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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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 Dichtung zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben. Als Dichtung kommt ein gegenüber dem Pumpengehäuse stationärer hülsenförmiger Dichtring zum Einsatz, der aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Der Dichtring ist zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben so angeordnet, dass er von dem aus dem Förderraum wirkenden Druck wenigstens bereichsweise nach radial innen gegen den Pumpenkolben und axial gegen eine dem Pumpengehäuse zugeordnete Gegenfläche beaufschlagt wird. Er wird somit quasi durch den vom Förderraum her wirkenden Druck „aktiviert“. Darüber hinaus wird er von einer Federeinrichtung axial gegen die dem Pumpengehäuse zugeordnete Gegenfläche beaufschlagt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil, dass bei ihr die Kontakt- bzw. Auflagefläche für die Federeinrichtung deutlich vergrößert ist. In der Folge wird die Kraft von der Federeinrichtung gleichmäßiger als bisher und auf eine größere Fläche verteilt, und ein Toleranzausgleich für eine sichere Auflage der Federeinrichtung relativ zur Dichtung kann einfacher dargestellt werden als bei einer Dichtung mit geringerer Auflagefläche für die Federeinrichtung.
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Konkret wird dies erreicht durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine 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 ein Pumpengehäuse und einen Pumpenkolben. Der Pumpenkolben ist im Pumpengehäuse durch eine Kolbenführung geführt. Diese kann beispielsweise als in axialer Richtung voneinander beabstandete Führungsringe ausgestaltet sein, die in einer Ausnehmung im Pumpengehäuse gehalten sind.
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Zwischen dem Pumpenkolben und der Innenwand einer Aufnahmeöffnung in dem Pumpengehäuse ist ein radialer Spalt vorhanden, der durch eine hülsenförmige Dichtung abgedichtet wird („radial“ wird hier und nachfolgend als eine Richtung verstanden, die wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse der Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse ist, in der der Pumpenkolben und die Dichtung aufgenommen sind). Die Dichtung ist also bereichsweise zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben im Wesentlichen koaxial zum Pumpenkolben angeordnet. Die Dichtung ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt.
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Eine radiale Innenfläche der Dichtung liegt im Betrieb wenigstens bereichsweise an einer radialen Außenfläche des Pumpenkolbens an. Mindestens mit einem Bereich einer Stirnfläche liegt die Dichtung im Betrieb axial an einer dem Pumpengehäuse zugeordneten Gegenfläche an. Unter anderem wird sie mittels einer Federeinrichtung in axialer Richtung gegen diese Gegenfläche beaufschlagt. Diese Gegenfläche kann beispielsweise durch eine ringförmige Stirnfläche eines ringförmigen Halteelements geschaffen werden, das in einer Ausnehmung im Pumpengehäuse aufgenommen ist, beispielsweise in diese eingepresst und/oder mit dem Pumpengehäuse verschweißt ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Dichtung an ihrem zur Federeinrichtung benachbarten axialen Ende einen sich nach radial außen erstreckenden Stützabschnitt für die Federeinrichtung aufweist. Die üblicherweise in der Art einer Hülse ausgebildete Dichtung kann an dem besagten Ende also beispielsweise einen nach radial außen abragenden Ringbund aufweisen, der als in radialer Richtung verbreiterte Aufstandsfläche für die Federeinrichtung dient, ohne dass die Steifigkeit in dem sich im Wesentlichen axial erstreckenden Abschnitt der Dichtung nachteilig beeinflusst wird.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Bereich eines radial äußeren Rands des Stützabschnitts mit einer Innenwand der Aufnahmeöffnung mit geringem Spiel zusammenwirkt. Auf diese Weise wird die Dichtung gegenüber der Innenwand der Aufnahmeöffnung - beispielsweise in ein er Art Gleitsitz - zentriert, ohne jedoch durch die Innenwand der Aufnahmeöffnung geklemmt oder gepresst zu werden. Hierdurch wird die Montierbarkeit des Pumpenkolbens verbessert, da ein möglicher Koaxialfehler der montierten Dichtung zu einer Längsachse der Kolbenpumpe verkleinert wird.
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Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass ein radial äußerer Rand des Stützabschnitts von einer Innenwand der Aufnahmeöffnung deutlich beabstandet ist, so dass das gerade erwähnte Zusammenwirken mit der Innenwand der Aufnahmeöffnung nicht stattfindet. Dies erleichtert es, dass Kraftstoff über den Stützabschnitt hinweg strömen und die Druckwirkung vom Förderraum bis zur Außenseite des eigentlichen hülsenförmigen Dichtabschnitts der Dichtung gelangen kann, was die eingangs erwähnte „Aktivierung“ der Dichtung beschleunigt und vereinfacht. Dies hat vor allem bei solchen Pumpenkolben mit einem vergleichsweise geringen Durchmesser Vorteile, da bei einer solchen Kolbenpumpe die nominale Fördermenge vergleichsweise gering ist. Der durch den Abstand zwischen Stützabschnitt und Innenwand der Aufnahmeöffnung gebildete Spalt ist somit zumindest ein Teil eines Druck- bzw. Fluidpfads vom Förderraum der Pumpenkolben zur radialen Außenseite hülsenförmigen Dichtabschnitts der Dichtung.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Stützabschnitt einen Durchströmabschnitt für Fluid aufweist. Dies hat besonders dann einen Vorteil, wenn der Stützabschnitt mit der Innenwand der Aufnahmeöffnung wie oben erwähnt mit geringem Spiel zusammenwirkt. Entsprechend kann durch den dann sehr kleinen Spalt zwischen dem Stützabschnitt und der Innenwand nur wenig bzw. fast kein Fluid vom Förderraum zur Außenseite der Dichtung gelangen. Durch das Vorsehen eines Durchströmabschnitts wird dieser Nachteil wieder aufgehoben und hierdurch die Funktion der Dichtung insbesondere bei Betriebsbeginn der Kolbenpumpe verbessert.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Durchströmabschnitt mindestens eine Ausnehmung an bzw. in dem äußeren Rand des Stützabschnitts umfasst. Dies kann fertigungstechnisch sehr einfach realisiert werden.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Ausnehmung einen runden oder einen eckigen Querschnitt aufweist. Ein eher runder Querschnitt hat Vorteile im Hinblick auf die Spannungen im Stützabschnitt, ein eckiger Querschnitt stellt eine größere Querschnitts- und somit Durchströmfläche zur Verfügung.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Durchströmabschnitt mindestens eine Durchlassöffnung in dem Stützabschnitt umfasst. Eine solche Durchlassöffnung kann beispielsweise als Bohrung ausgebildet sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Kontaktlänge des äußeren Rands des Stützabschnitts mit der Innenwand der Aufnahmeöffnung nicht reduziert wird.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Stützabschnitt in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet ist. Dies schafft die maximale Aufstandsfläche für die Federeinrichtung und hat insoweit Vorteile bezüglich der Festigkeit.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Stützabschnitt eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Teilabschnitten umfasst. Hierdurch wird Material gespart und der Fluidweg vom Förderraum zur Außenseite der Dichtung optimiert.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Federeinrichtung eine Wellenfeder umfasst. Eine solche baut in axialer Richtung sehr kurz, wodurch die axiale Länge der Kolbenpumpe insgesamt gering gehalten werden kann.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse und mit einer ersten Ausführungsform einer Dichtung;
- 2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Bereichs der Hochdruckdichtung und des Pumpengehäuses von 1 mit der Dichtung von 1;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eine Dichtung; und
- 4 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Dichtung.
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Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden im Normalfall nur bei der ersten Erwähnung im Detail erläutert.
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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.
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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.
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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.
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Zwischen dem Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 und einer inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ist eine hülsenförmige Dichtung 32 angeordnet, die auch als Hochdruckdichtring („HDR“) bezeichnet wird. 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 Dichtung 32 befindenden Förderraum 28 („Hochdruckbereich“) gegenüber dem in 1 unterhalb von der ringförmigen Dichtung 32 angeordneten Bereich („Niederdruckbereich“) ab.
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Zwischen dem Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 und der inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ist ein von der hülsenförmigen Dichtung 32 separates und oberhalb von der Dichtung 32 angeordnetes hülsen- bzw. ringförmiges Führungselement 34 angeordnet. Es dient zur radialen Führung des Pumpenkolbens 20. In 1 unterhalb von der Dichtung 32 ist ein ebenfalls hülsen- bzw. ringförmiges Halteelement 36 vorhanden, welches im in 1 unteren Bereich der Aufnahmeöffnung 18 angeordnet ist. Die hülsenförmige Dichtung 32 liegt am Halteelement 36 derart an, dass dort eine statische Dichtstelle gebildet wird, welche die Dichtung 32 gegenüber dem Halteelement 36 abgedichtet.
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Das Halteelement 36 kann in das Pumpengehäuse 12 eingepresst sein, oder es kann in der Aufnahmeöffnung 18 verstemmt oder mit dem Pumpengehäuse 16 verschweißt sein. Die Kolbenpumpe 10 weist ein weiteres Führungselement 38 auf, welches ebenfalls ein hülsen- bzw. ringförmiges Teil und in einem Träger (ohne Bezugszeichen) angeordnet ist, der vom Pumpengehäuse 16 in 1 nach unten abragt. Auch das Führungselement 38 dient zur Führung des Pumpenkolbens 20 relativ zum Pumpengehäuse 16.
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Die Dichtung 32 wird gegen das Halteelement 36 beaufschlagt. Hierzu ist zwischen der Dichtung 32 und dem an einem Absatz 44 der Aufnahmeöffnung 18 anliegenden Führungselement 34 eine Federeinrichtung 46 verspannt, die vorliegend als ringscheibenförmige Wellenfeder ausgebildet ist.
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Die genaue Ausgestaltung von Dichtung 32 und Federeinrichtung 46 wird nun unter Bezugnahme auf 2 stärker im Detail erläutert: die Dichtung 32 weist einen ersten Abschnitt 48 auf, der sich in axialer Richtung erstreckt und der somit insgesamt hülsenförmig bzw. zylindrisch ist. Von dem in 2 unteren, also dem Halteelement 36 zugewandten Rand der Dichtung 32 erstreckt sich nach radial außen ein umlaufender zweiter Abschnitt 50 in der Art eines umlaufenden Ringbunds. Eine in 2 untere Stirnfläche 52 der Dichtung 32 bzw. des sich radial erstreckenden zweiten Abschnitts 50 kontaktiert eine in 1 nach oben weisende Gegenfläche 54 des Halteelements 36.
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An dem in 2 oberen und dem Führungselement 34 zugewandten Ende der Dichtung 32 ist an deren sich axial erstreckenden ersten Abschnitt 48 ein sich nach radial außen erstreckender dritter Abschnitt 56 angeformt. Dieser bildet insoweit eine Art von Ringbund. Die Federeinrichtung 46 stützt sich insbesondere an einer Aufstandsfläche 59 dieses Abschnitts 56 ab. Dieser wird daher nachfolgend auch als „Stützabschnitt“ bezeichnet.
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Bei der in 2 gezeichneten Ausführungsform ist ersichtlich, dass ein radial äußerer Rand 58 des Stützabschnitts 56 von der inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 um einen Abstand 60 deutlich beabstandet ist. Auf diese Weise kann Fluid vom Förderraum durch den Spalt zwischen dem Führungselement 34 und dem Pumpenkolben 20, durch die Federeinrichtung 46 und den Abstand 60 auf die radiale Außenseite des sich axial erstreckenden Abschnitts 48 („Dichtabschnitt“) der Dichtung 32 gelangen und diesen durch den hierdurch übertragenen Druck nach radial innen gegen den Pumpenkolben 20 beaufschlagen und die oben beschriebene „Aktivierung“ der Dichtung 32 bewirken. Man erkennt ferner aus 2, dass es das Vorsehen des Stützabschnitts 56 gestattet, dass die Federeinrichtung 46 in radialer Richtung relativ breit ausgebildet und mit deutlichem Abstand zum Pumpenkolben 20 angeordnet ist.
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Bei der alternativen Ausführungsform einer Dichtung 32 gemäß 3 ist der Außendurchmesser des Stützabschnitts 56 größer als bei der Ausführungsform der 2. Bei der Ausführungsform der 3 ist der Außendurchmesser so gewählt, dass der radial äußere Rand 58 des Stützabschnitts 56 in Einbaulage mit der inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 mit geringem Spiel, was auch einen Gleitsitz einschließt, zusammenwirkt. Auf diese Weise wird zumindest der in 2 obere Bereich der Dichtung 32 relativ zur Aufnahmeöffnung 18 zentriert.
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Um dennoch sicherzustellen, dass die oben mehrfach beschriebene „Aktivierung“ der Dichtung 32 möglich ist, weist der Stützabschnitt 56 einen Durchströmabschnitt 62 in Form vorliegend beispielhaft einer Mehrzahl von Durchlassöffnungen 64 auf. Bei diesen handelt es sich vorliegend beispielhaft um kreisrunde Bohrungen. Diese sind vorliegend beispielhaft im Stützabschnitt 56 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Grundsätzlich denkbar wäre aber auch eine Gruppierung an bestimmten Stellen. Denkbar ist auch, dass nur eine einzige Durchlassöffnung vorhanden ist.
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Bei einer nochmals alternativen Ausführungsform gemäß 4 ist der Außendurchmesser des Stützabschnitts 56 gleich wie bei der Ausführungsform gemäß 3. Allerdings wird der Durchströmabschnitt 62 durch eine Mehrzahl von Ausnehmungen 66 im radial äußeren Rand 58 des Stützabschnitts 56 gebildet. Die Mehrzahl von diesen Ausnehmungen 66 hat vorliegend beispielhaft einen halbrunden Querschnitt, zwei entgegengesetzt angeordnete Ausnehmungen 66 jedoch einen rechteckigen Querschnitt.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen einer Dichtung 32 ist der Stützabschnitt 56 in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte der Stützabschnitt auch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Teilabschnitten umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212498 A1 [0002]
