-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
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. Die Dichtung weist einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden ersten Abschnitt und einen sich im Wesentlichen radial erstreckenden zweiten Abschnitt auf. Mit dem zweiten Abschnitt wird die Dichtung gegen eine erste Gegenfläche gedrückt. Hierzu ist zwischen einem Rand des ersten Abschnitts und einer zweiten Gegenfläche eine Feder verspannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der 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 sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil, dass das Totvolumen reduziert wird, wodurch der Liefergrad der Kolbenpumpe verbessert wird. Außerdem wird verhindert, dass die Dichtung verkehrt herum eingebaut wird, also nicht wie gewünscht mit dem zweiten Abschnitt im Bereich der ersten Gegenfläche, sondern mit dem ersten Abschnitt im Bereich der ersten Gegenfläche.
-
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.
-
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. 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.
-
Radial außerhalb von dem und ringförmig um den Pumpenkolben herum ist eine mit dem Pumpenkolben wenigstens zeitweise zusammenwirkende und relativ zum Pumpengehäuse im wesentlichen stationäre Dichtung angeordnet. Diese ist typischerweise ring- bzw. hülsenförmig ausgebildet. Sie dichtet unter anderem einen radialen Spalt zwischen dem Pumpenkolben und der Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse ab, wobei „radial“ hier und nachfolgend als eine Richtung verstanden wird, die wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse der oben erwähnten Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse bzw. wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse des Pumpenkolbens ist. Entsprechend wird „axial“ hier und nachfolgend als eine Richtung verstanden, die wenigstens in etwa parallel zur Längsachse der Aufnahmeöffnung bzw. des Pumpenkolbens verläuft.
-
Die Dichtung ist also bereichsweise zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben und im Wesentlichen koaxial zum Pumpenkolben angeordnet. Typischerweise ist die Dichtung aus einem Kunststoffmaterial hergestellt.
-
Die Dichtung weist einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden ersten Abschnitt auf, der insoweit wie eine zylindrische Hülse ausgebildet ist. Ferner weist die Dichtung einen sich im Wesentlichen nach radial außen erstreckenden und umlaufenden zweiten Abschnitt auf, der insoweit wie ein sich nach radial außen erstreckender und umlaufender Ringbund ausgebildet ist. Der zweite Abschnitt ist typischerweise an einem axialen Ende des ersten Abschnitts an diesen angeformt.
-
Die Dichtung wird mit dem zweiten Abschnitt gegen eine dem Pumpengehäuse zugeordnete erste Gegenfläche beaufschlagt, wodurch eine statische Abdichtung zwischen der Dichtung und dem Pumpengehäuse geschaffen wird. Hierzu dient eine Vorspanneinrichtung, die die Dichtung in axialer Richtung gegen die erste Gegenfläche beaufschlagt und die sich an einer zweiten Gegenfläche abstützt, die dem Pumpengehäuse zugeordnet ist. Die Vorspanneinrichtung ist also zwischen der ersten Gegenfläche der Dichtung und der zweiten Gegenfläche des Pumpengehäuses verspannt.
-
Erfindungsgemäß ist die zweite Gegenfläche einerseits radial außerhalb vom ersten Abschnitt der Dichtung angeordnet und andererseits in axialer Richtung gesehen im Bereich des ersten Abschnitts der Dichtung angeordnet. Die zweite Gegenfläche befindet sich also in axialer Richtung gesehen irgendwo auf Höhe des ersten zylindrischen Abschnitts und radial außerhalb von diesem. Dies bedeutet zwingend, dass der Raum radial außerhalb vom ersten Abschnitt der Dichtung zumindest bereichsweise durch einen Körper ausgefüllt ist, an dem die zweite Gegenfläche ausgebildet ist. Dies reduziert, wie oben bereits erwähnt wurde, reduziert dies das Totvolumen. Außerdem ist es nicht mehr möglich, die Dichtung aus Versehen mit dem zweiten Abschnitt voraus in die Aufnahmeöffnung einzusetzen, da dieser dann mit der zweiten Gegenfläche kollidieren würde.
-
Im Betrieb der Kolbenpumpe wird die Dichtung durch den vom Förderraum her wirkenden Druck „aktiviert“. Hierunter wird verstanden, dass der vom Förderraum her wirkende hohe Druck radial außen am ersten Abschnitt der Dichtung wirkt und diesen wenigstens bereichsweise nach radial innen gegen den Pumpenkolben beaufschlagt. Außerdem wird hierunter verstanden, dass der vom Förderraum her wirkende hohe Druck in axialer Richtung am zweiten Abschnitt der Dichtung wirkt und diesen in axialer Richtung gegen die erste Gegenfläche drückt.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Vorspanneinrichtung am zweiten Abschnitt der Dichtung angreift. Somit wird die Kraft der Vorspanneinrichtung unmittelbar dort in die Dichtung eingeleitet, wo diese durch diese Kraft gegen die erste Gegenfläche gedrückt wird. Der erste Abschnitt der Dichtung wird somit von entsprechenden Druck- und Knickkräften freigehalten, wodurch dessen Funktion und Verschleißverhalten optimiert werden.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die zweite Gegenfläche an einem Ringabschnitt ausgebildet ist, der mindestens mittelbar in der Aufnahmeöffnung befestigt ist. Dies vereinfacht die Montage.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Ringabschnitt durch einen hülsenförmigen Fortsatz eines Führungsrings gebildet wird, der den Pumpenkolben in der Aufnahmeöffnung führt. Der Führungsring hat somit eine Doppelfunktion, nämlich einerseits sorgt er für die radiale Führung im Gleitsitz des Pumpenkolbens gegenüber dem Pumpengehäuse, und zum anderen sorgt er für die Reduzierung des Totvolumens und die Abstützung der Vorspanneinrichtung. Hierzu umgreift der hülsenförmige Fortsatz des ansonsten axial zwischen Dichtung und Förderraum angeordneten Führungsrings die Dichtung radial außen.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Führungsring und der Dichtung ein axialer Spalt vorhanden ist. Dies erleichtert die radiale Beweglichkeit der Dichtung, so dass diese „schwimmend“ mit dem Pumpenkolben beweglich ist und Toleranzen der Lage und der Ausrichtung des Pumpenkolbens kompensieren kann.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Ringabschnitt und der Dichtung ein radialer Spalt vorhanden ist. Auch dies erleichtert die radiale Beweglichkeit der Dichtung, so dass diese „schwimmend“ mit dem Pumpenkolben beweglich ist und Toleranzen der Lage und der Ausrichtung des Pumpenkolbens kompensieren kann.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Ringabschnitt und der Aufnahmeöffnung ein radialer Spalt vorhanden ist. Dies erleichtert die Montage des Ringabschnitts.
-
Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Vorspanneinrichtung eine Spiralfeder umfasst. Eine solche ist preiswert und kann einfach montiert werden.
-
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einer Dichtung; und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Bereichs der Dichtung von 1.
-
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.
-
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. 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.
-
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 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.
-
Zwischen dem Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 und einer inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ist eine insgesamt hülsenförmige Dichtung 32 aus einem Kunststoffmaterial angeordnet, die auch als Hochdruckdichtring („HDR“) bezeichnet wird. Diese dichtet 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.
-
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 unter anderem zur radialen Führung des Pumpenkolbens 20 gegenüber dem Pumpengehäuse 16. Auf das Führungselement 34 wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden. 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 abdichtet.
-
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.
-
Die Dichtung 32 wird durch eine Feder 40 gegen das Halteelement 36 beaufschlagt. Die genaue Ausgestaltung der Dichtung 32, des Führungselements 34 und der Feder 40 wird nun insbesondere unter Bezugnahme auf 2 im Detail erläutert:
-
Die Dichtung 32 weist einen ersten Abschnitt 42 auf, der sich in axialer Richtung 22 erstreckt und der somit insgesamt hülsenförmig bzw. zylindrisch ist und der vor allem die Dichtfunktion zum Pumpenkolben 20 hin erfüllt. Von dem in 2 unteren, also dem Halteelement 36 zugewandten Rand des ersten Abschnitts 42 der Dichtung 32 erstreckt sich nach radial außen ein umlaufender zweiter Abschnitt 44 in der Art eines umlaufenden Ringbunds. Eine in 2 untere Stirnfläche 46 der Dichtung 32 bzw. des sich radial erstreckenden zweiten Abschnitts 44 kontaktiert eine in 1 nach oben weisende erste Gegenfläche 48 des Halteelements 36. Da das Halteelement 36 fest mit dem Pumpengehäuse 16 verbunden ist, kann die erste Gegenfläche als „dem Pumpengehäuse 16 zugeordnet“ bezeichnet werden. Der zweite Abschnitt 44 erfüllt somit die Dichtfunktion zum Pumpengehäuse 16 hin.
-
Das in 2 obere Führungselement 34 ist in etwa umgekehrt komplementär zur Dichtung 32 ausgeführt. Es weist einen in 2 oberen ersten Abschnitt 50 auf sowie einen in 2 unteren zweiten Abschnitt 52. Beide Abschnitte 50 und 52 haben vorliegend beispielhaft in axialer Richtung gesehen ungefähr die gleiche Länge. Beide Abschnitte 50 und 52 haben darüber hinaus vorliegend beispielhaft in axialer Richtung gesehen eine größere Erstreckung als in radialer Richtung, sind also hülsenartig. Der obere erste Abschnitt 50 des Führungselements 34 hat eine Wandstärke, die ungefähr von der inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 bis zum Pumpenkolben 20 reicht.
-
Dieser erste Abschnitt 50 erfüllt mit einer radial inneren Umfangswand 54 somit die Führungsfunktion gegenüber dem Pumpenkolben 20.
-
Der zweite Abschnitt 52 des Führungselements 34 erstreckt sich von einem radial äußeren Bereich des ersten Abschnitts 50 in axialer Richtung in 2 nach unten in Richtung zum zweiten Abschnitt 44 der Dichtung 32. Während eine radial äußere Umfangswand (ohne Bezugszeichen) des zweiten Abschnitts 52 bündig mit einer radial äußeren Umfangswand (ohne Bezugszeichen) des ersten Abschnitts 50 ist, ist eine radial innere Umfangswand 56 des zweiten Abschnitts 52 gegenüber der inneren Umfangswand 54 des ersten Abschnitts 50 nach radial außen zurückgesetzt. Auf diese Weise bildet der zweiten Abschnitt 52 des Führungselements 34 einen „Ringabschnitt“, der durch einen radial außen liegenden hülsenförmigen Fortsatz des Abschnitts 50 des Führungselement 34 gebildet wird.
-
Zwischen der inneren Umfangswand 56 des zweiten Abschnitts 52 des Führungselements 34 und einer radial äußeren Umfangswand 58 des ersten Abschnitts 42 der Dichtung 32 ist ein radialer Spalt 60 vorhanden. Ferner ist zwischen einer in 2 nach oben weisenden Stirnfläche 62 des ersten Abschnitts 42 der Dichtung 32 und einer in 2 nach unten weisenden Stirnfläche 64 des ersten Abschnitts 50 des Führungselements 34 ein axialer Spalt 66 vorhanden. Schließlich ist noch zwischen der radial äußeren Umfangswand (ohne Bezugszeichen) des zweiten Abschnitts 52 des Führungselements 34 und der inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ein radialer Spalt 68 vorhanden. Dieser wird vorliegend beispielhaft dadurch geschaffen, dass ein Durchmesser der Aufnahmeöffnung 18 im Bereich des zweiten Abschnitts 52 des Führungselements 34 etwas größer ist als im Bereich des ersten Abschnitts 50 des Führungselements 34.
-
Die oben erwähnte Feder 40 ist vorliegend beispielhaft als Spiralfeder ausgebildet. Sie ist zwischen einer ringförmigen und in 2 nach unten weisenden Stirnfläche 70 am abragenden und in 2 unteren Ende des zweiten Abschnitts 52 des Führungselements 34 und einer in 2 nach oben weisenden Ringfläche 72 am zweiten Abschnitt 44 der Dichtung 32 verspannt. Die ringförmige Stirnfläche 70 kann auch als zweite Gegenfläche bezeichnet werden, welche ferner als dem Pumpengehäuse 16 zugeordnet bezeichnet werden kann, da sie an dem Führungselement 34 ausgebildet ist, welches fest und stationär mit dem Pumpengehäuse 16 verbunden ist. Die Feder 40 greift somit am zweiten Abschnitt 44 der Dichtung 32 an. Man erkennt ferner, dass die zweite Gegenfläche 70 radial außerhalb vom ersten Abschnitt 42 der Dichtung 32 und in axialer Richtung 22 gesehen im Bereich des ersten Abschnitts 42 der Dichtung 32 angeordnet ist.
-
Die Dichtung 32 ist zwischen dem Pumpengehäuse 16 und dem Pumpenkolben 20 so angeordnet, dass sie von dem aus dem Förderraum 28 wirkenden Druck wenigstens bereichsweise mit dem ersten Abschnitt 42 nach radial innen gegen den Pumpenkolben und mit dem zweiten Abschnitt 44 axial gegen die dem Pumpengehäuse 16 zugeordnete erste Gegenfläche 48 beaufschlagt wird. Sie wird somit quasi durch den vom Förderraum 28 her wirkenden Druck „aktiviert“.
-
Durch den zweiten Abschnitt 52 des Führungselements 34 wird der zwischen dem ersten Abschnitt 42 der Dichtung 32 und der inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 vorhandene Raum weitgehend ausgefüllt, und hierdurch wird das Totvolumen der Kolbenpumpe 10 reduziert. Insbesondere durch den axialen Spalt 66 und den radialen Spalt 60 kann sich die Dichtung 32 mit dem Pumpenkolben 20 bewegen bzw. gegenüber diesem und mit diesem ausrichten, wodurch Winkel- und Lagetoleranzen des Pumpenkolbens 20 ausgeglichen werden können. Ferner erkennt man, dass durch die umgekehrt komplementäre Ausgestaltung von Dichtung 32 und Führungselement 34 ein versehentlich falscher Einbau der Dichtung 32 so gut wie ausgeschlossen wird, da ansonsten der erste Abschnitt 42 der Dichtung 32 mit dem zweiten Abschnitt 52 des Führungselement 34 kollidieren würde.
-
Vorliegend wurde beispielhaft als Feder 40 eine Spiralfeder angenommen. Grundsätzlich denkbar sind aber auch andere Federtypen, beispielsweise eine Wellfeder oder eine Tellerfeder. Ferner wurde vorliegend eine einstückige Ausgestaltung von erstem Abschnitt 50 und zweitem Abschnitt 52 des Führungselements 34 angenommen. Grundsätzlich denkbar wäre aber auch, diese beiden Abschnitte als separate Teile auszuführen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017212498 A1 [0002]
