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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Beispielsweise aus der
DE 10 2019 217 207 A1 ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe verdichtet den Kraftstoff in einem Förderraum durch eine Hin- und Herbewegung eines Pumpenkolbens auf einen hohen Druck und leitet ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) weiter, von wo der Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Angetrieben wird die bekannte Kraftstoff-Hochdruckpumpe am vom Förderraum entgegengesetzten Ende des Pumpenkolbens durch eine Exzenter- oder Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Zur Abdichtung zwischen einem förderraumseitigen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich dient bei der bekannten Kraftstoff-Hochdruckpumpe eine Kolbenbuchse, in der der Pumpenkolben geführt ist, und zwischen der und dem Pumpenkolben eine Spaltdichtung gebildet wird. Alternativ zu einer solchen Kolbenbuchse ist auch ein Hochdruck-Dichtring bekannt, der druckaktiviert am Pumpenkolben anliegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.
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Durch die Oberflächenstruktur auf der äußeren Mantelfläche des zweiten Abschnitts des Pumpenkolbens wird bei einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einer Dichteinrichtung in Form eines Hochdruck-Dichtrings der Verschleiß an diesem Hochdruck-Dichtring reduziert und hierdurch die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verbessert. Bei einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einer Dichteinrichtung in Form einer durch eine Kolbenbuchse bewirkten Spaltdichtung kann auf die sonst zur Verschleißreduktion notwendige DLC-Beschichtung des Pumpenkolbens verzichtet werden, wodurch Kosten reduziert werden.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein erheblicher Anteil des Verschleißes im Kontaktbereich zwischen dem Pumpenkolben und der Dichteinrichtung durch hohe Temperaturen herbeigeführt wird, die in diesem Kontaktbereich beispielsweise durch die Reibung zwischen dem Pumpenkolben und der Dichteinrichtung entstehen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Mikrovertiefungen und die hierdurch erzeugte Oberflächenstruktur wird eine gezielte Kühlung im tribologischen Kontaktbereich zwischen dem Pumpenkolben und der Dichteinrichtung herbeigeführt, indem kühler Kraftstoff in diesen Bereich geführt wird.
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Erzeugt werden können die Mikrovertiefungen vergleichsweise preiswert beispielsweise durch eine Laserbearbeitung der äußeren Mantelfläche des zweiten Abschnitts des Pumpenkolbens. Dabei ist es zwar möglich, aber nicht notwendig, dass die äußere Mantelfläche des zweiten Abschnitts über dessen gesamte axiale Länge die erfindungsgemäßen Mikrovertiefungen aufweist. Vielmehr ist es möglich, die Mikrovertiefungen lediglich (zuzüglich eventuell einer gewissen axialen Toleranz) in jenem axialen Abschnitt des zweiten Abschnitts des Pumpenkolbens vorzusehen, der im Betrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit der Dichteinrichtung, also entweder dem Hochdruck-Dichtring oder der Kolbenbuchse, in tribologischem Kontakt steht, also in dem oben erwähnten Kontaktbereich. Besonders günstig ist es, wenn der Bereich, in dem die Mikrovertiefungen vorhanden sind, dann, wenn sich der Pumpenkolben im oberen Totpunkt befindet, etwas über den tribologischen Kontaktbereich mit der Dichteinrichtung in Richtung Antrieb übersteht.
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Die Mikrovertiefungen können dabei sowohl in axialer Richtung gesehen als auch in Umfangsrichtung gesehen in einer Reihe angeordnet sein, sie können aber auch versetzt zueinander angeordnet sein. Möglich ist auch, dass sie in der einen Richtung in einer Reihe angeordnet sind, in der anderen Richtung dagegen versetzt zueinander angeordnet sind. Die Mikrovertiefungen können alle die gleiche Geometrie aufweisen, sie können aber auch unterschiedliche Geometrien aufweisen. Ferner können die Mikrovertiefungen in einer Art Helixstruktur oder in einer Struktur, wie man sie vorteilhaft von Honprozessen kennt, angeordnet sein.
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Konkret wird eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich sowohl um eine Diesel-Brennkraftmaschine als auch um eine Benzin-Brennkraftmaschine handeln. Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe verdichtet im Betrieb den Kraftstoff auf einen hohen Druck und fördert ihn zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“), von wo der Kraftstoff über Injektoren direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Bei der Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann es sich typischerweise um eine Einzylinder-Kolbenpumpe handeln, die von einer Exzenter- oder Nockenwelle in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe umfasst ein typischerweise beispielsweise zylindrisches oder mehreckiges längliches Pumpengehäuse und einen in dem Pumpengehäuse in einer sacklochartigen Öffnung geführten massiven Pumpenkolben. Dieser weist einen einem Antrieb zugewandten ersten Abschnitt mit kleinerem und einen einem Förderraum zugewandten zweiten Abschnitt mit größerem Durchmesser auf. Es handelt sich also um einen Stufenkolben. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe umfasst ferner eine Dichteinrichtung, die koaxial zum Pumpenkolben im Bereich von dessen zweitem Abschnitt angeordnet ist, und die einen förderraumseitigen Hochdruckbereich gegen einen Niederdruckbereich abgedichtet. Der Pumpenkolben weist auf der äußeren Mantelfläche des zweiten Abschnitts mindestens im Bereich der Dichteinrichtung eine Mehrzahl von Mikrovertiefungen auf, durch die die oben erwähnte Oberflächenstruktur gebildet wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mikrovertiefungen eine Mehrzahl von in der Draufsicht wenigstens in etwa kreisförmigen oder länglichen Dellen umfassen. Insbesondere solche in der Draufsicht kreisförmige Dellen sind als Makrostruktur von der grundsätzlichen Art her von Golfbällen bekannt, wo sie als „Dimples“ bezeichnet werden. Typischerweise kann der Durchmesser einer solchen kreisförmigen Delle im vorliegenden Anwendungsfall 20-30 µm, vorzugsweise ungefähr 25 µm betragen, bei einer Tiefe von 5-10 µm. Die Tiefe kann also geringer sein als der Durchmesser. Sind die Dellen länglich, können sie beispielsweise in der Draufsicht tropfenartige oder ovale Gestalt aufweisen. Sämtliche genannten Dellen haben den gemeinsamen Vorteil einer besonders effizienten Kühlung des tribologischen Kontaktbereichs.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass mindestens einige der Dellen im Querschnitt wenigstens in etwa sphärisch sind. Dies kann besonders leicht gefertigt werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mikrovertiefungen eine Mehrzahl von Nuten umfassen. Die Nuten gestatten eine ebenfalls sehr effiziente Kühlung des tribologischen Kontaktbereichs, indem sie kühlen Kraftstoff in den tribologischen Kontaktbereich führen.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass mindestens einige der Nuten in Längsrichtung des Pumpenkolbens verlaufen. Dies sorgt für eine effiziente Weiterleitung von kühlen Kraftstoff in Längsrichtung des Pumpenkolbens.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass mindestens einige der in Längsrichtung des Pumpenkolbens verlaufenden Nuten einen sich in Längsrichtung einer Nut veränderlichen Querschnitt aufweisen. Hierdurch kann die Verteilung des kühlen Kraftstoffs und der tribologische Kontakt im Kontaktbereich günstig beeinflusst werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens einige der Nuten in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens verlaufen. Auf diese Weise wird für eine gleichmäßige Verteilung des kühlen Kraftstoffs in Umfangsrichtung gesorgt.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens einige der Nuten einen wenigstens in etwa sphärischen Querschnitt aufweisen. Dies kann besonders leicht gefertigt werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens einige der Nuten einen wenigstens in etwa V-förmigen Querschnitt aufweisen. Dies hat sich für die erfindungsgemäßen Vorteile als besonders wirksam erwiesen.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpenkolben mit einer Mehrzahl von Mikrovertiefungen und einem Hochdruckdichtring;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs des Pumpenkolbens von 1, der eine Mehrzahl von Mikrovertiefungen aufweist;
- 3 eine Draufsicht auf eine erste mögliche Ausgestaltung des Pumpenkolbens von 1 mit Mikrovertiefungen in Form von in Längsrichtung des Pumpenkolbens verlaufenden Nuten;
- 4 eine perspektivische vergrößerte Draufsicht auf eine der Nuten von 3;
- 5 eine schematische vergrößerte Draufsicht auf eine andere Variante von Nuten;
- 6 eine Draufsicht auf eine zweite mögliche Ausgestaltung des Pumpenkolbens von 1 mit Mikrovertiefungen in Form von in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens verlaufenden Nuten;
- 7 eine Draufsicht auf eine dritte mögliche Ausgestaltung des Pumpenkolbens von 1 mit Mikrovertiefungen in Form von einer Vielzahl von in der Draufsicht kreisförmigen Dellen;
- 8 eine perspektivische vergrößerte Draufsicht auf einige der Dellen von 7;
- 9 eine schematische vergrößerte Draufsicht auf eine andere Variante von Dellen; und
- 10 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpenkolben mit einer Mehrzahl von Mikrovertiefungen mit einer Spaltdichtung.
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Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche auch in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden üblicherweise nur einmal im Detail erläutert.
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Eine Kolbenpumpe 10 umfasst in 1 ein Pumpengehäuse 12, ein Einlassventil 14 und ein Auslassventil 16. Das Pumpengehäuse 12 weist vorliegend beispielhaft insgesamt in etwa mehreckige Gestalt auf mit einer Längsachse 18. In dem Pumpengehäuse 12 ist vorliegend beispielhaft koaxial zur Längsachse 18 eine stufenförmige sacklochartige und beispielsweise durch eine Bohrung hergestellte Öffnung 20 vorhanden, in der ein Pumpenkolben 22 aufgenommen ist. Dieser begrenzt mit seinem in 1 oberen Endbereich zusammen mit dem Pumpengehäuse 12 einen Förderraum 24. Mit seinem in 1 unteren Endbereich kooperiert der Pumpenkolben 22 mit einem nicht gezeichneten Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle oder einer Exzenterwelle, der den Pumpenkolben 22 in eine Hin- und Herbewegung versetzen kann.
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Bewegt sich der Pumpenkolben 22 in 1 nach unten (Saughub), wird der auf einen Vorförderdruck verdichtete Kraftstoff über das Einlassventil 14 in den Förderraum 24 angesaugt. Bewegt sich der Pumpenkolben 22 in 1 nach oben (Förderhub), wird der Kraftstoff im Förderraum 24 zunächst auf einen hohen Druck verdichtet, bis das Auslassventil 16 öffnet und der Kraftstoff zu einer Kraftstoff-Sammelleitung ausgestoßen wird.
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Zur Beeinflussung der von der Kolbenpumpe 10 geförderten Kraftstoffmenge kann das Einlassventil 14 durch eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 26 zwangsweise in eine geöffnete Stellung gebracht oder in dieser gehalten werden. Das Einlassventil 14 und die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 26 bilden daher insgesamt ein sogenanntes „Mengensteuerventil“. Wird das Einlassventil 14 während eines Förderhubs des Pumpenkolbens 22 zwangsweise geöffnet, führt dies zu einer Druckpulsation in einem stromaufwärts vom Einlassventil 14 gelegenen Fluidbereich. Zur Dämpfung dieser Druckpulsationen dient ein Druckpulsationsdämpfer 28.
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Der Pumpenkolben 22 umfasst einen dem Antrieb zugewandten ersten Abschnitt 30 und einen dem Förderraum 24 zugewandten zweiten Abschnitt 32. Der erste Abschnitt hat einen kleineren Durchmesser als der zweite Abschnitt, so dass zwischen erstem Abschnitt 30 und zweitem Abschnitt 32 ein stufenförmige Absatz 34 gebildet ist. Der Pumpenkolben 22 ist insgesamt massiv, also nicht hohl und auch nicht mit inneren Kanälen oder ähnlichem versehen.
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Zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 gehört ferner eine Dichteinrichtung 36, welche koaxial zum Pumpenkolben 22 zwischen diesem und der Öffnung 20 angeordnet ist. Die Dichteinrichtung 36 dichtet einen förderraumseitigen Hochdruckbereich gegenüber einem Niederdruckbereich ab. In 1 umfasst die Dichteinrichtung 36 beispielhaft einen Hochdruck-Dichtring 38, der, in Axialrichtung gesehen, zwischen einem Führungsring 40 und einem Klemmring 42 angeordnet ist. Der Hochdruck-Dichtring 38 wird von einer Federeinrichtung 44, die sich am Führungsring 40 abstützt, in Axialrichtung gegen den Klemmring 42 gedrückt. Sowohl der Führungsring 40 als auch der Klemmring 42 sind im Presssitz in der Öffnung 20 aufgenommen.
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Bei dem Hochdruck-Dichtring 38 handelt es sich vorliegend beispielhaft um eine sogenannte „druckaktivierte“ Dichteinrichtung 36. Dies bedeutet, dass der bei einem Förderhub im Förderraum 24 herrschende hohe Druck über einen Spalt zwischen der Öffnung 20 und dem Pumpenkolben 22 und den Führungsring 40 hinweg auf die radiale Außenseite des Hochdruck-Dichtrings 38 wirkt und diesen nach radial einwärts gegen eine äußere Mantelfläche 46 des zweiten Abschnitts 32 des Pumpenkolbens 22 drückt.
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Der Pumpenkolben 22 weist auf der äußeren Mantelfläche 46 des zweiten Abschnitts 32 einen sich axial beinahe bis zum in den 1 und 2 oberen Ende des Pumpenkolbens 22, jedoch vom Absatz 34 beabstandeten Bereich 48 auf, in dem eine Vielzahl von Mikrovertiefungen 50 vorhanden ist, durch die der Bereich 48 eine Oberflächenstruktur aufweist. Die axiale Länge und die Position des Bereichs 48 ist so bemessen, dass er sowohl dann, wenn sich der Pumpenkolben 22 im oberen Totpunkt befindet, als auch dann, wenn sich der Pumpenkolben 22 im unteren Totpunkt befindet, im Bereich der Dichteinrichtung 36 gelegen ist.
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Wie aus den 3-5 hervorgeht, können die Mikrovertiefungen 50 eine Mehrzahl von Nuten 52 umfassen, die in Längsrichtung, also parallel zur Längsachse 18, des Pumpenkolbens 22 verlaufen. Wie aus 4 hervorgeht, können die Nuten 52 einen sphärischen, beispielsweise halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, dass alle oder einige der Nuten einen wenigstens in etwa V-förmigen Querschnitt aufweisen. Wie aus 5 hervorgeht, können die Nuten 52 einen in Längsrichtung veränderlichen Querschnitt aufweisen, beispielsweise schmaler bzw. breiter werden.
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Möglich ist auch, dass die Mikrovertiefungen 50 mindestens auch eine Mehrzahl von Nuten 52 umfassen, die in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens 22 verlaufen (6).
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Wie aus den 7-9 hervorgeht, können die Mikrovertiefungen 50 auch eine Mehrzahl von Dellen 54 umfassen. Diese Dellen 54 können in der Draufsicht kreisförmig (8) oder länglich sein (9). Im Querschnitt können die Dellen 54 beispielsweise sphärisch sein, beispielsweise mit einer Tiefe, die geringer ist als ihr Durchmesser. Die Dellen 54 können mehr oder weniger zufällig, jedoch insgesamt gleichmäßig verteilt im Bereich 48 angeordnet sein. Möglich ist aber auch, dass die Dellen 54 in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens 22 gesehen in Reihen und in Längsrichtung des Pumpenkolbens 22 gesehen versetzt zueinander angeordnet sind, oder in Längsrichtung des Pumpenkolbens 22 gesehen in Reihen und in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens 22 gesehen versetzt zueinander angeordnet sind. Auch ist möglich, dass die Dellen 54 sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung des Pumpenkolbens 22 gesehen in Reihen angeordnet sind.
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Die Tiefe der Mikrovertiefungen 50 kann typischerweise im Bereich von 5-10 µm liegen. Im Fall der Dellen 54 kann deren Durchmesser typischerweise im Bereich von 20-30 µm, stärker bevorzugt im Bereich von ungefähr 25 µm liegen. Die Mikrovertiefungen 50 werden vorzugsweise durch einen Laser in die Mantelfläche 46 des Bereichs 48 des Pumpenkolbens 22 eingebracht und sind dann im eigentlichen Sinne „Ausnehmungen“.
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Nicht dargestellt, jedoch möglich ist, dass die Mikrovertiefungen sowohl Nuten als auch Dellen umfassen.
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Wie aus 10 hervorgeht, kann die Dichteinrichtung 36 auch als Spaltdichtung ausgebildet sein, die durch eine hohlzylindrische längliche Kolbenbuchse 56 geschaffen wird, die koaxial zum Pumpenkolben 22 zwischen diesem und der Öffnung 20 des Pumpengehäuses 12 angeordnet ist. Auch bei einer solchen Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 kann auf der äußeren Mantelfläche 46 des zweiten Abschnitts 32 des Pumpenkolbens 22 ein Bereich 48 mit Mikrovertiefungen 50 vorhanden sein, die wie oben beschrieben ausgestaltet sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019217207 A1 [0002]
