-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe sowie eine Hochdruckdichtung zur Verwendung in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche
-
Vom Markt her sind Kraftstoff-Hochdruckpumpen für Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen bekannt. Diese Kraftstoff-Hochdruckpumpen verdichten den Kraftstoff auf einen hohen Druck und leiten ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) weiter, von wo der Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Ein Pumpenkolben ist im Pumpengehäuse geführt, und der Pumpenkolben wird von einer Kolbenfeder zu einem Antrieb hin beaufschlagt. Beispielsweise aus der
DE 10 2013 226 088 A1 ist es bekannt, zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpengehäuse eine Hochdruckdichtung anzuordnen, die den Pumpenkolben gegenüber einem Hochdruckbereich abdichtet. Die Hochdruckdichtung wird durch Spritzguss hergestellt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe hat den Vorteil, dass für die Herstellung der Hochdruckdichtung kein Spritzgusswerkzeug notwendig ist, wodurch Kosten eingespart werden und eine hohe Variantenvielfalt ermöglicht wird. Somit können auch unterschiedliche Typen von Kraftstoff-Hochdruckpumpen mit der jeweils optimalen Hochdruckdichtung versehen werden, ohne dass hierdurch die Kosten steigen. Darüber hinaus erhält man zusätzliche Freiheiten bei der geometrischen Auslegung der Hochdruckdichtung. Auch ist ein Entfernen eines Angusses, wie bei typischen Spritzgussverfahren, nicht mehr notwendig. Schließlich kann die Vorrichtung, die für die additive Fertigung der Hochdruckdichtung verwendet wird, sehr einfach auch andere Teile produzieren, wenn der Bedarf an Hochdruckdichtungen gerade gering ist. Die erfindungsgemäße Hochdruckdichtung kann auf die gleiche Art und Weise montiert werden wie bisherige Hochdruckdichtungen, die durch Kunststoff-Spritzguss hergestellt sind.
-
Erreicht wird all dies durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse und einem Pumpenkolben. Das Pumpengehäuse kann beispielsweise mehreckig oder rotationssymmetrisch sein, und es ist meist aus Metall hergestellt. Der Pumpenkolben ist üblicherweise ein Stufenkolben, der mit einem ersten Abschnitt, der einen vergleichsweise größeren Durchmesser aufweist, einen Förderraum begrenzt, wohingegen ein zweiter Abschnitt, der einen im Vergleich zum ersten Abschnitt geringeren Durchmesser aufweist, von einer Kolbenfeder gegen einen Antrieb beaufschlagt wird. Der Antrieb kann beispielsweise einen Exzenterabschnitt oder einen Nockenabschnitt umfassen. Häufig handelt es sich bei der Kraftstoff-Hochdruckpumpe um eine sogenannte „Steckpumpe“, die in eine Öffnung in einem Zylinderkopf eines Motorblocks eingesteckt und von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine unmittelbar oder mittelbar angetrieben wird.
-
Zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gehört auch die besagte Hochdruckdichtung, die zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpengehäuse angeordnet ist und den Pumpenkolben gegenüber einem Hochdruckbereich, insbesondere einem Förderraum, abdichtet. Diese Hochdruckdichtung ist ringförmig bzw. hülsenförmig. Bewegt sich der Pumpenkolben in Richtung zu einem Förderraum (Förderhub), erhöht sich der Druck auf die Hochdruckdichtung, wodurch diese an die zylindrische Außenwand des Pumpenkolbens und an ein vorhandenes Gegenstück gedrückt wird. Hierdurch wird der Hochdruckbereich, darunter auch der Förderraum, zuverlässig abgedichtet. Sobald sich der Pumpenkolben wieder vom Förderraum weg bewegt (Saughub), lässt der Druck nach und die Hochdruckdichtung liegt nur noch mit geringer Kraft oder überhaupt nicht mehr an dem Pumpenkolben an, was zu weniger Reibung und Verschleiß führt.
-
Die Hochdruckdichtung ist durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Hierunter werden solche Fertigungsverfahren verstanden, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so das dreidimensionale Werkstück erzeugt wird. Der schichtweise Aufbau kann computergesteuert erfolgen unter Verwendung von flüssigen oder festen Werkstoffen. Beim Aufbau können physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse Anwendung finden. Vorrichtungen für die additive Fertigung werden auch als „3D-Drucker“ bezeichnet.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein radial innenliegender Bereich der Hochdruckdichtung eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung umlaufenden Dichtwulsten umfasst. Hierdurch wird die Dichtwirkung erheblich verbessert. Die Herstellung von solchen Dichtwulsten führt auf dem radial innenliegenden Bereich der Hochdruckdichtung zu Hinterschnitten beispielsweise in Form der zwischen den Dichtwulsten liegenden Freiräume, die bisher mit herkömmlichen Herstellungsverfahren, beispielsweise Spritzgussverfahren, nicht realisierbar waren. Insbesondere die mögliche Darstellung von solchen Hinterschnitten durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens ist für die bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckpumpe eingesetzte Art von Hochdruckdichtung besonders vorteilhaft.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Dichtwulste als Beißkanten ausgebildet sind oder solche zumindest umfassen. Durch die Verwendung von solchen bei Beißkanten kann der Fertigungsprozess „Bördeln“, der sonst notwendig ist, entfallen. Hierdurch werden die Kosten nochmals gesenkt.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein radial innenliegender und wenigstens zeitweise am Pumpenkolben anliegender Bereich nicht nachbearbeitet ist. Eine solche Nachbearbeitung könnte beispielsweise ein Honen oder Schleifen umfassen. Durch den Wegfall dieser Schritte der Nachbearbeitung werden nochmals Kosten eingespart. Ermöglicht wird dies durch die bei einem additiven Fertigungsverfahren mögliche hohe Maßgenauigkeit, und insbesondere durch die oben erwähnte Möglichkeit der Ausbildung von mehreren Dichtwulsten bzw. Beißkanten.
-
Gleichwohl ist grundsätzlich möglich, dass ein radial innenliegender und wenigstens zeitweise am Pumpenkolben anliegender Bereich nachbearbeitet ist, insbesondere gehont und/oder geschliffen ist. Hierdurch wird die Maßgenauigkeit nochmals verbessert, durch die Dichtwirkung erhöht und gleichzeitig die Reibung zwischen Hochdruckdichtung und Pumpenkolben reduziert wird.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Hochdruckdichtung an ihrem vom Hochdruckbereich abgewandten stirnseitigen Rand mindestens einen axial abragenden Dichtwulst aufweist. Dieser erhöht nochmals die Dichtwirkung der Hochdruckdichtung, indem er mit einem entsprechenden Gegenstück zusammenwirkt.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckdichtung an ihrem vom Hochdruckbereich abgewandten stirnseitigen Rand einen sich nach radial außen erstreckenden umlaufenden Bund aufweist, an dem mindestens ein axial abragender Dichtwulst ausgebildet ist. Ein solcher Bund kann in axialer Richtung eine gewisse Elastizität aufweisen, wodurch trotz Montagetoleranzen eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet wird.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Hochdruckdichtung aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus PEEK hergestellt ist. Dieses Material hat sich bewährt, ist gegenüber vielen Fluiden beständig, sorgt für eine geringe Reibung zwischen Pumpenkolben und Hochdruckdichtung, und ist für ein additives Fertigungsverfahren sehr gut geeignet. PEEK ist die Abkürzung für Polyetheretherketon. PEEK verfügt auch über eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kraftstoff-Hochdruckpumpe ein ringförmiges Führungselement umfasst, welches den Pumpenkolben im Gleitsitz führt und welches, von der Hochdruckdichtung aus gesehen, zu dem Hochdruckbereich hin angeordnet ist. Die Funktion „Führung“ und die Funktion „Abdichtung“ sind somit entkoppelt, wodurch insbesondere die Hochdruckdichtung entlastet wird.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass zwischen der Hochdruckdichtung und dem Führungselement eine Federeinrichtung, insbesondere eine Federscheibe, angeordnet ist, dass auf der vom Hochdruckbereich abgewandten Seite der Hochdruckdichtung ein Haltering angeordnet ist, und dass die Federeinrichtung die Hochdruckdichtung gegen den Haltering beaufschlagt. Insbesondere im Zusammenhang mit dem oben erwähnten axial abragenden Dichtwulst werden auf diese Weise eine sichere Halterung und eine gute Abdichtung erreicht.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
- 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einer schematisch gezeichneten Hochdruckdichtung;
- 2 einen detaillierten Schnitt durch einen Bereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe von 1 mit der Hochdruckdichtung;
- 3 eine perspektivische Darstellung der Hochdruckdichtung der 1 und 2; und
- 4 einen Schnitt durch die Hochdruckdichtung von 3.
-
In den Figuren trägt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Pumpengehäuse 12, welches vorliegend beispielhaft insgesamt in etwa zylindrische Gestalt aufweist mit einer Längsachse 14. In dem Pumpengehäuse 12 ist vorliegend beispielhaft koaxial zur Längsachse 14 eine stufenförmige sacklochartige und beispielsweise durch eine Bohrung hergestellte Öffnung 16 vorhanden, in der ein Pumpenkolben 18 aufgenommen ist.
-
Der Pumpenkolben 18 ist als längliches zylindrisches Teil ausgebildet mit einem in axialer Richtung gesehen ersten Abschnitt 20 und einem zweiten Abschnitt 22.
-
Der erste Abschnitt 20 hat einen größeren Durchmesser als der zweite Abschnitt 22. Der erste Abschnitt 20 ist einem Förderraum 24 zugewandt, wohingegen der zweite Abschnitt 22 einem nicht dargestellten Antrieb zugewandt ist.
-
Zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 gehört auch ein Einlassventil 26, welches als Rückschlagventil ausgebildet ist, welches jedoch von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 28 zwangsweise in einer geöffneten Stellung gehalten werden kann. Ferner gehören zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ein als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 30 sowie ein Druckbegrenzungsventil 32. In 1 ist im Bereich einer oberen Stirnfläche (ohne Bezugszeichen) des Pumpengehäuses 12 ferner ein Membrandämpfer 34 zum Dämpfen von Niederdruckpulsationen vorhanden.
-
Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine. Zum Einlassventil 26 gelangt der Kraftstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, von einer meist elektrisch angetriebenen Vorförderpumpe. Der Pumpenkolben 18 wird an seinem in 1 unteren Ende von einem Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine, in eine Hin- und Herbewegung versetzt, wodurch Kraftstoff während eines Saucoups über das Einlassventil 26 in den Förderraum 24 angesaugt, dort während eines Förderhubs auf einen hohen Druck verdichtet und schließlich über das Auslassventil 30 zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen wird. Von dort gelangt der Kraftstoff über Injektoren in zugeordnete Brennräume.
-
Der Pumpenkolben 18 wird relativ zum Pumpengehäuse 12 an zwei voneinander axial beabstandeten Stellen geführt, nämlich einerseits knapp unterhalb vom Förderraum 24 durch ein erstes ringförmiges Führungselement 36 und knapp oberhalb von einem in 1 unteren Ende durch ein zweites ringförmiges Führungselement 38.
-
Wie aus 2 hervorgeht, ist knapp unterhalb von dem ersten ringförmigen Führungselement 36 zwischen dem Pumpengehäuse 12 und dem Pumpenkolben 18 eine ring- bzw. hülsenförmige Hochdruckdichtung 40 angeordnet. Diese kann beispielsweise aus einem PTFE-Material hergestellt sein. In axialer Richtung der Längsachse 14 gesehen ist zwischen der Hochdruckdichtung 40 und dem ersten ringförmigen Führungselement 36 eine ringförmige Federeinrichtung 42 verspannt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Tellerfeder oder eine Schraubenfeder handeln. Durch diese wird die Hochdruckdichtung 40 gegen einen in den Figuren unterhalb von der Hochdruckdichtung 40 angeordneten Haltering 44 beaufschlagt, der im Presssitz in der Öffnung 16 des Pumpengehäuses 12 gehalten ist. In 1 oberhalb von dem zweiten Führungselement 38 ist eine Niederdruckdichtung 46 angeordnet.
-
Nun wird unter Bezugnahme auf die 2-4 die Hochdruckdichtung 40 stärker im Detail erläutert: die Hochdruckdichtung 40 ist insgesamt hülsenförmig und zylindrisch ausgebildet und ist durch ein additives Fertigungsverfahren („3D-Druck“) aus einem PEEK-Material hergestellt. Sie umfasst eine Mehrzahl (vorliegend beispielhaft insgesamt sechs) von in Umfangsrichtung umlaufenden und nach radial innen gerichteten Dichtwulsten 48, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist.
-
Die Dichtwulste 48 sind auf der radial innen liegenden Mantelfläche der Hochdruckdichtung 40 vorhanden bzw. bilden diese und haben jeweils eine abragende abgerundete Kante 50 in der Art einer Beißkante. Zwischen benachbarten Dichtwulsten 48 sind Freiräume 51 in Form von Hinterschnitten vorhanden. Die Beißkanten 50 der Hochdruckdichtung 40 liegen an einer äußeren Mantelfläche (ohne Bezugszeichen) des Pumpenkolbens 18 dichtend an. Durch die Verwendung der Mehrzahl von Beißkanten 50 anstatt einer geraden zylindrischen Dichtfläche kann der sonst notwendige Fertigungsprozess „Bördeln“ entfallen.
-
Die Beißkanten 50 können unmittelbar durch das additive Fertigungsverfahren hergestellt, also nicht nachbearbeitet sein. Sie können aber auch nach der Herstellung durch das additive Fertigungsverfahren nachbearbeitet sein, beispielsweise durch Honen oder/und durch Schleifen. Hierdurch wird eine besonders gute Passung zwischen der Hochdruckdichtung 40 und dem Pumpenkolben 18 sichergestellt.
-
An einem in den Figuren unteren und vom Hochdruckbereich, beispielsweise dem Förderraum 24, abgewandten stirnseitigen Rand weist die Hochdruckdichtung 40 vorliegend zwei axial zum Haltering 44 hin abragende und in Umfangsrichtung umlaufende Dichtwulste 52 auf. Die beiden Dichtwulste 52 sind in radialer Richtung voneinander beabstandet. Hierzu ist an dem stirnseitigen Rand ein sich nach radial außen erstreckender und umlaufender Bund 54 ausgebildet, an dessen radial äußerem Rand der zweite der beiden Dichtwulste 52 angeordnet ist. Die beiden axial abragenden Dichtwulste 52 werden von der Federeinrichtung 42 gegen den Haltering 44 gedrückt, wodurch auch hier eine zuverlässige Abdichtung erzeugt wird.
-
Das Funktionsprinzip der Hochdruckdichtung 40 ist das gleiche wie bei bisherigen Hochdruckdichtungen, die nicht durch ein additives Fertigungsverfahren, sondern beispielsweise durch Kunststoff-Spritzguss hergestellt sind. Wird der Pumpenkolben 18 vom Antrieb während eines Förderhubs in Richtung zum Förderraum 24 (in den Figuren also nach oben) bewegt, wird der im Förderraum 24 und den mit diesem unmittelbar verbundenen Bereichen vorhandene Kraftstoff komprimiert, so dass sich dessen Druck erhöht.
-
Folglich erhöht sich auch der auf die Hochdruckdichtung 40 wirkende Druck, wodurch diese mit den bei Beißkanten 50 an die zylindrische äußere Mantelfläche des Pumpenkolbens 18 und mit den sich axial erstreckenden Dichtwulsten 52 gegen den Haltering 44 gedrückt wird. Auf diese Weise wird der Hochdruckbereich (Förderraum 24, etc.) abgedichtet. Sobald sich der Pumpenkolben 18 während eines Saughubs wieder vom Förderraum 24 weg (in den Figuren also nach unten) bewegt, lässt der Druck nach, wodurch die Hochdruckdichtung 40 mit geringerer Kraft am Pumpenkolben 18 anliegt, was zu reduzierter Reibung und somit zu einem geringeren Verschleiß führt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013226088 A1 [0002]
