EP1347172A2

EP1347172A2 - Kolbenpumpe

Info

Publication number: EP1347172A2
Application number: EP03004570A
Authority: EP
Inventors: Gerd Blessing; Sven Fleisch; Karl-Heinz Hoffmann; Manfred Müller; Claus Stenger; Bernd Wiemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2003-09-24
Also published as: DE10212492B4; US20030180159A1; EP1347172A3; DE10212492A1; US6991438B2

Abstract

Eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Reihen- oder Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Common-Rail-Einspritzsystemen, weist eine in einem Pumpengehäuse (1) drehbar gelagerte Nockenwelle (2) auf, die mindestens einen Exzenternocken (3) aufweist. Dem Exzenternocken (3) ist mindestens ein Pumpenkolben (4, 14) zugeordnet, der vom Exzenternocken (3) betätigt ist und der in etwa radialer Richtung zur Nockenwelle (2) eine Hubbewegung (5) ausführen kann. Die Hubbewegung (5) umfaßt einen zur Nockenwelle (2) gerichteten Abwärtshub (5') und einen entgegengesetzt gerichteten Aufwärtshub (5''). Zur Reduzierung des Verschleißes der Kolbenpumpe ist vorgesehen, daß zwischen jedem Pumpenkolben (4, 14) und dem Exzenternocken (3) ein Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) angeordnet ist, welches durch Abwälzen die Hubbewegung (5) und die Kraft auf den Pumpenkolben (4, 14) überträgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei Dieselmotoren soll der Kraftstoff möglichst fein zerstäubt in den Brennraum eingespritzt werden. Zur Erzeugung des dafür notwendigen hohen Einspritzdrucks werden Kolbenpumpen, insbesondere kompaktbauende Radialkolbenpumpen verwendet. Insbesondere bei Common-Rail-Einspritzsystemen läßt sich bei Verwendung einer Radialkolbenpumpe mit mehreren Pumpenkolben ein hoher, relativ konstanter Druck erzeugen.

Bei bekannten Radialkolbenpumpen sind in einem Pumpengehäuse meist drei Pumpenkolben in radialer Richtung einer Nockenwelle angeordnet. Auf der Nockenwelle ist ein Exzenternocken angeordnet, dessen Mittelachse bei Drehung der Nockenwelle um die Nockenwellenachse bewegt wird. Ein konzentrisch zum Exzenternocken angeordneter Polygonring führt durch die Drehung der Nockenwelle eine Bewegung in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens sowie eine Querbewegung aus. Der Pumpenkolben wird durch eine Feder in Richtung Polygonring gedrückt. Über eine Kolbenfußscheibe wird die Hubbewegung von dem Polygonring auf den Pumpenkolben übertragen. Die Querbewegung führt zu einer Relativbewegung des Polygonrings gegenüber der Kolbenfußscheibe. Diese Querbewegung führt bei den aufgrund der hohen Drücke auftretenden großen Kräfte zwischen Kolbenfußscheibe und Polygonring zu erhöhtem Verschleiß. Die hohen Reibkräfte verschlechtern außerdem den Wirkungsgrad bekannter Kolbenpumpen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die einen geringen Verschleiß im Betrieb aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Anstatt des bekannten Polygonrings ist vorgesehen, zwischen Kolbenbolzen und Exzenternocken ein Pleuelelement anzuordnen. Das Pleuelelement überträgt die Hubbewegung und die Kraft auf den Pumpkolben durch Abwälzen. Hierdurch wird die Reibung und der auftretende Verschleiß verringert.

Vorteilhaft umgreift die dem Exzenternocken zugewandte Lagerfläche diesen über einen Winkel von weniger als 180°. Zweckmäßig sind mehrere Pumpenkolben vorgesehen, und die Pleuelelemente sind mindestens in einem Winkelbereich unabhängig von anderen Pleuelelementen um die Exzentermittelachse drehbar.

Zweckmäßig ist das Pleuelelement an einer Kontaktfläche mit der Kontaktfläche des Pumpenkolbens in Kontakt, wobei mindestens eine der Kontaktflächen konvex ausgebildet ist. Dadurch kann zwischen Pumpenkolben und Pleuelelement eine Wälzbewegung erzielt werden, so daß zwischen Pumpenkolben und Pleuelelement keine Gleitreibung und damit nahezu kein Verschleiß auftritt. Durch die Anwendung des Kurbeltriebprinzips in Verbindung mit der abwälzenden Ankopplung und Kraftübertragung vom Pleuelelement auf den Pumpenkolben wird also die beim Stand der Technik auftretende Gleitreibung zwischen Polygonring und Kolbenfußscheibe vermieden, wobei die auftretende Flächenpressung in der Berührungsfläche zwischen Pleuelelement und Pumpenkolben wegen der realisierbaren großen Durchmesser der Krümmungsradien der Berührungspartner deutlich unter dem zulässigen Grenzwert bleibt.

Es kann vorteilhaft sein, daß eine der Kontaktflächen konkav ist, wobei der Betrag des Radius der konkaven Kontaktfläche größer als der Betrag des Radius der konvexen Kontaktfläche ist. Die konkave und die konvexe Kontaktfläche wälzen aufeinander ab. Insbesondere zur Minimierung der auftretenden Flächenpressung ist die Differenz der Beträge der Krümmungsradien möglichst gering. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, daß beide Kontaktflächen konvex sind. Zweckmäßig ist eine Kontaktfläche, insbesondere die Kontaktfläche des Pumpenkolbens, eben. Die ebene Kontaktfläche ist zweckmäßig senkrecht zur Längsachse des Pumpenkolbens angeordnet. Insbesondere zur Kompensation von tangential wirkenden dynamischen Kräften kann es jedoch vorteilhaft sein, daß die ebene Kontaktfläche des Pumpenkolbens gegenüber der Längsachse des Pumpenkolbens geneigt ist.

Zweckmäßig ist die Kontaktfläche des Pleuelelements konzentrisch zur Mittelachse des Exzenternockens gekrümmt. Die konzentrische Ausbildung der Kontaktfläche bewirkt, daß die eingeleiteten Kräfte direkt auf den Mittelpunkt des Exzenternockens wirken und kein auf das Pleuelelement wirkendes Drehmoment um die Achse des Exzenternockens entsteht. Es ist vorgesehen, daß mindestens eine Kontaktfläche sphärisch gekrümmt ist. Vorteilhaft ist mindestens eine Kontaktfläche zylindrisch gekrümmt, insbesondere ist die Kontaktfläche mit dem Radius mit dem kleineren Betrag sphärisch und die Kontaktfläche mit dem Radius mit dem größeren Betrag zylindrisch gekrümmt. Um eine Kompensation der auftretenden dynamischen Massenkräfte zu erreichen und insbesondere im Abwärtshub zu verhindern, daß zwischen Pumpenkolben und Pleuelelement eine Relativbewegung auftritt, ist vorgesehen, daß die Kontaktfläche des Pleuelelements konvex ist, wobei der Bereich der Kontaktfläche, der mit dem Pumpenkolben im Abwärtshub in Kontakt ist, einen verkleinerten Krümmungsradius aufweist. Der verkleinerte Krümmungsradius, der insbesondere kleiner als der Abstand der Kontaktfläche zur Mittelachse des Exzenternockens ist, führt zu einem Drehmoment, das am Pleuelelement entgegen den dynamischen Massenkräften wirkt.

Es kann zur Reduzierung der Flächenpressung und/oder zur Anpassung an die Größe der Exzentrizität des Exzenternockens vorteilhaft sein, daß das Ende des Pumpenkolbens, das mit der Kontaktfläche des Pleuelelements in Berührung ist, zur Vergrößerung der Kontaktfläche mit einem größeren Durchmesser ausgeführt ist.

Um eine kompakte Bauform zu realisieren, ist vorgesehen, daß mehrere Pleuelelemente am Umfang des Exzenternockens verteilt angeordnet sind. Um zu vermeiden, daß sich im Abwärtshub die Pleuelelemente in radialer Richtung vom Exzenternocken lösen können, ist vorgesehen, daß von jedem Pleuelelement in Umfangsrichtung Finger ragen, die das jeweilige benachbarte Pleuelelement an der Außenseite in geringem radialen Abstand übergreifen. Zweckmäßig sind Finger von jedem Pleuelelement in Umfangsrichtung nach beiden Seiten vorgesehen. Da jeweils nur ein Pleuelelement im Abwärtshub ist, können die benachbarten Pleuelelemente, die im Aufwärtshub vom Pumpenkolben gegen den Exzenternocken gepreßt werden, das im Abwärtshub befindliche Pleuelelement fixieren. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, daß der Pumpenkolben mittels einer Feder gegen das Pleuelelement gedrückt ist. In diesem Fall können zusätzlich Finger vorgesehen sein, die im Falle eines Federbruchs als Sicherheitseinrichtung dienen. Um insbesondere bei Federbruch zu vermeiden, daß der Pumpenkolben im Abwärtshub dem Pleuelelement nicht folgt, ist vorgesehen, daß der Pumpenkolben formschlüssig, insbesondere mittels eines Clip, am Pleuelelement gehalten ist. Bei formschlüssiger Verbindung von Pumpenkolben und Pleuelelement muß keine Feder vorgesehen sein.

Im Aufwärtshub wirken zwischen Pleuelelement und Pumpenkolben wesentlich größere Kräfte als im Abwärtshub. Um die Flächenpressungen im Aufwärtshub zu verringern, ist vorgesehen, daß die Längsachse des Pumpenkolbens zur Nockenwellenachse einen Abstand aufweist. Durch diesen Versatz kann die Fläche, an der sich Pleuelelement und Bolzen im Aufwärtshub berühren, in den Bereich der Pumpenkolbenmitte verlagert werden.

Um die Relativbewegung zwischen Pleuelelement und Pumpenkolben in Umfangsrichtung des Exzenternockens zu begrenzen, ist mindestens eine Führung vorgesehen. Zweckmäßig ist die Führung etwa auf der Höhe der Kontaktflächen und in Umfangsrichtung etwa in der Mitte des Abwälzbereichs angeordnet, da in diesem Bereich die Relativbewegung in radialer Richtung zwischen Pleuelelement und Pumpenkolben minimal ist. Zweckmäßig ist mindestens eine Führung am Pleuelelement angeordnet. Es kann vorteilhaft sein, daß mindestens eine Führung am Pumpenkolben angeordnet ist. Insbesondere sind in Umfangsrichtung beidseitig der Kontaktflächen Führungen angeordnet. Die Führungen verlaufen insbesondere in den Stellungen, in denen der Pumpenkolben den halben Aufwärtshub oder den halben Abwärtshub zurückgelegt hat, annähernd parallel zur Kolbenlängsachse. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß eine Führung am Pumpengehäuse angeordnet ist.

Zur Verminderung der Flächenpressung ist vorgesehen, daß das Pleuelelement mehrteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Segmente in Richtung der Kolbenlängsachse angeordnet sind und gegeneinander an Kontaktflächen beweglich sind und wobei insbesondere der Betrag der Krümmungsradien der Kontaktflächen in radialer Richtung nach außen zunimmt. Dadurch wälzt jeweils eine konvex gekrümmte Kontaktfläche auf einer konkav gekrümmten Kontaktfläche ab. Der für die Hertzsche Pressung maßgebliche effektive Radius wird hier um so größer, je geringer die Differenz der Radien ist. Durch die Anordnung mehrerer Teile eines Pleuelelements kann somit die Hertzsche Pressung verkleinert werden.

Zur Verminderung des Verschleißes ist vorgesehen, daß das Pleuelelement im Bereich der Kontaktfläche einen Einsatz aus verschleißfestem Material, insbesondere aus Wälzlagerstahl oder aus Keramik, besitzt. Zur Verminderung der Reibung und zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften ist vorgesehen, daß am Pleuelelement zwischen Pleuelelement und Exzenternocken ein Lagerschalensegment angeordnet ist, das insbesondere PTFE-beschichtet ist. Zweckmäßig ist das Lagerschalensegment auf das Pleuelelement aufgelötet, insbesondere mit Weichlot oder mit niedrigschmelzendem, silberhaltigem Lot. Insbesondere ist das Lagerschalensegment formschlüssig, vorteilhaft durch Umbiegen und/oder Aufclipsen, befestigt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß am Umfang des Exzenternockens eine Lagerhülse angeordnet ist, die insbesondere mit PTFE beschichtet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Kolbenpumpe mit zwischen Pumpenkolben und Exzenternocken angeordnetem Pleuelelement im Abwärtshub,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Kolbenpumpe aus Fig. 3 im Aufwärtshub,
Fig. 3: einen Schnitt durch eine Kolbenpumpe mit drei radial angeordneten Pumpenkolben,
Fig. 4: in Schnittdarstellung einen Ausschnitt einer Kolbenpumpe im Aufwärtshub,
Fig. 5: der Ausschnitt aus Fig. 4 mit dem Pumpenkolben im Abwärt shub,
Fig. 6: eine schematische Darstellung von Pumpenkolben, Pleuelelement und Exzenternocken mit Achsversatz zwischen Pumpenkolben und Nockenwellenachse im Abwärtshub,
Fig. 7: eine schematische Darstellung der Anordnung aus Fig. 6 im Aufwärtshub,
Fig. 8: eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante von Pumpenkolben, Federteller mit Führung für das Pleuelelement und Pleuelelement,
Fig. 9: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante des Pleuelelements,
Fig. 10: eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines Pleuelelements,
Fig. 11: eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Pleuelelemente und der Führungen.

In den Fig. 1 und 2 ist schematisch die Kopplung eines Pumpenkolbens 4 an einen Exzenternocken 3 dargestellt. Der Pumpenkolben 4 ist in einem Pumpengehäuse 1 etwa radial zur Nockenwellenachse 7 der Nockenwelle 2 gelagert. Der Pumpenkolben 4 ist über die Druckfeder 11 in Richtung auf die Nockenwellenachse 7 gespannt. Die Druckfeder 11 stützt sich auf der einen Seite am Gehäuse 1 und auf der anderen Seite an einem am Pumpenkolben 4 festgelegten Federteller 17 ab. An der Nockenwelle 2 ist ein Exzenternocken 3 angeordnet, dessen Mittelachse 10 von der Nockenwellenachse 7 radial beabstandet ist.

Zwischen Exzenternocken 3 und Pumpenkolben 4 ist ein Pleuelelement 6 angeordnet. Das Pleuelelement 6 liegt auf der am Umfang des Exzenternockens 3 angeordneten Lagerhülse 50 auf und ist um die Mittelachse 10 des Exzenternockens 3 beweglich. Dabei umschließt die Lagerfläche 54 des Pleuelelements 6 den Exzenternocken um weniger als 180°. An der Kontaktfläche 8 steht das Pleuelelement 6 mit der Kontaktfläche 9 des Pumpenkolbens 4 in Kontakt. Durch die Drehung der Nockenwelle 2 führt das Pleuelelement eine sinusförmige Bewegung in radialer Richtung und eine quer dazu verlaufende sinusförmige Bewegung aus. Die Bewegung in radialer Richtung wird auf den Pumpenkolben 4 übertragen, der eine Hubbewegung 5 ausführt, die sich aus einem Abwärtshub 5' und einem Aufwärtshub 5'' zusammensetzt.

Beim in Fig. 1 dargestellten Abwärtshub berühren sich die Kontaktflächen 8 und 9 im Kontaktpunkt 20, der je nach Ausbildung der Kontaktflächen 8, 9 auch linienförmig sein kann. Der Pumpenkolben 4 wird durch die Feder 11 gegen das Pleuelelement 6 gedrückt und folgt deshalb dem Exzenternocken 3 beim Abwärtshub 5'. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufwärtshub 5'' wird der Pumpenkolben 4 über das Pleuelelement 6 vom Exzenternocken 3 entgegen der Kraft der Feder 11 radial nach außen gedrückt. Während der Hubbewegung 5 wälzen die Kontaktflächen 8, 9 aufeinander ab. Durch das Abwälzen wird die Hubbewegung und die Kraft vom Pleuelelement 6 auf den Pumpenkolben 4 übertragen.

Fig. 3 zeigt eine Kolbenpumpe mit drei radial um die Nockenwellenachse 7 angeordneten Pumpenkolben 4. Auf der Nockenwelle 2 ist der Exzenternocken 3 angeordnet. Am Umfang des Exzenternockens 3 verteilt sind drei Pleuelelemente 6 angeordnet, die jeweils ein Lagerschalensegment 25 besitzen, mit dem sie auf dem Exzenternocken 3 gleiten können. Die Pleuelelemente 6 sind gegeneinander beweglich. An der dem Pumpenkolben 4 zugewandten Seite weisen die Pleuelelemente 6 eine Kontaktfläche 8 auf, die beispielsweise aus Wälzlagerstahl oder Keramik ausgebildet sein kann. Die Kontaktfläche 9 des Pumpenkolbens 4 ist eben ausgebildet und senkrecht zur Längsachse 12 des Pumpenkolbens 4 angeordnet. Die Kontaktfläche 8 des Pleuelelementes 6 ist konzentrisch zum Exzenternocken 3 gekrümmt. Die Kontaktfläche 8 wird in Umfangsrichtung von Führungen 13 begrenzt. In den Stellungen, in denen der Pumpenkolben 4 den halben Aufwärtshub 5'' oder den halben Abwärtshub 5'zurückgelegt hat, verlaufen die Führungen 13 etwa parallel zur Längsachse 12 des Pumpenkolbens 4. Die Kontaktfläche 8 steht mit einer Kontaktfläche 9 des Pumpenkolbens 4 in Kontakt.

Oberhalb des Pleuelelementes 6 ist am Pumpenkolben 4 ein Wulst 45 ausgebildet, an dem der Federteller 17 axial in Richtung auf die Nockenwelle 2 gehalten ist. Es kann jedoch vorteilhaft sein, daß der Federteller 17 von einem in einer Nut des Pumpenkolbens 4 angeordneten Sicherungsring gehalten ist. Die Feder 11 stützt sich radial nach innen gegen den Federteller 11 und radial nach außen gegen einen Einsatz 47 ab, der gehäusefest angeordnet ist und der eine Bohrung 52 aufweist, in der der Pumpenkolben 4 geführt ist. Radial außerhalb des Pumpenkolbens 4 ist der Pumpenraum 44 gebildet, in den Kraftstoff über ein Ventil 24, das insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet ist, einströmen kann. Ein nicht dargestelltes Rückschlagventil im Ablauf verhindert, daß der während des Aufwärtshubs 5'' in den Hochdruckbehälter geförderte Kraftstoff in den Pumpenraum 44 zurückströmen kann.

Beim Drehen der Nockenwelle 2 betätigt der Exzenternocken 3 über die Pleuelelemente 6 nacheinander die Pumpenkolben 4. Im Abwärtshub 5' wird über den Zulauf 22 und das Ventil 24 Kraftstoff in die Pumpenkammer 44 angesaugt. Das Ventil im Ablauf ist geschlossen. Der Pumpenkolben 4 wird von der Feder 11 gegen das Pleuelelement 6 gedrückt. Beim Aufwärtshub 5'' drückt das Pleuelelement den Kolben 4 gegen die Kraft der Feder 11 und den hydraulischen Druck radial nach außen, wodurch der im Pumpenraum 44 angeordnete Kraftstoff durch das sich beim Aufwärtshub 5'' selbsttätig öffnende Rückschlagventil im Ablauf in den Hochdruckbehälter gedrückt wird. Während der Hubbewegung 5 wälzen die Pleuelelemente 6 und die Pumpenkolben 4 an den Kontaktflächen 8 und 9 aufeinander ab. Da die Kräfte immer senkrecht auf die Oberflächen wirken, wirkt auf den Pumpenkolben immer nur eine Kraft parallel zur Längsachse 12, während auf das Pleuelelement 6 eine Kraft in Richtung des Mittelpunkts des Exzenternockens wirkt. Dadurch entsteht am Pleuelelement 6 kein Drehmoment um die Mittelachse 10 des Exzenternockens. Durch die Wälzbewegung ergibt sich keine Relativbewegung zwischen Pumpenkolben 4 und Pleuelelement 6.

In den Fig. 4 und 5 sind schematisch die wirkenden Kräfte dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Kolben 4 beim Aufwärtshub 5''. Aufgrund der sinusförmigen Bewegung in horizontaler Richtung wirken auf das Pleuelelement 6 dynamische Massenkräfte  · ω. Den Massenkräften wirkt die Reibkraft R entgegen, die zwischen Pleuelelement 6 und Pumpenkolben 4 wirkt. Im Aufwärtshub 5'' ist die Kraft F und somit auch die Reibkraft R sehr groß, so daß trotz der Massenkräfte  · ω kein Gleiten zwischen Pleuelelement 6 und Pumpenkolben 4 auftreten kann. Da die Kontaktfläche 8 des Pleuelelements 6 im momentanen Kontaktpunkt 20 konzentrisch zur Mittelachse 10 des Exzenternockens ausgebildet ist, wirkt die Kraft F direkt auf die Mittelachse 10. Die Kraft F entspricht etwa dem Druck des Kraftstoffs im in Fig. 3 dargestellten Pumpenraum 44 multipliziert mit der Fläche des Pumpenkolbens 4.

Im in Fig. 5 dargestellten Abwärtshub 5' ist die Kraft F aufgrund des geringeren Drucks im Pumpenraum 44 ebenfalls geringer. Der dynamischen Massenkraft *

wirkt auch hier die Reibkraft R entgegen. Aufgrund der geringeren Kraft F ist jedoch auch die Reibkraft R wesentlich geringer. Die Kontaktfläche 8 des Pleuelelementes 6 weist im momentanen Berührpunkt 20 einen Radius auf, der kleiner als der Abstand zwischen Kontaktfläche 8 und Mittelachse 10 des Exzenternockens 3 ist. Dadurch wirkt die Kraft F nicht auf die Mittelachse 10, sondern in einem Abstand 1 zu dieser. Hierdurch wird ein Drehmoment um die Mittelachse 10 erzeugt, das der dynamischen Massenkraft * entgegenwirkt und somit ein Gleiten verhindert.

In den Fig. 6 und 7 ist schematisch ein Pumpenkolben 4 im Abwärtshub 5' und im Aufwärtshub 5'' dargestellt. Auf dem Pumpenkolben 4 sind die Abwälzbereiche in der Kontaktfläche 9 dargestellt. Die Längsachse 12 des Kolbens 4 weist zur Nockenwellenachse 7 einen Abstand a auf. Fig. 6 zeigt den Kolben 4 in der Stellung, in der der Pumpenkolben 4 den halben Abwärtshub 5' zurückgelegt hat. Der Abstand a zwischen Nockenwellenachse 7 und Kolbenlängsachse 12 führt zu einer Verkleinerung der Berührfläche im Abwärtshub 5'. Da die Flächenpressungen auch von der Kontaktfläche abhängen, werden diese dadurch vergrößert. Da jedoch im Abwärtshub 5' nur geringe Kräfte auf den Pumpenkolben 4 wirken, führt dies nicht zu unzulässig hohen Flächenpressungen.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Aufwärtshub 5'' ist der Abwälzbereich zwischen Pumpenkolben und Pleuelelement 6 in den Bereich der Mitte des Pumpenkolbens 4 verschoben. Aufgrund des kreisförmigen Querschnitts des Pumpenkolbens 4 führt dies zu einer Vergrößerung des im Aufwärtshub 5'' belasteten Anteils der Kontaktfläche 9 und somit zu einer Verringerung der Flächenpressungen. Durch einen Versatz zwischen Nockenwelle und Kolbenlängsachse über den Abstand a können somit die auftretenden Flächenpressungen bei zylindrischem Pumpenkolben 4 verringert werden.

In Fig. 8 ist schematisch eine Ausführungsvariante dargestellt. Im Pumpenzylinder 15 ist der Pumpenkolben 14 geführt, dessen dem Pleuelelement 16 zugewandte Kontaktfläche 19 mit der Kontaktfläche 18 des Pleuelelementes 16 zusammenwirkt. Das Pleuelelement 16 ist über ein Lagerschalensegment 25 auf einem Exzenternocken 3 angeordnet und wird von diesem wie bereits beschrieben betätigt. Die Feder 11 ist in axialer Richtung durch den Federteller 27 fixiert, der am Pumpenkolben 14 festgelegt ist. Auf der dem Pleuelelement 16 zugewandten Seite des Federtellers 27 sind Führungen 23 angeordnet, die sich vom Bereich der Kontaktflächen 18 und 19 sowohl in Richtung auf den Pumpenkolben 14 als auch in Richtung auf das Pleuelelement 16 erstrecken.

Die Kontaktfläche 19 des Pumpenkolbens 14 ist eben und senkrecht zur Längsachse 12 des Pumpenkolbens 14 ausgebildet. Die Kontaktfläche 18 des Pleuelelementes 16 ist konzentrisch zur Mittelachse 10 des Exzenternockens 3 gekrümmt. Der am Pleuelelement 16 angeordnete Führungszapfen 49 greift zwischen die am Federteller 27 angeordneten Führungen 23. In den Stellungen, in denen der Pumpenkolben 4 den halben Abwärtshub 5' oder den halben Aufwärtshub 5'' zurückgelegt hat, verlaufen die Seitenwände des Führungszapfens 49 parallel zu den Seitenwänden der Führungen 23. Durch die Führungen 23 wird eine Relativbewegung zwischen dem Pleuelelement 16 und dem Pumpenkolben 14 in Umfangsrichtung verhindert. Da die Relativbewegung in radialer Richtung auf der Höhe der Kontaktflächen 18, 19 minimal ist, ergeben sich bei der Anordnung der Berührungspunkte zwischen den Führungen 23 und Führungszapfen 49 in diesem radialen Bereich nur minimale radiale Relativbewegungen und damit praktisch kein Verschleiß in den Berührungspunkten der Führungen 23 und des Führungszapfens 49. Um geringe Flächenpressungen bei der Übertragung der Druckkräfte vom Pleuelelement 16 auf den Pumpenkolben 14 zu erreichen, ist auch hier die Längsachse 12 des Pumpenkolbens 14 gegenüber der Nockenwellenachse 7 radial versetzt.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Pleuelelement 26 dargestellt, das mehrteilig ausgebildet ist. Das Pleuelelement 26 weist drei napfförmige Segmente auf, die in radialer Richtung zum Exzenternocken 3 übereinander angeordnet sind. Das innere Segment 35 weist eine Kontaktfläche 25 auf, mit der es auf dem Exzenternocken drehbar gelagert ist. An der radial äußeren Seite besitzt das Segment 35 eine Kontaktfläche 42, die konvex gewölbt ist und die in Umfangsrichtung Führungen 56 besitzt. Das Segment 34, dessen Außendurchmesser etwa dem Innendurchmesser an der Kontaktfläche 42 entspricht, ist radial nach außen auf dem Segment 35 angeordnet. Die dem Segment 35 zugewandte Kontaktfläche 41 des Segments 34 ist konkav gewölbt, wobei der Betrag des Radius der Kontaktfläche 41 größer als der Betrag des Radius der Kontaktfläche 42 ist.

Auf der radial nach außen gewandten Seite besitzt das Segment 34 eine Kontaktfläche 40, die konvex gewölbt ist, wobei dieser Wölbungsradius und der Wölbungsradius der Kontaktfläche 41 den selben Mittelpunkt haben. Auch das Segment 34 weist in Umfangsrichtung Führungen 57 auf. Radial außerhalb des Segments 34 ist das Segment 32 angeordnet, dessen dem Segment 34 zugewandte Kontaktfläche 39 konvex gewölbt ist und auf der Kontaktfläche 40 abwälzt, während die radial nach außen gewandte Kontaktfläche 28 mit dem Pumpenkolben 4 über die Kontaktfläche 9 in Kontakt steht. Das Segment 32 weist in Umfangsrichtung Führungen 33 auf. Bei der Bewegung des Exzenternockens 3 wälzen die Segment 32, 34 und 35 des Pleuelelementes 26 aufeinander ab. Aufgrund der geringeren Differenzen der Beträge der aufeinander abwälzenden Radien ergeben sich geringe Flächenpressungen. Es können auch Pleuelelemente vorteilhaft sein, die nur aus zwei oder aus mehr als drei Segmenten gebildet sind.

Die in Fig. 10 dargestellte Kolbenpumpe entspricht in ihrer Funktion und ihrem Aufbau weitgehend der Kolbenpumpe aus Fig. 3. Am Umfang des Exzenternockens 3 sind drei Pleuelelemente 36 angeordnet, die über Lagerschalensegmente 25 auf dem Exzenternocken 3 gelagert sind. Die Pleuelelemente 36 wirken über Kontaktflächen 38 auf Pumpenkolben 4. Die Bewegung in Umfangsrichtung zwischen Pleuelelement 36 und Pumpenkolben 4 ist durch Führungen 43, die beidseitig in Umfangsrichtung an den Kontaktflächen 38 angeordnet sind, begrenzt. Die Pleuelelemente 36 weisen in Umfangsrichtung beidseitig zu den benachbart angeordneten Pleuelelementen 36 weisende Nasen 37 auf, wobei die Nasen 37 das jeweilige benachbarte Pleuelelement 36 in geringem radialen Abstand übergreifen. Da immer mindestens ein Pumpenkolben einen Aufwärtshub 5'' ausführt und auf dem entsprechenden Pleuelelement 36 eine große Kraft F in Richtung auf die Mittelachse 10 des Exzenternockens 3 wirkt, sichern sich die Pleuelelement 36 über die Nasen 37 in radialer Richtung gegenseitig. Somit wird auch bei einem Bruch einer Feder 11 vermieden, daß ein Pleuelelement 36 zu weit vom Exzenternocken 3 abhebt und beispielsweise die Pumpe blockiert.

In Fig. 11 ist im Schnitt eine weitere Ausführungsform dargestellt. In radialer Richtung des Exzenternockens 3 sind drei Pleuelelemente 46 angeordnet, die über Lagerschalensegmente 25 auf diesem gelagert sind. Die radial nach außen weisenden Kontaktflächen 48 der Pleuelelemente 46 sind konzentrisch zur Mittelachse 10 des Exzenternockens 3 gekrümmt und wälzen auf den Kontaktflächen 9 der Pumpenkolben 4 ab. Um eine Relativbewegung zwischen Pumpenkolben 4 und Pleuelelement 46 zu verhindern, ist am Gehäuse ein Anschlag 51 angeordnet, der zwei seitliche Führungen 53 aufweist. An diese Führungen 53 können in Umfangsrichtung die benachbarten Pleuelelemente 46 und an diese wiederum das mittlere Pleuelelement 46 in ihren Extremlagen anstoßen, so daß ein Gleiten der Kontaktflächen 9 und 48 aufeinander vermieden wird. Gleichzeitig wird vermieden, daß ein Pleuelelement 46 sich in Umfangsrichtung so weit vom zugehörigen Pumpenkolben 4 entfernen kann, daß der Pumpenkolben 4 nicht mehr in Kontakt mit der Kontaktfläche 48 ist. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, daß für jedes Pleuelelement 46 eine Führung 53 gehäusefest angeordnet ist.

Die Pleuelelemente sind vorteilhaft aus kostengünstigem Material durch Bearbeitung, Formen oder Gießen hergestellt. Im Bereich der Kontaktflächen weisen die Pleuelelemente vorteilhaft einen Einsatz aus hartem und verschleißfestem Material auf. Dies kann vorteilhaft Wälzlagerstahl oder Keramik sein. Die Lagerschalensegmente, die zwischen Pleuelelement und Exzenternocken 3 angeordnet sind, sind zweckmäßig mit einer Schicht mit guten Notlaufeigenschaften, zum Beispiel PTFE, beschichtet. Die Lagerschalensegmente können insbesondere mit niedrigschmelzendem Lot, beispielsweise Weichlot oder silberhaltiges Lot mit einem Schmelzpunkt von ca. 220 C°, auf die Pleuelelemente aufgelötet sein. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die Lagerschalensegmente auf den Pleuelelementen aufgenietet oder an den Lagerschalenrändern umgebogen und/oder aufgeclipst sind. Anstatt der Lagerschalensegmente kann es auch zweckmäßig sein, daß am Umfang des Exzenternockens eine Lagerhülse aufgebracht ist, die insbesondere aufgeschrumpft sein kann und die beispielsweise mit PTFE beschichtet sein kann.

Die Pleuelelemente sind in Richtung der Mittelachse 10 des Exzenternockens 3 zweckmäßig durch die Wände des Pumpengehäuses 1 gelagert. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Pleuelelemente über den Pumpenkolben 4 durch entsprechende Anbindung zu lagern. Die Kontaktflächen können in Richtung der Mittelachse 10 eben ausgebildet sein, so daß sich ebene oder zylindrische Kontaktflächen ergeben. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, daß die Kontaktflächen in Richtung der Mittelachse 10 gekrümmt sind, wodurch sich insbesondere sphärisch gekrümmte Kontaktflächen ergeben. Vorteilhaft ist die Kontaktfläche mit dem kleineren Radiusbetrag sphärisch und die mit dem größeren Radiusbetrag zylindrisch gekrümmt.

Claims

Kolbenpumpe, insbesondere Reihen- oder Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bei Common-Rail-Einspritzsystemen mit einer in einem Pumpengehäuse (1) drehbar gelagerten Nockenwelle (2), die mindestens einen Exzenternocken (3) aufweist, wobei dem Exzenternocken (3) mindestens ein Pumpenkolben (4, 14) zugeordnet ist, der vom Exzenternocken (3) betätigt ist und der in etwa radialer Richtung zur Nockenwelle (2) eine Hubbewegung (5) ausführen kann, die einen zur Nockenwelle (2) gerichteten Abwärtshub (5') und einen entgegengesetzt gerichteten Aufwärtshub (5'') umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Pumpenkolben (4, 14) und dem Exzenternocken (3) ein Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) angeordnet ist, welches durch Abwälzen die Hubbewegung (5) und die Kraft auf den Pumpenkolben (4, 14) überträgt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem Exzenternocken (3) zugeordnete Lagerfläche (54) des Pleuelelements (6, 16, 26, 36, 46) den Exzenternocken (3) über einen Winkel von weniger als 180° umgreift.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pumpenkolben (4, 14) vorgesehen sind und jedes Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) mindestens in einem Winkelbereich unabhängig von anderen Pleuelelementen (6, 16, 26, 36, 46) um die Mittelachse (10) des Exzenternockens (3) drehbar ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) an einer Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48) mit der Kontaktfläche (9, 19) des Pumpenkolbens (4, 14) in Kontakt ist, wobei mindestens eine der Kontaktflächen (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) konvex ausgebildet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kontaktflächen (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) konkav ist, wobei der Betrag des Radius der konkaven Kontaktfläche größer als der Betrag des Radius der konvexen Kontaktfläche ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Kontaktflächen (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) konvex sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktfläche, insbesondere die Kontaktfläche (9, 19) des Pumpenkolbens (4, 14), eben ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (9, 19) des Pumpenkolbens (4, 14) eben und senkrecht zur Längsachse (12) des Pumpenkolbens (4, 14) ausgebildet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (9, 19) des Pumpenkolbens (4, 14) eben und gegenüber der Längsachse (12) des Pumpenkolbens (4, 14) geneigt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48) des Pleuelelements (6, 16, 26, 36, 46) konzentrisch zur Mittelachse (10) des Exzenternockens (3) gekrümmt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) sphärisch gekrümmt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) zylindrisch gekrümmt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche mit dem Radius mit dem kleineren Betrag sphärisch und die Kontaktfläche mit dem Radius mit dem größeren Betrag zylindrisch gekrümmt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48) des Pleuelelements (6, 16, 26, 36, 46) konvex ist, wobei der Bereich der Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48), der mit dem Pumpenkolben (4, 14) im Abwärtshub (5') in Kontakt ist, einen verkleinerten Krümmungsradius aufweist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pleuelelemente (6, 16, 26, 36, 46) am Umfang des Exzenternockens (3) verteilt angeordnet sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß von jedem Pleuelelement (36) in Umfangsrichtung Finger (37) ragen, die das jeweilige benachbarte Pleuelelement (36) an der Außenseite in geringem radialen Abstand übergreifen.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (4, 14) mittels einer Feder (11) gegen das Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) gedrückt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (4, 14) formschlüssig, insbesondere mittels eines Clip, am Pleuelelement gehalten ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (12) des Pumpenkolbens (4) zur Nockenwellenachse (7) einen Abstand (a) aufweist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Führung (13, 23, 33, 43, 53) vorgesehen ist, die die Relativbewegung zwischen Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) und Pumpenkolben (4, 14) in Umfangsrichtung des Exzenternockens (3) begrenzt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (13) etwa auf der Höhe der Kontaktflächen (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Führung (13, 33, 43) am Pleuelelement (6, 26, 36) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 20 bis 223,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Führung (23) am Pumpenkolben (4, 14) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 20 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung beidseitig der Kontaktflächen (8, 18, 28, 38, 48; 9, 19) Führungen (13, 23, 33, 43) angeordnet sind.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 20 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Stellungen, in denen der Pumpenkolben (4) den halben Aufwärtshub (5'') oder den halben Abwärtshub (5') zurückgelegt hat, die Führungen (13, 33, 43) annähernd parallel zur Längsachse (12) verlaufen.
Kolbenpumpe nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Führung (53) am Pumpengehäuse (1) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelelement (26) mehrteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Segmente (32, 34, 35) in Richtung der Kolbenlängsachse (12) angeordnet sind und gegeneinander an Kontaktflächen (39, 40, 41, 42) beweglich sind und wobei insbesondere der Betrag der Krümmungsradien der Kontaktflächen (39, 40, 41, 42) in radialer Richtung nach außen zunimmt.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) im Bereich der Kontaktfläche (8, 18, 28, 38, 48) einen Einsatz aus verschleißfestem Material, insbesondere aus Wälzlagerstahl oder aus Keramik, besitzt.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß am Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) zwischen Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) und Exzenternocken (3) ein Lagerschalensegment (25) angeordnet ist, daß insbesondere PTFE-beschichtet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerschalensegment (25) auf das Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) aufgelötet ist, insbesondere mit Weichlot oder mit niedrigschmelzendem, silberhaltigem Lot.
Kolbenpumpe nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerschalensegment (25) auf dem Pleuelelement (6, 16, 26, 36, 46) formschlüssig, insbesondere durch Umbiegen und/oder Aufclipsen, befestigt ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Exzenternockens (3) eine Lagerhülse (50) angeordnet ist, die insbesondere mit PTFE beschichtet ist.