DE19757702A1 - Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe, bei der eine Innenflächennocke verwendet wird, und insbesondere eine Verbesserung eines Kolbens zur Unterdrucksetzung von Kraftstoff zur Verwendung in einer solchen Pumpe.

Bei einer typischen Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe mit einer Innenflächennocke, wie in EP Nr. 0 692 622 A2 und EP 0 675 280 A1 gezeigt, sind eine Antriebswelle und eine Ver­ teilerwelle koaxial miteinander in einem Gehäuse verbunden. Die Verteilerwelle ist an ihrem einen Ende auf der Seite der An­ triebswelle mit einer Vielzahl von Gleitbohrungen ausgestattet. Jede der Gleitbohrungen nimmt einen Kolben derart auf, daß er in der Gleitbohrung gleiten kann. Ein Nockenring ist auf eine derartige Weise angeordnet, daß er das Ende der Verteilerwelle umgibt. Wenn sich die Verteilerwelle dreht, wird ein Kolbenpaar unter der Wirkung eines Nockens in radial entgegengesetzte Richtungen bewegt, der an einer Innenfläche des Nockenrings ausgebildet ist. Infolgedessen wird Kraftstoff intermittierend unter Druck Kraftstoffeinspritzdüsen zugeführt.

Je kürzer bei der so konstruierten Pumpe eine Länge L des Kolbens ist, desto größer ist die Schrägstellung des Kolbens, wenn der Kolben bewegt wird. Je größer der Durchmesser D des Kolbens ist, desto größer ist das Drehmoment, das durch den schrägen Kolben ausgeübt wird. Aus diesem Grund wächst der An­ preßdruck an einem Rand des Kolbens, was zu einem Festfressen oder einer Abnutzung führt. Um ein derartiges Festfressen oder eine derartige Abnutzung zu vermeiden, ist es notwendig, ein Verhältnis D/L zwischen dem Durchmesser D und der Länge L des Kolbens zu wählen, das klein genug ist.

Um das Verhältnis D/L klein genug einstellen zu können, muß jedoch der Kolben, der in dem Nockenring angeordnet ist, in der Länge vergrößert werden. Zusätzlich muß der Durchmesser D des Kolbens verringert werden. Wenn der Durchmesser D verringert wird, muß der wechselseitige Hub des Kolbens vergrößert werden, um eine notwendige Menge an Kraftstoff zu erreichen, die unter Druck zugeführt wird.

Weil der Kolben in der Länge und der Hub vergrößert wird, wird der Nockenring, der diesen Kolben umgibt, im Durchmesser ver­ größert, und somit nimmt die Pumpe notwendigerweise in ihrer Größe zu.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe zu schaffen, bei der, selbst wenn ein Verhältnis D/L zwischen einem Durchmesser D und einer Länge L eines Kolbens groß eingestellt wird, und somit die Pumpe in ihrer Größe verringert werden kann, eine gleichmäßige bzw. ruhige wechselseitige Bewegung des Kolbens gewährleistet ist, die Abnutzung des Kolbens auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein diamantartiger Karbonfilm an einem Gleitabschnitt des Kolbens ausgebildet. Weil der diamantartige Karbonfilm einen geringeren Reibungswiderstand und eine höhere Verschleißfestigkeit auf­ weist, ist die ruhige Gleitbewegung des Kolbens gewährleistet, und die Abnutzung des Gleitabschnittes ist auf ein Mindestmaß reduziert, selbst wenn der Anpreßdruck zwischen dem Gleit­ abschnitt des Kolbens und einem inneren Umfang einer Gleit­ bohrung der Verteilerwelle vergrößert ist. Das Verhältnis D/L zwischen dem Durchmesser D und der Länge L des Kolbens liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,6 bis 1,0 und insbesondere bevorzugt, in dem Bereich von 0,7 bis 1,0. Dadurch kann die Größe der Einspritzpumpe verringert werden, und eine aus­ reichende Menge an Kraftstoff kann unter der Wirkung eines hohen Drucks eingespritzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben:

Fig. 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht einer Verteiler- Kraftstoffeinspritzpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Aufsicht eines Kolbens; und

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das das Ergebnis eines Gleit­ tests verschiedener Kolben darstellt.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. Zunächst wird eine Skizze einer Vertei­ ler-Kraftstoffeinspritzpumpe mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Verteiler- Kraftstoffeinspritzpumpe ein Gehäuse 1 auf. Eine Antriebswelle 2, die einem von einem Motor stammenden Drehmoment unterworfen ist, steckt in einem linken Endbereich (Fig. 1) des Gehäuses 1. Ein rechter Endbereich der Antriebswelle 2 liegt einem In­ nenraum 3 des Gehäuses 1 gegenüber. In dem Gehäuse 1 ist eine Zuführpumpe 4 aufgenommen, die von der Antriebswelle 2 ange­ trieben wird, um Kraftstoff in den Innenraum 3 unter der Wir­ kung von mehreren Atmosphärendrücken zuzuführen.

Ein linker Endbereich einer Verteilerwelle 5, der koaxial zu der Antriebswelle 2 liegt, ist mit einem rechten Endbereich der Antriebswelle 2 verbunden. Eine Haltebuchse 6 ist fest in einen rechten Endbereich des Gehäuses 1 gesteckt. Ein rechter End­ bereich der Verteilerwelle 5 ist drehbar in diese Haltebuchse 6 eingesetzt. Ein in axialer Richtung verlaufender Hauptkraft­ stoffweg 5a ist in dem rechten Endbereich der Verteilerwelle 5 ausgebildet. Eine Ansaug- bzw. Überlauföffnung 5b ist mit einem mittleren Bereich des Hauptkraftstoffweges 5a verbunden, und eine Verteileröffnung 5c ist mit einem rechten Endbereich des Hauptkraftstoffweges 5a verbunden. Diese Öffnungen 5b, 5c öffnen sich zu einer äußeren Umfangsfläche der Verteilerwelle 5.

Eine Vielzahl von Gleitbohrungen 5x, die jeweils einen kreisförmigen Aufbau im Querschnitt aufweisen und sich in radialer Richtung von einem linken Ende des Hauptkraftstoff­ weges 5a erstrecken, sind in dem linken Endbereich der Verteilerwelle 5 ausgebildet. Der rechte Endbereich der Antriebswelle 2 dient als ein Buchsenabschnitt 2a (nur in Fig. 2 gezeigt), der einen linken Endbereich der Verteilerwelle 5 umgibt. In diesem Buchsenabschnitt 2a ist eine Vielzahl sich in axialer Richtung erstreckender Schlitze ausgebildet. Halte­ bohrungen 5y sind durch die Schlitze und einen ringförmigen Flanschabschnitt 5m (nur in Fig. 1 gezeigt) der Verteilerwelle 5 bestimmt. Jede Haltebohrung 5y steht mit einem in radialer Richtung äußeren Ende der entsprechenden Gleitbohrung 5x in Verbindung und öffnet sich zu einer äußeren Umfangsfläche der Antriebswelle 2. Vorsprünge 5n, die in radialer Richtung nach außen von der Verteilerwelle 5 hervorstehen, sind in ein am weitesten innen liegendes Ende (linkes Ende von Fig. 1) der Schlitze eingesetzt, die in dem Buchsenabschnitt 2a der Antriebswelle 2 ausgebildet sind. Auf diese Weise sind die Antriebswelle 2 und die Verteilerwelle 5 miteinander verbunden.

In dem Gehäuse 1 ist eine Steuerbuchse 7 an einem Außenumfang eines mittleren Bereiches der Verteilerwelle 5 angebracht. Die Ansaug- bzw. Überlauföffnung 5b wird durch die Steuerbuchse 7 verschlossen. In Übereinstimmung mit der Drehung der Vertei­ lerwelle 5 wird die Öffnung 5b über eine schrägverlaufende Bohrung (nicht gezeigt), die in der Steuerbuchse 7 ausgebildet ist, in oder außer Verbindung mit dem Innenraum 3 des Gehäuses 1 gebracht. Die Steuerbuchse 7 wird in ihrer axialen Position durch ein Steuerglied 8 für die Einspritzmenge eingestellt.

Das Gehäuse 1 weist eine Vielzahl von Druck- bzw. Auslaßventi­ len 9 (nur eines ist gezeigt) auf, die an einem rechten Endbereich des Gehäuses 1 angebracht sind. Die Auslaßventile 9 werden gemäß der Drehung der Verteilerwelle 5 selektiv mit der Verteileröffnung 5c in Verbindung gebracht.

Die Kolben 10 sind jeweils gleitend in einer der Gleitbohrungen 5x aufgenommen. Hemmschuhe, Gleitschuhe bzw. Schuhe 11 sind jeweils in radialer Richtung gleitend in einer der Halte­ bohrungen 5y aufgenommen. Eine zylinderförmige Rolle 12 wird drehbar durch die Schuhe 11 gehalten.

In dem Gehäuse 1 ist ein Nockenring 15, der koaxial zu der Verteilerwelle 5 liegt, auf eine derartige Weise angeordnet, daß er den linken Endbereich der Verteilerwelle 5 und den Buchsenabschnitt 2a der Antriebswelle 2 umgibt. Wie es am besten in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine Nockenfläche 16 auf einer inneren Umfangsfläche des Nockenrings 15 ausgebildet.

Die Rolle 12 kann mit dieser Nockenfläche 16 in Kontakt kommen. Die Nockenfläche 16 weist einen hervorspringenden Abschnitt 16a und einen zurückspringenden Abschnitt 16b auf, die jeweils radial einwärts vorspringen bzw. zurücktreten.

Der Nockenring 15 wird um eine Achse der Verteilerwelle 5 durch das Stellglied 17 derart gedreht, daß der Nockenring 15 in einer Winkelstellung eingestellt wird.

Bei der so aufgebauten Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe wird, wenn sich die Antriebswelle 2 dreht, die Verteilerwelle 5 eben­ falls gedreht, wobei sie der Drehung der Antriebswelle 2 folgt. Durch die durch die Drehung der Verteilerwelle 5 bewirkte Zen­ trifugalkraft, werden die Kolben 10, die Schuhe 11 und die Rol­ len bzw. Walzen 12 radial bezogen auf die Verteilerwelle 5 nach außen gedrängt, wobei die Kolben 10 und die Schuhe 11 mitein­ ander in Kontakt sind, und die Rollen 12 und die Nockenfläche 16 des Nockenrings 15 miteinander in Kontakt sind.

Im Verlauf der Bewegung der Kontaktstelle der Rolle 12 von den vorspringendem Bereich 16a zu dem zurücktretenden Bereich 16b der Nockenfläche 16 gemäß der Drehung der Verteilerwelle 5, wird die Öffnung sb der Verteilerwelle 5 mit dem Innenraum über das schräge Loch der Steuerbuchse 7 in Verbindung gebracht. Dadurch wird Kraftstoff aus dem Innenraum 3 des Gehäuses 1 in den Hauptkraftstoffweg 5a über die Öffnung 5b gesaugt.

Im Verlauf der Bewegung der Kontaktstelle der Rolle 12 von dem zurücktretenden Bereich 16b zu dem vorspringenden Bereich 16a der Nockenfläche 16, werden die Kolben 10 gezwungen, sich in radialer Richtung bezogen auf die Verteilerwelle 5 einwärts unter dem Einfluß der Nockenwirkung der Nockenfläche 16 auf die Rolle 12 und die Schuhe 11 zu bewegen. Im Anfangsstadium des Verlaufs dieser Bewegung wird die Öffnung 5b der Verteilerwelle 5 mit der Steuerbuchse 7 verschlossen. Dadurch steigt der Druck des Kraftstoffs in den Hauptkraftstoffweg 5a an und wird zu dem Auslaßventil 9, das durch die Verteileröffnung 5c ausgewählt ist, zugeführt, und dann von dem Auslaßventil 9 zu der ent­ sprechenden Einspritzdüse, die an einem Motor angebracht ist. Auf diese Weise wird eine Kraftstoffeinspritzung zu dem Motor durchgeführt. In einer letzten Stufe des Verlaufs der Bewegung strömt, weil die Öffnung 5b der Verteilerwelle 5 mit dem schrägen Loch der Steuerbuchse 7 in Verbindung gebracht wird, Kraftstoff unter hohem Druck aus dem Hauptkraftstoffweg 5a in den Innenraum 3 über die Öffnung 5b über bzw. zurück. Auf diese Weise wird die Kraftstoffeinspritzung beendet.

Der Kolben 10 der Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe als ein wichtiges Teil der vorliegenden Erfindung wird jetzt mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Dieser Kolben 10 ist aus einem Schnellarbeitswerkzeugstahl, wie z. B. SKH51-Stahl, gebildet. Der Kolben 10 weist einen zylindrischen Gleitbereich 10a und Vorsprünge 10b auf, die an seinen gegenüberliegenden Enden vorstehen. Wenn der Durchmesser und die Länge des Gleitab­ schnitts 10a mit D bzw. L bezeichnet werden, liegt ihr Ver­ hältnis D/L zwischen 0,6 und 1 und vorzugsweise zwischen 0,7 und 1,0. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser D 9,5 mm, die Länge L 12 mm und das Verhältnis D/L 0,79.

Das obige Verhältnis D/L ist größer als das auf diesem Gebiet der Technik bekannte Verhältnis. Das heißt, daß der Durchmesser D größer als auf diesem Gebiet der Technik, und die Länge L kleiner als die auf diesem Gebiet der Technik ist. Vor allem ist die Länge L kleiner als die auf diesem Gebiet der Technik bekannte Länge L.

Weil die Länge L des Kolbens 10 reduziert werden kann, kann der Nockenring 15, der den Kolben 10 umgibt, im Durchmesser ver­ kleinert werden, und somit kann auch die Pumpe in ihrer Größe in radialer Richtung verkleinert werden. Weil der Hub des Kol­ bens 10, um eine notwendige Kraftstoffmenge zu erhalten, die unter Druck zugeführt wird, durch die Vergrößerung des Durch­ messers D verringert werden kann, kann der Nockenring 15 aus diesem Grund weiter im Durchmesser reduziert werden, und somit kann die Pumpe weiter in der Größe in radialer Richtung ver­ kleinert werden.

Der Kolben 10 wird in der Gleitbohrung 5x der Verteilerwelle 5 mit einem sehr kleinen Spiel aufgenommen, um ein Leck zu ver­ hindern, und fast kein Ölfilm wird zwischen dem Kolben 10 und der Schieberbohrung 5x ausgebildet. Da überdies der Kolben 10 mit einer hohen Geschwindigkeit hin- und herbewegt wird, sind die Gleitbedingungen extrem hart. Dementsprechend, unter der Bedingung, daß das Verhältnis D/L des Kolbens 10 vergrößert ist, wie oben erwähnt, entsteht ein sehr hoher Kontaktdruck an dem Randbereich des Gleitabschnitts 10a, was ein ruhiges Glei­ ten des Kolbens 10 verhindert und zu einem Festfressen bzw. einer Abnutzung an diesem Kontaktbereich führt.

Weil jedoch die DLC-Schicht (diamantartiger Karbonfilm oder ein amorpher harter Karbonfilm) auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbens 10 bei diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, kann ein derartiges Festfressen bzw. eine derartige Abnutzung verhindert werden. Der Grund liegt darin, daß der DLC-Film (DLC-Beschichtung) aus Karbon besteht und daher keine Zündung auftritt, der Reibungskoeffizient niedrig ist und hohen Flä­ chenkräften standgehalten werden kann. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel enthält der DLC-Film Stickstoff und Silizium, um die Verbindung mit dem Trägermaterial und die Gleitcharak­ teristik (niedriges µ) zu vergrößern. In diesem Fall beträgt der Anteil an Stickstoff 15% oder weniger und der Anteil an Silizium 10 bis 35%. Die Filmdicke liegt bei 1 µm oder mehr und beträgt im Hinblick auf die Haltbarkeit vorzugsweise 5 µm oder mehr.

Festfreß- und Abnutzungsprüfungen wurden für den Kolben 10 mit dem DLC-Film und ebenso für einen superfinierten (feinstbear­ beiteten) Kolben und einen Ni-P-galvanisierten Kolben mit PTFE ausgeführt, das darauf gestreut (scattered) ist. Die Ergebnisse dieser Versuche sind wie folgt:
Kolbengeschwindigkeit: 4 m/s
Kraftstoff: Kraftstoffölgemisch (wenig Schwefel)
Temperatur: Raumtemperatur
Spiel: 2 µm (zwischen Gleitbohrung und Kol­ ben)
Pumpengeschwindigkeit: 2250 Umdrehung pro Minute
Testdauer: 1000 Stunden.

Die Testergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 gibt die Ordinate den Oberflächenzustand an, wobei A einen Zustand bedeutet, bei dem kein Festfressen, keine Abnutzung und kein Ablösen (Ablösen kann nur bei der Beschichtung und dem Film auftreten) auftritt, B einen Zustand bedeutet, bei dem Abnut­ zung teilweise aufgetreten ist, und C einen Zustand bedeutet, bei dem ein Festfressen, große Abnutzung und ein Ablösen aufge­ treten ist. Das heißt, daß bei einem superfinierten Kolben Festfressen und große Abnutzung auftritt, wenn das Verhältnis D/L 0,55 oder größer ist. Bei einem PTFE gestreuten Ni-P galvanisierten Kolben tritt Abnutzung und teilweises Ablösen auf, wenn das Verhältnis D/L in dem Bereich von 0,6 bis 0,7 liegt, und, wenn das Verhältnis D/L 0,7 oder mehr beträgt, kommt ein Festfressen, eine große Abnutzung und ein Ablösen vor. Im Gegensatz dazu kommt bei dem Kolben mit dem DLC-Film kein Festfressen, keine große Abnutzung und kein großes Ablösen vor, selbst wenn das Verhältnis bis auf 1,0 erhöht wird.

Aufgrund der Ergebnisse der Tests ist bei diesem Ausführungs­ beispiel, um den Nutzen des DLC-Films voll zu genießen, ein Verhältnis D/L für den Kolben 10 von 0,6 (Abnutzung und Fest­ fressen kommt bei anderen Flächenbehandlungen, Beschichtungen usw. bei diesem Wert vor) oder mehr, und vorzugsweise von 0,7 oder mehr gewählt. Das Verhältnis D/L für den Kolben 10 von 1,0 oder weniger ist angesichts der Beschränkung des Aufbaus der Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe gewählt.

Der DLC-Film kann auf dem Vorsprung 10b von jedem Kolben 10 ausgebildet sein.

Somit betrifft die Erfindung eine Verteilerwelle 5 einer Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe, die mit in radialer Rich­ tung verlaufenden Gleitbohrungen 5x ausgebildet ist. Ein Kolben 10 ist in jeder der Gleitbohrungen aufgenommen. Die Drehung der Verteilerwelle bewirkt eine entgegengesetzte Bewegung des Kolbens, um Kraftstoff unter Druck intermittierend einzuspei­ sen. Ein Gleitbereich 10a des Kolbens ist zumindest auf einem Teil seines äußeren Umfangs mit einem diamantartigen Karbonfilm ausgebildet. Wenn der Durchmesser und die Länge von jedem Kolben mit D bzw. L bezeichnet werden, liegt das Verhältnis D/L etwa bei 0,6 bis 1,0.

Claims (3)

1. Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe mit:

• a) einem Gehäuse (1);
• b) einer Antriebswelle (2), die das Gehäuse durchstößt und mit einem Ende einem Innenraum des Gehäuses gegenüberliegt;
• c) einer Verteilerwelle (5), die koaxial mit dem einen Ende der Antriebswelle in dem Gehäuse verbunden ist, wobei die Antriebswelle einen sich in axialer Rich­ tung erstreckenden Hauptkraftstoffweg (5a) und eine Vielzahl von Gleitbohrungen (5x) aufweist, die in einem Endbereich davon auf der Seite der Antriebs­ welle ausgebildet sind und sich in radialer Richtung der Verteilerwelle von dem Hauptkraftstoffweg weg erstrecken;
• d) einer Vielzahl von Auslaßventilen (9), die an dem Gehäuse angebracht sind, wobei die Auslaßventile selektiv mit dem Hauptkraftstoffweg gemäß der Drehung der Verteilerwelle verbindbar sind;
• e) einer Vielzahl von Kolben (10), um Kraftstoff unter Druck zu setzen, die gleitend in den Gleitbohrungen der Verteilerwelle aufgenommen sind; und
• f) einem Nockenring (15), der auf eine derartige Weise angeordnet ist, daß er die Verteilerwelle umgibt, wobei der Nockenring eine Nockenfläche (16) auf seinem inneren Umfang aufweist, wobei die Kolben bezogen auf die Verteilerwelle in radialer Richtung in wechselseitiger Richtung gemäß der Drehung der Verteilerwelle unter dem Einfluß der Nockenwirkung der Nockenfläche bewegbar sind,
  dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (10) jeweils einen zylinderförmigen Gleitabschnitt (10a) aufweisen, der fähig ist, gleitend einen inneren Umfang der Gleitbohrung (5x) zu berühren, wobei der Gleitabschnitt an seiner äußeren Umfangsfläche mit einem diamantartigen Karbonfilm ausge­ bildet ist.

2. Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Durchmesser des Gleitabschnitts (10a) mit D und die Länge des Gleit­ abschnitts (10a) mit L bezeichnet wird, das Verhältnis D/L 0,6 bis 1,0 beträgt.

3. Verteiler-Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis D/L 0,7 bis 1,0 beträgt.