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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Kraftstoffhochdruckpumpen in Kraftstoffeinspritzsystemen werden dazu verwendet, einen Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 150 bis 400 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 bis 2500 bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung des Kraftstoffes in einer Brennkammer entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
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Um die hohen Drücke in dem jeweiligen Kraftstoff erzielen zu können, wird die Kraftstoffhochdruckpumpe typischerweise als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Pumpenkolben von einer Welle angetrieben wird und eine translatorische Bewegung ausführt, um einen Kraftstoff, der in einem Druckraum angeordnet ist, periodisch zu verdichten und zu entspannen. Kraftstoffhochdruckpumpen für Benzin bzw. für Diesel fördern daher über einen oder mehrere sich auf- und abwärtsbewegende Pumpenkolben den Kraftstoff als Medium beispielsweise in ein Common Rail.
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Der Pumpenkolben ist dabei so angeordnet, dass er mit einer Seite in den Bereich, in dem der Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt wird, nämlich in dem Druckraum, und mit einer anderen Seite in einen Bereich der Kraftstoffhochdruckpumpe ragt, in dem kein Hochdruck in dem Kraftstoff herrscht, den sogenannten Niederdruckbereich.
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Von dem Druckraum fließt entlang einer Außenfläche des Pumpenkolbens im Betrieb häufig Leckagekraftstoff in den Niederdruckbereich, weshalb in dem Niederdruckbereich zumeist ein Leckageraum vorgesehen ist, um diesen Leckagekraftstoff aufzunehmen.
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Die Elemente, die den Pumpenkolben antreiben, werden häufig mit Öl geschmiert. Es ist daher wünschenswert, wenn es zu keiner Vermischung zwischen dem Schmierstoff und dem Kraftstoff aus dem Druckraum kommt. Daher ist in dem Niederdruckbereich zumeist eine Dichtungsanordnung vorgesehen, die den Leckageraum von einem Antriebsraum der Kraftstoffhochdruckpumpe fluidisch trennt.
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Der Pumpenkolben erstreckt sich zwecks Antriebs jedoch durch diese Dichtungsanordnung hindurch in den Antriebsraum hinein. Um zu verhindern, dass entlang einer Außenseite des Pumpenkolbens Kraftstoff bzw. Öl bzw. Schmutzpartikel unerwünscht zwischen den fluidisch getrennten Räumen kriechen, weist die Dichtungsanordnung vorteilhaft einen Dichtungsring auf, der ein solches Kriechen verhindern soll.
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Bislang wurde dieser Dichtungsring in die Dichtungsanordnung, die beispielsweise eine Dichtungsschale aufweist, eingepresst. Durch prozessbedingte Ungenauigkeiten – Toleranzen –, insbesondere wenn die Dichtungsschale aus einem Blech tiefgezogen wird, kommt es jedoch zu einem Versatz zwischen dem Bereich der Dichtungsschale, die den Dichtungsring aufnimmt, und einer Gehäusebohrung, in der die Dichtungsanordnung aufgenommen ist. Presst man nun den Dichtungsring in die Dichtungsschale und setzt den Pumpenkolben ein, entstehen durch den Versatz bedingt zusätzliche Seitenkräfte, welche auf den Dichtungsring, den Pumpenkolben und weitere Elemente wie beispielsweise eine Kolbenführungshülse einwirken. Dadurch kommt es an der Kontaktfläche zwischen dem Pumpenkolben und beispielsweise der Kolbenführungshülse zu einer Hertz‘schen Pressung, die durch die anliegenden Seitenkräfte bestimmt wird. Diese Pressung führt ungünstigstenfalls zu einem Verschleiß der Bauteile. Daher werden bislang die Führungslänge des Pumpenkolbens in der Kolbenführungshülse und somit auch die Kolbenführungshülsenlänge entsprechend dieses Verschleißes ausgelegt. Auch der Dichtungsring und der Pumpenkolben selbst wurden bislang so ausgelegt, dass die zusätzlich auftretenden Seitenkräfte nicht in die Lebensdauerbetrachtung mit einkalkuliert werden mussten.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine in dieser Hinsicht verbesserte Kraftstoffhochdruckpumpe vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kraftstoffhochdruckpumpe ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruck weist ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung, die an einem ersten Endbereich einen Druckraum, in dem der Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt wird, und an einem zweiten Endbereich ein Niederdruckvolumen bildet, sowie einen Pumpenkolben, der in der Gehäusebohrung geführt ist, und der sich im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe zwischen dem Druckraum und dem Niederdruckvolumen entlang einer Bewegungsachse translatorisch bewegt, auf. Der Niederdruckbereich umfasst einen Leckageraum zum Aufnehmen von Leckagekraftstoff aus dem Druckraum und einen Antriebsraum, die durch eine Dichtungsanordnung fluiddicht voneinander getrennt sind. Der Pumpenkolben erstreckt sich mit einer Kolbenstange durch die Dichtungsanordnung in dem Antriebsraum. Die Dichtungsanordnung weist eine Dichtungsschale, die mittels eines Pressverbandes in der Gehäusebohrung befestigt ist, und einen Dichtungsring auf, der in Kontakt mit der Kolbenstange des Pumpenkolbens ist. Der Dichtungsring ist dabei in die Dichtungsschale eingegossen.
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Grundlegende Idee ist es daher, den Dichtungsring nicht, wie es bisher üblich ist, in die Dichtungsschalte einzupressen und dabei den Versatz von Gehäuse und Dichtungsschale auch auf den Dichtungsring zu übertragen, sondern stattdessen den Dichtungsring in die Dichtungsschale einzugießen und damit für einen Ausgleich des bei der Herstellung der Dichtungsschale entstandenen Versatzes zu sorgen.
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Der Vorteil gegenüber dem eingepressten Dichtungsring besteht darin, dass insgesamt weniger Seitenkräfte auf den Verbund Dichtungsring, Kolbenführungshülse und Pumpenkolben wirken. Ausgehend davon sinken die Reibung und die Hertz‘sche Pressung zwischen dem Pumpenkolben und der Kolbenführungshülse. Dadurch könnte beispielsweise die Kolbenführungshülse kürzer und die komplette Kraftstoffhochdruckpumpe kleiner gestaltet werden. Außerdem entfällt ein Montageschritt und somit Montagevorrichtungen und Prozessschritte, da das Einpressen des Dichtungsringes in die Dichtungsschale entfällt. Alternativ kann bei gleich bleibender Führungslänge die Robustheit der Kraftstoffhochdruckpumpe gesteigert werden. Weiterhin wird ein Dichtungspfad durch die integrierende Bauweise eliminiert.
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Vorteilhaft sind eine Kolbenkontaktierwand des Dichtungsrings und eine Gehäusewand der Gehäusebohrung im Wesentlichen konzentrisch um die Bewegungsachse des Pumpenkolbens ausgebildet. Dadurch ist insbesondere der Dichtungsring nicht mehr versetzt zu dem Pumpenkolben angeordnet, der in der Gehäusewand geführt ist, beispielsweise in einer Kolbenführungshülse, und es wirken deutlich weniger Seitenkräfte von dem Dichtungsring auf den Pumpenkolben.
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Vorzugsweise weist die Dichtungsschale eine Außenwand zum Bilden eines Pressverbandes mit der Gehäusewand und eine Innenwand zur Aufnahme des Dichtungsringes auf, wobei die Außenwand und die Innenwand exzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Dichtungsschale weist demgemäß zwei Bereiche auf, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen, nämlich einerseits eine Außenwand, über die die Dichtungsschale fluiddicht in die Gehäusebohrung eingepresst wird, und andererseits die Innenwand, die den Dichtungsring aufnimmt. Während der Herstellung der Dichtungsschale treten prozessbedingte Ungenauigkeiten und somit Toleranzen auf, die dazu führen, dass die Innenwand und die Außenwand nicht konzentrisch, insbesondere nicht konzentrisch zu der Bewegungsachse des Pumpenkolbens im eingebauten Zustand, angeordnet sind, was normalerweise zu Seitenkräften auf den Pumpenkolben selbst führt. Nun jedoch wird diese Exzentrizität durch den eingegossenen Dichtungsring ausgeglichen, weshalb die Toleranzspanne bei der Herstellung der Dichtungsschale größer sein kann als bisher.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Dichtungsschale aus einem tiefgezogenen Blechteil gebildet, was ein kostengünstiges Herstellungsverfahren zur Herstellung der Dichtungsschale darstellt.
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Vorteilhaft weist die Dichtungsschale zum Bilden der Außenwand ein erstes U-Profil und zum Bilden einer Aufnahmeschale für den Dichtungsring ein zweites U-Profil auf, die gegenläufig zueinander gebildet sind, wobei das erste U-Profil insbesondere umlaufend um das zweite U-Profil herum angeordnet ist. Dadurch kann aus einem einzelnen Blechteil, z. B. einer Blechplatte, durch ein einfaches Tiefziehverfahren eine Dichtungsschale gebildet werden, die mehrere Funktionen aufweist, nämlich einerseits die Bildung eines Pressverbandes zusammen mit einer Gehäusewand der Gehäusebohrung, und andererseits einen Bereich, in dem der Dichtungsring aufgenommen werden kann. Zusätzlich kann die Dichtungsschale weitere Aufgaben übernehmen, beispielsweise die Abstützung einer Feder, die den Pumpenkolben auf eine Wellenoberfläche des Antriebes der Kraftstoffhochdruckpumpe vorspannt.
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Vorzugsweise ist der Dichtungsring dabei in die durch das zweite U-Profil gebildete Aufnahmeschale eingegossen ausgebildet.
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Vorzugsweise weist der Dichtungsring wenigstens eine Dichtlippe, in besonders bevorzugter Ausgestaltung mehrere Dichtlippen auf, um einen Dichtkontakt mit der Kolbenstange zu bilden. Dabei ist die wenigstens eine Dichtlippe konzentrisch um die Bewegungsachse angeordnet. Dadurch werden von der wenigstens einen Dichtlippe auf die Kolbenstange und somit den Pumpenkolben praktisch keine Seitenkräfte übertragen, da sie konzentrisch sind um eine Bewegungsachse des Pumpenkolbens.
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Eine solche Dichtlippe kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass ein Dichtungsring-Rohling in die Dichtungsschale eingegossen wird, und anschließend die wenigstens eine Dichtlippe durch konzentrisches Nachdrehen des Dichtungsring-Rohlings gebildet wird.
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Alternativ kann die wenigstens eine Dichtlippe jedoch auch durch Ausbildung der Dichtlippenkontur direkt beim Eingießen gebildet werden.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe wird zunächst ein Gehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe bereitgestellt, das eine Gehäusebohrung aufweist. Dann wird aus einem Blechteil durch Tiefziehen eine Dichtungsschale erzeugt und eine Einspannvorrichtung bereitgestellt, um darin die Dichtungsschale einzuspannen. Die Einspannvorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie eine Ausnehmung mit einer Geometrie aufweist, die einer Geometrie der Gehäusebohrung entspricht. Danach wird die Dichtungsschale in die Einspannvorrichtung eingespannt und ein Stempel in die Dichtungsschale derart eingebracht, dass der Stempel konzentrisch zu der Ausnehmung in der Einspannvorrichtung angeordnet ist. Zuletzt wird der Stempel mit einem Material umgossen, das einen Dichtungsring ausbildet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Längsschnittdarstellung durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Dichtungsanordnung, die einen Leckageraum der Kraftstoffhochdruckpumpe von einem Antriebsraum der Kraftstoffhochdruckpumpe trennt.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe 10, bei der in einer Gehäusebohrung 12 in einem Gehäuse 14 ein Pumpenkolben 16 angeordnet ist, der in einer in die Gehäusebohrung 12 eingepressten Kolbenführungshülse 18 entlang einer Bewegungsachse 20 beweglich geführt ist.
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Die Gehäusebohrung 12 bildet an einem ersten Endbereich 24 einen Druckraum 26 aus, und an einem zweiten Endbereich 28 bildet sie ein Niederdruckvolumen 30. Das Niederdruckvolumen 30 ist durch eine Dichtungsanordnung 32, die in den zweiten Endbereich 28 der Gehäusebohrung 12 eingepresst ist, in einen Leckageraum 34 und einen Antriebsraum 36 unterteilt. In dem Antriebsraum 36 befinden sich Elemente, die den Pumpenkolben 16 in seiner Bewegung entlang der Bewegungsachse 20 antreiben.
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Während des Betriebes der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 strömt in den Druckraum 26 Kraftstoff ein. Der Pumpenkolben 16, der eine translatorische Bewegung entlang der Bewegungsachse 20 ausführt, verdichtet diesen in dem Druckraum 26 vorhandenen Kraftstoff auf einen gewünschten Hochdruck. Dabei kann es nicht vermieden werden, dass Leckagekraftstoff von dem Druckraum 26 in das Niederdruckvolumen 30 strömt, und zwar speziell in den Leckageraum 34, der dazu vorgesehen ist, diesen Leckagekraftstoff aufzunehmen. Die Dichtungsanordnung 32 ist dazu vorgesehen, dass der Leckagekraftstoff in dem Leckageraum 34 sich nicht vermischt mit beispielsweise einem Öl, das in dem Antriebsraum 36 vorhanden ist, um Elemente zum Antrieb des Pumpenkolbens 16 zu schmieren. Auch soll verhindert werden, dass Schmutz aus diesem Antriebsraum 36 in den oberen Bereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 gelangt.
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Der Pumpenkolben 16 erstreckt sich durch die Dichtungsanordnung 32 hindurch in den Antriebsraum 36, wofür er eine Kolbenstange 38 aufweist. Die Kolbenstange 38 kommt beispielsweise über speziell dafür vorgesehene Stößel in Kontakt mit beispielsweise einer Antriebswelle, wodurch der Pumpenkolben 16 in seiner translatorischen Bewegung entlang der Bewegungsachse 20 angetrieben werden kann. Um zu verhindern, dass entlang der Kolbenstange 38 Schmutz bzw. Öl aus dem Antriebsraum 36 in den Leckageraum 34 kriecht – oder umgekehrt Kraftstoff aus dem Leckageraum 34 in den Antriebsraum 36 –, weist die Dichtungsanordnung 32 in dem Bereich der Kolbenstange 38 einen Dichtungsring 40 auf, der die Kolbenstange 38 mit einer Kolbenkontaktierwand 42 eng kontaktiert, und so einen Dichtbereich bereitstellt. An der Kolbenkontaktierwand 42 sind zum Abdichten mehrere Dichtlippen 44 angeordnet.
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Weiter weist die Dichtungsanordnung 32 neben dem Dichtungsring 40 eine Dichtungsschale 46 auf, die aus einem tiefgezogenen Blechteil 64 gebildet ist, und somit einfach in die Gehäusebohrung 12 eingepresst werden kann, um so einen Pressverband 46 mit einer Gehäusewand 50 der Gehäusebohrung 12 bilden zu können.
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Die Dichtungsschale 46 erfüllt mehrere Funktionen. Einerseits bildet sie den Pressverband 46 mit der Gehäusewand 50, weshalb sie eine Außenwand 52 aufweist, die im Wesentlichen parallel zu der Gehäusewand 50 angeordnet ist, und beim Einpressen in engen Kontakt mit der Gehäusewand 50 kommt, um so den Pressverband 46 zu bilden. Andererseits weist sie auch eine Innenwand 54 auf, die so ausgebildet ist, dass sie den Dichtungsring 40 aufnehmen kann. Zusätzlich wirkt sie auch als Abstützbereich für eine Feder 56, die den Pumpenkolben 16 auf Antriebselemente in dem Antriebsraum 36 vorspannt. Dazu ist die Dichtungsschale 46 vorteilhaft als doppeltes U-Profil ausgebildet, mit einem ersten U-Profil 58, das die Außenwand 52 und den Abstützbereich für die Feder 56 bildet, und mit einem zweiten U-Profil 60, das eine Aufnahmeschale 62 ausbildet, in der der Dichtungsring 40 aufgenommen werden kann. Die beiden U-Profile 58, 60 sind gegenläufig ausgebildet, das heißt, die Öffnungen der jeweiligen Us weisen in entgegengesetzte Richtung. Das erste U-Profil 58 ist umlaufend um das zweite U-Profil 60 angeordnet.
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Die Dichtungsschale 46 wird aus dem Blechteil 64 mit einem Tiefziehverfahren hergestellt, wobei gleichzeitig die beiden U-Profile 58, 60 hergestellt werden. Bei dem Tiefziehverfahren kommt es zu prozessbedingten Ungenauigkeiten, wodurch resultiert, dass die Außenwand 52 und die Innenwand 54 nicht mehr konzentrisch zueinander angeordnet sind. Daraus resultiert auch, dass im eingebauten Zustand der Dichtungsschale 46 in die Gehäusebohrung 12 die Gehäusewand 50 und die Innenwand 54 der Dichtungsschale 46 nicht mehr konzentrisch, insbesondere konzentrisch um die Bewegungsachse 20, angeordnet sind. Eine zentrale Achse 66, entlang derer sich die Innenwand 54 parallel erstreckt, ist daher versetzt zu der Bewegungsachse 20 im eingebauten Zustand angeordnet. Würde nun der Dichtungsring 40 in die Aufnahmeschale 62 der Dichtungsschale 46 eingepresst werden, würde sich dieser Versatz auch auf den Dichtungsring 40 übertragen, und dieser wäre ebenfalls nicht mehr konzentrisch um die Bewegungsachse 20 angeordnet, sondern symmetrisch um die zentrale Achse 66 der Innenwand 54. Dadurch würde sich ergeben, dass Seitenkräfte auf die Kolbenstange 38 des Pumpenkolbens 16 übertragen werden, was zu einem Verschleiß sämtlicher Bauteile der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 führt.
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Im Gegensatz dazu ist jetzt aber der Dichtungsring 40 nicht mehr in die Aufnahmeschale 62 eingepresst, sondern eingegossen. Daraus resultiert, dass die Kolbenkontaktierwand 42 des Dichtungsrings 40 und die Gehäusewand 50 der Gehäusebohrung 12 beide konzentrisch um die Bewegungsachse 20 des Pumpenkolbens 16 angeordnet sind. Dadurch werden auch keine unerwünschten Seitenkräfte mehr von dem Dichtungsring 40 auf den Pumpenkolben 16 übertragen, trotz der Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Dichtungsschale 46. Die Außenwand 52 der Dichtungsschale 46 und die Innenwand 54 der Dichtungsschale 46 sind weiterhin exzentrisch zueinander angeordnet. Auch die Dichtlippen 44 des Dichtungsrings 40 sind konzentrisch mit der Gehäusewand 50 um die Bewegungsachse 20 angeordnet.
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Damit der Dichtungsring 40 so in die Aufnahmeschale 62 eingegossen werden kann, dass sich im eingebauten Zustand eine Konzentrizität mit der Gehäusewand 50 ergibt, wird die Dichtungsschale 46 in eine Einspannvorrichtung eingespannt, die in der Geometrie im Wesentlichen dem Gehäuse 14 mit der Gehäusebohrung 12 entspricht. Das bedeutet, die Einspannvorrichtung hat eine Ausnehmung, die in ihrer Geometrie der Gehäusebohrung 12 entspricht. Dann wird ein Stempel in der Aufnahmeschale 62 angeordnet, und zwar so, dass der Stempel konzentrisch zu der Ausnehmung angeordnet ist. Wird nun dieser Stempel mit einem Material umgossen, das später den Dichtungsring 40 bildet, entsteht ein Dichtungsring 40, der ebenfalls konzentrisch zu der Gehäusewand 50 im eingespannten Zustand ausgebildet ist, da er bei diesem Herstellungsverfahren konzentrisch zu der Ausnehmung ist. Es resultiert demgemäß ein Dichtungsring 40, der die Exzentrizität zwischen Außenwand 52 und Innenwand 54 der Dichtungsschale 46 aufnimmt, indem er in einem Bereich eine etwas dünnere Wand aufweist als in anderen Bereichen.
