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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. Die Kolbenpumpe verfügt über zwei Führungsringe, welche in einer axialen Richtung eines Pumpenkolbens gesehen voneinander beabstandet in bzw. an einem Pumpengehäuse angeordnet sind und den Pumpenkolben gegenüber dem Pumpengehäuse im Gleitsitz führen. Bei dieser Kolbenpumpe kommt ein spezieller hülsenförmiger Dichtring aus Kunststoff zum Einsatz, der zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpengehäuse abdichtet. Ferner gibt es auf dem Markt Kolbenpumpen für Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, bei denen der Pumpenkolben in einer Kolbenbuchse im Gleitsitz geführt ist. Die Kolbenbuchse ist wiederum im Pumpengehäuse befestigt. Die Abdichtung zwischen Pumpenkolben und Kolbenbuchse wird hier durch ein sehr enges Spiel der Paarung zwischen den beiden Komponenten Kolbenbuchse/Pumpenkolben hergestellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt.
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Durch die Erfindung wird die Montage der Kolbenpumpe vereinfacht, da es nicht mehr notwendig ist, den Pumpenkolben mit einem speziellen Dichtring zu paaren bzw. die Paarung aus Pumpenkolben und Kolbenbuchse durch Honen passend zu machen. Auch wird der Handlingaufwand im Bereich der Montagelinie reduziert, da die Anzahl der benötigten Bauteile zumindest gegenüber jener Variante, welche mit einem speziellen Dichtring und voneinander beabstandeten Führungsring arbeitet, reduziert wird. Durch die direkte Paarung zwischen Pumpenkolben und Pumpengehäuse und die hierdurch erzielte verbesserte Abdichtung wird ferner der Aufbau des Drucks zu Betriebsbeginn der Kolbenpumpe verbessert, und hierdurch wird der Liefergrad der Kolbenpumpe verbessert.
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Konkret wird eine Kolbenpumpe vorgeschlagen, 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.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe umfasst einen Pumpenkolben, der in einer Aufnahmeöffnung eines Pumpengehäuses aufgenommen ist. Die Aufnahmeöffnung ist typischerweise als gestufte Sacklochbohrung ausgeführt. Das Pumpengehäuse kann rotationssymmetrisch oder mehreckig sein und ist typischerweise ein massives Metallteil. Es begrenzt zusammen mit dem Pumpenkolben und eventuell noch weiteren Komponenten einen Förderraum, in dem der Kraftstoff bei einem Förderhub des Pumpenkolbens verdichtet und wenigstens zeitweise zu einem Auslassventil hin ausgestoßen werden kann. Angetrieben wird der Pumpenkolben typischerweise durch eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine.
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Bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe weist die in das Pumpengehäuse eingebrachte Aufnahmeöffnung bzw. deren innere Umfangswand mindestens einen Lagerabschnitt auf, durch den der Pumpenkolben unmittelbar im Pumpengehäuse im Gleitsitz geführt ist. Erfindungsgemäß ist also eine innere Umfangswand der Aufnahmeöffnung selbst mindestens abschnittsweise als Lager- und Führungsabschnitt für den Pumpenkolben ausgebildet. Ein separates Element zur Lagerung und Führung des Pumpenkolbens, beispielsweise wie beim Stand der Technik in Form von Führungsringen oder einer Kolbenbuchse, gibt es bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe somit nicht. Stattdessen bildet das typischerweise massive Pumpengehäuse selbst im Bereich der Aufnahmeöffnung mindestens einen Lagerabschnitt aus, der so mit dem Pumpenkolben gepaart ist, dass er diesen zuverlässig im Gleitsitz führt und der Pumpenkolben auf diese Weise seine Hin- und Herbewegung reibungsarm und zuverlässig ausgerichtet ausführen kann.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Aufnahmeöffnung bzw. deren innere Umfangswand mindestens zwei Lagerabschnitte für den Pumpenkolben aufweist, die in Richtung einer Längsachse der Aufnahmeöffnung gesehen voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise wird, in Richtung einer Längsachse der Aufnahmeöffnung gesehen, die Gesamtlänge der Lagerung vergrößert, ohne dass die Gesamtlänge der Lagerabschnitte vergrößert wird. Somit wird der Pumpenkolben in der Aufnahmeöffnung kippsicher gelagert, und gleichzeitig wird die Reibung durch die reduzierte Gesamtlänge der Lagerung minimiert.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Lagerabschnitt gehärtet ist. Hierdurch kann der Lagerabschnitt flexibel an die spezifischen Anforderungen der Kolbenpumpe angepasst werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Lagerabschnitt beschichtet ist. Auch hierdurch kann der Lagerabschnitt flexibel an die spezifischen Anforderungen der Kolbenpumpe angepasst werden. Als Beschichtung kommt beispielsweise eine reibungsarme Beschichtung infrage ebenso wie eine verschleißresistente Beschichtung.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kolbenpumpe mindestens einen Dichtring aufweist, der zwischen der Aufnahmeöffnung und dem Pumpenkolben abdichtet. Dies gestattet es, das Führungsspiel zwischen dem Pumpenkolben und dem mindestens einen Lagerabschnitt größer auszulegen, wodurch die Fertigung und auch die Montage vereinfacht werden. Insbesondere ist es nicht mehr notwendig, den Pumpenkolben und den mindestens einen Lagerabschnitt durch Honen miteinander zu paaren.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtring mindestens einen Abschnitt aufweist, der durch den von einem Förderraum her wirkenden Druck gegen den Pumpenkolben und/oder gegen das Pumpengehäuse beaufschlagt wird. Der Dichtring wird also durch den vom Förderraum her wirkenden Druck „aktiviert“, sodass dessen Dichtwirkung mit sich zunehmend aufbauendem Druck vom Förderraum her zunimmt. Auch dies gestattet es, das Führungsspiel zwischen dem Pumpenkolben und dem mindestens einen Lagerabschnitt größer auszulegen und so Fertigung und Montage zu vereinfachen.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtring einen insgesamt im wesentlichen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweist. Derartige Dichtringe sind vom Markt her bekannt und daher preiswert. Sie werden typischerweise so angeordnet, dass die Öffnung zwischen den beiden Schenkeln des V oder U in Richtung zum Förderraum hin weist. Auf diese Weise kann der Druck vom Förderraum her zwischen den beiden Schenkeln wirken und diese zur Seite hin bzw. nach radial innen einerseits gegen den Pumpenkolben und andererseits nach radial außen gegen das Pumpengehäuse drücken. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass hier und nachfolgend die Begriffe „radial“ und „axial“ auf die Längsachse der Aufnahmeöffnung bezogen sind. „Radial“ ist eine Richtung, die in etwa orthogonal zur Längsachse verläuft, wohingegen „axial“ eine Richtung ist, die in etwa parallel zur Längsachse verläuft.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Dichtring wenigstens bereichsweise in einer Nut in einer inneren Umfangswand der Aufnahmeöffnung aufgenommen ist. Dies sorgt für eine sichere axiale Lagerung des Dichtrings.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass sie mindestens zwei Dichtringe aufweist, die in Richtung einer Längsachse der Aufnahmeöffnung gesehen voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise wird es möglich, dass die Kolbenpumpe flexibel an Laufzeitanforderungen angepasst werden kann, und dass erwartbarer Verschleiß an den Dichtringen kompensiert werden kann. Ist nämlich der näher zum Förderraum hin gelegene Dichtring verschlissen, tritt durch diesen hindurch eine erhöhte Leckage auf, die dann vom nächstfolgenden Dichtring aufgefangen wird, indem nun dieser verstärkt aktiviert und einerseits gegen den Pumpenkolben und andererseits gegen das Pumpengehäuse gepresst wird. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass grundsätzlich auch mehr als zwei Dichtringe möglich sind, die dann sukzessive aktiviert werden, wenn einer der Dichtringe zunehmend verschlissen ist.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Bereich zwischen zwei Dichtringen einen Lagerabschnitt umfasst, durch den der Pumpenkolben unmittelbar im Pumpengehäuse im Gleitsitz geführt ist. Somit wechseln sich Dichtringe und Lagerabschnitt ab, was funktional besonders vorteilhaft ist.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Bereichs der Kolbenpumpe von 1; und
- 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Dichtrings aus den 1 und 2.
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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 massives 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. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass hier und nachfolgend die Begriffe „radial“ und „axial“ auf diese Längsachse 22 bezogen sind. „Radial“ ist eine Richtung, die in etwa orthogonal zur Längsachse 22 verläuft, wohingegen „axial“ eine Richtung ist, die in etwa parallel zur Längsachse 22 verläuft. Zur Bewegung des Pumpenkolbens 20 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 oder mehreckiges massives Metallteil 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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Ein in 1 unterer Bereich des Pumpengehäuses 16 ist als Befestigungsflansch 30 ausgebildet, mit dem die Kolbenpumpe 10 beispielsweise in einer Öffnung eines Motorgehäuses einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angeordnet werden kann. In dem Befestigungsflansch 30 ist ein Träger 32 angeordnet, der eine Anschlaghülse 34 und eine Niederdruckdichtung 36 trägt. Zwischen dem Träger 32 und einem am in 1 unteren Ende des Pumpenkolbens 20 angeordneten Federteller 38 ist eine Kolbenfeder 40 verspannt.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, weist die Aufnahmeöffnung 18 vorliegend beispielhaft zwei Lagerabschnitte 42 auf, die in Richtung der Längsachse 22 der Aufnahmeöffnung 18 gesehen voneinander beabstandet sind. Durch die Lagerabschnitte 42 wird der Pumpenkolben 20 unmittelbar im Pumpengehäuse 16 im Gleitsitz gelagert und geführt. Der Abstand zwischen den beiden Lagerabschnitten 42 wird vorliegend beispielhaft geschaffen durch eine Nut 44, die in Umfangsrichtung einer inneren Umfangswand 46 der Aufnahmeöffnung 18 umlaufend ist und die eine von zwei Nuten 44 ist, die in der inneren Umfangswand 46 der Aufnahmeöffnung 18 ausgebildet sind und die in axialer Richtung gesehen voneinander beabstandet sind. Die innere Umfangswand 46 der Aufnahmeöffnung 18 kann mindestens im Bereich der Lagerabschnitte 42 gehärtet und/oder mit einer verschleißresistenten und/oder reibungsarmen Beschichtung beschichtet sein.
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In jeder der Nuten 44 ist ein Dichtring 48 angeordnet, der zwischen der Aufnahmeöffnung 18 und dem Pumpenkolben 20 abdichtet. 3 zeigt einen solchen Dichtring 48 im Querschnitt: Man erkennt, dass der Dichtring 48 einen insgesamt im Wesentlichen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweist mit einem ersten Schenkel 50, einem zweiten Schenkel 52 und einer die beiden Schenkel 50 und 52 verbindenden Basis 54. Seitlich abragend weisen beide Schenkel 50 und 52 jeweils eine durch eine umlaufende Kante gebildete Dichtlippe 56 bzw. 58 auf. Die Dichtringe 48 sind in den Nuten 44 so angeordnet, dass eine Öffnung 60 in einen zwischen den beiden Schenkeln 50 und 52 vorhandenen Druckraum 62 in Richtung zum Förderraum 28, vorliegend in den Figuren also nach oben zeigt.
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Wenn die Kolbenpumpe 10 in Betrieb genommen wird, steigt im Förderraum 28 der Druck. Dieser Druck wird durch einen Führungsspalt 64 zwischen der inneren Umfangswand 46 der Aufnahmeöffnung 18 und dem Pumpenkolben 20 zunächst zu der in den Figuren oberen Dichtring 48 bzw. über die Öffnung 60 in den Druckraum 62 zwischen den beiden Schenkeln 50 und 52 des Dichtrings 48 übertragen (Pfeil 66 in 3). Hierdurch wird der erste Schenkel 50 mit seiner Dichtlippe 56 nach radial innen gegen den Pumpenkolben 20 beaufschlagt, und der zweite Schenkel 52 mit seiner Dichtlippe 58 wird nach radial außen gegen das Pumpengehäuse 16 beaufschlagt (Pfeile 68 in 3). Auf diese Weise wird eine reibungsarme Abdichtung zwischen dem Pumpenkolben 20 und dem Pumpengehäuse 16 geschaffen.
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Durch die Hin- und der Bewegung des Pumpenkolbens 20 kommt es insbesondere an der Dichtlippe 56 des ersten Schenkels 50 des in den Figuren oberen und zum Förderraum 28 hin nächstliegenden Dichtrings 48 im Laufe der Zeit zu einem Verschleiß, wodurch die Dichtwirkung an dieser Stelle nachlässt. Der hohe Druck vom Förderraum wird nun bis zu dem in den Figuren unteren Dichtring 48 bzw. über die Öffnung 60 in den Druckraum 62 zwischen den beiden Schenkeln 50 und 52 dieses unteren Dichtrings 48 übertragen. Hierdurch wird, wie bereits oben, der erste Schenkel 50 dieses unteren Dichtrings 48 mit seiner Dichtlippe 56 gegen den Pumpenkolben 20 beaufschlagt, und der zweite Schenkel 52 dieses Dichtrings 48 wird mit seiner Dichtlippe 58 gegen das Pumpengehäuse 16 beaufschlagt. Somit sorgt nun der in den Figuren untere Dichtring 48 für die reibungsarme Abdichtung zwischen dem Pumpenkolben 20 und dem Pumpengehäuse 16.
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Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform sind mehr als nur zwei Dichtringe in entsprechenden Nuten in der inneren Umfangswand der Aufnahmeöffnung angeordnet. Diese können sukzessive aktiviert werden und so die Lebensdauer der Kolbenpumpe verlängern. In anderen Worten: ist der zum Förderraum nächstgelegene Dichtring verschlissen und es tritt eine erhöhte Leckage auf, kommt der nächstfolgende Dichtring zum Einsatz, usw.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212498 A1 [0002]
