DE102009054944A1

DE102009054944A1 - Kavitationsvermeidung am Pumpenzylinder einer Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102009054944A1
Application number: DE200910054944
Authority: DE
Inventors: Marcus 71735 Kristen; Friedrich 70499 Boecking; Andreas 70469 Dutt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011072913A2; WO2011072913A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse 1, in dem zumindest ein in einem Pumpenzylinder 4 axial bewegbarer Stößel 5 zwischen einer unteren Totpunktstellung (UT-Stellung) und einer oberen Totpunktstellung (OT-Stellung) bewegbar ist. Erfindungsgemäß wird eine Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine bereitgestellt, bei der eine Kavitationserosion im Bereich eines Pumpenzylinders 4 vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Stößel 5 und dem Pumpenzylinder 4 eihen der UT-Stellung und der OT-Stellung zumindest eine eine Kippbewegung ausführende Stellung einnimmt und dass der durch die Kippbewegung hervorgerufene Quetschspalt 10 mit einem Druckabführspalt 11 verbunden ist. Eine Variante sieht vor, dass das Spiel zwischen dem Stößel 5 und dem Pumpenzylinder 4 auf einen Wert von 2/1000 × D (D = Durchmesser des Pumpenzylinders) begrenzt ist. Durch diese Begrenzung des Spiels wird die Kippbewegung soweit minimiert, dass quasi keine Dampfblasen entstehen können.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse, in dem zumindest ein in einem Pumpenzylinder axial bewegbarer Stößel zwischen einer unteren Totpunktstellung (UT-Stellung) und einer oberen Totpunktstellung (OT-Stellung) bewegbar ist.
Stand der Technik
Eine derartige Hochdruckpumpe ist aus der DE 10 2005 027 851 A1 bekannt. Diese Hochdruckpumpe ist so ausgebildet, dass deren Pumpengehäuse und die Lager der Antriebswelle zwangsweise von Kraftstoff durchströmt werden. Dadurch wird die mechanische und thermische Belastbarkeit der Lager und damit der gesamten Hochdruckpumpe deutlich erhöht. Durch diese Ausgestaltung wird weiterhin die Kavitationsneigung im Inneren des Pumpengehäuses verringert. Schließlich wird dadurch die Bildung von Dampfblasen und örtlichen Überhitzungen (sogenannte Notspots) wirksam unterbunden. Durch diese Ausgestaltung kann auf eine sonst übliche Schmierdrossel zwischen einer Vorförderpumpe und dem Pumpengehäuse verzichtet werden, so dass diese Hochdruckpumpe trotz der genannten Vorteile einfacher als herkömmliche Hochdruckpumpen aufgebaut ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine bereit zustellen, bei der eine Kavitationserosinn im Bereich eines Pumpenzylinders vermieden wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen dem Stößel und dem Pumpenzylinder ein Fluidfilm aufgebaut ist, dass der Stößel zwischen der UT-Stellung und der OT-Stellung zumindest eine eine Kippbewegung ausführende Stellung einnimmt und dass der durch die Kippbewegung hervorgerufene Quetschspalt mit einem Druckabführspalt verbunden ist. Bei der Drehbewegung erzeugt der Nockentrieb Querkräfte auf den Stößel, wobei die Querkräfte beim Förderhub und Saughub entgegengerichtet sind. Durch die Kraftumkehr bewegt sich der Stößel im Aufwärtshub und Abwärtshub in dem Pumpenzylinder von einer zur anderen Anlageseite und führt dabei eine Kippbewegung aus. Durch diese schnellen und zyklischen Kipp- und Verschiebebewegungen des Stößels können im Spalt zwischen dem Stößel und dem Pumpenzylinder Kavitationsblasen entstehen und bei der Implosion der Kaviationsblasen können in Folge dessen Kavitationserosionsschäden entstehen. Solche Kavitationsblasen können aber dadurch, dass der Quetschspalt, in dessen Bereich die Kaviationsblasen entstehen, mit einem Druckabführspalt verbunden ist, nicht entstehen. Dadurch ist die Möglichkeit des Entstehens von Kavitationserosionsschäden ausgeschlossen.
Eine Variante zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht vor, dass das Spiel zwischen dem Stößel und dem Pumpenzylinder auf einen Wert von 2/1000 × D (D = Durchmesser des Pumpenzylinders) begrenzt ist. Durch diese Begrenzung des Spiels wird die Kippbewegung soweit minimiert, dass quasi keine Dampfblasen entstehen können.
Es kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, eine Kombination der beiden Ausgestaltungen, also der Verbindung eines Quetschspaltes mit einem Druckabführspalt und der Minimierung des Spiels zwischen dem Stößel und dem Pumpenzylinder zu verwirklichen.
In Weiterbildung der Erfindung sind ein oberer und ein unterer Quetschspalt vorhanden, die mit zumindest einem Druckabführspalt verbunden sind. Dieser Druckabführspalt erstreckt sich dann über den gesamten Bereich zwischen den oberen und dem unteren Quetschspalt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der obere und der untere Quetschspalt mit jeweils einem zugeordneten Druckabführspalt verbunden. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Führungsfläche des Stößels in dem Pumpenzylinder zu maximieren, da nur im Bereich beiden Quetschspalte jeweils ein Druckabführspalt vorhanden ist.
In Weiterbildung der Erfindung sind der obere und der untere Druckabführspalt über eine Ausgleichsnut miteinander verbunden. Diese Verbindung ermöglicht einen Volumenausgleich zwischen dem oberen und dem unteren Druckabführspalt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der zumindest eine Druckabführspalt über eine Spülbohrung mit einem Federinnenraum verbunden. Auch durch diese Ausgestaltung wird ein Volumenausgleich in dem entsprechenden Bereich der Hochdruckpumpe erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest eine Druckabführspalt in den Stößel eingelassen. Durch diese Ausgestaltung wird das Verschleißverhalten des Pumpenzylinders bei der Querkraftabstützung nicht beeinträchtigt. Es kann aber in weiterer Ausgestaltung auch vorgesehen sein, den zumindest einen Druckabführspalt in dem Pumpenzylinder anzuordnen. Dies wird dann in Erwägung gezogen werden, wenn der Druckabführspalt relativ schmal ist und dadurch das Verschleißverhalten nicht oder nur ganz unwesentlich beeinflusst wird.
Grundsätzlich ist die Erfindung bei allen Hochdruckpumpe mit einem querkraftausgleichenden Stößel anwendbar. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei Hochdruckpumpen in Verbindung mit einem Common-Rail-System eingesetzt. Bei einem solchen Common-Rail-System sind heute Raildrücke bis ca. 3000 bar realisiert und demzufolge die mechanischen Belastungen der Hochdruckpumpe besonders hoch. Die Hochdruckpumpe kann des Weiteren eine oder mehrere Stößel-Pumpenzylinder-Einheiten aufweisen, die in ein Pumpengehäuse integriert sind und von einer gemeinsamen Nockenwelle betätigt werden. Dabei wird die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe besonders bei Langläufern eingesetzt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erste Variante einer erfindungsgemäß ausgestalten Hochdruckpumpe,
2a, 2b jeweils einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Hochdruckpumpe in einer zweiten Ausführungsform, wobei unterschiedliche Stößelstellungen dargestellt sind,
3 einen Stößel, mit einem eingelassenen Druckabführspalt, und
4 einen Stößel mit zwei eingelassenen Druckabführspalten.
Ausführungsform der Erfindung
Die in 1 (und den weiteren Figuren) dargestellte Hochdruckpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf, in dem eine Nockenwelle 2 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle 2 weist zwei gegenüberliegende Nocken 3a, 3b auf. Die Nockenwelle wird in geeigneter Weise von einer Welle, beispielsweise der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, an der die Hockdruckpumpe verbaut ist, angetrieben. Die Hochdruckpumpe wird zur Förderung von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff in einen Hochdruckspeicher der mit einem Common Rail Einspritzsytem ausgestatteten selbstzündenden Brennkraftmaschine eingesetzt. Der Kraftstoff wird der Hochdruckpumpe aus einem Kraftstofftank von einer Vorförderpumpe gesteuert über eine Zumesseinheit und einem Absteuerventil zugeführt. Dem Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff von Injektoren entnommen, die den Kraftstoff in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Der Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher beträgt bis zu 3000 bar.
Mit dem Pumpengehäuse 1 der Hochdruckpumpe ist zumindest ein Pumpenzylinder 4 verbunden, in dem ein Stößel 5 axial verschiebbar geführt ist. Der Stößel 5 ist nockenwellenseitig mit einem eine Rolle 7 tragenden Rollenträgerkörper 6 verbunden. Die Rolle 7 rollt bei einer Drehbewegung der Nockenwelle 2 auf dieser bzw. den Nocken 3a, 3b ab und wandelt die Drehbewegung der Nockenwelle 2 in eine Axialbewegung des Stößels 5. Dabei leitet der Stößel 5 die Querkräfte aus der Rolle 7 in das Pumpengehäuse 1 beziehungsweise den Pumpenzylinder 4 ein und der Stößel 5 wird einseitig an den Pumpenzylinder 4 gedrückt.
Der Stößel 5 ist auf der von der Nockenwelle 2 abgewandten Seite mit einem Pumpenkolben 8 verbunden, der wiederum in einen Hochdruckpumpenzylinder 9 bewegbar ist. Dem Hochdruckpumpenzylinder 9 wird der zu verdichtende Kraftstoff über beispielsweise eine Vorpumpe zugeführt und von dem Pumpenkolben 8 über eine Leitung in den Hochdruckspeicher des Common-Rail-Einspritzsystems gefördert. Der Pumpenkolben wird im übrigen von einer in der Zeichnung nicht dargestelleten Druckfeder , die in dem den Hochdruckpumpenzylder umgebenden Ringraum angeordnet ist, gegen den Stößel 5 und den Rollenträgerkörper 6 gedrückt. Damit ist sichergestellt, dass die Rolle 7 immer ohne abzuheben auf der Nockenwelle 2 und den Nocken 2a, 2b abrollt.
Bei der Drehbewegung der Nockenwelle 2 nimmt der Stößel 5 zwischen der UT-Stellung und OT-Stellung insbesondere zwei (insbesondere im Bereich der maximalen Kraftübertragung zwischen der Nockenwelle 2 und dem Stößel 5 gelegene) Stellungen ein, die jeweils eine Kippbewegung des Stößels 5 zu unterschiedlichen Anlageseiten (siehe auch 2a und 2b) an dem Pumpenzylinder 4 bewirken. Diese Kippbewegungen des Stößels 5 führen zur Bildung eines oberen Quetschspaltes 10a und eines unteren Quetschspaltes 10b, wobei an diesen Stellen – auch hervorgerufen durch Druckschwankungen des zur Schmierung der Bauteile zwischen dem Stößel 5 und dem Pumpenzylinder befindlichen Kraftstoffs – die Möglichkeit eines Auftretens von Kavitationserosionsschäden besonders ausgeprägt ist.
Zurückkommend auf 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich des unteren Quetschspaltes 10b ein Druckabführspalt 11 vorhanden, der in den Pumpenzylinder 4 bzw. das Pumpengehäuse 1 eingelassen ist. Ein solcher Druckabführspalt 11 kann selbstverständlich auch im Bereich des oberen Quetschspaltes 10a angeordnet sein (in der Figur nicht dargestellt).
In den 2a, 2b sind die beiden Stellungen der Nockenwelle 2 dargestellt, bei denen die beiden unterschiedlichen Kippbewegungen des Stößels 5 ausgeführt werden und die Zonen angegeben, in denen sich die Quetschspalte 10a, 10b einstellen, die zu den geschilderten Kavitationserosionsschäden führen können. In den 2a, 2b sind an der Nockenwelle 2 bzw. dem Nocken 3a jeweils die UT und OT Positionen angegeben, in denen der Stößel 5 zusammenwirkend mit der Nockenwelle 2 jeweils seine UT-Stellung bzw. OT-Stellung einnimmt. Weiterhin ist in 2a der Durchmesser D des Pumpenzylinders 4 und der Durchmesser d des Stößels 5 definiert. Zur besseren Übersicht sind in den
2a, 2b keine Druckabführspalte dargestellt, diese sind in den zugehörigen 3 und 4 in zwei Varianten dargestellt, wobei beide Varianten die Gemeinsamkeit haben, dass der jeweilige Druckabführspalt in den Stößel 5 eingelassen ist.
3 zeigt einen Stößel 5, in den ein durchgehender Druckabführspalt 11a eingelassen ist, der sich zwischen den Quetschspalten 10a bis 10b gemäß den 2a, 2b erstreckt. Der Druckabführspalt 11a ist über eine Spülbohrung 12 mit einem Innenraum des Stößels 5 verbunden.
Abweichend von 3 sind in den um 90° gedreht dargestellten Stößel 5 gemäß 4 zwei im Bereich der Quetschspalte 10a, 10b angeordnete Druckabführspalte 11b, 11c eingelassen, die über eine Ausgleichsnut 13 miteinander verbunden sind. Zumindest der Druckabführspalt 11c ist über eine Spülbohrung mit dem Innenraum des Stößels 5 verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005027851 A1 [0002]

Claims

Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse (1), in dem zumindest ein in einem Pumpenzylinder (4) axial bewegbarer Stößel (5) zwischen einer unteren Totpunktstellung (UT-Stellung) und einer oberen Totpunktstellung (OT-Stellung) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stößel (5) und dem Pumpenzylinder (4) ein Fluidfilm aufgebaut ist, dass der Stößel (5) zwischen der UT-Stellung und der OT-Stellung zumindest eine eine Kippbewegung ausführende Stellung einnimmt und dass der durch die Kippbewegung hervorgerufene Quetschspalt (10) mit einem Druckabführspalt (11) verbunden ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Quetschspalt (10a) und ein unterer Quetschspalt (10b) vorhanden sind, die mit zumindest einem Druckabführspalt (11a) verbunden sind.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Quetschspalt (10a) und der untere Quetschspalt (10b) mit jeweils einem zugeordneten Druckabführspalt (11b, 11c) verbunden sind.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Druckabführspalt (11b) und der untere Druckabführspalt (11c) über eine Ausgleichsnut (13) miteinander verbunden sind.
Hochdruckpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Druckabführspalt über eine Spülbohrung mit einem Federinnenraum verbunden ist.
Hochdruckpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Druckabführspalt (11a, 11b, 11c) in den Stößel (5) eingelassen ist.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Druckabführspalt (11) in den Pumpenzylinder (4) eingelassen ist.
Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse (1), in dem zumindest ein in einem Pumpenzylinder (4) axial bewegbarer Stößel (5) zwischen einer unteren Totpunktstellung (UT-Stellung) und einer oberen Totpunktstellung (OT-Stellung) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel zwischen dem Stößel (5) und dem Pumpenzylinder (4) auf einen Wert von 2/1000 × D (D = Durchmesser des Pumpenzylinders) begrenzt ist.
Hochdruckpumpe für das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse (1), in dem zumindest ein in einem Pumpenzylinder (4) axial bewegbarer Stößel (5) zwischen einer unteren Totpunktstellung (UT-Stellung) und einer oberen Totpunktstellung (OT-Stellung) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, durch eine Kombination nach einem der Ansprüche 1 und 8.