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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, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtung für eine solche Kolbenpumpe nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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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 die radiale Außenseite der Dichtung frei ist von störenden Abschnitten bzw. geometrischen Ausformungen, sodass eine Federeinrichtung zumindest abschnittsweise im Wesentlichen koaxial zur Dichtung radial außerhalb von dieser angeordnet werden kann. Dies erhöht die Freiheiten bei der Auslegung der Kolbenpumpe und reduziert die Knicklänge zwischen jener Stelle der Dichtung, an der die Federeinrichtung angreift, und jener Stelle der Dichtung, an der sie von der Federeinrichtung gegen die Gegenfläche gedrückt wird. Schließlich wird der Querschnitt der Dichtung symmetrisch gemacht, was das Verformungsverhalten und damit letztlich die Dichtwirkung bzw. den Liefergrad der Kolbenpumpe günstig beeinflusst.
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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 mindestens bereichsweise zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben im Wesentlichen koaxial zum Pumpenkolben angeordnet.
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Eine radial innere Mantelfläche der Dichtung liegt im Betrieb wenigstens bereichsweise an einer radial äußeren Mantelfläche 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 von radial innen vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial spritzgegossen ist, wobei mindestens ein radial innen liegender Anspritzabschnitt durch Nachbearbeiten entfernt ist. Ein solcher Anspritzabschnitt wird auch als „Anspritzgeometrie“ bezeichnet und tritt im Grunde beinahe zwingend bei der Herstellung eines Teils durch Spritzgießen auf. Es handelt sich hierbei um Abschnitte, die nicht zur eigentlich gewünschten Formgestalt des hergestellten Teils gehören, sondern die durch technisch notwendige Abschnitte und Einrichtungen in der Wand der Spritzgussform hervorgerufen werden, beispielsweise durch die Düsen, durch die das Spritzgussmaterial in den Hohlraum der Spritzgussform eingespritzt wird.
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Allerdings ist es gerade die radial innen liegende Mantelfläche der Dichtung, welche nach der „Aktivierung“ für die Abdichtung zum Pumpenkolben hin sorgt, indem sie wenigstens bereichsweise an diesem anliegt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Nachbearbeitung wird die besagte radial innen liegenden Mantelfläche der Dichtung so glatt gemacht und auf jenes Maß gebracht, dass die Dichtung optimal mit dem Pumpenkolben zusammenwirken kann.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass eine radial innen liegende Mantelfläche der Dichtung durch Drehen, Fräsen und/oder Schleifen nachbearbeitet ist. Allgemein könnte man auch sagen, dass die Nachbearbeitung durch eine spanende bzw. spanabhebende Bearbeitung erfolgt. Die genannten Arten der Bearbeitung sind preiswert und gestatten eine hochgenaue Herstellung der radial innen liegenden Mantelfläche der Dichtung.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Dichtung an einem zur Gegenfläche benachbarten axialen Ende einen sich nach radial außen erstreckenden Abschnitt aufweist, an dem die Federeinrichtung angreift. Ein solcher sich nach radial außen erstreckender Abschnitt bildet somit eine Art umlaufenden Ringbund. Indem dort die Federeinrichtung angreift, drückt die Federeinrichtung genau an jener Stelle auf die Dichtung, wo die Abdichtung zur Gegenfläche erfolgen soll, ohne dass der eigentliche hülsenförmige Abschnitt der Dichtung, der für die eigentliche Abdichtung zum Pumpenkolben sorgt, auf Knicken belastet wird, was dessen Funktion und Verschleißverhalten nachteilig beeinflussen könnte. Da auf der Außenseite keinerlei Anspritzabschnitte vorhanden sind, kann sich die Federeinrichtung über die gesamte Länge der Dichtung koaxial zu dieser bis zu dem nach radial außen erstreckenden Abschnitt erstrecken.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass eine radial äußere Mantelfläche der Dichtung nach dem Spritzgießen unbearbeitet ist. Hierdurch werden Kosten gespart.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Federeinrichtung eine Spiralfeder umfasst. Eine solche ist sehr preisgünstig.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass eine Faserrichtung in der Dichtung wenigstens im Wesentlichen in Umfangsrichtung verläuft. Dies sorgt für optimale Verformungseigenschaften der Dichtung.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für eine Kolbenpumpe der obigen Art, wobei es folgende Verfahrensschritte umfasst: a. Herstellen eines Dichtungsrohlings durch Spritzgießen von einer radialen Innenseite des Dichtungsrohlings her; und b. Entfernen mindestens eines radial innen liegenden Anspritzabschnitts vom Dichtungsrohling durch Nachbearbeiten.
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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 Dichtung;
- 2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Bereichs der Kolbenpumpe von 1;
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Dichtungsrohlings zu einem ersten Zeitpunkt während der Herstellung der Dichtung;
- 4 eine perspektivische Darstellung der Dichtung nach vollendeter Herstellung; und
- 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Dichtung der 1-4.
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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 aus einem Kunststoffmaterial 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 der Aufnahmeöffnung 18 anliegenden Führungselement 34 eine Federeinrichtung 46 verspannt, die vorliegend als zur Dichtung 32 in etwa koaxiale Spiralfeder 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 und der, wie oben bereits erwähnt, die eigentliche Dichtfunktion zum Pumpenkolben 20 hin hat. Von dem in 2 unteren, also dem Halteelement 36 zugewandten Rand des ersten Abschnitts 48 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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Man erkennt aus 2, dass sich die Federeinrichtung 46 koaxial zum sich in axialer Richtung erstreckenden ersten Abschnitt 48 der Dichtung 32 radial außerhalb von diesem erstreckt, und zwar über dessen gesamte Länge, also vom Führungselement 34, an dem sich das in 2 obere Ende der Federeinrichtung 46 abstützt, bis zu einer ringförmigen Stützfläche 56 am sich radial nach außen erstreckenden zweiten Abschnitt 50 der Dichtung 32 in unmittelbarer Nachbarschaft zum Halteelement 36.
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Bei der Dichtung 32 handelt es sich um eine solche, welche von radial innen spritzgegossen ist, und bei der radial innen liegende Anspritzabschnitte durch Nachbearbeiten entfernt sind. Dies ist aus den 3 und 4 ersichtlich:
- 3 zeigt die Dichtung als Dichtungsrohling 32' unmittelbar nachdem sie durch Spritzgießen hergestellt wurde. Man erkennt zwei radial innen liegende und sich diametral gegenüberliegende Anspritzabschnitte 58. 4 zeigt den Dichtungsrohlings 32' bzw. die fertige Dichtung 32 von 3, nachdem die Anspritzabschnitte 58 durch Nachbearbeiten entfernt wurden. Dieses Entfernen erfolgt beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen, Fräsen und/oder Schleifen. Die auf diese Weise hergestellte radial innere Mantelfläche 59 ist vollkommen glatt und weist einen solchen Innendurchmesser auf, welcher optimal zum Pumpenkolben 20 passt. Eine radial äußere Mantelfläche 61 bleibt dagegen unbearbeitet.
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Ein Verfahren zum Herstellen der Dichtung 32 für die oben beschriebene Kolbenpumpe 10 wird nun unter Bezugnahme auf 5 erläutert: nach einem Startblock 60 wird in einem Funktionsblock 62 ein hülsenförmiger Dichtungsrohling durch Spritzgießen von einer radialen Innenseite des Dichtungsrohlings her hergestellt. Nach der Entnahme des Dichtungsrohlings aus der Spritzgussform (Funktionsblock 64) werden in einem Funktionsblock 66 die radial innen liegenden Anspritzabschnitte 58 durch spanendes Nachbearbeiten entfernt. In einem Funktionsblock 68 kann dann noch die radial innere Mantelfläche der Dichtung 32 ebenfalls durch spanende Bearbeitung so bearbeitet werden, dass der Innendurchmesser der Dichtung 32 optimal zum Außendurchmesser des Pumpenkolbens 20 passt. Das Verfahren endet in einem Funktionsblock 70.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212498 A1 [0002]
