-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckpumpe, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
Aus der
EP 2,339,166 A1 ist eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen bekannt, die einen Pumpenkolben umfasst, welcher in einem Pumpengehäuse verschieblich gelagert ist und eine nockengesteuerte Hubbewegung ausführt. Der Kolben ist in einem gehäuseseitigen Pumpenzylinder mit einer Pumpenkammer aufgenommen, welche über radiale Steuerbohrungen mit Kraftstoff versorgt wird. Beim Hub des Kolbens werden die Steuerbohrungen verschlossen und der Kraftstoff in der Pumpenkammer von der Kolbenstirnseite mit Druck beaufschlagt.
-
An der Mantelfläche des Kolbens befinden sich zwei axial beabstandete Nuten, in denen jeweils ein Dichtring aufgenommen ist. Bei der Hubbewegung des Kolbens streichen die Dichtringe an der Innenwand des Pumpenzylinders entlang und verhindern eine Belagsbildung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine beispielsweise zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen einsetzbare Hochdruckpumpe mit einfachen konstruktiven Maßnahmen in der Weise auszuführen, dass Ablagerungen im Führungsbereich des Kolbens der Pumpe über einen langen Betriebszeitraum wirksam verhindert werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
-
Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe wird beispielsweise zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen eingesetzt. Die Hochdruckpumpe kann zum Beispiel durch einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Nocken gegen die Kraft eines auf den Kolben der Hochdruckpumpe wirkenden Federelementes in einem gehäuseseitigen Pumpenzylinder aus einer unteren Totpunktstellung angehoben und in eine obere Totpunktstellung versetzt werden, in der Kraftstoff ausgestoßen wird. Der Kolben führt vorzugsweise einen konstanten Hub aus. An der einer Pumpenkammer im Pumpenzylinder zugewandten Stirnseite des Kolbens kann gegebenenfalls eine spiralförmige Steuerkante im Übergang von der Stirnseite zur seitlichen Mantelfläche angeordnet sein, wobei die Fördermenge des Fluids über eine Drehung des Kolbens um die Längsachse eingestellt werden kann. Die Drehung des Kolbens um seine Längsachse wird beispielsweise über einen Regelmechanismus eingestellt und hängt im Fall einer Verwendung der Hochdruckpumpe in einer Brennkraftmaschine zur Kraftstoffförderung von einer Motorregelung oder der Gaspedalstellung ab.
-
Der Pumpenzylinder im Pumpengehäuse bildet einen Kolbenaufnahmeraum für den Kolben. Im Pumpenzylinder findet die axiale Hubbewegung des Kolbens – bezogen auf die Kolbenlängsachse – statt.
-
Das Pumpengehäuse umfasst ein Temperierungsbauteil zur Temperierung der Innenwand des Kolbenaufnahmeraums bzw. Pumpenzylinders, die eine Kolbenführungsfläche bildet. Die Innenwand des Pumpenzylinders wird temperiert, so dass auch ein an der Innenwand des Pumpenzylinders befindliches Fluid entsprechend temperiert wird.
-
Über die Temperierung ist sowohl eine Kühlung als auch eine Erwärmung möglich. Im Fall einer Kühlung ermöglicht die Integration des Temperierungsbauteils in das Pumpengehäuse das Verhindern einer lackähnlichen Belagsbildung an der Zylinderinnenwand, die die Führung des Kolbens im Pumpenzylinder beeinträchtigen könnte. Eine derartige Belagsbildung kann beispielsweise bei einer Verwendung der Hochdruckpumpe zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen auftreten, wenn Kraftstoff in den Spaltbereich zwischen Kolbenaußenseite und Innenwand des Pumpenzylinders gelangt und zusätzlich weitere Bedingungen, insbesondere eine erhöhte Temperatur erfüllt sind. Indem über das integrierte Temperierungsbauteil der Pumpenzylinder gekühlt wird, kann die Belagsbildung verhindert werden. Das Temperierungsbauteil weist in diesem Fall insbesondere eine geringere Temperatur auf als das in der Hochdruckpumpe zu fördernde Fluid.
-
Im Fall einer Erwärmung besitzt das Temperierungsbauteil eine höhere Temperatur als das zu fördernde Fluid. Dies ermöglicht es beispielsweise bei einer zur Kraftstoffeinspritzung eingesetzten Hochdruckpumpe, mit der zum Beispiel hochviskose Schwerölkraftstoffe gefördert werden, den Kraftstoff auf einer höheren Temperatur zu halten bzw. auf die höhere Temperatur zu erwärmen, wodurch lange Aufwärmzeiten eines Einspritzsystems, in welchem die Hochdruckpumpe eingesetzt wird, vermieden werden können. Hierbei kann zum Beispiel ein Umschaltverhalten des Einspritzsystems zwischen Schweröl und Diesel als Kraftstoff unterstützt werden. Zudem können auch der Motorblock und die Zylinderköpfe innerhalb eines definierten Temperaturfensters gehalten werden.
-
In das Temperierungsbauteil kann ein Temperierungskanal zum Hindurchleiten eines Temperierungsmittels eingebracht sein. Die Temperatur des Temperierungsbauteils gleicht sich an die Temperatur des hindurchgeleiteten Temperierungsmittels an und sorgt für eine entsprechende thermische Temperierung der Innenwand des Pumpenzylinders und des an der Innenwand des Pumpenzylinders befindlichen Fluids.
-
Vorteilhafterweise unterscheidet sich das Temperierungsmittel von dem in der Hochdruckpumpe zu fördernden Fluid. Als Temperierungsmittel kommt beispielsweise Schmieröl der Brennkraftmaschine oder Wasser in Betracht. In alternativer Ausführung wird als Temperierungsmittel das gleiche Fluid verwendet wie das in der Hochdruckpumpe zu fördernde Fluid. In jedem Fall ist es aber zweckmäßig, dass sich das Temperierungsmittel in einem separat von dem zu fördernden Fluid geführten Kreislauf befindet, wobei der Temperierungskanal in dem Temperierungsbauteil vorteilhafterweise im Kreislauf des Temperierungsmittels liegt.
-
Bei dem in der Hochdruckpumpe zu fördernden Fluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit wie beispielsweise Kraftstoff. In Betracht kommt aber auch die Förderung eines gasförmigen Fluids.
-
Bei dem Temperierungsmittel handelt es sich bevorzugt um ein flüssiges Fluid, wobei gegebenenfalls auch ein gasförmiges Fluid verwendet werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das Temperierungsbauteil hohlzylindrisch ausgebildet und umgreift den den Kolbenaufnahmeraum bildenden Pumpenzylinder. Vorteilhafterweise begrenzt das Temperierungsbauteil unmittelbar den Kolbenaufnahmeraum, so dass die Innenwand des Temperierungsbauteils die Führungsfläche für den Kolben bildet. In dieser Ausführung wird die Führungsfläche im Bereich des Temperierungsbauteils unmittelbar temperiert.
-
In einer alternativen Ausführung grenzt das Temperierungsbauteil nicht an den Kolbenaufnahmeraum an, sondern umgreift ein weiteres gehäuseseitiges Bauteil und temperiert dieses. In diesem Fall wird die Führungsfläche durch den Kolben indirekt temperiert.
-
Des Weiteren ist es auch möglich, anstatt eines hohlzylindrischen Temperierungsbauteils auch ein nicht-rotationssymmetrisches Temperierungsbauteil vorzusehen, das sich in Umfangsrichtung nur über ein Teilsegment erstreckt und entweder unmittelbar an den Kolbenaufnahmeraum angrenzt und einen Teil der Führungsfläche für den Kolben bildet oder mit radialem Abstand zum Kolbenaufnahmeraum angeordnet ist.
-
Es kann vorteilhaft sein, dass das Temperierungsbauteil Bestandteil des Pumpengehäuses ist. Das Temperierungsbauteil ist in diesem Fall in das Pumpengehäuse integriert.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung erstreckt sich das Temperierungsbauteil axial nur über eine Teillänge des Kolbenaufnahmeraums. Sofern das Temperierungsbauteil unmittelbar an den Kolbenaufnahmeraum angrenzt, wird demzufolge die Führungsfläche für den Kolben in Achsrichtung nur teilweise von dem Temperierungsbauteil gebildet. An das Temperierungsbauteil schließt sich vorteilhafterweise ein Kolbenführungsbauteil an, insbesondere im Bereich eines Pumpenraums im Pumpenzylinder, welcher benachbart zur Stirnseite des Kolbens liegt und in den das zu fördernde Fluid eingeleitet wird, das bei einer Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt unter Druck gesetzt wird. Das Kolbenführungsbauteil grenzt insbesondere axial unmittelbar an das Temperierungsbauteil an, so dass das Kolbenführungsbauteil zumindest im angrenzenden Bereich zum Temperierungsbauteil ebenfalls temperiert wird.
-
Vorteilhafterweise besitzt das Temperierungsbauteil mindestens die gleiche axiale Länge wie das Kolbenführungsbauteil. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Temperierung insbesondere in der Ausführung mit einem unmittelbaren Angrenzen des Temperierungsbauteils an den Kolbenaufnahmeraum über eine verhältnismäßig große Führungsfläche des Kolbens erfolgt.
-
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist der Temperierungskanal im Temperierungsbauteil, durch den das Temperierungsmittel geleitet wird, gewindeförmig ausgebildet. Der Temperierungskanal ist beispielsweise als ein Trapezgewinde ausgeführt, das in die Wandung des Temperierungsbauteils eingebracht ist. Die Gewindeform des Temperierungskanals hat den Vorteil bei einer Ausführung als hohlzylindrisches Temperierungsbauteil, dass das Temperierungsbauteil gleichmäßig von dem Temperierungsmittel durchströmt wird und entsprechend gleichmäßig und schnell sich an die Temperatur des Temperierungsmittels angleicht.
-
In der gewindeförmigen Ausführung des Temperierungskanals ist es zweckmäßig, dass sich der Temperierungskanal in Achsrichtung über den Großteil der axialen Länge des Temperierungsbauteils erstreckt, beispielsweise über mindestens 70 %, 80 % oder 90 % der axialen Länge des Temperierungsbauteils.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das Temperierungsbauteil zweiteilig mit einer Außenhülse und einer Innenhülse ausgebildet, wobei Außenhülse und Innenhülse über eine Verzahnung, beispielsweise in Form eines Trapezgewindes, ineinander greifen und im Bereich der Verzahnung ein verhältnismäßig großes Spiel besteht, wobei das Spiel zwischen der Verzahnung den gewindeförmigen Temperierungskanal darstellt.
-
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist der gewindeförmige Temperierungskanal an axial gegenüberliegenden Seiten mit einem Einlasskanal und mit einem Auslasskanal zum Einleiten bzw. Ableiten des Temperierungsmittels verbunden. Über den Einlasskanal wird der gewindeförmige Temperierungskanal mit dem Temperierungsmittel versorgt, das nach dem Durchströmen des Temperierungskanals über den Auslasskanal wieder abgeleitet wird. Die Einströmöffnung des Einlasskanals und die Abströmöffnung des Auslasskanals können sich gegebenenfalls axial in gleicher oder annähernd gleicher Höhe befinden und beispielsweise an diametral gegenüberliegenden Seiten des Temperierungsbauteils angeordnet sein.
-
Zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal liegt der Temperierungskanal. Einlasskanal und Auslasskanal sind insbesondere geometrisch getrennt ausgebildet, beispielsweise über ein Dichtungselement, um eine unmittelbare Strömungsverbindung zwischen Einlass- und Auslasskanal unter Umgehung des Temperierungskanals zu vermeiden.
-
Zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal herrscht bevorzugt ein Druckgefälle, um eine Durchströmung vom Einlasskanal zum Auslasskanal zu bewirken. Es kann zweckmäßig sein, dass der Einlasskanal und der Auslasskanal eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen, insbesondere bei runder Querschnittsfläche einen unterschiedlichen Durchmesser besitzen. Vorteilhafterweise besitzt der Einlasskanal eine größere Querschnittsfläche bzw. einen größeren Durchmesser als der Auslasskanal. Hierdurch kann die Strömungsgeschwindigkeit durch den Temperierungskanal reguliert werden, um eine Mindestverweildauer des Temperierungsfluids im Temperierungskanal für eine hinreichende Wärmeübertragung sicherzustellen.
-
Es ist beispielsweise möglich, dass in das Temperierungsbauteil mit radialem Abstand zum Temperierungskanal ein Strömungskanal eingebracht ist, der mit dem Temperierungskanal strömungsverbunden ist und einen Abschnitt des Einlasskanals oder des Auslasskanals bildet. Der Strömungskanal erstreckt sich vorzugsweise in Achsrichtung und ist als eine axial verlaufende Bohrung ausgeführt, die in das Temperierungsbauteil eingebracht ist. Das freie Ende der Bohrung kann mit einem Stopfen verschlossen und das gegenüberliegende Ende der Bohrung mit einem weiteren Kanalabschnitt verbunden sein, der winklig zu der Bohrung verläuft. Die Bohrung verläuft vorzugsweise radial mit größerem Abstand zur Führungsfläche als der Temperierungskanal.
-
Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung liegt im Strömungsweg des Temperierungsmittels ein Drosselelement. Das Drosselelement befindet sich insbesondere an der Abströmseite des Temperierungskanals. Mithilfe der Drossel kann der Durchfluss des Temperierungsmittels durch den Temperierungskanal eingestellt werden, insbesondere, um eine Mindestverweildauer des Temperierungsfluids im Temperierungskanal sicherzustellen.
-
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 einen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe, mit einem axial verschieblich in einem Pumpenzylinder angeordneten Kolben, wobei ein Teil der eine Führungsfläche bildenden Innenwand des Kolbenaufnahmeraums von einem hohlzylindrischen Temperierungsbauteil gebildet ist,
-
2 eine Einzeldarstellung des Temperierungsbauteils, in das ein gewindeförmiger Temperierungskanal eingebracht ist, einschließlich eines sich axial anschließenden Kolbenführungsbauteils und des verschieblich gelagerten Kolbens.
-
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist eine Hochdruckpumpe 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, mit der Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Die Hochdruckpumpe 1 weist in einem Pumpengehäuse 2 einen verschieblich gelagerten Kolben 3 auf, der entlang seiner Längsachse 5 axial verstellbar im Pumpengehäuse 2 aufgenommen ist. Im Pumpengehäuse 2 befindet sich ein Kolbenaufnahmeraum, der einen Pumpenzylinder bildet, wobei die Innenwand des aufnehmenden Kolbenaufnahmeraums eine Führungsfläche 4 für den Kolben 3 bildet. Das Pumpengehäuse 2 umfasst eine Gehäuseaußenhülse 6, ein Kolbenführungsbauteil 7 und ein Temperierungsbauteil 8, wobei das Kolbenführungsbauteil 7 und das Temperierungsbauteil 8 in die Gehäuseaußenhülse 6 eingesetzt und fest in dieser aufgenommen sind. Die beiden axial aneinander grenzenden Bauteile 7 und 8 bilden den Kolbenaufnahmeraum als Pumpenzylinder mit der Führungsfläche 4, die von der Innenwand von Kolbenführungsbauteil 7 und Temperierungsbauteil 8 gebildet ist, welche jeweils hohlzylindrisch ausgeführt sind.
-
Der Kolben 3 befindet sich in 1 in seiner unteren Totpunktstellung, in der die Stirnseite 10 des Kolbens 3 radiale Steuerbohrungen 9 im Pumpengehäuse 2 freigibt, über die Kraftstoff in einen Pumpenraum 11 im Pumpenzylinder eingeleitet wird. Der Pumpenraum 11 schließt sich an die Stirnseite 10 des Kolbens 3 an.
-
Der Kolben 3 wird von einem Federelement 12, das sich am Pumpengehäuse 2 abstützt, in Richtung der unteren Totpunktstellung kraftbeaufschlagt. Gegen die Kraft des Federelementes 12 wird der Kolben 3 von einem Aktor, beispielsweise einer Nockenverstelleinrichtung in Richtung oberer Totpunkt verstellt.
-
Im unteren Totpunkt kann der Kraftstoff über die radialen Steuerbohrungen 9 in den Pumpenraum 11 einströmen. Bei der Verstellbewegung des Kolbens 3 vom unteren Totpunkt in Richtung oberer Totpunkt überfährt die Stirnseite 10 des Kolbens 3 die radialen Steuerbohrungen 9 und verschließt diese. Der Kraftstoff im Pumpenraum 11 wird von dem Kolben 3 unter Druck gesetzt.
-
An der Innenwand des Pumpenzylinders befindet sich eine umlaufende Leckagenut 13, die mit einem Ableitungskanal 14 im Kolbenführungsbauteil 7 strömungsverbunden ist. Über die Leckagenut 13 und den Ableitungskanal 14 kann Kraftstoff, der als Leckage axial vom Pumpenraum 11 entlang der Mantelfläche des Kolbens 3 wandert, abgeleitet werden. Die Leckagenut 13 befindet sich in der Wandung des Kolbenführungsteils 7 benachbart zum Temperierungsbauteil 8.
-
Um eine lackähnliche Belagsbildung an der Führungsfläche 4 des Pumpenzylinders insbesondere im Bereich des Temperierungsbauteils 8 zu vermeiden, kann das Temperierungsbauteil 8 mithilfe eines Temperierungsmittels gekühlt werden, das durch einen Temperierungskanal 15 im Temperierungsbauteil 8 geleitet wird (1 und 2). Der Temperierungskanal 15 ist in Form eines Trapezgewindes ausgeführt, das dadurch entsteht, dass das Temperierungsbauteil 8 zweiteilig mit einer Außenhülse 8a und einer Innenhülse 8b ausgebildet ist und an den einander zugewandten Seiten die Außenhülse und die Innenhülse jeweils eine trapezförmige Verzahnung aufweisen. Der Temperierungskanal 15 entsteht durch ein verhältnismäßig großes Spiel im Bereich der ineinander greifenden Trapezgewinde an der Außenhülse 8a und der Innenhülse 8b.
-
Aufgrund des Gewindeeingriffs erstreckt sich der Temperierungskanal 15 annähernd über die gesamte axiale Länge des Temperierungsbauteils 8. Auf der dem Kolbenführungsbauteil 7 zugewandten Seite kann der Temperierungskanal 15 offen ausgebildet sein, wobei im montierten Zustand der Temperierungskanal 15 durch den axial stirnseitigen Kontakt zu dem Kolbenführungsbauteil 7 verschlossen wird. Auf der axial gegenüberliegenden Seite ist der Temperierungskanal 15 durch eine strömungsdichte Verzahnung zwischen der Außenhülse 8a und der Innenhülse 8b verschlossen.
-
Die Zufuhr von Temperierungsmittel zum Temperierungskanal 15 erfolgt über einen Einlasskanal 16, der in die Außenhülse 8a eingebracht ist. Die Ableitung des Temperierungsmittels erfolgt über einen Auslasskanal 17. Beide Kanäle 16 und 17 sind mit dem Temperierungskanal 15 strömungsverbunden und befinden sich axial annähernd auf gleicher Höhe, jedoch auf diametral gegenüberliegenden Seiten. Die Kanäle 16 und 17 verlaufen winklig zur Kolbenlängsachse.
-
Teil des Auslasskanals 17 ist ein Strömungskanal 18, der als Bohrung in der Außenhülse 8a ausgeführt ist und sich parallel zur Längsachse 5 des Kolbens 3 sowie des Temperierungsbauteils 8 erstreckt. Die Bohrung 18 ist auf der axial gegenüberliegenden Seite zur Verbindungsstelle zwischen dem Einlasskanal 16 und dem Temperierungskanal 15 angeordnet und steht ebenfalls in Strömungsverbindung mit dem Temperierungskanal 15. Axial nach außen ist die Bohrung 18 über einen Stopfen 19 verschlossen, der in die dem Kolbenführungsbauteil 7 gegenüberliegende Stirnseite der Außenhülse 8a in die Bohrung 18 eingebracht ist.
-
Als Temperierungsmittel kann Schmieröl oder Wasser verwendet werden, das in der Brennkraftmaschine oder einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregat zur Verfügung steht. Das Temperierungsmittel wird vorzugsweise in einem Kreislauf geführt, wobei der Temperierungskanal 15 einen Teil des Kreislaufs bildet.
-
An der Abströmseite des Temperierungskanals 15 kann, wie 2 zu entnehmen, ein Drosselelement 20 angeordnet sein, über das der Durchfluss des Temperierungsmittels auf ein gewünschtes Maß einstellbar ist. Das Drosselelement 20 befindet sich beispielsweise im Auslasskanal 17 oder schließt sich an den Auslasskanal 17 an. Das Drosselelement 20 ist bevorzugt fest mit dem Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe verbunden.
-
Je nach Temperatur des Temperierungsmittels kann das Temperierungsbauteil entweder gekühlt oder erwärmt werden. Bei einer Kühlung wird eine lackähnliche Belagsbildung an der Führungsfläche 4 im Pumpenzylinder verhindert. Bei einer Erwärmung kann der Kraftstoff, beispielsweise Schweröl oder Diesel, auf ein gewünschtes Temperaturniveau gebracht werden, in welchem der Kraftstoff verbesserte Fließeigenschaften aufweist.
-
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Temperierungsbauteil 8 eine größere axiale Länge auf als das sich axial anschließende Kolbenführungsbauteil 7. Dementsprechend ist eine verhältnismäßig lange axiale Führungsfläche 4 von dem Temperierungsbauteil 8 abgedeckt und kann entsprechend temperiert werden. Da das Temperierungsbauteil 8 stirnseitig an das Kolbenführungsbauteil 7 angrenzt, wird dieses zumindest im angrenzenden Bereich ebenfalls gekühlt bzw. erwärmt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
