Abspringdrehzahl optimiert. Andere
Optimierungsziele spielten keine Rolle.
Es ist bereits versucht worden, den Pumpenkolben einer Hochdruckpumpe mit einem Excenterantrieb querkraftminimal auszulegen. Die Querkraft beträgt bei gleichem Kolbendurchmesser im Vergleich zu einem Nockenantrieb etwa nur die Hälfte. Nachteilig bei einem Excenterantrieb ist jedoch der sinusförmige Antriebsverlauf, welcher bei hohen Pumpendrücken einen schlechteren Pumpenwirkungsgrad verursacht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Nockenantrieb für eine Hochdruckpumpe der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass verschleißverursachende Querkräfte bei der Pumpenkolben-Zylinderpaarung mit einfachen Mitteln gänzlich vermieden werden.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Hochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Nockenbahn der Nockenwelle derart ausgelegt ist, dass während der Förderphase der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse zumindest annähernd gleich Null ist.
Beschreibung der Erfindung Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung eines praktisch querkraftfreien Pumpenantriebs resultiert aus der besonderen Formgebung der Nockenbahn der Nockenwelle. Es ist erkannt worden, dass bei einem Pumpenkolben, dessen Längsachse nicht schneidend zur Drehachse der Nockenwelle angeordnet ist, weiteres Optimierungspotential zur Senkung der Querkraft in einer speziellen Formgebung der Nockenbahn liegt. Berechnungen haben ergeben, dass sich die
Nockenbahn derart gestalten lässt, dass während der im Hinblick auf die Verschleißursache wesentlichen Fördephase der Hochdruckpumpe der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse zur Null bringen lässt, so dass damit einer querkraftfreie Antriebskraftübertragung realisierbar ist.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme übt die Nockenbahn nur zwischen dem
Bereich des Ablaufs und des Anlaufs eine Querkraft auf den Pumpenkolben aus. Somit lässt sich die Querkraft während der verschleißverursachenden Förderphase zu Null bringen, wogegen der Pumpenkolben während der verschleißunkritischen Einlassphase wegen der geringen Belastung nicht querkraftoptimiert sein braucht. Der Bereich des Anlaufs kennzeichnet den Beginn der Förderung, wogegen der Bereich des Ablaufs das Ende der Förderung auf der
Nockenbahn kennzeichnet. Insbesondere im Bereich des Ablaufs ist die Nockenbahn sorgfältig auszulegen, da hier Hochdruck am Pumpenkolben anliegt. Berechnungen haben gezeigt, dass durch eine günstige Auslegung zuvor auch hier die Querkraft für eine kurze Zeit im Bereich des Excenterantriebs liegt. Da die Querkraft jedoch nur sehr kurz anliegt, ist zu erwarten, dass die Verschleißgefahr der erfindungsgemäßen Lösung insgesamt wesentlich geringer als bei dem vorstehend erläuterten Excenterantrieb ist.
Für eine einfache Bewertung der Verschleißgefahr kann die in der Zylinder-Pumpenkolben- Paarung stattfindende Reibarbeit
A = F * s* μ
mit einem μ von 0, 1 angenommen werden, wobei F = Querkraft, s = Hub und μ = Reibbeiwert ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Reibarbeit A von bislang größer als 1 Nm auf kleiner als 0,7 Nm, vorzugsweise auf 0,2 Nm je Hub abgesenkt.
Während der Saugphase ist bei der erfindungsgemäßen Lösung der Kraftangriffswinkel größer gegenüber bisherigen Konstruktionen. In diesem Bereich liegt jedoch nur die Rückstellkraft für den Pumpenkolben an. Dadurch ergeben sich deutlich geringere Querkräfte die bis zu einem - A -
Nockenwinkel von vorzugsweise 90° kleiner als 0,5 kN ist, an diesem Bereich also annähernd Null ist.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Nockenbahn der Nockenwelle in Form eines Doppelnockens ausgeführt ist. Somit kann bei einer Umdrehung der Nockenwelle ein doppelter Hub bei der Hochdruckpumpe ausgeführt werden. Dieser Vorteil ist mit einer einfache Excenterwelle nicht realisierbar.
Vorzugsweise sind die Kopplungsmittel zwischen Nockenwelle und Pumpenkolben als eine Rollenschuhanordnung ausgebildet. Die Rollenschuhanordnung stellt einen verschleißarmen
Wälzlagerkontakt zwischen dem Pumpenkolben und der Nockenwelle her und zeichnet sich gleichzeitig durch einen einfachen und robusten Aufbau aus.
Die Rückstellkraft für den Pumpenkolben während der Einlassphase wird vorzugsweise durch eine zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpengehäuse angeordnete und nach Art einer
Schraubenfeder ausgebildeten Druckfeder aufgebracht. Durch die Form der Schraubenfeder wird dabei der Zylinder der Hochdruckpumpe platzsparend zumindest teilweise umschlossen.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch für eine mehrzylindrige Hochdruckpumpe verwenden, bei welcher eine entsprechende Anzahl von Pumpenkolben über mehrere erfindungsgemäße Nockenbahnen der Nockenwelle wechselnd angetrieben werden.
Ausführungsbeispiel anhand Figurenbeschreibung
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig.1 einen Längsschnitt einer Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung,
Fig.2 eine schematische Seitenansicht des Pumpentriebs gemäß Fig.l, und Fig.3 eine grafische Darstellung des Querkraftverlaufs über den Drehwinkel der Nockenwelle.
Gemäß Fig.1 weist die Hochdruckpumpe ein mehrteiliges Pumpengehäuse 1 auf, in dem eine durch die Brennkraftmaschine rotierend angetriebene Nockenwelle 2 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle 2 weist zwischen endseitigen Gleitlagerstellen einen Nocken mit einer Nockenbahn 3 auf, welcher hier in Form eines Doppelnockens ausgebildet ist. Über die Nockenbahn 3 wird ein Pumpenkolben 4 in eine oszilierende Hubbewegung versetzt. Der Kontakt zwischen dem Pumpenkolben 4 und der Nockenbahn 3 wird über eine dazwischen angeordnete Rollenschuhanordnung 5 realisiert. Der Pumpenkolben 4 ist mit einem ihn umgebenden, seitens des Pumpengehäuses 1 ausgebildeten Zylinder 6 gepaart. Durch die Hubbewegung des Pumpenkolbens 4 innerhalb des Zylinders 6 gelangt während einer Einlaufphase über einen Kraftstoffzulauf kanal 7 Kraftstoff in den Hochdruckraum 13 und wird während der anschließenden Förderphase komprimiert, um das Pumpengehäuse 1 über einen hieran ausgebildeten Kraftstoffablauf kanal 8 zu verlassen. Damit der Kraftstoff nach der Förderphase nicht vom Rail in den Hochdruckraum zurückfließt, ist ein Federrückschlagventil 9 vorgesehen. .
Gemäß Fig.2 ist die Nockenachse 10 nicht schneidend zur Drehachse 11 der Nockenwelle 2 angeordnet. Die Nockenbahn 3 der Nockenwelle 2 ist so ausgelegt, dass während der Förderphase der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse 10 ungefähr Null ist. Dies führt zu einer annähernd querkraftfreien Kraftaufbringung der von der Nockenwelle 2 ausgeübten Antriebskraft auf den Pumpenkolben 4. Zur Rückstellung des Pumpenkolbens 4 ist eine auf diesen einwirkende Druckfeder 12 vorgesehen.
Gemäß der grafischen Darstellung von Fig.3 werden Kraftverläufe und Wegverläufe über einen Nockenwinkel α von 180° (Doppelnocken) dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Querkraft Fq bis zu einem Nockenwinkel von 90° gleich Null ist. Dies entspricht der Förderphase der Hochdruckpumpe. Vergleichsweise lässt sich die Querkraft Fqe bei einem Excenterantrieb nicht zu Null bringen. Bei dem erfindungsgemäß ausgelegten Nockenantrieb ist die Reibarbeit A beim Kolben sehr viel geringer als vergleichsweise die Reibarbeit A. bei einem Excenterantrieb sein würde. Ferner sind Kolbenhub s und Angriffswinkel abgriff diesem Diagramm veranschaulicht.

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Verbrennungsmotors mit einer rotierend angetriebenen Nockenwelle (2), deren Nocken über Kopplungsmittel einen
Pumpenkolben (4) in oszilierende Hubbewegung versetzt, der in einem Zylinder (6) zum Fördern von Kraftstoff verschiebbar geführt ist, wobei die Längsachse des Pumpenkolbens (4) nicht schneidend zur Drehachse der Nockenwelle (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenbahn (3) der Nockenwelle (2) derart ausgelegt ist, dass während der Förderphase der Kraftangriffswinkel zur Nockenachse (10) zumindest annähernd gleich Null ist.
2. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenbahn (3) nur zwischen dem Bereich des Ablaufs, des Anlaufs und der Saugphase eine Querkraft auf den Pumpenkolben (4) ausführt.
3. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibarbeit des Pumpenkolbens (4) gegenüber dem Zylinder (6) kleiner als 1 Nm ist.
4. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkraft bis zu einem Nockenwinkel von 90° kleiner als 0,5 kN ist.
5. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenbahn (3) der Nockenwelle (2) in Form eines Doppelnocken ausgeführt ist.
6. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel zwischen Nockenwelle (2) und
Pumpenkolben (4) nach Art einer Rollenschuhanordnung (5) ausgebildet sind.
7. Hochdruckpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pumpenkolben (4) und einem Pumpengehäuse (1) eine den Zylinder (6) zumindest teilweise umschließende und nach Art einer Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder (12) angeordnet ist.
8. Hochdruckpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) mit mehreren Nockenbahnen (3) zum Antrieb entsprechend mehrerer Pumpenkolben (4) in einer Mehrzylinderanordnung ausgebildet ist.
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