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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Patentanspruch 4 und ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe. Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach dem Patentanspruch 10 für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung.
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Einige Kraftfahrzeuge weisen Brennkraftmaschinen auf, denen durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe Kraftstoff bereitgestellt wird. Solche Kraftstoffhochdruckpumpen umfassen Ventile und Kolben zum Druckaufbau, die je nach ihrer Bauart Systemdrücken von beispielsweise 200 bar bis 350 bar standhalten müssen. In diesem Zusammenhang sind unter anderem eine hohe statische Festigkeit und eine zuverlässige Haltekraft zusammenwirkender Komponenten der Kraftstoffhochdruckpumpe erforderlich, um in einem Betrieb auch hohen Druckschwankungen standhalten zu können.
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Die Druckschrift
EP 3088725 B1 offenbart eine Kraftstoffpumpe für ein Direkteinspritzsystem mit reduzierter Belastung an einer Laufbuchse eines Kolbens. Die Kraftstoffpumpe weist eine Pumpkammer und einen Kolben auf, der gleitend in der Pumpkammer montiert ist. Ein zylindrischer Sitz, der unterhalb der Pumpkammer definiert ist, hat einen größeren Durchmesser als die Pumpkammer und ist oben durch ein ringförmiges Widerlager begrenzt, das außen einen Durchmesser entsprechend dem Sitz und innen einen Durchmesser entsprechend der Pumpkammer hat.
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Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, eine Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen, die auch bei relativ hohen Systemdrücken jeweils einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe ermöglichen. Ferner ist es eine Aufgabe, eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Anordnung sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe ein Bereitstellen eines Gehäuses, das eine Ausnehmung aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Kolbenraum für einen Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe auszubilden oder bereitzustellen. Das Gehäuse umfasst ferner einen vorgegebenen Konturabschnitt mit einer Abdichtstufe, die an einer Gehäusekante der Innenseite des Gehäuses ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst weiter ein Bereitstellen einer Kolbenführungshülse, die dazu eingerichtet ist, eine Führung für den Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe auszubilden oder bereitzustellen. Die Kolbenführungshülse umfasst einen vorgegebenen Konturabschnitt mit einer Abdichtausnehmung, die in Abstimmung auf eine Geometrie der Abdichtstufe des Gehäuses an derdem Kolbenraum zugewandten Oberseite der Kolbenführungshülse ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst außerdem ein Einbringen der Kolbenführungshülse in die Ausnehmung des Gehäuses mittels Einpressen, sodass sich die Abdichtstufe in die Abdichtausnehmung erstreckt und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse ausgebildet wird, welche eine Kraftkomponente umfasst, die bezogen auf die Längsachse der Anordnung radial nach außen wirkt und die Kolbenführungshülse gegen die Innenseite des Gehäuses treibt.
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Mittels des beschriebenen Verfahrens ist eine stabile und zuverlässige Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe kostengünstig realisierbar, welche einen sicheren Betrieb auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid ermöglicht, das die Kraftstoffhochdruckpumpe durchströmt. Die Anordnung ermöglicht zum Beispiel einen Betrieb mit Systemdrücken von über 350 bar, sodass eine entsprechende Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beispiel auch Spitzendrücken von über 550 bar standhalten kann. Solche Druckspitzen können unter anderem aufgrund von Druckschwankungen in einem Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe auftreten und eine starke Belastung für die verbauten Komponenten darstellen.
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Die Kolbenführungshülse dient der Führung des Kolbens in der Kraftstoffhochdruckpumpe. Außerdem dient sie als Dichtelement zwischen einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite und muss in einem Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe relativ hohen Druckschwankungen widerstehen können, ohne dabei aus dem Gehäuse gedrückt und undicht zu werden, um eine zuverlässige und sichere Kraftstoffführung bereitzustellen.
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Das Gehäuse stellt insbesondere einen Teil eines Pumpengehäuses der Kraftstoffhochdruckpumpe dar und ist zum Beispiel aus Edelstahl gefertigt. In eine Bohrungsausnehmung des Gehäuses wird dann zum Beispiel die Kolbenführungshülse gezielt eingepresst. Auch die Kolbenführungshülse ist vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt und materialspezifisch härter ausgebildet oder hart genug, um dem Einpressen in und gegen das Gehäuse standzuhalten.
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Die Abdichtausnehmung an der Oberseite der Kolbenführungshülse und die korrespondierende Abdichtstufe an der innenliegenden Gehäusekante tragen aufgrund ihrer aufeinander abgestimmten Geometrien zu einer zuverlässigen Abdichtung und einem sicheren Halt der Komponenten aneinander bei. Mittels des gezielten Einpressens der Abdichtstufe in die Abdichtausnehmung wird ein Dichtbereich realisiert, der aufgrund einer gezielt eingebrachten Kräftebilanz zu einem vorteilhaften Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe beitragen kann.
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In dieser Beschreibung beziehen sich Begriffe, wie „oben“, „unten“, „Oberseite“ und „Unterseite“ auf eine Ausrichtung der Anordnung in einer betriebsbereiten Kraftstoffhochdruckpumpe. Die Oberseite der Kolbenführungshülse ist dann zum Beispiel einem Hochdruckbereich und eine Unterseite der Kolbenführungshülse einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe zugewandt. Ferner beziehen sich in dieser Beschreibung Begriffe, wie „innen“, „außen“, „Innenseite“ und „Außenseite“ auf eine Ausrichtung der Anordnung bezogen auf die Längsachse der Anordnung, entlang welcher der Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe bewegbar ist. In Bezug auf eine rotationssymmetrische Ausführung der Anordnung ist somit eine Innenseite der Kolbenführungshülse dem Kolben zugewandt und bildet eine Kolbenlauffläche aus, während eine Außenseite der Kolbenführungshülse dem Gehäuse bzw. der Innenseite des Gehäuses zugewandt ist.
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Es ist eine Erkenntnis im Zusammenhang mit der Erfindung, dass zum Beispiel eine Benzin-Hochdruckpumpe einen Kolben besitzt, der in einer Kolbenführung axial geführt wird, auf die in einem Betrieb der Hochdruckpumpe eine hydraulische Kraft wirkt, welche die Kolbenführung aus dem Pumpengehäuse herausschiebt. Als Kolbenführung wird die Kolbenführungshülse als separates Bauteil verwendet, welches in einem Pumpengehäuse befestigt wird und axial eine metallische Abdichtung gegen Hochdruck einrichtet. Bei konventionellen Hochdruckpumpen ist an einer Stirnseite oder einer Oberseite der Kolbenführungshülse eine ebene Fläche ausgebildet, die mit einer Beißkante zusammenwirkt, welche an dem Pumpengehäuse vorgesehen ist. Beim Einpressen der Kolbenführungshülse, welche höhere Härteeigenschaften besitzt als das Pumpengehäuse, wird die Kolbenführungshülse so tief eingepresst, dass sich die Beißkante am Pumpengehäuse beim Kontakt mit der Kolbenführungshülse verformt. Dabei muss eine sehr hohe Flächenpressung an der Beißkante und somit auch eine hohe Axialkraft vorgesehen werden, da im Betrieb der Hochdruckpumpe eine hydraulische Kraft entgegenwirkt, welche unter anderem derart wirkt, dass sie die Kolbenführungshülse aus dem Pumpengehäuse herausschiebt. Mittels einer solchen Ausführung einer konventionellen Hochdruckpumpe kann nicht zwingend eine dauerhafte Abdichtung sichergestellt werden.
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Dies ist unter anderem dadurch begründet, dass Axial- und Radialkräfte aufgrund des Pressverbandes zwischen dem Pumpengehäuse und der Kolbenführungshülse wirken und zu einer nicht unerheblichen radialen Verformung der der Kolbenführungshülse führen. Eine Innenbohrung der Kolbenführungshülse, welche die Kolbenlauffläche definiert, kann aufgrund der wirkenden Presskräfte nachteilig verformt werden. Darüber hinaus hat die Beißkante am Pumpengehäuse eine relativ geringe Höhe im Bereich von einigen Hundertsteln Millimetern, während eine Toleranz für ein Einpressmaß der Kolbenführungshülse in das Pumpengehäuse im Bereich von Zehntel Millimetern liegt. Eine Sicherstellung der Deformation der Beißkante ist somit schwierig zu bewerkstelligen, sodass ein konventioneller Aufbau der Kraftstoffhochdruckpumpe unter anderem sehr toleranzempfindlich hinsichtlich einer Montage ist und zudem ein gewisses Risiko einer nicht zuverlässigen Abdichtung durch die Kolbenführungshülse in sich birgt. Mittels des beschriebenen Verfahrens zum Herstellen der Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe kann den zuvor beschriebenen nachteiligen Effekten entgegengewirkt und somit zu einer sicheren und zuverlässigen Funktion der Kraftstoffhochdruckpumpe beigetragen werden. Insbesondere das Vorsehen der Abdichtstufe, die abdichtend mit der Abdichtausnehmung zusammenwirkt, ermöglicht eine effiziente Funktion der Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem relativ hohen volumetrischen Wirkungsgrad. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, dass die Abdichtstufe und die Abdichtausnehmung ein relativ kleines Bewegungsspiel zwischen dem Kolben und der Kolbenführungshülse einrichten und so ausgebildet sind, dass radialen Verformungskräften der Kolbenfläche entgegengewirkt wird. Mittels einer solchen Anordnung kann daher ein Ausfallrisiko der Kraftstoffhochdruckpumpe aufgrund eines Kolbenfressers reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens weist die Abdichtstufe bezogen auf einen Querschnitt entlang der Längsachse eine rechteckige Geometrie auf. Der Konturabschnitt der Kolbenführungshülse, welcher die Abdichtausnehmung begrenzt, weist demgemäß eine konusförmige Geometrie mit einer abgewinkelten Fläche auf. Gemäß einer solchen Bereitstellung der beiden Komponenten umfasst das Ausbilden der kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse ein Einbringen der Abdichtstufe in die Abdichtausnehmung, sodass die Abdichtstufe die abgewinkelte Fläche der Abdichtausnehmung kontaktiert und sich verformt und dadurch eine Kräftebilanz eingerichtet wird. Bei einer solchen Kräftebilanz an der Kolbenführungshülse wirkt die radial nach außen wirkende Kraftkomponente einer radial nach innen wirkenden Kraftkomponente, welche aus dem Pressverband des Gehäuses mit der eingepressten Kolbenführungshülse resultiert, und einer weiteren radial nach innen wirkenden Kraftkomponente, welche aus der kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse resultiert, gezielt entgegen.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird nachfolgend zu dem Ausbilden der kraftschlüssigen Verbindung eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse mittels Crimpen an der Unterseite der Kolbenführungshülse ausgebildet.
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Mittels des beschriebenen Verfahrens ist eine kostengünstige Lösung für ein Festigkeits- und Dichtungsproblem einer Kolbenführungshülse in einem Gehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe realisierbar, die auch bei relativ hohen Systemdrücken zu einem zuverlässigen und sicheren Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe beitragen kann. Ein Herstellen der beschriebenen Anordnung ist mittels des beschriebenen Verfahrens ohne oder mit geringen Änderungen an bekannten Produktionsmitteln, Prozessen und Geometrien aufwandsarm und kosteneffizient möglich.
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Dabei werden insbesondere die Kontur an einer Außenseite der Kolbenführungshülse und die Kontur an einer Innenseite der Wandung des Gehäuses aufeinander abgestimmt ausgebildet und vorbereitet, sodass mittels des beschriebenen Verfahrens eine Anordnung realisierbar ist, die eine vorteilhafte Stabilität und Festigkeit in Bezug auf die miteinander verpressten Kolbenführungshülse und Gehäuse ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Anordnung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe ein Gehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Kolbenraum für einen Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe auszubilden. Das Gehäuse umfasst ferner einen vorgegebenen Konturabschnitt mit einer Abdichtstufe, die an einer Gehäusekante der Innenseite des Gehäuses ausgebildet ist. Die Anordnung weist weiter eine Kolbenführungshülse auf, die dazu eingerichtet ist, eine Führung für den Kolben der Kraftstoffhochdruckpumpe auszubilden, wobei die Kolbenführungshülse ihrerseits auch einen vorgegebenen Konturabschnitt aufweist, der eine Abdichtausnehmung umfasst, die in Abstimmung auf eine Geometrie der Abdichtstufe des Gehäuses an der dem Kolbenraum zugewandten Oberseite der Kolbenführungshülse ausgebildet ist. Die Kolbenführungshülse ist in die Ausnehmung des Gehäuses eingepresst, sodass sich die Abdichtstufe in die Abdichtausnehmung erstreckt und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse ausbildet, welche eine Kraftkomponente umfasst, die bezogen auf die Längsachse der Anordnung radial nach außen wirkt und die Kolbenführungshülse gegen die Innenseite des Gehäuses treibt.
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Insbesondere weist die Abdichtstufe bezogen auf einen Querschnitt entlang der Längsachse eine rechteckige Geometrie und der die Abdichtausnehmung begrenzende Konturabschnitt der Kolbenführungshülse eine konusförmige Geometrie mit einer abgewinkelten Fläche auf, sodass die Abdichtstufe die abgewinkelte Fläche der Abdichtausnehmung kontaktiert und an der Kolbenführungshülse eine Kräftebilanz eingerichtet ist, bei der die radial nach außen wirkende Kraftkomponente einer radial nach innen wirkenden Kraftkomponente, welche aus dem Pressverband des Gehäuses mit der eingepressten Kolbenführungshülse resultiert, und einer weiteren radial nach innen wirkenden Kraftkomponente, welche aus der kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse und dem Gehäuse resultiert, entgegenwirkt.
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Mittels der beschriebenen Anordnung ist eine besonders stabile und zuverlässige Kraftstoffhochdruckpumpe kostengünstig realisierbar. Die Kraftstoffhochdruckpumpe ist mit der Anordnung dazu befähigt, auch bei einem unter Hochdruck stehenden Fluid, welches die Kraftstoffhochdruckpumpe durchströmt, einen zuverlässigen und sicheren Betrieb bereitzustellen. Die Anordnung bildet insbesondere einen Teil der Kraftstoffhochdruckpumpe aus, der nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist. Daher sind die Eigenschaften und Merkmale des zuvor beschriebenen Herstellungsverfahrens auch für die Anordnung offenbart und umgekehrt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Anordnung sind die Abdichtstufe und die Abdichtausnehmung bezogen auf die Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Abdichtstufe realisiert somit einen erhabenen Vorsprung in Ausführung einer ringförmigen Wandung an der innenliegenden Gehäusekante. Die Abdichtausnehmung realisiert eine keilförmige Nut. Die ringförmige Wandung und die keilförmige Nut greifen kontaktierend ineinander.
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Alternativ kann aber auch die Kolbenführungshülse an der Oberseite die Abdichtstufe aufweisen und die Gehäusekante des Gehäuses die Abdichtausnehmung vorgegeben begrenzen, sodass eine zuverlässige und stabile Kopplung der beiden Komponenten miteinander einrichtbar ist. Außerdem kann die konusförmige Geometrie des Konturabschnitts, welcher die Abdichtausnehmung begrenzt, auch als keilförmig oder als kegelstumpfförmig bezeichnet werden. Die Abdichtausnehmung wird dabei zumindest von einer abgewinkelten Fläche begrenzt, welche die Konus-, Keil- oder Kegelstumpfform begründet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Anordnung weist die Abdichtstufe bezogen auf einen Querschnitt entlang der Längsachse eine rechteckige Geometrie mit einer vorgegebenen Breite, einer vorgegebenen Höhe und einem vorgegebenen Abstand zu einem parallel verlaufenden Abschnitt der Innenseite des Gehäuses auf. Die Breite weist dabei bevorzugt einen Wert im Bereich von einschließlich 1-3 mm auf und/oder die Höhe weist bevorzugte einen Wert von einschließlich 1-2 mm auf und/oder der Abstand weist bevorzugt einen Wert von 2-4 mm auf. Der Abstand der Abdichtstufe bezieht sich dabei auf eine Distanz zwischen der innenliegenden Seite der Abdichtstufe, die der Kolbenlauffläche zugewandt ist, und den Abschnitt der Innenseite des Gehäuses, der in Kontakt mit der Außenseite der Kolbenführungshülse ist. Auf diese Weise kann eine stabile Abdichtstufe bereitgestellt werden, die im Zusammenwirken mit der Abdichtausnehmung das Ausbilden eines zuverlässigen Dichtbereichs in der Kraftstoffhochdruckpumpe ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Anordnung weist der Konturabschnitt der Kolbenführungshülse, der die Abdichtausnehmung begrenzt, bezogen auf einen Querschnitt entlang der Längsachse eine konusförmige Geometrie mit einer vorgegebenen Tiefe, einer vorgegebenen Breite und einem vorgegebenen Konuswinkel auf, wobei der Konuswinkel eine abgewinkelte Fläche definiert, welche die Abdichtausnehmung an einer Seite begrenzt, die der Innenseite des Gehäuses zugewandt ist. Die Tiefe weist dabei bevorzugt einen Wert im Bereich von einschließlich 1-2 mm auf und/oder die Breite weist bevorzugt einen Wert von einschließlich 1-3 mm auf und/oder der Konuswinkel weist bevorzugt einen Wert zwischen 0° und 45° auf, den die abgewinkelte Fläche mit der Längsachse einschließt. Insbesondere weist der Konuswinkel einen Wert größer 0° relativ zur Längsachse auf, um eine abgewinkelte oder schräge Gegenfläche für die Abdichtstufe bereitzustellen, die im Zusammenwirken mit dieser einen zuverlässigen und stabilen Halt der Komponenten miteinander einrichtet. Vorzugsweise besitzt der Konuswinkel dabei einen Wert zwischen 10°-30°.
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Darüber hinaus sind die Abdichtstufe und/oder der die Abdichtausnehmung begrenzende Konturabschnitt der Kolbenführungshülse von ihren Abmessungen her vorzugsweise auf eine Abmessung des Kolbens der Kraftstoffhochdruckpumpe abgestimmt ausgebildet. Die Breite und Höhe der Abdichtstufe sowie die Breite und Tiefe der Abdichtausnehmung sind zum Beispiel in Abhängigkeit vom Durchmesser des Kolbens vorgegeben ausgebildet, mit dem die beiden Komponenten in der Kraftstoffhochdruckpumpe zusammenwirken sollen.
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Mittels der Anordnung und insbesondere der beschriebenen Abdichtstufe und der Abdichtausnehmung können Eigenschaften erzielt werden, die sich vorteilhaft auf einen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe auswirken können. Die Anordnung ermöglicht unter anderem eine Erhöhung der Flächenpressung zwischen dem Gehäuse und der Kolbenführungshülse bei gleichbleibender Axialkraft aufgrund der abgewinkelten Fläche. Dies kann zu verbesserten Dichtheitseigenschaften beitragen. Alternativ kann bei einer gleichbleibenden Flächenpressung eine Axialkraft reduziert werden. Somit kann zu einer erleichterten Montage beigetragen werden, bei welcher zum Beispiel eine kleinere Presse einsetzbar ist.
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Insbesondere kann eine Reduzierung der nachteilig wirkenden Radialkraft erreicht werden, da die in dem ausgebildeten Dichtbereich gezielt eingebrachte Radialkraft der Radialkraft entgegenwirkt, die aus dem Pressverband der Kolbenführungshülse mit dem Gehäuse resultiert. Somit kann eine Verformung der Kolbenlauffläche reduziert werden und zu einer höheren Robustheit der Kraftstoffhochdruckpumpe beigetragen werden. Zudem ist der geschilderte Aufbau der Anordnung im Vergleich zu konventionellen Konzepten weniger toleranzempfindlich hinsichtlich einer Montage und trägt zu einer besseren Sicherstellung der Dichtheitsfunktion in einer Kraftstoffhochdruckpumpe bei. Zudem unterstützt eine hydraulische Kraft aus dem Kolbenraum, die aufgrund des druckbeaufschlagten Fluids in der Kraftstoffhochdruckpumpe wirkt, die Dichtwirkung zwischen dem Gehäuse und der Kolbenführungshülse der Anordnung aufgrund der gezielt vorgesehenen Abdichtstufe und der Abdichtausnehmung. Dies führt weiter zu verbesserten Dichtheitseigenschaften der Anordnung und einer entsprechenden Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftfahrzeug eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anordnung und einen Kolben, der entlang seiner Längsachse in der Anordnung axial beweglich gelagert ist, um im Zusammenwirken mit der durch die Kolbenführungshülse bereitgestellten Führung einen Hochdruckbereich des durch die Kraftstoffhochdruckpumpe strömenden Kraftstoffs auszubilden. Dadurch, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe eine Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anordnung aufweist, sind die beschriebenen Eigenschaften und Merkmale der Anordnung auch für die Kraftstoffhochdruckpumpe offenbart und umgekehrt.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der beschriebenen Anordnung anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs,
- 2 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Kraftstoffhochdruckpumpe für das Kraftfahrzeug,
- 3 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Gehäuses der Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 4 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Kolbenführungshülse der Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 5 eine Detailansicht eines Abschnitts der Kolbenführungshülse nach 4,
- 6-7 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Anordnung für die Kraftstoffhochdruckpumpe,
- 8 ein Ablaufdiagramm für das Verfahren zum Herstellen der Anordnung für die Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind gegebenenfalls nicht alle dargestellten Elemente in sämtlichen Figuren mit zugehörigen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einer Brennkraftmaschine 3, welche mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe 5 gekoppelt ist. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 umfasst einen Kolben 8, der zum Aufbauen einen Hochdruckbereichs für einen Kraftstoff in einer Kolbenführung 10 geführt ist (s. 2). Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 stellt in einem Betrieb den für die Brennkraftmaschine 3 erforderlichen Kraftstoff bereit. Wie nachfolgend anhand der 2 bis 8 erläutert wird, ermöglicht die Kolbenführung 10 mit einer Anordnung 15 einen besonders sicheren und stabilen Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 auch bei hohen Systemdrücken von zum Beispiel über 350 bar.
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2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe 5, die neben der Kolbenführung 10 ein Einlassventil 20 und ein Auslassventil 7 umfasst. Das Einlassventil 20 weist eine Dichtungsscheibe 21 auf, die als Dichtelement zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 fungiert. Die Dichtungsscheibe 21 bildet zum Beispiel einen Teil eines Plattenventils aus und wirkt mit einem Ventilkörper 22 zusammen, um einen Durchfluss von Fluid durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 und durch das Einlassventil 20 zu steuern. Zum axialen Bewegen des Ventilkörpers 22 wird ein Aktor 23 des Einlassventils 20 angesteuert und somit ein Fluidfluss durch das Einlassventil 20 freigegeben bzw. geregelt. Zur Kompensation von Druckschwankungen weist die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 einen Dämpfer 6 auf. Der Kolben 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 dient der Druckbeaufschlagung des durchströmenden Fluids und dem Ausbilden des Hochdruckbereichs der Kraftstoffhochdruckpumpe 5.
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Die 3 bis 7 zeigen schematische Darstellungen von Komponenten der Anordnung 15. Im Folgenden wird insbesondere der in der 2 gestrichelt eingezeichnete Bereich der Anordnung 15 für die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 beschrieben. Ein Herstellungsverfahren zum Anfertigen der Anordnung 15 kann gemäß dem Ablaufdiagramm nach 8 durchgeführt werden.
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3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Querschnitt durch ein Gehäuse 12 entlang der Längsachse L der Anordnung 15. Das Gehäuse 12 weist eine Ausnehmung auf, die einen Kolbenraum 9 für den Kolben 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ausbildet und die ferner zur Aufnahme einer Kolbenführungshülse 11 der Anordnung 15 eingerichtet ist. Das Gehäuse 12 weist ferner einen vorgegebenen Konturabschnitt K12 mit einer Abdichtstufe 13 auf, die an einer Gehäusekante 121 der Innenseite 122 des Gehäuses 12 ausgebildet ist. Die Abdichtstufe 13 ist bezogen auf die Längsachse L umlaufend ausgebildet und erstreckt sich in Form einer ringförmigen Wand von der Gehäusekante 121 nach unten weg (s. 7).
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In dieser Beschreibung beziehen sich Begriffe, wie „oben“, „unten“, „Oberseite“ und „Unterseite“ auf eine Ausrichtung der Anordnung 15 wie sie in den 2 bis 7 illustriert ist. Die Oberseite 111 der Kolbenführungshülse 11 ist dann einem Hochdruckbereich und die Unterseite 112 der Kolbenführungshülse 11 einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 zugewandt.
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Die Abdichtstufe 13 bildet eine erhabene Kante aus, die zum Beispiel bezogen auf einen Querschnitt entlang der Längsachse L eine rechteckige Geometrie mit einer vorgegebenen Breite b, einer vorgegebenen Höhe h und einem vorgegebenen Abstand a zu einem parallel verlaufenden Abschnitt der Innenseite 122 des Gehäuses 12 aufweist. Die Breite b und der Abstand a beziehen sich jeweils auf eine Ausdehnung quer bzw. senkrecht zu der Längsachse L. Die Höhe h bezieht sich auf eine Ausdehnung entlang bzw. parallel zu der Längsachse L.
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Die Breite b weist zum Beispiel einen Wert im Bereich von einschließlich 1-3 mm auf. Die Höhe h weist zum Beispiel einen Wert von einschließlich 1-2 mm auf. Der Abstand a weist zum Beispiel einen Wert von 2-4 mm auf. Der Abstand a der Abdichtstufe 13 bezieht sich, wie in 3 gezeigt, auf eine Distanz zwischen einer innenliegenden Seite der Abdichtstufe 13, die dem Kolbenraum 9 zugewandt ist, und den Abschnitt der Innenseite 122 des Gehäuses 12, der zur Aufnahme der Kolbenführungshülse 11 eingerichtet ist.
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Die 4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Querschnitt durch die Kolbenführungshülse 11 entlang der Längsachse L der Anordnung 15. Die Kolbenführungshülse 11 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Kolbenführung 10 für den Kolben 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 auszubilden. Die Innenseite der Kolbenführungshülse 11 ist in einem montierten und betriebsbereiten Zustand der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 dem Kolben 8 zugewandt und bildet eine Kolbenlauffläche 16 aus. Die Außenseite der Kolbenführungshülse 11 ist demgemäß dem Kolben 8 abgewandt und der Innenseite 122 des Gehäuses 12 zugewandt.
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Die Kolbenführungshülse 11 weist einen vorgegebenen Konturabschnitt K11 mit einer Abdichtausnehmung 14 auf, die in Abstimmung auf eine Geometrie der Abdichtstufe 13 des Gehäuses 12 an der Oberseite 111 der Kolbenführungshülse 11 ausgebildet ist. Wie auch die Abdichtstufe 13 ist die Abdichtausnehmung 14 bezogen auf die Längsachse L umlaufend ausgebildet und realisiert eine keilförmige oder konusförmige Nut zur Aufnahme der Abdichtstufe 13.
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5 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Abdichtausnehmung 14 bzw. des Konturabschnitts K11 der Kolbenführungshülse 11, der die Abdichtausnehmung 14 begrenzt. Der Konturabschnitt K11 weist bezogen auf einen Querschnitt entlang der Längsachse L eine konusförmige Geometrie mit einer vorgegebenen Tiefe t, einer vorgegebenen Breite e und einem vorgegebenen Konuswinkel f auf, wobei der Konuswinkel f eine abgewinkelte Fläche 141 definiert, welche die Abdichtausnehmung 14 an einer Seite begrenzt, die der Innenseite 122 des Gehäuses 12 zugewandt ist. Alternativ kann die Geometrie des Konturabschnitts K11 auch als keilförmig oder kegelstumpfförmig bezeichnet werden, sodass die Abdichtausnehmung 14 jeweils von oben nach unten zuläuft bzw. sich nach unten hin verjüngt. Entsprechend kann der Konuswinkel f auch anders bezeichnet werden.
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Die Tiefe t weist zum Beispiel einen Wert im Bereich von einschließlich 1-2 mm auf. Die Breite e weist zum Beispiel einen Wert von einschließlich 1-3 mm auf. Die Breite e bezieht sich auf eine Ausdehnung quer bzw. senkrecht zu der Längsachse L an der schmälsten Position bzw. einem unteren Ende der Abdichtausnehmung 14. Die Tiefe t bezieht sich auf eine Ausdehnung entlang bzw. parallel zu der Längsachse L.
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Der Konuswinkel f, der von der abgewinkelten Fläche 141 und der Längsachse L eingeschlossen wird, weist einen Wert größer 0° auf. Der Konuswinkel f weist zum Beispiel einen Wert zwischen 10° und 30° auf. Auf diese Weise kann die Kolbenführungshülse 11 mit einer abgewinkelten Abdichtausnehmung 14 ausgebildet werden, die eine schräge Gegenfläche für die Abdichtstufe 13 bereitstellt, welche im Zusammenwirken mit dieser einen zuverlässigen und stabilen Halt der Komponenten 11 und 12 miteinander einrichtet.
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In einem montierten und betriebsbereiten Zustand der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist die Kolbenführungshülse 11 in die Ausnehmung des Gehäuses 12 eingepresst, sodass sich die Abdichtstufe 13 in die Abdichtausnehmung 14 erstreckt und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Kolbenführungshülse 11 und dem Gehäuse 12 ausbildet, welche eine Kraftkomponente FK umfasst, die bezogen auf eine Längsachse L der Anordnung 15 radial nach außen wirkt und die Kolbenführungshülse 11 gegen die Innenseite 122 des Gehäuses 12 treibt (s. 6 und 7).
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Der Konuswinkel f bestimmt die konus- oder kegelförmige Abdichtausnehmung 14 und beeinflusst eine radial nach innen wirkende Kraftkomponente FG, die aus der kraftschlüssigen Verbindung des Gehäuses 12 und der Kolbenführungshülse 11 in dem Dichtbereich der Abdichtstufe 13 und der Abdichtausnehmung 14 resultiert und auf das Gehäuse 12 wirkt und dieses nach innen in Richtung des Kolbenraums 9 treibt. Die Kraftkomponente FG bewirkt eine Verformung, die umgekehrt proportional zu sin (f) ist. Somit kann bei einer gleichbleibenden Axialkraft FA eine höhere verformende Kraftkomponente FG erzielt und dadurch eine größere Flächenpressung der Komponenten 11 und 12 erreicht werden, die sich insbesondere hinsichtlich einer Dichtheit vorteilhaft auf den Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 auswirken kann. Die auf das Gehäuse 12 wirkende verformende Kraftkomponente FG folgt dabei dem Zusammenhang FG = FA / sin(f[°]).
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Gemäß 6 wirkt ferner eine weitere Kraftkomponente FP radial nach innen. Die Kraftkomponente FP resultiert aus dem Pressverband des Gehäuses 12 und der darin eingepressten Kolbenführungshülse 11. Mittels der Abdichtstufe 13 und der Abdichtausnehmung 14 wird gezielt die Kraftkomponente FK eingerichtet, die im Dichtbereich auf die Kolbenführungshülse 11 wirkt und der radialen Kraftkomponente FP aus dem Pressverband entgegen gerichtet ist. Die Kraft FK hebt die Kraft FP zumindest teilweise auf, sodass mittels der Anordnung 15 eine resultierende Verformung der Kolbenlauffläche 16 verringert werden kann. Darüber hinaus wirkt aufgrund des komprimierten Kraftstoffs eine hydraulische Kraft FH aus dem Kolbenraum 9, welche auf die Abdichtstufe 13 an dem Gehäuse 12 wirkt und dadurch die Dichtfunktion der Anordnung 15 weiter unterstützt.
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Die 8 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren, gemäß dem die Anordnung 15 hergestellt werden kann. In einem Schritt S1 wird das Gehäuse 12 mit der Abdichtstufe 13 bereitgestellt.
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In einem Schritt S2 wird die Kolbenführungshülse 11 mit Abdichtausnehmung 14 und der abgewinkelten Fläche 141 bereitgestellt, welche die Abdichtausnehmung 14 bezogen auf die Längsachse L radial außen umlaufend begrenzt. Alternativ kann die abgewinkelte Fläche an einer dem Kolbenraum zugewandten Seite ausgebildet sein, sodass sie die Abdichtausnehmung 14 bezogen auf die Längsachse L radial innenliegend umlaufend begrenzt. Alternativ kann die Abdichtausnehmung auch eine radial innen und eine radial außen umlaufende abgewinkelte Begrenzungsfläche aufweisen und beidseitig keil- oder konusförmig zulaufen.
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In einem Schritt S3 wird die Kolbenführungshülse 11 in das Gehäuse 12 eingepresst. Beim Einpressen der Kolbenführungshülse 11 kommt es zum Kontakt der Abdichtstufe 13 mit der abgewinkelten Fläche 141 an der Oberseite 111 der Kolbenführungshülse 11. Dabei verformt sich die Abdichtstufe 13 und sorgt für eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 12 und der Kolbenführungshülse 11. Der Winkel f der abgewinkelten Fläche 141 an der Kolbenführungshülse 11 beeinflusst dabei die Kraftkomponente FG auf die Abdichtstufe 13 an dem Gehäuse 12.
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Dadurch, dass somit eine höhere Flächenpressung zwischen dem Gehäuse 12 und der Kolbenführungshülse 11 erreicht werden kann, können Dichtheitseigenschaften im Bereich der Konturabschnitte K11 und K12 verbessert werden. Alternativ kann bei gleichbleibender Flächenpressung die Axialkraft FA reduziert werden. Die abgewinkelte Fläche 141 ist dabei vorzugsweise an der radial äußeren Seite, die dem Pressverband bzw. der Innenseite 122 des Gehäuses 12 zugewandt ist) vorgesehen, um zum einen eine Art Entkoppelung der Kolbenlauffläche 16 zu ermöglichen und somit mögliche Verformungen der Kolbenlauffläche 16 zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Zum anderen kann die hydraulische Kraft FH aus dem Kolbenraum 9 als zusätzliche Unterstützung der Dichtfunktion während eines Betriebs der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 genutzt werden.