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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe für ein Direkteinspritzsystem; vorzugsweise wird das Direkteinspritzsystem in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine eingesetzt und somit mit Benzin oder ähnlichen Kraftstoffen betrieben.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Direkteinspritzsystem umfasst eine Vielzahl von Einspritzdüsen, ein Common Rail, das die Einspritzdüsen mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt, eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe, die das Common Rail über eine Hochdruck-Zuführungsleitung mit Kraftstoff versorgt und mit einer Durchfluss-Steuereinrichtung versehen ist, und eine Steuereinheit, welche die Durchfluss-Steuereinrichtung ansteuert, um den Kraftstoffdruck im Common Rail auf einem gewünschten Wert zu halten, der im Allgemeinen in Abhängigkeit von den Motor-Betriebsbedingungen zeitlich variabel ist.
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Die in der Patentanmeldung
EP 2 236 809 A1 beschriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe umfasst: eine Pumpenkammer, in der ein Kolben in hin- und hergehender Bewegung gleitet, einen Einlasskanal, der durch ein Ansaugventil geregelt wird, um Niederdruck-Kraftstoff in die Pumpenkammer zuzuführen, und einen Förderkanal, der durch ein Förderventil geregelt wird, um Hochdruck-Kraftstoff aus der Pumpenkammer und in das Common Rail zu fördern.
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Zur Führung der Hin- und Herbewegung des Kolbens ist eine Führungsbuchse vorgesehen, die unterhalb der Pumpenkammer angeordnet ist, in welcher der Kolben gleitet. Die zentrale Bohrung der Führungsbuchse (in der sich der Kolben befindet) und der Kolben müssen mit hoher Genauigkeit gefertigt werden, um das mechanische Spiel (d.h. den Abstand) zwischen der zentralen Bohrung der Führungsbuchse und dem Kolben zu minimieren (um den Kraftstoffaustritt entlang des Kolbens zu begrenzen), ohne jedoch dieses mechanische Spiel vollständig zu eliminieren (was offensichtlich notwendig ist, um das Gleiten des Kolbens innerhalb der Führungsbuchse zu ermöglichen). Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Hochdruck-Kraftstoffpumpen beträgt das mechanische Spiel (d.h. der Abstand) zwischen der zentralen Bohrung der Führungsbuchse und dem Kolben weniger als 12 Mikrometer und im Allgemeinen zwischen 7 und 10 Mikrometer; tatsächlich ermöglicht dieser Wertebereich eine deutliche Begrenzung der Kraftstoffleckage entlang des Kolbens, ohne die Funktionalität eines solchen Kolbens (d.h. das Gleiten des Kolbens in der Führungsbuchse) zu beeinträchtigen.
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In letzter Zeit haben die Automobilhersteller begonnen, neue benzinbetriebene Brennkraftmaschinen zu konstruieren, die mit Benzineinspritzdrücken von über 400-500 bar (bis zu 800-1000 bar) arbeiten und folglich Hochdruck-Kraftstoffpumpen benötigen, die in der Lage sind, Kraftstoff mit diesen Drücken zu fördern.
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Einige Simulationen haben gezeigt, dass die in der Patentanmeldung
EP2236809A1 beschriebene Struktur, natürlich mit einigen Anpassungen, eine Erhöhung des Kraftstoff-Nenndrucks auf bis zu 800-1000 bar ermöglicht; dieselben Simulationen haben jedoch auch gezeigt, dass durch die starke Erhöhung des Kraftstoff-Nenndrucks vorzeitige Fresser des Kolbens innerhalb der Führungsbuchse auftreten könnten.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffpumpe für ein Direkteinspritzsystem zu realisieren, die in der Lage ist, Kraftstoff mit einem hohen Druck zu fördern und gleichzeitig frei von Zuverlässigkeitsproblemen ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kraftstoffpumpe für ein Direkteinspritzsystem realisiert, den beigefügten Ansprüchen entsprechend.
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Die Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und bilden einen integralen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die einige, nicht einschränkende Ausführungsformen veranschaulichen, wobei:
- · 1 eine Längsschnittansicht einer Kraftstoffpumpe ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
- · 2 eine vergrößerte Ansicht eines Details aus 1 ist, die Abschnitte einer Führungsbuchse und eines Kolbens der Kraftstoffpumpe zeigt;
- · 3 eine weitere Längsschnittansicht der Kraftstoffpumpe in 1 ist;
- • 4 eine perspektivische Ansicht des Kolbens der Kraftstoffpumpe in 1 ist; und
- • 5 eine vergrößerte Ansicht des Details in 2 gemäß einer alternativen Ausführungsform ist.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 insgesamt eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoff-Direkteinspritzsystem des Common-Rail-Typs in einer Brennkraftmaschine; vorzugsweise wird das Direkteinspritzsystem in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine eingesetzt und daher mit Benzin oder ähnlichen Kraftstoffen betrieben.
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Die Hochdruckpumpe 1 umfasst einen Hauptkörper 2, der eine Längsachse 3 aufweist und in seinem Inneren eine zylindrisch geformte Pumpenkammer 4 definiert. In der Pumpenkammer 4 ist ein Kolben 5 gleitend gelagert, der durch eine Hin- und Herbewegung entlang der Längsachse 3 eine zyklische Veränderung des Volumens der Pumpenkammer 4 bewirkt. Ein unterer Bereich des Kolbens 5 ist auf der einen Seite mit einer Feder (nicht dargestellt) gekoppelt, die dazu neigt, den Kolben 5 in Richtung einer Position maximalen Volumens der Pumpenkammer 4 zu drücken, und ist auf der anderen Seite mit einem Nocken (nicht dargestellt) gekoppelt, der durch eine Antriebswelle Brennkraftmaschine in Drehung versetzt wird, um den Kolben 5 durch Zusammendrücken der Feder zyklisch nach oben zu bewegen.
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Von einer Seitenwand der Pumpenkammer 4 geht ein Einlasskanal (nicht dargestellt) aus, der durch ein an der Pumpenkammer 4 angeordnetes Ansaugventil (nicht dargestellt) geregelt wird. Ein Förderkanal (nicht dargestellt) geht auf der dem Einlasskanal gegenüberliegenden Seite von einer Seitenwand der Pumpenkammer 4 aus und wird durch ein an der Pumpenkammer 4 angeordnetes Einweg-Förderventil (nicht dargestellt) geregelt und ermöglicht einen Kraftstofffluss nur aus der Pumpenkammer 4 heraus.
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In dem Hauptkörper 2 und unterhalb der Pumpenkammer 4 ist ein zylindrisch geformter Aufnahmesitz 6 vorgesehen, der einen größeren Durchmesser als der Durchmesser der Pumpenkammer 4 hat und eine Führungsbuchse 7 des Kolbens 5 aufnimmt; die Führungsbuchse 7 hat im Wesentlichen die Funktion, den hin- und hergleitenden Kolben 5 zu führen. Die Führungsbuchse 7 ist aus einem Material geeigneter Härte und mit einer Oberflächenbeschaffenheit hergestellt, um das axiale Gleiten des Kolbens 5 zu erleichtern.
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Die Führungsbuchse 7 ist rohrförmig und hat eine zentrale Durchgangsbohrung 8, in welchem der Kolben 5 gleitend aufgenommen ist; die zentrale Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 (in welcher der Kolben 5 aufgenommen ist) und der Kolben 5 sind mit hoher Genauigkeit gefertigt, um das mechanische Spiel (d.h. den Abstand) zwischen der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 und dem Kolben 5 zu minimieren (um das Austreten von Kraftstoff entlang des Kolbens 5 so weit wie möglich zu begrenzen), ohne jedoch dieses mechanische Spiel vollständig zu beseitigen (was offensichtlich notwendig ist, um das Gleiten des Kolbens 5 in der Führungsbuchse 7 zu ermöglichen).
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Das mechanische Spiel (d.h. der Abstand), das zwischen der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 und dem Kolben 5 besteht, ist kleiner als 12 Mikrometer und beträgt im Allgemeinen zwischen 7 und 10 Mikrometer; tatsächlich erlaubt dieser Wertebereich eine Begrenzung des Kraftstoffaustritts entlang des Kolbens 5, ohne die Funktionalität des Kolbens 5 zu beeinträchtigen (d.h. das freie Gleiten des Kolbens 5 innerhalb der Führungsbuchse 7).
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Um das Gleiten des Kolbens 5 in der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 zu verbessern, wird der Kolben 5 außen mit einer reibungsmindernden (d.h. reibungsarmen) Außenschicht beschichtet; vorzugsweise wird eine reibungsmindernde Beschichtung vom Typ DLC („Diamond Like Carbon“) auf Kohlenstoffbasis verwendet. Alternativ dazu könnte die reibungsmindernde Beschichtung nur auf die zentrale Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 aufgebracht werden, oder die reibungsmindernde Beschichtung könnte sowohl auf den Kolben 5 als auch auf die zentrale Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 aufgebracht werden.
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Wie in 2 besser ersichtlich, ist zwischen dem Kolben 5 und der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 eine Dichtung 9 eingefügt, welche die Funktion hat, das Austreten von Kraftstoff entlang des Kolbens 5 weiter zu begrenzen. Die Dichtung 9 hat eine gewisse Elastizität, um sich elastisch verformen zu können (insbesondere sich radial gegen die Innenfläche der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 zusammenzudrücken). Die Dichtung 9 ist vorzugsweise aus einem Material mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten hergestellt; beispielsweise könnte die Dichtung 9 aus einem Material auf PTFE-Basis (Polytetrafluorethylen, im Handel auch als Teflon® bekannt) hergestellt sein, möglicherweise mit Glas oder Graphit gefüllt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, hat der Kolben 5 eine Ringnut 10 (besser ersichtlich in 3), in welcher die Dichtung 9 aufgenommen ist; das heißt, die Ringnut 10 bildet einen Sitz, in welchem die Dichtung 9 aufgenommen ist, um zu verhindern, dass sich die Dichtung 9 relativ zu dem Kolben 5 in axialer Richtung verlagert.
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Offensichtlich ist die Ringnut 10 auf dem Kolben 5 in axialer Richtung gesehen so positioniert, dass sich die Ringnut 10 (und somit die in der Ringnut 10 aufgenommene Dichtung 9) während des Hubes des Kolbens 5 immer innerhalb der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in den beigefügten Figuren dargestellt ist, umfasst der Kolben 5 ferner (mindestens) eine weitere Ringnut 11, die in einem bestimmten axialen Abstand von der Ringnut 10, in der die Dichtung 9 aufgenommen ist, angeordnet ist, frei ist (d.h. nicht mit anderen Elementen in Eingriff steht) und auf dem Kolben 5 in einer solchen axialen Höhe positioniert ist, dass sich die Ringnut 11 während des Hubs des Kolbens 5 immer innerhalb der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 befindet. Eine erste Funktion der Ringnut 11 besteht darin, in ihr eine bestimmte Menge an Kraftstoff zu sammeln, die entlang des Kolbens 5 austritt, um eine „hydraulische Dichtung“ zu bilden, die in der Lage ist, einen Kraftstoffaustritt zu begrenzen; mit anderen Worten, ein Ring aus unter Druck stehendem Kraftstoff wird in der Ringnut 11 gebildet, um eine „hydraulische Dichtung“ zu bilden, die in der Lage ist, einen Kraftstoffaustritt zu begrenzen. Eine weitere (aber nicht weniger wichtige) Funktion der Ringnut 11 besteht darin, die Ausrichtung des Kolbens 5 in der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 zu stabilisieren, da sie dazu beiträgt, die Lage eines gegebenenfalls dezentrierten Kolbens 5 wiederherzustellen (auszugleichen).
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In der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist die Ringnut 10 (und damit die Dichtung 9) zwischen der Pumpenkammer 4 und der Ringnut 11 angeordnet; das heißt, die Ringnut 11 ist weiter von der Pumpenkammer 4 entfernt angeordnet als die Ringnut 10 (und damit in Bezug auf die Dichtung 9). In dieser Ausführungsform trifft der entlang des Kolbens 5 austretende Kraftstoff zuerst auf die Ringnut 10 (also die Dichtung 9) und dann auf die Ringnut 11.
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Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Ringnut 11 zwischen der Pumpenkammer 4 und der Ringnut 10 (also der Dichtung 9) angeordnet, d.h. die Ringnut 10 (also die Dichtung 9) ist weiter von der Pumpenkammer 4 entfernt angeordnet als die Ringnut 11. Bei dieser Ausführungsform trifft der entlang des Kolbens 5 fließende Kraftstoff zuerst auf die Ringnut 11 und dann auf die Ringnut 10 (und damit auf die Dichtung 9).
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Bei der in den 1-4 dargestellten Ausführungsform hat die Dichtung 9 eine in sich geschlossene Ringform, d.h. ohne Unterbrechung; mit anderen Worten, die Dichtung 9 ist ein durchgehender Ring ohne Unterbrechung und somit ohne Anfang und ohne Ende. Diese Ausführungsform ermöglicht es, mittels der Dichtung 9 eine bessere hydraulische Abdichtung zu erzielen, jedoch ist die Montage der Dichtung 9 in der Ringnut 10 sehr viel aufwändiger, da die elastische Verformung der Dichtung 9 zum Gleiten entlang des Kolbens 5 bis zum Erreichen der Ringnut 10 das Aufbringen einer hohen Kraft erfordert (was auch zu einer Beschädigung der Dichtung 9 und/oder zu einem Verkratzen der Außenfläche des Kolbens 5 führen könnte).
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Bei der alternativen Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, hat die Dichtung 9 aufgrund einer Unterbrechung 12 in ihrem Verlauf eine offene Ringform (d.h., sie ist nicht in sich selbst geschlossen); folglich hat die Dichtung 9 einen Anfang und ein Ende, die voneinander (von der Unterbrechung 12) getrennt sind und einander gegenüberliegen.
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Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, bildet die Unterbrechung 12 einen spitzen Winkel mit der Längsachse 3 des Kolbens 5, d.h. sie ist geneigt und nicht parallel zu der Längsachse 3 des Kolbens 5 (in der in 5 dargestellten Ausführungsform bildet die Unterbrechung 12 einen Winkel von 45° mit der Längsachse 3 des Kolbens 5); die Neigung der Unterbrechung 12 relativ zu der Längsachse 3 des Kolbens 5 (d.h. relativ zu der Schubrichtung des Kolbens 5) bewirkt, dass der Kraftstoffdruck dazu neigt, die Dichtung 9 zu schließen, d. h. dazu neigt, die beiden einander zugewandten Enden der Dichtung 9 gegeneinander zu drücken. Diese Ausführungsform ergibt eine geringere hydraulische Abdichtung der Dichtung 9, dafür vereinfacht sich die Montage der Dichtung 9 in der Ringnut 10 wesentlich, da die elastische Verformung der Dichtung 9, um entlang des Kolbens 5 zu gleiten, bis sie die Ringnut 10 erreicht, die Anwendung einer relativ kleinen Kraft erfordert.
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Gemäß einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kolben 5 zwei oder drei Dichtungen 9 umfassen, die in einem bestimmten Abstand hintereinander angeordnet und in jeweiligen Nuten 10 aufgenommen sind.
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Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kolben 5 zwei oder drei Ringnuten 11 umfassen, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind; normalerweise ist mindestens eine Ringnut 11 stromaufwärts der Ringnut 10 (d.h. stromaufwärts der Dichtung 9) und mindestens eine Ringnut 11 stromabwärts der Ringnut 10 (d. h. stromabwärts der Dichtung 9) angeordnet.
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die oben beschriebene Kraftstoffpumpe 1 hat zahlreiche Vorteile.
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Erstens ist die oben beschriebene Kraftstoffpumpe 1 in der Lage, Kraftstoff mit einem Nenndruck von bis zu 900-1000 bar zu fördern, ohne dass es zu Zuverlässigkeitsproblemen kommt (d.h. ohne dass der Kolben 5 vorzeitig festfressen würde).
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Dieses Ergebnis wird erzielt durch die Kombination der Verwendung eines sehr kleinen mechanischen Spiels (weniger als 12 Mikrometer) zwischen der zentralen Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 und dem Kolben 5 (um die Kraftstoffleckage entlang des Kolbens 5 so weit wie möglich zu begrenzen) und dem Vorhandensein der Dichtung 9: Die synergetische Wirkung dieser beiden Lösungen ermöglicht es, die Kraftstoffleckage entlang des Kolbens 5 fast vollständig zu eliminieren und dadurch eine daraus resultierende Überhitzung des Kolbens 5 zu vermeiden, die andernfalls eine thermische Zersetzung der reibungsmindernden Beschichtung des Kolbens 5 verursachen könnte.
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Mit anderen Worten, durch die Erhöhung des Kraftstoff-Nenndrucks ist der Kraftstoffaustritt entlang des Kolbens 5 nicht so sehr ein Problem der Energieeffizienz (da der Kraftstoffaustritt einen „Leistungsverlust“ darstellt), sondern eher ein Problem der Überhitzung des Kolbens 5 (was den Stahlkolben 5 nicht beschädigt, aber die reibungsmindernde Beschichtung des Kolbens 5 beschädigen könnte), da der ausgetretene Kraftstoff zwischen der Bohrung 8 der Führungsbuchse 7 und dem Kolben 5 sehr heiß wird und sogar kritische Temperaturen für die reibungsmindernde Beschichtung des Kolbens 5 erreicht.
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Darüber hinaus ist die oben beschriebene Kraftstoffpumpe 1 einfach und kostengünstig zu realisieren, da die Modifikationen gegenüber einer ähnlichen bekannten Kraftstoffpumpe begrenzt sind und in der Hinzufügung der Dichtung 9 bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffpumpe
- 2
- Hauptkörper
- 3
- Längsachse
- 4
- Pumpenkammer
- 5
- Kolben
- 6
- Aufnahmesitz
- 7
- Führungsbuchse
- 8
- zentrale Bohrung
- 9
- Dichtung
- 10
- Ringnut
- 11
- Ringnut
- 12
- Unterbrechung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2236809 A1 [0003, 0006]
