Titel

Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vom Markt her sind Kraftstoff-Hochdruckpumpen für Kraftstoff Systeme von Brennkraftmaschinen bekannt. Diese Kraftstoff-Hochdruckpumpen verdichten den Kraftstoff auf einen hohen Druck und leiten ihn in eine Kraftstoff- Sammelleitung („Rail“) weiter, von wo der Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Ein mit einer Stufe versehener Pumpenkolben ist im Pumpengehäuse geführt, und der Pumpenkolben wird von einer Kolbenfeder zu einem Antrieb hin, also aus dem Pumpengehäuse heraus beaufschlagt. Um in einem vormontierten Zustand der Kraftstoff- Hochdruckpumpe ein Herausfallen des Pumpenkolbens aus dem Pumpengehäuse zu verhindern, ist ein Hülsenelement vorgesehen, welches einen Anschlagabschnitt für den Pumpenkolben aufweist, sodass eine Bewegung des Pumpenkolbens in Richtung zum Antrieb hin und vom Gehäuse weg begrenzt und ein Herausfallen des Pumpenkolbens aus dem Pumpengehäuse verhindert wird. Ein Beispiel für eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe zeigt die DE 102015209539 A1.

Offenbarung der Erfindung

Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung ermöglicht es, dass der Pumpenkolben bei einer Montage beispielsweise einer Niederdruckdichtung durch das Hülsenelement bereits geführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Pumpenkolben zentral auf die Niederdruckdichtung trifft und so eine Beschädigung der Niederdruckdichtung vermieden wird. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Hülsenelement werden zudem wichtige festigkeitskritische Gesichtspunkte berücksichtigt, indem die Führung des Pumpenkolbens außerhalb eines Dichtungsträgers der Niederdruckdichtung bzw. unabhängig von diesem Dichtungsträger angeordnet werden kann. Die Funktion „Führung des Pumpenkolbens“ ist somit von der Funktion „Halterung der Niederdruckdichtung“ entkoppelt. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die beispielsweise aufgrund von Koaxialtoleranzen des Pumpenkolbens auftretenden radialen Lagerkräfte von dem Hülsenelement aufgenommen werden und direkt in das Gehäuse überführt werden. Dabei versteht sich, dass hier und nachfolgend die Begriffe „axial“ und „radial“ durch die Längsachse des Pumpenkolbens definiert werden. „Axial“ ist in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens, „radial“ orthogonal hierzu. Die radialen Lagerkräfte werden somit vom Dichtungsträger ferngehalten. Die Belastung des Dichtungsträgers wird somit reduziert, wodurch im Betrieb ein Versagen des Dichtungsträgers verhindert wird. Ein weiterer Vorteil ist es, dass ein Dichtungsträger eingesetzt werden kann, wie er bei bisherigen Kraftstoff- Hochdruckpumpen üblich ist.

Erreicht wird dies konkret durch eine Kraftstoffpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, wie sie beispielsweise in Kraftstoffsystemen von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zum Einsatz kommt. Sie umfasst ein Pumpengehäuse und einen in dem Pumpengehäuse mindestens zum Teil, beispielsweise mittels einer Kolbenbuchse, aufgenommenen Pumpenkolben. Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe ist also eine Kolbenpumpe. Es kann sich beispielsweise um eine Einzylinder-Kolbenpumpe handeln, die von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird.

Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe weist ein radial um den Pumpenkolben herum angeordnetes Hülsenelement auf. Dieses Hülsenelement weist einen Führungsabschnitt auf, dessen primärer Zweck und primäre Funktion darin bestehen, den Pumpenkolben im Gleitsitz zu führen und in radialer Richtung relativ zum Pumpengehäuse zu zentrieren. Der Führungsabschnitt erstreckt sich in Längsrichtung des Pumpenkolbens, und er ragt vom Pumpengehäuse ab. Er kann somit beispielsweise in der Art eines Rohres ausgebildet sein, welches wenigstens bereichsweise nach radial außen frei ist, also nicht vom Pumpengehäuse abgestützt, beispielsweise in dieses eingepresst ist.

Das Hülsenelement umfasst ferner einen mit dem Führungsabschnitt einstückigen Stützabschnitt. Dieser ragt vom Führungsabschnitt nach radial außen ab, und über den Stützabschnitt stützt sich das Hülsenelement in radialer Richtung am Pumpengehäuse ab. Relativ zur Längsachse des Pumpenkolbens und des Hülsenelements quer wirkende Kräfte (Querkräfte) werden somit vom Pumpenkolben über das Hülsenelement und den Stützabschnitt unmittelbar in das Pumpengehäuse geleitet. Der Stützabschnitt kann beispielsweise in der Form eines Ringbunds ausgebildet sein. Die Abstützung des Stützabschnitts am Pumpengehäuse erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der Stützabschnitt in eine entsprechende Öffnung im Pumpengehäuse eingepresst ist. Grundsätzlich sind aber auch andere Befestigungsarten denkbar.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Pumpenkolben einen ersten einem Förderraum zugewandten Abschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten einem Antrieb zugewandten Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und wobei zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein Absatz gebildet ist, und dass das Hülsenelement in Längsrichtung des Pumpenkolbens gesehen ungefähr auf Höhe des Absatzes angeordnet ist. Der Pumpenkolben ist somit als sogenannter „Stufenkolben“ ausgebildet. Durch die Anordnung des Hülsenelements im Bereich des Absatzes bzw. der „Stufe“ des Pumpenkolbens wird die Führungsfunktion des Hülsenelements in einem axialen Bereich des Pumpenkolbens realisiert, der von einem Förderraum der Kraftstoff-Hochdruckpumpe und einer üblicherweise in dessen Bereich vorhandenen Führung bereits relativ weit entfernt ist, wodurch die Wirkung der koaxialen Zentrierung durch das Hülsenelement verbessert wird.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass das Hülsenelement einen Anschlagabschnitt aufweist, der mit dem Absatz Zusammenwirken kann, um eine Bewegung des Pumpenkolbens in Richtung zum Antrieb hin zu begrenzen. Somit erfüllt das Hülsenelement eine Doppelfunktion, nämlich einerseits sorgt es für die (zusätzliche) Führung des Pumpenkolbens, und zum anderen dient es als Verliersicherung für den Pumpenkolben bei montierter Kraftstoff- Hochdruckpumpe, beispielsweise bei Transport und Lagerung vom Hersteller der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zum Hersteller der Brennkraftmaschine.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der Anschlagabschnitt einen nach radial einwärts vom Führungsabschnitt abragenden Bund aufweist, der am vom Stützabschnitt entgegengesetzten Ende des Führungsabschnitts angeordnet ist. Dies ist sehr preiswert und einfach zu realisieren.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass zwischen dem Rand des Bundes und der Mantelfläche des Pumpenkolbens ein Abstand vorhanden ist.

Der hierdurch geschaffene Spalt ermöglicht einen Druckausgleich und einen Durchlass für eine gewisse (geringe) Menge an Kraftstoff, die beispielsweise für die Schmierung einer nachfolgend angeordneten Niederdruckdichtung eingesetzt werden kann.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Hülsenelement einen insgesamt in seiner Längsrichtung verlaufenden Fluidweg aufweist. Die Funktion dieses Fluidwegs ist die gleiche wie die des oben beschriebenen Spalts.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der Fluidweg mindestens eine insgesamt in Längsrichtung verlaufende Nut in einer Führungsfläche des Hülsenelements aufweist. Dies kann sehr einfach realisiert werden.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein axialer Rand einer Führungsöffnung des Hülsenelements, mittels der der Pumpenkolben geführt ist, eine Einführschräge für den Pumpenkolben aufweist. Hierdurch wird das Aufschieben des Hülsenelements auf den Pumpenkolben insbesondere bei einer gewissen Schiefstellung des Pumpenkolbens vereinfacht.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kraftstoff-Hochdruckpumpe einen Dichtungsträger für eine Niederdruckdichtung aufweist, der ein vom Hülsenelement separates Bauteil ist. Die Funktion „Halterung der Niederdruckdichtung“ wird somit von der Funktion „Führung des Pumpenkolbens“ entkoppelt, wodurch die Lebensdauer des Dichtungsträgers verbessert wird.

Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Herstellen einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe der soeben genannten Art, welches folgende Schritte umfasst: a. Einführen des Pumpenkolbens in das Pumpengehäuse; b. Aufschieben des Hülsenelements auf den Pumpenkolben; c. Befestigen des Hülsenelements mittels des Stützabschnitts am Pumpengehäuse, beispielsweise durch Einpressen in eine Öffnung im Pumpengehäuse; d. Aufschieben der vormontierten Einheit aus Niederdruckdichtung und Dichtungsträger auf den Pumpenkolben; e. Befestigen des Dichtungsträgers am Pumpengehäuse beispielsweise durch Widerstandsschweißen.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen teilweisen und schematischen Schnitt durch eine Kraftstoff-

Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Pumpenkolben, einem Hülsenelement, einem Dichtungsträger und einer Niederdruckdichtung;

Figur 2 ein vergrößertes Detail aus Figur 1 , welches vor allem das Hülsenelement zeigt;

Figur 3 eine perspektivische Darstellung des Hülsenelements der Figuren 1 und 2; und

Figur 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen der Kraftstoff-Hochdruckpumpe.

In den nachfolgenden Figuren tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen.

In Figur 1 trägt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 weist ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Pumpengehäuse 12 auf, in oder an dem die wesentlichen Komponenten der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 ein Einlass-/Mengensteuerventil 14, einen in einem Förderraum 16 angeordneten und durch eine nicht gezeigte Antriebswelle in eine Hin- und Herbewegung versetzbaren Pumpenkolben 18, ein Auslassventil 20 und ein Druckbegrenzungsventil 22 auf.

Im Betrieb wird vom Pumpenkolben 18, der sich parallel zu einer Längsachse 24 hin- und herbewegt, bei einem Saughub Kraftstoff - z. B. Benzin oder Dieselkraftstoff - über das Einlass-/Mengensteuerventil 14 in den Förderraum 16 angesaugt. Bei einem Förderhub wird der im Förderraum 16 befindliche Kraftstoff vom Pumpenkolben 18 verdichtet und über das Auslassventil 20 beispielsweise in einen Hochdruckbereich 26, beispielsweise zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen, wo der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Die Kraftstoffmenge, die bei einem Förderhub ausgestoßen wird, wird dabei durch das elektromagnetisch betätigte Einlass-/Mengensteuerventil 14 eingestellt. Bei einem unzulässigen Überdruck im Hochdruckbereich 26 öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 26 in den Förderraum 16 strömen kann.

Der Pumpenkolben 18 weist einen ersten Abschnitt 28 auf, der dem Förderraum 16 zugewandt ist und der einen ersten Durchmesser aufweist. Ferner weist der Pumpenkolben 18 einen zweiten Abschnitt 30 auf, der einem Antrieb zugewandt ist und einen zweiten Durchmesser aufweist. Der erste Durchmesser ist größer als der zweite Durchmesser, so dass zwischen dem ersten Abschnitt 28 und dem zweiten Abschnitt 30 ein Absatz 32 gebildet ist. Beim Pumpenkolben 18 handelt es sich also um einen Stufenkolben.

Vorliegend beispielhaft weist das Pumpengehäuse 12 eine sacklochartige Öffnung 34 auf, in der der Pumpenkolben 18 aufgenommen ist. In der Öffnung 34 sind in Richtung der Längsachse 24 (Längsrichtung) nacheinander drei ringförmige Elemente angeordnet. Benachbart zum Förderraum 16 ist zunächst ein Führungsring 36 in die Öffnung 34 eingepresst, der im Gleitsitz mit dem ersten Abschnitt 28 des Pumpenkolbens 18 zusammen wirkt und der diesen in radialer Richtung führt und relativ zum Pumpengehäuse 12 zentriert. An den Führungsring 36 schließt sich eine Hochdruckdichtung 38 an, durch die bei einem Förderhub des Pumpenkolbens 18 der im Förderraum 16 auftretende sehr hohe Fluiddruck gegenüber einem Niederdruckbereich (ohne Bezugszeichen) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 abgedichtet wird. Die Hochdruckdichtung 38 wird bei einem Förderhub des Pumpenkolbens 18 durch den auf ihrer Außenseite herrschenden hohen Druck gegen die äußere Mantelfläche des Pumpenkolbens 18 gedrückt. An die Hochdruckdichtung 38 schließt sich ein Haltering 40 an, der in die Öffnung 34 eingepresst ist und der die Hochdruckdichtung 38 axial sichert. Grundsätzlich denkbar wäre aber auch, dass anstelle der besagten drei Elemente eine längliche Kolbenbuchse vorgesehen ist.

Zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 gehört auch eine Niederdruckdichtung 42, die vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise einem PTFE- Material, hergestellt sein kann. Die Niederdruckdichtung 42 liegt mit einer radialen Innenseite auf einer Mantelfläche des zweiten Abschnitts 30 des Pumpenkolbens 18 im Gleitsitz auf. Sie ist im Betrieb der Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 wenigstens im wesentlichen und relativ zum Pumpenkolben 18 stationär, und sie wird in dieser stationären Position gehalten durch einen Dichtungsträger 44. Dieser ist beispielsweise als Blechformteil durch einen Tiefziehprozess hergestellt und wird am Pumpengehäuse 12 auf noch näher zu beschreibende Art und Weise gehalten.

Der Dichtungsträger 44 weist an seinem in in den Figuren 1 und 2 unteren Ende einen ersten Abschnitt 46 auf, der sich nach radial einwärts erstreckt und in einem Abstand vom Pumpenkolben 18 endet. Der Abschnitt 46 ist an einen zweiten Abschnitt 48 angeformt, der sich im wesentlichen in axialer Richtung und in Figur 1 vom ersten Abschnitt 46 nach oben erstreckt. An dessen in Figur 1 oberes Ende ist ein dritter Abschnitt 50 angeformt, der sich im wesentlichen in radialer Richtung nach außen erstreckt. An dessen radial äußeres Ende ist ein vierter Abschnitt 52 angeformt, der sich im wesentlichen in axialer Richtung in Figur 1 nach unten erstreckt. An dessen unteres axiales Ende ist ein vergleichsweise kurzer fünfter Abschnitt 54 angeformt, der sich in einem Winkel von ungefähr 40° relativ zur Längsachse 24 nach außen erstreckt.

Der schräge fünfte Abschnitt 54 des Dichtungsträgers 44 ist mittels einer umlaufenden Schweißlinie 56 mittels Widerstandsschweißen mit dem unteren Ende eines Kragens 58 des Pumpengehäuses 12 fest verbunden. Durch den ersten Abschnitt 46 des Dichtungsträgers 44 wird die Niederdruckdichtung 42 in axialer Richtung nach unten fixiert. Durch den zweiten Abschnitt 48 des Dichtungsträgers 44 wird die Niederdruckdichtung 42 in radialer Richtung fixiert. Zur Fixierung der Niederdruckdichtung 42 nach oben dient eine Verengung (ohne Bezugszeichen) der Innenweite des zweiten Abschnitts 48.

An einem in Figur 1 unteren Ende des Pumpenkolbens 18 ist an diesem ein Federteller 60 befestigt. Zwischen diesem und dem dritten Abschnitt 50 des Dichtungsträgers 44 ist eine Kolbenfeder 62 verspannt. Die Kraftstoff- Hochdruckpumpe 10 kann beispielsweise mit dem Kragen 58 in eine Öffnung eines Motorblocks einer Brennkraftmaschine eingesetzt und mittels eines Befestigungsflansches (ohne Bezugszeichen) am Motorblock befestigt werden. Das in Figur 1 untere Ende des Pumpenkolbens 18 und der Federteller 60 können mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine Zusammenwirken, durch die im Betrieb der Pumpenkolben 18 in eine Hin- und Herbewegung versetzt wird. Die Niederdruckdichtung 42 sorgt dabei für eine fluidische Trennung zwischen einem Niederdruckbereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 und einem Antriebsbereich beispielsweise der Brennkraftmaschine.

Zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 gehört ferner ein Hülsenelement 64, dessen Ausgestaltung insbesondere auch aus Figur 3 ersichtlich ist. Das Hülsenelement 64 ist im Bereich des Absatzes 32 des Pumpenkolbens 18 um den Pumpenkolben 18 herum angeordnet. Es weist einen sich in Richtung der Längsachse 24 des Pumpenkolbens 18 erstreckenden Führungsabschnitt 66 auf, der in der Art einer Hülse bzw. eines Rohres ausgebildet ist. Der Führungsabschnitt 66 ist vom Pumpengehäuse 12 frei, wird also radial von diesem nicht gehalten, wie es beispielsweise der Fall wäre, wenn der Führungsabschnitt 66 in das Pumpengehäuse 12 eingepresst wäre. Eine innere Mantelfläche 68 des Führungsabschnitts 66 begrenzt eine Führungsöffnung (ohne Bezugszeichen), liegt im Gleitsitz auf dem Pumpenkolben 18 auf und dient zur Führung und Zentrierung des Pumpenkolbens 18 in radialer Richtung. Sie bildet insoweit eine Führungsfläche.

An das in den Figuren obere Ende des Führungsabschnitts 66 ist an diesen ein ringscheibenförmiger Stützabschnitt 70 in der Art eines Ringbunds angeformt. Dieser erstreckt sich vom Führungsabschnitt 66 nach radial außen, ragt also vom Führungsabschnitt 66 ab. Über den Stützabschnitt 70 stützt sich das Hülsenelement 64 in radialer Richtung unmittelbar am Pumpengehäuse 12 ab. Vorliegend beispielhaft ist hierzu der Stützabschnitt 70 in die im Inneren des Kragens 58 gebildete Öffnung (ohne Bezugszeichen) eingepresst. Grundsätzlich sind aber auch andere Befestigungsarten denkbar. Im Übergang zwischen dem Stützabschnitt 70 und dem Führungsabschnitt 66 weist die inneren Mantelfläche 68 eine Einführschräge 72 auf.

Am vom Stützabschnitt 70 entgegengesetzten Ende des Führungsabschnitts 66 weist das Hülsenelement 64 einen nach radial einwärts vom Führungsabschnitt 66 abragenden Bund 74 auf, der einen Anschlagabschnitt bildet, der mit dem Absatz 32 des Pumpenkolbens 18 Zusammenwirken kann, um eine Bewegung des Pumpenkolbens 18 in Richtung zum Antrieb (also vom Förderraum 16 weg) zu begrenzen. Dabei ist zwischen dem radial inneren Rand (ohne Bezugszeichen) des Bundes 74 und der Mantelfläche des zweiten Abschnitts 30 des Pumpenkolbens 18 ein Abstand vorhanden, durch den ein Ringspalt 76 gebildet wird.

In der inneren Mantelfläche 68 des Führungsabschnitts 66 sind vier gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete und in Richtung der Längsachse 24 verlaufende Nuten 78 vorhanden, durch die ein Fluidweg durch das Hülsenelement 64 hindurch in dessen Längsrichtung gebildet wird. Entsprechend ist in dem Anschlagabschnitt 74 in dessen in den Figuren oberer Stirnfläche eine Ringnut 80 vorhanden, die ebenfalls zu dem Fluidweg gehört.

Ein Verfahren zum Herstellen der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 wird nun unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutert. In einem Funktionsblock 82 wird zunächst der Pumpenkolben 18 in das Pumpengehäuse 12 bzw. die dort vormontierten drei ringförmigen Elemente Führungsring 36, Hochdruckdichtung 38 und Haltering 40 eingeführt. Dann wird entsprechend einem Funktionsblock 84 das Hülsenelement 64 mit dem Stützabschnitt 70 voraus zunächst auf den zweiten Abschnitt 30 und dann auf den ersten Abschnitt 28 des Pumpenkolbens 18 aufgeschoben. Dies wird durch die Einführschräge 72 im Übergangsbereich zwischen Führungsabschnitt 66 und Stützabschnitt 70 erleichtert. In einem Funktionsblock 86 wird das Hülsenelement 64 mittels des Stützabschnitts 70 am Pumpengehäuse 12 durch Einpressen befestigt. Danach wird in einem Funktionsblock 88 die vormontierte Einheit aus Niederdruckdichtung 42 und Dichtungsträger 44 auf den Pumpenkolben 18 und auf das Hülsenelement 64 aufgeschoben, bis der fünfte Abschnitt 54 am Rand des Kragens 58 in Anlage kommt. Schließlich wird der Dichtungsträger 44 am Rand des Kragens 58 des Pumpengehäuses 12 durch Widerstandsschweißen befestigt (Funktionsblock 90).