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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Hochdruck.
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Solche Kraftstoffhochdruckpumpen werden in Kraftstoffeinspritzsystemen dazu verwendet, einen Kraftstoff zu komprimieren und somit mit einem Hochdruck zu beaufschlagen. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff wird dann mittels einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Brennkammern einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Druck bei Benzinbrennkraftmaschinen liegt in einem Bereich von 150 bar bis 400 bar und bei Dieselbrennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 bar bis 3000 bar. Je stärker der Kraftstoff komprimiert wird, desto geringer sind die während des Verbrennungsprozesses entstehenden Emissionen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der immer stärker gewünschten und gesetzlich geforderten Emissionsverringerung von Vorteil.
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Für gewöhnlich sind diese Kraftstoffhochdruckpumpen als Kolbenpumpen ausgebildet, wobei der Kraftstoff von einem Pumpenkolben in einem Druckraum durch eine translatorische Bewegung des Pumpenkolbens verdichtet wird. Durch die ungleichmäßige Förderung solcher Kolbenpumpen entstehen auf einer Niederdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe Schwankungen im Volumenstrom, die mit Druckschwankungen im Gesamtsystem verbunden sind. Diese sog. Pulsationen sind insbesondere in einem Kraftstoffzulauf von außerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe, vor allem in einer Zulaufleitung, unerwünscht, da sie eine schädliche Belastung und auch eine Geräuschursache darstellen, wenn sich die Pulsationen in die Zulaufleitung der Kraftstoffhochdruckpumpe übertragen.
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Zur Dämpfung der Pulsationen werden daher, beispielsweise bei Benzinkraftstoffhochdruckpumpen, auf der Niederdruckseite Niederdruckdämpfer verwendet, die als hydraulische Speicher arbeiten, welche die Schwankungen im Volumenstrom ausgleichen und somit die entstehenden Pulsationen reduzieren. Zu diesem Zweck weisen diese Niederdruckdämpfer für gewöhnlich verformbare Dämpfer auf, beispielsweise eine mit Gas befüllte Kapsel. Steigt nun auf der Niederdruckseite der Druck, verformt sich die Kapsel, wodurch Platz für den überflüssigen Kraftstoff in dem Volumenstrom geschaffen wird. Fällt der Druck zu einem späteren Zeitpunkt wieder ab, kehrt die Kapsel zu ihrer ursprünglichen Form zurück, und der gespeicherte Kraftstoff wird somit wieder frei gegeben. Es wird gewöhnlich eine Metallkapsel verwendet, weil bei Kunststoffkapseln oder Gummimembranen aufgrund der Permeabilität das Gas mit der Zeit entweicht und somit keine Dämpfung mehr gegeben ist.
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Solche Niederdruckdämpfer sind beispielsweise aus
DE 10 2015 214 812 A1 bekannt, die eine konventionelle Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Niederdruckdämpfer offenbart, der an einem Kopfbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe montiert ist. Hier ist für die gasgefüllte Metallkapsel ein definierter Bauraum in oder an der Kraftstoffhochdruckpumpe erforderlich. Der Bauraum muss dabei eine definierte Mindestgröße haben und ist meist zylinderförmig, da er abhängig vom Herstellprozess der Metallkapsel ist. Der Bauraum, welcher für die bekannten Dämpfungssysteme erforderlich ist, reduziert deutlich den Freiraum für die Orientierung von Anschlüssen an der Kraftstoffhochdruckpumpe. Daher führte dieser notwendige Bauraum bisheriger Dämpferkonzepte insgesamt zur Vergrößerung der Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Es gab auch Versuche, eine Metalldämpfungskapsel in einen Hohlraum zwischen einer Kolbenführung für den Pumpenkolben und einer Stangendichtung im Gehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe zu integrieren, wobei die Metalldämpfungskapsel eine komplexe Form ähnlich eines Donuts aufwies. Ein solches Konzept ist beispielsweise in
DE 10 2015 219 772 A1 gezeigt. Das Konzept ist jedoch relativ teuer, da ein dafür erforderlicher Einstich an einer Unterseite des Gehäuses der Kraftstoffhochdruckpumpe aufwendig bei der Herstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe ist.
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DE 698 14 111 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorspannen einer Dichtungsanordnung in einer Hochdruckfluidpumpe. In einer Ausführungsform umfasst die Fluidpumpe einen Kolben, einen Dichtungsträger, der um den Kolben angeordnet ist, und eine Dichtung, die in einer Ringnut des Dichtungsträgers angeordnet ist. Die Dichtung wird mit einer Feder in Richtung des Dichtungsträgers vorgespannt, um die Dichtung wirksam davon abzuhalten, sich aus der Ringnut heraus zu bewegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der Dämpfung von Pulsationen im Niederdruckbereich 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 ein Gehäuse mit einer axialen Gehäusebohrung, die an einem ersten Endbereich durch eine Dichtungsanordnung begrenzt ist, und einen Pumpenkolben auf, der in der Gehäusebohrung geführt ist und sich durch die Dichtungsanordnung hindurch erstreckt. Die Dichtungsanordnung ist in einem Niederdruckbereich der Gehäusebohrung angeordnet, wobei der Niederdruckbereich in Fluidverbindung mit einem Kraftstoffzulauf steht, der Kraftstoff von außerhalb zu der Kraftstoffhochdruckpumpe zuführt. Die Dichtungsanordnung weist eine in der Gehäusebohrung befestigte Dichtungsschale, einen Dichtungsring, der an seinem Innenumfang in axial beweglichem Kontakt mit dem Pumpenkolben ist und an seinem Außenumfang axial beweglich von der Dichtungsschale gehalten ist, sowie ein Rückstellelement auf, das sich an der Dichtungsschale und dem Dichtungsring abstützt, um auf den Dichtungsring eine axiale Federkraft aufzubringen, die einem am Dichtungsring anliegenden Niederdruck entgegengerichtet ist.
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Dadurch, dass der Dichtungsring axial mit einer Federkraft des federnden Rückstellelementes beaufschlagt wird, wirkt der Dichtungsring gleichzeitig als Dämpfer, weil er durch die axiale Verstellmöglichkeit aufgrund seiner axialen Beweglichkeit ein pulsierendes Volumen ausgleichen kann. Die Funktion der bereits jetzt verwendeten Dichtungsanordnung in der Kraftstoffhochdruckpumpe wird erweitert, indem die Dichtungsanordnung nicht nur den axial sich bewegenden Pumpenkolben abdichtet, sondern zusätzlich, dadurch dass sich der Dichtungsring selbst in seinem Sitz an der Dichtungsschale axial bewegen kann und dabei an seinem Außenumfang dynamisch dichtet, eine Dämpfungsfunktion integriert wird. Denn durch die axiale Bewegungsmöglichkeit des Dichtungsringes kann er ein Volumen ausgleichen und somit dämpfend wirken. Auf den Dichtungsring wirkt entgegen einer Pulsationsrichtung die Federkraft des Rückstellelements als Gegenkraft.
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Vorteilhaft ist der Dichtungsring, der den Pumpenkolben abdichtet, kombiniert als Stangendichtung und Kolbendichtung ausgelegt. Der Bauraum für den Dichtungsring ist vorzugsweise so ausgelegt, dass eine axiale Bewegung an seinem Außenumfang möglich ist.
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Durch die doppelte Funktion der Dichtungsanordnung können Bauteile wie Dämpferkapseln, Distanzringe und Dämpfergehäuse eingespart werden und somit insgesamt der Bauraum der Kraftstoffhochdruckpumpe an einem zweiten Endbereich, der dem ersten Endbereich mit der Dichtungsanordnung axial gegenüberliegt, verringert werden. Die Realisierung des Niederdruckdämpfers im Inneren des Gehäuses hat somit einen kleineren Bauraum der gesamten Kraftstoffhochdruckpumpe zur Folge. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, dass bei einer Innenanordnung des Niederdruckdämpfers eine geringere Geräuschentwicklung zu erwarten ist, da normalerweise dünnwandig ausgebildete Dämpfergehäuse oder Dämpferdeckel, die Schwingungen übertragen, entfallen. Weiter entfallen potentiell externe Leckagestellen eines an die Kraftstoffhochdruckpumpe normalerweise angebauten Niederdruckdämpfers, weil das Dämpfungselement in Form der Dichtungsanordnung im Inneren der Kraftstoffhochdruckpumpe integriert ist.
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Vorzugsweise ist der Dichtungsring in einem Schalenabschnitt der Dichtungsanordnung aufgenommen, wobei ein Kolbenstützelement zum Begrenzen des Schalenabschnitts gegenüberliegend zu dem Rückstellelement vorgesehen ist. Dadurch wird vorzugsweise verhindert, dass der Dichtungsring von dem Rückstellelement zu weit in die Gehäusebohrung gedrückt wird und somit an seinem Außenumfang den Kontakt mit der Dichtungsschale verliert.
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Vorteilhaft ist in dem Schalenabschnitt eine Leckageableiteinrichtung angeordnet, um eine im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe in der Dichtungsschale auftretende Kraftstoffleckage aus der Dichtungsschale abzuleiten. Dadurch kann eine gegebenenfalls funktionsbedingte Kraftstoffleckage an der neuen dynamischen Dichtstelle am Außenumfang des Dichtungsrings auf dem gleichen bekannten Weg beispielsweise in einen Motorraum abgeleitet werden, wie die Kraftstoffleckage der bereits vorhandenen dynamischen Dichtstelle zwischen dem Innenumfang des Dichtungsrings und dem Pumpenkolben.
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Vorteilhaft ist in dem Kraftstoffzulauf ein Rückschlagventil angeordnet, um ein Zurückfließen von Kraftstoff aus der Kraftstoffhochdruckpumpe in den Kraftstoffzulauf zu verhindern. Dadurch können die Pulsationen, die beim Betrieb des Pumpenkolbens entstehen, von dem Kraftstoffzulauf und einer zugehörigen Zulaufleitung abgehalten werden und gezielt auf den Dichtungsring als Dämpfungselement aufgebracht werden. In der Zulaufleitung treten dann keine rückströmenden Pulsationen auf.
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Vorzugsweise bildet die Gehäusebohrung an einem zweiten Endbereich einen Druckraum aus, in dem der Kraftstoff von dem Pumpenkolben mit Hochdruck beaufschlagt wird, wobei eine Kraftstoffzulaufbohrung zum Druckraum koaxial zu der Gehäusebohrung an dem zweiten Endbereich ausgebildet ist.
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Da der normalerweise an diesem zweiten Endbereich vorgesehene Niederdruckdämpfer entfällt, stehen nun mehr Freiheitsgrade für Anschlussschnittstellen der Kraftstoffhochdruckpumpe zur Verfügung. Somit kann nun vorteilhaft die Kraftstoffzulaufbohrung koaxial oben mittig an dem Gehäuse angebracht werden, womit eine bessere Herstellbarkeit der Gehäusebohrung einhergeht, da diese dann nach oben durchgehend in dem Gehäuse ausgebildet ist. Es ergeben sich Vorteile beim Honen, da das Honwerkzeug in den Bereich der Kraftstoffzulaufbohrung eintauchen kann. Auch die Montage und das Design der Gesamt-Kraftstoffhochdruckpumpe ist vereinfacht, da der Pumpenkolben nun auch von oben über die Kraftstoffzulaufbohrung gefügt werden könnte, wobei die Kraftstoffzulaufbohrung auf einer Hauptrotationsachse bzw. rotationssymmetrisch zum Gehäuse angeordnet ist. Insgesamt ergibt sich die Möglichkeit, Bauteile rotationssymmetrisch zum Gehäuse anzubringen, was Vorteile hinsichtlich Spannungsverteilung von beispielsweise angeschweißten Teilen bringt.
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Vorzugsweise ist in der Kraftstoffzulaufbohrung zumindest teilweise ein Einlassventil angeordnet, das einen sich radial erstreckenden Steckeranschluss aufweist, wobei das Gehäuse derart ausgebildet ist, dass der Steckeranschluss um 360° um die Hauptrotationsachse frei rotiert werden kann.
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Entsprechend weist das Gehäuse im Bereich des zweiten Endbereiches der Gehäusebohrung ein flaches Kopfende auf, in dem die Kraftstoffzulaufbohrung eingebracht ist, und wo das Einlassventil eingesteckt ist. Somit kann der Steckeranschluss um die Hauptrotationsachse frei rotiert werden und es ergeben sich mehr Freiheitsgrade für die Orientierung des Steckeranschlusses beim Kunden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Niederdruckdämpfer, der an einem Kopfende der Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß dem Stand der Technik angebracht ist;
- 2 eine Teildarstellung eines Längsschnittes einer Kraftstoffhochdruckpumpe entsprechend 1, wobei jedoch kein Niederdruckdämpfer gemäß dem Stand der Technik verwendet wird, sondern eine Dichtungsanordnung an einem Pumpenkolben die Dämpfungsfunktion übernimmt; und
- 3 eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe entsprechend 2, wobei an dem Kopfbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe ein Einlassventil angeordnet ist.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10 aus dem Stand der Technik. Bei dieser Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist in einem Gehäuse 12 eine axiale Gehäusebohrung 14 eingebracht, in der ein Pumpenkolben 16 mit Hilfe einer Führungshülse geführt ist. Die Gehäusebohrung 14 ist an einem ersten Endbereich 20 durch eine Dichtungsanordnung 22 begrenzt, durch die sich der Pumpenkolben 16 hindurch erstreckt. Da die Gehäusebohrung 14 das Gehäuse 12 nicht vollständig durchdringt, ist die Gehäusebohrung 14 an einem zweiten Endbereich 24 durch das Gehäuse 12 selbst begrenzt.
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Die Dichtungsanordnung 22 ist gebildet durch Kombination einer Dichtungsschale 26, welche in die Gehäusebohrung 14 eingepresst ist, mit einem Dichtungsring 28, der in einem Schalenabschnitt 30 der Dichtungsschale 26 eingepresst angeordnet ist. Der Pumpenkolben 16 führt durch den Dichtungsring 28 hindurch und ist so in axial beweglichem Kontakt mit einem Innenumfang 32 des Dichtungsrings 28. Der Dichtungsring 28 sitzt fest in dem Schalenabschnitt 30 und ist somit an seinem Außenumfang 34 nicht axial beweglich.
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An einem Kopfende 36 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, an dem sich der zweite Endbereich 24 der Gehäusebohrung 14 befindet, ist ein Niederdruckdämpfer 38 an dem Gehäuse 12 befestigt. Der Niederdruckdämpfer 38 weist eine Dämpferkapsel 40 auf und ist fluidisch mit einem Kraftstoffzulauf 42, über den von außerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 Kraftstoff 44 zu einem Druckraum 46 zugeführt wird, verbunden. In dem Kraftstoffzulauf 42, der als Kraftstoffzulaufbohrung 48 ausgebildet ist, ist ein Einlassventil 50 angeordnet, das als aktives Ventil ausgebildet ist und über einen Steckeranschluss 52 kontaktiert wird.
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Die in 1 gezeigte Kraftstoffhochdruckpumpe 10 aus dem Stand der Technik benötigt relativ viel Bauraum, insbesondere aufgrund des Niederdruckdämpfers 38 an dem Kopfende 36, und hat zusätzlich den Nachteil, dass der Steckeranschluss 52 an dem Einlassventil 50 nur in vorbestimmten Winkeln um die Hauptrotationsachse an dem Einlassventil 50 befestigt werden kann. Daher wird im Folgenden mit Bezug auf 2 und 3 eine verbesserte Kraftstoffhochdruckpumpe 10 beschrieben, bei der der Niederdruckdämpfer 38 wegfällt und durch eine alternative Anordnung ersetzt wird.
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2 zeigt hierzu eine Teildarstellung eines Längsschnittes einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 10 im Bereich der Dichtungsschale 26. Im Gegensatz zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 aus dem Stand der Technik ist in 2 der Dichtungsring 28 nicht fest in dem Schalenabschnitt 30 angeordnet, sondern ist an seinem Außenumfang 34 axial beweglich von der Dichtungsschale 26, insbesondere dem Schalenabschnitt 30, gehalten. Zusätzlich ist zwischen einem unteren Endbereich 54 des Schalenabschnittes 30 und einer unteren Stirnseite 56 des Dichtungsrings 28 ein Rückstellelement 58, hier in Form einer Druckfeder 60, angeordnet, das eine Federkraft 62 auf den Dichtungsring 28 aufbringt.
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Entstehen nun durch die Bewegung des Pumpenkolbens 16 in der Gehäusebohrung 14 Pulsationen, kann sich der Dichtungsring 28 axial mit seinem Außenumfang 34 an dem Schalenabschnitt 30 entlang bewegen, das Rückstellelement 58 komprimieren, und so die Pulsationen abfedern.
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Der Dichtungsring 28, der zuvor lediglich die Funktion der Abdichtung des Pumpenkolbens 16 als Stangendichtung übernommen hatte, übernimmt somit gemeinsam mit dem Rückstellelement 58 die bisherige Funktion des Niederdruckdämpfers 38 und dämpft somit die Pulsationen innerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ab.
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Um zu verhindern, dass der Dichtungsring 28 aus dem Schalenabschnitt 30 herausrutscht, ist ein Kolbenstützelement 64, an dem sich der Pumpenkolben 16 ringförmig abstützt, in dem Schalenabschnitt 30 befestigt, und begrenzt somit den Schalenabschnitt 30 gegenüberliegend des Rückstellelementes 58 nach oben hin.
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Durch die axiale Beweglichkeit des Dichtungsringes 28 kann es im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zu einer Kraftstoffleckage in dem Schalenabschnitt 30, in dem sich das Rückstellelement 58 befindet, kommen. Um diese Kraftstoffleckage aus dem Schalenabschnitt 30 ableiten zu können, ist eine Leckageableiteinrichtung 66 vorgesehen. Über diese Leckageableiteinrichtung 66 kann die auftretende Kraftstoffleckage dann beispielsweise in einen Motorraum 68 abgeleitet werden.
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Die Dichtungsanordnung 22 ist in einem Niederdruckbereich 70 der Gehäusebohrung 14 angeordnet und fluidisch mit dem Kraftstoffzulauf 42 verbunden (nicht gezeigt). Um die Druckpulsationen von dem Kraftstoffzulauf 42 bzw. einer nicht gezeigten Zulaufleitung außerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 abzuhalten und gezielt auf den Dichtungsring 28 aufzubringen, ist es vorteilhaft, wenn in dem Kraftstoffzulauf 42 ein Rückschlagventil angeordnet ist, das ein Zurückfließen von Kraftstoff 44 aus der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 in den Kraftstoffzulauf 42 verhindert.
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Da der Niederdruckdämpfer 38 nun nicht mehr an dem Kopfende 36 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 angeordnet ist, ist es möglich, die Kraftstoffzulaufbohrung 48 koaxial mit der Gehäusebohrung 14 von oben in das Gehäuse 12 einzubringen. Dadurch ist es auch möglich, das Einlassventil 50, wie in 3 gezeigt, koaxial mit dem Pumpenkolben 16 anzuordnen, wodurch sich eine um 360° um die Hauptrotationsachse freie Rotationsfähigkeit des Steckeranschlusses 52 ergibt. Dadurch stehen für die Orientierung des Steckeranschlusses 52 ausreichend Freiheitsgrade für den Anschluss beim Kunden zur Verfügung.
