WO2010057889A1 - Common-rail-hochdruckpumpe - Google Patents

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WO2010057889A1
WO2010057889A1 PCT/EP2009/065330 EP2009065330W WO2010057889A1 WO 2010057889 A1 WO2010057889 A1 WO 2010057889A1 EP 2009065330 W EP2009065330 W EP 2009065330W WO 2010057889 A1 WO2010057889 A1 WO 2010057889A1
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Definitions

  • the invention relates to a common rail high-pressure pump for an aircraft engine powered by aircraft fuel, which arranged in a housing, shaped as a polygon and driven by an eccentric shaft eccentric ring and the contact surfaces of a tappet plate in pump cylinders movable, with a footprint the plunger plate operatively connected pump piston comprises.
  • a known common rail high pressure pump for diesel fueled diesel engines includes one of the diesel engine via a diesel engine
  • Eccentric driven designed as a triangular polygon eccentric whose treads each have a - acting as a base plate - ram with a pump piston in operative connection and cause the piston movement in a pump cylinder against the pressure of a helical compression spring.
  • the eccentric shaft is located in a pump housing, in which the fuel is introduced from a prefeed pump. During the downward movement of the respective piston caused by the helical compression spring, the fuel is sucked into the respective cylinder and compressed during the upward movement and ejected into the distributor tube.
  • the lubrication of the eccentric shaft bearings, the friction surfaces between plunger and eccentric ring and between plunger and piston and the running surfaces between the pistons and cylinders takes place with the diesel engines known to be used in diesel engines. fuel.
  • the running surfaces on the eccentric ring are subjected to a considerable load at the points where the foot disks (plunger plates) of the pistons reciprocate. These treads are therefore formed with a wear protection layer.
  • a high-pressure pump for the fuel injection device of an internal combustion engine described in DE 102 56 525 A1 comprises an eccentric ring for moving the pump pistons via support elements which slide on flattened surfaces coated with amorphous carbon.
  • the invention has for its object to provide a high pressure pump for operated according to the common rail principle diesel engines, which has a long life even when using aircraft fuel.
  • the object is achieved with a trained according to the features of claim high pressure pump.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the core of the invention is that in a common-rail high-pressure pump for an aircraft engine with an aircraft engine, which arranged in a pump housing, designed as a polygon and driven by a Exzen- terwelle eccentric and its
  • the eccentric ring consists of a highly tempered steel with a specific
  • edge hardness of the eccentric ring is produced by gas nitriding and not less than 800HV.
  • the plunger platelets consist of a powder-metallurgical, through-hardened high-tensile steel with high toughness and design strength, the hardness of the tappet plate does not fall below 800 HVlO.
  • FIG. 1 sectional view of a portion of a high-pressure pump in the region of the essential friction partners
  • Fig. 2 is a plan view of the eccentric ring
  • Fig. 3 is a side view of the plunger plate.
  • Fig. 1 shows a partial view of a high-pressure pump in the field of power transmission from an eccentric shaft 1 via a trained as a polygon eccentric ring 2 on a plunger plate 3.
  • the plunger plate 3 is moved in accordance with the eccentric rotational movement of the eccentric shaft 1 alternately radially outward and then back inward.
  • the running surface 4 of the eccentric ring 2 (see Fig. 2) performs a reciprocating movement along the contact surface 5 of the tappet plate 3.
  • the one end of a pump piston 8 which can be moved radially to and fro in a pump cylinder 7 is arranged.
  • the end face 9 of the pump piston 8 contacts the contact surface 10 in the receiving bore 6, so that the pump piston 8 is moved against the force of a helical compression spring 11 radially outward and by the spring force back inside.
  • the eccentric ring 2 has three at an angle of 120 ° to each other arranged running surfaces 4, each with a plunger plate 3 with a pump piston 8 in Active compound stand.
  • the pump housing of the high-pressure pump is designated by the reference numeral 13.
  • the running surfaces 4 and the contact surfaces 5 are provided with a thin diamond-like carbon layer 12 (DLC: diamond like carbonite) coated.
  • the eccentric ring 2 consists of a high-tempered steel with a high basic strength and core hardness and a certain - preferably achieved by gas nitriding - edge hardness.
  • the ram plates 3 are made of a powder metallurgically produced and through-hardened high-speed steel.
  • the base material of the eccentric ring 2 and the tappet plate 3 is made ground in the area of the running surfaces 4 and the contact surface 5 of the respective tappet plate 3.
  • the contact surface 10 of the tappet plate 3 is not provided with the diamond-like acting carbon layer (DLC layer). However, it is concave in the order of about 3 to 8 .mu.m designed to reduce the pressure of the pump piston 8 on the plunger plate 3 and thus the surface pressure between the tread 4 and the contact surface 5 and beyond a punching through the receiving bore 6 due to the the end face 9 of the pump piston 8 outgoing force to prevent.
  • DLC layer diamond-like acting carbon layer

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Abstract

Bei einer Common-Rail -Hochdruckpumpe für mit Flugzeugkraftstoff betriebene Dieselmotoren, die einen in einem Pumpengehäuse (13) angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle (1) angetriebenen Exzenterring (2) sowie über dessen Laufflächen (4) und die Kontaktfläche (5) eines Stößelplättchens (3) in Pumpenzylindern (7) bewegbare, mit einer Aufstandsfläche (10) des Stößelplättchens in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben (8) umfasst, ist auf die zuvor geschliffenen Kontaktflächen (5) und Laufflächen (4) eine diamantähnlich wirkende dünne Kohlenstoff Schicht (12) aufgebracht, während die unbeschichtete Aufstandsfläche (10) konkav gewölbt ist. Der Exzenterring (2) und die Stößelplättchen (3) weisen eine vorgegebene hohe Härte auf. Aufgrund des durch die Werkstoff härte und -beschichtung und die konkave Auf- Standsfläche bewirkten synergistischen Effekts werden die Reibungskräfte um ein Vielfaches verringert und die Standzeit der mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Hochdruckpumpe um ein Vielfaches erhöht.

Description

Common-Rail-Hochdruckpumpe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Common-Rail-Hochdruckpumpe für einen mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Dieselmotor, die einen in einem Gehäuse angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle angetriebenen Exzenterring sowie über dessen Laufflächen und die Kontaktflä- che eines Stößelplättchens in Pumpenzylindern bewegbare, mit einer Aufstandsfläche des Stößelplättchens in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben umfasst.
In nach dem Common-Rail-Prinzip mit Kraftstoff versorgten Dieselmotoren werden Hochdruckpumpen eingesetzt, um den
Kraftstoff mit einem für das Einspritzen in den Brennraum geeigneten Druck in einem gemeinsamen Verteilerrohr (Rail) bereitzuhalten. Eine bekannte Common-Rail- Hochdruckpumpe für mit Dieselkraftstoff betriebene Die- selmotoren umfasst einen von dem Dieselmotor über eine
Exzenterwelle angetriebenen, als dreieckiges Polygon geformten Exzenterring, dessen Laufflächen jeweils über einen - als Fußscheibe fungierenden - Stößel mit einem Pumpenkolben in Wirkverbindung stehen und die Kolbenbewegung in einem Pumpenzylinder entgegen dem Druck einer Schraubendruckfeder bewirken. Die Exzenterwelle befindet sich in einem Pumpengehäuse, in das der Kraftstoff von einer Vorförderpumpe eingeführt wird. Bei der durch die Schraubendruckfeder bewirkten Abwärtsbewegung des jeweiligen Kolbens wird der Kraftstoff in den betreffenden Zylinder gesaugt und bei der Aufwärtsbewegung verdichtet und in das Verteilerrohr ausgestoßen. Die Schmierung der Exzenterwellenlager, der Reibflächen zwischen Stößel und Exzenterring sowie zwischen Stößel und Kolben sowie der Laufflächen zwischen den Kolben und Zylindern erfolgt mit dem bei Dieselmotoren bekanntermaßen verwendeten Diesel- kraftstoff . Die Laufflächen auf dem Exzenterring sind an den Stellen, auf denen sich die Fußscheiben (Stößelplätt- chen) der Kolben hin- und herbewegen, einer erheblichen Belastung ausgesetzt. Diese Laufflächen werden daher mit einer Verschleißschutzschicht ausgebildet.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Dieselmotoren als Antrieb für Flugzeuge zu verwenden. Der Einsatz von nach dem Com- mon-Rail-Prinzip mit den bekannten Hochdruckpumpen be- triebenen Dieselmotoren unter Verwendung eines auf Kero- sin basierenden Flugzeugkraftstoffs bei Flugzeugen ist jedoch aufgrund der geringen Schmierwirkung des Flugzeugkraftstoffs und des dadurch bedingten hohen Verschleißes der Reibpartner der Hochdruckpumpe nicht möglich. Bei ei- nem Betrieb des Dieselmotors nach dem Common-Rail-Prinzip mit Flugzeugkraftstoff muss schon nach kürzester Be¬ triebszeit mit einem Totalausfall der Hochdruckpumpe gerechnet werden.
Eine in der DE 102 56 525 Al beschriebene Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine umfasst einen Exzenterring zur Bewegung der Pumpenkolben über Stützelemente, die auf mit amorphem Kohlenstoff beschichteten Abflachungen gleiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe für nach dem Common-Rail-Prinzip betriebene Dieselmotoren anzugeben, die auch bei Verwendung von Flugzeugkraftstoff eine lange Lebensdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs ausgebildeten Hochdruckpumpe gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Der Kern der Erfindung besteht darin dass bei einer Com- mon-Rail-Hochdruckpumpe für einen mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Dieselmotor, die einen in einem Pumpengehäuse angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzen- terwelle angetriebenen Exzenterring sowie über dessen
Laufflächen und die Kontaktfläche eines Stößelplättchens in Pumpenzylindern bewegbare, mit einer Aufstandsfläche des Stößelplättchens in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben umfasst, der Exzenterring und die Stößelplättchen eine vorgegebene hohe Härte aufweisen und auf die zuvor geschliffenen Kontaktflächen und Laufflächen eine diamantähnlich wirkende dünne Kohlenstoffschicht aufgebracht ist, während die unbeschichtete Aufstandsfläche konkav gewölbt ist. Aufgrund des synergistischen Effekts zwi- sehen der Härte des Exzenterrings und der Stößelplättchen sowie der dünnen Kohlenstoffbeschichtung der zuvor geschliffenen Lauf- und Kontaktflächen und schließlich der konkav gewölbten Ausbildung der Aufstandsflächen für die Pumpenkolben können die Reibungskräfte zwischen den Lauf- und Kontaktflächen trotz der geringen Schmierfähigkeit des verwendeten Flugzeugkraftstoffs überraschenderweise so deutlich verringert werden, dass sich die Lebensdauer der Hochdruckpumpe um das 500-fache erhöht. Das heißt, mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdruckpumpe ist es überhaupt erst möglich, nach dem Common-Rail-Prinzip betriebene Dieselmotoren unter Verwendung von Flugzeugkraftstoff für Flugzeuge einzusetzen.
In Ausgestaltung der Erfindung besteht der Exzenterring aus einem hoch vergüteten Stahl mit einer bestimmten
Kernhärte und einer erhöhten Randhärte, wobei die Randhärte des Exzenterrings durch Gasnitrieren erzeugt ist und nicht kleiner als 800HV ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Stößelplättchen aus einem pulvermetallurgischen, durchgehär- teten Schnellarbeitsstahl mit hoher Zähigkeit und Gestaltfestigkeit, wobei die Härte des Stößelplättchens 800 HVlO nicht unterschreitet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die konkave Wölbung der Aufstandsfläche zwischen 3μm und 8μm Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Schnittansicht eines Teils einer Hochdruckpumpe im Bereich der wesentlichen Reibpartner;
Fig. 2 eine Draufsicht des Exzenterrings; und
Fig. 3 eine Seitenansicht des Stößelplättchens.
Fig. 1 zeigt eine Teilansicht einer Hochdruckpumpe im Bereich der Kraftübertragung von einer Exzenterwelle 1 über einen als Polygon ausgebildeten Exzenterring 2 auf ein Stößelplattchen 3. Das Stößelplättchen 3 wird entsprechend der exzentrischen Drehbewegung der Exzenterwelle 1 abwechselnd radial nach außen und anschließend wieder nach innen bewegt. Dabei führt die Lauffläche 4 des Exzenterrings 2 (s. Fig. 2) eine hin- und hergehende Bewe- gung entlang der Kontaktfläche 5 des Stößelplättchens 3 aus. In einer Aufnahmebohrung 6 des Stößelplättchens 3 (s. Fig. 3) ist das eine Ende eines in einem Pumpenzylinder 7 radial hin und her beweglichen Pumpenkolbens 8 angeordnet. Die Stirnfläche 9 des Pumpenkolbens 8 kontak- tiert die Aufstandsfläche 10 in der Aufnahmebohrung 6, so dass der Pumpenkolben 8 entgegen der Kraftwirkung einer Schraubendruckfeder 11 radial nach außen und durch die Federkraft wieder nach innen bewegt wird. Wie Fig. 2 zeigt, weist der Exzenterring 2 drei im Winkel von 120° zueinander angeordnete Laufflächen 4 auf, die jeweils über ein Stößelplättchen 3 mit einem Pumpenkolben 8 in Wirkverbindung stehen. Das Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe ist mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet.
Um die - insbesondere aufgrund der Verwendung von Flug- zeugkraftstoff und dessen geringer Schmierwirkung bedingten - extrem hohen Reibkräfte zwischen der Kontaktfläche 5 des Stößelplättchens 3 und der Lauffläche 4 zu minimieren, sind die Laufflächen 4 und die Kontaktflächen 5 mit einer dünnen diamantähnlichen wirkenden Kohlenstoff- Schicht 12 (DLC: diamond like carbonite) beschichtet. Der Exzenterring 2 besteht aus einem hochvergüteten Stahl mit einer hohen Grundfestigkeit und Kernhärte sowie einer bestimmten - vorzugsweise durch Gasnitrieren erzielten - Randhärte. Die Stößelplättchen 3 sind aus einem pulverme- tallurgisch hergestellten und durchgehärteten Schnellar- beitsstahl hergestellt. Der Grundwerkstoff des Exzenterrings 2 und der Stößelplättchen 3 ist im Bereich der Laufflächen 4 und der Kontaktfläche 5 des jeweiligen Stößelplättchens 3 geschliffen ausgeführt. Durch diese Aus- bildung und Oberflächenbearbeitung des Grundwerkstoffs ist eine sichere Abstützung und eine sichere Haftung der Kohlenstoffschicht 12 auf der betreffenden Unterlage (4, 5) gewährleistet. Die Aufstandsfläche 10 des Stößelplättchens 3 ist nicht mit der diamantähnlich wirkenden Koh- lenstoffschicht (DLC-Schicht) versehen. Sie ist jedoch in der Größenordnung von etwa 3 bis 8μm konkav gewölbt ausgebildet, um den Druck des Pumpenkolbens 8 auf das Stößelplättchen 3 und damit die Flächenpressung zwischen der Lauffläche 4 und der Kontaktfläche 5 zu vermindern und darüber hinaus ein Durchstanzen der Aufnahmebohrung 6 aufgrund der von der Stirnfläche 9 des Pumpenkolbens 8 ausgehenden Kraftwirkung zu verhindern. Mit einer derartigen Ausbildung der Hochdruckpumpe für einen nach dem Common-Rail-Prinzip mit einem auf Kerosin basierenden Kraftstoff versorgten Dieselmotor für Flugzeuge kann trotz der hohen Flächenpressung und der geringen Schmier- fähigkeit des Kraftstoffs ein Festfressen und Kaltverschweißen zwischen dem Exzenterring 2 und den Stößel- plättchen 3 vermieden werden und letztlich eine Lebensdauer der Hochdruckpumpe erreicht werden, die etwa 500 Mal höher ist als die Lebensdauer der üblicherweise im Automobilbau eingesetzten Hochdruckpumpen und die die Anwendung von Common-Rail-Dieselmotoren bei Flugzeugen überhaupt erst möglich macht.
Bezugszeichenliste
1 Exzenterwelle
2 Exzenterring
3 Stößelplättchen
4 Lauffläche v. 2
5 Kontaktfläche v. 3
6 Aufnahmebohrung v. 3
7 Pumpenzylinder
8 Pumpenkolben
9 Stirnfläche v. 8
10 Aufstandsfläche v. 3
11 Schraubendruckfeder
12 Kohlenstoffschicht
13 Pumpengehäuse

Claims

Patentansprüche
1. Common-Rail-Hochdruckpumpe für einen mit Flugzeug- kraftstoff betriebenen Dieselmotor, die einen in einem Pumpengehäuse (13) angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle (1) angetriebenen Exzenterring (2) sowie über dessen Laufflächen (4) und die Kontaktfläche (5) eines Stößel- plättchens (3) in Pumpenzylindern (7) bewegbare, mit einer Aufstandsfläche (10) des Stößelplättchens (3) in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben (8) um- fasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterring (2) und die Stößelplättchen (3) jeweils eine vorgegebene Härte aufweisen und auf die zuvor geschliffenen Kontaktflächen (5) und Laufflächen (4) eine diamantähnlich wirkende dünne Kohlenstoffschicht (12) aufgebracht ist, während die unbeschichtete Aufstandsfläche (10) konkav gewölbt ist.
2. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterring (2) aus einem hoch vergüteten Stahl mit einer bestimmten Kernhärte und einer erhöhten Randhärte besteht.
3. Hochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randhärte des Exzenterrings (2) durch Gasnitrieren erzeugt ist und nicht kleiner als 800HV ist.
4. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößelplättchen (3) aus einem pulvermetallurgischen, durchgehärteten Schnellar- beitsstahl mit hoher Zähigkeit und Gestaltfestig- keit bestehen.
5. Hochdruckpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Stößelplättchens (3) 800 HVlO nicht unterschreitet.
6. Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Wölbung der Aufstandsfläche (10) zwischen 3μm und 8μm beträgt.
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