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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Hochdruck.
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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 im Bereich von 250 bar bis 450 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen im Bereich von 1500 bar bis 3500 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, sind die genannten Kraftstoffhochdruckpumpen zumeist als Kolbenpumpe ausgeführt, bei der ein Pumpenkolben von einer Exzenterwelle angetrieben wird. Die Exzenterwelle kann dabei beispielsweise ein Bestandteil der Kraftstoffhochdruckpumpe selbst sein. Es ist jedoch auch möglich, den Pumpenkolben über eine externe Exzenterwelle wie beispielsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine anzutreiben. Es ist zumeist eine Druckfeder vorgesehen, die den Pumpenkolben auf eine Exzenteroberfläche der Exzenterwelle vorspannt, sodass beispielsweise auch bei dynamischen Lastwechseln der Pumpenkolben in keinem Betriebspunkt der Kraftstoffhochdruckpumpe von der Exzenterwelle abhebt. Die Druckfeder stützt sich dabei zumeist auf einem Federteller ab, welcher indirekt oder direkt mit einem Bereich des Pumpenkolbens, zumeist einem zu der Exzenterwelle gerichteten Stangenende des Pumpenkolbens, verbunden ist.
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Dadurch, dass der Federteller und der Pumpenkolben miteinander verbunden sind, werden sämtliche Winkelfehler, beispielsweise aus der Druckfeder, welche zu Kräften und Momenten auf den Pumpenkolben führen, auf den Pumpenkolben übertragen. Dadurch kann es im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe zu einem Verschleiß der beteiligten Bauteile kommen.
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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 der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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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 einen Pumpenkolben auf, der im Betrieb von einer Exzenterwelle in einer translatorischen Bewegung angetrieben wird. Zusätzlich ist eine Druckfeder zum Vorspannen des Pumpenkolbens auf eine Exzenteroberfläche der Exzenterwelle und ein Federteller vorgesehen, an dem sich die Druckfeder mit einem im Betrieb zu der Exzenterwelle gerichteten Federende abstützt, wobei der Federteller an einem im Betrieb zu der Exzenterwelle gerichteten Stangenende des Pumpenkolbens über eine Befestigungseinrichtung befestigt ist. Die Befestigungseinrichtung weist dabei ein Kugelgelenk auf.
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Es wird dementsprechend vorgeschlagen, ein Kugelgelenk zwischen dem Federteller und dem Pumpenkolben einzubringen, sodass der Federteller in Relation zu dem Pumpenkolben nicht mehr ortsfest angeordnet ist, sondern beweglich mit dem Pumpenkolben verbunden ist. Dadurch ist eine Entkopplung der Schnittstelle zwischen dem Pumpenkolben und der Druckfeder realisiert, sodass die Winkelfehler, beispielsweise aus der Druckfeder, nicht mehr auf den Pumpenkolben übertragen werden. Dies führt insgesamt zu einer Robustheitssteigerung in der Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Vorzugsweise weist das Kugelgelenk eine konkave Aufnahmefläche und eine konvexe Eingreiffläche auf, die in die Aufnahmefläche eingreift. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Krümmung der konkaven Aufnahmefläche der Krümmung der konvexen Eingreiffläche entspricht bzw. die konvexe Eingreiffläche stärker gekrümmt ist als die konkave Aufnahmefläche. So kann vorteilhaft ein verklemmungsfreier Eingreifkontakt des Kugelgelenkes realisiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die Aufnahmefläche an dem Federteller und die Eingreiffläche an einem an dem Stangenende angeordneten Kugelgelenkgegenstück ausgebildet. Wirken daher Seitenkräfte, beispielsweise ausgehend von der Druckfeder, auf den Federteller, kann sich der Federteller über das Kugelgelenk an dem Pumpenkolben drehen, und die Seitenkräfte werden nicht weiter übertragen.
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Besonders vorteilhaft ist die Aufnahmefläche und/oder die Eingreiffläche rotationssymmetrisch um eine Bewegungsachse des Pumpenkolbens ausgebildet. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Aufnahmefläche und/oder die Eingreiffläche auch koaxial um die Bewegungsache des Pumpenkolbens ausgebildet sind. Dadurch werden auf die genannten Bauteile einwirkende Kräfte vorteilhaft gleichmäßig über die Bauteile verteilt.
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Vorzugsweise ist die konkave Aufnahmefläche und/oder die konvexe Eingreiffläche als kugelsegmentförmige Fläche ausgebildet. Ein Kugelsegment bildet vorteilhaft die ideale Form für ein Kugelgelenk, da es eine höhere Symmetrie als andere Formen aufweist, und so wirkende Kräfte vorzugsweise gleichmäßig über die einzelnen Bauteile verteilt werden können.
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Damit eine vorzugsweise ungehinderte Bewegung zwischen Kugelgelenksgegenstück und Aufnahmefläche möglich ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn entweder die konkave Aufnahmefläche oder die konvexe Eingreiffläche, oder beide, eine Gleitschicht aufweisen. Insbesondere ist eine solche Gleitschicht aus einer kostengünstig erhältlichen aufgespritzten PTFE-Schicht gebildet. Alternativ kann jedoch eine PEEK-Schicht verwendet werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Kugelgelenksstück als getrennt von dem Stangenende ausgebildetes, an dem Stangenende befestigtes Bauteil vorgesehen. Dabei ist das Kugelgelenksgegenstück beispielsweise an dem Stangenende durch Schrauben, Pressen, Kleben und/oder Crimpen befestigt. Durch die Trennung des Stangenendes des Pumpenkolbens von dem Kugelgelenksgegenstück ist in der Montage der Kraftstoffhochdruckpumpe vorteilhaft eine gewisse Flexibilität gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Kugelgelenksstück an der Eingreiffläche eine zentrale Aufnahmebohrung aufweist, in die das Stangenende im Wesentlichen formschlüssig eingreift. Dadurch kann ein sicherer Halt zwischen Stangenende und Kugelgelenksgegenstück erzielt werden.
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Weiter ist es auch vorteilhaft, wenn der Federteller an der Aufnahmefläche eine zentrale Durchgangsbohrung aufweist, durch die das Stangenende hindurchgreift.
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In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Kugelgelenksgegenstück integral mit dem Stangenende des Pumpenkolbens ausgebildet. Beispielsweise kann es als angeformtes Stangenende an dem Pumpenkolben vorgesehen sein. Dadurch kann eine besonders stabile Konstruktion des Kugelgelenkes erreicht werden.
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Vorteilhaft ist der Federteller als U-Querschnitt mit einem eine Abstützfläche für die Druckfeder bildenden umlaufenden Seitenflügel ausgebildet, wobei ein U-Steg des U-Querschnitts die Aufnahmefläche aufweist. Wenn dabei besonders vorteilhaft die Aufnahmefläche entgegengesetzt zu der Abstützfläche gerichtet ist, können hier Kräfte ausgehend von der Druckfeder bzw. ausgehend von der Exzenterwelle kompensiert werden.
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Vorzugsweise ist der Federteller als Tiefziehteil ausgebildet, wobei die Aufnahmefläche durch eine von dem Kugelgelenksgegenstück weggerichtet ausgebildete Ausbuchtung an dem U-Steg des U-Querschnitts ausgebildet ist. Dadurch kann besonders kostengünstig ein Federteller mit den gewünschten Eigenschaften erzielt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Pumpenkolben, der über eine Druckfeder, die sich an einem Federteller abstützt, mittelbar auf eine Exzenteroberfläche einer Exzenterwelle vorgespannt ist;
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2 eine Detailansicht der Längsschnittdarstellung aus 1 im Bereich des Federtellers, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
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3 eine Detailansicht der Längsschnittdarstellung aus 1 im Bereich des Federtellers in einer ersten Ausführungsform;
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4 eine Detailansicht der Längsschnittdarstellung aus 1 im Bereich des Federtellers in einer zweiten Ausführungsform; und
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5 eine Detailansicht der Längsschnittdarstellung aus 1 im Bereich des Federtellers in einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weist in einem Gehäuse 12 einen Druckraum 14 auf, in dem ein Kraftstoff durch eine periodische, translatorische Auf- und Abbewegung eines Pumpenkolbens 16 entlang einer Bewegungsachse 18 verdichtet wird. Der Pumpenkolben 16 wird dabei in seiner translatorischen Auf- und Abbewegung von einer Exzenterwelle 20 angetrieben. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist dabei zwischen einer Exzenteroberfläche 22 der Exzenterwelle 20 und einem Stangenende 24 des Pumpenkolbens 16, das zu der Exzenterwelle 20 hin gerichtet ist, ein Rollenstößel 26 angeordnet, der zur Verringerung der Reibungskräfte zwischen Exzenteroberfläche 22 und Stangenende 24 zwischen den Pumpenkolben 16 und die Exzenterwelle 20 geschaltet ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Bewegungskraft ausgehend von der Exzenterwelle 20 auf den Pumpenkolben 16 über andere Übertragungsmittel statt des Rollenstößels 26 übertragen wird, oder dass der Pumpenkolben 16 mit seinem Stangenende 24 in direktem Kontakt mit der Exzenteroberfläche 22 ist. In 1 ist die Exzenterwelle 20 Bestandteil der Kraftstoffhochdruckpumpe 10. Es ist jedoch auch möglich, den Pumpenkolben 16 mit einer externen Exzenterwelle 20, beispielsweise mit einer Nockenwelle oder einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine anzutreiben. 1 zeigt daher nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen, die Bewegungskraft von einer Exzenterwelle 20 auf den Pumpenkolben 16 zu übertragen.
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In dem Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist weiter eine Druckfeder 28 angeordnet, die sich mit einem zu der Exzenterwelle 20 gerichteten Federende 30 an einem Federteller 32 abstützt, der an dem Stangenende 24 des Pumpenkolbens 16 befestigt ist. An dem gegenüberliegenden Federende 30 stützt sich die Druckfeder 28 an dem Gehäuse 12 ab. Die Druckfeder 28 übt auf den Pumpenkolben 16 somit eine Vorspannkraft aus, die dafür sorgt, dass der Pumpenkolben 16 auch bei dynamischen Lastwechseln in keinem Betriebspunkt von der Exzenterwelle 20 abhebt. Um den Federteller 32 fest mit dem Pumpenkolben 16 zu verbinden, ist eine Befestigungseinrichtung 34 vorgesehen, über die der Federteller 32 fest mit dem Stangenende 24 des Pumpenkolbens 16 verbunden wird.
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2 zeigt dabei eine Detailansicht im Bereich des Stangenendes 24 aus 1, wobei eine Befestigungseinrichtung 34 zwischen Pumpenkolben 16 und Federteller 23 gezeigt ist, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei besitzt der Federteller 32 eine konische Bohrung 36. Zur Fixierung des Federtellers 32 wird am Ende der Montage der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 die Druckfeder 28 und anschließend der Federteller 32 montiert, beide Bauteile als Paket auf der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 nach unten gedrückt, das heißt die Druckfeder 28 wird komprimiert, und anschließend werden zwei konische Ventilkeile 38 seitlich in an dem Pumpenkolben 16 eingebrachte Nuten 40 eingelegt und die Druckfeder 28 wieder entspannt. Dadurch verklemmen sich die beiden Ventilkeile 38 in der konischen Bohrung 36 am Federteller 32 bzw. verkeilen sich darin. Alternativ ist es beispielsweise auch bekannt, die Anbindung anders zu lösen, beispielsweise mittels eines Schlüssellochprinzips, oder indem der Federteller 23 auf den Pumpenkolben 16 aufgepresst wird.
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Bei allen bisher bekannten Befestigungsmethoden zwischen Federteller 32 und Pumpenkolben 16 besteht jedoch der Nachteil, dass sämtliche Winkelfehler, beispielsweise aus der Druckfeder 28, auf den Pumpenkolben 16 übertragen werden, und daher zu Kräften und Momenten auf den Pumpenkolben 16 führen, was einen Verschleiß der betroffenen Bauteile der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zur Folge haben kann.
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Daher wird nun vorgeschlagen, eine Befestigungseinrichtung 34 zu verwenden, bei der die Schnittstelle der Druckfeder 28 zu dem Pumpenkolben 16 voneinander entkoppelt ist.
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Die 3 bis 5 zeigen hierzu verschieden Ausführungsformen. Es wird vorgeschlagen, eine Befestigungseinrichtung 34 zwischen Pumpenkolben 16 und Federteller 32 zu wählen, die ein Kugelgelenk 42 aufweist.
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3 zeigt dabei eine erste Ausführungsform des Kugelgelenks 42. Das Kugelgelenk 42 ist dabei gebildet durch eine konkave Aufnahmefläche 44, die in dem als U-Querschnitt 46 gebildeten Federteller 32 im Bereich des U-Steges 48 des U-Querschnitts 46 ausgebildet ist. Umlaufend um das U-Querschnitt 46 ist ein Seitenflügel 49 als Abstützfläche 50 ausgebildet, an der sich die Druckfeder 28 abstützen kann. Die Abstützfläche 50 und die Aufnahmefläche 44 sind dabei entlang der Bewegungsachse 18 in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet.
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Das Kugelgelenk 42 weist weiter ein Kugelgelenksgegenstück 52 auf, an dem eine konvexe Eingreiffläche 54 ausgebildet ist, die mit der konkaven Aufnahmefläche 44 zusammenwirkt, und so das Kugelgelenk 42 bildet.
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Der Pumpenkolben 16 durchgreift den Federteller 32 mit dem Stangenende 24 an einer zentralen Durchgangsbohrung 56, und ist mit dem Stangenende 24 im Wesentlichen formschlüssig in eine zentrale Aufnahmebohrung 58 eingesteckt, die in dem Kugelgelenksgegenstück 52 vorgesehen ist. Das Kugelgelenksgegenstück 52 ist dabei auf das Stangenende 24 des Pumpenkolbens 16 aufgepresst. Es ist jedoch auch möglich, das Kugelgelenksgegenstück 52 und das Stangenende 24 beispielsweise durch Schrauben – gezeigt in einer zweiten Ausführungsform in 4 – durch Kleben oder durch Crimpen aneinander zu befestigen.
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Im Betrieb sind durch das Kugelgelenk 42 der Federteller 32 und das Kugelgelenksgegenstück 52 und somit der Pumpenkolben 16 zwar fest aneinander gehalten, aber doch beweglich zueinander angeordnet. Somit können beispielsweise Querkräfte, die zum Beispiel von der Exzenterwelle 20 in Richtung auf den Pumpenkolben wirken, oder auch von der Druckfeder 28 auf den Federteller 32 wirken, ausgeglichen werden.
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Um ein besonders gleichmäßiges Ausgleichen dieser Kräfte bewirken zu können, ist die Aufnahmefläche 44 und auch die Eingreiffläche 54 rotationssymmetrisch und koaxial um die Bewegungsachse 18 des Pumpenkolbens 16 herum angeordnet. Gleichzeitig ist es besonders vorteilhaft, wenn die beiden Flächen 44, 54 als kugelsegmentförmige Flächen ausgebildet sind.
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Alternativ zu den in 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ist es auch möglich, das Kugelgelenksgegenstück 52 direkt in das Stangenende 42 des Pumpenkolbens 16 zu integrieren, beispielsweise indem es direkt an dem Pumpenkolben 16 angeformt ist.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform des Federtellers 32, bei der der Federteller 32 aus einem Blechteil im Tiefziehverfahren hergestellt worden ist. Dies ist eine besonders kostengünstige Möglichkeit, den Federteller 32 herzustellen. Im Tiefziehverfahren wird dabei an dem U-Steg 48 des als U-Querschnitt 46 ausgebildeten Federtellers 32 eine Ausbuchtung 60 ausgebildet, die im zusammengesetzten Zustand des Kugelgelenks 42 von dem Kugelgelenksgegenstück 52 weg gerichtet angeordnet ist, und somit die Aufnahmefläche 44 zur Aufnahme der Eingreiffläche 54 des Kugelgelenksgegenstücks 52 ausbildet.
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In allen Ausführungsformen ist es günstig, wenn zumindest eine der Flächen 44, 54, aber auch beide Flächen 44, 54 eine Gleitschicht 62 aufweisen, die beispielsweise als aufgespritzte PTFE-Schicht 64, aber auch als PEEK-Schicht, ausgebildet sein kann. Eine solche Gleitschicht 62 ist beispielhaft in 5 an der Aufnahmefläche 44 gezeigt, die Gleitschicht 62 kann jedoch auch in den Ausführungsformen gemäß 3 oder 4 vorgesehen sein.
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Zusammengefasst wird daher vorgeschlagen, statt der bisher verwendeten Ventilkeile 38 ein Kugelgelenk 42 zur Verbindung des Stangenendes 24 des Pumpenkolbens 16 mit dem Federteller 32 zu verwenden. Dabei stellt der Federteller 32 einen Teil des Kugelgelenkes 42, und das Kugelgelenksgegenstück 52 das andere Teil des Kugelgelenkes 42 dar. Das Kugelgelenksgegenstück 52 ist entweder eine eigene Komponente, welche mit dem Pumpenkolben 16 durch beispielsweise Schrauben, Pressen, Kleben und/oder Crimpen fest verbunden ist, oder es kann auch in dem Pumpenkolben 16 integriert sein, beispielsweise in Form eines angeformten Stangenendes 24.
