EP0925445B1

EP0925445B1 - Radialkolbenpumpe zur kraftstoffhochdruckversorgung

Info

Publication number: EP0925445B1
Application number: EP98941253A
Authority: EP
Inventors: Josef Güntert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: EP0925445A1; US6238189B1; WO1999002857A2; WO1999002857A3; JP2001506343A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Radialkolbenpumpe wird von der Anmelderin unter der Handelsbezeichnung CP1 vertrieben. Bei einer derartigen vorbekannten Pumpe werden die Montagekräfte über mehrere Komponenten, die sich gegeneinander abstützen eingeleitet. Zur Abdichtung sind eine Anzahl von elastomeren Dichtungselementen verwendet.
Aus der US 4,968,220 ist eine Radialkolbenpumpe bekannt, deren Pumpengehäuse zweiteilig aufgebaut ist. In einem im wesentlichen ringfömigen Teil des Pumpengehäuses sind Radialbohrungen vorgesehen in die je eine Zylinderbuchse eingepresst wird. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird durch eine Querbohrung in der Zylinderbuchse und eine mit dieser Querbohrung kommunizierende weitere Bohrung in dem im wesentlichen ringfömigen Teil des Pumpengehäuses abgeführt. Die Abdichtung erfolgt dabei über eine Presspassung zwischen Zylinder und Gehäuseteil. Diese Radialkolbenpumpe ist fertigungstechnisch nur schwer zu beherrschen, da die Zylinderbuchsen aller Pumpenelemente in ein im wesentlichen ringfömiges Teil des Pumpengehäuses eingepresst werden. Mit der Presspassung muß nicht nur die o. g. Abdichtung gewährleistet werden, sondern die Passung zwischen Pumpenkolben und Zylinderlaufbahn wird auch durch diese Presspassung beeinflusst.
Aus der US 4,952,121 ist eine Pumpe mit einer Vielzahl von Zylindern, die radial, sternförmig um eine Welle mit einem exzentrischen Wellenabschnitt in einem Gehäuse angeordnet sind, bekannt. Das Gehäuse ist zweiteilig ausgebildet und die beiden Gehäuseteile sind mit Hilfe von Bolzen miteinander verbunden. Jeder Zylinder ist zwischen den beiden Gehäuseteilen zwischen einem Paar Bolzen eingespannt. Zwischen dem Zylinder und einem der Gehäuseteile ist ein Hochdruckventilgehäuse eingespannt. Zwischen den beiden Gehäuseteilen ist ein elastomeres Dichtelement angeordnet. Diese Radialkolbenpumpe hat den Nachteil, dass die Montagekräfte über die beiden Gehäuseteile und das Hochdruckventilgehäuse eingeleitet werden. Außerdem besteht die Gefahr, dass das elastomere Dichtungselement zwischen den beiden Gehäuseteilen bei der Montage beschädigt wird.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bis 2000 bar hochdruckdichte Radialkolbenpumpe zu schaffen, mit einem geringen Totraum und dementsprechend hohem Wirkungsgrad, bei der die hochdruckbeaufschlagten Bauteile und deren Dichtstellen voneinander entkoppelt und statisch exakt definiert sind.
Diese Aufgabe wird bei einer Radialkolbenpumpe der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die flanschförmigen Gehäuseteile unter Zwischenordnung der Einsatzteile derart gegeneinander angezogen sind, dass die Anlageflächen des jeweiligen Einsatzteils und der Gehäuseteile ohne Zwischenordnung von Dichtungselementen eine Hochdruckabdichtung bewirken, und dass das ansaugseitige und das hochdruckseitige Rückschlagventil in dem jeweiligen Gehäuseteil integriert ist und dass die Abstromseite des hochdruckseitigen Rückschlagventils bis zu einem Hochdruckstutzen ganz innerhalb des Gehäuseteils verläuft.
Während bei vorbekannten Radialkolbenpumpen auch die Hochdruckabdichtung über elastomere mehr oder weniger verformende Dichtungselemente erreicht wurde und die Montage der die Hochdruckseite begrenzenden Komponenten - wie eingangs erwähnt - einen Kraftfluss über mehrere Komponenten umfasste, was zu einer statischen Unbestimmtheit führte, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, die Abdichtung über senkrecht zur Antriebswelle verlaufende metallische Dichtflächen des Einsatzteils und der flanschförmigen Gehäuseteile zu erreichen. Hierfür erfolgt die Kraftstoffzufuhr und die Kraftstoffabfuhr während des Förderhubs der Pumpenkolben über Kraftstoffzuführöffnungen und Kraftstoffabführöffnungen, welche einerseits im Ansaugoder Verdichtungsraum und andererseits in den beiderseitigen Dichtflächen münden. Das Einsatzteil liegt nun statisch genau bestimmt ohne Zwischenordnung irgendwelcher Dichtungselemente an die beiden flanschförmigen Gehäuseteile an. Beim Anziehen der Gehäuseteile gegeneinander erfolgt eine sogenannte harte Abdichtung durch die metallischen Anlageflächen von Einsatzteil und den beiderseitigen flanschförmigen Gehäuseteilen. Dadurch, dass das ansaugseitige und das
hochdruckseitige Rückschlagventil außerhalb des Einsatzteils in dem jeweiligen Gehäuseteil integriert sind und die Abstromseite des hochdruckseitigen Rückschlagventils bis zu einem Hochdruckstutzen ganz innerhalb des Gehäuseteils verläuft, ist die Hochdruckseite durch die harte (einzige) Abdichtung zwischen Einsatzteil und Gehäuseteil sicher abgedichtet.
Vorzugsweise sind alle mit Hochdruck beaufschlagten Dichtstellen von gegeneinander festgezogenen metallischen Bauteilen ohne Zwischenordnung zusätzlicher Dichtungselemente, also von sogenannten harten Abdichtungen, gebildet.
Die gegeneinander dichtend anliegenden metallischen Bauteile weisen vorzugsweise geläppte Anlageflächen auf. Durch den Vorgang des Läppens wird unter Einhaltung der Maßgenauigkeit eine erwünschte Oberflächenrauhigkeit erzeugt.
Es hat sich in herstellungstechnischer Hinsicht als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das jeweilige Einsatzteil über parallel zur Antriebswelle verlaufende Stifte gegenüber den Gehäuseteilen positioniert ist.
Der vorstehend erwähnte Hochdruckstutzen ist vorzugsweise mit einer Stirnseite unter Ausbildung einer direkten metallischen Abdichtungen gegen eine Stufe des Gehäuseteils angezogen. Die metallische Abdichtung ist vorteilhafterweise so ausgeführt, dass die gegeneinander anliegenden Dichtflächen der metallischen Bauteile eine kantige oder sickenförmige Erhebung aufweisen, die beim Anziehen der Bauteile gegeneinander zu einer dichtenden plastischen Verformung entlang der Erhebung führt. Man spricht in diesem Fall von einer sogenannten Beißkantenabdichtung. Im Falle des Hochdruckstutzens ist diese Beißkante vorzugsweise an der Stirnseite umlaufend vorgesehen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1: einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe;
Figur 2: einen Schnitt entlang der Ebene A - A in Figur 1;
Figur 3: einen Schnitt mit abgestufter Schnittebene B - B in Figur 2; und
Figur 4: eine Einzeldarstellung des den Zylinderraum bildenden Einsatzteils der Radialkolbenpumpe.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen, insbesondere bei Common-Rail-Systemen, von Brennkraftmaschinen. Die Radialkolbenpumpe ist mit einer integrierten Bedarfsmengenregelung konzipiert. Als Regelkonzept wird das Prinzip der Saugdrosselregelung verfolgt. Die Kraftstoffzufuhr und-dimensionierung erfolgt über eine nicht dargestellte Zumesseinheit.
Die Radialkolbenpumpe umfasst eine in einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneten Pumpengehäuse gelagerte Antriebswelle 4 mit einem exzentrisch ausgebildeten Wellenabschnitt 6. Auf dem exzentrischen Wellenabschnitt 6 ist eine Ablaufbuchse 8 vorgesehen, gegenüber der der Wellenabschnitt 6 drehbar ist. Gegen die äußere Mantelfläche der Ablaufbuchse 8 stützen sich drei jeweils um 120° zueinander versetzt in radialer Richtung angeordnete Kolben 10 ab. Die Kolben 10 umfassen einen in einem Zylinderraum 12 geführten Stössel 14, an dessen der Antriebswelle 4 zugewandten Ende ein tellerförmiger Anlageabschnitt 16 ausgebildet ist, mit dem der jeweilige Kolben 10 gegen die äußere Mantelfläche der Ablaufbuchse 8 unter Vorspannung einer Feder 18 abgestützt ist. Der Zylinderraum 12 eines jeweiligen Stössels 14 der Pumpenkolben 10 ist von einer radial zur Antriebswelle 4 verlaufenden Durchgangsöffnung 20 in einem Einsatzteil 22 gebildet (Figur 4). Das Einsatzteil 22 ist im wesentlichen blockförmig mit wenigstens zwei parallel zueinander verlaufenden ebenen Seitenflächen 24 und 26 ausgebildet. Das Einsatzelement 22 ist mit seiner den Zylinderraum 12 bildenden Durchgangsöffnung 20 entsprechend der Lage der Pumpenkolben 10 radial zur Antriebswelle 4 angeordnet. Die Durchgangsöffnung 20 ist abgestuft ausgebildet und weist einen durchmessergrößeren erweiterten Endabschnitt 28 auf der von der Antriebswelle 4 abgewandten Seite auf. In diesen Endabschnitt 28 ist ein als Schraube ausgebildetes Verschlusselement 30 eingeschraubt, um den Zylinderraum 12 auf noch näher zu beschreibende Weise nach außen abzudichten. In dem Einsatzelement 22 sind desweiteren eine Kraftstoffzuführöffnung 32 und eine Kraftstoffabführöffnung 34 vorgesehen, welche sich vom Zylinderraum 12 aus in radialer Richtung nach außen erstrecken und in den zuvor erwähnten zueinander parallelen Seitenflächen 24, 26 münden. Das Verschlusselement 30 und die von der Antriebswelle 4 abgewandte Stirnfläche 36 des Pumpenkolbens 10 begrenzen innerhalb des Zylinderraums 12 einen Saug- bzw. Verdichterraum 38, welcher über die Zuführöffnung 32 und die Abführöffnung 34 mit einer durch die Bezugszeichen 40 bzw. 42 angedeuteten Ansaugseite bzw. Hochdruckseite kommunizieren, wobei auf der Ansaugseite wie auf der Hochdruckseite ein Rückschlagventil 44 bzw. 46 vorgesehen ist.
Das Einsatzteil 22 ist, wie im Einzelnen aus den Figuren 1 und 3 zu ersehen ist, in Richtung der Antriebswelle 4 zwischen zwei flanschförmigen metallischen Gehäuseteilen 48, 50 angeordnet. Die Gehäuseteile 48, 50 weisen ebenfalls plane Anlageflächen 52, 54 auf, die gegen die parallel zueinander verlaufenden Seitenflächen 24, 26 des Einsatzteils 22 unter Ausbildung einer sogenannten harten Abdichtung anliegen. Die ebenen Anlageflächen 52, 54 der flanschförmigen Gehäuseteile 48, 50 verlaufen in einer Ebene, ohne dass ein umlaufender Rand oder ein sonstiger Vorsprung über die jeweilige Anlagefläche 52, 54 vorsteht. Die Oberfläche dieser Gehäuseteile 48, 50 lässt sich daher sehr gut bearbeiten; sie werden vorzugsweise geläppt, um eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit auszubilden (Rautiefe von ...). Die flanschförmigen Gehäuseteile 48, 50 werden mittels Schrauben 56 (Figuren 2, 3) unter Zwischenordnung des Einsatzteils 22 derart gegeneinander angezogen, dass die Anlageflächen 52, 54 und 24, 26 von Gehäuseteilen und Einsatzteil derart flächenhaft aneinander anliegend gegeneinander gepresst werden, dass eine Hochdruckabdichtung bewirkt wird. Die in der Anlagefläche 24 bzw. 26 mündende Kraftstoffzuführöffnung 32 bzw. - abführöffnung 34 fluchtet mit einem weiteren Kraftstoffzuführkanal 58 in dem flanschförmigen Gehäuseteil 48 bzw. mit einem Hochdruckkanal 60 in dem anderen flanschförmigen Gehäuseteil 50. Durch die flächenhafte Anlage des Einsatzteils 22 mit den Gehäuseteilen 48, 50 ist die Kraftstoffzuführung und die Kraftstoffabführung wirksam abgedichtet, ohne dass irgendwelche zusätzlichen Dichtungselemente verwendet werden müssten, welche eine statisch exakte Definition der gegeneinander montierten Bauteile in Frage stellen würden. Um das Einsatzteil 22 in exakte Montageposition bezüglich der flanschförmigen Gehäuseteile bringen zu können, werden jeweils zwei parallel zu den Schrauben 56 erstreckte Positionierstifte 57 verwendet, die sich parallel zur Antriebswelle 4 verlaufend durch genau bemessene Durchgangsbohrungen durch das Einsatzteil 22 hindurcherstrecken und in Sacklochbohrungen 59 in dem flanschförmigen Gehäuseteil 48 bzw. 50 eintauchen. Das vorausgehend bereits erwähnte Rückschlagventil 42 auf der Niederdruckseite bzw. 44 auf der Hochdruckseite ist in einem erweiterten Abschnitt des Kraftstoffzuführkanals 58 bzw. des Kraftstoffabführkanals 60 außerhalb des Einsatzteils 22 untergebracht.
Zur Abdichtung des Zylinderraums 12 durch das in den durchmessererweiteren Abschnitt 28 der Durchgangsöffnung 20 eingeschraubte Verschlusselement 30 weist dieses an seiner kolbenzugewandten Stirnseite 62 eine kreisförmig umlaufende Beißkante 64 auf. Unter dieser Beißkante 64 soll eine umlaufende sickenförmige Erhebung verstanden werden, die vorzugsweise eine Kante bildet, welche gegen eine axiale Stufe 66 zwischen dem durchmessererweiterten Abschnitt 28 und dem Zylinderraum 12 ausgebildet ist. Durch Anziehen des Verschlusselements 30 kommt es zu einer hochdruckabdichtenden plastischen Verformung der Beißkante 64 und der axialen Stufe 66.
Der die Hochdruckseite 42 bildende Kraftstoffabführkanal 60 verläuft ganz innerhalb des flanschförmigen Gehäuseteils 50. Die Hochdruckseite 42 ist also durch die vorstehend erläuterte harte Abdichtung zwischen dem Einsatzteil 22 und den flanschförmigen Gehäuseteilen 48, 50 umfassend abgedichtet; sie wird lediglich durch einen Hochdruckstutzen 68 und ein Überdruckventil 70, die beide gegenüber dem flanschförmigen Gehäuseteil 50 statisch exakt definiert sind, ergänzt. Der Hochdruckstutzen 68 weist eine der Beißkante 64 des Verschlusselements 30 entsprechende Beißkante 70 auf, die gegen einen kreisförmig umlaufenden Absatz 72 dichtend festgezogen ist.
Beim Betrieb der Radialkolbenpumpe wird bei weiterer Umdrehung der Antriebswelle 6, ausgehend von der Position der Figuren 1 und 2, um 180° der Pumpenkolben unter der Vorspannung der Feder 18 aus dem Zylinderraum 12 herausbewegt. Der Druck im Ansaug- bzw. Verdrängerraum 38 sinkt. Nach Unterschreiten eines vorbestimmten öffnungsdrucks schließt das hochdruckseitige Rückschlagventil 46, und unter der Wirkung des auf der Ansaugseite 40 stehenden Vordrucks öffnet das ansaugseitige Rückschlagventil 44, so dass Kraftstoff in den Ansaug- bzw. Verdichterraum 38 während dieses Ansaughubs des Kolbens 10 angesaugt wird. Bei weiterer Umdrehung der Antriebswelle 4 wird der Kolben von dem exzentrischen Wellenabschnitt 6 bzw. der Ablaufbuchse 8 wieder in den Zylinderraum 12 hineinbewegt. Das ansaugseitige Rückschlagventil 44 schließt und nach Überschreiten des Öffnungsdrucks wird das hochdruckseitige Rückschlagventil 46 geöffnet, und der auf Hochdruck verdichtete Kraftstoff wird zu einem Motorkolben oder einem Hochdruckspeicherraum eines Common-Rail-Systems via Hochdruckkanal 60 und Hochdruckstutzen 68 gefördert.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe ist hochdruckdicht gegen 2000 bar; die Rückschlagventile 44 und 46 sind örtlich nahe beim Ansaug- bzw. Verdichterraum 38, so dass der Totraum sehr gering und der Wirkungsgrad der Pumpe dementsprechend hoch ist. Durch die statisch genau definierte Anlage des Einsatzteils 22 an die flanschförmigen Gehäuseteile 48, 50 sind alle Dichtstellen auf der Hochdruckseite durch die vorausgehend definierte harte Abdichtung gebildet. Die Dichtkräfte werden also definiert eingeleitet und abgestützt.
Das niederdruckseitige flanschförmige Gehäuseteil 48 und das Einsatzteil 22 sind von einer aus Aluminium bestehenden Gehäuseschale überfangen, die eine umlaufende Zylinderwandung 74 aufweist, deren dem Gehäuseteil 50 zugewandte Stirnseite 76 über ein elastomeres Dichtelement an das Gehäuseteil 50 unter Ausbildung einer Niederdruckabdichtung anliegt.

Claims

Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4), die exzentrisch ausgebildet ist oder in Umfangsrichtung mehrere nockenartige Erhebungen aufweist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinderraum (12) angeordneten Kolben (10), die bei Umdrehen der Antriebswelle (4) in dem Zylinderraum in radialer Richtung hin- und her bewegbar sind und deren von der Antriebswelle (4) abgewandte Stirnseiten (36) einen jeweiligen Saug- bzw. Verdichterraum (38) begrenzen, und mit Rückschlagventilen (44, 46) auf der Ansaugseite (40) und der Hochdruckseite (42), wobei für jeden Kolben (10) ein den jeweiligen Zylinderraum (12) bildendes metallisches Einsatzteil (22) innerhalb des Gehäuses (2) und radial zur Antriebswelle (4) vorgesehen ist, das mit der Ansaugseite (40) und mit der Hochdruckseite (42) kommuniziert, und dass das jeweilige Einsatzteil (22) in Richtung der Antriebswelle (4) zwischen zwei flanschförmigen metallischen-Gehäuseteilen (48, 50) mit senkrecht zur Antriebswelle verlaufenden Anlageflächen (24, 26; 52, 54) an diese anliegt; und däss das jeweilige Einsatzteil (22) eine Kraftstoffzuführöffnung (32) und eine Kraftstoffabführöffnung (34) aufweist, die im Bereich der Anlageflächen (24, 26) münden und mit einer weiteren Zuführ- bzw. Abführöffnung (58, 60) in den Gehäuseteilen (48, 50) fluchten, dadurch gekennzeichnet, dass die flanschförmigen Gehäuseteile (48, 50) unter Zwischenordnung der Einsatzteile (22) derart gegeneinander angezogen sind, dass die Anlageflächen (24, 26; 52, 54)) des jeweiligen Einsatzteils (22) und der Gehäuseteile (48, 50) ohne Zwischenordnung von Dichtungselementen eine Hochdruckabdichtung bewirken, und dass das ansaugseitige und das hochdruckseitige Rückschlagventil (44, 46) in dem jeweiligen Gehäuseteil (48, 50) integriert ist und dass die Abstromseite des hochdruckseitigen Rückschlagventils (46) bis zu einem Hochdruckstutzen (68) ganz innerhalb des Gehäuseteils (50) verläuft.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnt, dass alle mit Hochdruck beaufschlagten Dichtstellen von gegeneinander angezogenen metallischen Bauteilen (48, 50, 22; 30, 66; 68,72) ohne Zwischenordnung zusätzlicher Dichtungselemente gebildet sind.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander dichtend anliegenden metallischen Bauteile (48, 50, 22) geläppte Anlageflächen (24, 26, 52, 54) aufweisen.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Einsatzteil (22) über parallel zur Antriebswelle (4) verlaufende Stifte (57) gegenüber den Gehäuseteilen (48, 50) positioniert ist.
Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckstutzen (68) mit einer Stirnseite unter Ausbildung einer direkten metallischen Abdichtung gegen eine Stufe (72) angezogen ist.
Radialkolbenpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der gegeneinander anliegenden Dichtflächen (62, 66) der metallischen Bauteile (30, 22; 68, 50) eine kantige oder sickenförmige Erhebung (64, 70) ausgebildet ist, die beim Anziehen der Bauteile gegeneinander zu einer dichtenden plastischen Verformung entlang der Erhebung führt.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckstutzen (68) an seiner Stirnseite eine umlaufende Beißkante (70) aufweist.
Radialkolbenpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (22) eine den Zylinderraum (12) bildende zur Antriebswelle (4) radial verlaufende Durchgangsöffnung (20) aufweist, die radial außen von einem metallischen Verschlußelement (30), das in die Durchgangsöffnung eingeschraubt ist, verschlossen ist.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Verschlußelement (30) mit seiner Stirnseite (62) gegen eine axiale Stufe (66) in der Durchgangsöffnung (20) derart angezogen ist, dass eine Hochdruckabdichtung bewirkt wird.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite (62) des Verschlußelements (30) eine umlaufende Beißkante (64) ausgebildet ist.