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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Kraftstoff-Hochdruckpumpe umfassen regelmäßig ein Pumpengehäuse mit einem daran befestigten Befestigungsflansch. Dieser weist einen Befestigungsabschnitt auf, an dem in Einbaulage ein Befestigungselement zur Befestigung an einem Haltekörper angreift. Konstruktionsbedingt ist die Verbindung zwischen Flansch und Gehäuse starken mechanischen Belastungen in Folge von Druckkräften, Vibrationen und – insbesondere wenn es sich bei dem Befestigungselement um eine Schraube handelt – Klemmkräften ausgesetzt. Bei dem Haltekörper kann es sich beispielweise um einen Nockenwellenkasten, einen Zylinderkopf oder ein anderes Gehäuse handeln. Bei dem Befestigungselement kann es sich, wie angedeutet, insbesondere um eine Schraube handeln. Die Verschraubung muss dabei den Festsitz der Pumpe und somit eine dauersichere Funktion der Pumpe sicherstellen. Dabei muss eine Überlastung der Verschraubung oder gar ein Versagen vermieden werden. Da mit zunehmender Steigerung der Betriebsdrücke von Hochdruckpumpen auch die Reaktionskräfte der Druckerzeugung steigen, nehmen auch die Anforderungen an die Verschraubung zu. Gleichzeitig ist der verfügbare Bauraum für die Verschraubung zunehmend geringer.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass durch den Abstand zwischen dem Haltekörper und dem Befestigungsabschnitt des Befestigungsflansches in Einbaulage die Hochdruckpumpe unter Vorspannung gegen den Haltekörper niedergehalten wird. Dadurch kann eine stabile Verbindung zwischen Hochdruckpumpe und Haltekörper bereitgestellt werden, die insbesondere auch auftretenden Belastungen durch Vibrationen, Temperaturschwankungen und Temperaturgradienten, sowie wirkenden Reaktionskräften aufgrund der Druckerzeugung in der Hochdruckpumpe über einen langen Zeitraum standhalten kann. Insbesondere dann, wenn das Befestigungselement als Schraube bzw. Schraubbolzen ausgebildet ist, kann durch diese Maßnahme zudem verhindert werden, dass sich das Befestigungselement durch Setzvorgänge lockert. Darüber hinaus ermöglicht die vorgeschlagene Befestigungsgestaltung, materialsparende und damit vergleichsweise günstige, begrenzt elastische Flanschkonstruktionen aus beispielsweise umgeformten Blechen einzusetzen.
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In einer Ausgestaltung der Hochdruckpumpe umfasst der Abstandsabschnitt einen radial abragenden Bund an einem Gehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe. Dies gestattet eine einfache und kostengünstige Herstellung.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Hochdruckpumpe weist das Befestigungsmittel eine erste Angreiffläche auf. Ferner weist der Befestigungsflansch am Befestigungsabschnitt eine zweite Angreiffläche auf. Dabei werden in Einbaulage die erste Angreiffläche und die zweite Angreiffläche gegeneinander gedrückt, wobei die erste Angreiffläche und die zweite Angreiffläche zueinander derart komplementär geformt sind, dass bei in Einbaulage in eine Schrägstellung verlagertem Befestigungsabschnitt das Befestigungsmittel einer im Wesentlichen reinen Zugbelastung ausgesetzt ist. In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass der Befestigungsabschnitt aus einer ersten Stellung in Voreinbaulage, also wenn die Hochdruckpumpe am Haltekörper angelegt, aber noch nicht mittels eines Befestigungsmittels daran befestigt ist, vorzugsweise zumindest zum Teil elastisch in eine dazu schräge zweite Stellung in Einbaulage überführt ist, also wenn die Hochdruckpumpe am Haltekörper mittels des Befestigungsmittels befestigt ist. Dabei ist insbesondere denkbar, dass der Befestigungsflansch einen den radial abragenden Bund des Gehäuses in radialer Richtung überragenden Flanschbereich mit dem Befestigungsabschnitt aufweist. Der Flanschbereich ist hierbei in der Voreinbaulage vom Haltekörper beabstandet. In Einbaulage kann der Flanschbereich um den Randbereich des Bundes gebogen sein, so dass der Flanschbereich und damit auch der Befestigungsabschnitt in eine Schrägstellung überführt sind. Dabei kann der Flanschbereich in Einbaulage mit dem freien Ende am Haltekörper in Anlage kommen. Dennoch ist das Befestigungsmittel aufgrund der Ausgestaltung der ersten und zweiten Angreifflächen zueinander im Wesentlichen einer reinen Zugbelastung ausgesetzt. Die Lebensdauer des Befestigungsmittels wird erhöht, da keine oder nahezu keine Biegemomente wirken, sondern ausschließlich oder nahezu ausschließlich eine Zugbelastung. Ferner kann Material für das Befestigungsmittel eingespart werden, da ein vergleichsweise klein bauendes Befestigungsmittel verwendet werden kann. So kann nämlich ein kleineres und damit insbesondere schwächeres Befestgungsmittel verwendet werden, im Vergleich zur Auslegung des Befestigungsmittels, wenn zur erwarten ist, dass Biegemomente auf dieses wirken.
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Dabei können die erste Angreiffläche und die zweite Angreiffläche flächig oder kugelig oder konisch ausgebildet sind. Insbesondere eine kugelige Ausgestaltung hat sich als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch eine nahezu reine Zugbelastung des Befestigungsmittels in unterschiedlichen Schrägstellungen des Befestigungsabschnitts ermöglicht ist.
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Denkbar ist weiterhin, dass das Befestigungsmittel eine Unterlegscheibe umfasst und die erste Angreiffläche an der Unterlegscheibe ausgebildet ist. Somit kann mittels der Unterlegscheibe gewährleistet werden, dass das Befestigungsmittel einer im Wesentlichen reinen Belastung ausgesetzt ist. Insbesondere können herkömmliche Befestigungsmittel, wie insbesondere Schrauben verwendet werden, ohne dass besondere Anpassungen zur Realisierung der vorliegenden Erfindung getätig werden müssten.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Befestigungsabschnitt des Befestigungsflansches eine Aussparung oder einen Vorsprung aufweist, wobei die Aussparung oder der Vorsprung die zweite Angreiffläche umfasst. Damit wird eine besonders einfach aufgebaute Hochdruckpumpe bereitgestellt. Insbesondere können auch hier herkömmliche Befestigungsmittel, wie insbesondere Schrauben verwendet werden, ohne dass besondere Anpassungen zur Realisierung der vorliegenden Erfindung getätig werden müssten.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass die Aussparung durch Umformung oder Zerspanung in den Befestigungsabschnitt eingebracht ist. Die Aussparung kann damit auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise in den Befestigungsabschnitt eingebracht werden.
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Vorgeschlagen wir zudem, dass das Befestigungselement als Schraube mit einem Schraubenkopf und einem Schraubenschaft ausgebildet ist, und dass die zweite Angreiffläche als Schraubenkopfauflage derart ausgebildet ist, dass die Unterseite des Schraubenkopfs in Einbaulage orthogonal zur durch den Schraubenschaft verlaufenden Schraubenachse ist. Somit wirken reine oder nahezu reine Zugkräfte auf die Schraube. Dadurch kann eine vergleichsweise klein bauende Schraube verwendet werden.
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Dabei ist vorstellbar, dass die Unterseite des Schraubenkopfs in Einbaulage planparallel zur Oberseite des Haltekörpers ist. Dadurch kann eine besonders einfache und stabile Verbindung zwischen Hochdruckpumpe und Haltekörper bereitgestellt werden.
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Alternativ könnte anstelle einer Schraube, die in eine Gewindeöffnung in den Haltekörper eingeschraubt wird, von dem Haltekörper auch ein Gewindebolzen abragen, auf den als Befestigungsmittel eine Schraubenmutter aufgeschraubt wird. Der Stehbolzen ist derart ausgebildet, dass die Längsachse des Stehbolzens in Einbaulage orthogonal zur Unterseite der Mutter verläuft.
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In einer andere Ausgestaltung ist denkbar, dass ein haltekörperseitiges Schraubengewinde für die Schraube vorgesehen ist, wobei das Schraubengewinde derart ausgebildet ist, dass die Längsachse des Schraubengewindes in Einbaulage orthogonal zur Unterseite des Schraubenkopfs verläuft. Somit kann auf das Einbringen einer Aussparung oder eines Vorsprung am Befestigungsabschnitt verzichtet werden. Auch auf die Verwendung einer Unterlegscheibe kann verzichtet werden.
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Vorgesehen sein kann schließlich, dass die Unterseite des Schraubenkopfs in Einbaulage einen maximalen Winkel zwischen +/–1°, vorzugsweise zwischen +/–0,5°, mit der Orthogonalen zur Schraubenachse einschließt. Somit wird eine gewisse Flexibilität ermöglicht. Dennoch wirkt eine nahezu reine Zugbelastung auf das Befestigungsmittel.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 Einen Längsschnitt durch eine an einen Haltekörper angelegte Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse und einem Befestigungsflansch in Voreinbaulage;
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2 eine schematische Darstellung der am Haltekörper befestigten Hochdruckpumpe gemäß 1 in Einbaulage und gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung durch einen Bereich der 2; und
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4 eine Darstellung entsprechend 2 gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsform.
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Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in den nachfolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
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In 1 trägt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 weist ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Pumpengehäuse 12 auf, in oder an dem die wesentlichen Komponenten der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 ein Einlass-/Mengensteuerventil 14, einen in einem Förderraum 16 angeordneten, durch eine nicht gezeigte Antriebswelle in eine Hin- und Herbewegung versetzbaren Förderkolben 18, ein Auslassventil 20 und ein Druckbegrenzungsventil 22 auf.
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In dem Gehäuse 12 ist ein erster Kanal 24 vorhanden, der sich koaxial zum Förderraum 16 und zum Förderkolben 18 erstreckt und der vom Förderraum 16 zu einem zweiten Kanal 26 führt, der in einem Winkel von 90° zum ersten Kanal 24 angeordnet ist und in dem das Druckbegrenzungsventil 22 aufgenommen ist. Eine Längsachse des Pumpengehäuses 12 trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 28. In 1 oben ist in dem Pumpengehäuse 12 ein Druckdämpfer 30 angeordnet.
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Im Betrieb wird vom Förderkolben 18 bei einem Saughub Kraftstoff über das Einlass- und Mengensteuerventil 14 in den Förderraum 16 angesaugt. Bei einem Förderhub wird der im Förderraum 16 befindliche Kraftstoff verdichtet und über das Auslassventil 20 beispielsweise in einen Hochdruckbereich (ohne Bezugszeichen), beispielsweise zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen, wo der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Die Kraftstoffmenge, die bei einem Förderhub ausgestoßen wird, wird dabei durch das elektromagnetisch betätigte Einlass- und Mengensteuerventil 14 eingestellt. Bei einem unzulässigen Überdruck im Hochdruckbereich öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den Förderraum 16 strömen kann.
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Im unteren, dem Haltekörper 38 zugewandten Bereich 32 weist das Pumpengehäuse 12 eine kreisförmige Außenkontur auf. In diesem unteren Bereich 32 ist auch ein Zentrierabschnitt 34 ausgebildet, der in eine Aufnahmeöffnung 36 eines Haltekörpers 38, der vorliegend als nur schematisch dargestellter Zylinderkopf ausgebildet ist, eingeführt werden kann. Bei der Hochdruckpumpe handelt es sich folglich um eine "Steckpumpe".
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Am unteren Bereich 32 des Pumpengehäuses 12 ist zudem ein umlaufender und ringförmiger Befestigungsflansch 40 befestigt. Gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel ist der Befestigungsflansch 40 am Pumpengehäuse 12 durch eine Verschweißung 42 befestigt. Denkbar wären allerdings auch andere bekannte Befestigungsmöglichkeiten. Ferner ist der Befestigungsflansch 40 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Blechformteil aus Edelstahl durch Stanzen hergestellt.
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In der in 1 dargestellten Voreinbaulage ist der vom Pumpengehäuse 12 orthogonal zur Längsachse 28 in radialer Richtung abragende Flanschbereich 44 des Befestigungsflansches 40 vom Haltekörper 38 um den Abstand d beabstandet. Dies deswegen, da der radial innen liegende Bereich des Flanschbereichs 44 auf einem ebenfalls in radialer Richtung orthogonal zur Längsachse 28 abragenden Ringbund 46 des Pumpengehäuses 12 aufliegt und somit der Befestigungsflansch um die Hocherstreckung d des Bundes 46 in Richtung der Längsachse 28 vom Haltekörper 38 beabstandet ist. Der Ringbund 46 ist folglich als Abstandsabschnitt ausgebildet. Zur Befestigung am Haltekörper 38 weist der Flanschbereich 44 des Befestigungsflanschs 40 einen Befestigungsabschnitt 48 auf, der eine sich in Richtung der Längsachse 28 erstreckende Durchgangsöffnung 50 aufweist.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, werden zur Befestigung der Hochdruckpumpe 10 am Haltekörper 38 Befestigungsmittel 52 durch die Durchgangsöffnungen 50 des Befestigungsflansches 40 hindurchgeführt und in dazu korrespondierenden Gewindebohrungen 54 im Haltekörper 38 verschraubt. Die Befestigungsmittel 52 umfassen dabei eine Schraube 53. Beim Verschraubungsvorgang wird der Flanschbereich 44 des Befestigungsflansches 40 um den freien Endbereich des Ringbundes 46 des Pumpengehäuses 12, vorliegend im Wesentlichen elastisch, gebogen. Dabei wird der Befestigungsflansch 40 so gebogen, dass die radial außenliegenden freien Enden 56 des Befestigungsflansches 40 an der Oberseite 58 des Haltekörpers 38 zur Anlage kommen, wobei der Befestigungsabschnitt 48 weiterhin vom Haltekörper 38 beabstandet ist. Somit wird die Hochdruckpumpe 10 in vorteilhafter Weise gegen den Haltekörper 38 nieder gehalten. Dadurch, dass der Befestigungsflansch 40 vorwiegend elastisch umgebogen ist, übt dieser hierbei eine Vorspannung insbesondere auf den Bund 46 des Pumpengehäuses 12 aus und drückt damit die Hochdruckpumpe 10 unter Vorspannung gegen die Oberseite 58 des Haltekörpers 38. Ferner übt der Befestigungsflansch 40 hierdurch eine Gegenkraft entgegen der Haltekraft des Befestigungsmittels 52 auf das Befestigungsmittel 52 derart aus, dass Lockerungen durch Setzvorgänge in vorteilhafterweise im Wesentlichen verhindert werden können.
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Weist der Befestigungsabschnitt 48 – wie beim Stand der Technik – lediglich eine kreiszylindische Durchgangsöffnung 50 auf, wie zur Veranschaulichung auf der rechten Seite der 2 und 3 gezeigt ist, so führt dies dazu, dass der Schraubenkopf 60 des jeweiligen Befestigungsmittels 52 relativ zum Schraubenschaft 62 um den Winkel γ gebogen wird. Dabei entspricht der Winkel γ auch dem Biegewinkel α des Flanschbereichs 44 aus der Voreinbaulage in die Einbaulage. Somit wird der Schraubenkopf 60 aus der durch den Schraubenschaft 62 verlaufenden Schraubenachse 64 ausgelenkt. Dies führt zu einer unvorteilhaften Biegebelastung durch Biegemomente auf das Befestigungsmittel 52. Um dennoch eine sichere Befestigung der Hochdruckpumpe 10 am Haltekörper 38 zu gewährleisten, muss die Schraube 53 folglich groß genug gewählt werden, um diesen Biegebelastungen dauerhaft stand zu halten.
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Um derartige unvorteilhafte Biegebelastungen auf die Schrauben 53 zu verhindern, ist gemäß der Darstellung auf der linken Seite der 2 (sowie gemäß der vergrößerten Darstellung in 3) eine Aussparung 66 im Befestigungsabschnitt 48 vorhanden. Dabei bildet eine Unterseite 68 der Aussparung 66 eine als Schraubenkopfauflage ausgebildete flächige zweite Angreiffläche 72. Diese wirkt dabei mit einer dazu komplementär ausgebildeten ersten Angreiffläche 70 an der Unterseite 73 des Schraubenkopfes 60 der Schraube 62 so zusammen, dass das Befestigungsmittel 52 in der gezeigten Einbaulage nur oder fast nur einer reinen Zugbelastung ausgesetzt ist. Dies unter anderem deswegen, da die Angreiffläche 72 mit der Haupterstreckung des Befestigungsflansches 40 einen Winkel α einschließt, gegenüber dieser also schräg ist. Dieser Winkel α entspricht der Schrägstellung des Flanschbereichs 44 in Einbaulage. Folglich gleicht die Angreiffläche 72 eine Schrägstellung des Flanschbereich 44 und damit des Befestigungsabschnitts 48 in Einbaulage aus, sodass die Angreiffläche 70 an der Unterseite 73 des Schraubenkopfs 60 in Einbaulage orthogonal zur Schraubenachse 64 durch den Schraubenschaft 62 verläuft.
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Wie insbesondere auch aus 3 hervorgeht, ist auch die Durchgangsöffnung 50 so ausgebildet, dass keine unerwünschte Biegebelastung auf das Befestigungsmittel 52 wirkt. Hierzu ist der Durchmesser D50 der Durchgangsöffnung 50 größer als der Durchmesser D62 des Schraubenschafts 62 im Bereich der Durchgangsöffnung 50. Zwischen dem Schraubenschaft 62 und der Durchgangsöffnung 50 liegt somit ein gewisses Spiel bzw. ein gewisser Spalt vor. Selbst eine gewisse Nicht-Koaxialität zwischen der Längsachse des Schraubenschafts 62 zur Längsachse der Durchgangsöffnung 50 führt daher noch nicht zu einer unerwünschten Biegebelastung der Schraube 53. Man erkennt ferner aus 3, dass die Längsachse der Durchgangsöffnung 50 in einem schrägen Winkel, nämlich dem Winkel α, zur Ebene des Flanschbereichs 44 steht.
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Bei der Befestigung der Hochdruckpumpe 10 am Haltekörper 38 ist also zunächst (wenn die Schraube 53 noch nicht angezogen ist) die Längsachse der Durchgangsöffnung 50 gegenüber der Längsachse des Schraubenschafts 62 schräg, und auch die erste Angreiffläche 70 ist gegenüber der zweiten Angreiffläche 72 schräg. Eine unerwünschte Biegebelastung auf den Schraubenschaft 62 wird in dieser vor Einbaulage durch das zwischen dem Schraubenschaft 62 und der Durchgangsöffnung 50 vorhandene Spiel verhindert oder zumindest reduziert. Wird die Schraube 53 angezogen, wird der Befestigungsabschnitt 48 des Flanschbereichs 44 elastisch verbogen. Hierdurch wird die zweite Angreiffläche 72 mindestens im Wesentlichen parallel zur ersten Angreiffläche 70, und die Längsachse der Durchgangsöffnung 50 wird mindestens im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Schraubenschafts 62. In jenem Zustand, in dem die Hochdruckpumpe 10 am Haltekörper 38 befestigt ist, also in der Einbaulage, wirkt somit auf den Schraubenschaft 62 keine oder zumindest keine wesentliche Biegebelastung.
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In der Ausführungsform gemäß 4 ist ebenfalls eine Aussparung 66 in den Befestigungsabschnitt 48 eingebracht. Hierbei weist die Aussparung 66 allerdings eine kugelige oder konische Angreifffläche 72 auf. Das Befestigungsmittel 52 weist eine Schraube 53 und eine Unterlegscheibe 74 auf. In die Aussparung 66 ist die Unterlegscheibe 74 eingeführt, deren Unterseite in diesem Fall die komplementäre Angreifffläche 70 ausbildet. An der Unterlegscheibe 74 ist der Schraubenkopf 60 angeordnet, so dass auch hier die Schraube 53 einer reinen oder nahezu reinen Zugbelastung ausgesetzt ist. Eine kugelige Ausführung der einander komplementären Angreiffflächen 68, 72 hat hierbei den Vorteil, dass unterschiedliche Schrägstellungen des Befestigungsabschnitts 48 so ausgeglichen werden können, dass die Schraube 53 einer reinen Zugbelastung unterliegt.
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Insgesamt können dadurch, dass die Schrauben 53 der linken Seiten der 2 und 3 keinem oder nahezu keinem Biegemoment unterworfen sind, vergleichsweise klein bauende Schrauben 53 verwendet werden. Zudem steigt die Dauerfestigkeit der Schraubverbindung zwischen Hochdruckpumpe 10 und Haltekörper 38 erheblich an.
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Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen wird als Befestigungsmittel eine Schraube 53 eingesetzt, die in eine Gewindebohrung 54 im Haltekörper 38 eingeschraubt wird. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ragt vom Haltekörper ein Gewindebolzen ab. Auf diesen wird dann der Flanschabschnitt mit der Durchgangsöffnung aufgesteckt, und danach wird auf den Gewindebolzen eine Schraubenmutter aufgesetzt und fest gezogen, wodurch der Befestigungsabschnitt in der oben beschriebenen Form elastisch verbogen wird.
