DE69505599T2 - Hochdruckpumpe zum Speisen von Kraftstoffeinspritzventilen für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Es ist bekannt, Einspritzventile in Verbrennungsmotoren einzusetzen. Um solche Einspritzventile zu speisen, werden jedoch Hochdruckpumpen (mit etwa 140 Bar) benötigt, und es ist sehr schwierig, derartige Pumpen zu verwirklichen, da der Kraftstoff eine sehr geringe Viskosität und Schmierfähigkeit besitzt, mit der Folge, daß diese Pumpen aufwendig sind.
• Hydraulikpumpen mit Axialkolben, welche mittels einer Pendelscheibe in einer alternierenden Bewegung angetrieben werden, sind seit sehr langer Zeit bekannt. Insbesondere im Patent 1.519.694 vom 3. Februar 1967 ist eine Pumpe mit Pendelscheibe beschrieben, gegen deren geneigte Fläche sich eine Vielzahl von Hohlkolben abstützen, deren jeder von einer Feder vorgespannt wird. Jeder Hohlkolben ist mit einem Kugelkopf ausgestattet, der in der konischen Aussparung einer ebenfalls hohlen Scheibe ruht, die auf der geneigten Fläche der Pendelscheibe gleitet. Auf dieser geneigten Fläche ist eine gebogene, sichelförmige Vertiefung derart eingebracht, daß, wenn sich eine Kufe oberhalb der Sichel vorüberbewegt, die hydraulische Verbindung zwischen der mit Öl gefüllten Kammer, in der die Pendelscheibe schwingt, und dem Inneren des entsprechenden Hohlkolbens hergestellt wird; dadurch wird die Phase zum Einlassen der Hydraulikflüssigkeit in den Kolben realisiert. In dem Abschnitt der Bahn der Kufe, welcher der Förderbewegung des Kolbens entspricht, wird diese Verbindung unterbrochen, und die Flüssigkeit wird über ein Rückschlagventil, das auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens angeordnet ist, unter Hochdruck gefördert.
• Diese Anordnung läßt es nicht zu, Flüssigkeiten wie bleifreies Benzin unter hohem Druck zu pumpen, denn dies führt sofort zu Kolbenfressern und zu Leckagen.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine solche Pumpe, die den beträchtlichen Vorteil aufweist, daß sie sehr einfach und somit sehr preisgünstig ist und sich gleichzeitig nicht festfrißt, auch wenn der Kraftstoff, insbesondere bleifreier Kraftstoff, praktisch keinerlei Schmiervermögen aufweist.
• Bei der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Pumpe mit einer Pendelscheibe und mit Axialkolben der Art, bei der diese Axialkolben hohl sind und jeder einen teilkugelförmigen Kopf aufweist, der auf einer Gleitscheibe ruht, die auf der Oberfläche der Pendelscheibe gleitet, welche in einer Ansaugkammer läuft, die mit der zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt ist, und die eine gekrümmte sichelförmige Öffnung umfaßt, welche das Ansaugen von Kraftstoff durch die Scheiben und die Köpfe der Kolben hindurch zuläßt, wobei die Pumpe dadurch gekennzeichnet ist, daß ihr Körper einstückig ausgebildet ist und aus zwei Teilen besteht, wobei der erste Teil eine zylindrische Bohrung aufweist, in der die Welle der Pumpe und die sie tragenden Lager vorgesehen sind, während der zweite Teil mit einer anderen Bohrung versehen ist, in der folgendes angebracht ist: eine Pendelscheibe, die mit der Welle der Pumpe einstückig ausgebildet ist, ein zylindrischer Kern, dessen Seitenflächen parallel verlaufen und durch den eine Reihe von Durchgangsbohrungen verläuft, die zur Aufnahme der Kolben dienen, ein zweiter Kern, dessen ebene Vorderfläche gegen die Rückfläche des ersten Kernes anliegt, wobei dieser zweite Kern Rückschlagventile jeder Durchgangsbohrung gegenüberliegend trägt und sein hinterer Abschnitt eine Ringschulter aufweist, und ein Schraubstöpsel am Ende der zweiten Bohrung, der gegen die Schulter des zweiten Kerns derart anliegt, daß er die beiden gegeneinander gedrückten Kerne in Anlage gegen einen Ringanschlag hält, der in dem zweiten Teil des Körpers der Pumpe auf dem Niveau der vorderen Fläche des ersten Kernes ausgebildet ist, wobei die beiden Teile des Körpers der Pumpe voneinander durch eine Dichtung derart abgeteilt sind, daß sich nur die Elemente des zweiten Teils in Kontakt mit dem einzuspritzenden Kraftstoff befinden.
• Als Beispiel und zum leichteren Verständnis der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
• Betrachtet man diese Figur, so wird ersichtlich, daß der Körper 1 der Pumpe aus zwei Teilen 1a und 1b besteht, wobei die Bohrung des Teils 1a einen Durchmesser aufweisen kann, der von dem des Teils 1b verschieden ist, und wobei diese zwei Teile durch eine Dichtung 2 voneinander abgetrennt sind.
• Der erste Teil 1a wird gleichermaßen von einer anderen Dichtung 3 abgedichtet, und zwischen den beiden Dichtungen 2 und 3 sind Wälzlager 4 vorgesehen, welche die Welle 5 der Pumpe tragen. Ein Stöpsel 6 ermöglicht es, eine Menge an Schmiermittel zu dosieren, die in dem freien Raum aufgenommen ist, welcher zwischen den Dichtungen 2 und 3 eingeschlossen ist.
• Die Innenbohrung des Teils 1b umfaßt eine kreisförmige Einfassung 7, die zur Ausbildung eines Stützanschlags dient.
• Auf der dem Teil 1a zugewandten Seite des Anschlags 7 ist eine Kammer 8 ausgebildet, die als Einlaßkammer bezeichnet wird und in der eine Pendelscheibe 9 hin- und herläuft, die einstückig mit der Welle 5 ausgebildet ist und im dargestellten Beispiel einen Durchmesser aufweist, der nahe bei dem der Welle 5 liegt.
• Zwischen der Pendelscheibe 9 und der Welle 5 ist ein zylindrischer Ring 10 angeordnet, der als Stützfläche für die Dichtung 2 dient.
• Auf der anderen Seite des Anschlags 7 ist ein zylindrischer Kern 11 vorgesehen. Dieser zylindrische Kern 11 umfaßt zwei ebene, parallele Flächen 11a und 11b. Außerdem wird dieser Kern von einer Mehrzahl von Durchgangsbohrungen 12, deren Zahl im dargestellten Beispiel drei beträgt, durchquert.
• In jeder Bohrung 12 ist ein Hohlkolben 13 angeordnet, dessen Kopf 14 ein Kugelabschnitt ist, der in der konischen Aussparung einer Stützscheibe 15 sitzt, die auf der Oberfläche 9a der Pendelscheibe 9 gleitet.
• In an sich bekannter Weise ist die Oberfläche 9a der Pendelscheibe 9 mit einer gekrümmten, sichelförmigen Öffnung versehen, die es zuläßt, daß die in der Kammer 8 befindliche Flüssigkeit die Scheibe 15 und den Kopf 14 durchquert, um ins Innere des Kolbens 13 zu gelangen. Die Kammer 8 umfaßt eine Einlaßöffnung 8a.
• Gegen die hintere Fläche 11b des Kerns 11 kommt die vordere Fläche eines zweiten Kerns 16 zur Anlage, der eine Vielzahl von Rückschlagventilen 17 trägt, deren jedes jeweils einer Bohrung 12 (im dargestellten Beispiel sind es drei) gegenüberliegt.
• An seinem hinteren Teil weist dieser Kern 16 eine Schulter 18 auf. Ein Stöpsel 19, der in die Innenbohrung des Teils 1b eingeschraubt ist, kommt gegen die Schulter 18 des Kerns 16 zur Anlage und hält so die zwei Kerne 16 und 11 zusammengedrückt in Anlage gegen den Ringanschlag 7. Ein Arretierstift 20 stellt eine genaue Ausrichtung der zwei Kerne 11 und 16 zueinander sicher.
• Die Welle 5 der Pumpe ist aus Stahl gefertigt, der so legiert und vergütet ist, daß er eine Rockwell- Härte von 62HRC aufweist. Die Fläche 9a der Gleitscheibe wird einer Reihe von Bearbeitungsvorgängen in Form von Schleifen, Glattschleifen und Polieren mit einer Paste unterzogen, um einen Oberflächenzustand zu erhalten, der einer Rauhigkeitszahl Ra (arithmetische Rauhigkeit) von weniger als 0,2 Micron entspricht.
• Die Scheiben 15 sind aus Bronze gefertigt; ihre glatte Fläche ist bis zu Ra = 2 Micron glattgeschliffen. Die konische Aussparung jeder der Scheiben 15, in welcher der Kugelkopf 14 des Kolbens ruht, wird zuerst so poliert, daß sie einen Oberflächenzustand aufweist, welcher der Norm Ra = 0,2 Micron entspricht, und anschließend bringt man in diese Oberfläche eine Vielzahl von sich kreuzenden Riefen mit einer Tiefe von weniger als einem Hundertstelmillimeter ein. Dies gestattet es, einen Flüssigkeitsfilm am Kontaktkreis zwischen Kegel/Kugel selbst aufrechtzuerhalten, wenn die Pumpe stillsteht, und das Festtressen beim Anlassen zu verhindern.
• Die Kolben 13 bestehen aus Stahl, der so legiert und vergütet ist, daß er eine Rockwell-Härte von 62 HRC aufweist. Die Kugel jedes Kolbens wird bis zu einem Oberflächenzustand von Ra = 0,1 Micron gehont. An das Honen schließt sich ein Polieren mit einer Paste an, um eine "Spiegelpolitur" zu erhalten. Der Kern 11 besteht aus einem Lagerstahl, der bis zu einer Rockwell-Kernhärte von 60 HRC vergütet wurde.
• Die Tatsache, daß die Bohrungen 12 Durchgangsbohrungen sind, erlaubt es, ihre Oberfläche mit derselben großen Genauigkeit zu bearbeiten wie die der Kolben, um ihnen denselben Oberflächenzustand zu verleihen.
• Die Oberfläche der hinteren Fläche 11b des Körpers 11 wird geschliffen, dann gehont, und die Endpolitur auf Marmor erlaubt es, einen "glattgeschliffenen" Oberflächenzustand mit einer Rauhigkeit Ra von weniger als 0,2 Micron zu erzielen.
• Die Rückschlagventile 17 bestehen aus Stahl mit hohen mechanischen Eigenschaften und sind so behandelt, daß sie eine Bruchfestigkeit von 1.800 N/mm² aufweisen. Nach dieser Behandlung werden die Ventile einem Glattschleifen, um einen Oberflächenzustand Ra = 0,2 Micron zu erhalten, dann einer Glättung auf Poliermarmor mit einer Glätte von weniger als einem "Frange" unterzogen, wobei Frange eine Maßeinheit für Glätte ist. Auf diese Weise erzielt man eine hohe Qualität der Abdichtung zwischen der Fläche 11b/den Ventilen 17.
• Die Schraubenmutter 19 gestattet den Aufbau einer Vorspannung auf die Kerne 11 und 16, die mit einer Kraft zusammengedrückt werden, welche höher als die maximale Trennkraft ist, der sie während des Betriebs ausgesetzt sind.
• Diese zwei Kerne sind vorzugsweise mit Dichtungen 21 und 22 versehen. Doch auch hier kann dadurch, daß die Innenbohrung des Teils 1b eine Durchgangsbohrung ist, und dadurch, daß die Außenwände der Kerne 11 und 16 Zylinder sind, ein perfekter Oberflächenzustand dieser Wände und damit eine Abdichtung durch den Kontakt von Metall auf Metall derart erzielt werden, daß die Dichtungen 21 und 22 praktisch nicht beansprucht werden und somit eine hervorragende Zeitstandfestigkeit aufweisen.
• Im dargestellten Beispiel wird die Neigung der Pendelscheibe so festgelegt, daß der Wert der Tangente 0,2 beträgt, was einen Winkel von 11,2º ergibt. Dieser Winkel liegt bevorzugt zwischen 10º und 15º. Bei höheren Werten wird die Radialkomponente der auf die Kolben einwirkenden Kräfte zu groß, was zu einem Fressen zwischen den Kolben und ihren Bohrungen führen kann.
• Die besondere Bauweise der Pumpe läßt es zu, zwei unterschiedliche, voneinander durch die Dichtung 2 getrennte Teile zu haben, wobei der Teil 1a, der die größten Kräfte aushält, vom Kraftstoff isoliert ist und in einem Schmiermittel badet, und nur der zweite Teil 1b in den Kraftstoff eingetaucht ist.
• Alle diese Vorrichtungen führen dazu, daß es möglich ist, eine Pumpe mit Pendelscheibe zu verwirklichen, die nicht nur eine hydraulische Flüssigkeit mit einer guten Viskosität (200 centiStoke), sondern auch Kraftstoff mit einer 400-mal niedrigeren Viskosität (0,5 centiStoke) pumpt, was bisher niemals erreicht werden konnte.

Claims (12)

1. Hockdruckpumpe zum Speisen von Kraftstoffeinspritzventilen des Typs mit einer Pendelscheibe (9) und Axialkolben (13), die hohl ausgebildet sind und deren jeder mittels eines kugelförmigen Kopfes (14) auf einer Gleitscheibe (15) ruht, der auf der Pendelscheibe (9) gleitet, die in einer Ansaugkammer (8) hin und herläuft, welche insbesondere mit bleifreiem Kraftstoff gefüllt ist, und eine sichelförmige Öffnung enthält, welche das Ansaugen von Kraftstoff in die Kolben (13) durch die Scheiben (15) und die Köpfe (14) der Kolben hindurch gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) der Pumpe einstückig ausgebildet ist und aus zwei Teilen besteht, wobei der erste Teil (1a) eine zylindrische Bohrung aufweist, in der die Welle (5) der Pumpe und deren Lager (4) vorgesehen sind, während der zweite Teil (1b) mit einer anderen Bohrung versehen ist, in der folgendes angebracht ist, eine Pendelscheibe (9), die mit der Welle (5) der Pumpe einstückig ausgebildet ist, ein zylindrischer Kern (11), dessen Flächen (11a, 11b) parallel verlaufen und der von einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen (12) durchsetzt wird, die zur Aufnahme der Kolben (13) dienen, ein zweiter zylindrischer Kern (16), dessen vordere ebene Fläche gegen die hintere Fläche (11b) des ersten Kernes anliegt, wobei dieser zweite Kern (16) Rückschlagventile (17) jeder Bohrung (12) gegenüberliegend trägt und sein hinterer Abschnitt eine Ringschulter (18) aufweist, und ein Schraubstöpsel (19) am Ende der Innenbohrung des zweiten Abschnitts (1b) des Körpers der Pumpe (1), wobei dieser Stöpsel (19) gegen die Schulter (18) des zweiten Kerns (16) derart anliegt, daß er die beiden gegeneinander gedrückten Kerne (11,16) in Anlage gegen einen Ringanschlag (7) hält, der in dem zweiten Teil (1b) des Körpers der Pumpe (1) ausgebildet ist, wobei die Innenbohrungen der beiden Teile (1a, 1b) des Körpers der Pumpe voneinander durch eine Dichtung (2) derart abgeteilt sind, daß nur die Elemente, die in dem zweiten Teil (1b) angebracht sind, sich in Kontakt mit dem einzuspritzenden Kraftstoff befinden.

2. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Innenbohrung des ersten Teils (1a) des Körpers der Pumpe (1) mit einer zweiten Dichtung (3) derart versehen ist, daß der Raum, in dem die Lager angebracht sind, abgedichtet und mit einem Schmiermittel mit dosierter Kapazität gefüllt ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Pendelscheibe (9) eine Neigung aufweist, die bevorzugt im Bereich von 10º bis 15º liegt.

4. Pumpe nach Anspruch 3, bei der die Pendelscheibe (9) eine Neigung von 11,2º hat.

5. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Gleitscheiben (15) aus Bronze sind, wobei die die Kugelköpfe (14) der Hohlkolben (13) aufnehmenden konischen Aussparungen dieser Scheiben zuerst poliert werden, um einen Oberflächenzustand von Ra = 0,2 Micron aufzuweisen, und wobei diese Oberfläche anschließend mit sich kreuzenden Riefen einer mittleren Tiefe von weniger als einem Hundertstelmillimeter versehen wird.

6. Pumpe nach Anspruch 1, bei der der Kern (11), in dem die Bohrungen (12) zur Aufnahme der Hohlkolben (13) ausgebildet sind, aus einem vergüteten Lagerstahl mit einer Rockwell-Kernhärte von 60 HRC besteht, wobei die Kolben (13) aus legiertem und vergütetem Stahl mit einer Rockwell-Härte von 62 HRC gefertigt sind.

7. Pumpe nach Anspruch 6, bei der der Kugelkopf (14) jedes Kolbens (13) zum Erreichen eines Oberflächenzustandes Ra = 0,1 Micron gehont und anschließend mit einer Paste bis zum Erreichen einer "Spiegelpolitur" poliert ist.

8. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die hintere Fläche (11b) des Kerns (11), in dem die Bohrungen (12) für die Hohlkolben (13) ausgebildet sind, poliert, geschliffen, geläppt sowie anschließend auf Marmor poliert ist, um einen Oberflächenzustand "glattgeschliffen" mit einer Rauhigkeit Ra kleiner als 0,2 Micron zu erhalten.

9. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Fläche (9a) der Taumelscheibe (9) geschliffen, geläppt und poliert ist, um einen Oberflächenzustand mit einer Rauhigkeit Ra kleiner als 0,2 Micron zu erhalten.

10. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Kerne (11) und (16) mittels des Stöpsels (19) vorgespannt sind derart, daß sie gegeneinander gedrückt werden mit einer Kraft, die mindestens etwas größer als die maximale Trennkraft ist, der sie bei Betrieb unterliegen können.

11. Pumpe nach Anspruch 8, bei der die genaue Positionierung der Kerne (11) und (16) relativ zueinander durch einen Stift (20) erhalten wird.

12. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Kerne (11 und 16) mit Dichtungen (21 und 22) versehen sind.