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Die Erfindung betrifft einen Pumpenkolben für eine Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe sowie eine Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe, die einen solchen Pumpenkolben aufweist.
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Kolben-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 250 bar bis 400 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 2000 bar 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, weist die Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe einen Pumpenkolben auf, der von einer Antriebswelle angetrieben wird. Der Pumpenkolben bewegt sich translatorisch hin und her und verdichtet einen in einem Druckraum angeordneten Kraftstoff. Es ist auch bekannt, dass über mehrere sich auf- und abwärts bewegende Pumpenkolben Medium in Form von Kraftstoff beispielsweise in einen Kraftstoffspeicher wie das sogenannte Rail gefördert werden kann.
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Der Pumpenkolben hat dabei mehrere Funktionen.
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Über den Durchmesser eines Druckerzeugungsabschnittes des Pumpenkolbens, der eine Schnittstelle zu dem Druckraum und somit den oberen Teil des Pumpenkolbens bildet, und den Hub des Pumpenkolbens, ergibt sich das theoretische Hubvolumen der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe. Über den Durchmesser selbst und den Druck in dem Druckraum bzw. noch weitere Kräfte, wie beispielsweise die einer vorgespannten Kolbenrückholfeder, ergibt sich eine maximale Belastung auf einen Antriebsbereich, der den Pumpenkolben in seiner translatorischen Bewegung antreibt, beispielsweise die Antriebswelle, zum Beispiel eine Nockenwelle, und einen zwischengeschalteten Stößel.
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Ein Antriebsabschnitt des Pumpenkolbens, der im Wesentlichen durch einen unteren Teil des Pumpenkolbens gebildet ist, bildet eine Schnittstelle zu dem Antriebsbereich, in dem sich beispielsweise die Antriebswelle befindet.
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Ein oberes Ende des Pumpenkolbens, das heißt insbesondere der Druckerzeugungsabschnitt, wird vorteilhaft so ausgelegt, dass die unterschiedlichen Anforderungen, zum Beispiel hinsichtlich maximal zulässiger Belastung auf den Stößel, oder hinsichtlich des Hubvolumens der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe, etc. erfüllt werden. Unter anderem werden dabei vorteilhaft folgende Bedingungen erfüllt:
- – ein definierter Druckaufbau beim Start der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe, wobei der Druck innerhalb vorgegebener Grenzen liegt;
- – ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe über eine Drehzahl der Antriebswelle;
- – ein effizienter Quotient aus Fördermenge der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe und Systemverbrauch.
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Bei niedrigen Drehzahlen der Antriebswelle ist aufgrund der längeren Zeit pro Hub eine geringere Effizienz zu erwarten, da eine Kolbenleckage, das heißt eine Leckage von Kraftstoff zwischen dem Pumpenkolben und einer Führungsbohrungswand, in der der Pumpenkolben geführt ist, prozentual höher ist als bei hohen Drehzahlen der Antriebswelle. Bei hohen Drehzahlen ist das Fördervolumen in der Regel erheblich größer als der Systemverbrauch und somit der maximale Hub des Pumpenkolbens gar nicht erforderlich. Die Kolbenleckage ist beim Start besonders hoch, da hier ausschließlich im Bereich der niedrigsten Drehzahlen gearbeitet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch Verwendung eines Pumpenkolbens mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Eine Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe, die den Pumpenkolben aufweist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Pumpenkolben für eine Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem ist zumindest bereichsweise als Hohlkolben ausgebildet, wobei eine Kolbenwand zum Trennen eines Hohlraumes des Hohlkolbens von einer Umgebung aus einem ersten Material gebildet ist, wobei der Hohlraum mit einem zweiten Material gefüllt ist. Das zweite Material ist ein Festkörpermaterial und weist einen kleineren E-Modul auf als das erste Material. Alternativ ist das zweite Material ein Fluid, wobei ein Fluiddruck des Fluides höher ist als ein Atmosphärendruck, der in der Umgebung des Pumpenkolbens wirkt, wenn die Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe nicht im Betrieb ist.
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Durch beide alternative Ausführungsformen des Pumpenkolbens ist es möglich, den Leckagestrom während einer Druckaufbauphase der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, zu minimieren und speziell bei hohen Drehzahlen auf einem hohen Niveau zu halten. Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Pumpenkolben als mehrteiliger Pumpenkolben ausgebildet, und weist einen Hohlraum auf, der im Inneren so ausgebildet ist, dass die Steifigkeit des Pumpenkolbens so reguliert wird, dass bei niedrigen Drücken eine geringe Spaltleckage und ein geringes Kolbenspiel und bei hohen Drücken, die von außen wirken, eine deutlich höhere Spaltleckage und ein höheres Kolbenspiel eingestellt werden kann.
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Dies ist daher möglich, weil in dem Inneren des Pumpenkolbens ein Festkörpermaterial angeordnet ist, das einen kleineren E-Modul aufweist als ein Hülsenmaterial, das die Kolbenwand bildet.
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Alternativ kann jedoch auch ein Fluid, nämlich beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit, im Hohlraum vorgesehen sein, wobei das Fluid mit Druck beaufschlagt ist, sodass im Inneren des Pumpenkolbens ein deutlich höherer Druck herrscht als in einer Umgebung. Insbesondere sollte der Druck im Inneren des Hohlraumes höher sein als der übliche Atmosphärendruck.
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Durch beide Ausführungsformen ist es möglich, einen Außendurchmesser des Pumpenkolbens einzustellen, der bei niedrigen Drücken, die auf den Pumpenkolben von außen wirken, größer ist als bei hohen Drücken.
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Denn die radiale Schrumpfung bzw. Ausdehnung des Durchmessers des Pumpenkolbens verhält sich ähnlich wie bei einem Druckbehälter, sodass sich bei Füllungen mit einem Werkstoff mit einem niedrigeren E-Modul eine spaltdruckabhängige Schrumpfung bzw. Ausdehnung ergibt.
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Dabei ergibt sich der Durchmesser des Pumpenkolbens bei geringen Drücken durch den Innendruck der Kolbenfüllung, weil ein Spaltdruck in einem Leckagespalt sehr gering oder sogar Null ist. Ein Wachstum des Kolbendurchmessers durch einen Axialdruck ist vernachlässigbar. Dadurch ergibt sich ein geringeres Spaltmaß in der Kolbenführung und der Leckagestrom wird reduziert, was eine Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades zur Folge hat.
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Bei hohen Drücken fällt das Wachstum des Kolbendurchmessers durch den axialen Druck entsprechend eines gestauchten Druckstabes kleiner aus als die radiale Schrumpfung des Durchmessers des Pumpenkolbens durch den radialen Spaltdruck in dem Leckagespalt. Dadurch ergibt sich ein höheres Spaltmaß in einer Kolbenführung, und der Leckagestrom wächst.
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Vorzugsweise weist die Kolbenwand einen parallel zu einer Längsachse des Pumpenkolbens angeordneten ersten Wandabschnitt und einen senkrecht zu der Längsachse angeordneten zweiten Wandabschnitt auf, wobei eine Wanddicke des ersten Wandabschnittes kleiner ist als eine Wanddicke des zweiten Wandabschnittes.
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Dadurch kann erzielt werden, dass sich bei Beaufschlagung des Pumpenkolbens mit einem Druck der erste Wandabschnitt deutlich stärker verformt als der zweite Wandabschnitt, wodurch eine Vergrößerung eines Leckagespalts erreicht werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Wandabschnitt bezüglich der Längsachse konvex ausgebildet, wobei der zweite Wandabschnitt eben ausgebildet ist.
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Bei einer konvexen Ausführung des Pumpenkolbens, die beispielsweise durch die Geometrie der Kolbenwand in dem ersten Wandabschnitt, aber auch durch eine Druckerhöhung der Füllung des Hohlraumes erzeugt werden kann, kann der Leckagespalt abhängig vom Druck beeinflusst werden. Denn bei geringen Drücken reduziert sich der Leckagespalt, während mit steigenden Drücken der erste Wandabschnitt stärker komprimiert wird, sodass sich der Leckagespalt vergrößert.
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Vorzugsweise weist der Pumpenkolben entlang seiner Längsachse einen Druckerzeugungsabschnitt zum Kontaktieren eines Kraftstoffes zum Beaufschlagen des Kraftstoffes mit Hochdruck, und einen sich an den Druckerzeugungsabschnitt anschließenden Antriebsabschnitt zum Aufnehmen von Antriebskräften von einer Antriebswelle auf, wobei der Pumpenkolben in dem Druckerzeugungsabschnitt als Hohlkolben und in dem Antriebsabschnitt als Vollkolben ausgebildet ist.
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Dadurch ist es möglich, dass der Pumpenkoben in dem Bereich, in dem er mit Druck, der von der Druckerzeugungskraft des Kraftstoffes herrührt, beaufschlagt wird, verformbar ist, sodass sich ein Leckagespalt anforderungsgemäß einstellen lässt, während gleichzeitig der Bereich, der die Kräfte von einem Antriebsbereich aufnimmt, diese Kräfte ohne Verformung stabil und somit verlustfrei weitergeben kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist der zweite Wandabschnitt entlang der Längsachse gegenüberliegend zu dem Antriebsabschnitt an einem oberen Ende des Pumpenkolbens ausgebildet, wobei der zweite Wandabschnitt insbesondere als ein getrennt von dem ersten Wandabschnitt ausgebildeter Stopfen zum Verschließen des Hohlraumes ausgebildet ist.
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Es ist besonders einfach, die beiden Wandabschnitte mit unterschiedlichen Wandstärken auszubilden, wenn sie als getrennt ausgebildete Einzelbereiche hergestellt werden, und dann beispielsweise durch Einfügen des Stopfens als zweitem Wandabschnitt zusammengefügt werden.
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Dadurch kann auch besonders einfach der Pumpenkolben in den verschiedenen Bereichen aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden.
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So kann beispielsweise der Antriebsabschnitt aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden als der Druckerzeugungsabschnitt, und es ist auch möglich, den ersten Wandabschnitt aus einem anderen Material zu fertigen als den zweiten Wandabschnitt. Je nach Anforderungen können daher für Bereiche, die höheren Belastungen ausgesetzt sind, stabilere Materialien verwendet werden als in den Bereichen, die verformt werden sollen, wie beispielsweise der zweite Wandabschnitt der Kolbenwand.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist der erste Wandabschnitt des Druckerzeugungsabschnittes auf den Antriebsabschnitt aufgesteckt und dichtend mit diesem verbunden. Die dichtende Verbindung kann dabei beispielsweise mittels Schweißen, Löten, Pressen, Kleben, Schrauben, usw. erzeugt werden. Zusätzlich kann hier optional noch eine zusätzliche Dichtung integriert sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der erste Wandabschnitt des Druckerzeugungsabschnitts einstückig mit dem Antriebsabschnitt ausgebildet. In dieser Variante kann auf eine dichtende Verbindung zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem Antriebsabschnitt verzichtet werden, was einen Fertigungsschritt weniger in der Montage des Pumpenkolbens bedeutet, und somit zu einer Kostenersparnis führen kann.
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Weiter ist es möglich, dass die Geometrien, insbesondere im Querschnitt senkrecht zu der Längsachse des Pumpenkolbens, im Bereich des Antriebsabschnittes und im Bereich des Druckerzeugungsabschnittes sich unterscheiden. Insbesondere kann dabei der Druckerzeugungsabschnitt einen größeren Durchmesser aufweisen als der Antriebsabschnitt. Es ist auch möglich, insgesamt eine unterschiedliche Geometrie im Querschnitt zu verwenden. Normalerweise sind sowohl Antriebsabschnitt als auch Druckerzeugungsabschnitt im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, es ist jedoch auch möglich, andere geometrische Formen im Querschnitt für die beiden Bereiche zu wählen.
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Eine Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem weist ein Pumpengehäuse mit einer Führungsbohrung und einen oben beschriebenen Pumpenkolben auf, der in der Führungsbohrung zumindest teilweise aufgenommen ist. Der Pumpenkolben begrenzt einen Druckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe und ist in der Führungsbohrung entlang seiner Längsachse zum Verdichten eines in dem Druckraum angeordneten Kraftstoffes beweglich angeordnet. Zwischen einer Führungsbohrungswand und dem Pumpenkolben ist ein Leckagespalt ausgebildet, wobei der Pumpenkolben derart ausgebildet ist, dass der Leckagespalt bei einem in dem Druckraum wirkenden Atmosphärendruck kleiner ist als bei einem in dem Druckraum durch eine Bewegung des Pumpenkolbens erzeugten Hochdruck.
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Dadurch kann ein schnellerer Druckaufbau beim Start der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe erreicht werden, weil weniger Kraftstoff durch den Leckagespalt verloren geht. Gleichzeitig erhöht sich der volumetrische Wirkungsgrad der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe und der Quotient aus Fördermenge und Systemverbrauch wird deutlich verbessert im Vergleich zu Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpen, die einen konstanten Leckagespalt zwischen Pumpenkolben und Führungsbohrungswand aufweisen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem in einer Führungsbohrung aufgenommenen Pumpenkolben;
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2 eine vergrößerte Darstellung der Führungsbohrung und des Pumpenkolbens aus 1, wobei zwischen den beiden Elementen ein Leckagespalt ausgebildet ist;
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3 eine Längsschnittdarstellung des Pumpenkolbens aus 1 und 2 in einer ersten Ausführungsform;
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4 eine Längsschnittdarstellung des Pumpenkolbens aus 1 und 2 in einer zweiten Ausführungsform;
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5 eine Längsschnittdarstellung des Pumpenkolbens aus 1 und 2 in einer dritten Ausführungsform; und
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6 eine Längsschnittdarstellung des Pumpenkolbens aus 1 und 2 in einer vierten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10. Die Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 12 auf, in dem eine Führungsbohrung 14 eingebracht ist, in welcher ein Pumpenkolben 16 entlang einer Längsachse 18 beweglich geführt ist.
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Die Führungsbohrung 14 definiert gemeinsam mit dem Pumpenkolben 16 einen Druckraum 20, in den aus einem Niederdruckbereich 22 Kraftstoff eingebracht wird. Der Pumpenkolben 16 bewegt sich im Betrieb entlang der Längsachse 18 auf- und ab und verändert dabei das Volumen des Druckraumes 20, sodass Kraftstoff, der sich in diesem Druckraum 20 befindet, verdichtet und somit mit Hochdruck beaufschlagt wird. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff wird dann in einen Hochdruckbereich 24 der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ausgelassen.
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In dem Bereich, in dem der Pumpenkolben 16 in Kontakt ist mit dem Kraftstoff, um diesen zu verdichten, bildet der Pumpenkolben 16 einen Druckerzeugungsabschnitt 26 aus. Entlang der Längsachse 18 gegenüberliegend zu dem Druckerzeugungsabschnitt 26 bildet der Pumpenkolben 16 einen Antriebsabschnitt 28 aus, der eine Schnittstelle zu einem Antriebsbereich 30 der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 bildet. In diesem Antriebsbereich 30 ist eine Antriebswelle 32 angeordnet, welche direkt oder indirekt über einen Stößel (nicht gezeigt) in Kontakt mit dem Pumpenkolben 16 ist und diesen in seiner translatorischen Bewegung antreibt. Der Pumpenkolben 16 ist über eine Kolbenrückstellfeder 34, welche sich über einen Federteller 36 an dem Antriebsabschnitt 28 des Pumpenkolbens 16 abstützt, auf die Antriebswelle 32 vorgespannt, sodass der Pumpenkolben 16 in beständigem Kontakt mit der Antriebswelle 32 ist.
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Im Betrieb der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 bewegt sich der Pumpenkolben 16 in der Führungsbohrung 14 hin und her, wobei die Elemente durch einen Leckagestrom geschmiert werden, der von dem Druckraum 20 ausgeht, wobei Kraftstoff in Richtung auf den Antriebsabschnitt 28 des Pumpenkolbens 16 fließt. Hierzu ist, wie in 2 in einer schematischen vergrößerten Längsschnittdarstellung der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 im Bereich der Führungsbohrung 14 und des Pumpenkolbens 16 dargestellt ist, ein Leckagespalt 38 zwischen dem Pumpenkolben 16 und einer Führungsbohrungswand 40 der Führungsbohrung 14 vorgesehen.
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Im Betrieb der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 dreht sich die Antriebswelle 32 um ihre Drehachse und treibt dabei den Pumpenkolben 16 in seiner translatorischen Bewegung an. Zu einem Zeitintervall, zu dem dieser Betrieb startet, dreht sich die Antriebswelle 32 etwas langsamer als später, wenn die Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 im Normalbetrieb läuft. Bei diesen niedrigen Drehzahlen der Antriebswelle 32 ist aufgrund der längeren Zeit pro Hub eine geringere Effizienz der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zu erwarten, da die Kolben-Leckage durch den Leckagespalt 38 prozentual höher ist als bei hohen Drehzahlen. Denn bei hohen Drehzahlen ist das Fördervolumen durch den Druckraum 20 erheblich größer als der Systemverbrauch insgesamt.
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Das Fördervolumen ist das Hubvolumen der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe abzüglich des Leckagestroms, welcher primär durch Spaltleckage in dem Leckagespalt 38 entsteht. Diese Spaltleckage ist für die Kühlung und die Schmierung zwischen Pumpenkolben 16 und Führungsbohrungswand 40 erforderlich.
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Bei niedrigen Drehzahlen ergibt sich daher ein relativ großer Verlust durch den Leckagestrom. Eine Reduzierung des Leckagestroms über alle Drehzahlbereiche, beispielsweise durch den Einsatz einer zusätzlichen Dichtung zwischen dem Pumpenkolben 16 und der Führungsbohrungswand 40, eine sogenannte taktile Abdichtung, ist jedoch nicht gewünscht, weil der Leckagestrom speziell bei hohen Drehzahlen auch die Kühlfunktion sicherstellen sollte, und dies nicht möglich ist, wenn er stark reduziert wird. Deshalb verbleibt das Problem, dass bei niedrigen Drehzahlen der Leckagestrom sehr hoch ist.
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Der maximale Hub bei einem gegebenen Kolbendurchmesser des Pumpenkolbens 16 wird entweder durch den niedrigsten Quotienten aus Fördervolumen und Systemverbrauch oder durch das Startverhalten bestimmt. Dadurch ist die Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 bei hohen Drehzahlen häufig überdimensioniert.
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Um dem Verlust durch den großen Leckagestrom bei niedrigen Drehzahlen entgegenzuwirken, ist der Pumpenkolben 16 nun so ausgebildet, dass er seinen Durchmesser senkrecht zu der Längsachse 18 verändern kann, sodass der Leckagespalt 38 bei unterschiedlichen Drehzahlen unterschiedlich groß ist. Dabei weist der Pumpenkolben 16 einen größeren Durchmesser bei niedrigen Drehzahlen und somit bei einem geringeren in dem Druckraum 20 wirkenden Druck, und einen niedrigeren Durchmesser bei höheren Drehzahlen und somit bei einem hohen vom Druckraum 20 her wirkenden Druck auf. Das heißt, bei einem in dem Druckraum 20 wirkenden Atmosphärendruck – wenn die Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 nicht im Betrieb ist – ist der Leckagespalt 38 kleiner als bei einem Hochdruck, der in dem Druckraum 20 erzeugt wird, wenn sich der Pumpenkolben 16 in der Führungsbohrung 14 bewegt.
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Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Pumpenkolben 16, wie nachfolgend, anhand der verschiedenen Ausführungsformen in den 3 bis 6 gezeigt ist, nicht mehr, wie das bekannt ist, einteilig ausgebildet, sondern mehrteilig gebildet und besteht im Wesentlichen aus einem Schaft, der den Antriebsabschnitt 28 bildet und einer Hülse, die den Druckerzeugungsabschnitt 26 bildet. Der Schaft bildet dabei die Schnittstelle zu den anderen Komponenten der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 wie beispielsweise einer Dichtung, einem Federteller 36, einer Schnittstelle zu einem eventuell vorhandenen Rollenstößel usw. Der Druckerzeugungsabschnitt 26 dagegen ist der Bereich, der in dem Pumpengehäuse 12 bzw. in einer speziell vorgesehenen Hülse, die in dem Pumpengehäuse 12 angeordnet ist, die Führungsbohrung 14 bildet, wo der Pumpenkolben 16 geführt wird und durch die axiale Bewegung während des Betriebs des Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 den Kraftstoff in dem Druckraum 20 komprimiert. Es können hier verschiedene Durchmesser des Druckerzeugungsabschnittes 26 vorgesehen sein, um somit das Hubvolumen, die Belastung auf einen eventuell vorgesehenen Rollenstößel usw. zu steuern.
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Der hier vorgeschlagene Pumpenkolben 16 ist in allen gezeigten Ausführungsformen bereichsweise als Hohlkolben 42 ausgebildet. Die Merkmale der unterschiedlichen im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.
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Vorteilhaft ist der Antriebsabschnitt 28 als Vollkolben 43 ausgebildet. Der Pumpenkolben 16 weist eine Kolbenwand 44 auf, die einen Hohlraum 46 von einer Umgebung 48 des Pumpenkolbens 16 trennt. Die Kolbenwand 44 hat dabei einen ersten Wandabschnitt 50, der sich parallel zu der Längsachse 18 erstreckt und einen zweiten Wandabschnitt 52, der senkrecht zu der Längsachse 18 angeordnet ist, wobei die Kolbenwand 44 aus einem ersten Material 54 ausgebildet ist.
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Der Hohlraum 46 ist nicht vollkommen leer, sondern ist mit einem zweiten Material 56 gefüllt.
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Um das oben genannten Ziel zu erreichen, dass sich der Durchmesser des Pumpenkolbens 16 in dem Druckerzeugungsabschnitt 26 je nach Druckbeaufschlagung verändert, weist das zweite Material 56, wenn es ein Festkörpermaterial ist, einen kleineren E-Modul auf als das erste Material 54.
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Ist der Hohlraum 46 jedoch mit einem Fluid, beispielsweise einem Gas oder einer Flüssigkeit, gefüllt, wird dieses zweite Material 56 so eingebracht, dass der Fluiddruck höher ist als der Atmosphärendruck in der Umgebung 48 des Pumpenkolbens 16, wenn dieser nicht arbeitet.
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Dadurch wird erreicht, dass der Durchmesser des Pumpenkolbens 16 senkrecht zur Längsachse 18 für niedrige auf den Pumpenkolben 16 wirkende Drücke größer ist als für hohe auf den Pumpenkolben 16 wirkende Drücke, das heißt im Betrieb der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10.
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Dadurch kann erzielt werden, dass der Leckagespalt 38 bei niedrigeren Drücken kleiner ist als bei hohen Drücken, wodurch im Start der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ein geringerer Verlust auftritt.
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Die oben beschriebene Ausführungsform des Pumpenkolbens 16 ist beispielsweise in der Längsschnittdarstellung in 3 gezeigt.
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4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform in einer schematischen Längsschnittdarstellung des Pumpenkolbens 16, wobei zu sehen ist, dass der erste Wandabschnitt 50 bezüglich der Längsachse 18 konvex ausgebildet ist. Der zweite Wandabschnitt 52 ist dagegen eben ausgebildet. Dies kann durch Geometrie und Werkstoff des Materials, das die Kolbenwand 44 bildet, aber auch über die Beschaffenheit und den Druck der Füllung in dem Hohlraum 46 erzielt werden, sodass nach der Befüllung und der Montage die Kolbenwand 44 in dem ersten Wandabschnitt 50 konvex ist.
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5 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine dritte Ausführungsform des Pumpenkolbens 16, wobei zu sehen ist, dass der zweite Wandabschnitt 52 getrennt von dem ersten Wandabschnitt 50 gebildet ist, und insbesondere als Stopfen 58 ausgebildet ist, der zum Verschließen des Hohlraumes 46 von oben aufgesteckt wird.
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In den ersten drei gezeigten Ausführungsformen in 3 bis 5 ist der erste Wandabschnitt 50 auf dem Antriebsabschnitt 28 aufgesteckt angeordnet, und mit diesem fest verbunden. Der Pumpenkolben 16 ist also mehrteilig und besteht im Wesentlichen aus einem Schaft, der den Antriebsabschnitt 28 bildet, und einer Hülse, die den Druckerzeugungsabschnitt 26 bildet. Die Montage dieser beiden Komponenten erfolgt dabei vorzugsweise über eine dichte Verbindung wie beispielsweise Schweißen, Löten, Pressen, Kleben oder Schrauben. Es ist möglich, hier optional eine zusätzliche Dichtung zu integrieren.
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Abhängig von den Anforderungen an den Pumpenkolben 16 können dabei für den Antriebsabschnitt 28 und den Druckerzeugungsabschnitt 26 unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden. Im Falle, dass ein externer Stopfen 58 verwendet wird, kann auch dieser einen unterschiedlichen Werkstoff aufweisen. Die Beschaffenheit der Füllung in dem Hohlraum 46 und der entsprechende Druck können ebenfalls abhängig von den Anforderungen variiert werden.
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Auch die Geometrie von Antriebsabschnitt 28 und Druckerzeugungsabschnitt 26 können sich unterscheiden. Beispielsweise ist in den gezeigten Ausführungsformen der Durchmesser des Druckerzeugungsabschnittes 26 senkrecht zu der Längsachse 16 überall größer als bei dem Antriebsabschnitt 28. Im Wesentlichen ist der Pumpenkolben 16 sowohl in dem Druckerzeugungsabschnitt 26 als auch in dem Antriebsabschnitt 28 zylindrisch ausgeführt, es sind jedoch für beide Abschnitte auch verschiedene Geometrieformen denkbar.
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6 zeigt eine vierte alternative Ausführungsform des Pumpenkolbens 16 in einer schematischen Längsschnittdarstellung. Hier ist zu sehen, dass der erste Wandabschnitt 50 einstückig mit dem Antriebsabschnitt 28 ausgebildet ist, und der Hohlraum 46 lediglich durch Einbringen des Stopfens 58 verschlossen wird.
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Der in den 3 bis 6 gezeigte Pumpenkolben 16 hat dabei die folgenden Vorteile:
Aufgrund des Hohlraumes 46 zwischen der Kolbenwand 44 und dem Antriebsabschnitt 28, der als Vollkolben 43 gebildet ist, kann das Gesamt-Gewicht des Pumpenkolbens 16 deutlich reduziert werden, wodurch eine geringere bewegte Masse auch eine geringere Belastung des Antriebsbereiches 30 insgesamt bewirkt.
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Bei einer vorteilhaften konvexen Ausführung des Pumpenkolbens 16, wobei die Konvexität durch die Geometrie der Kolbenwand 44 und/oder die Füllung erzeugt werden kann, kann der Leckagespalt 38 zwischen Pumpenkolben 16 und Führungsbohrungswand 40 abhängig vom wirkenden Druck beeinflusst werden.
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Dabei reduziert sich der Leckagespalt 38 bei geringen Drücken in dem Druckraum 20, wodurch der Wirkungsgrad der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10, insbesondere in besonders kritischen Betriebspunkten wie beim Start, steigt, und dadurch das erforderliche effektive Fördervolumen mit einem geringeren Hub bereitgestellt werden kann. Dadurch können kinematische Belastungen reduziert und damit insgesamt die Robustheit der Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 gesteigert werden. Weiter führt dies zu einer Reduzierung der Federkräfte der Kolbenrückstellfeder 34, da durch den geringeren Hub geringere Beschleunigungen auftreten. Weiter kann der Bauraum insgesamt reduziert werden, was mit einer Kostenersparnis einhergeht.
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Alternativ ist es auch möglich, insgesamt den Durchmesser des Pumpenkolbens 16 zu reduzieren, wodurch die Axiallasten, die auf den Antriebsbereich 30 wirken, reduziert werden können. Es ist möglich, damit leichtere Stößel zu verwenden, welche nur für eine reduzierte Axiallast geeignet sind, was wiederum ebenfalls zu einer weiteren Reduzierung der dynamischen Belastung des Antriebsbereiches 30 führt. Bei gleichem Bauraum für die Kolbenrückstellfeder 34 können damit auch Anordnungen realisiert werden, für die bislang aufgrund der hohen dynamischen Belastung durch schwere verwendete Stößel keine geeignete Kolbenrückstellfeder 34 gefunden werden konnte.
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Alternativ ist es auch möglich, höhere Fördervolumina zu erzielen, wodurch die gleiche Kolben-Kraftstoffhochdruckpumpe 10 für eine breitere Palette an Kraftstoffeinspritzsystemen verwendet werden kann.
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Mit steigenden Drücken in dem Druckraum 20 wird die Kolbenwand 44 axial stärker komprimiert, sodass sich der Leckagespalt 38 vergrößert.
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Dies hat den Vorteil, dass dadurch auch eine bessere Dämpfung von Druckpulsationen erreicht werden kann.
