DE102008043993B3

DE102008043993B3 - Common-Rail-Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102008043993B3
Application number: DE102008043993A
Authority: DE
Inventors: Carsten Rudolph
Original assignee: THIELERT AIRCRAFT ENGINES GmbH
Current assignee: Technify Motors GmbH
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-11-22
Also published as: WO2010057889A1; CN102239331A; EP2359002A1; CA2744293A1; US20110220065A1

Abstract

Bei einer Common-Rail-Hochdruckpumpe für mit Flugzeugkraftstoff betriebene Dieselmotoren, die einen in einem Pumpengehäuse (13) angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle (1) angetriebenen Exzenterring (2) sowie über dessen Laufflächen (4) und die Kontaktfläche (5) eines Stößelplättchens (3) in Pumpenzylindern (7) bewegbare, mit einer Aufstandsfläche (10) des Stößelplättchens in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben (8) umfasst, ist auf die zuvor geschliffenen Kontaktflächen (5) und Laufflächen (4) eine diamantähnlich wirkende dünne Kohlenstoffschicht (12) aufgebracht, während die unbeschichtete Aufstandsfläche (10) konkav gewölbt ist. Der Exzenterring (2) und die Stößelplättchen (3) weisen eine vorgegebene hohe Härte auf. Aufgrund des durch die Werkstoffhärte und -beschichtung und die konkave Aufstandsfläche bewirkten synergistischen Effekts werden die Reibungskräfte um ein Vielfaches verringert und die Standzeit der mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Hochdruckpumpe um ein Vielfaches erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Common-Rail-Hochdruckpumpe für einen mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Dieselmotor, die einen in einem Gehäuse angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle angetriebenen Exzenterring sowie über dessen Laufflächen und die Kontaktfläche eines Stößelplättchens in Pumpenzylindern bewegbare, mit einer Aufstandsfläche des Stößelplättchens in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben umfasst.
In nach dem Common-Rail-Prinzip mit Kraftstoff versorgten Dieselmotoren werden Hochdruckpumpen eingesetzt, um den Kraftstoff mit einem für das Einspritzen in den Brennraum geeigneten Druck in einem gemeinsamen Verteilerrohr (Rail) bereitzuhalten. Eine bekannte Common-Rail-Hochdruckpumpe für mit Dieselkraftstoff betriebene Dieselmotoren umfasst einen von dem Dieselmotor über eine Exzenterwelle angetriebenen, als dreieckiges Polygon geformten Exzenterring, dessen Laufflächen jeweils über einen – als Fußscheibe fungierenden – Stößel mit einem Pumpenkolben in Wirkverbindung stehen und die Kolbenbewegung in einem Pumpenzylinder entgegen dem Druck einer Schraubendruckfeder bewirken. Die Exzenterwelle befindet sich in einem Pumpengehäuse, in das der Kraftstoff von einer Vorförderpumpe eingeführt wird. Bei der durch die Schraubendruckfeder bewirkten Abwärtsbewegung des jeweiligen Kolbens wird der Kraftstoff in den betreffenden Zylinder gesaugt und bei der Aufwärtsbewegung verdichtet und in das Verteilerrohr ausgestoßen. Die Schmierung der Exzenterwellenlager, der Reibflächen zwischen Stößel und Exzenterring sowie zwischen Stößel und Kolben sowie der Laufflächen zwischen den Kolben und Zylindern erfolgt mit dem bei Dieselmotoren bekanntermaßen verwendeten Diesel kraftstoff. Die Laufflächen auf dem Exzenterring sind an den Stellen, auf denen sich die Fußscheiben (Stößelplättchen) der Kolben hin- und herbewegen, einer erheblichen Belastung ausgesetzt. Diese Laufflächen werden daher mit einer Verschleißschutzschicht ausgebildet.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Dieselmotoren als Antrieb für Flugzeuge zu verwenden. Der Einsatz von nach dem Common-Rail-Prinzip mit den bekannten Hochdruckpumpen betriebenen Dieselmotoren unter Verwendung eines auf Kerosin basierenden Flugzeugkraftstoffs bei Flugzeugen ist jedoch aufgrund der geringen Schmierwirkung des Flugzeugkraftstoffs und des dadurch bedingten hohen Verschleißes der Reibpartner der Hochdruckpumpe nicht möglich. Bei einem Betrieb des Dieselmotors nach dem Common-Rail-Prinzip mit Flugzeugkraftstoff muss schon nach kürzester Betriebszeit mit einem Totalausfall der Hochdruckpumpe gerechnet werden.
Eine in der DE 102 56 525 A1 beschriebene Hochdruckpumpe für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine umfasst einen Exzenterring zur Bewegung der Pumpenkolben über Stützelemente, die auf mit amorphem Kohlenstoff beschichteten Abflachungen gleiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe für nach dem Common-Rail-Prinzip betriebene Dieselmotoren anzugeben, die auch bei Verwendung von Flugzeugkraftstoff eine lange Lebensdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs ausgebildeten Hochdruckpumpe gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass bei einer Common-Rail-Hochdruckpumpe für einen mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Dieselmotor, die einen in einem Pumpengehäuse angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle angetriebenen Exzenterring sowie über dessen Laufflächen und die Kontaktfläche eines Stößelplättchens in Pumpenzylindern bewegbare, mit einer Aufstandsfläche des Stößelplättchens in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben umfasst, der Exzenterring und die Stößelplättchen eine vorgegebene hohe Härte aufweisen und auf die zuvor geschliffenen Kontaktflächen und Laufflächen eine diamantähnlich wirkende dünne Kohlenstoffschicht aufgebracht ist, während die unbeschichtete Aufstandsfläche konkav gewölbt ist. Aufgrund des synergistischen Effekts zwischen der Härte des Exzenterrings und der Stößelplättchen sowie der dünnen Kohlenstoffbeschichtung der zuvor geschliffenen Lauf- und Kontaktflächen und schließlich der konkav gewölbten Ausbildung der Aufstandsflächen für die Pumpenkolben können die Reibungskräfte zwischen den Lauf- und Kontaktflächen trotz der geringen Schmierfähigkeit des verwendeten Flugzeugkraftstoffs überraschenderweise so deutlich verringert werden, dass sich die Lebensdauer der Hochdruckpumpe um das 500-fache erhöht. Das heißt, mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdruckpumpe ist es überhaupt erst möglich, nach dem Common-Rail-Prinzip betriebene Dieselmotoren unter Verwendung von Flugzeugkraftstoff für Flugzeuge einzusetzen.
In Ausgestaltung der Erfindung besteht der Exzenterring aus einem hoch vergüteten Stahl mit einer bestimmten Kernhärte und einer erhöhten Randhärte, wobei die Randhärte des Exzenterrings durch Gasnitrieren erzeugt ist und nicht kleiner als 800 HV ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Stößelplättchen aus einem pulvermetallurgischen, durchgehär teten Schnellarbeitsstahl mit hoher Zähigkeit und Gestaltfestigkeit, wobei die Härte des Stößelplättchens 800 HV10 nicht unterschreitet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die konkave Wölbung der Aufstandsfläche zwischen 3 μm und 8 μm.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Schnittansicht eines Teils einer Hochdruckpumpe im Bereich der wesentlichen Reibpartner;
2 eine Draufsicht des Exzenterrings; und
3 eine Seitenansicht des Stößelplättchens.
1 zeigt eine Teilansicht einer Hochdruckpumpe im Bereich der Kraftübertragung von einer Exzenterwelle 1 über einen als Polygon ausgebildeten Exzenterring 2 auf ein Stößelplattchen 3. Das Stößelplättchen 3 wird entsprechend der exzentrischen Drehbewegung der Exzenterwelle 1 abwechselnd radial nach außen und anschließend wieder nach innen bewegt. Dabei führt die Lauffläche 4 des Exzenterrings 2 (s. 2) eine hin- und hergehende Bewegung entlang der Kontaktfläche 5 des Stößelplättchens 3 aus. In einer Aufnahmebohrung 6 des Stößelplättchens 3 (s. 3) ist das eine Ende eines in einem Pumpenzylinder 7 radial hin und her beweglichen Pumpenkolbens 8 angeordnet. Die Stirnfläche 9 des Pumpenkolbens 8 kontaktiert die Aufstandsfläche 10 in der Aufnahmebohrung 6, so dass der Pumpenkolben 8 entgegen der Kraftwirkung einer Schraubendruckfeder 11 radial nach außen und durch die Federkraft wieder nach innen bewegt wird. Wie 2 zeigt, weist der Exzenterring 2 drei im Winkel von 120° zueinander angeordnete Laufflächen 4 auf, die jeweils über ein Stößelplättchen 3 mit einem Pumpenkolben 8 in Wirkverbindung stehen. Das Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe ist mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet.
Um die – insbesondere aufgrund der Verwendung von Flugzeugkraftstoff und dessen geringer Schmierwirkung bedingten – extrem hohen Reibkräfte zwischen der Kontaktfläche 5 des Stößelplättchens 3 und der Lauffläche 4 zu minimieren, sind die Laufflächen 4 und die Kontaktflächen 5 mit einer dünnen diamantähnlichen wirkenden Kohlenstoffschicht 12 (DLC: diamond like carbonite) beschichtet. Der Exzenterring 2 besteht aus einem hochvergüteten Stahl mit einer hohen Grundfestigkeit und Kernhärte sowie einer bestimmten – vorzugsweise durch Gasnitrieren erzielten – Randhärte. Die Stößelplättchen 3 sind aus einem pulvermetallurgisch hergestellten und durchgehärteten Schnellarbeitsstahl hergestellt. Der Grundwerkstoff des Exzenterrings 2 und der Stößelplättchen 3 ist im Bereich der Laufflächen 4 und der Kontaktfläche 5 des jeweiligen Stößelplättchens 3 geschliffen ausgeführt. Durch diese Ausbildung und Oberflächenbearbeitung des Grundwerkstoffs ist eine sichere Abstützung und eine sichere Haftung der Kohlenstoffschicht 12 auf der betreffenden Unterlage (4, 5) gewährleistet. Die Aufstandsfläche 10 des Stößelplättchens 3 ist nicht mit der diamantähnlich wirkenden Kohlenstoffschicht (DLC-Schicht) versehen. Sie ist jedoch in der Größenordnung von etwa 3 bis 8 μm konkav gewölbt ausgebildet, um den Druck des Pumpenkolbens 8 auf das Stößelplättchen 3 und damit die Flächenpressung zwischen der Lauffläche 4 und der Kontaktfläche 5 zu vermindern und darüber hinaus ein Durchstanzen der Aufnahmebohrung 6 aufgrund der von der Stirnfläche 9 des Pumpenkolbens 8 ausgehenden Kraftwirkung zu verhindern. Mit einer derartigen Ausbildung der Hochdruckpumpe für einen nach dem Common-Rail-Prinzip mit einem auf Kerosin basierenden Kraftstoff versorgten Dieselmotor für Flugzeuge kann trotz der hohen Flächenpressung und der geringen Schmier fähigkeit des Kraftstoffs ein Festfressen und Kaltverschweißen zwischen dem Exzenterring 2 und den Stößelplättchen 3 vermieden werden und letztlich eine Lebensdauer der Hochdruckpumpe erreicht werden, die etwa 500 Mal höher ist als die Lebensdauer der üblicherweise im Automobilbau eingesetzten Hochdruckpumpen und die die Anwendung von Common-Rail-Dieselmotoren bei Flugzeugen überhaupt erst möglich macht.

1: Exzenterwelle
2: Exzenterring
3: Stößelplättchen
4: Lauffläche v. 2
5: Kontaktfläche v. 3
6: Aufnahmebohrung v. 3
7: Pumpenzylinder
8: Pumpenkolben
9: Stirnfläche v. 8
10: Aufstandsfläche v. 3
11: Schraubendruckfeder
12: Kohlenstoffschicht
13: Pumpengehäuse

Claims

Common-Rail-Hochdruckpumpe für einen mit Flugzeugkraftstoff betriebenen Dieselmotor, die einen in einem Pumpengehäuse (13) angeordneten, als Polygon geformten und von einer Exzenterwelle (1) angetriebenen Exzenterring (2) sowie über dessen Laufflächen (4) und die Kontaktfläche (5) eines Stößelplättchens (3) in Pumpenzylindern (7) bewegbare, mit einer Aufstandsfläche (10) des Stößelplättchens (3) in Wirkverbindung stehende Pumpenkolben (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterring (2) und die Stößelplättchen (3) jeweils eine vorgegebene Härte aufweisen und auf die zuvor geschliffenen Kontaktflächen (5) und Laufflächen (4) eine diamantähnlich wirkende dünne Kohlenstoffschicht (12) aufgebracht ist, während die unbeschichtete Aufstandsfläche (10) konkav gewölbt ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterring (2) aus einem hoch vergüteten Stahl mit einer bestimmten Kernhärte und einer erhöhten Randhärte besteht.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randhärte des Exzenterrings (2) durch Gasnitrieren erzeugt ist und nicht kleiner als 800 HV ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößelplättchen (3) aus einem pulvermetallurgischen, durchgehärteten Schnellarbeitsstahl mit hoher Zähigkeit und Gestaltfestigkeit bestehen.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte des Stößelplättchens (3) 800 HV10 nicht unterschreitet.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Wölbung der Aufstandsfläche (10) zwischen 3 μm und 8 μm beträgt.