DE102013226088A1 - Kolben-Kraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Eine Kolben-Kraftstoffpumpe (18) für eine Brennkraftmaschine umfasst einen Pumpenzylinder (40) und einen im Pumpenzylinder (40) verschiebbar aufgenommenen Pumpenkolben (28). Es wird vorgeschlagen, dass sie eine Lagerungs- und Dichtanordnung (46) für den Pumpenkolben (28) aufweist, welche einen Führungsbereich (48) zur axialen Führung des Pumpenkolbens (28) im Pumpenzylinder (40) und einen eine Dichtlippe aufweisenden Abdichtbereich (50) umfasst.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft eine Kolben-Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Vom Markt bekannt sind Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, bei denen der Kraftstoff aus einem Kraftstofftank mittels einer mechanisch angetriebenen Kolben-Kraftstoffpumpe unter hohem Druck in ein Kraftstoffrail gefördert wird. Hierzu ist in der Kolben-Kraftstoffpumpe ein verschiebbar gelagerter Pumpenkolben vorgesehen, der Kraftstoff in einem Förderraum der Kolben-Kraftstoffpumpe verdichtet. Der Pumpenkolben ist in einer Kolbenbuchse durch eine enge Passung gleitend und mit einem geringen Dichtspalt geführt. Die Kolbenbuchse muss zum Abstützen und Abdichten über eine Spaltdichtung eine gewisse Länge aufweisen und gegebenfalls große Querkräfte aufnehmen. Daher wird die Kolbenbuchse oft aus Stahl hergestellt. Aufgrund hoher Toleranzanforderungen wird darüber hinaus eine sogenannte „Kolbenpaarung“ verwendet, d.h. jedem Pumpengehäuse wird ein bestimmter Kolben zugeordnet. Ferner muss der Zylinder im Pumpengehäuse aufwendig gehont werden.
- Offenbarung der Erfindung
- Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Weitere für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichung.
- Die erfindungsgemäße Kolben-Kraftstoffpumpe hat den Vorteil, dass eine Kolbenbuchse und die entsprechende hochgenaue Passung des Kolbens in der Kolbenbuchse nicht mehr zwingend erforderlich ist und somit erhebliche Kosten eingespart werden können. Statt dessen werden Lagerung und Abdichtung funktional getrennt in einen Lagerungsbereich und einen Abdichtbereich. Dessen Dichtlippe ermöglicht eine reibungsarme, spaltfreie und somit hochgenaue Abdichtung. Dadurch, dass die Dichtlippe elastisch ausgebildet ist und zumindest abschnittsweise unter Vorspannung an einer Pumpenzylinderwand anliegt, wird eine Vorspannung erzeugt. Durch die Vorspannung kann auch in einem Saughub der Kolben-Kraftstoffpumpe, d.h. wenn der Pumpenkolben sich zum unteren Totpunkt bewegt, eine Dichtfunktion im Abdichtbereich gewährleistet werden. Im Verdichtungshub, d.h. wenn der Pumpenkolben sich zum oberen Totpunkt bewegt, kann dann die Dichtlippe – wenn sie zum Förderraum hin gerichtet ist – vom im Förderraum herrschenden Kraftstoffdruck druckunterstützt dichtend an die Pumpenzylinderwand gedrückt werden.
- Eine Ausgestaltung der Kolben-Kraftstoffpumpe sieht vor, dass die Kolben-Kraftstoffpumpe ein Kunststoffelement umfasst, an dem die Lagerungs- und Dichtanordnung ausgebildet ist. Durch das Vorsehen des Kunststoffelements entfallen die hohen Toleranzanforderungen und es kann auf einen zusätzlichen Honprozess in der Montagelinie der Kolben-Kraftstoffpumpe verzichtet werden. Darüber hinaus kann das Kunststoffelement als einfaches Spritzgussteil hergestellt sein, wodurch es besonders kostengünstig herstellbar ist. Auch die Gefahr eine „Kolbenfressers“ durch Materialverschmelzung kann durch die Wahl des Kunststoffelements vermieden werden.
- Vorgeschlagen wird auch, dass das Kunststoffelement aus Polyamid (PA) und/oder aus Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt ist. Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung des Kunststoffelements aus Polyamid (PA) oder Polyetheretherketon (PEEK) sehr gute Ergebnisse im Bezug auf die Führung bzw. Lagerung am Führungsbereich und im Bezug auf die Abdichtung am Abdichtbereich erzielbar sind.
- Eine Ausgestaltung der Kolben-Kraftstoffpumpe sieht vor, dass die Lagerungs- und Dichtanordnung mit dem Pumpenkolben fest verbunden ist, vorzugsweise der Pumpenkolben einen kreisringartigen Absatz aufweist, mit dem die Lagerungs- und Dichtanordnung verklipst und/oder verklebt ist. Durch die Verbindung des Kunststoffelements mit dem Pumpenkolben kann das Kunststoffelement der Auf- und Abbewegung des Pumpenkolbens folgen, wobei bei einer Klipsverbindung die Verbindung vorzugsweise lösbar und revisionierbar ausgebildet ist. Folglich kann das Kunststoffelement bei Verschleiß ersetzt werden.
- Dabei kann der Absatz in der Umgebung eines einem Förderraum der Pumpe zugewandten Endabschnitts des Pumpenkolbens angeordnet sein. Das Vorsehen des Absatzes in der Nähe des Endabschnitts ist von Vorteil, da der Führungsabschnitt somit nah an einem möglichen Lager- bzw. Kraftangriffspunkt angeordnet werden kann und auftretende Querkräfte am Endabschnitt des Pumpenkolbens vom Kunststoffelement aufgenommen werden können.
- Ferner wird vorgeschlagen, dass die Lagerungs- und Dichtanordnung einteilig ausgebildet ist. Durch eine einteilige Herstellung des Kunststoffelements kann dieses in lediglich einem Fertigungsschritt beispielsweise durch einen Spritzgussprozess hergestellt werden.
- Eine weitere Ausgestaltung der Kolben-Kraftstoffpumpe sieht vor, dass die Lagerungs- und Dichtanordnung mehrteilig ausgebildet ist. Dies ist vorteilhaft, da angepasst an die jeweiligen Anforderungen, d.h. für die Führung und/oder Lagerung und für die Dichtfunktion verschiedene Kunststoffe für den Führungsbereich und für den Abdichtbereich gewählt werden können.
- Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolben-Kraftstoffpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Teile der Lagerungs- und Dichtanordnung miteinander verklipst und/oder verklebt sind. Dies ist vorteilhaft, da unabhängig von der Materialwahl, d.h. vom Material des Führungsbereichs und des Abdichtbereichs die Teile miteinander verbunden werden können.
- Denkbar ist ferner, dass zwischen Kunststoffelement und Pumpenzylinder im Bereich des Führungsbereiches ein Spalt im Bereich von etwa 1/100 mm bis etwa 10/100 mm, vorzugsweise von etwa 3/100 mm vorgesehen ist. Dies ist von Vorteil, da durch den Spalt ein Verklemmen des Pumpenkolbens im Pumpenzylinder vermieden werden kann.
- Eine weitere Ausgestaltung der Kolben-Kraftstoffpumpe sieht vor, dass in der Umgebung eines einem Förderraum der Pumpe abgewandten Endabschnitts des Pumpenkolbens eine zweite Lagerungsanordnung, insbesondere ein zweites Kunststoffelement zur Lagerung des Pumpenkolbens vorzugsweise ortsfest relativ zum Pumpenzylinder angeordnet ist. Der Pumpenkolben ist folglich an zwei Lagerstellen geführt und/oder gelagert. Zum einen erfolgt eine Führung bzw. Lagerung durch den Führungsabschnitt des Kunststoffelements, zum anderen erfolgt eine Führung bzw. Lagerung durch das zweite Kunststoffelement. Die jeweiligen Führungs- bzw. Lagerpunkte liegen dabei in den jeweiligen Endabschnitten des Pumpenkolbens nahe an den Kraftangriffspunkten, an denen Querkräfte auftreten können, beispielsweise in der Umgebung des Nockenantriebs des Pumpenkolbens. Somit können die Belastungen auf die Führungs- bzw. Lagerpunkte reduziert werden.
- Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit einem Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kolben-Kraftstoffpumpe, die wiederum eine Lagerungs- und Dichtanordnung aufweist; -
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Ausschnitts der Kolben-Kraftstoffpumpe gemäß1 zur Erläuterung der Lagerungs- und Dichtanordnung; und -
3 einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung gemäß2 . - Ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine trägt in
1 insgesamt das Bezugszeichen10 . Es umfasst einen Kraftstoffbehälter12 , aus dem eine elektrische Vorförderpumpe14 den Kraftstoff in eine Niederdruckleitung16 fördert. Diese führt zu einer Hochdruckpumpe in Form einer Kolben-Kraftstoffpumpe18 . Von dieser führt eine Hochdruckleitung20 zu einem Kraftstoffrail22 . An dieses sind mehrere Injektoren24 angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen jeweils zugeordnete Brennräume (nicht dargestellt) einspritzen. - Die Kolben-Kraftstoffpumpe
18 umfasst ein nur bereichsweise angedeutetes Pumpengehäuse26 , in dem ein Pumpenkolben28 verschiebbar geführt bzw. gelagert ist. Dieser kann von einem nicht dargestellten Nockenantrieb in eine Hin- und Herbewegung versetzt werden, was durch einen seitlich gezeichneten Doppelpfeil30 angedeutet ist. Der Pumpenkolben wird von einer Schraubenfeder32 in einen in1 unteren Totpunkt beaufschlagt. Der Pumpenkolben28 und das Pumpengehäuse26 begrenzen einen Förderraum34 . Dieser Förderraum34 ist über ein Einlassventil36 mit der Niederdruckleitung16 verbindbar. Ferner ist der Förderraum34 über ein Auslassventil38 mit der Hochdruckleitung20 verbindbar. - Sowohl das Einlassventil
36 als auch das Auslassventil38 sind als Rückschlagventile ausgeführt. Nicht dargestellt, aber möglich ist dabei eine Ausführung des Einlassventils36 als Mengensteuerventil. Bei einem solchen kann das Einlassventil36 während eines Förderhubs des Pumpenkolbens28 zwangsweise geöffnet werden, so dass der Kraftstoff nicht in das Kraftstoffrail22 , sondern zurück in die Niederdruckleitung16 gefördert wird. Hierdurch kann die von der Kolben-Kraftstoffpumpe18 in das Kraftstoffrail22 geförderte Kraftstoffmenge eingestellt werden. - Der Pumpenkolben
28 ist in einem Pumpenzylinder40 geführt, der insoweit Teil des Pumpengehäuses26 ist. Der Pumpenkolben28 weist an einem dem Förderraum34 zugewandten Ende einen in1 oberen Endabschnitt42 auf. In der Umgebung dieses oberen Endabschnitts42 weist der Pumpenkolben28 ferner einen kreisringartigen Absatz in der Art eines radial abstehenden umlaufenden Kragens44 auf. Der Pumpenkolben28 bzw. der Absatz44 ist mit einer durch ein Kunststoffelement46 gebildeten Lagerungs- und Dichtanordnung verklipst, wobei das Kunststoffelement46 einen Führungsbereich48 zur axialen Führung und/oder radialen Lagerung des Pumpenkolbens28 im Pumpenzylinder40 und einen als Dichtlippe ausgebildeten Abdichtbereich50 aufweist. Der Absatz44 und das Kunststoffelement mit Führungsbereich48 und Abdichtbereich50 sind in den2 und3 besser zu erkennen. - An seinem dem Förderraum
34 abgewandten Ende weist der Pumpenkolben28 ferner einen in1 unteren Endabschnitt52 auf. In der Umgebung dieses unteren Endabschnitts52 ist eine Führungshülse54 am Pumpengehäuse26 fest angeordnet. Zwischen der Führungshülse54 und dem Pumpengehäuse26 ist eine O-Ring-Dichtung56 in einer Nut58 vorgesehen. Die Führungshülse54 weist einen Zylinderabschnitt60 auf, der sich koaxial zum Pumpenkolben28 erstreckt und durch welchen die Schraubenfeder32 geführt ist. Die Schraubenfeder32 taucht entlang einer Kolbenlängsachse62 zumindest abschnittsweise in eine Federaufnahmenut64 der Führungshülse54 ein, wo sich sich gegen die Führungshülse54 axial abstützt. - Die Führungshülse
54 weist ferner im Inneren einen kreiszylindrischen Aufnahmeabschnitt66 auf, der im Wesentlichen durch die innere Umfangswand des Zylinderabschnitts60 gebildet wird. In diesem Aufnahmeabschnitt66 ist ein ringförmiges Dichtelement68 relativ zum Pumpengehäuse26 ortsfest angeordnet, wobei das Dichtelement68 H-förmigen Querschnitt hat. In einem sich am abragenden Ende des Zylinderabschnitts nach radial einwärts erstreckenden Kragenabschnitt70 ist ferner ein zweites Kunststoffelement72 ebenfalls relativ zum Pumpengehäuse26 ortsfest angeordnet. Dieses somit in axialer Richtung des Pumpenkolbens28 gesehen vom ersten Kunststoffelement46 deutlich beabstandete zweite Kunststoffelement72 stellt zusammen mit dem Führungsbereich48 des Kunststoffelements46 die Führung bzw. Zweipunktlagerung des Pumpenkolbens28 bereit. - Der Lagerpunkt des zweiten Kunststoffelements
72 befindet sich in der Nähe der Krafteinleitung durch die Schraubenfeder32 bzw. durch den nicht dargestellten Nockenantrieb am in1 unteren Endabschnitt52 des Pumpenkolbens28 . Somit kann eine Drehmomentbelastung der Lagerstellen reduziert werden. Durch die Trennung der Lagerung in den Führungsbereich48 des Kunststoffelements46 und in das Kunststoffelement72 kann die Lagerung in der Nähe des oberen Endabschnitts42 und des unteren Endabschnitts52 des Pumpenkolbens28 vorgesehen werden, womit der Einfluss von Querkräftten verringert werden kann. Durch eine daraus folgende geringere Lagerbelastung kann so die Verwendung der Kunststoffelemente46 ,72 ermöglicht werden. - Die Ausgestaltung des Kunststoffelements
46 ist vorliegend von besonderer Bedeutung. Auf dieses wird daher nunmehr unter Bezugnahme auf die2 und3 stärker im Detail eingegangen:
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Aussschnitts der Kolben-Kraftstoffpumpe18 , wobei das Kunststoffelement46 deutlich zu erkennen ist. In einem in2 oberen Bereich weist das Kunststoffelement46 einen Einschubabschnitt74 in Form eines geraden Rohrabschnitts auf, der koaxial zum Pumpenkolben28 ist und vom Pumpenkolben28 durchdrungen wird bzw. auf diesen aufgeschoben ist. In einem in2 unteren Bereich ist das Kunststoffelement46 über den Absatz44 mit dem Pumpenkolben28 verklipst. Insbesondere der radial außerhalb von der äußeren Mantelfläche des Absatzes44 vorhandene Materialbereich des Kunststoffelements46 bildet den bereits oben erwähnten Lager. bzw. Führungsbereich48 , durch den der Pumpenkolben28 gleitend im Pumpenzylinder40 geführt und radial gelagert ist. - Der Führungsbereich
48 weist von einer inneren Umfangswand76 des Pumpenzylinders40 einen in den Figuren nicht erkennbaren Abstand von etwa 3/100 mm auf. In axialer Richtung, das heißt entlang der Kolbenlängsachse62 , erstreckt sich zum Förderraum34 hin im Anschluss an den Führungsbereich48 der als Dichtlippe ausgebildete Abdichtbereich50 . Die Dichtlippe50 erstreckt sich dabei als an den Führungsbereich48 angeformter und nach radial außen elastisch vorgespannter Rohrabschnitt im Wesentlichen koaxial zum Pumpenkolben28 . Der Führungsbereich48 und der Abdichtbereich50 sind in2 und3 einteilig ausgebildet. - Die Dichtlippe
50 liegt, wie in3 nochmals vergrößert zu erkennen ist, unter Vorspannung an der inneren Umfangswand76 des Pumpenzylinders40 an. Zwischen der Dichtlippe und dem Abdichtbereich50 ist im Kunststoffelement46 eine Ausnehmung vorhanden, welche einen Druckunterstützungsbereich78 bildet. Dieser Druckunterstützungsbereich78 ist derart ausgebildet, dass bei einer Bewegung des Pumpenkolbens28 zum oberen Totpunkt, d.h. im Förderhub der Kraftstoff-Kolbenpumpe18 , der im Förderraum34 herrschende Druck im Druckunterstützungsbereich78 und so auch an der freien Außenseite der Dichtlippe wirkt, wodurch die Dichtlippe50 zusätzlich zur Vorspannung hin zur Wand76 dichtend beaufschlagt wird.
Claims (10)
- Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) für eine Brennkraftmaschine mit einem Pumpenzylinder (40 ) und einem im Pumpenzylinder (40 ) verschiebbar aufgenommenen Pumpenkolben (28 ), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lagerungs- und Dichtanordnung (46 ) für den Pumpenkolben (28 ) aufweist, welche einen Führungsbereich (48 ) zur axialen Führung des Pumpenkolbens (28 ) im Pumpenzylinder (40 ) und einen eine Dichtlippe aufweisenden Abdichtbereich (50 ) umfasst. - Kolben-Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kunststoffelement (
46 ) umfasst, an dem die Lagerungs- und Dichtanordnung ausgebildet ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffelement (46 ) aus Polyamid (PA) und/oder aus Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungs- und Dichtanordnung (46 ) mit dem Pumpenkolben (28 ) fest verbunden ist, vorzugsweise der Pumpenkolben (28 ) einen kreisringartigen Absatz (44 ) aufweist, mit dem die Lagerungs- und Dichtanordnung (46 ) verklipst und/oder verklebt ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (44 ) in der Umgebung eines einem Förderraum (34 ) der Pumpe (18 ) zugewandten Endabschnitts (42 ) des Pumpenkolbens (28 ) angeordnet ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungs- und Dichtanordnung (46 ) einteilig ausgebildet ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungs- und Dichtanordnung (46 ) mehrteilig ausgebildet ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der Lagerungs- und Dichtanordnung (46 ) miteinander verklipst und/oder verklebt sind. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pumpenzylinder (40 ) und Führungsbereich (48 ) ein Spalt im Bereich von etwa 1/100 mm bis etwa 10/100 mm, vorzugsweise von etwa 3/100 mm vorhanden ist. - Kolben-Kraftstoffpumpe (
18 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgebung eines von einem Förderraum (34 ) der Pumpe (18 ) abgewandten Endabschnitts (52 ) des Pumpenkolbens (28 ) ein zweite Lagerungsanordnung, insbesondere ein zweites Kunststoffelement (72 ), zur Führung des Pumpenkolbens (28 ) vorzugsweise ortsfest relativ zum Pumpenzylinder (40 ) angeordnet ist.
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