DE10326863A1

DE10326863A1 - Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10326863A1
Application number: DE10326863A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Breuer; Claudia Kohler; Franz Dr. Rückert; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Thiemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-14
Filing date: 2003-06-14
Publication date: 2004-12-30
Also published as: JP2006527330A; KR20060021369A; EP1633978A1; US20060216157A1; WO2004111450A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe (1) zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4) mit einem exzentrischen Wellenabschnitt (6), auf welchem eine Laufrolle (8) gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinder (14) angeordneten Kolben (16), an deren der Laufrolle (8) zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte (18) angeordnet ist, welche die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktiert. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, dass zumindest die die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktierende Fläche (28) der Kolbenfußplatte (18) aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Antriebswelle mit einem exzentrischen Wellenabschnitt, auf welchem eine Laufrolle gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle radial in einem jeweiligen Zylinder angeordneten Kolben, an deren der Laufrolle zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte angeordnet ist, welche die Umfangsfläche der Laufrolle kontaktiert, gemäß der Gattung von Anspruch 1.

Eine solche Radialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der DE 198 09 315 A1 bekannt. Die Kolbenfußplatte und die Laufrolle der bekannten Radialkolbenpumpe bestehen in der Regel aus Einsatzstahl oder auch aus Vergütungsstahl. Mit der Zeit kann es jedoch an diesen Bauteilen zu Gleitverschleiß aufgrund von Adhäsion, Abrasion oder Oberflächenzerrüttung kommen. Dieser unerwünschte Verschleiß kann zu einem Ausfall der Radialkolbenpumpe und damit auch zu einem Ausfall der Brennkraftmaschine führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass ihre Zuverlässigkeit erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Indem erstmalig zumindest zumindest die die Umfangsfläche der Laufrolle kontaktierende Fläche der Kolbenfußplatte aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht, wird die Verschleißneigung der Kolbenfußplatten-Laufrollen-Paarung entscheidend reduziert. Die genannten Werkstoffe weisen gegenüber den bisher verwendeten Stahlwerkstoffen einen signifikant höheren E-Modul auf, was in geringeren Verformungen bei Belastung und folglich auch in einer gleichmäßigeren Flächenpressung ohne nennenswerte Spannungsspitzen resultiert. Beim Einsatz von keramischen Werkstoffen spielt vor allem deren geringeres Gewicht eine vorteilhafte Rolle, da die Kolbenfußplatte zusammen mit dem Kolben in hoher Frequenz beschleunigt und verzögert wird und folglich die Massenträgheit wesentlich herabgesetzt wird.

Dabei kann die Kolbenfußplatte vollständig aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein oder sie besteht wie bisher aus Einsatzstahl oder Vergütungsstahl und trägt auf ihrer zur Laufrolle weisenden Fläche wenigstens einen Einsatz aus dem verschleißfesten Material. Die Verwendung von Einsätzen bringt den Vorteil eines modularen Aufbaus, d.h. dass eine standardisierte Kolbenfußplatte mit Einsätzen aus verschiedenem Material versehen werden kann und somit eine Vielzahl von Varianten erzeugbar ist.

Bei Verwendung eines keramischen Werkstoffs enthält dieser vorzugsweise Siliziumnitrit Si₃N₄ und weist eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,15 μm und 0,5 μm auf. Hartmetalle können beispielsweise aus G20, GC37 oder GC20 bestehen und eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,3 μm und 1,0 μm aufweisen, während der gegossen karbidische Werkstoff durch ein Schalenhartgussmaterial, insbesondere durch GGH oder SoGGH gebildet wird, welches eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,5 μm und 2,0 μm aufweist.

Besonders bevorzugt weist die Kolbenfußplatte auf ihrer der Laufrolle zugewandten Fläche wenigstens zwei sich kreuzende Nuten auf. Dadurch wird der Überdeckungsbereich von Kolbenfußscheibe und Laufrolle ohne Schmierstoffzuführung eliminiert. In den als Stauspalten wirkenden Nuten kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitgeschwindigkeit zwischen der Laufrolle und der Kolbenfußplatte die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen weiter reduziert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Querschnittsdarstellung einer Radialkolbenpumpe mit einer Kolbenfußplatte und einer Antriebswelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Kolbens und einer Kolbenfußplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
2a einen vergrößerten Ausschnitt von 2;
2b einen weiteren vergrößerten Ausschnitt von 2;
3 eine Ansicht von unten auf die Kolbenfußplatte von 2;
4 eine Querschnittsdarstellung eines Kolbens mit Kolbenfußplatte und einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5 eine Querschnittsdarstellung einer Antriebswelle gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 eine Ansicht entlang der Linie VI-VI von 5;
7 eine Ansicht entlang der Linie VII-VII von 6.
Die in 1 gezeigte Radialkolbenpumpe 1 dient bevorzugt zur Erzeugung des Systemdrucks für den Hochdruckspeicher (Rail) eines Common-Rail-Einspritzsystems einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Sie umfasst eine in einem Pumpengehäuse 2 gelagerte Antriebswelle 4 mit einem exzentrischen Wellenabschnitt 6, auf welchem eine polygonförmige, gegenüber dem Wellenabschnitt 6 drehbare Laufrolle 8 aufgenommen ist. Die polygonförmige Laufrolle 8 weist entlang ihrer Umfangsfläche 10 mit Umfangsabstand zueinander angeordnete, ebene Flachabschnitte 12 auf.
An den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 stützt sich jeweils ein in einem Zylinder 14 zur Antriebswelle 4 radial geführter Kolben 16 mit seiner Kolbenfußplatte 18 ab. Die Kolbenfußplatte 18 ist vorzugsweise mittels eines sphärischen Lagers 20 mit dem zur Antriebswelle 4 weisenden Ende des Kolbens 16 schwenkbar verbunden. Das sphärische Lager 20 ist beispielsweise dadurch realisiert, dass das Kolbenende als Teilkugel 22 ausgebildet ist, welche in eine komplementär ausgebildete sphärische Ausnehmung 24 in der Kolbenfußplatte 18 eingreift. Darüber hinaus wird die Kolbenfußplatte 18 zusammen mit dem Kolben 16 durch eine Feder 26 gegen den zugeordneten Flachabschnitt 12 der Laufrolle 8 vorgespannt. Die Funktionsweise einer solchen Radialkolbenpumpe 1 ist beispielsweise in der DE 198 02 475 A1 beschrieben, deshalb soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
Zumindest die die Umfangsfläche 10 der Laufrolle 8 kontaktierende Fläche 28 der Kolbenfußplatte 18 besteht aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet. Dies ist vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Kolbenfußplatte 18 auf ihrer zur Laufrolle 8 weisenden Fläche 28 wenigstens einen beispielsweise scheibenförmigen Einsatz 30 aus dem verschleißfesten Material aufweist. Der Einsatz 30 kann mit der restlichen Kolbenfußplatte 18 form- und/oder stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Kleben oder durch Löten. Der Einsatz 30 kann sich, wie in 1 gezeigt ist, über die gesamte Kontaktfläche 28 der Kolbenfußplatte 18 mit der Laufrolle 8 oder auch nur über einen Teil von ihr erstrecken. Alternativ kann auch die gesamte Kolbenfußplatte 18 aus dem verschleißfesten Material hergestellt sein, so dass kein zusätzlicher Einsatz 30 nötig ist.
Bei Verwendung eines keramischen Werkstoffs für die Kolbenfußplatte 18 enthält dieser vorzugsweise Siliziumnitrit Si₃N₄. Hartmetalle können beispielsweise aus G20, GC37 oder GC20 bestehen, während der gegossen karbidische Werkstoff ein Schalenhartgussmaterial, insbesondere GGH oder SoGGH beinhalten kann.
Ferner kann der Kolben 16 selbst aus verschleißfestem Material gefertigt sein, beispielsweise aus einer Si₃N₄- oder einer ZrO₂-Keramik. Der Kolben 16 kann durch Strangpressen hergestellt sein und eine Porosität kleiner als 5% aufweisen, wobei die Oberfläche mit MoS₂ infiltriert ist. Alternativ kann der Kolben 16 auch isostatisch gepresst und gesintert sein.
Nicht zuletzt besteht auch zumindest ein Teil der Laufrolle 8, insbesondere die Flachabschnitte 12 aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem Feingussmaterial, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff, aus einem gesinterten Werkzeugstahl oder aus einem legierten Nitrierstahl.
Analog wie bei der Kolbenfußplatte 18 ist dies vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Flachabschnitte 12 mit je einem Einsatz 32 aus dem verschleißfesten Material versehen sind, wie
1 zeigt. Ein solcher Einsatz 32 ist jeweils in einer komplementär geformten Ausnehmung 34 in dem Flachabschnitt 12 form- und/oder stoffschlüssig aufgenommen, beispielsweise durch Kleben oder durch Löten. Alternativ kann die gesamte Laufrolle 8 aus dem verschleißfesten Material bestehen.
Bei Verwendung von Hartmetall für die Einsätze 32 bzw. für die Laufrolle 8 selbst kommt beispielsweise G20, GC37 oder GC20 in Frage. Einen geeigneten Feingusswerkstoff bildet beispielsweise GX-210WCr13 H, für den gegossen karbidischen Werkstoff kommt lokal umgeschmolzenes, karbidisches SoGGH (Gradientenwerkstoff) in Frage. Bei dem gesinterten Werkzeugstahl eignet sich ASP23. Ein speziell durch Nitrieren oder Gasnitrieren mit Cr und/oder Mo und/oder V und/oder C legierter Nitrierstahl wird für eine Variante mit Gradientenwerkstoff eingesetzt. Die Basiselemente und die Prozessparameter beim Nitrieren führen zu einer tiefen Diffusion mit Härten von HV 750 bis 850 bei gleichzeitiger höherer Festigkeit des Basiswerkstoffs. Die sich dabei ausbildende Verbindungsschicht wird aus Funktionsgründen durch Schleifen entfernt.
Die Oberflächen der Kolbenfußplatte 18 und der Laufrolle 8 weisen auf den Gleitflächen vorzugsweise eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,15 μm und 2 μm auf, abhängig von den verwendeten Materialien. Dabei gilt die untere Grenze für Keramik, insbesondere ein Bereich von 0,15 μm bis 0,5 μm, die obere Grenze für Metalle wie SoGGH oder ASP23. Für Hartmetall ist eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,3 μm und 1 μm vorgesehen.
In nachfolgenden Tabelle sind zu bevorzugende Material-Paarungen der Kolbenfußplatte 18 einerseits und der Laufrolle 8 andererseits aufgeführt. Falls sowohl in der Laufrolle 8 als auch in der Kolbenfußplatte 18 Einsätze verwendet werden, sind beliebige Kombinationen von Materialpaarungen bei jeweils unveränderten Trägerkörpern möglich. Insbesondere können bei den Paarungen in der Tabelle, in welchen die Laufrolle 8 vorzugsweise insgesamt aus dem verschleißfesten Material besteht („Vollmaterial") alternativ auch Einsätze 32 aus dem entsprechenden Material im Bereich der Flachabschnitte 12 verwendet werden, wie es bereits in 1 gezeigt ist. Die Laufrolle 8 als Trägerkörper für die Einsätze 32 kann dann aus einem anderen Material bestehen, beispielsweise aus 50Cr4, aus 42CrV4 oder aus 16MnCr5.
Eine besondere Rolle kommt dem Ausführungsbeispiel in der 3.Zeile in der Tabelle zu. In diesem Fall wird im Bereich der Flachabschnitte 12 der aus einem Stahlgusswerkstoff bestehenden und in 5 separat dargestellten Laufrolle 8 jeweils eine karbidische Zone ausgebildet. Diese karbidische Zone wird entweder durch eine gezielte Erstarrungsgeschwindigkeit beim Gießen der Laufrolle 8 oder durch Umschmelzen erzeugt und bildet dann vorzugsweise den Gradientenwerkstoff SoGGH aus. Ergebnis ist folglich eine Laufrolle 8, bei welcher im Bereich der Flachabschnitte 12 eine karbidische Zone 33 ausgebildet ist, während die restlichen Zonen und Bereiche der Laufrolle 8 aus Stahlguss mit unveränderten Eigenschaften bestehen.
Tabelle: Bevorzugte Materialpaarungen
Im Bereich der Flachabschnitte 12 der Laufrolle 8 können jeweils eine oder mehrere Quernuten 36 ausgebildet sein, wie am besten anhand von 6 zu sehen ist. Wie aus 7 hervorgeht, ist die Quernut 36 im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke 29 des Flachabschnitts 12 angeordnet. Die Senke 29 wird durch zwei in Bezug zum Flachabschnitt 12 winkelig angeordnete Ebenen gebildet, in deren Schnittlinie die Quernut 36 liegt. Der Senkenwinkel γ der Senke 29 ist beispielsweise kleiner als 15 Grad. Der Übergang von der Senke 29 und dem Flachabschnitt 12 ist mit einem Radius R₄ von vorzugsweise kleiner gleich 1 mm verrundet. Der Radius R₄ wird beispielsweise durch Gleitschleifen erzeugt. In dieser als Stauspalt wirkenden Quernut 36 bzw. Senke 29 kann sich Kraftstoff ansammeln, welcher aufgrund der Gleitgeschwindigkeit zwischen den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 und der Kolbenfußplatte 18 die Ausbildung eines hydrodynamischen Gleitfilms fördert, wodurch der Verschleiß an den Gleitflächen reduziert wird.
Bei den in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen sind die gegenüber dem Beispiel von 1 gleichbleibenden und gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zu diesem wird beim Beispiel gemäß 2 die Kolbenfußplatte 18 von einem Plattenhalter 38 an dem zugehörigen Kolben 16 gehalten. Die Kolbenfußplatte 18 weist an ihrer dem Kolben 16 zugewandten Fläche eine kreisförmige Ausnehmung 40 auf, in welche das ballig geformte Ende 42 des Kolbens 16 eingreift und den Boden der Ausnehmung 40 kontaktiert. Der Plattenhalter 38 wird am Kolben 16 mittels eines in eine Nut 44 des Kolbens 16 eingreifenden Sprengrings 46 gekontert. In einer kreisförmigen Ausnehmung 48 in der Kolbenfußplatte 18 ist ein komplementär geformter Einsatz 30 aus einem der oben beschriebenen verschleißfesten Materialien gehalten, beispielsweise durch Stoffschluss, insbesondere durch Löten. Wie aus 2a hervorgeht, ist der Einsatz 30 auf seiner zur Laufrolle 8 weisenden Fläche 31 randseitig mit einem winkeligen Auslauf 35 versehen, wobei der Auslaufwinkel α ca. 15 Grad beträgt. Weiterhin ist der Übergang zwischen dieser Fläche 31 und dem Auslauf 35 mit einem Radius R₂ von ca. 2 mm verrundet. Mittels eines Radius R₁ von kleiner gleich 1 mm ist auch der Übergang zwischen dem Auslauf 35 und der Randfläche 37 des Einsatzes 30 verrundet.
Analog zu den Flachabschnitten 12 der Laufrolle 8 weisen die Einsätze 30 der Kolbenfußplatte 18 vorzugsweise wenigstens zwei sich kreuzende Nuten 50 auf, wie am besten 3 zeigt. Aufgrund der sich kreuzenden Anordnung der Nuten 50 ist die Wahrscheinlichkeit hoch dafür, dass im Hinblick auf die in Bezug zum Plattenhalter 38 drehbare Kolbenfußplatte 18 eine der Nuten 50 quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, um die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms zu fördern. Die Nuten 50 werden vorzugsweise durch Einpressen erzeugt. Dadurch ergibt sich eine geringere Kerbwirkung verglichen mit spanabhebenden Verfahren, da die Werkstofffasern nicht durchtrennt werden. Wie aus 2b hervorgeht, sind die Nuten 50 jeweils im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke 39 der Fläche 31 angeordnet. Die Senke wird durch zwei in Bezug zur Fläche 31 winkelig angeordnete Ebenen gebildet, in deren Schnittlinie die jeweilige Nut 50 liegt. Der Senkenwinkel β der Senke 39 beträgt beispielsweise 5 Grad. Der Übergang von der Senke 39 und der Fläche 31 ist mit einem Radius R₃ von vorzugsweise kleiner gleich 1 mm verrundet.
Beim Ausführungsbeispiel von 4 besteht die Kolbenfußplatte 18 vollständig aus einem der oben erwähnten, verschleißfesten Materialien und ist in das Durchgangsloch 52 einer Ringbüchse 54 eingesetzt, welche aus Stahl besteht. Die Verbindung zwischen der Ringbüchse 54 und der Kolbenfußplatte 18 ist vorzugsweise durch Löten hergestellt. Selbstverständlich sind darüber hinaus weitere Möglichkeiten denkbar, um verschleißfestes Material an den einander zugeordneten Gleitflächen 12, 28 der Laufrolle 8 und Kolbenfußplatte 18 anzubringen.

Claims

Radialkolbenpumpe (1) zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse (2) gelagerten Antriebswelle (4) mit einem exzentrischen Wellenabschnitt (6), auf welchem eine Laufrolle (8) gelagert ist, und mit vorzugsweise mehreren bezüglich der Antriebswelle (4) radial in einem jeweiligen Zylinder (14) angeordneten Kolben (16), an deren der Laufrolle (8) zugewandten Enden jeweils eine Kolbenfußplatte (18) angeordnet ist, welche die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die die Umfangsfläche (10, 12) der Laufrolle (8) kontaktierende Fläche (28, 31) der Kolbenfußplatte (18) aus einem verschleißfesten Material, nämlich aus Hartmetall, aus einem keramischen Werkstoff, aus einem gegossen karbidischen Werkstoff oder aus Cermet besteht.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfußplatte (18) auf ihrer der Laufrolle (8) zugewandten Fläche (31) wenigstens einen Einsatz (30) aus dem verschleißfesten Material trägt.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Siliziumnitrit (Si₃N₄) beinhaltet und eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,15 μm und 0,5 μm aufweist.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall G20, GC37 oder GC20 beinhaltet und eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,3 μm und 1,0 μm aufweist.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gegossen karbidische Werkstoff ein Schalenhartgussmaterial, insbesondere GGH oder SoGGH beinhaltet und eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,5 μm und 2,0 μm aufweist.
Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfußplatte (18) auf ihrer der Laufrolle (8) zugewandten Fläche (31) wenigstens zwei sich kreuzende Nuten (50) aufweist.
Radialkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Nut (50) jeweils im Zentrum einer einen Nutauslauf bildenden Senke (39) der Fläche (31) angeordnet ist.
Radialkolbenpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kolbenfußplatte (18) und/oder der Laufrolle (8) eine Rauhtiefe R_z zwischen 0,15 μm und 2 μm aufweist.