Titel

Hochdruckpumpe Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine Radial- oder

Reihenkolbenpumpe. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Brennstoffpumpen für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.

Aus der DE 10 2005 046 670 A1 ist eine Hochdruckpumpe für eine

Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine bekannt. Die bekannte

Hochdruckpumpe weist ein Pumpengehäuse auf, in dem ein Pumpenelement angeordnet ist. Das Pumpenelement umfasst einen durch eine Antriebswelle in einer Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben. Der Pumpenkolben ist in einer Zylinderbohrung eines Teils des Pumpengehäuses verschiebbar geführt und begrenzt in dieser einen

Pumpenarbeitsraum. Der Pumpenkolben stützt sich mittelbar über einen

hohlzylinderförmigen Stößel an der Antriebswelle ab. Dabei ist der Stößel in einer Bohrung eines Teils des Pumpengehäuses in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens verschiebbar geführt. Im Stößel ist in dessen der Antriebswelle zugewandtem Endbereich ein Stützelement eingesetzt, in dem eine Rolle drehbar gelagert ist, die auf dem Nocken der Antriebswelle abrollt. Die Drehachse der Rolle ist annähernd parallel zur Drehachse der Antriebswelle. Das Stützelement weist auf seiner der Antriebswelle zugewandten Seite eine Vertiefung auf, in der die Rolle gelagert ist.

Die aus der DE 10 2005 046 670 A1 bekannte Hochdruckpumpe hat den Nachteil, dass im Betrieb im Bereich der Rolle Schäden durch oberflächennahe Ausbrüche und dergleichen auftreten können, die den Betrieb der Hochdruckpumpe beeinträchtigen und zum Versagen der Hochdruckpumpe führen können.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Ausgestaltung der Hochdruckpumpe verbessert ist. Speziell ist ein zuverlässiger Betrieb der Hochdruckpumpe auch unter erschwerten Betriebsbedingungen möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte

Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Hochdruckpumpe möglich.

Im Betrieb der Hochdruckpumpe können hohe Flächenpressungen und

Gleitgeschwindigkeiten am Rollenschuh im Kontakt zur Rolle auftreten. Speziell bei

Hochdruckpumpen für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen, bei denen Dieselbrennstoff gefördert wird, wird als Schmierstoff für den Triebwerksraum ebenfalls der Dieselbrennstoff verwendet. Allerdings kann die Qualität des Dieselbrennstoffs national und regional stark schwanken. Beispielsweise kann der Dieselbrennstoff korrosive Bestandteile enthalten, die die Qualität verschlechtern. Speziell können erhöhte Anteile an freiem Wasser im Dieselbrennstoff enthalten sein. Beim Betrieb mit solch einem korrosiven Dieselbrennstoff kommt es beim Einsatz von gewöhnlichen Wälzlagerstählen an der Rolle und der Lauffläche des Nockens zu Schwingungsrisskorrosionen. Diese führen unter Belastung zu oberflächennahen Ausbrüchen und in der Folge kann es zu einem Versagen des Antriebs der Hochdruckpumpe kommen. Eine denkbare Lösung besteht darin, dass komplett rostfreie Werkstoffe an den belasteten Bauteilen der Pumpenbaugruppe, insbesondere der Rolle und dem Nocken, zum Einsatz kommen, was jedoch eine äußerst kostenintensive Lösung darstellt. Durch den Einsatz einer oder mehrerer Korrosionsschutzschichten an den belasteten

Bauteilen, das heißt an der Rolle und/oder dem Rollenschuh und/oder dem Nocken, können verhältnismäßig günstige Wälzlagerstähle oder dergleichen zum Einsatz kommen. Durch eine oder mehrere Korrosionsschutzschichten ist hierbei ein zuverlässiger Betrieb auch bei der Verwendung von schlechten Brennstoffqualitäten, insbesondere von korrosiven Dieselkraftstoffen, gewährleistet. Speziell der Einsatz von teuren, rostfreien

Wälzlagerstählen kann dadurch reduziert oder ganz vermieden werden.

Vorteilhaft ist es, dass zumindest eine Korrosionsschutzschicht durch eine oberflächennahe Änderung einer Materialzusammensetzung ausgebildet ist. Hierbei kann durch eine Änderung der Metalllegierung beispielsweise an der Lauffläche des Nockens eine

Korrosionsvermeidung erzielt werden. Als Legierungselemente können Chrom und Nickel zum Einsatz kommen. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die oberflächennahe Änderung der

Materialzusammensetzung durch Ionenimplantation, durch Laseraufschmelzen oder durch thermisches Aufspritzen ausgebildet ist. Bei der Ionenimplantation erfolgt durch Beschuss der Bauteiloberfläche ein Einbringen von Ionen, um eine Legierungsänderung

herbeizuführen. Beim Laseraufschmelzen wird durch eine Zugabe von Fremdmetall als Pulver auf die Oberfläche und durch ein Aufschmelzen eine Legierungsbildung erzielt. Ziel des Laseraufschmelzens ist eine Legierungsänderung an der jeweiligen Oberfläche. Beim thermischen Aufspritzen erfolgt ein Aufspritzen von Elementen unter hoher Temperatur mit dem Ziel, die Legierung der Bauteiloberfläche gezielt zu verändern.

In vorteilhafter Weise ist zumindest eine Korrosionsschutzschicht als Passivschicht ausgebildet. Speziell kann ein Kontakt zwischen dem Nocken und der Rolle mittels einer Passivschicht bildenden Beschichtung an der Lauffläche des Nockens oder der

Rollenoberfläche so ausgebildet werden, dass eine Korrosionsvermeidung erzielt ist.

Hierbei kann eine sehr dünne Schicht an der jeweiligen Bauteiloberfläche einen

ausreichenden Korrosionsschutz ermöglichen. Die Passivschicht kann beispielsweise durch einen hohen Gehalt an Chrom ausgebildet werden. Durch solch eine dünne Passivschicht werden die wesentlichen Eigenschaften, wie Wälzfestigkeit und Abrassionsfestigkeit, die insbesondere für den Dauerbetrieb wesentlich sind, nicht beeinflusst. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass eine dünne Passivschicht mit einer Dicke von weniger 1 μιη ausgebildet wird, bei der zum Beispiel Chrom als Passivschichtbildner aufgebracht wird, um eine wesentlich höhere Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Die Passivschicht kann speziell an der Rolle und/oder dem Nocken vorgesehen sein. Als Legierungselemente kommen insbesondere Chrom und Nickel in Frage. Aber auch andere Edelstahllegierungen sind möglich.

Die Beschichtung der Bauteiloberfläche mit einer Passivschicht kann in vorteilhafter Weise durch eine Plasmaabscheidung, durch eine Galvanisierung oder durch Sputtern erfolgen. Beim Verchromen oder Anverchromen der Oberfläche kann eine dünne Chromschicht mit einer Dicke von weniger als 1 μιη ausgebildet werden. Speziell ist es von Vorteil, dass eine mittlere Dicke der Passivschicht, insbesondere der Chromschicht, etwa 0,2 μιη beträgt. Hierdurch wird ein sehr nahe der Oberfläche erfolgender Übergang ausgebildet, so dass die physikalischen Eigenschaften der Schicht dem Grundmaterial entsprechen. Eine mögliche Rissigkeit, wie sie bei einer Hartchrombeschichtung auftritt, wird hierbei vermieden. Für das Verchromen der Oberfläche ist eine Abscheidung aus einem Plasmaprozess von Vorteil. Auch eine galvanische Abscheidung ist gegebenenfalls möglich. Bei der Ausgestaltung der Passivschicht durch Sputtern von Edelstahl kann eine

Passivschicht ausgebildet werden, die ähnlich der anverchromten Passivschicht ist. Hierbei können Edelstahllegierungen gesputtert werden. Von Vorteil ist, dass sich vergleichbare physikalische Eigenschaften wie bei dem Grundmaterial ergeben. Zum Erzielen einer gewünschten Härte kann auch eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Dies ist auch durch Laseraufschmelzen möglich. Als Basismaterial zum Sputtern von Edelstahl kann insbesondere ein Chromstahl oder ein Chromnickelstahl zum Einsatz kommen.

Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest eine Korrosionsschutzschicht als Opferschicht ausgebildet ist. Hierdurch kann speziell im Kontakt zwischen dem Nocken und der Rolle eine Korrosionsvermeidung an der Oberfläche mittels einer Opferanode erzielt werden, wobei die Opferanode möglichst nahe an beispielsweise der Nockenlauffläche oder der Rollenoberfläche angebracht ist. In vorteilhafter Weise kann als Opfermaterial Zink dienen. Die Opferschicht kann als dünne Schicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann die

Opferschicht eine mittlere Schichtdicke von weniger als 2 μιη aufweisen. Besonders vorteilhaft ist eine mittlere Schichtdicke der Opferschicht von weniger als 1 μιη. Speziell beim Betrieb von Dieselbrennstoff, der eine geringe Leitfähigkeit aufweist, ist die

Opferanode vorzugsweise sehr nahe am zu schützenden Bauteil beziehungsweise der zu schützenden Oberfläche angebracht. Hierbei muss nicht notwendigerweise die komplette Bauteiloberfläche beschichtet werden. Beschichtungsmöglichkeiten bestehen insbesondere außen am Nocken und der Rolle, aber auch am Rollenschuh im Bohrungsbereich und an der Stirnseite. Speziell ist es daher von Vorteil, dass die Opferschicht an einer Stirnseite der Rolle, an einer Seitenfläche des Nockens, an einer Seitenfläche des Rollenschuhs oder in einem Bohrungsbereich des Rollenschuhs angebracht ist. Hierbei können auch mehrere Opferschichten vorgesehen sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Hochdruckpumpe in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung

entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 eine auszugsweise Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Hochdruckpumpe in einer schematischen Darstellung entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der

Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Hochdruckpumpe 1 in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hochdruckpumpe 1 kann insbesondere als Radial- oder Reihenkolbenpumpe ausgestaltet sein. Speziell eignet sich die Hochdruckpumpe 1 als Brennstoffpumpe für Brennstoffeinspritzanlagen von

luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Ein bevorzugter Einsatz der Hochdruckpumpe 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert. Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.

Die Hochdruckpumpe 1 weist ein mehrteiliges Pumpengehäuse 2 mit einem Gehäuseteil 3 und einem Flansch 4 auf. Das Pumpengehäuse 2 weist eine Bohrung 5 auf. Im Bereich der Bohrung 5 ist eine Pumpenbaugruppe 6 angeordnet. Außerdem weist die Hochdruckpumpe 1 eine Antriebswelle 7 auf, die in dem Pumpengehäuse 2 gelagert ist. Hierbei ist die

Antriebswelle 7 einerseits an einer Lagerstelle 8 in dem Gehäuseteil 3 und andererseits an einer Lagerstelle 9 an dem Flansch 4 gelagert. Die Antriebswelle 7 weist einen Nocken 10 auf, der zwischen den Lagerstellen 8, 9 angeordnet ist. Hierbei ist eine Seitenfläche 1 1 des Nockens 10 der Lagerstelle 9 zugewandt, während eine weitere Seitenfläche 12 des Nockens 10 der Lagerstelle 8 zugewandt ist. Der Nocken 10 kann als Einfach- oder Mehrfach nocken 10 ausgestaltet sein. Möglich ist es auch, dass der Nocken 10 durch einen exzentrischen Abschnitt der

Antriebswelle 7 ausgebildet ist.

Im Betrieb der Hochdruckpumpe 1 rotiert die Antriebswelle 7 mit dem Nocken 10 um eine Drehachse 13. Hierbei kommt es zu einer periodischen Hubbewegung des Nockens 1 , über die die Pumpenbaugruppe 6 antreibbar ist.

Die Hochdruckpumpe 1 weist einen Zylinderkopf 15 auf, der auf geeignete Weise mit dem Pumpengehäuse 2 verbunden ist. Der Zylinderkopf 15 umfasst einen Ansatz 16, der in die Bohrung 5 des Pumpengehäuses 2 ragt. Der Zylinderkopf 15 weist eine Zylinderbohrung 17 auf, die sich durch den Ansatz 16 erstreckt. In der Zylinderbohrung 17 ist ein

Pumpenkolben 18 angeordnet, der entlang einer Achse 19 der Zylinderbohrung 17 verschiebbar in der Zylinderbohrung 17 geführt ist. Der Pumpenkolben 18 begrenzt hierbei einen Pumpenarbeitsraum 20 in der Zylinderbohrung 17. Im Betrieb der Hochdruckpumpe 1 kann Brennstoff über ein Einlassventil 21 in den

Pumpenarbeitsraum 20 geführt werden. Außerdem ist ein Auslassventil 22 vorgesehen, über das der unter hohem Druck stehende Brennstoff in eine Brennstoffleitung 23 und über diese zu einem Common-Rail oder dergleichen führbar ist.

Die Pumpenbaugruppe 6 weist einen hohlzylinderförmigen Stößelkörper 24 auf, der in der Bohrung 5 entlang der Achse 19 der Pumpenbaugruppe 6 geführt ist. In den Stößelkörper 24 ist ein Mitnahmeelement 25 eingesetzt, das einen Bund 26 des Pumpenkolbens 18 hintergreift. Außerdem wird das in den Stößelkörper 24 eingesetzte Mitnahmeelement 24 von einer Stößelfeder 27 beaufschlagt.

Ferner ist in den Stößelkörper 24 ein Rollenschuh 30 eingesetzt. Der Rollenschuh 30 bildet an seinem Bohrungsbereich 44 ein halboffenes Gleitlager für eine Rolle 31 . Die Rolle 31 ist in dem Rollenschuh 30 gelagert, wobei die Rolle 31 um eine Drehachse 32 der Rolle 31 drehbar ist. Die Rolle 31 weist eine Oberfläche 33 auf, mit der die Rolle 31 an einer durch die Bohrung 44 gebildeten Lauffläche 34 des Nockens 10 anliegt. Außerdem weist die Rolle 31 Stirnseiten 35, 36 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Rollenschuh 30 eine Lagerfläche 37 auf, an der die Rolle 31 in dem Rollenschuh 30 gelagert ist. Im Betrieb der Hochdruckpumpe 1 läuft die Rolle 31 an der Lauffläche 34 des Nockens 10. Hierbei wird über die Stößelfeder 27 ein Anliegen der Rolle 31 einerseits an der Lauffläche 34 des Nockens 10 und andererseits an der Lagerfläche 37 des Rollenschuhs 30 gewährleistet. Der Hub des Nockens 10 überträgt sich hierbei über die Rolle 31 und den Rollenschuh 30 auf den Pumpenkolben 18. Hierdurch kommt es zu einer periodischen Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens 18 in der Zylinderbohrung 17, wie es durch den Doppelpfeil 38 veranschaulicht ist. Hierbei befindet sich in einem Triebwerksraum 39 der Hochdruckpumpe 1 ebenfalls Brennstoff, der im Triebswerksraum 39 die Funktion einer Schmierung hat. Der Dieselbrennstoff im Triebwerksraum 39 kann hierbei korrosive Bestandteile enthalten. Beim Betrieb mit solch einem korrosiven Diesel besteht das Problem, dass es im Bereich der Oberfläche 33 der Rolle 31 , der Lagerfläche 37 des Rollenschuhs 30 und der Lauffläche 34 des Nockens 10 zu Schwingungsrisskorrosionen kommen kann, die unter Belastung zu oberflächennahen Ausbrüchen führen können.

An der Pumpenbaugruppe 6 sind Korrosionsschutzschichten vorgesehen, um

Schwingungsrisskorrosion und dergleichen zu verhindern und somit einen zuverlässigen Betrieb der Hochdruckpumpe 1 auch bei korrosiven Brennstoffen zu erzielen. Hierbei sind eine oder mehrere Korrosionsschutzschichten an der Rolle 31 , eine oder mehrere Korrosionsschutzschichten an dem Rollenschuh 30 und/oder eine oder mehrere

Korrosionsschutzschichten an dem Nocken 10 vorgesehen.

Beispielsweise kann eine Korrosionsschutzschicht an der Oberfläche 33 der Rolle 31 ausgebildet sein. Dies ist durch eine Änderung der Metalllegierung im Bereich der

Oberfläche 33 der Rolle 31 möglich. Zusätzlich oder alternativ kann eine Änderung der Metalllegierung im Bereich der Lauffläche 34 des Nockens 10 vorgesehen sein. Möglich ist auch eine Änderung der Metalllegierung im Bereich der Lagerfläche 37 des Rollenschuhs 30. Als Legierungselemente kommen vorzugsweise Chrom und Nickel zum Einsatz. Durch eine Änderung der Legierung an der Bauteiloberfläche kann eine dünne Randschicht erzeugt werden, so dass eine wesentliche höhere Korrosionsbeständigkeit erzielt ist.

Speziell kann dies die Rolle 31 und den Nocken 10 betreffen.

Durch eine sehr dünn ausgestaltete Veränderung der Legierung kann oberflächennah ein ausreichender Korrosionsschutz erzielt werden. Hierdurch ist eine Spannungsrisskorrosion verhindert. Die wesentlichen Eigenschaften des betreffenden Bauteils, insbesondere eine Wälzfestigkeit und eine Abrassionsfestigkeit, bleiben hierbei erhalten. Der Einsatz von teuren, rostfreien Wälzlagerstählen oder dergleichen kann somit vermieden werden. Zum Ausbilden der dünnen Randschicht kann eine Ionenimplantation, ein

Laseraufschmelzen oder ein thermisches Aufspritzen zum Einsatz kommen. Hierbei kann auch eine oberflächennahe Härtung des entsprechenden Bauteils, insbesondere der Rolle 31 oder des Nockens 10, erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Korrosionsvermeidung ist die Beschichtung mit einer

Passivschicht. Solche eine Passivschicht bildende Beschichtung kann beispielsweise durch einen hohen Chromgehalt ausgebildet werden. Die vorzugsweise sehr dünne Passivschicht beeinflusst hierbei die wesentlichen Eigenschaften, insbesondere die Wälzfestigkeit und die Abrassionsfestigkeit, nicht. Hierdurch kann auf den Einsatz eines teuren, rostfreien

Wälzlagerstahls verzichtet werden. Somit kann die Hochdruckpumpe 1 auch mit korrosiven Dieselkraftstoffen und dergleichen betrieben werden. Die sehr dünne Passivschicht bedeckt hierbei vorzugsweise den gesamten Teil der Bauteiloberfläche, an dem ein diesbezüglicher Korrosionsschutz erforderlich ist. Die Schichtdicke liegt vorzugsweise bei weniger als 1 μιη. Die Ausgestaltung der Passivschicht kann beispielsweise durch Chrom als

Passivschichtbildner erfolgen. Es können jedoch auch Chrom und Nickel als

Legierungselemente zum Einsatz kommen. Auch andere Edelstahllegierungen können zum Einsatz kommen. Speziell kann die gesamte Oberfläche 33 der Rolle 31 mit einer Passivschicht versehen werden. Außerdem kann auch die gesamte Lauffläche 34 des Nockens 10 mit einer Passivschicht versehen werden. Zum Ausgestalten der Passivschicht kann eine

Plasmaabscheidung, ein Galvanisieren oder ein Sputtern dienen.

Fig. 2 zeigt eine auszugsweise, schematische Darstellung einer Hochdruckpumpe 1 entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel. Hierbei sind der Rollenschuh 30, die Rolle 31 und die Antriebswelle 7 mit dem Nocken 10 dargestellt. In diesem

Ausführungsbeispiel ist in den Rollenschuh 30 eine Halbschale 45 eingesetzt. Die

Halbschale 45 kann aus einem Wälzlagerstahl gebildet sein. Hierdurch ist eine

Ausgestaltung des übrigen Rollenschuhs 30 aus einem kostengünstigen Material möglich. In diesem Fall kann eine Beschichtung des Rollenschuhs 30 entfallen. Eine Beschichtung kann speziell in diesem Fall auf die Lauffläche 34 des Nockens 10 und auf die Oberfläche 33 der Rolle 31 beschränkt sein.

Eine weitere Möglichkeit, um eine Korrosionsvermeidung an den betroffenen Oberflächen zu erzielen, ist die Ausgestaltung einer Opferanode. Solch eine Opferanode ist möglichst nahe an den betroffenen Oberflächen angebracht. Beispielsweise ermöglicht eine sehr dünne Schicht aus einem Opfermaterial an der Bauteiloberfläche einen ausreichenden Korrosionsschutz. Solch eine Opferschicht schützt das Bauteil dann vor schädigender

Korrosion. Durch eine sehr dünne Ausgestaltung der Opferschicht werden die wesentlichen Eigenschaften, insbesondere die Wälzfestigkeit und die Abrassionsfestigkeit, nicht beeinflusst. Vorzugsweise ist die Opferschicht dünner als 2 μιη, insbesondere dünner als 1 μιη, ausgestaltet. Beispielsweise kann die Opferschicht auf dem Opfermaterial Zink basieren. Das Opfermaterial Zink dient dann als Opferanode. Hierbei muss nicht notwendigerweise die komplette Bauteiloberfläche beschichtet werden. Beispielsweise können die Seitenflächen 1 1 , 12 des Nockens 10 mit einer Opferschicht versehen sein, um gezielt die Lauffläche 34 des Nockens 10 zu schützen. Ferner können die Stirnseiten 35, 36 der Rolle 31 mit einer Opferschicht versehen sein, um gezielt die Oberfläche 33 der Rolle 31 zu schützen. Je nach Ausgestaltung des Rollenschuhs 30 ist es auch möglich, dass Seitenflächen 46, 47 des Rollenschuhs 30 mit einer Opferschicht beschichtet werden, um gezielt die Lagerfläche 37 des Rollenschuhs 30 zu schützen. Die Halbschale 45 kann dann entfallen oder aus einem kostengünstigen Werkstoff, insbesondere einem gewöhnlichen Wälzlagerstahl, gebildet sein.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.