DE102005059031A1

DE102005059031A1 - Radialkolben-Hochdruckpumpe einer Einspritzanlage zum Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs

Info

Publication number: DE102005059031A1
Application number: DE200510059031
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Schaaf; Horst Steinbinder; Harry Dipl.-Ing. Pfundt
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-12-10
Filing date: 2005-12-10
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialkolben-Hochdruckpumpe (1) einer Einspritzanlage zum Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs in eine Verbrennungskraftmaschine, die einen Nockenring (2) und eine Antriebswelle (3) aufweist, in der in radial ausgerichteten Führungsschlitzen (4) Rollenschuhe (5) angeordnet sind, an deren einem axialen Ende Rollen (6) angeordnet sind, die an einer radial innenliegenden Anlauffläche (7) des Nockenrings (2) anlaufen, und an deren anderem axialen Ende ein Förderkolben (8) angeordnet ist, wobei der flüssige Brennstoff als Schmiermittel für Gleit- und/oder Wälzkontakt zwischen der Anlauffläche (7) des Nockenrings (2), den Führungsschlitzen (4), den Rollenschuhen (5) und/oder den Rollen (6) verwendet wird. Um eine verbesserte Schmierwirkung durch den flüssigen Brennstoff zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Anlauffläche (7) des Nockenrings (2) und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Führungsschlitze (4) und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Rollenschuhe (5) und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Rollen (6) mit einer Vielzahl von Mikrovertiefungen (9) versehen sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Radialkolben-Hochdruckpumpe einer Einspritzanlage zum Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs in eine Verbrennungskraftmaschine, die einen Nockenring und eine Antriebswelle aufweist, in der in radial ausgerichteten Führungsschlitzen Rollenschuhe angeordnet sind, an deren einem axialen Ende Rollen angeordnet sind, die an einer radial innenliegenden Anlauffläche des Nockenrings anlaufen, und an deren anderem axialen Ende ein Förderkolben angeordnet ist, wobei der flüssige Brennstoff als Schmiermittel für Gleit- und/oder Wälzkontakt zwischen der Anlauffläche des Nockenrings, den Führungsschlitzen, den Rollenschuhen und/oder den Rollen verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Zum Einspritzen insbesondere von Dieselkraftstoff in Verbrennungsmotoren sind Hochdruckpumpen erforderlich, die häufig als Radialkolbenpumpen ausge führt sind. Diese Pumpe ist die Schnittstelle zwischen dem Niederdruck- und dem Hochdruckbereich des Verbrennungsmotors. Die Pumpe muss stets genügend verdichteten Kraftstoff in allen Betriebsbereichen und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs bereitstellen. Sie erzeugt permanent den Systemdruck für einen Hochdruckspeicher und wird vom Verbrennungsmotor angetrieben. Der von der Hochdruckpumpe erzeugte Druck beläuft sich auf etwa 1.000 bis 1.500 bar.

Einige spezielle Details der oben genannten Hochdruckpumpen bzw. ähnlicher Bauformen derartiger Pumpen für Anlagen zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor sind aus der DE 100 17 114 A1 , aus der DE 100 44 997 A1 und aus der DE 103 32 361 A1 bekannt.

Die Schmierung der relativ zueinander beweglichen Bauteile der Hochdruck-Radialkolbenpumpe erfolgt bei der eingangs genannten Pumpe durch den Kraftstoff selber, der mit der Pumpe gefördert wird. Dieser hat jedoch eine relativ geringe Viskosität und eignet sich damit nicht gut als Schmiermittel. Damit sind die Schmierbedingungen nicht immer optimal und ausreichend. Infolge der teilweise sehr hohen Flächenpressung zwischen beweglichen Bauteilen der Pumpe tritt somit Verschleiß an den Rollen und am Nockenring der Pumpe auf, aber auch an den Kontaktstellen zwischen den Schlitzen in der Antriebswelle und den Rollenschuhen. Es kann sich also kein hinreichender Schmierfilm an den genannten Stellen aufbauen, was nicht nur den erwähnten Verschleiß fördert, sondern auch zur Erhöhung der Reibung der Rollen am Nockenring und der Rollenschuhe in ihren Aufnahmespalten führt. Im schlimmsten Fall kann dies einen Ausfall der Pumpeneinheit und damit des Einspritzsystems bewirken.

Daher ist es bekannt geworden, die im Gleit- und/oder Wälzkontakt stehenden Flächen der Bauteile der Hochdruck-Radialkolbenpumpe mit einer Kohlenstoffbeschichtung zu versehen, die sich sehr positiv auf das Reibungsverhalten auswirkt. Damit kann der Verschleiß reduziert werden, wenngleich er auch damit nicht gänzlich vermeidbar ist. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, dass der Beschichtungsprozess sehr kostenaufwändig ist.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolben-Hochdruckpumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Reibung, die zwischen Teilen in Wälz- und/oder Gleitkontakt entsteht, möglichst minimal gehalten werden kann, wobei dennoch eine sehr kostengünstige Lösung angestrebt wird, die geringe Kosten verursacht als diejenige, bei der mittels spezieller Beschichtungen die Reibung herabgesetzt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Anlauffläche des Nockenrings und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Führungsschlitze und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Rollenschuhe und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Rollen mit einer Vielzahl von Mikrovertiefungen versehen sind.

Die Mikrovertiefungen ermöglichen es, dem sehr niedrigviskosen Kraftstoff, der zu Schmierzwecken verwendet wird, einen besseren Halt auf der Bauteiloberfläche zu geben, so dass die Schmierung verbessert wird.

Eine erste Fortbildung sieht vor, dass sich die Mikrovertiefungen aus einer plateauförmig ausgebildeten Grundgeometrie des Bauteils in das Material des Bauteils hinein erstrecken.

Eine Ausgestaltung sieht riefenförmig ausgebildete Vertiefungen vor. Die Riefen können sich kreuzen. Sie können auch stabförmig ausgebildet sein und parallel zueinander verlaufen. Die Riefenbreite beträgt bevorzugt zwischen 2 μm und 5 μm.

Die Mikrovertiefungen können durch einen zweistufigen Honprozess eingebracht sein. Der erste Honprozess ist bevorzugt ein Kreuzfinishen; hieran schließt sich als zweiter Honprozess mit Vorteil ein Abtragen auf eine definierte Plateauhöhe an.

Als alternative Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mikrovertiefungen punktförmig ausgebildet sind. Dabei beträgt die Fläche einer Vertiefung an der Oberfläche des Bauteils bevorzugt zwischen 30 μm² und 60 μm². Der Flächenanteil der Vertiefungen kann zwischen 5 % und 30 %, vorzugsweise zwischen 10 % und 25 %, der gesamten Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzten Oberfläche des Bauteils betragen.

Eine bevorzugte Möglichkeit zur Einbringung der Mikrovertiefungen ist, sie durch einen Laserschneidprozess einzubringen. Die Oberfläche des Bauteils kann dann nach dem Laserschneidprozess zur Einbringung der Mikrovertiefungen mechanisch geglättet werden.

Zumindest eines der Bauteile, die in Wälz- oder Gleitkontakt stehen, kann eine Oberflächenschicht, insbesondere eine Beschichtung, aufweisen, deren Material und/oder Materialeigenschaften sich vom Grundwerkstoff des Bauteils unterscheidet. Hierbei ist bevorzugt an ein Nitrocarburieren des Bauteils gedacht. Möglich ist auch ein Brünieren des Bauteils. Schließlich kommt auch in Frage, dass das Bauteil an seiner Oberfläche einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweist als der Grundwerkstoff des Bauteils.

Wenngleich die Erfindung bevorzugt vorgesehen ist, um als flüssigen Brennstoff Dieselöl zu verwenden, d. h. zu pumpen, kann auch vorgesehen werden, dass der flüssige Brennstoff Benzin ist.

Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung wird eine Reduzierung der Reibung zwischen den in Gleit- und/oder Wälzkontakt stehenden Teilen der Hochdruck- Radialkolbenpumpe erreicht, was jedoch mit relativ geringer Kostenbelastung einhergeht.

Es ergibt sich eine Trennung der Gleitpaarungen durch ein verbessertes Zurückhalten des zur Schmierung dienenden Kraftstoffs in den Vertiefungen (Schmiertaschen), und das über die gesamte Länge des Gleit- und/oder Wälzkontakts.

Es kann auf teure Beschichtungen (Kohlenstoffbeschichtungen) verzichtet werden, so dass das Produkt kostengünstiger wird.

Damit ist die Zuverlässigkeit der Pumpeneinheit bzw. des Einspritzsystems erhöht, da der Verschleiß der Bauteile herabgesetzt ist.

Es ergibt sich schließlich in vorteilhafter Weise infolge der Herabsetzung der Reibung auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Pumpe.

Kurze Beschreibung der Figuren

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 schematisch den Aufbau eines Diesel-Einspritzsystems mit einer Hochdruck-Radialkolbenpumpe,

2 die Hochdruck-Radialkolbenpumpe in geschnittener Seitenansicht in vergrößerter Darstellung,

3 die Draufsicht auf die Oberfläche eines Bauteils der Hochdruck-Radialkolbenpumpe, das im Betrieb Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzt ist,

4 eine zu 3 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung,

5 eine zu 3 entsprechende Darstellung einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung und

6 den Schnitt A-B gemäß 5 in vergrößerter Darstellung.

Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein Diesel-Einspritzsystem mit einer Radialkolben-Hochdruckpumpe 1 zu sehen, d. h. der Hochdruckteil der Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe. Ein Steuergerät 10 steuert die Einheit. Die Hochdruck-Radialkolbenpumpe 1 bringt das Dieselöl unter einen hohen Druck, zumeist im Bereich zwischen 1.000 und 1.500 bar. Der Kraftstoff wird dann zu einem Verteilerkörper 11 gefördert, der mit einem Hochdruckmagnetventil 12 in Verbindung steht. Von dort gelangt der Kraftstoff zu einem Druckrohranschluss 13 und weiter zur Einspritzung.
Der Aufbau der Radialkolben-Hochdruckpumpe 1 geht aus 2 hervor. In einem Gehäuse 14 ist eine Antriebswelle 3 konzentrisch zu einem Nockenring 2 gelagert. Der Nockenring 2 weist eine radial nach innen gerichtete Anlauffläche 7 auf, die eine Form aufweist, die der gewünschten Bewegung der Förderkolben 8 entspricht, die sich radial durch die Antriebswelle 3 erstrecken.
Für die Bewegung der Förderkolben 8 in radiale Richtung befinden sich im radial äußeren Bereich der Antriebswelle 3 Führungsschlitze 4, deren Breite der Abmessung von Rollenschuhen 5 angepasst sind. Am einen Ende der Rollenschuhe 5 sind die Förderkolben 8 angeordnet. Am anderen Ende der Rollenschuhe 5 sind zylindrische Rollen 6 (Laufrollen) angeordnet, deren Achse normal auf der Zeichenebene steht.
Bei der Rotation der Antriebswelle 3 laufen die Rollen 6 an der Anlauffläche 7 des Nockenrings 2 an, so dass es zu einer radialen Verschiebebewegung der Förderkolben 8 gemäß der Form der Anlauffläche 7 kommt.
Um die Haftfähigkeit des Dieselöls auf der Oberfläche der Bauteile 2, 4, 5 und/oder 6 zu verbessern, ist in zumindest eines der Bauteile, die in Gleit- und/oder Wälzkontakt stehen, Mikrovertiefungen 9 eingebracht, zu denen in den 3 bis 6 Einzelheiten zu sehen sind.
Die schematisch in 3 dargestellte Bauteiloberfläche von Nockenring 2, Führungsschlitz 4, Rollenschuh 5 und/oder Rolle 6 weist riefenförmige Mikrovertiefungen 9 auf, die durch einen Honvorgang kreuzförmig verlaufen. Es handelt sich dabei um Ausnehmungen in der Bauteiloberfläche, die sich bevorzugt nur wenige Mikrometer in die Tiefe erstrecken, insbesondere in eine Tiefe zwischen 3 μm und 30 μm von der Bauteiloberfläche aus gemessen.
Es handelt sich bei den Vertiefungen 9 gemäß 3 um eine Kombination sich kreuzender, riefenförmiger Ausnehmungen, die in einem weiteren Bearbeitungsvorgang geebnet worden sind. Hierzu wird in einem ersten Fertigungsschritt durch Honen (Vorhonen) im Kreuzfinishen die riefenförmige Struktur erzeugt. Dabei wird zunächst die komplette Schleifstruktur durch Honen abgetragen, da schleifbedingte Riefen in Umfangsrichtung ungünstig für den Schmierfilmaufbau sind. Die Kreuzstruktur wird anschließend durch Verwendung grober Honsteine in Kombination mit einer geringen Relativdrehzahl zwischen Werkzeug und Werkstück und einer hoher Oszillationsfrequenz erzeugt. In einem zweiten Fertigungsschritt (Fertighonen) werden die Spitzen des Vorhonens abgetragen, was durch die Verwendung feiner Honsteine erfolgen kann. Hierdurch kommt es zu einer Plateaubildung. Angestrebt werden dabei beispielsweise ca. 5 % riefenförmige Vertiefungen mit einer Breite zwischen 2 und 5 μm bzw. ca. 5 % flächenhafte Ausnehmungen mit einer Größe von ca. 30 bis 60 μm².
Spezifische Hinweise auf diese Verfahrensweise finden sich in der DE 195 13 254 A1 , auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Eine andere Möglichkeit, die Mikrovertiefungen herzustellen, besteht darin, dass ein Laserschneidverfahren verwendet wird. Hiermit können die Vertiefungen 9 hergestellt werden, wie sie aus 4 hervorgehen. Die Vertiefungen 9 sind hier in der Draufsicht stabförmig ausgebildet und reichen wieder wenige Mikrometer tief in das Material des Bauteils 2, 4, 5, 6. Die Länge der Vertiefungen 9 kann im Bereich von einigen Zehntel Millimetern bzw. einigen Millimetern liegen.
Mit dem Laserstrahlschneiden können auch Vertiefungen erzeugt werden, wie sie aus 5 hervorgehen. Hier sind diese punktförmig bzw. kreisförmig ausgebildet, wobei jeder Punkt eine kraterförmige Kontur hat, wie es aus 6 hervorgeht. Durch den Laserstrahlschneidprozess ergeben sich infolge der thermischen Belastung in 6 gestrichelt dargestellte Aufwerfungen 15, die nach dem Einbringen der Vertiefungen 9 durch einen mechanischen Glättprozess abgetragen werden können (Abziehen mittels Ölstein). Der Oberflächen-Anteil der Vertiefungen an der gesamten Oberfläche kann zwischen 10 und 20 % betragen, wodurch die Dachte der Punkte 9 vorgegeben ist. Es können aber auch schon mit einem Flächenanteil im Bereich von 2 % deutliche Verbesserung des Schmierverhaltens erreicht werden.
Durch die Einbringung der als Schmiertaschen fungierenden Vertiefungen 9 in die Bauteiloberfläche des Nockenring 2, insbesondere dessen Anlauffläche 7, der Führungsschlitze 4, der Rollenschuhe 5 bzw. der Rollen 6 ergibt sich in Abhängigkeit der Schmiertaschenanzahl, -größe bzw. -verteilung ein optimiertes Verschleißverhalten über die Gesamtlebensdauer der Pumpeneinheit. Der Erfindungsvorschlag kann grundsätzlich bei allen Werkstoffen und Härtekombinationen eingesetzt werden. Damit wird ein sicheres Vermeiden von Verschleiß über die Gesamtbreite des Gleit- bzw. Wälzkontakts (im Mischreibungsbereich) erzielt, da ein zu schnelles Abfließen des schmierenden Kraftstoffs durch die Schmiertaschen verhindert wird, so dass sich ein Schmierfilm aufbauen kann.
Beim Vorsehen einer gleichzeitigen Beschichtung (z.B. Nitrocarburieren, Brünieren, Aufbringen einer Kohlenstoffschicht) ergibt sich ferner ein verbessertes Einlaufverhalten der Pumpenelemente und generell ein verbessertes Anlaufverhalten beim Starten des Motors aus dem Mischreibungsbereich heraus.

1: Radialkolben-Hochdruckpumpe
2: Nockenring
3: Antriebswelle
4: Führungsschlitz
5: Rollenschuh
6: Rolle
7: Anlauffläche
8: Förderkolben
9: Mikrovertiefung
10: Steuergerät
11: Verteilerkörper
12: Hochdruckmagnetventil
13: Druckrohranschluss
14: Gehäuse
15: Aufwerfung

Claims

Radialkolben-Hochdruckpumpe (1) einer Einspritzanlage zum Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs in eine Verbrennungskraftmaschine, die einen Nockenring (2) und eine Antriebswelle (3) aufweist, in der in radial ausgerichteten Führungsschlitzen (4) Rollenschuhe (5) angeordnet sind, an deren einem axialen Ende Rollen (6) angeordnet sind, die an einer radial innenliegenden Anlauffläche (7) des Nockenrings (2) anlaufen, und an deren anderem axialen Ende ein Förderkolben (8) angeordnet ist, wobei der flüssige Brennstoff als Schmiermittel für Gleit- und/oder Wälzkontakt zwischen der Anlauffläche (7) des Nockenrings (2), den Führungsschlitzen (4), den Rollenschuhen (5) und/oder den Rollen (6) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Anlauffläche (7) des Nockenrings (2) und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Führungsschlitze (4) und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Rollenschuhe (5) und/oder die Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzte Oberfläche der Rollen (6) mit einer Vielzahl von Mikrovertiefungen (9) versehen sind.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrovertiefungen (9) aus einer plateauförmig aus gebildeten Grundgeometrie des Bauteils (2, 4, 5, 6) in das Material des Bauteils (2, 4, 5, 6) erstrecken.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen (9) riefenförmig ausgebildet sind.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Anzahl Riefen (9) kreuzen.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefen (9) stabförmig ausgebildet sind und parallel zueinander verlaufen.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefenbreite zwischen 2 μm und 5 μm beträgt.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen (9) durch einen zweistufigen Honprozess eingebracht sind.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Honprozess ein Kreuzfinishen und der zweite Honprozess ein Abtragen auf eine definierte Plateauhöhe ist.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen (9) punktförmig ausgebildet sind.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche einer Vertiefung (9) an der Oberfläche des Bauteils (2, 4, 5, 6) zwischen 30 μm² und 60 μm² beträgt.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Vertiefungen (9) zwischen 5 % und 30 %, vorzugsweise zwischen 10 % und 25 %, der gesamten Gleit- und/oder Wälzkontakt ausgesetzten Oberfläche des Bauteils (2, 4, 5, 6) beträgt.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrovertiefungen (9) durch einen Laserschneidprozess eingebracht sind.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils (2, 4, 5, 6) nach dem Laserschneidprozess zur Einbringung der Mikrovertiefungen (9) mechanisch geglättet ist.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile (2, 4, 5, 6) eine Oberflächenschicht, insbesondere eine Beschichtung, aufweist, deren Material und/oder Materialeigenschaften sich vom Grundwerkstoff des Bauteils (2, 4, 5, 6) unterscheidet.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4, 5, 6) nitrocarburiert ist.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4, 5, 6) brüniert ist.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4, 5, 6) an seiner Oberfläche einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweist als der Grundwerkstoff des Bauteils (2, 4, 5, 6).
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Brennstoff Dieselöl ist.
Radialkolben-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Brennstoff Benzin ist.