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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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Derartige
Hochdruckpumpen finden heute insbesondere bei Common-Rail-Einspritzsystemen ihren
Einsatz. Die Aufgabe der Pumpe besteht dabei darin, den Kraftstoff
unter hohem Druck der als „Rail” bezeichneten
gemeinsamen Speicherleitung zuzuführen, von der aus der Kraftstoff über Injektoren
in den Brennraum eingespritzt wird. Common-Rail-Einspritzsysteme
haben bereits durch Steigerung des Systemdrucks einen entscheidenden
Beitrag zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes beitragen können. Der
Vorteil des Common-Rail-Einspritzsystems liegt insbesondere in der
Unabhängigkeit
des Einspritzdruckes von Drehzahl und Last.
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Es
ist ein allgemeines Anliegen, den Systemdruck bei Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
der vorstehend genannten Art weiter zu erhöhen. Systemdrücke bis
2000 bar sind beispielsweise bei Dieseleinspritzsystemen, bei denen
ausschließlich
Kolbenpumpen zum Einsatz gelangen, bereits möglich. Mit steigendem Druck
nehmen jedoch die Leckageverluste zwischen Pumpenkolben und Kolbenführung zu,
da der Dichtspalt durch den hohen Arbeitsdruck eine Aufweitung erfährt. In
der Folge sinkt der Wirkungsgrad der Pumpe. Es gilt daher Leckageverluste zu
vermeiden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe bzw. eine
Kolbenpumpe zu schaffen, die auch bei Arbeitsdrücken über 2000 bar mögliche Leckageverluste
gering hält,
dabei einfach aufgebaut und kostengünstig zu fertigen ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
vorgeschlagene Hochdruckpumpe für eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine besitzt
einen in einem Führungsstück axial geführten Pumpenkolben
und einen Pumpenkopf, wobei das Führungsstück, der Pumpenkolben und der
Pumpenkopf einen Arbeitsraum begrenzen, der in Verbindung mit einem
Zulauf und/oder einem Abgang für
den zu fördernden
Kraftstoff steht.
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Erfindungsgemäß ist der
Pumpenkolben zusätzlich
in einer Führungshülse geführt, die
in dem Arbeitsraum derart angeordnet ist, dass der bei Betrieb der
Pumpe im Arbeitsraum vorherrschende Arbeitsdruck an der Außenumfangsfläche und
vorteilhafterweise auch an der dem Pumpenkopf zugewandten Stirnfläche der
Führungshülse anliegt.
Der an der dem Pumpenkopf zugewandten Stirnfläche der separaten Führungshülse anliegende
Arbeitsdruck bewirkt, dass die Führungshülse gegen
das Führungsstück gedrückt wird,
so dass die dem Pumpenkopf abgewandte Stirnseite der Führungshülse dichtend
am Führungsstück anliegt.
Der an der Außenumfangsfläche der
separaten Führungshülse anliegende
Arbeitsdruck bewirkt ferner, dass der an der Innenumfangsfläche anliegende
und häufig
zur Aufweitung des Dichtspalts führende
Druck durch den an der Außenumfangsfläche anliegenden
Druck zumindest teilweise kompensiert wird, indem beide Umfangsflächen von
einer Druckkraft beaufschlagt werden, die der jeweils anderen entgegengesetzt
ist. Eine Aufweitung des Dichtspaltes und damit einhergehende Leckageverluste
können
somit weiterstgehend vermieden werden. Die separate Führungshülse wird
hierzu einfach in einen vergrößerten Arbeitsraum
eingesetzt, der außenumfangseitig
von einem hohlzylindrischen Ansatz des Führungsstücks oder des Pumpenkopfes begrenzt
wird. Das zusätzliche Material
der Führungshülse kann
dabei bei der Ausbildung des hohlzylindrischen Ansatzes des Führungsstücks oder
des Pumpenkopfes eingespart werden, so dass der Einsatz einer zusätzlichen
Führungshülse nicht
zu veränderten
Außenabmessungen
oder einem veränderten
Gewicht der Pumpe führen
muss. Eine einfache zylinderförmige
Führungshülse ist
zudem leicht und kostengünstig
herzustellen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform wird
die dem Pumpenkopf zugewandte Stirnfläche der Führungshülse zusätzlich von der Federkraft einer
Feder beaufschlagt. Die Feder kann beispielsweise eine zwischen
der Stirnfläche
der Führungshülse und
dem Pumpenkopf angeordnete Schrauben- oder Tellerfeder sein. Die
zusätzliche
Federkraft stellt den erforderlichen Anpressdruck der Führungshülse am Führungsstück während des
Betriebes der Pumpe sicher.
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Alternativ
oder ergänzend
kann die dem Pumpenkopf abgewandte Stirnfläche bzw. die dem Führungsstück zugewandte
Stirnfläche
der Führungshülse mit
einer Beißkante
versehen sein, die eine kreis- oder ringförmige, am Führungsstück anliegende Dichtkante ausbildet.
Hierzu ist die dem Führungsstück zugewandte
Stirnfläche
der Führungshülse bevorzugt
konisch verlaufend ausgebildet, wobei weiterhin bevorzugt die Beißkante außenseitig,
d. h. an der den Arbeitsraum begrenzenden Außenumfangsfläche der
Führungshülse angeordnet ist.
Die Anordnung einer Beißkante
besitzt den Vorteil, dass der Anlagebereich auf eine kreis- oder
ringförmige
Fläche
reduziert wird, wodurch die Flächenpressung
im Anlagebereich erhöht
wird. Die Flächenpressung
wird vorzugsweise so hoch gewählt,
dass sie zu einer geringfügigen
Verformung wenigstens einer Anlagefläche führt, wodurch eine noch größere Dichtigkeit
gewährleistet
wird.
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Vorteilhafterweise
ist ferner zwischen der dem Führungsstück zugewandten
Stirnfläche
der Führungshülse und
dem Führungsstück ein Leckageraum
ausgebildet. Zur Ausbildung eines Leckageraumes kann auch eine an
dieser Stirnfläche
außenseitig
angeordnete Beißkante
beitragen. Wird hierzu nämlich
die Stirnfläche
konisch verlaufend ausgeführt
oder erhält
einen Freischnitt, ergibt sich zusammenwirkend mit einer ebenen
Anlagefläche
am Führungsstück ein Hohlraum,
der als Leckageraum genutzt werden kann. Darüber hinaus kann ein Leckageraum
auch durch eine entsprechende stirnseitige Ausnehmung in der Führungshülse und/oder
in dem Führungsstück hergestellt
werden. Der Leckageraum fängt
etwaigen über
den Dichtspalt zwischen Pumpenkolben und Führungshülse austretenden Kraftstoff
auf. Dabei liegt an der den Leckageraum begrenzenden Stirnfläche der
Führungshülse ein
geringerer Druck als an den den Arbeitsraum begrenzenden Oberflächen an.
Es ist somit sichergestellt, dass die Führungshülse in dichtender Anlage mit
dem Führungsstück gehalten
wird. Dies gilt insbesondere bei der Ausführungsform, bei der die Anpresskraft
zusätzlich
durch die Federkraft einer Feder bewirkt wird.
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Weiterhin
bevorzugt weist der Pumpenkopf einen in den Arbeitsraum hineinragenden,
zylinderförmigen
Ansatz auf, an dessen Außenumfangsfläche der
bei Betrieb der Pumpe im Arbeitsraum vorherrschende Arbeitsdruck
anliegt. Vorzugsweise ist ferner in dem zylinderförmigen Ansatz
des Pumpenkopfes der Zulauf und/oder der Abgang für den zu fördernden
Kraftstoff angeordnet. Die vorgeschlagene Ausbildung des Pumpenkopfes
mit einem zylinderförmigen
in den Arbeitsraum hineinragenden Ansatz bewirkt, dass trotz der
vorzugsweise hierin angeordneten Zulauf- und/oder Abgangsbohrungen eine erhöhte Festigkeit
des Pumpenkopfes erzielt wird. Denn aufgrund der Bohrungsverschneidungen stellt
der Pumpenkopf eine Schwachstelle im Hinblick auf die Druckfestigkeit
der Pumpe dar, die in der Regel einer Erhöhung des Arbeitsdruckes im
Wege steht. Durch die am zylinderförmigen Ansatz des Pumpenkopfes
anliegenden Druckverhältnisse
werden jedoch Druckspannungen im Material bewirkt, dank derer die
Bohrungsverschneidungen nicht mehr zu einem Festigkeitsproblem führen. Es
können
daher ohne Weiteres sowohl die Zugangsbohrung, als auch die Abgangsbohrung
in diesem Bereich ausgeführt
werden. Die Größe der Stirnfläche des
zylinderförmigen
Ansatzes des Pumpenkopfes bestimmt die wirksame Fläche und
damit die Druckkraft, mit der diese Fläche bei Betrieb der Pumpe im
Förderhub beaufschlagt
wird. Über
die Größe der Stirnfläche kann
daher das Spannungsverhältnis
im Material beeinflusst werden, so dass es sich positiv auf die
Festigkeit dieses Bereiches auswirkt.
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Gleichwohl
hinsichtlich der Ausbildung der Zulauf- und der Abgangsbohrung im
Pumpenkopf insbesondere bei Ausbildung eines zylinderförmigen Ansatzes
keine Bedenken bestehen, kann auch lediglich der Abgang im Pumpenkopf
oder dem zylinderförmigen
Ansatz des Pumpenkopfes angeordnet sein und der zu fördernde
Kraftstoff dem Arbeitsraum über
eine Bohrung in dem Führungsstück und über den
Leckageraum zugeführt
werden. Die Bohrung im Führungsstück ist derart
angeordnet, dass sie in den Leckageraum, der zwischen Führungshülse und Führungsstück ausgebildet
ist, mündet.
Sie ersetzt somit eine im Pumpenkopf ausgebildete Zulaufbohrung,
so dass durch Verzicht auf eine solche Bohrung die Festigkeit des
Pumpenkopfes weiterhin erhöht werden
kann. Mit Zuleitung des Kraftstoffes steigt der hydraulische Druck
im Leckageraum bis die Führungshülse aus
ihrem am Führungsstück anliegenden,
ursprünglich
dichtenden Sitz gehoben wird. Der Kraftstoff kann nunmehr über den
Leckageraum in den Arbeitsraum gelangen. Die Führungshülse ist somit gleichsam als
Füllventil
ausgebildet. In der Saugphase der Pumpe fällt der Druck der Pumpe im
Arbeitsraum unterhalb des Druckes im Leckageraum und das Ventil öffnet sich.
Sofern die als Ventil ausgebildete Führungshülse zusätzlich durch Federkraft in
ihrem Ventilsitz gehalten wird, ist die Federkraft derart zu bemessen,
dass ein Öffnen
des Ventil in der Saugphase gewährleistet
ist.
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Der Öffnungsdruck
kann über
den Dichtsitz der Führungshülse und
die Federkraft eingestellt werden.
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Alternativ
kann anstelle einer Bohrung im Führungsstück der zu
fördernde
Kraftstoff dem Arbeitsraum über
im Führungsbereich
des Führungsstücks ausgebildete
Strömungskanäle und über den Leckageraum
zugeführt
werden. Die Strömungskanäle münden in
den Leckageraum, von wo aus der Kraftstoff mit steigendem Druck,
der ein Anheben der Führungshülse bewirkt,
in den Arbeitsraum gelangt. Die Wirkungsweise entspricht somit der
vorstehend im Zusammenhang mit einer im Führungsstück angeordneten Zulaufbohrung
genannten. In beiden Fällen
bildet die Führungshülse zugleich
ein Füllventil aus,
das im Förderhub
den Leckageraum gegenüber dem
Arbeitsraum dichtend abschließt
und im Sauhub die Zuleitung des Kraftstoffs über den Leckageraum ermöglicht.
Zugleich verhindert die Führungshülse eine
Aufweitung des Dichtspaltes zwischen ihr und dem Pumpenkolben, so
dass auch bei Erhöhung
des Arbeitsdruckes eine Zunahme der Leckageverluste verhindert wird.
Im Zulaufpfad kann eine Zumesseinheit vorgesehen sein, um eine Regelung
der Fördermenge
der Pumpe zu ermöglichen.
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Konkrete
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erste Ausführungsform
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine zweite Ausführungsform.
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Beiden
Ausführungsformen
gemein ist, dass das Führungsstück 1,
der Pumpenkolben 2 und der Pumpenkopf 3 einen
Arbeitsraum 4 begrenzen, in dem eine separate, den Pumpenkolben 2 dicht
umschließende
Führungshülse 7 eingesetzt
ist. Die dem Führungsstück 1 zugewandte
Stirnfläche
der Führungshülse 7 liegt
dabei am Boden des Führungsstücks 1 an.
Durch den im Arbeitsraum 4 bei Betrieb der Pumpe vorherrschenden
Arbeitsdruck wird die Führungshülse 7 in
dichtender Anlage mit dem Führungsstück 2 gehalten.
Eine zwischen der Führungshülse 7 und
dem Pumpenkopf 3 angeordnete Feder 8 bewirkt einen
zusätzlichen
Anpressdruck. Bei der Ausführung
entsprechend 1 handelt es sich um eine Tellerfeder 8,
während
bei der Ausführung
entsprechend 2 eine Schraubenfeder ihren
Einsatz findet. Der Antrieb der Hochdruckpumpe erfolgt bei beiden
Ausführungsbeispielen über einen
um eine Welle rotierenden Exzenter 14, auf dem eine mit
dem Pumpenkolben 2 verbundene Rolle 15 abläuft. Zur Rückstellung
des Pumpenkolbens 2 ist dieser ebenfalls federbelastet.
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Die
Führungshülse 7 führt bei
beiden Ausführungsformen
dazu, dass einer Aufweitung des Dichtspaltes zwischen Pumpenkolben 2 und
Führungshülse 7 dadurch
entgegen gewirkt wird, dass an der Außenumfangseite der Führungshülse 7 ebenfalls
der bei Betrieb der Pumpe im Arbeitsraum vorherrschende Arbeitsdruck
anliegt und somit den an der Innenumfangsfläche anliegenden Arbeitsdruck zumindest
teilweise kompensiert. Sollten dennoch Kraftstoff über den
Dichtspalt zwischen Pumpenkolben 2 und Führungshülse 7 austreten,
wird dieser in einem zwischen Führungshülse 7 und
Führungsstück 1 ausgebildeten
Leckageraum 10 aufgefangen. Zur Ausbildung des Leckageraumes 10 ist
die dem Führungsstück 1 zugewandte
Stirnfläche
der Führungshülse 7 konisch
verlaufend ausgebildet, so dass außenumfangseitig an der Stirnfläche eine
ringförmige
Beißkante 9 als
Dichtkante ausgebildet wird. Diese schließt den Leckageraum 10 gegenüber dem Arbeitsraum 4 dichtend
ab. Die Ausbildung einer Beißkante 9 ist
nicht zwingend erforderlich, erhöht
jedoch den Anpressdruck im Anlagebereich und damit die Dichtigkeit
dieses Bereiches.
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Ob
mit oder ohne Ausbildung einer Beißkante besteht die Führungshülse 7 im
Wesentlichen aus einem einfachen Rohrkörper, der leicht und damit kostengünstig herstellbar
ist. Die einfache geometrische Form erlaubt ferner die Verwendung
hochfester Materialien, die schwer zu bearbeiten sind und daher bei
der Ausbildung komplizierter Bauformen häufig keine Verwendung finden.
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Das
in 1 dargestellte Beispiel einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe
weist einen Zulauf und einen Abgang 5, 6 für den zu
fördernden
Kraftstoff im Pumpenkopf 3 auf. Um trotz der Bohrungen die
Festigkeit des Pumpenkopfes 3 zu erhöhen, weist dieser einen zylinderförmigen Ansatz 11 auf,
der in den Arbeitsraum 4 hineinragt und an dessen Außenumfangsfläche der
bei Betrieb der Pumpe im Arbeitraum vorherrschende Arbeitsdruck
anliegt. Die Feder 8 stützt
sich dabei gegen die Stirnfläche
des zylinderförmigen
Ansatzes 11 ab.
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Im
Unterschied zum Beispiel der 1 weist der
Pumpenkopf 3 des Ausführungsbeispiels
der 2 lediglich einen Abgang 6 auf. Dadurch
weist letzterer bereits eine höhere
Festigkeit auf. Zudem wird nicht die Stirnfläche des zylinderförmigen Absatzes 11 des
Pumpenkopfes 3 mittels der Feder 8 belastet, sondern
ein gegenüber
dem zylinderförmigen Ansatz 11 zurückliegender
Bereich. Der Zulauf des Kraftstoffes erfolgt vorliegend über einen
in den Leckageraum 10 mündende
Bohrung 12 im Führungsstück 1.
Alternativ (nicht dargestellt) können
anstelle der Zulaufbohrung auch mehrere sich axial erstreckende
und in den Leckageraum 10 mündende Strömungskanäle im Führungsbereich 13 des
Führungsstücks 1 vorgesehen
werden.
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Jede
beliebige Kolbenpumpe kann entsprechend der vorstehend beschriebenen
Erfindung ausgeführt
werden. Die erfindungsgemäßen Vorteile sind
daher bei allen Kolbenpumpentypen, wie beispielsweise der Ein- oder
Mehrkolbenpumpe, der Reihenpumpe, der V-Pumpe, der Axialkolbenpumpe, nutzbar.
Der Aufbau der Pumpe setzt sich im Wesentlichen aus grundsätzlich bekannten,
nach konventionellen Fertigungsverfahren hergestellten Komponenten
zusammen. Die Kosten können
somit gering gehalten werden.