Titel

Kolbenpumpe, insbesondere Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Einspritzsvstem einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Hochdruck- Kraftstoffpumpe für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Kolbenpumpe ist aus der DE 10 2014 211 591 A1 bekannt. Diese umfasst einen in einem Pumpengehäuse laufenden Kolben zur Förderung und Verdichtung von Kraftstoff.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kolben sorgt in der Saugphase der Kolbenpumpe (Kolben bewegt sich vom Arbeitsraum weg) dafür, dass das bereits auf Niederdruck geförderte Medium, z.B. Kraftstoff, bspw. aus einer Tankleitung in den Arbeitsraum (Förderraum) strömen kann. In der Förderphase (Kolben bewegt sich zum Arbeitsraum hin) wird das Medium verdichtet und so auf ein höheres Druckniveau gebracht. Das Medium kann dann unter hohem Druck in das Rail gefördert und der

Einspritzeinheit zur Verfügung gestellt werden. Der Antrieb des Kolbens erfolgt dabei durch eine Antriebseinrichtung im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, bspw. durch einen Nockentrieb, der den Kolben in eine Hubbewegung versetzt. Der Kolben kann in der Kolbenpumpe somit auf- und abbewegt werden, wobei eine den Kolben antreibende Antriebskomponente auf den Kolben einwirkt und zum Kolbenantrieb mit diesem in Kontakt gelangt.

Auf Seiten der Anmelderin ist erkannt worden, dass durch die hohe Kompression im Kontaktbereich zwischen Kolben und Antriebskomponente eine hohe

Flächenpressung entstehen kann. Die hohe Flächenpressung führt zu einem erhöhten Verschleiß zwischen den tribologischen Kontaktpartnern.

Es wird daher vorgeschlagen, den Kolben in seinem von dem Arbeitsraum abgewandten Endbereich mit einem separaten Element auszustatten, welches fest mit dem Kolben verbunden ist und einen Kontaktabschnitt für eine den Kolben antreibende Antriebskomponente (bspw. ein Stößel oder eine

Nockenwelle) bildet. Durch eine solche mehrteilige Lösung kann dieses tribologische System optimiert werden, ohne den Werkstoff des Kolbens insgesamt ändern zu müssen. Stattdessen weist der Kolben am oder im

Kontaktbereich zur Antriebskomponente mit dem separaten Element eine zusätzliche Komponente auf. Der Kolben wird somit ganz gezielt am oder im Kontaktbereich zur Antriebskomponente im Hinblick auf die dort auftretenden Belastungen modifiziert. Der Kolben an sich kann aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein, bspw. aus einem geeigneten Stahl.

Bei dem Kolben der Kolbenpumpe kann es sich um einen Hubkolben zur Verdichtung eines Mediums (Fluid), bspw. Kraftstoff, handeln. Bei der

Kolbenpumpe kann es sich um eine Hochdruckpumpe zur

Kraftstoffdirekteinspritzung handeln.

Der Kolben kann über seinen Laufflächenabschnitt, der auch als Lauffläche oder Führungsabschnitt bezeichnet werden kann, mittels des Führungselements am oder im Pumpengehäuse der Kolbenpumpe geführt werden.

Der Kolben kann mehrere Kolbenabschnitte aufweisen. So kann der Kolben an dem dem Arbeitsraum zugewandten Ende einen Verdichtungsabschnitt zur Verdichtung des Kraftstoffes im Arbeitsraum aufweisen. Hieran kann sich der Laufflächenabschnitt (Lauffläche oder Führungsabschnitt) des Kolbens anschließen, über den der Kolben an einem Führungselement des

Pumpengehäuses geführt ist. An der von dem Arbeitsraum abgewandten Ende kann der Kolben einen Betätigungsabschnitt aufweisen, über den der Kolben mittels einer Antriebseinrichtung (bspw. einer Nockenwelle) angetrieben werden kann. Der Verdichtungsabschnitt und/oder der Betätigungsabschnitt können einen gegenüber dem Laufflächenabschnitt reduzierten Querschnitt aufweisen. Der Kolben kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein (mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern).

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden

Beschreibung und in den Zeichnungen.

Vorteilhafterweise kann der Kolben als ein gebauter Kolben ausgebildet sein. Hiermit bestehen konstruktiv größere Freiheiten, so dass eine weitergehende konstruktive Anpassung an die durch den Kolbenantrieb tatsächlich auftretenden Belastungen erfolgen kann als bei einer einstückigen Ausgestaltung des Kolbens aus einheitlichem Material. Alternativ oder ergänzend kann der Kolben mehrere separate Elemente aufweisen. Somit kann durch mehrere Elemente, ggf. an mehreren Stellen, eine konstruktive Anpassung des Kolbens an auftretende Belastungen erfolgen.

Im Konkreten kann das separate Element aus einem anderen Material ausgebildet sein als der restliche Kolben. Hiermit lässt sich eine konstruktiv günstige Optimierung des Kolbens erreichen, da der Kolben Werkstoff generell beibehalten werden kann und eine Materialanpassung lediglich in Bezug auf das separate Element erfolgt. Alternativ oder ergänzend hierzu kann das separate Element aus einem nichtmetallischen Werkstoff ausgebildet sein, insbesondere aus Keramik. Hiermit kann eine höhere Standfestigkeit erreicht werden als bei einer metallischen Ausgestaltung des separaten Elements.

In zweckmäßiger Weise kann das separate Element mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sein, bspw. einem Druckverfahren. Hiermit lassen sich auch komplexe Formgebungen mit geringen Stückzahlen auf rentable Weise realisieren. Auch die Herstellung von Hinterschnitten ist hiermit möglich. Alternativ hierzu kann das separate Element als Drehteil oder als Umformteil ausgebildet sein. Hiermit lassen sich separate Elemente auf rentable Weise fertigen. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann das separate Element mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein. Hiermit lassen sich vorteilhafte Oberflächeneigenschaften erreichen, bspw. kann ein Korrossionsschutz erzielt werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann das separate Element in seiner Festigkeit erhöht sein. Hiermit kann das separate Element den auftretenden Belastungen länger standhalten. Eine Erhöhung der Festigkeit kann mittels eines Wärmebehandlungsverfahrens erzielt werden (klassisches Härtungsverfahren).

Im Konkreten kann das separate Element als zylindrischer Stift ausgebildet sein und einen Abschnitt des Kolbens bilden. Hiermit kann auch vergleichsweise hohen Belastungen standgehalten werden, da durch die Ausgestaltung des separaten Elements als Stift große Wärmemengen abgeführt werden können. Eine Verbindungsstelle innerhalb eines Abschnitts kann durch Ausgestaltung als Stift vermieden werden. Im Konkreten kann der Stift den an den

Laufflächenabschnitt des Kolbens angrenzenden Betätigungsabschnitt bilden. Dabei kann die Verbindungsstelle quasi "topfförmig" ausgebildet sein, so dass der Betätigungsabschnitt und der Laufflächenabschnitt nicht nur an zur

Mittellängsachse des Kolbens orthogonalen Stirnflächen, sondern auch über einen Abschnitt einer Mantelfläche hinweg verbunden werden. Hierzu kann im Laufflächenabschnitt eine entsprechende, sozusagen "topfförmige", Vertiefung aufweisen, deren Innenwandung mit der Mantelfläche des Betätigungsabschnitts zusammenwirkt. Der Übergang von der Stirnseite zur Mantelfläche am

Betätigungsabschnitt und/oder der Übergang von der Stirnfläche der Vertiefung zu ihrer Innenwandung können gerundet ausgebildet sein.

Alternativ hierzu kann das separate Element als Kappe oder Hülse ausgebildet und auf den Kolben aufgebracht sein. Hiermit ist eine Optimierung des tribologischen Systems möglich, wobei der eigentliche Kolben nicht oder lediglich geringfügig angepasst werden muss, bspw. durch Anpassung des betreffenden Kolbenabschnitts, bspw. des Betätigungsabschnitts in seinen Abmessungen und/oder in seiner Geometrie. Die Kappe oder Hülse kann auf den an den Laufflächenabschnitt des Kolbens angrenzenden Betätigungsabschnitt aufgebracht werden. Die Kappe oder Hülse kann an dem im montierten Zustand von dem Kolben abgewandten Ende geschlossen sein. Hiermit ist eine große Kontaktfläche für Antriebskomponenten zum Antrieb des Kolbens gebildet. Alternativ hierzu kann das separate Element als Platte oder Scheibe ausgebildet sein und am von dem Arbeitsraum abgewandten Ende an dem Kolben, insbesondere am Betätigungsabschnitt des Kolbens, befestigt sein. Hiermit ist eine Optimierung des Kolbens möglich, bei der der Materialbedarf für das separate Element vergleichsweise gering ist. Somit kann eine konstruktiv günstige Lösung erreicht werden. Das separate Element und der Kolben können über zwei einander zugewandte Stirnflächen miteinander verbunden sein. Hierzu kann eine der weiter unten noch beschriebenen Verbindungsmethoden genutzt werden.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Platte oder Scheibe einen davon abragenden Befestigungsstift aufweisen, der in den Kolben, insbesondere in den Betätigungsabschnitt des Kolbens, eingebracht ist. Hiermit kann die Platte oder Scheibe am Kolben, insbesondere am Betätigungsabschnitt des Kolbens, verstemmt werden. Hiermit ist die Befestigung der Platte oder Scheibe am Kolben optimiert. Der Befestigungsstift kann orthogonal zur Platten- oder Scheibenebene abragend ausgebildet sein. Der Befestigungsstift ist im

Querschnitt dünner ausgebildet als die Platte oder Scheibe.

Im Konkreten kann das separate Element durch Schweißen, Pressen, Kleben, Schrauben, Verstemmen und/oder Verclipsen an dem Kolben befestigt sein. Durch Anwendung einer oder mehrerer der genannten Verbindungsmethoden lässt sich eine hinreichend stabile und sichere Verbindung des separaten Elements am Kolben erreichen.

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform einer Kolbenpumpe in einer

schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht;

Figur 2 den Kolben und das Führungselement der Kolbenpumpe aus

Figur 1 in Alleinstellung in einer geschnittenen Seitenansicht; Figur 3 eine Ausführung des Kolbens der Kolbenpumpe aus Figur 1 mit einem separaten Element in Form eines Stiftes in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht;

Figur 4 eine Ausführung des Kolbens der Kolbenpumpe aus Figur 1 mit einem separaten Element in Form einer Buchse oder Hülse in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht; und

Figur 5 eine Ausführung des Kolbens der Kolbenpumpe aus Figur 1 mit einem separaten Element in Form einer Platte oder Scheibe in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht;

Figur 6 eine Ausführung des Kolbens aus Figur 5 mit einem von der

Platte oder Scheibe abragenden Befestigungsstift in einer vergrößerten und geschnittenen Seitenansicht.

In Figur 1 trägt eine Kolbenpumpe, die als Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine ausgebildet ist, insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kolbenpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 12 und einen Befestigungsflansch 14 auf. Über den

Befestigungsflansch 14 ist die Kolbenpumpe 10 an einem hier nur schematisch angedeuteten Zylinderkopf 16 einer Brennkraftmaschine befestigt.

Über einen am Pumpengehäuse 12 angeordneten Anschluss 18 kann die Kolbenpumpe 10 an einen Rail einer Einspritzeinheit angeschlossen werden (nicht dargestellt), so dass der Einspritzeinheit unter hohem Druck ein Medium, bspw. Kraftstoff, zur Verfügung gestellt werden kann. Der durch das Rechteck 20 gekennzeichnete Bereich kann als Hochdruckbereich der Kolbenpumpe 10 bezeichnet werden.

Die Kolbenpumpe 10 weist einen Kolben 22 und einen Arbeitsraum 24 auf, der an einer Seite von dem Kolben 22 begrenzt wird. Wandungen und Zugänge begrenzen den Arbeitsraum 24 an weiteren Seiten des Arbeitsraums 24. Durch eine - bezogen auf den Arbeitsraum 24 - Auf- und Abbewegung des Kolbens 22 kann ein Medium in den Arbeitsraum 24 angesaugt und verdichtet, somit auf ein höheres Druckniveau gebracht und dann einer Rail einer Einspritzeinheit zugeführt werden.

Der Kolben 22 weist einen Laufflächenabschnitt 26 auf, über den der Kolben 22 mittels des Führungselements 28 am Pumpengehäuse 12 geführt ist. Das Führungselement 28 weist eine kreiszylindrische Innenfläche 30 auf, an der der Kolben 22 mit seinem Laufflächenabschnitt 26 geführt ist. Das Führungselement 28 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine im Gehäuse 12 der

Kolbenpumpe 10 angeordnete, d.h. in das Gehäuse 12 eingesetzte, Buchse ausgebildet. Ebenfalls denkbar ist, dass das Führungselement 28 als eine im Gehäuse 12 der Kolbenpumpe 10 ausgebildete Bohrung ausgeführt ist (nicht dargestellt).

In Figur 2 sind der Kolben 22 und das Führungselement 28 in Alleinstellung vergrößert dargestellt (schematische Darstellung ohne separates Element). Das Führungselement 28 (Buchse) und der Kolben 22 sind koaxial zueinander angeordnet, wobei sich zwischen der Außenfläche des Laufflächenabschnitts 26 und der Innenfläche 30 des Führungselements 28 ein Spiel S ergibt. Der im Betrieb tribologisch hochbelastete Bereich des Kolbens 22 (Kontaktbereich) ist durch den Kreis 29 gekennzeichnet. Die Belastung im Kontaktbereich 29 ergibt sich aus dem Kontakt des Kolbens 22 (Betätigungsabschnitt 38) mit einer Antriebskomponente 31 zum Antrieb des Kolbens 22. Bei der

Antriebskomponente 31 kann es sich um einen Nockentrieb, insbesondere um eine Nockenwelle des Nockentriebs oder einen zwischen Nockenwelle und Kolben 22 angeordneten Stößel einer Brennkraftmaschine, handeln. Die sich auf Grund des Antriebs des Kolbens 22 ergebende Bewegung (Auf- und

Abbewegung bzw. Hin- und Herbewegung) ist durch den Pfeil 33

veranschaulicht.

Der Kolben 22 weist an seinem dem Arbeitsraum 24 zugewandten Endbereich 32 (in Figur 2 rechtes Ende) einen Verdichtungsabschnitt 34 auf. Der

Verdichtungsabschnitt 34 grenzt an den Laufflächenabschnitt 26 an und weist einen geringeren Durchmesser als der Laufflächenabschnitt 26 auf. Zwischen dem Verdichtungsabschnitt 34 und dem Laufflächenabschnitt 26 befindet sich ein Absatz 42. An seinem von dem Arbeitsraum 24 abgewandten Endbereich 36 (in Figur 2 linkes Ende) weist der Kolben 22 einen Betätigungsabschnitt 38 auf, über den der Kolben 22 betätigt und somit angetrieben kann, bspw. mittels einer

Nockenwelle einer Brennkraftmaschine wie oben beschrieben. Der

Betätigungsabschnitt 38 grenzt an den Laufflächenabschnitt 26 an und weist einen geringeren Durchmesser als der Laufflächenabschnitt 26 auf. Zwischen dem Betätigungsabschnitt 38 und dem Laufflächenabschnitt 26 befindet sich ein Absatz 43.

Der Kolben 22 weist in seinem von dem Arbeitsraum 24 abgewandten

Endbereich 36 ein separates Element 46 auf, welches fest mit dem Kolben 22 verbunden ist und einen Kontaktabschnitt 29 für eine den Kolben 22 antreibende Antriebskomponente 31 (Stößel oder Nockenwelle) bildet (siehe Figuren 3 bis 6). Durch das separate Element 46 ist der Kolben 22 ganz gezielt am oder im Kontaktbereich 29 im Hinblick auf die dort auftretenden Belastungen modifiziert. Der Kolben 22 ist durch das separate Element 46 mehrteilig ausgeführt und als gebauter Kolben 22 ausgebildet. Der Kolben 22 an sich kann aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein, bspw. aus einem geeigneten Stahl. Das separate Element 46 kann aus einem anderen Material ausgebildet sein als der restliche Kolben 22, insbesondere aus einem nichtmetallischen Material, bspw. aus Keramik.

Figur 3 zeigt eine Ausführung des Kolbens 22, bei der das separate Element 46 als zylindrischer Stift 48 ausgebildet ist und einen Abschnitt des Kolbens 22 bildet. Der Stift 48 bildet den an den Laufflächenabschnitt 26 des Kolbens 22 angrenzenden Betätigungsabschnitt 38 und ist an der Verbindungsstelle 50 mit dem Kolben 22 bzw. dem Laufflächenabschnitt 26 verbunden. Dabei ist die Verbindungsstelle 50 quasi "topfförmig" ausgebildet, so dass der

Betätigungsabschnitt 38 und der Laufflächenabschnitt 26 nicht nur an zur Mittellängsachse des Kolbens 22 orthogonalen Stirnflächen, sondern auch über einen Abschnitt einer Mantelfläche 56 hinweg verbunden sind. Hierzu weist der Laufflächenabschnitt 26 eine ("topfförmige") Vertiefung 52 auf, deren

Innenwandung 54 mit der Mantelfläche 56 des Betätigungsabschnitts 38 zusammenwirkt. Der Übergang von der Stirnseite zur Mantelfläche 56 am Betätigungsabschnitt 38 und der Übergang von der Stirnfläche der Vertiefung 52 zu ihrer Innenwandung 54 sind gerundet ausgebildet. An der Verbindungsstelle 50 ist das separate Element 46 mit dem Kolben 22 bzw. mit dem Laufflächenabschnitt 26 verbunden, bspw. durch Schweißen, Pressen, Kleben, Schrauben, Verstemmen und/oder Verclipsen.

Figur 4 zeigt eine Ausführung des Kolbens 22, bei der das separate Element 46 als Kappe oder Hülse 58 ausgebildet und auf den Kolben 22 aufgebracht ist. Die Kappe 58 ist auf den an den Laufflächenabschnitt 26 des Kolbens 22

angrenzenden Betätigungsabschnitt 38 aufgebracht, und zwar an dem von dem Arbeitsraum 24 abgewandten Endbereich 36 des Kolbens 22. Die Kappe 58 ist an der Verbindungsstelle 50 mit dem Kolben 22 bzw. Betätigungsabschnitt 38 verbunden. Die Kappe 58 ist an dem im montierten Zustand von dem Kolben 22 abgewandten Ende 36 geschlossen. Hiermit ist eine große Kontaktfläche 29 für Antriebskomponenten 31 zum Antrieb des Kolbens 22 gebildet. An der

Verbindungsstelle 50 ist das separate Element 46 mit dem Kolben 22 bzw. mit dem Betätigungsabschnitt 38 verbunden, bspw. durch Schweißen, Pressen, Kleben, Schrauben, Verstemmen und/oder Verclipsen.

Figur 5 zeigt eine Ausführung des Kolbens 22, bei der das separate Element 46 als Platte oder Scheibe 60 ausgebildet ist und am von dem Arbeitsraum 24 abgewandten Endbereich 36 an dem Kolben 22, und zwar am

Betätigungsabschnitt 38 des Kolbens 22, befestigt ist. Die Scheibe 60 und der Kolben 22 bzw. der Betätigungsabschnitt 38 können über zwei einander zugewandte Stirnflächen an der Verbindungsstelle 50 miteinander verbunden sein, bspw. durch Schweißen, Pressen, Kleben, Schrauben, Verstemmen und/oder Verclipsen.

Figur 6 zeigt eine Ausführung des Kolbens 22, die weitestgehend der im

Zusammenhang mit Figur 5 beschriebenen Ausführung entspricht. Abweichend hiervon weist die Platte oder Scheibe 60 noch einen davon abragenden

Befestigungsstift 62 auf, der in den Kolben 22, insbesondere in den

Betätigungsabschnitt 38 des Kolbens, eingebracht ist. Hiermit kann die Scheibe 60 am Kolben 22, insbesondere am Betätigungsabschnitt 38 des Kolbens 22, verstemmt werden. Der Befestigungsstift 62 ist orthogonal zur Platten- bzw. Scheibenebene abragend ausgebildet. Der Befestigungsstift 62 ist im Querschnitt dünner ausgebildet als die Scheibe 60. Zur weiteren Ausgestaltung des Kolbens 22 bzw. des separaten Elements 46, insbesondere in Bezug auf mehrere separate Elemente, die Fertigungsverfahren, die Oberflächenbeschichtung oder das Wärmebehandlungsverfahren, können die oben beschriebenen Maßnahmen dienen.