Pumpenvorrichtung zur Erzeugung hoher Drücke

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Pumpenvorrichtung, insbesondere zur Erzeugung von Drücken von bis zu 3000 bar und mehr, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für Common Rail Dieseleinspritzsysteme werden Hochdruck-Förderpumpen benötigt. Diese Pumpen erreichen derzeit bei ungefähr 2200 bar Förderdruck ihre Festigkeitsgrenze, die einerseits durch den verwendeten Werkstoff und andererseits durch die Bauart der Pumpe definiert ist. Die Schwachstellen dabei sind Hochdruckverschneidungen im Pumpengehäuse und die Ein- und Auslassventile.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Hochdruck-Förderpumpenvorrichtung 101 für Common Rail Dieseleinspritzsysteme zum Erzeugen von maximal ca. 2200 bar Förderdruck.

Diese Pumpvorrichtung 101 umfasst einen in einem Pumpengehäuse 102 geführten Pumpenkolben 103, einen zylindrischen Pumpenraum 104, der durch eine Axialbohrung gebildet und durch den Pumpenkolben 103 begrenzt ist, ein Ansaugventil 105, über das der Pumpenraum 104 mit einer Einlassleitung 106 verbunden ist, und ein Auslassventil 107, über das der Pumpenraum 104 mit einer Auslassleitung 108 verbunden ist. Die Einlassleitung 106 mündet auf der dem Pumpenkolben 103 gegenüberliegenden Seite koaxial zur Kolbenachse 109 in den Pumpenraum 104. Die Auslassleitung 108 geht radial zur Kolbenachse 109 aus dem Pumpenraum 104 ab und ist als Radialbohrung ausgebildet, was bei 117 zu einer Verschneidung führt. Der Pumpenkolben 103 wird über die Nocke 112 eines Nockenantriebs oszillierend angetrieben.

Um die Emissionen von Dieselmotoren weiter zu senken, soll mit immer höheren Drücken eingespritzt werden. Möchte man einfache Lösungen ohne hydraulische Druckverstärker realisieren, benötigt man zukünftig einstufige Hochdruck- Förderpumpen, die möglichst bis 3000 bar und mehr aushalten und liefern.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Drucksteigerung durch gezielte Vermeidung oder durch Ausgleich von Schwachstellen erreicht, so dass auf hochwertigere und damit extrem teuere Werkstoffe verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Pumpenvorrichtung ist konsequent axialsymmetrisch aufgebaut. Kritische Verschneidungen, die zu Spannungsüberhöhungen führen, werden vermieden. Das Ansaugventil steht praktisch unter hydrostatischem Druck und ist damit spannungsarm. Vorzugsweise ist das Pumpengehäuse mit einer bezüglich der Kolbenachse konischen Außenmantelfläche in einer entsprechend konischen Hülsenöffnung einer Spannhülse eingespannt und dadurch bei der Montage radial nach innen vorgespannt, wodurch die im Betrieb an der Außenmantelfläche wirkenden Zugspannungen deutlich verringert werden können. So sind Drücke größer 3000 bar dauerfest mit Werkstoffen erreichbar, die bei herkömmlicher Bauart nur ca. 2200 bar erlauben.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Pumpenvorrichtung; und Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Pumpenvorrichtung nach dem Stand der

Technik.

Ausführungsform der Erfindung

Die in Fig. 1 gezeigte Pumpvorrichtung 1 dient zum Erzeugen von Drücken von bis zu 3000 bar oder mehr und umfasst einen in einem zylinderförmigen Pumpengehäuse 2 geführten Pumpenkolben 3, einen Pumpenraum 4, der durch den Pumpenkolben 3 begrenzt ist, ein Ansaugventil 5, über das der Pumpenraum 4 mit einer Einlassleitung 6 verbunden ist, und ein Auslassventil 7, über das der Pumpenraum 4 mit einer Auslassleitung 8 verbunden ist. Die Einlassleitung 6 erstreckt sich im Pumpenkolben 3 koaxial zur Kolbenachse 9 bis zum Pumpenraum 4, wobei das Ansaugventil 5 im Pumpenkolben 3 in der koaxialen Einlassleitung 6 angeordnet ist. Die Auslassleitung 8 geht auf der dem Pumpenkolben 3 gegenüberliegenden Seite des Pumpenraums 4 koaxial zur Kolbenachse 9 aus dem Pumpenraum 4 in das Pumpengehäuse 2 ab, wobei das Auslassventil 7 im Pumpengehäuse 2 in der koaxialen Auslassleitung 8 angeordnet ist. Die Ansaug- und Auslassventile 5, 7 sind federbelastete Rückschlagventile mit jeweils einer Kugel 10, die in Saug- bzw. Auslassrichtung gegen die Wirkung einer Feder 11 öffnet und in der Gegenrichtung schließt. Der Pumpenkolben 3 wird über die Nocke 12 eines Nockenantriebs oszillierend angetrieben.

Die Ein- und Auslassleitungen 6, 8, die Ansaug- und Auslassventile 5, 7 und die konische Außenmantelfläche 13 des Pumpengehäuses 2 sind bezüglich der Kolbenachse 9 rotationssymmethsch, so dass die gesamte Pumpenvorrichtung 1 bezüglich der Kolbenachse 9 rotations- bzw. axialsymmethsch ist.

Das Pumpengehäuse 2 mit seiner konischen Außenmantelfläche 13 ist in einer entsprechend konischen Bohrung einer Spannhülse 14 axial eingespannt, wie durch die Pfeile 15 angedeutet ist, und dadurch radial nach innen vorgespannt. Das Pumpengehäuse 2, insbesondere im hoch belasteten Bereich des Pumpenraums 4 und des Auslassventils 7, kann über die Kegelflächen der Spannhülse 14 und des Pumpengehäuses 2 bei der Gehäusemontage definiert vorgespannt werden (selbst hemmende Kegelflächen, Hülsenanzug über Gewinde, etc.). So liegen dort im drucklosen Zustand Druckspannungen vor, und erst beim Pumpen entstehen entlang der Außenmantelfläche 13 des Pumpengehäuses 2 Zugspannungen, deren Betrag wesentlich geringer ist als bei konventionellen Pumpen ohne Vorspannung. Ein in Richtung Druck verlagerter Lastpunkt wird vom Werkstoff wesentlich besser ertragen, als ein Lastpunkt der rein im Zugbereich liegt.

Da das Ansaugventil 5 im Pumpenkolben 3 untergebracht ist, entsteht hier keine Verschneidung. Das Ansaugventil 5 steht so auch praktisch unter hydrostatischem Druck: Vom Pumpenraum 4 und von der Seite (Leckagespalt, Druckabfall von Hochdruck nach Niederdruck) wirkt der im Pumpenraum 4 herrschende Druck, und auf die dem Pumpenraum 4 abgewandte Stirnseite des Pumpenkolbens 3 wirkt die Nockenkraft 16, die dem Druck im Pumpenraum 4 entspricht; die drei Hauptspannungen sind also ungefähr gleich. So ergeben sich in dem in Fig. 1 oberen Bereich des Pumpenkolbens 3 sehr niedrige Vergleichsspannungen um Null und damit ein unkritischer Ventilbereich. Das Auslassventil 7 ist oben direkt am Pumpenraum 4 angeschlossen. Es entsteht so ein verschneidungsfreier übergang des kleinen Durchmessers der Axialbohrung der Auslassleitung 8 zum großen Durchmesser des Pumpenraumes 4, der keine Spannungsüberhöhungen (Kerbwirkung) verursacht.