Titel

Zyklisch arbeitende Pumpe, insbesondere Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine zyklisch arbeitende Pumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beispielsweise aus der DE 102019217207 A1 ist eine zyklisch arbeitende Pumpe in Form einer Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe für ein Kraftstoff system einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine solche Kraftstoff- Hochdruckkolbenpumpe verdichtet den Kraftstoff auf einen hohen Druck und leitet ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) weiter, von wo der Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Ein Pumpenkolben ist im Pumpengehäuse geführt, und der Pumpenkolben wird von einer Kolbenfeder zu einem Antrieb hin beaufschlagt. Jeweils bei einem Förderhub fördert der Pumpenkolben Kraftstoff über ein Auslassventil zu einem Auslassstutzen, der mit dem Pumpengehäuse verschweißt ist. Insoweit arbeitet die Pumpe „zyklisch“.

Offenbarung der Erfindung

Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch eine zyklisch arbeitende Pumpe, beispielsweise eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe hat den Vorteil, dass die Festigkeit und damit die Lebensdauer der Pumpe auch bei sehr hohen Druckspitzen im Auslassstutzen verbessert wird, ohne dass beispielsweise die Schweißverbindung zwischen Auslassstutzen und Pumpengehäuse durch eine zusätzliche Verschraubung verstärkt werden muss. Somit kann die Fertigung einer solchen Pumpe auf bestehenden Fertigungsanlagen erfolgen. Auch baut eine solche Pumpe kleiner und kompakter als eine Pumpe mit zusätzlicher Verschraubung. Die einzelnen Komponenten sind ferner vergleichsweise kostengünstig. Da die Verbindung zwischen Auslassstutzen und Pumpengehäuse weiterhin ausschließlich nicht lösbar (nämlich verschweißt) ist, ist kein Zusatzaufwand für eine Sicherung gegen ein Lösen erforderlich. Schließlich bleibt die Verbindung zwischen Auslassstutzen und Pumpengehäuse vollständig fluid- und diffusionsdicht, sodass keine Zusatzmaßnahmen zur Fluidabdichtung erforderlich sind.

Konkret wird dies erreicht durch eine zyklisch arbeitende Pumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckkolbenpumpe. Eine solche Pumpe umfasst ein Pumpengehäuse und einen an das Pumpengehäuse mittels eines umlaufenden Schweißbereichs angeschweißten Auslassstutzen. Das Pumpengehäuse kann im wesentlichen rotationssymmetrisch sein, beispielsweise mehreckig, und der Auslassstutzen kann an einer radialen Außenseite des Pumpengehäuses angeordnet sein. Der Auslassstutzen wiederum kann als rohrförmiges Element ausgebildet sein und zum Pumpengehäuse hin eine schräge Kontaktfläche aufweisen. Diese wird zum Verbinden mit dem Pumpengehäuse gegen eine ringförmige Kante einer Auslassöffnung im Pumpengehäuse gedrückt.

Die Anpresskraft, mit der der Auslassstutzen gegen das Pumpengehäuse während der Herstellung der Verbindung gedrückt wird, kann dabei sehr hoch sein. Die Verbindung wird vorzugsweise durch Widerstandsschweißen, insbesondere durch Kondensator-Entladungsschweißen (KE-Schweißen) hergestellt. Auf diese Weise wird die ringförmige Kante des Pumpengehäuses mit der schrägen Kontaktfläche in einem Schweißbereich verschmolzen. Um zu verhindern, dass sich der Auslassstutzen während des Verbindungsvorgangs aufgrund der hohen Anpresskraft in radialer Richtung verformt, verfügt der Auslassstutzen unmittelbar benachbart zum Schweißbereich über einen in radialer Richtung wirkenden Versteifungsbereich, an dem eine erste hydraulisch wirksame Fläche vorhanden ist. Diese hat eine erste hydraulische Kraftresultierende, die in einer ersten Richtung wirkt. Die erste Richtung weist typischerweise vom Pumpengehäuse weg.

Bei der Verbindung des Auslassstutzen mit dem Pumpengehäuse entsteht am radial inneren Rand des Schweißbereichs eine umlaufende rillenartige Einbuchtung („Innenkerbe“). Aufgrund der zyklischen Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Pumpe hat die erste hydraulische Kraftresultierende eine pulsierende Stärke, durch die - ohne Gegenmaßnahme - der Schweißbereich im Bereich der Innenkerbe pulsierend belastet werden würde. Erfindungsgemäß weist der Auslassstutzen in seinem Inneren aber eine zweite hydraulisch wirksame Fläche auf. Diese hat eine zweite hydraulische Kraftresultierende, die in einer zweiten Richtung wirkt, die zu der ersten Richtung der ersten Kraftresultierenden wenigstens im wesentlichen entgegengesetzt und koaxial ist. Auf diese Weise wird die erwähnte auf die Innenkerbe wirkende pulsierende Belastung weitestgehend eliminiert, was zu der eingangs erwähnten Verbesserung der Dauerfestigkeit der Schweißverbindung auch bei hohen Druckspitzen führt.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die beiden Kraftresultierenden parallel zu einer Längsachse des Auslassstutzens wirken und in radialer Richtung wenigstens in etwa auf gleicher Höhe liegen. Somit verlaufen die beiden hydraulisch wirksamen Flächen wenigstens im wesentlichen orthogonal zu einer Längsachse des Auslassstutzens, was herstellungstechnische Vorteile hat.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die beiden hydraulisch wirksamen Flächen wenigstens in etwa gleich groß sind. Entsprechend sind auch die beiden Kraftresultierenden betragsmäßig in etwa gleich groß, sodass die auf die Innenkerbe wirkende Last besonders gut eliminiert wird.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite hydraulisch wirksame Fläche mindestens auch durch einen Hinterschnitt in einer inneren Umfangswand des Auslassstutzen bereitgestellt wird. Dies ist fertigungstechnisch einfach zu realisieren, da üblicherweise ohnehin der Auslassstutzen spanend bearbeitet wird.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt durch einen Einstich hergestellt ist. Entsprechende Drehwerkzeuge sind preiswert. Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite hydraulisch wirksame Fläche mindestens auch durch ein im Inneren des Auslassstutzen angeordnetes Stützelement bereitgestellt wird. Durch ein solches Stützelement kann ein in radialer Richtung wirkender Versteifungsbereich bereitgestellt werden, in der auch sehr hohe radiale Kräfte aufnehmen und somit einer radialen Verformung des Auslassstutzens beim Herstellen der Schweißverbindung zuverlässig verhindert.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement ringförmig ausgebildet ist. Ein solches Stützelement ist einfach herstellbar und bietet eine gleichmäßige radiale Versteifung mit gleichzeitig ausreichend freiem Durchlass im Inneren des Auslassstutzens für das von der Pumpe geförderte Fluids.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Stützelement in einen Stutzenkörper eingepresst ist. Dies hat fertigungstechnische Vorteile und ist kostengünstig.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Stützelement aus einem hochfesten Stahl hergestellt ist. Die erfindungsgemäße Stützwirkung kann auf diese Weise mit wenig Material und somit mit geringem Bauraum realisiert werden, wodurch mehr Totvolumen bereitgestellt wird, was Druckpulsationen Dämpfen hilft, und wodurch mehr Platz für innenliegende Bauteile bereitgestellt wird.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Stützelement über seinen Umfang verteilt angeordnete und in axialer Richtung abragende Vorsprünge aufweist. Solche Vorsprünge können zusätzlich noch ein entstehendes Drehmoment abstützen.

Wo im Rahmen dieser Erfindung die Reichweite von Merkmalen, die geometrische Zusammenhänge betreffen, durch Erläuterungen wie beispielsweise „im Wesentlichen koaxial“, „im Wesentlichen senkrecht“, „in etwa gleich groß“ usw. definiert ist, kann das Merkmal den geometrischen Zusammenhang als solchen betreffen, also in den Beispielen „kaxial“, „senkrecht“, „gleich groß“ usw. Es können aber auch Bereiche umfasst bzw. definiert sein, wie sie üblicherweise in der Praxis durch die industielle Fertigbarkeit entstehen, zum Beispiel mit Hinblick auf Winkel 1 ° oder mit Hinblick auf Flächen 1 %.

Darüber hinaus können aber auch Bereiche umfasst bzw. definiert sein, innerhalb derer die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung und ihrer Weiterbildungen resultieren, zum Beispiel mit Hinblick auf Winkel 10° oder mit Hinblick auf Flächen 10%.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Figur 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse und einer ersten Ausführungsform eines Auslassstutzens mit einem durch einen Einstich gebildeten Hinterschnitt;

Figur 2 einen detaillierten Schnitt durch den Auslassstutzen von Figur 1 ;

Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Schweißbereichs zwischen Auslassstutzen und Pumpengehäuse von Figur 1;

Figur 4 eine Darstellung ähnlich zu Figur 3 einer alternativen Ausführungsform eines Auslassstutzens mit einem ringförmigen Stützelement;

Figur 5 eine geschnittene perspektivische Darstellung der Ausführungsform von Figur 4 und eines Bereichs des Pumpengehäuses in einem Zustand unmittelbar vor der Verschweißung; und

Figur 6 eine Draufsicht und einen Schnitt durch ein alternatives ringförmiges Stützelement.

Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. ln den Figuren trägt eine zyklisch arbeitende Pumpe in Form einer Kraftstoff- Hochdruckkolbenpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Pumpengehäuse 12, welches vorliegend beispielhaft insgesamt in etwa mehreckige Gestalt aufweist mit einer Längsachse 14. In dem Pumpengehäuse 12 ist vorliegend beispielhaft koaxial zur Längsachse 14 eine stufenförmige sacklochartige und beispielsweise durch eine Bohrung hergestellte Öffnung 16 vorhanden, in der ein Pumpenkolben 18 aufgenommen ist. Dieser begrenzt mit seinem in Figur 1 oberen Endbereich zusammen mit dem Pumpengehäuse 12 einen Förderraum 20. Mit seinem in Figur 1 unteren Endbereich kooperiert der Pumpenkolben 18 mit einem nicht gezeichneten Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle oder einer Exzenterwelle, der den Pumpenkolben 18 in eine Hin- und Herbewegung versetzen kann.

Zu der Pumpe 10 gehört auch ein Einlassventil 22, welches als Rückschlagventil ausgebildet ist, welches jedoch von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 24 zwangsweise in einer geöffneten Stellung gehalten werden kann. Ferner gehören zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ein als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 26 sowie ein Druckbegrenzungsventil 28. An das Pumpengehäuse 12 ist mittels eines umlaufenden Schweißbereichs 30 ein insgesamt rohrförmiger Auslassstutzen 32 angeschweißt. Auf den Auslassstutzen 32 wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden. In Figur 1 ist im Bereich einer oberen Stirnfläche (ohne Bezugszeichen) des Pumpengehäuses 12 ferner ein Membrandämpfer 34 zum Dämpfen von Niederdruckpulsationen vorhanden.

Wie oben erwähnt wurde, bewegt sich der Pumpenkolben 18 im Betrieb der Pumpe 10 parallel zu seiner Längsachse 14 hin und her. Bewegt sich der Pumpenkolben 18 in Figur 1 nach unten (Saughub), wird Kraftstoff über das Einlassventil 22 in den Förderraum 20 angesaugt. Bewegt sich der Pumpenkolben 18 in Figur 1 nach oben (Förderhub), wird der Kraftstoff im Förderraum 20 zunächst auf einen hohen Druck verdichtet, bis das Auslassventil 26 öffnet und der Kraftstoff über den Auslassstutzen 32 zu einer Kraftstoff- Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen wird. Von dort gelangt der Kraftstoff über Injektoren in zugeordnete Brennräume. Nun wird der Auslassstutzen 32 der Figur 1 unter Bezugnahme insbesondere auf Figur 2 stärker im Detail erläutert: der Auslassstutzen 32 weist eine Längsachse 36 auf, die zur Längsachse 14 des Pumpengehäuses 12 orthogonal ist und zu der er rotationssymmetrisch ausgebildet ist. An einem im eingebauten Zustand (Figur 1) vom Pumpengehäuse 12 abgewandten Ende 37 ist ein Außengewinde 38 vorhanden, an dem eine Hochdruckleitung (nicht gezeichnet) verschraubt werden kann, die den Auslassstutzen 32 mit der oben erwähnten Kraftstoff- Sammelleitung verbindet.

An einem im eingebauten Zustand von Figur 1 zum Pumpengehäuse 12 hin weisenden Ende 39 weist der Auslassstutzen 32 eine orthogonal zur Längsachse 36 verlaufende und radial innen angeordnete Stirnfläche 40 auf. An diese schließt sich nach radial außen eine vorliegend beispielhaft in einem Winkel von 45° verlaufende schräge und in Umfangsrichtung umlaufende Kontaktfläche 42 an, an die sich wiederum eine koaxial zur Längsachse 36 erstreckende äußere Mantelfläche 44 anschließt. Von dieser führt eine umlaufende radiale Einschnürung 46 schließlich zum Außengewinde 38.

Im Inneren des Auslassstutzens 32 erstreckt sich von der Stirnfläche 40 zunächst eine zur Längsachse 36 koaxiale erste innere Mantelfläche 48 in Richtung zum Ende 37. Diese mündet in einen Hinterschnitt 50 in der Form einer in Umfangsrichtung umlaufenden Innennut. Hergestellt wird der Hinterschnitt 50 vorliegend beispielhaft durch Drehen in der Form eines Einstichs. Die Querschnittsform des Hinterschnitts ist vorliegend von besonderem Interesse: von der ersten inneren Mantelfläche 48 erstreckt sich zunächst eine orthogonal zur Längsachse 36 nach radial außen verlaufende Seitenfläche 52. Diese mündet in eine gleichmäßig in Richtung zum Ende 39 hin gekrümmte Basisfläche 54, die sich ungefähr über einen Winkel von vorliegend beispielhaft 135° erstreckt. Die Basisfläche 54 wiederum mündet in eine in einem Winkel von vorliegend beispielhaft 45° zur Längsachse 36 verlaufende Seitenfläche 56. Von dieser zweigt nach radial innen eine orthogonal zur Längsachse 36 verlaufende innere Stirnfläche 58 ab, von der schließlich ein sich koaxial zur Längsachse 36 in Richtung zum Ende 39 hin erstreckender Auslasskanal 60 abzweigt.

Durch den zwischen der Stirnfläche 40 und der Seitenfläche 52 gebildeten Materialbereich wird ein Stützabschnitt 62 gebildet. Zur Verbindung des Auslassstutzens 32 mit dem Pumpengehäuse 12 wird der Auslassstutzen 32 in Richtung seiner Längsachse 36 mit hoher Kraft zum Pumpengehäuse 12 hin beaufschlagt, wo er mit seiner schrägen Kontaktfläche 42 gegen eine dort zunächst vorhandene Kante einer Auslassöffnung 64 (Figuren 1 und 3) anliegt. Die Verbindung erfolgt letztlich durch Widerstandsschweißen, vorliegend beispielhaft durch Kondensator-Entladungsschweißen. Auf diese Weise wird die zunächst vorhandene ringförmige Kante der Auslassöffnung 64 des Pumpengehäuses 12 mit der schrägen Kontaktfläche 42 verschmolzen, wodurch der Schweißbereich 30 entsteht. Dabei werden an den radial inneren und radial äußeren Rändern des Schweißbereichs 30 Kerben gebildet, nämlich eine umlaufende Innenkerbe 66 und eine umlaufende Außenkerbe 68 (Figur 3). Der Stützabschnitt 62 stabilisiert während des Verbindungsvorgangs das zum Pumpengehäuse 12 hin weisende Ende 39 des Auslassstutzens 32 nach radial innen, wodurch dort eine unzulässige Verformung verhindert wird. Der Stützabschnitt 62 bildet insoweit einen nach radial einwärts wirkenden Versteifungsbereich.

Im Betrieb der Pumpe 10 kommt es durch das zyklische Ausstößen des Kraftstoffs zu zyklisch wiederkehrenden Druckspitzen des Kraftstoff drucks im Inneren des Auslassstutzens 32. Der hydraulische Druck wirkt sowohl auf die Stirnfläche 40 (Pfeile 70 in Figur 3) als auch auf die Seitenfläche 52 (Pfeile 72 in Figur 3). Die Stirnfläche 40 bildet insoweit eine erste hydraulisch wirksame Fläche mit einer ersten hydraulischen Kraftresultierenden, die in einer ersten Richtung 73, nämlich der Richtung der Pfeile 70, wirkt, also in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslassstutzens 36 zu dem vom Pumpengehäuse 12 abgewandten Ende 37 des Auslassstutzens 32 hin.

Die Seitenfläche 52 bildet eine zweite hydraulisch wirksame Fläche mit einer zweiten hydraulischen Kraftresultierenden, die in einer zweiten Richtung 75 wirkt, nämlich der Richtung der Pfeile 72, also wiederum in einer Richtung parallel zur Längsachse des Auslassstutzens 36, jedoch zu dem zum Pumpengehäuse 12 weisenden Ende 39 des Auslassstutzens 32 hin. Da die Stirnfläche 40 und die Seitenfläche 52 wenigstens in etwa gleich groß sind, sind die entsprechenden an der Stirnfläche 40 bzw. der Seitenfläche 52 wirkenden hydraulischen Kräfte betragsmäßig ebenfalls in etwa gleich groß. Man erkennt, dass die beiden Kraftresultierenden somit entgegengesetzt und zueinander koaxial sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass der an der Stirnfläche 40 zyklisch angreifende Hydraulikdruck zu einer zyklischen Biegebelastung im Bereich der Innenkerbe 66 führt und hierdurch die Festigkeit des Schweißbereichs 30 beeinträchtigt. Stattdessen wird die an der Stirnfläche 40 angreifende hydraulische Kraft durch die an der Seitenfläche 52 angreifende entgegengesetzt wirkende hydraulische Kraft im Hinblick auf die Belastung des Stützabschnitts 62 zumindest weitgehend eliminiert.

Eine alternative Ausführungsform zeigen die Figuren 4 und 5. Bei dieser wird der Auslassstutzen 32 im wesentlichen ohne jene Stirnfläche, die oben das Bezugszeichen 40 trug, hergestellt. Stattdessen geht die schräge Kontaktfläche 42 direkt in die erste innere Mantelfläche 48 über, die wiederum über eine schräge Zwischenfläche 74 direkt in die innere Stirnfläche 58 übergeht. Bei dieser Ausführungsform wird der Stützabschnitt 62 durch ein Stützelement 76 in Form eines Innenrings aus einem hochfesten Stahl gebildet, der in einen Stutzenkörper 78 des Auslassstutzens 32 eingepresst ist. Figur 5 zeigt den Auslassstutzen 32 unmittelbar vor Beginn des Schweißvorgangs. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kante am Rand der Auslassöffnung 64 noch relativ ausgeprägt. In Figur 5 ist ferner eine Elektrode 80 dargestellt, die für die Herstellung der Schweißverbindung verwendet wird.

Bei der Ausführungsform der Figuren 4 und 5 sind die Stirnfläche 40 und die Seitenfläche 52 flach. Bei einer nochmals anderen Ausführungsformen gemäß der Figuren 6 kann der Innenring 76 auf der Stirnfläche 40 eine Mehrzahl von über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten und in Einbaulage zu dem zum Pumpengehäuse 12 hin weisenden Ende 39 des Auslassstutzens 32 hin weisende Vorsprünge 82 in der Art von Noppen aufweisen. Vorliegend beispielhaft hat der in Figur 6 gezeichnete Innenring 76 drei solche Vorsprünge