-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Die
DE 10 2017 212 498 A1 offenbart eine Kolbenpumpe, die beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung zum Einsatz kommen kann. Derartige Kolbenpumpen verfügen über eine Hochdruckdichtung zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben. Als Hochdruckdichtung kommt ein gegenüber dem Pumpengehäuse stationärer Dichtring zum Einsatz, der aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. In axialer Richtung des Pumpenkolbens gesehen wird die Hochdruckdichtung von einer Vorspanneinrichtung gegen eine dem Pumpengehäuse zugeordnete Gegenfläche beaufschlagt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil, dass die Position der Vorspanneinrichtung relativ zum Pumpenkolben gegenüber bisherigen Kolbenpumpen radial nach außen verlagert wird, wodurch die Gefahr verringert wird, dass die Vorspanneinrichtung den Pumpenkolben berührt. Dies könnte im Betrieb der Kolbenpumpe aufgrund der Bewegung des Pumpenkolbens relativ zur Vorspanneinrichtung zu Kratzern in einer äußeren Mantelfläche des Pumpenkolbens führen, die die Dichtwirkung der Hochdruckdichtung beeinträchtigen können. Der Liefergrad der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe wird somit verbessert. Darüber hinaus kann der Angreifabschnitt in radialer Richtung vergleichsweise groß ausgestaltet werden, sodass eine vergleichsweise große Aufstandsfläche für die Vorspanneinrichtung zur Verfügung steht. In der Folge wird eine Kippneigung der Vorspanneinrichtung reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit im Betrieb der Kolbenpumpe verbessert wird.
-
Konkret wird dies erreicht durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine. Eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe kommt sowohl bei Diesel- als auch bei Benzin-Brennkraftmaschinen zum Einsatz. Üblicherweise verdichtet sie den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“), von wo aus der Kraftstoff mittels Injektoren direkt in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe umfasst einen Pumpenkolben, der in einer Aufnahmeöffnung eines Pumpengehäuses aufgenommen ist. Das Pumpengehäuse begrenzt zusammen mit dem Pumpenkolben und eventuell noch weiteren Komponenten einen Förderraum, in dem der Kraftstoff verdichtet werden kann.
-
Radial außerhalb von dem und ringförmig um den Pumpenkolben herum ist eine mit dem Pumpenkolben wenigstens zeitweise zusammenwirkende Hochdruckdichtung angeordnet. Diese ist typischerweise ring- bzw. hülsenförmig ausgebildet. Sie dichtet einen radialen Spalt zwischen dem Pumpenkolben und der Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse ab, wobei „radial“ hier und nachfolgend als eine Richtung verstanden wird, die wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse der oben erwähnten Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse bzw. orthogonal zur Längsachse des Pumpenkolbens ist. Die Hochdruckdichtung ist also bereichsweise zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben und im Wesentlichen koaxial zum Pumpenkolben angeordnet.
-
Eine radiale Innenfläche der Hochdruckdichtung liegt im normalen Betrieb der Kolbenpumpe wenigstens bereichsweise an einer radialen Außenfläche des Pumpenkolbens an. Mindestens mit einem Bereich einer Stirnfläche eines ersten axialen Endbereichs liegt die Hochdruckdichtung im Normalbetrieb der Kolbenpumpe axial an einer dem Pumpengehäuse zugeordneten Gegenfläche an, die auf der vom Förderraum abgewandten Seite der Hochdruckdichtung angeordnet ist. Der erste axiale Endbereich der Hochdruckdichtung ist also jener Bereich, der in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens gesehen vom Förderraum entfernt angeordnet ist. Die Gegenfläche kann beispielsweise durch eine ringförmige Stirnfläche eines Halteelements geschaffen werden, das in der Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse aufgenommen ist, beispielsweise in diese eingepresst und/oder mit dem Pumpengehäuse verschweißt ist. Die Hochdruckdichtung wird somit durch dieses Halteelement in der Aufnahmeöffnung axial in einer Richtung vom Förderraum weg festgelegt.
-
Die Anlage der radialen Innenfläche der Hochdruckdichtung am Pumpenkolben und der axialen Stirnfläche der Hochdruckdichtung an der Gegenfläche wird bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ebenso wie bei entsprechenden Hochdruckdichtungen aus dem Stand der Technik im Normalbetrieb der Kolbenpumpe insbesondere durch einen vom Förderraum her wirkenden vergleichsweise hohen Hydraulikdruck bewirkt, der an einer radialen Außenfläche der Hochdruckdichtung und an einer in axialer Richtung vom Förderraum weg wirkenden Fläche der Hochdruckdichtung angreift. Die gewünschte maximale Dichtwirkung der Hochdruckdichtung ergibt sich somit erst nach Aufnahme des Betriebs der Kolbenpumpe. Die Hochdruckdichtung wird somit durch die Aufnahme des Betriebs der Kolbenpumpe „aktiviert“.
-
Um insbesondere zu Beginn des Betriebs der Kolbenpumpe, also vor und während der Aktivierung der Hochdruckdichtung, sicherzustellen, dass die Leckage durch den Spalt zwischen dem ersten axialen Endbereich der Hochdruckdichtung und der dem Gehäuse zugeordneten Gegenfläche möglichst gering ist, ist eine Vorspanneinrichtung vorgesehen, welche den ersten axialen Endbereich der Hochdruckdichtung in axialer Richtung gegen die Gegenfläche beaufschlagt. Hierzu dient ein vom ersten axialen Endbereich in axialer Richtung beabstandeter und sich nach radial außen erstreckender Angreifabschnitt der Hochdruckdichtung, an dem die Vorspanneinrichtung angreift.
-
Der Angreifabschnitt ist vorzugsweise einstückig mit der Hochdruckdichtung ausgebildet, insbesondere dann, wenn die Hochdruckdichtung aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, beispielsweise durch Spritzgießen. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, dass der Angreifabschnitt als zunächst separates Teil ausgebildet ist, welches nach der Herstellung an der Hochdruckdichtung befestigt wird.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Angreifabschnitt einen in Umfangsrichtung der Hochdruckdichtung durchgehenden Ringbund umfasst. Ein solcher Angreifabschnitt ist stabil und leitet die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung gleichmäßig in einen Körper der Hochdruckdichtung ein.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Angreifabschnitt eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung der Hochdruckdichtung voneinander beabstandeten und vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordneten Einzelabschnitten umfasst. Für eine sichere Lagerung der Vorspanneinrichtung sind mindestens drei solche Einzelabschnitte sinnvoll. Das Vorsehen von Einzelabschnitten reduziert den Materialeinsatz und verringert im Gegensatz zu einem durchgehenden Ringbund die radiale Steifigkeit der Hochdruckdichtung, sodass diese bereits bei vergleichsweise geringen Drücken „aktiviert“ wird und am Pumpenkolben anzuliegen beginnt.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Angreifabschnitt mindestens einen in axialer Richtung wirkenden Strömungsdurchlass aufweist. Hierdurch wird auch bei einem sich nach radial außen weit bis zu einer inneren Wand der Aufnahmeöffnung erstreckenden Angreifabschnitt sichergestellt, dass der vom Förderraum her wirkende hohe Fluiddruck bis zu dem ersten axialen Endbereich der Hochdruckdichtung wirken kann.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Strömungsdurchlass eine Ausnehmung in einem radial äußeren Rand des Angreifabschnitts umfasst. Dies kann besonders einfach hergestellt werden.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein vom ersten axialen Endbereich der Hochdruckdichtung entfernt angeordneter zweiter axialer Endbereich zu einem Führungselement für den Pumpenkolben oder einem Gehäuseabschnitt des Pumpengehäuses unmittelbar benachbart ist. Der zweite axiale Endbereich der Hochdruckdichtung ist also jener Bereich, der in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens gesehen zum Förderraum näher ist als der erste axiale Endbereich. Die axiale Länge der Hochdruckdichtung ist somit maximal, und somit ist auch die Dichtwirkung der Hochdruckdichtung maximal.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Angreifabschnitt eine axiale Position hat, die ungefähr bei 30-50 % der axialen Länge der Hochdruckdichtung in axialer Richtung zum ersten axialen Endbereich gesehen liegt. Dies ist im Hinblick auf die Länge der Vorspanneinrichtung und die Steifigkeit der Hochdruckdichtung besonders günstig.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Filmanguss in axialer Richtung zum ersten axialen Endbereich gesehen hinter dem Angreifabschnitt angeordnet ist. Ein solcher Filmanguss kann vorgesehen werden, um die Ausrichtung von Fasern, die in dem Material der Hochdruckdichtung enthalten sind, in Umfangsrichtung der Hochdruckdichtung zu begünstigen.
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einer Hochdruckdichtung und einer Vorspanneinrichtung;
- 2 eine vergrößerte schematische Darstellung des Bereichs der Hochdruckdichtung und der Vorspanneinrichtung von 1;
- 3 einen Draufsicht auf die Hochdruckdichtung der 1-2; und
- 4 eine perspektivische Darstellung einer Hochdruckdichtung, die ähnlich ist zu jener der 1-3.
-
Eine Kolbenpumpe in Form einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kolbenpumpe 10 gehört zu einem nicht weiter gezeichneten Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine. Sie fördert den Kraftstoff üblicherweise zu einem Kraftstoffrail, an welches mehrere Injektoren angeschlossen sind, die den Kraftstoff im Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzt.
-
Die Kolbenpumpe 10 umfasst ein steuerbares Einlassventil 12 und ein als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 14, sowie ein Pumpengehäuse 16. In diesem ist eine Aufnahmeöffnung 18 für einen Pumpenkolben 20 vorhanden. Der Pumpenkolben 20 kann in der Aufnahmeöffnung 18 parallel zu einer Längsachse 22 der Aufnahmeöffnung 18 bewegt werden. Hierzu dient ein in der Zeichnung nicht dargestellter Antrieb. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine handeln. Die Längsachse 22 ist im Wesentlichen auch die Längsachse des Pumpenkolbens 20.
-
Der Pumpenkolben 20 ist vorliegend beispielhaft als Stufenkolben ausgebildet mit einem Abschnitt 24 mit kleinerem Durchmesser und einem Abschnitt 26 mit größerem Durchmesser. Der Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 mit größerem Durchmesser begrenzt zusammen mit dem Pumpengehäuse 16 einen Förderraum 28. Dieser ist über nicht weiter bezeichnete Kanäle fluidisch mit dem Einlassventil 12 und dem Auslassventil 14 verbunden. Das Pumpengehäuse 16 kann als ein insgesamt in etwa rotationssymmetrisches Teil ausgebildet sein. Der Pumpenkolben 20 ist im Pumpengehäuse 16 in der Aufnahmeöffnung 18 aufgenommen, die als eine gestufte Sacklochbohrung ausgebildet ist mit Abschnitten, die jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
-
Zwischen dem Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 und einer inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ist eine hülsenförmige bzw. ringförmige Hochdruckdichtung 32 angeordnet, die aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Diese dichtet, wie weiter unten noch stärker im Detail dargelegt werden wird, unmittelbar zwischen dem Pumpenkolben 20 und dem Pumpengehäuse 16, und dichtet somit den sich in 1 oberhalb von der ringförmigen Hochdruckdichtung 32 befindenden Förderraum 28 („Hochdruckbereich“) gegenüber dem in 1 unterhalb von der ringförmigen Hochdruckdichtung 32 angeordneten Bereich („Niederdruckbereich“) ab. In einer axialen Richtung des Pumpenkolbens 20 gesehen zum Förderraum 28 hin befindet sich ein ringförmiges Führungselement 34. Das Führungselement 34 bildet ein in 1 oberes radiales Gleitlager für den Pumpenkolben 20.
-
In 1 unterhalb von der Hochdruckdichtung 34 ist ein ebenfalls hülsenförmiges bzw. ringförmiges Halteelement 36 vorhanden, welches in einem in 1 unteren Bereich der Aufnahmeöffnung 18 angeordnet ist. Das Halteelement 36 ist somit in axialer Richtung des Pumpenkolbens 20 gesehen auf der vom Förderraum 28 abgewandten Seite der Hochdruckdichtung 32 angeordnet. Die Hochdruckdichtung 32 liegt im Normalbetrieb der Kolbenpumpe 10 an einer der Hochdruckdichtung 32 zugewandten Gegenfläche 38 des Halteelements 36 derart an, dass dort eine statische Dichtstelle gebildet wird, welche die Hochdruckdichtung 32 gegenüber dem Halteelement 36 abdichtet. In 1 unterhalb vom Pumpengehäuse 16 ist ein Dichtungshalter 40 an diesem befestigt, der eine Niederdruckdichtung 42 sowie eine in 1 unteres Führungselement 44 für den Pumpenkolben 20 haltert.
-
Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, umfasst die Kolbenpumpe 10 ferner eine Vorspanneinrichtung 46, welche einen in den 1 und 2 unteren ersten axialen Endbereich 48 der Hochdruckdichtung 32 in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse 22 gesehen, gegen die dem Pumpengehäuse zugeordnete Gegenfläche 38 des Halteelements 36 beaufschlagt. Hierzu verfügt die Hochdruckdichtung 32 über einen Angreifabschnitt 50. Dieser ist vorliegend einstückig mit einem hülsenförmigen Körper 51 der Hochdruckdichtung 32 ausgebildet, und er erstreckt sich nach radial außen in der Art eines umlaufenden Ringbunds (siehe 3 und 4).
-
Der Angreifabschnitt 50 ist dabei vom ersten axialen Endbereich 48 der Hochdruckdichtung 32 um einen Abstand D in axialer Richtung zum Förderraum 28 hin beabstandet. Somit hat der Angreifabschnitt 50 eine axiale Position, die ungefähr bei 50-70 % der axialen Länge der Hochdruckdichtung 32 liegt, wenn vom ersten axialen Endbereich 48 in Richtung zum Förderraum 28 hin gesehen. Die Vorspanneinrichtung 46 greift mit einem Ende an dem Angreifabschnitt 50 an bzw. stützt sich an diesem ab, und mit dem anderen Ende am oberen Führungselement 34. Sie ist insoweit zwischen dem oberen Führungselement 34 und dem Angreifabschnitt 50 der Hochdruckdichtung 32 verspannt.
-
Ein in den 1 und 2 oberer zweiter axialer Endbereich 52 der Hochdruckdichtung 32, der insoweit vom ersten axialen Endbereich 48 entfernt und näher zum Förderraum 28 angeordnet ist als der erste axiale Endbereich 48, ist zu dem Führungselement 34 unmittelbar benachbart. Mit anderen Worten: die Hochdruckdichtung 32 hat die maximal mögliche Länge und erstreckt sich quasi vom Halteelement 36 bis zum Führungselement 34. Der Angreifabschnitt 50 hat eine axiale Position, die ungefähr bei 30-50% der axialen Länge der Hochdruckdichtung 32 liegt, wenn in axialer Richtung zum unteren ersten axialen Endbereich 48 hin gesehen.
-
Wie aus 3 hervorgeht, weist der Angreifabschnitt 50 vorliegend eine Mehrzahl, vorliegend beispielhaft nämlich vier, in axialer Richtung wirkende Strömungsdurchlässe 54 auf, die durch gekrümmte Ausnehmungen in einem radial äußeren Rand 56 des Angreifabschnitts 50 gebildet sind.
-
Wie aus 4 hervorgeht, weist die Hochdruckdichtung 32 einen Filmanguss 58 auf. Ein solcher Filmanguss wird beispielsweise bei Teilen eingesetzt, um durch eine breite und gleichmäßige Fließfront eine optimale Qualität zu erhalten. Vorliegend ist der Filmanguss 58 in axialer Richtung zum ersten axialen Endbereich 48 gesehen hinter dem Angreifabschnitt 50 angeordnet. Bei der vorliegenden Hochdruckdichtung 32 sorgt der Filmanguss unter anderem dafür, dass Fasern, die in dem Material der Hochdruckdichtung 32 enthalten sind, in Umfangsrichtung der Hochdruckdichtung 32 ausgerichtet sind.
-
Bei der vorliegend gezeigten Ausführungsform ist der Angreifabschnitt 50 als in Umfangsrichtung durchgehender Ringbund ausgebildet. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte der Angreifabschnitt auch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung der Hochdruckdichtung voneinander beabstandeten und vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordneten Einzelabschnitten umfassen.
-
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 102017212498 A1 [0002]
