EP1130250A1 - Saugdrosselpumpe - Google Patents

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Publication number
EP1130250A1
EP1130250A1 EP00810170A EP00810170A EP1130250A1 EP 1130250 A1 EP1130250 A1 EP 1130250A1 EP 00810170 A EP00810170 A EP 00810170A EP 00810170 A EP00810170 A EP 00810170A EP 1130250 A1 EP1130250 A1 EP 1130250A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
groove
suction throttle
inlet opening
pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00810170A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Grote
Robert Hofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wartsila NSD Schweiz AG
Original Assignee
Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wartsila NSD Schweiz AG filed Critical Wartsila NSD Schweiz AG
Priority to EP00810170A priority Critical patent/EP1130250A1/de
Publication of EP1130250A1 publication Critical patent/EP1130250A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/24—Varying fuel delivery in quantity or timing with constant-length-stroke pistons having variable effective portion of stroke
    • F02M59/26—Varying fuel delivery in quantity or timing with constant-length-stroke pistons having variable effective portion of stroke caused by movements of pistons relative to their cylinders
    • F02M59/265—Varying fuel delivery in quantity or timing with constant-length-stroke pistons having variable effective portion of stroke caused by movements of pistons relative to their cylinders characterised by the arrangement or form of spill port of spill contour on the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/44—Details, components parts, or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M59/02 - F02M59/42; Pumps having transducers, e.g. to measure displacement of pump rack or piston
    • F02M59/442—Details, components parts, or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M59/02 - F02M59/42; Pumps having transducers, e.g. to measure displacement of pump rack or piston means preventing fuel leakage around pump plunger, e.g. fluid barriers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0001—Fuel-injection apparatus with specially arranged lubricating system, e.g. by fuel oil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F2007/0097—Casings, e.g. crankcases or frames for large diesel engines

Definitions

  • the invention relates to a suction throttle pump for conveying Liquids, especially fuel, according to the preamble of independent claim 1.
  • EP-A-0 863 308 discloses a piston pump which in particular as a high-pressure pump for the injection system Diesel engine is suitable. Since this piston pump is also suitable for heavy oil , it can also be used to deliver fuel to the injection system a large diesel engine can be used. Such large diesel engines that usually with heavy oil as fuel and injection pressures of up to Operated at 2000 bar can be found, for example, as main drive units for ships and in stationary systems for power generation. To the amount of fuel delivered to the desired load state of the To adjust the motor, means must be provided on the high pressure pump with which the amount of fuel delivered per work cycle between approximately zero and a full load amount is adjustable.
  • EP-A-0 863 308 therefore proposes a piston pump which includes a Has pump housing with a work space, a back and forth movable piston for enlarging and reducing the working space, and at least one inlet opening for introducing the fuel into the Working space.
  • the piston is mounted rotatably about its longitudinal axis and points in its outer surface one connected to the work area and with the Inlet opening cooperating recess. This recess is designed so that the amount of fuel flowing into the work area is adjustable by rotating the piston about its longitudinal axis. If the piston in the area of its bottom dead center (maximum volume of the Work area), the recess in the piston and the overlap Inlet opening so that the fuel from the inlet opening through the Recess can flow into the work area.
  • suction throttle pump disclosed in EP-A-0 863 308 is in the Practice has proven itself very well in operating states in which the Pump has to pump no or only very small volume flows, problems shown. If the suction throttle pump, for example, as a high pressure pump for the injection system of a large diesel engine is used in a ship, Such conditions occur in the lower partial load range, or when the engine is turned off, but the crankshaft by the connected to it Propeller continues to be turned. Then the piston also moves the suction throttle pump, which is usually driven by the crankshaft back and forth, but without fuel being promoted. In such Operating states occur increasingly wear and tear Signs of wear on. The piston has a significantly increased Eating tendency, and there is a risk of a piston eater, leading to considerable and costly damage.
  • suction throttle pump solving this task is characterized by the features of characterized independent claim 1.
  • a suction throttle pump is used to convey Liquids, especially fuel, proposed with a Pump housing, which has a working space with a back and forth Movable piston to enlarge and reduce the Working space, which piston is rotatably mounted about its longitudinal axis, and with at least one inlet opening for introducing the liquid into the Working space, one in the outer surface of the piston with the Work space connected and interacting with the inlet opening Recess is provided, which is designed so that the in the Liquid volume flowing into the work area by turning the piston its longitudinal axis is adjustable. Furthermore, a groove is provided, which is extends along the entire circumference of the piston, and its radial Depth is at least one percent of the diameter of the piston.
  • This deep groove which is independent of the angular position of the piston each cycle of the piston fills with the liquid, serves as a reservoir and as Distributor. During the stroke movement of the piston, it is in the groove existing liquid distributed along the running surface of the piston, from which very good lubrication of the piston results. Especially in such Operating conditions in which very little or no liquid flows through the Recess in the piston in the working area of the pump guaranteed the liquid present in the deep groove that the piston is sufficient is lubricated to reliably prevent the piston from seizing. For each The operating state of the suction throttle pump is therefore always sufficient liquid for lubricating the piston.
  • the axial height is the groove preferably at least ten percent of the diameter of the Piston.
  • Preferred configurations are those in which the radial depth of the groove at least six percent, in particular about ten percent, of The diameter of the piston is approximately and the axial height of the groove fifteen percent of the diameter of the piston. These dimensions have proven themselves in practice to provide particularly good lubrication of the Ensure piston.
  • the groove is rounded Has edges.
  • the groove is arranged with respect to its axial position so that it the inlet opening fully or partially opposite when the piston is in its top dead center. This measure is namely the open one Flow cross section between the inlet opening and the groove just then maximum or particularly large if the piston speed is minimal.
  • the suction throttle pump according to the invention is particularly suitable for Use as a high pressure pump to deliver fuel, especially heavy oil, for the injection system in a diesel engine.
  • suction throttle pump Since the suction throttle pump is suitable for pumping heavy oil, it is suitable itself to feed the fuel into the injection system Large diesel engine.
  • suction throttle pump as a high pressure pump for pumping heavy oil for the injection system a large diesel engine is used.
  • Fig. 1 shows the parts essential for an understanding of the invention Embodiment of the suction throttle pump according to the invention, the is generally designated with the reference number 1, in part cut and partially symbolic representation.
  • the suction throttle pump 1 comprises a pump housing 2, in which a Work space 3 is provided, and a back and forth arranged piston 4, which by its oscillatory movement between two reversal points periodically enlarged and downsized.
  • a reversal point which is a minimum Volume of the work space 3 corresponds to, referred to as top dead center and the turning point, the maximum volume of the work space corresponds as bottom dead center.
  • Fig. 1 shows the piston 4 in its lower Dead center.
  • the piston 4 is essentially cylindrical and pivoted about its longitudinal axis A.
  • Driver bushing 7 is provided with teeth.
  • the piston 4 is through accordingly moving the control rod 6 in the direction of Double arrow B in both directions C rotatable about its longitudinal axis A.
  • the stroke movement of the piston can e.g. B. in a conventional manner a cam 11 arranged on a shaft 10 and a cam follower 12 are driven.
  • the shaft 10 is, for example, by the Crankshaft of the engine set in rotation.
  • the cam 11 presses the Piston 4 against the force of a piston spring, not shown as shown upwards.
  • the suction throttle pump 1 further comprises at least one inlet opening 21 for introducing the liquid (heavy oil) into the work area 3 and one Outlet opening 22 through which the pressurized heavy oil is pushed out.
  • the inlet opening 21 is connected via a suction line 13 connected to a low pressure system for the heavy oil. That under pressure Heavy oil that has been placed enters through outlet opening 22 via Check valve 14 in a pressure line 15 which to the injection system of Motors, for example for the pressure accumulator of a common rail system, leads.
  • FIG. 2 shows a view of the piston 4 for better understanding Direction of the inlet opening 21, which is indicated by dashed lines.
  • the piston 4 is at its bottom dead center.
  • the pump housing is in section indicated.
  • Fig. 3 is analogous to Fig. 2, but the piston 4 is in his shown top dead center. In Fig. 2 and Fig. 3 the piston 4 is in an angular position in which only a very small amount of liquid is pumped becomes.
  • the embodiment 5 described here extends the recess 5 initially in the form of a groove 51 (see FIGS. 2 and 3) of the Working space 3 facing end face 49 of the piston 4 along the Lateral surface of the piston parallel to its longitudinal axis A and then goes in a substantially V-shaped portion 52 which extends in the circumferential direction of the piston 4 is tapered.
  • the inlet opening 21 is arranged so that it is at the same height (with respect to the longitudinal axis A) as the V-shaped one Part 52 of the recess 5 when the piston 4 in its lower Dead center is (see Fig. 2). To those that occur in the material To lower voltage peaks are the edges of the recess 5 rounded. This applies in particular to the edges of the groove 51 in the Mouth area in the end face 49, for the edges in the transition area between the groove 51 and the V-shaped part 52 and for the edge on the Tip of the V-shaped part 52.
  • At least two substantially identical recesses 5 in the The outer surface of the piston 4 is provided, preferably diametrically are arranged opposite each other and up to the Work area 3 facing end face 49 of the piston 4 extend. Naturally can also be provided more than two such recesses 5, the preferably evenly distributed in the lateral surface of the piston 4 are arranged. It is understood that in such cases where several Recesses 5 are also arranged in the outer surface of the piston more than one inlet opening 21 can be provided in the pump housing. Since it is sufficient for understanding, only one of the possibly considered several recesses 5.
  • the recess 5 is used in the operating state for the controllable introduction of Heavy oil in the work area 3.
  • the piston is located in FIGS. 1 and 2 4 roughly at its bottom dead center. In this state the Recess 5 (in the angular position of the piston 4 shown) Connection between the inlet opening 21 and the work space 3.
  • the for The heavy oil prepared for combustion passes through the suction line 13 Inlet opening 21, as symbolically represented by the one with the reference symbol BE provided arrow is indicated, and from there through the recess 5 in the work area 3.
  • the piston closes the inlet opening 21 and reduces the size Workroom 3, which puts the heavy oil in it under pressure becomes. This passes through the outlet opening 22 and the check valve 14 into the pressure line 15.
  • the load-dependent takes place Regulation of the amount of heavy oil extracted by regulating the in the Working area 3 entering heavy oil quantity.
  • the recess 5 geometrically designed such that, depending on the angular position of the piston 4 relative to the pump housing 2 more or less fuel in the Working space 3 can reach when the piston 4 is in its lower Dead center is located.
  • the Delivery increased compared to the situation shown in Fig. 2 the piston 4 is activated by operating the control rod 6 rotated counterclockwise as shown.
  • a groove 8 is provided in the suction throttle pump 1, which extends along the entire circumference of the piston 4, and whose radial depth T is at least one percent of the diameter D of Piston 4 is.
  • the radial depth is the depth in the Longitudinal axis A of the piston 4 meant the vertical direction.
  • the axial height H of the groove 8 is at least ten percent of Diameter D of the piston 4.
  • the axial height is the expansion of the Groove 8 meant in the direction of the longitudinal axis A.
  • the radial depth T is at least six percent is specifically about 10 percent of the diameter D.
  • the groove 8 has a value of approximately fifteen percent of the diameter D. proven. "Approximately" denotes dimensions that are up to ⁇ 30% from corresponding nominal value may differ.
  • the groove 8 is in relation to the axial direction, with which the Direction of the longitudinal axis A is meant, arranged so that the groove 8 is the same height as the inlet opening 21 and thus this opposite when the piston is at top dead center. This is 3 can be seen in particular.
  • the groove 8 with respect to Axial direction can also be arranged so that it the inlet opening 21st only partially opposite when the piston 4 is at top dead center is located, that is, the inlet opening 21 is partially at the top dead center covered by the piston 4.
  • the groove 8 has rounded edges 81 has, as shown in Fig. 2 and Fig. 3.
  • the edges 81 which limit the groove 8 with respect to the radial direction to the outside each rounded down. As a result, the lubrication of the piston 4 can still continue to improve, and the stress peaks in the material are reduced.
  • Relief grooves 9 below the groove 8 provided for pressure equalization, each along the entire Extend circumference of the piston 4 and ensure that around the circumference the piston 4 around there is essentially the same pressure everywhere.
  • the Relief grooves 9 are usually with respect to their respective axial Height and their respective radial depth significantly smaller than that Slot 8.
  • the groove 8 ensures in particular in such operating states Suction throttle pump 1, in which only very small or no volume flows are promoted, so very little or no fuel in the Workspace 3 arrives, ensuring that it is not a defective one Lubrication of the piston 4 comes.
  • the groove 8 is a large one Cross-sectional area, with each working cycle with the inlet opening 21 connected when the piston 4 is at top dead center. Consequently fills the groove 8 - regardless of the respective angular position of the Piston 4 - with each stroke in the area of top dead center with fuel, which can flow into the groove 8 from the inlet opening 21.
  • the fuel located in the groove 8 along the tread of the Piston 4 distributed and thus ensures good lubrication of the piston 4th
  • the piston 4 returns to the upper one Dead center, fuel can flow in from the inlet opening 21, so that the groove 8 is filled again.
  • the groove 8 serves as a storage and distribution element for the lubricant that is identical to the fluid being pumped.
  • the groove 8 thus ensures that even in such Operating states in which the suction throttle pump 1 has no or only very much promotes small amounts of liquid, always sufficient lubrication of the Piston 4 is present so that there is no excessive wear, heavy wear or the piston 4 may seize. This significantly increases the operational safety of the suction throttle pump 1.
  • groove 8 can also deviate from that in FIGS. 1-3 Design shown cross-sectional areas other than a square have, for example, a partially curved or rounded Cross-section.
  • the terms axial height and radial depth then denote the maximum axial height or the maximum radial depth.
  • the suction throttle pump according to the invention is suitable for delivery any liquids.
  • a preferred use is as High pressure pump to deliver fuel to the injection system of a Diesel engine.
  • the suction throttle pump according to the invention especially as a high-pressure fuel pump in a fuel oil-powered one Large diesel engine suitable.
  • the suction throttle pump 1 is preferred driven by the crankshaft of the large diesel engine and promotes that Heavy oil under a pressure of up to 2000 bar, for example approximately 1200 bar into the injection system of the large diesel engine. If this after The suction throttle pump feeds the common rail principle Heavy oil under high pressure in the pressure accumulator (accumulator) of the common Rail systems.

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Abstract

Es wird eine Saugdrosselpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere von Brennstoff, vorgeschlagen, mit einem Pumpengehäuse (2), welches einen Arbeitsraum (3) aufweist, mit einem hin- und herbewegbar angeordneten Kolben (4) zum Vergrössern und Verkleinern des Arbeitsraums (3), welcher Kolben um seine Längsachse (A) drehbar gelagert ist, und mit mindestens einer Einlassöffnung (21) zum Einbringen der Flüssigkeit in den Arbeitsraum (3), wobei in der Mantelfläche des Kolbens (4) eine mit dem Arbeitsraum (3) verbundene und mit der Einlassöffnung (21) zusammenwirkende Ausnehmung (5) vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass die in den Arbeitsraum (3) einströmende Flüssigkeitsmenge durch Drehen des Kolbens (3) um seine Längsachse (A) einstellbar ist. Ferner ist eine Nut (8) vorgesehen, welche sich entlang des gesamten Umfangs des Kolbens (4) erstreckt, und deren radiale Tiefe (T) mindestens ein Prozent des Durchmessers (D) des Kolbens (4) beträgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Saugdrosselpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere von Brennstoff, gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
In der EP-A-0 863 308 wird eine Kolbenpumpe offenbart, welche insbesondere als Hochdruckpumpe für das Einspritzsystem eines Dieselmotors geeignet ist. Da diese Kolbenpumpe zudem schweröltauglich ist, kann sie auch zum Fördern des Brennstoffs für das Einspritzsystem in einem Grossdieselmotor verwendet werden. Solche Grossdieselmotoren, die üblicherweise mit Schweröl als Brennstoff und Einspritzdrücken von bis zu 2000 bar betrieben werden, finden zum Beispiel als Hauptantriebsaggregate für Schiffe und in Stationäranlagen zur Stromgewinnung Verwendung. Um die geförderte Brennstoffmenge an den jeweils gewünschten Lastzustand des Motors anzupassen, müssen an der Hochdruckpumpe Mittel vorgesehen sein, mit welchen die pro Arbeitszyklus geförderte Brennstoffmenge zwischen ungefähr Null und einer Volllastmenge einstellbar ist.
In der EP-A-0 863 308 wird daher eine Kolbenpumpe vorgeschlagen, die ein Pumpengehäuse mit einem Arbeitsraum aufweist, einen hin- und herbewegbaren Kolben zum Vergrössern und Verkleinern des Arbeitsraums, sowie mindestens eine Einlassöffnung zum Einbringen des Brennstoffs in den Arbeitsraum. Der Kolben ist um seine Längsachse drehbar gelagert und weist in seiner Mantelfläche eine mit dem Arbeitsraum verbundene und mit der Einlassöffnung zusammenwirkende Ausnehmung auf. Diese Ausnehmung ist so ausgestaltet, dass die in den Arbeitsraum einströmende Brennstoffmenge durch Drehen des Kolbens um seine Längsachse einstellbar ist. Wenn sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunkts (maximales Volumen des Arbeitsraums) befindet, überlappen die Ausnehmung im Kolben und die Einlassöffnung, sodass der Brennstoff von der Einlassöffnung durch die Ausnehmung in den Arbeitsraum einströmen kann. Die Grösse der Überlappung ist dabei durch Drehen des Kolbens um seine Längsachse einstellbar. Mit anderen Worten, je nach Winkelstellung des Kolbens wird die Strömungsverbindung zwischen der Einlassöffnung und dem Arbeitsraum gar nicht, teilweise oder vollständig geöffnet, wenn sich der Kolben im Bereich seines unteren Totpunkts befindet. Auf diese Weise ist die pro Arbeitszyklus in den Arbeitsraum gelangende Brennstoffmenge und damit die geförderte Brennstoffmenge einstellbar. Eine solche in der EP-A-0 863 308 offenbarte Kolbenpumpe, bei welcher die in den Arbeitsraum gelangende Flüssigkeitsmenge durch eine einstellbare Drosselung an der Eintrittsöffnung, das heisst an der Saugseite, regelbar ist, wird als Saugdrosselpumpe bezeichnet.
Obwohl sich die in der EP-A-0 863 308 offenbarte Saugdrosselpumpe in der Praxis sehr gut bewährt hat, haben sich in Betriebszuständen, in denen die Pumpe keine oder nur sehr kleine Volumenströme fördern muss, Probleme gezeigt. Falls die Saugdrosselpumpe beispielsweise als Hochdruckpumpe für das Einspritzsystem eines Grossdieselmotors in einem Schiff verwendet wird, treten solche Zustände im unteren Teillastbereich auf, oder, wenn der Motor abgeschaltet ist, aber die Kurbelwelle durch die mit ihr verbundene Schiffsschraube weiterhin gedreht wird. Dann bewegt sich auch der Kolben der Saugdrosselpumpe, der üblicherweise von der Kurbelwelle angetrieben wird, hin und her, ohne dass jedoch Brennstoff gefördert wird. In derartigen Betriebszuständen treten verstärkt Verschleiss- und Abnutzungserscheinungen auf. Der Kolben hat eine deutlich erhöhte Fressneigung, und es besteht die Gefahr eines Kolbenfressers, was zu erheblichen und kostenintensiven Schäden führt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Saugdrosselpumpe der vorangehend erläuterten Art dahingehend zu verbessern, dass der Verschleiss und die Fressneigung insbesondere in solchen Betriebszuständen, in denen keine oder nur geringe Volumenströme gefördert werden, deutlich reduziert werden.
Die diese Aufgabe lösende Saugdrosselpumpe ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Erfindungsgemäss wird also eine Saugdrosselpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere von Brennstoff, vorgeschlagen, mit einem Pumpengehäuse, welches einen Arbeitsraum aufweist, mit einem hin- und herbewegbar angeordneten Kolben zum Vergrössern und Verkleinern des Arbeitsraums, welcher Kolben um seine Längsachse drehbar gelagert ist, und mit mindestens einer Einlassöffnung zum Einbringen der Flüssigkeit in den Arbeitsraum, wobei in der Mantelfläche des Kolbens eine mit dem Arbeitsraum verbundene und mit der Einlassöffnung zusammenwirkende Ausnehmung vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass die in den Arbeitsraum einströmende Flüssigkeitsmenge durch Drehen des Kolbens um seine Längsachse einstellbar ist. Ferner ist eine Nut vorgesehen, welche sich entlang des gesamten Umfangs des Kolbens erstreckt, und deren radiale Tiefe mindestens ein Prozent des Durchmessers des Kolbens beträgt.
Diese tiefe Nut, die sich unabhängig von der Winkelstellung des Kolbens bei jedem Zyklus des Kolbens mit der Flüssigkeit füllt, dient als Speicher und als Verteilorgan. Während der Hubbewegung des Kolbens wird die in der Nut vorhandene Flüssigkeit entlang der Laufffläche des Kolbens verteilt, woraus eine sehr gute Schmierung des Kolbens resultiert. Insbesondere in solchen Betriebszuständen, in denen nur sehr wenig oder keine Flüssigkeit durch die Ausnehmung im Kolben in den Arbeitsraum der Pumpe gelangt, gewährleistet die in der tiefen Nut vorhandene Flüssigkeit, dass der Kolben ausreichend geschmiert wird, um ein Fressen des Kolbens sicher zu vermeiden. Für jeden Betriebszustand der Saugdrosselpumpe ist somit stets genügend Flüssigkeit zum Schmieren des Kolbens vorhanden.
Um die Querschnittsfläche der Nut zu vergrösseren, beträgt die axiale Höhe der Nut vorzugsweise mindestens zehn Prozent des Durchmessers des Kolbens.
Bevorzugt sind solche Ausgestaltungen, bei denen die radiale Tiefe der Nut mindestens sechs Prozent, insbesondere etwa zehn Prozent, des Durchmessers des Kolbens beträgt und die axiale Höhe der Nut etwa fünfzehn Prozent des Durchmessers des Kolbens. Diese Abmessungen haben sich in der Praxis bewährt, um eine besonders gute Schmierung des Kolbens zu gewährleisten.
Zum weiteren Verbessern der Schmierung und zum Senken von Spannungsspitzen im Material ist es vorteilhaft, wenn die Nut angerundete Kanten aufweist.
Ferner ist es im Hinblick auf die Befüllung der Nut vorteilhaft, wenn die Nut bezüglich ihrer axialen Lage so angeordnet ist, dass sie der Einlassöffnung vollständig oder teilweise gegenüberliegt, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet. Durch diese Massnahme ist nämlich der offenen Strömungsquerschnitt zwischen der Einlassöffnung und der Nut gerade dann maximal oder besonders gross, wenn die Kolbengeschwindigkeit minimal ist.
Die erfindungsgemässe Saugdrosselpumpe eignet sich insbesondere zur Verwendung als Hochdruckpumpe zum Fördern von Brennstoff, insbesondere von Schweröl, für das Einspritzsystem in einem Dieselmotor.
Da die Saugdrosselpumpe tauglich zum Fördern von Schweröl ist, eignet sie sich zum Fördern des Brennstoffs in das Einspritzsystem eines Grossdieselmotors.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
Fig. 1:
ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Saugdrosselpumpe mit den wesentlichen Teilen, teilweise im Schnitt,
Fig. 2:
den Kolben des Ausführungsbeispiels im unteren Totpunkt, und
Fig. 3:
den Kolben des Ausführungsbeispiels im oberen Totpunkt.
Bei der folgenden Beschreibung wird mit beispielhaftem Charakter auf den konkreten Anwendungsfall Bezug genommen, dass die Saugdrosselpumpe als Hochdruckpumpe zum Fördern von Schweröl für das Einspritzsystem eines Grossdieselmotors verwendet wird.
Fig. 1 zeigt die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Saugdrosselpumpe, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, in einer teilweise geschnittenen und teilweise symbolischen Darstellung.
Die Saugdrosselpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 2, in welchem ein Arbeitsraum 3 vorgesehen ist, sowie einen hin- und herbewegbar angeordneten Kolben 4, der durch seine oszillatorische Bewegung zwischen zwei Umkehrpunkten den Arbeitsraum 3 periodisch vergrössert und verkleinert. Im Folgenden wird der Umkehrpunkt, der einem minimalen Volumen des Arbeitsraums 3 entspricht, als oberer Totpunkt bezeichnet und der Umkehrpunkt, der einem maximalen Volumen des Arbeitsraums entspricht, als unterer Totpunkt. Fig. 1 zeigt den Kolben 4 in seinem unteren Totpunkt. Der Kolben 4 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet und um seine Längsachse A drehbar gelagert. Dazu ist am Kolben 4 eine Mitnehmerbuchse 7 mit einer Zahnung vorgesehen. Mittels einer Regelstange 6, die mit Zähnen versehen ist, welche in Eingriff mit der Zahnung der Mitnehmerbuchse 7 stehen, ist der Kolben 4 durch entsprechendes Verschieben der Regelstange 6 in Richtung des Doppelpfeils B in beiden Richtungen C um seine Längsachse A drehbar.
Die Hubbewegung des Kolbens kann z. B. in an sich bekannter Weise mittels einem auf einer Welle 10 angeordneten Nocken 11 und einen Nockenfolger 12 angetrieben werden. Die Welle 10 wird beispielsweise durch die Kurbelwelle des Motors in Drehung versetzt. Der Nocken 11 drückt den Kolben 4 gegen die Kraft einer nicht dargestellten Kolbenfeder darstellungsgemäss nach oben.
Ferner umfasst die Saugdrosselpumpe 1 mindestens eine Einlassöffnung 21 zum Einbringen der Flüssigkeit (Schweröl) in den Arbeitsraum 3 sowie eine Auslassöffnung 22, durch welche das unter Druck stehende Schweröl ausgeschoben wird. Die Einlassöffnung 21 ist über eine Saugleitung 13 mit einem Niederdrucksystem für das Schweröl verbunden. Das unter Druck gesetzte Schweröl gelangt durch die Auslassöffnung 22 über ein Rückschlagventil 14 in eine Druckleitung 15, welche zum Einspritzsystem des Motors, beispielsweise zum Druckspeicher eines Common-Rail Systems, führt.
Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 2 noch eine Ansicht des Kolbens 4 aus Richtung der Einlassöffnung 21, die gestrichelt angedeutet ist. Der Kolben 4 befindet sich seinem unteren Totpunkt. Das Pumpengehäuse ist im Schnitt angedeutet. Fig. 3 ist analog zu Fig. 2, jedoch ist der Kolben 4 in seinem oberen Totpunkt dargestellt. In Fig.2 und Fig. 3 befindet sich der Kolben 4 in einer Winkelstellung, in der nur eine sehr kleine Flüssigkeitsmenge gefördert wird.
In der Mantelfläche des Kolbens 4 ist eine mit dem Arbeitsraum 3 verbundene und mit der Einlassöffnung 21 zusammenwirkende Ausnehmung 5 vorgesehen, welche zum Einstellen der in den Arbeitsraum 3 gelangenden Brennstoffmenge und damit zum Regeln der Fördermenge dient. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 5 zunächst in Form einer Nut 51 (siehe Fig. 2 und Fig. 3) von der dem Arbeitsraum 3 zugewandten Stirnfläche 49 des Kolbens 4 entlang der Mantelfläche des Kolbens parallel zu seiner Längsachse A und geht dann in einen im wesentlichen V-förmigen Teil 52 über, der sich in Umfangsrichtung des Kolbens 4 verjüngt. Die Einlassöffnung 21 ist so angeordnet, dass sie sich auf gleicher Höhe (bezüglich der Längsachse A) befindet wie der V-förmige Teil 52 der Ausnehmung 5, wenn der Kolben 4 in seinem unteren Totpunkt ist (siehe Fig. 2). Um die im Material auftretenden Spannungsspitzen abzusenken, sind die Kanten der Ausnehmung 5 abgerundet ausgestaltet. Dies gilt insbesondere für die Kanten der Nut 51 im Mündungsbereich in die Stirnfläche 49, für die Kanten im Übergangsbereich zwischen der Nut 51 und dem V-förmigen Teil 52 sowie für die Kante an der Spitze des V-förmigen Teils 52.
Aus Gründen einer möglichst symmetrischen Druckverteilung sind bevorzugt mindestens zwei im wesentlichen gleiche Ausnehmungen 5 in der Mantelfläche des Kolbens 4 vorgesehen, die vorzugsweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind und sich jeweils bis in die dem Arbeitsraum 3 zugewandte Stirnfläche 49 des Kolbens 4 erstrecken. Natürlich können auch mehr als zwei solcher Ausnehmungen 5 vorgesehen sein, die vorzugsweise gleichmässig verteilt in der Mantelfläche des Kolbens 4 angeordnet sind. Es versteht sich, dass in solchen Fällen, wo mehrere Ausnehmungen 5 in der Mantelfläche des Kolbens angeordnet sind auch mehr als eine Einlassöffnung 21 im Pumpengehäuse vorgesehen sein kann. Da es für das Verständnis ausreichend ist, wird im folgenden nur eine der eventuell mehreren Ausnehmungen 5 betrachtet.
Die Ausnehmung 5 dient im Betriebszustand dem regelbaren Einbringen von Schweröl in den Arbeitsraum 3. In Fig. 1 und Fig. 2 befindet sich der Kolben 4 ungefähr in seinem unteren Totpunkt. In diesem Zustand bildet die Ausnehmung 5 (bei der dargestellten Winkelstellung des Kolbens 4) eine Verbindung zwischen der Einlassöffnung 21 und dem Arbeitsraum 3. Das für die Verbrennung vorbereitete Schweröl gelangt durch die Saugleitung 13 zur Einlassöffnung 21, wie dies symbolisch durch den mit dem Bezugszeichen BE versehenen Pfeil angedeutet ist, und von dort durch die Ausnehmung 5 in den Arbeitsraum 3. Bei der anschliessenden Hubbewegung des Kolbens verschliesst der Kolben die Einlassöffnung 21 und verkleinert den Arbeitsraum 3, wodurch das in ihm befindliche Schweröl unter Druck gesetzt wird. Dieses gelangt durch die Auslassöffnung 22 und das Rückschlagventil 14 in die Druckleitung 15. Bei der anschliessenden Abwärtsbewegung des Kolbens 4 bzw., wenn dieser sich im Bereich seines unteren Totpunkts befindet, bildet sich wieder eine Verbindung zwischen der Einlassöffnung 21 und dem Arbeitsraum 3 durch die Ausnehmung 5, sodass für den nächsten Arbeitszyklus Schweröl in den Arbeitsraum 3 gelangen kann.
Bei der gattungsgemässen Saugdrosselpumpe erfolgt die lastabhängige Regelung der geförderten Schwerölmenge durch Regelung der in den Arbeitsraum 3 gelangenden Schwerölmenge. Dazu ist die Ausnehmung 5 geometrisch derart gestaltet, dass je nach Winkelstellung des Kolbens 4 relativ zum Pumpengehäuse 2 mehr oder weniger Brennstoff in den Arbeitrsraum 3 gelangen kann, wenn sich der Kolben 4 in seinem unteren Totpunkt befindet. Wie dies insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Überdeckung zwischen der Ausnehmung 5 und der Einlassöffnung 21 abhängig von der Winkelstellung des Kolbens 4. Soll beispielsweise die Fördermenge im Vergleich zu der in Fig. 2 dargestellten Situation erhöht werden, so wird der Kolben 4 durch Betätigen der Regelstange 6 darstellungsgemäss gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Dadurch gibt die Ausnehmung 5 einen grösseren Teil der Einlassöffnung 5 frei , wenn sich der Kolben 4 in seinem unteren Totpunkt befindet, sodass mehr Brennstoff in den Arbeitsraum 3 einströmen kann. Umgekehrt wird durch ein Drehen des Kolbens 4 im Uhrzeigersinn (gemäss der Darstellung in Fig. 2 und Fig.3) die Überdeckung zwischen der Ausnehmung 5 und der Einlassöffnung 21 verkleinert, sodass weniger Brennstoff in den Arbeitsraum 3 einströmen kann, wenn sich der Kolben 4 in seinem unteren Totpunkt befindet. Wird der Kolben 4 soweit gedreht, dass in seinem unteren Totpunkt keine Überdeckung zwischen der Einlassöffnung 21 und der Ausnehmung 5 vorhanden ist, so ist die Fördermenge der Saugdrosselpumpe 1 Null.
Bezüglich der Ausgestaltung der Ausnehmung 5 und speziell ihrer Geometrie sind zahlreiche Varianten möglich. Diesbezüglich wird auf die bereits zitierte EP-A-0 863 308 verwiesen. Insbesondere wird dort auch erläutert, wie über die Geometrie der Ausnehmung 5 unterschiedliche Regelcharakteristiken (Zusammenhang zwischen Verschiebung der Regelstange 6 bzw. Winkelstellung des Kolbens 4 und Änderung der geförderten Flüssigkeitsmenge) realisierbar sind.
Erfindungsgemäss ist bei der Saugdrosselpumpe 1 eine Nut 8 vorgesehen, welche sich entlang des gesamten Umfangs des Kolbens 4 erstreckt, und deren radiale Tiefe T mindestens ein Prozent des Durchmessers D des Kolbens 4 beträgt. Mit der radialen Tiefe ist damit die Tiefe in der zur Längsachse A des Kolbens 4 senkrechten Richtung gemeint. Vorzugsweise beträgt die axiale Höhe H der Nut 8 mindestens zehn Prozent des Durchmessers D des Kolbens 4. Mit der axialen Höhe ist die Ausdehnung der Nut 8 in Richtung der Längsachse A gemeint. Insbesondere hat es sich in der Praxis bewährt, wenn die radiale Tiefe T mindestens sechs Prozent und speziell etwa 10 Prozent des Durchmessers D beträgt. Für die axiale Höhe der Nut 8 hat sich ein Wert von etwa fünfzehn Prozent des Durchmessers D bewährt. "Etwa" bezeichnet jeweils Abmessungen, die um bis zu ± 30% vom entsprechenden Nennwert abweichen können.
Vorzugsweise ist die Nut 8 bezüglich der axialen Richtung, womit die Richtung der Längsachse A gemeint ist, so angeordnet, dass die Nut 8 auf gleicher Höhe wie die Einlassöffnung 21 liegt und somit dieser gegenüberliegt, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Dies ist insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich. Natürlich kann die Nut 8 bezüglich der axialen Richtung auch so angeordnet werden, dass sie der Einlassöffnung 21 nur teilweise gegenüberliegt, wenn sich der Kolben 4 im oberen Totpunkt befindet, das heisst, im oberen Totpunkt ist die Einlassöffnung 21 teilweise vom Kolben 4 bedeckt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Nut 8 abgerundete Kanten 81 aufweist, wie dies in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Die Kanten 81, welche die Nut 8 bezüglich der radialen Richtung nach aussen begrenzen, sind jeweils abgerundet. Dadurch lässt sich die Schmierung des Kolbens 4 noch weiter verbessern, und die Spannungsspitzen im Material werden gesenkt.
Ferner sind bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel darstellungsgemäss unterhalb der Nut 8 noch mehrere Entlastungsnuten 9 zum Druckausgleich vorgesehen, die sich jeweils entlang des gesamten Umfangs des Kolbens 4 erstrecken und dafür sorgen, dass um den Umfang des Kolbens 4 herum überall im wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Die Entlastungsnuten 9 sind üblicherweise bezüglich ihrer jeweiligen axialen Höhe und ihrer jeweiligen radialen Tiefe deutlich kleiner ausgestaltet als die Nut 8.
Die Nut 8 sorgt insbesondere in solchen Betriebszuständen der Saugdrosselpumpe 1, in denen nur sehr kleine oder keine Volumenströme gefördert werden, also nur sehr wenig oder gar kein Brennstoff in den Arbeitsraum 3 gelangt, dafür, dass es nicht zu einer mangelhaften Schmierung des Kolbens 4 kommt.
Wie dies insbesondere Fig. 3 verdeutlicht ist die Nut 8, die eine grosse Querschnittsfläche aufweist, bei jedem Arbeitszyklus mit der Einlassöffnung 21 verbunden, wenn sich der Kolben 4 im oberen Totpunkt befindet. Somit füllt sich die Nut 8 - unabhängig von der jeweiligen Winkelstellung des Kolbens 4 - bei jedem Hub im Bereich des oberen Totpunkts mit Brennstoff, der aus der Einlassöffnung 21 in die Nut 8 einströmen kann. Bei der anschliessenden darstellungsgemässen Abwärts- und Aufwärtsbewegung, wird der in der Nut 8 befindliche Brennstoff entlang der Lauffläche des Kolbens 4 verteilt und sorgt somit für eine gute Schmierung des Kolbens 4. Gelangt der Kolben 4 am Ende der Aufwärtsbewegung wieder zum oberen Totpunkt, so kann aus der Einlassöffnung 21 Brennstoff nachströmen, sodass die Nut 8 wieder gefüllt wird. Die Nut 8 dient als Speicher und Verteilorgan für den Schmierstoff, der identisch mit der geförderten Flüssigkeit ist.
Durch die Nut 8 wird also gewährleistet, dass auch in solchen Betriebszuständen, in denen die Saugdrosselpumpe 1 keine oder nur sehr geringe Flüssigkeitsmengen fördert, stets eine ausreichende Schmierung des Kolbens 4 vorhanden ist, sodass es nicht zu übermässigen Verschleiss, starker Abnutzung oder zu einem Fressen des Kolbens 4 kommen kann. Dadurch wird die Betriebssicherheit der Saugdrosselpumpe 1 deutlich erhöht.
Natürlich kann die Nut 8 auch abweichend von der in den Fig. 1-3 dargestellten Ausgestaltung andere Querschnittsflächen als eine viereckige aufweisen, beispielsweise einen teilweise gekrümmten oder abgerundeten Querschnitt. Die Begriffe axiale Höhe und radiale Tiefe bezeichnen dann die maximale axiale Höhe bzw. die maximale radiale Tiefe.
Die erfindungsgemässe Saugdrosselpumpe eignet sich zum Fördern beliebiger Flüssigkeiten. Eine bevorzugte Verwendung ist die als Hochdruckpumpe zum Fördern von Brennstoff für das Einspritzsystem eines Dieselmotors. Im speziellen ist die erfindungsgemässe Saugdrosselpumpe besonders als Brennstoffhochdruckpumpe in einem mit Schweröl betriebenen Grossdieselmotor geeignet. Dort wird die Saugdrosselpumpe 1 vorzugsweise von der Kurbelwelle des Grossdieselmotors angetrieben und fördert das Schweröl unter einem Druck von bis zu 2000 bar, beispielsweise ungefähr 1200 bar in das Einspritzsystem des Grossdieselmotors. Falls dieser nach dem Common Rail Prinzip betrieben wird, speist die Saugdrosselpumpe das Schweröl unter Hochdruck in den Druckspeicher (Akkumulator) des Common Rail Systems. Durch die Möglichkeit, die jeweils in den Arbeitsraum 3 der Pumpe 1 eingebrachte Schwerölmenge zu regulieren, kann die Förderleistung der Saugdrosselpumpe an den jeweils gewünschten Lastzustand des Grossdieselmotors angepasst werden. Durch die Nut 8 ist dabei gewährleistet, dass auch in Betriebszuständen, in denen kein Schweröl gefördert wird und die Pumpe im "Leerlauf" arbeitet, stets eine ausreichende Schmierung des Kolbens vorhanden ist. Hierdurch erhöht sich die Betriebssicherheit des gesamten Grossdieselmotors.

Claims (8)

  1. Saugdrosselpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, insbesondere von Brennstoff, mit einem Pumpengehäuse (2), welches einen Arbeitsraum (3) aufweist, mit einem hin- und herbewegbar angeordneten Kolben (4) zum Vergrössern und Verkleinern des Arbeitsraums (3), welcher Kolben um seine Längsachse (A) drehbar gelagert ist, und mit mindestens einer Einlassöffnung (21) zum Einbringen der Flüssigkeit in den Arbeitsraum (3), wobei in der Mantelfläche des Kolbens (4) eine mit dem Arbeitsraum (3) verbundene und mit der Einlassöffnung (21) zusammenwirkende Ausnehmung (5) vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass die in den Arbeitsraum (3) einströmende Flüssigkeitsmenge durch Drehen des Kolbens (3) um seine Längsachse (A) einstellbar ist, gekennzeichnet durch eine Nut (8), welche sich entlang des gesamten Umfangs des Kolbens (4) erstreckt, und deren radiale Tiefe (T) mindestens ein Prozent des Durchmessers (D) des Kolbens (4) beträgt.
  2. Saugdrosselpumpe nach Anspruch 1, bei welcher die radiale Tiefe (T) der Nut (8) mindestens sechs Prozent, insbesondere etwa zehn Prozent, des Durchmessers (D) des Kolbens (4) beträgt.
  3. Saugdrosselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die axiale Höhe (H) der Nut (8) mindestens zehn Prozent des Durchmessers (D) des Kolbens (4) beträgt.
  4. Saugdrosselpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die axiale Höhe (H) der Nut (8) etwa fünfzehn Prozent des Durchmessers (D) des Kolbens (4) beträgt.
  5. Saugdrosselpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Nut (8) abgerundete Kanten (81) aufweist.
  6. Saugdrosselpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Nut (8) bezüglich ihrer axialen Lage so angeordnet ist, dass sie der Einlassöffnung (21) vollständig oder teilweise gegenüberliegt, wenn sich der Kolben (4) in seinem oberen Totpunkt befindet.
  7. Verwendung einer Saugdrosselpumpe gemäss einem der vorangehenden Ansprüche als Hochdruckpumpe zum Fördern von Brennstoff, insbesondere von Schweröl, für das Einspritzsystem in einem Dieselmotor.
  8. Grossdieselmotor mit einer Saugdrosselpumpe gemäss einem der Ansprüche 1-6 zum Fördern des Brennstoffs in das Einspritzsystem.
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