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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Förderung eines Mediums, aufweisend einen Pumpenzylinderkopf und einen Pumpenzylinder, wobei in einer Zylinderbohrung des Pumpenzylinderkopfs ein Pumpenkolben translatorisch auf und ab bewegbar ist und mit einem Pumpenarbeitsraum zusammenwirkt, und wobei zwischen dem Pumpenkolben und der Zylinderbohrung eine Dichtung vorgesehen ist, die eine zwischen der Zylinderbohrung und dem Pumpenkolben gebildete Ringspaltdichtung und eine zusätzliche von einem Dichtelement gebildete Stangendichtung umfasst.
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Stand der Technik
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Eine derartige Hochdruckpumpe ist aus der
DE 10 2012 218 122 A1 bekannt. Diese Hochdruckpumpe weist einen Pumpenzylinder mit einer Zylinderbohrung auf, in der ein Pumpenkolben translatorisch auf und ab bewegbar ist. Im unteren Bereich des Pumpenzylinders weist der Pumpenzylinder eine zylinderförmige gegenüber der Zylinderbohrung zurückgesetzte Ausnehmung auf, in die eine von einem Dichtelement gebildete Stangendichtung einsetzbar ist. Oberhalb dieser Stangendichtung ist zwischen der Zylinderbohrung und dem Pumpenzylinderkopf eine Ringspaltdichtung ausgebildet, die in einem unteren Bereich von einer Ringnut in zwei Teilbereiche aufgeteilt ist. Die Ringnut ist mit einer Leckageleitung verbunden, die zur Abführung einer Leckagemenge eines Mediums dient, das von dem Pumpenarbeitsraum entlang der Zylinderbohrung zu der Ringnut gelangt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe bereitzustellen, bei der die Dichtung zwischen einem Pumpenkolben und einer den Pumpenkolben führenden Zylinderbohrung verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Bereich der Stangendichtung eine Rücklaufleitung angeordnet ist und an die Stangendichtung angebunden ist. Diese Ausgestaltung macht eine aus dem Stand der Technik bekannte Aufteilung der Ringspaltdichtung in zwei Teilbereiche und das Vorsehen einer mit der Rücklaufleitung verbundenen Ringnut in dem Pumpenzylinder entbehrlich. Dadurch ist einerseits eine vereinfachte Ausgestaltung der Hochdruckpumpe erreicht und darüber hinaus weist die Ringspaltdichtung nunmehr eine durchgehende Überdeckungslänge auf, die sich von dem pumpenarbeitsraumseitigen Wirkende des Pumpenkolbens bis zu der Stangendichtung erstreckt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Ringspaltdichtung die gesamte Überdeckungslänge zur Abdichtung des Pumpenkolbens gegenüber der Zylinderbohrung nutzt und dadurch die Hochdruckpumpe kürzer bauen kann, als dies beim Stand der Technik möglich ist. Dadurch ist insgesamt die Abdichtung zwischen dem Pumpenkolben und der Zylinderbohrung verbessert.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Rücklaufleitung mit einem unteren Stangendichtungsraum unterhalb der Stangendichtung verbunden. Dabei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein oberer Stangendichtungsraum über eine Drosselleitung mit der Rücklaufleitung und/oder dem unteren Stangendichtungsraum verbunden. Dabei kann die Drosselleitung durch eine entsprechende Leitungsausbildung gebildet sein oder aber durch eine in eine Leitung eingesetzte zusätzliche Drossel. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft durch die nachfolgend beschriebenen Effekte. Die Ringspaltdichtung zwischen dem Pumpenarbeitsraum und dem oberen Stangendichtungsraum bewirkt eine Drosselwirkung Δp1. Entlang der Drosselleitung wird eine Drosselwirkung Δp2 eingestellt, die parallel zu der Stangendichtung und der Rücklaufleitung eingestellt wird. Dadurch wird ein Druckteiler (Δp1 + Δp2 = pHochdruck), wobei pHochdruck der in dem Pumpenarbeitsraum wirkende Druck ist, eingestellt. Somit ergibt sich an der Stangendichtung ein Druckgefälle Δp2 = pHochdruck – Δp1. Dieses Druckgefälle ist kleiner als jenes, welches eine normale Stangendichtung ertragen beziehungsweise aufnehmen kann.
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Wird nun in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in die Rücklaufleitung noch ein zusätzliches Rückschlagventil eingesetzt, wird durch den sich dann ergebenden Druckteiler die folgende Beziehung Δp1 + Δp2 + Δp3 = pHochdruck eingestellt, wobei Δp3 die sich an dem Rückschlagventil ergebende Drosselwirkung ist. Dadurch ergibt sich an der Stangendichtung ein Druckgefälle Δp2 = pHochdruck – Δp1 – Δp3, welches kleiner ist, als jenes, welches die Stangendichtung ertragen muss beziehungsweise ertragen kann. Dadurch kann auf weniger hochwertige Materialien für die Stangendichtung zurückgegriffen werden oder aber beim Einsatz von weiterhin hochwertigen Materialien wird die Lebensdauer der Stangendichtung und damit der gesamten Hochdruckdichtung erhöht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Drosselleitung in dem Pumpenzylinderkopf angeordnet oder aber in einer alternativen Ausgestaltung ist die Drosselleitung in die Stangendichtung integriert. Dabei kann die Drosselleitung über eine Bohrung oder eine Aussparung an der Stangendichtung oder dem Pumpenkolben realisiert sein. In weiterer Ausgestaltung weist die Stangendichtung im Bereich eines oberen Stangendichtungsraums eine zu dem Pumpenkolben weisende Dichtlippe auf. Diese Dichtlippe sorgt einerseits für eine zuverlässige Anlage der Stangendichtung an dem Pumpenkolben und ermöglicht weiterhin in einfacher Ausgestaltung die Integration der Drosselleitung in die Stangendichtung, indem diese zwischen der Dichtlippe und dem restlichen Stangendichtungskörper angeordnet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist unterhalb der oberen ersten Stangendichtung eine zweite Stangendichtung angeordnet. Dabei ist die zweite Stangendichtung in weiterer Ausgestaltung wie die obere Stangendichtung ausgebildet und mit weiteren Komponenten verschaltet. So ist ein unterer Stangendichtungsraum der zweiten Stangendichtung mit einer zweiten Rücklaufleitung und ein oberer Stangendichtungsraum der zweiten Stangendichtung über eine zweite Drosselleitung mit dem unteren Stangendichtungsraum und/oder der zweiten Rücklaufleitung verbunden. Durch diese Ausgestaltung sind zwei Druckteiler in Reihe geschaltet. Dadurch kann an den beiden Stangendichtungen jeweils ein für das Material der beiden Stangendichtungen, das beispielsweise ein Kunststoffwerkstoff, insbesondere PEEK ist, problemlos ertragbares Druckgefälle eingestellt werden. Das eingestellte Druckgefälle an den Stangendichtungen entspricht der Drosselwirkung Δp11 bzw. Δp21 und wird durch die Rückschlagventile auf Δp12 und Δp22 eingestellt. Eine Drosselwirkung durch eine Ringspaltdichtung ist bei dieser Ausgestaltung nicht notwendig (kann aber vorgesehen sein), da die Dichtfunktion und Führungsfunktion durch die Stangendichtungen realisiert wird. Dadurch kann der Bereich der Ringspaltdichtung mit einem toleranzunempfindlich dimensionierten Spalt ausgelegt sein. Es können, abhängig vom abzudichtenden Druckniveau und der Haltbarkeit des Materials der Stangendichtung, noch weitere Stangendichtungen mit entsprechenden Druckteilern, Drosseln mit Rückschlagventil in Reihe ausgelegt werden. Weiterhin kann bei allen Ausgestaltungen eine niederdruckseitige Stangenniederdruckdichtung vorgesehen sein, die eine weitere Abdichtfunktion zum Niederdruckbereich in einem Triebwerksraum der Hochdruckpumpe gewährleistet.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Hochdruckpumpe eine Kraftstoffhochdruckpumpe und das Medium Kraftstoff. Wenn auch der Gegenstand der Erfindung bei einer beliebigen Hochdruckpumpe anwendbar ist, ist die bevorzugte Anwendung bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit dem Medium Kraftstoff gegeben. Diese Kraftstoffhochdruckpumpe ist dann bevorzugt Teil eines Common-Rail-Einspritzsystems und an einer Brennkraftmaschine verbaut.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe in einer ersten Ausgestaltung,
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2 eine Detailansicht einer Hochdruckpumpe mit einer Stangendichtung gemäß 1 sowie einer Detailvergrößerung einer Dichtlippe der Stangendichtung und
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3 einen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe in einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist ein Längsschnitt durch eine als Steckpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe 1 in Form einer Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem gezeigt. Die dargestellte Hochdruckpumpe 1 wird bevorzugt in einem Common-Rail-Einspritzsystem verwendet, wobei mittels der Hochdruckpumpe 1 von einem Kraftstoffniederdrucksystem zugeführter Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher gefördert wird, aus dem der dort unter einem Druck von bis zu 3000 bar gespeicherte Kraftstoff von Injektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine entnommen wird. Die Hochdruckpumpe 1 weist einen einstückig mit einem Pumpenzylinderkopf 2 ausgebildeten Pumpenzylinder 3 auf, in den eine sich bis in den Pumpenzylinderkopf 2 erstreckende Zylinderbohrung 4 eingelassen ist. Die Zylinderbohrung 4 setzt sich im Bereich des Pumpenzylinderkopfs 2 in einen Pumpenarbeitsraum 5 fort, wobei der Pumpenarbeitsraum 5 einen größeren Durchmesser als die Zylinderbohrung 4 aufweisen kann. Die Hochdruckpumpe 1 ist insbesondere mit dem Pumpenzylinder 3 in ein Gehäuse 6, das ein Brennkraftmaschinengehäuseteil oder auch ein eigenständiges Pumpengehäuse sein kann, eingesetzt und unter Anlage eines Pumpenzylinderkopfflansches 7 auf dem Gehäuse 6 in geeigneter Weise befestigt. Die auf der rechten Seite dargestellte Hinterschneidung des Gehäuses 5 durch den Pumpenzylinder 3 ist in der Realität nicht gegeben und nur aus zeichnerischen Gründen zur Darstellung einer nachfolgend erläuterten Rücklaufleitung 15 in der 1 dargestellt.
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In einem von dem beispielsweise ölführenden Gehäuse 6 gebildeten Triebwerksraum ist eine nicht dargestellte einen Nocken aufweisende Nockenwelle drehbar gelagert. Die Nockenwelle bzw. der Nocken wirkt mit einer ebenfalls nicht dargestellten Laufrolle eines Rollenstößels als Bestandteil der Hochdruckpumpe 1 zusammen. Der Rollenstößel weist einen Rollenstößelkörper auf, in den eine Ausnehmung eingelassen ist, in die die Laufrolle hineinragt. Die Laufrolle ist in dem Rollenstößelkörper über einen Bolzen unter Einfügung eines Lagerrings drehbar befestigt. Bei einer Drehbewegung der Nockenwelle mit dem Nocken wird diese Drehbewegung in eine translatorische Auf- und Abbewegung des Rollenstößels und eines damit zusammenwirkenden Pumpenkolbens 8, der in der Zylinderbohrung 4 ebenfalls translatorisch bewegbar angeordnet ist, umgesetzt. Der Pumpenkolben 8 kann eine vergrößerte Pumpenkolbenfußfläche aufweisen, die mit dem Rollenstößelkörper zusammenwirkt. Durch eine Stößelfeder, die in geeigneter Weise zwischen einer Stützfläche in dem Pumpenzylinderkopf 2 oder dem Pumpenzylinder 3 und einem Halteblech, das in eine Ringnut in den Pumpenkolben 8 oberhalb der Pumpenkolbenfußfläche eingreift und gleichzeitig mit dem Rollenstößelkörper zusammenwirkt, eingespannt ist, ist sichergestellt, dass bei der Drehbewegung der Nockenwelle der Pumpenkolben 8 mitsamt dem Rollenstößel bzw. dessen Laufrolle immer in Kontakt mit der Nockenwelle bzw. deren Nocken steht. Diese Ausgestaltung des Antriebs ist allgemein, beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik, bekannt und daher nicht explizit zeichnerisch dargestellt. Es kann aber auch eine andere als die beschriebene Ausgestaltung des Antriebs verwirklicht sein, beispielsweise kann die Antriebswelle eine Exzenterwelle sein, die direkt mit dem Pumpenkolben zusammenwirkt.
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In den Pumpenzylinderkopf 2 ist ein Einlassventil 9 eingebaut, über das insbesondere bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 8 Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum 5 zugeführt werden kann. Das Einlassventil 9 ist beispielsweise als gesteuertes oder ungesteuertes Saugventil ausgebildet. Bei einer anschließenden Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 8 wird in den Pumpenarbeitsraum 5 zugemessener Kraftstoff über ein Auslassventil 10 in einen Hochdruckauslass und einer damit zusammenwirkenden Hochdruckleitung, die mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist, gefördert.
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Um sicherzustellen, dass während des Betriebs der Hochdruckpumpe 1 kein Kraftstoff entlang der Zylinderbohrung 4 letztendlich in den Triebwerksraum gelangt, ist eine Abdichtung des Pumpenkolbens 8 gegenüber der Zylinderbohrung 4 mittels einer Dichtung vorgesehen. Diese Dichtung wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 von einer Ringspaltdichtung 11, einer Stangendichtung 12 und einer Stangenniederdruckdichtung 19 gebildet. Die Ringspaltdichtung 11 weist eine durchgehende Überdeckungslänge auf, die sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von dem pumpenarbeitsraumseitigen Wirkende des Pumpenkolbens 8 an der unteren Begrenzung des Pumpenarbeitsraums 5 bis zu der Stangendichtung 12 beziehungsweise bis zu einem oberen Stabgendichtungsraum 14a erstreckt. Die Ringspaltdichtung 11 ist von einer engen metallischen Passung zwischen der Zylinderbohrung 4 und dem Pumpenkolben 8 gebildet. Um bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen der Hochdruckpumpe 1 ein möglichst konstantes Passungsmaß zu gewährleisten, weist der Werkstoff, der vorzugsweise ein metallischer Werkstoff ist, des Pumpenzylinders 3 und der des Pumpenkolbens 8 einen zumindest ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die Stangendichtung 12 und die Stangenniederdruckdichtung 19 sind beispielsweise aus PEEK gefertigt. Die Stangendichtung 12 ist in einen in den Pumpenzylinder 3 eingelassenen oberen beispielsweise als Ringnut ausgebildeten Ringspalt 13 eingesetzt, der den oberhalb der Stangendichtung 12 liegenden Stangendichtungsraum 14a und einen unterhalb der Stangendichtung 12 liegenden unteren Stangendichtungsraum 14b umfasst. Dabei ist die Stangendichtung 12 in dem Ringspalt 13 entgegen der Darstellung in der 1 so geführt, dass die Stangendichtungsräume 14a und 14b gerade fluidführend sind. Mit anderen Worten weisen die Stangendichtungsräume 14a und 14b in einer umgesetzten Ausführungsform nur eine solche Höhe auf, dass Leckagekraftstoff von der Zylinderbohrung 4 zu der nachfolgend erläuterten Drosselleitung 17 strömen kann. Von dem unteren Stangendichtungsraum 14b geht die Rücklaufleitung 15 ab, die letztendlich mit dem Kraftstoffniederdrucksystem verbunden ist. In die Rücklaufleitung 15 ist ein zu dem Kraftstoffniederdrucksystem hin öffnendes Rückschlagventil 16 eingebaut. Der obere Stangendichtungsraum 14a ist mit der Rücklaufleitung 15 über die Drosselleitung 17 verbunden. Die Drosselleitung 17 kann als tatsächliche Drosselleitung 17 oder aber als eine Leitung mit einer eingesetzten Drossel ausgebildet sein.
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Die Stangendichtung 12 kann ausweislich der 2 eine Dichtlippe 18 aufweisen, die umlaufend um den Pumpenkolben 8 mit diesem zusammenwirkt. Dabei bewirkt der sich in dem oberen Stangendichtungsraum 14a einstellende Kraftstoffdruck P eine dichte Anlage der Dichtlippe 18 an den Pumpenkolben 8. Bei der hier dargestellten Ausführung ist die Drosselleitung 17 in die Stangendichtung 12a eingelassen und verbindet den oberen Stangendichtungsraum 14a mit dem unteren Stangendichtungsraum 14b. Die Funktion ist wie in 1 dargestellt und nachfolgend noch detailliert beschrieben.
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Zurückkommend auf die 1 ist unterhalb der Stangendichtung 12 eine optionale Stangenniederdruckdichtung 19 in einem ebenfalls beispielsweise als Ringnut ausgebildeten Ringspalt 20 angeordnet, wobei auch bei diesem Ringspalt 20 ein oberer Stangendichtungsraum 21a und ein unterer Stangendichtungsraum 21b gebildet sind. Der obere Stangendichtungsraum 21a ist mit einer Leckageleitung 22 verbunden, die ebenfalls mit dem Kraftstoffniederdrucksystem verbunden ist. Mit dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist eine Hochdruck-Dichtung mit einer verkürzten Ringspaltdichtung 11 und einer Stangendichtung 12 geschaffen, wobei folgende drucktechnische Zusammenhänge gelten. Durch die Drosselwirkung Δp1 der verkürzten Ringspaltdichtung 11, der Drosselwirkung Δp2 der Drosselleitung 17 parallel zu der Stangendichtung 12 und der Drosselwirkung Δp3 des Rückschlagventils 16 wird ein Kraftstoffdurchfluss durch die dargestellten Komponenten hergestellt. Durch den so dargestellten Druckteiler (Δp1 + Δp2 + Δp3 = pHochdruck) stellt sich an der Stangendichtung 12a ein Druckgefälle Δp2 = pHochdruck – Δp1 – Δp3 ein, das aber kleiner ist, als jenes, welches das Material der Stangendichtung 12 ertragen beziehungsweise aufnehmen kann. An der optionalen Stangenniederdruckdichtung 19 ergibt sich eine Belastung Δp4, die dem Abstützdruck des Rückschlagventils 16 entspricht. Dieser Druck Δp4 ist ebenfalls kleiner, als der Druck, den das Material der optionalen Stangenniederdruckdichtung 19 aufnehmen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist zwischen der oberen Stangendichtung 12 und der optionalen Stangenniederdruckdichtung 19 eine untere Stangendichtung 12` analog zu der Ausgestaltung gemäß 1 angeordnet. Dadurch sind zwei Druckteiler in Reihe geschaltet. Durch diese Ausgestaltung werden ebenfalls an den Stangendichtungen 12, 12` für das jeweilige Dichtungsmaterial ertragbare Druckgefälle eingestellt. Das eingestellte Druckgefälle an den Stangendichtungen 12, 12` entspricht der Drosselwirkung Δp11 bzw. Δp21 und wird durch die Rückschlagventile 16, 16‘, Δp12 und Δp22 eingestellt. Eine Drosselwirkung durch eine Ringspaltdichtung 11 ist nicht unbedingt notwendig (Δp = 0), da die Dicht- und Führungsfunktion durch die Stangendichtungen 12, 12` realisiert wird. Dies gilt auch für die Bereiche zwischen den Stangendichtungen 12, 12` und zwischen der Stangendichtung 12` und der Stangenniederdruckdichtung 19. Dadurch können der Bereich der Ringspaltdichtung 11 und die nachfolgenden unteren Bereiche zwischen der Zylinderbohrung 4 und dem Pumpenkolben 8 mit jeweils einem toleranzunempfindlich dimensionierten Spalt (Δp = 0) ausgelegt sein. Es können, abhängig vom abzudichtenden Druckniveau und der Haltbarkeit des Materials der Stangendichtungen 12, 12` noch weitere Stangendichtungen 12`` mit entsprechenden Druckteilern, Drosseln mit Rückschlagventilen in Reihe angeordnet sein. Die auch hier vorhandene optionale Stangendichtung 19 erfüllt die Abdichtfunktion zum Niederdruckbereich pND und muss ein Druckgefälle p20, eingestellt durch das Rückschlagventil 16`, Δp22 zum Niederdruckbereich p20 aufnehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218122 A1 [0002]
