Titel

Kolbenpumpe, insbesondere Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere 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 Kolbenfederzu einem Antrieb hin, also aus dem Pumpengehäuse heraus beaufschlagt. Um in einem vormontierten Zustand der Kraftstoff- Hochdruckpumpe, in der sie noch nicht in die Brennkraftmaschine eingebaut ist, 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 Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil, dass ein Pumpenkolben realisiert werden kann, dessen erster Abschnitt einen kleineren Durchmesser als bisher aufweist, ohne dass die Gefahr besteht, dass deswegen der Pumpenkolben in einem vormontierten Zustand („Auslieferungszustand“) aus dem Pumpengehäuse heraus gedrückt wird. Das dem Pumpengehäuse zugeordnete Hülsenelement kann somit gegenüber bisherigen Ausführungen unverändert bleiben. Realisiert wird dies durch die einfache Maßnahme, dass die Anschlagfläche am Pumpenkolben, die in dem besagten Auslieferungszustand mit dem Hülsenelement zusammenwirkt, nicht mehr (nur) durch die Stufe zwischen erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt gebildet wird, sondern an einem erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehenen Anschlagabschnitt. Dessen Durchmesser kann unabhängig von den konstruktiven und insbesondere hydraulischen Anforderungen an das Verhältnis der Durchmesser zwischen erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt des Pumpenkolbens gewählt werden.

Ein gewünschter sogenannter „Stufenkolbeneffekt“, der dazu genutzt wird, Medium, also beispielsweise Kraftstoff, innerhalb der Kolbenpumpe zu bewegen, kann somit wie bisher und wie gewünscht ausgelegt werden. Auch sind keine Änderungen im Hinblick auf den Herstellungsprozess des Pumpenkolbens notwendig, bzw. können solche Änderungen relativ gering ausfallen, da der zusätzliche Anschlagabschnitt nachträglich ausgebildet werden kann. Insbesondere eine Bearbeitung der Oberfläche des Pumpenkolbens, beispielsweise durch Schleifen, bleibt von der erfindungsgemäßen Maßnahme somit unbeeinflusst. Schließlich sind nur wenige Änderungen am bestehenden Montageprozess erforderlich.

Erreicht wird dies konkret durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff- Hochdruckpumpe. Eine solche kommt beispielsweise in Kraftstoffsystemen von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zum Einsatz. In solchen Kraftstoffsystemen dient sie dazu, den Kraftstoff auf einen hohen Druck zu verdichten und zu einem Kraftstoffrail zu fördern, von wo der Kraftstoff direkt in Brennräume eingespritzt wird. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe umfasst ein Pumpengehäuse, welches beispielsweise als im Wesentlichen zylindrisches Teil ausgeführt sein kann. In dem Pumpengehäuse ist eine Aufnahmeöffnung vorhanden, die beispielsweise als eine gestufte Sacklochbohrung ausgeführt sein kann. In dieser ist wenigstens bereichsweise ein Pumpenkolben aufgenommen. Hierzu kann beispielsweise eine Kolbenbuchse dienen, die den Pumpenkolben führt und die in der Aufnahmeöffnung aufgenommen ist. Denkbar sind aber auch axial voneinander beabstandete Führungsbuchsen, die in die Aufnahmeöffnung eingepresst sind. Auch eine Kolbendichtung kann in der Aufnahmeöffnung angeordnet sein, um einen Hochdruckbereich von einem Niederdruckbereich zu trennen.

Der Pumpenkolben ist als Stufenkolben ausgeführt mit einem ersten Abschnitt mit größerem Durchmesser und einem zweiten Abschnitt mit kleinerem Durchmesser. Zwischen diesen beiden Abschnitten ist somit eine Stufe gebildet. Der erste Abschnitt mit größerem Durchmesser ist jener Abschnitt des Pumpenkolbens, der einem Förderraum zugewandt ist, wohingegen der zweite Abschnitt mit kleinerem Durchmesser jener Abschnitt des Pumpenkolbens ist, der einem Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle oder einer Exzenterwelle der Brennkraftmaschine, zugewandt ist.

Dem Pumpengehäuse ist ein Hülsenelement zugeordnet. Dieses ist koaxial zum Pumpenkolben angeordnet. Es kann beispielsweise an einem mit dem Pumpengehäuse befestigten Träger gehalten sein, sodass es insoweit gegenüber dem Pumpengehäuse stationär und „diesem zugeordnet“ ist. Das Hülsenelement wirkt wenigstens zeitweise, beispielsweise in einem sogenannten „Auslieferungszustand“, in dem die Kolbenpumpe noch nicht in die Brennkraftmaschine eingebaut ist, in dem aber sämtliche Bauteile der Kolbenpumpe vormontiert sind, mit der am Pumpenkolben vorhandenen Anschlagfläche zusammen.

Hierdurch wird verhindert, dass der Pumpenkolben durch eine Kolbenfeder, die den Pumpenkolben in Richtung zum Antrieb hin beaufschlagt, aus dem Pumpengehäuse herausgedrückt wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Anschlagfläche zusätzlich zu der Stufe zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt an einem Anschlagabschnitt ausgebildet ist, der wenigstens bereichsweise einen größeren Außendurchmesser aufweist als der erste Abschnitt des Pumpenkolbens. Die Anschlagfläche und ihre Dimension ist somit unabhängig von den Durchmessern des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts. Die Anschlagfläche kann als klassischer Absatz, als Radienübergang oder als Fase ausgeführt sein. Auf diese Weise kann die Anschlagfläche am Anschlagabschnitt des Pumpenkolbens zuverlässig an dem entsprechenden Anschlagabschnitt des Hülsenelements in Anlage kommen.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Anschlagabschnitt einstückig mit dem Pumpenkolben ist. Beispielsweise kann der Anschlagabschnitt als ein sich radial erstreckender umlaufender Ringbund ausgeführt sein, der durch Drehen bei der Herstellung des Pumpenkolbens geformt wird. Ein solcher Anschlagabschnitt ist besonders stabil.

Bei einer alternativen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Anschlagabschnitt durch ein vom Pumpenkolben separates Teil gebildet wird. Ein solches separates Teil kann beispielsweise die Form eines Rings oder einer Hülse haben. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist unter anderem, dass der Pumpenkolben gegenüber bisherigen Ausführungsformen unverändert bleiben kann.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der als separates Teil ausgebildete Anschlagabschnitt auf den Pumpenkolben aufgepresst oder an diesen angespritzt ist. Hierdurch wird ein zuverlässiger Halt des Anschlagabschnitts am Pumpenkolben geschaffen.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der als separates Teil ausgebildete Anschlagabschnitt ein Metall- und/oder ein Kunststoffmaterial umfasst. Der Vorteil der Verwendung von Metall ist dessen hohe Festigkeit und Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen Medien. Der Vorteil von Kunststoff ist, dass er preiswert beispielsweise auf den Pumpenkolben aufgespritzt werden kann.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Anschlagabschnitt eine von der Anschlagfläche abgewandte Ringfläche aufweist, die relativ zu einer Längsachse des Pumpenkolbens orthogonal, schräg oder von außen gesehen konvex gekrümmt ausgebildet ist. Eine zur Längsachse orthogonal ausgebildete Ringfläche ist besonders einfach herzustellen. Eine schräge oder konvex gekrümmte Ringfläche hat strömungstechnische Vorteile. Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kolbenpumpe auf der von der Anschlaghülse abgewandten Seite der Anschlagfläche eine dem Pumpengehäuse zugeordnete und zum Pumpenkolben wenigstens im Wesentlichen koaxiale Buchse aufweist, deren minimaler Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Anschlagabschnitts, und die auf der zum Anschlagabschnitt zugewandten Seite eine ringförmige Aussparung aufweist, in die der Anschlagabschnitt im Betrieb wenigstens teilweise eintauchen kann. Auf diese Weise wird jegliche Interferenz zwischen Anschlagabschnitt und Buchse im Betrieb der Kolbenpumpe vermieden.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Form der Aussparung komplementär zur Form der Ringfläche ist. Auf diese Weise wird besonders gut vermieden, dass die axiale Bewegung des Pumpenkolbens durch den Anschlagabschnitt behindert wird. Dabei kann die Buchse beispielsweise eine Kolbenbuchse oder ein Klemmring sein.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Anschlagabschnitt am Übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt des Pumpenkolbens angeordnet ist bzw. diesen bildet. Dies ist die insgesamt für die Funktion der Kolbenpumpe optimale Position.

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

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Bereich einer

Kolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Pumpenkolben, einem Hülsenelement und einem Anschlagabschnitt mit einer Anschlagfläche;

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt II von Figur 1 ;

Figur 3 eine Darstellung ähnlich zu Figur 2 einer alternativen Ausführungsform;

Figur 4 eine Darstellung ähnlich zu Figur 2 einer nochmals alternativen

Ausführungsform; und Figur 5 eine Darstellung ähnlich zu Figur 2 einer nochmals alternativen Ausführungsform.

Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen.

In Figur 1 trägt eine Kolbenpumpe insgesamt das Bezugszeichen 10. Vorliegend handelt es sich beispielhaft um eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe eines nicht näher gezeichneten Kraftstoff Systems einer Brennkraftmaschine. Eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe dient dazu, den Kraftstoff auf einen hohen Druck zu verdichten und zu einem Kraftstoff rail zu fördern, von wo der Kraftstoff über Injektoren direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Die Kolbenpumpe 10 weist ein insgesamt in etwa zylindrisches Pumpengehäuse 12 auf, in oder an dem die wesentlichen Komponenten der Kolbenpumpe 10 angeordnet sind. Unter anderem weist die Kolbenpumpe 10 ein nicht gezeichnetes gesteuertes Einlassventil und ein Auslassventil auf. In dem Pumpengehäuse 12 ist eine Aufnahmeöffnung 14 vorhanden, die als gestufte Sacklochbohrung ausgeführt ist. In der Aufnahmeöffnung 14 ist ein zylindrischer Pumpenkolben 16 aufgenommen.

Der Pumpenkolben 16 weist einen ersten Abschnitt 18 auf mit größerem Durchmesser und einen zweiten Abschnitt 20 mit kleinerem Durchmesser. Beim Pumpenkolben 16 handelt es sich also um einen Stufenkolben. In den Figuren 1 und 2 oberhalb vom ersten Abschnitt 18 begrenzen der Pumpenkolben 16 und das Pumpengehäuse 12 einen nicht gezeichneten Förderraum, der über Kanäle mit dem Einlassventil und dem Auslassventil fluidisch verbunden ist. In den Figuren unterhalb vom zweiten Abschnitt 20 ist ein nicht gezeichneter Antrieb vorhanden, der den Pumpenkolben 16 im Betrieb parallel zu einer Längsachse 22 in eine Hin- und Herbewegung versetzen kann. Bei dem Antrieb kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine handeln.

Der Pumpenkolben 16 ist im Pumpengehäuse 12 geführt und gegenüber diesem abgedichtet. Dies kann beispielsweise über eine Kolbenbuchse geschehen, oder, wie vorliegend, über zwei axial voneinander beabstandete Führungsringe und eine von diesen separate Hochdruckdichtung. Der obere der beiden Führungsringe und die Hochdruckdichtung sind nicht gezeichnet, sie sind jedoch zwischen dem Pumpenkolben 16 und der Aufnahmeöffnung 14 angeordnet. Dort ist auch eine Buchse in Form eines Klemmrings 24 angeordnet, der in die Aufnahmeöffnung 14 eingepresst ist und der insbesondere als Gegenlager für die Hochdruckdichtung dient. Der untere der beiden Führungsringe trägt vorliegend das Bezugszeichen 26, und er ist im Bereich des zweiten Abschnitts 20 des Pumpenkolbens 16 angeordnet. Gehalten wird der Führungsring 26 von einem Dichtungsträger 28, der mit einem Flansch 30 des Pumpengehäuses 12 verschweißt ist.

Der Dichtungsträger 28 trägt in Figur 1 unmittelbar oberhalb von dem unteren Führungsring 26 eine Niederdruckdichtung 32 sowie ein Hülsenelement 34. Da das Hülsenelement 34 über den Dichtungsträger 28 starr mit dem Pumpengehäuse 12 verbunden ist, ist es insoweit dem Pumpengehäuse 12 „zugeordnet“. Das Hülsenelement 34 weist vorliegend beispielhaft einen ersten radial äußeren und in etwa zylindrischen Abschnitt 36 auf, der in den Dichtungsträger 28 eingepresst ist. Von einem in Figur 1 unteren Rand des zylindrischen Abschnitts 36 erstreckt sich ein radialer Abschnitt 38 nach radial innen in Richtung zu einer äußeren Mantelfläche 40 des zweiten Abschnitts 20 des Pumpenkolbens 16. Von einem radial inneren Rand des radialen Abschnitts 38 erstreckt sich in Figur 1 nach oben über ein ganz kurzes Stück ein zweiter zylindrischer Abschnitt 42. Dieser endet an einem freien und umlaufenden Rand 44. Zwischen dem zweiten zylindrischen Abschnitt 42 und der äußeren Mantelfläche 40 des zweiten Abschnitts 20 des Pumpenkolbens 60 ist ein radialer Spalt vorhanden. Das Hülsenelement 34 kann beispielsweise als Blechformteil hergestellt sein.

Im Bereich der Stufe zwischen dem ersten Abschnitt 18 und dem zweiten Abschnitt 20 des Pumpenkolbens 16 weist der Pumpenkolben 16 einen sich nach radial außen erstreckenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Anschlagabschnitt 46 in der Arteines Ringbunds auf. Bei der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 ist der Anschlagabschnitt 46 einstückig mit dem Pumpenkolben 16 ausgeführt. Erweist eine in den Figuren nach unten zum Rand 44 des Hülsenelements 34 weisende Anschlagfläche 48 auf, die sich im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse 22 erstreckt. Eine von der Anschlagfläche 48 abgewandte Ringfläche 50 des Anschlagabschnitts 46 ist bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform relativ zur Längsachse 22 schräg ausgebildet. Der Klemmring 24 weist auf seiner zum Hülsenelement 34 und zum Anschlagabschnitt 46 weisenden axialen Stirnseite eine radial innenliegende ringförmige Aussparung 52 auf, deren Form komplementär zum Anschlagabschnitt 46 und zur Ringfläche 50 ist.

In Figur 1 ist ein sogenannter „Auslieferungszustand“ der Kolbenpumpe 10 gezeigt. In diesem ist die Kolbenpumpe 10 noch nicht in eine Brennkraftmaschine eingebaut, sondern befindet sich in einem vormontierten Zustand beispielsweise in einem Lager, und steht insoweit bereit zur Montage in die Brennkraftmaschine. In diesem vormontierten Auslieferungszustand wird der Pumpenkolben 16 durch eine nicht gezeichnete Kolbenfeder in den Figuren nach unten beaufschlagt, also in einer Richtung aus dem Pumpengehäuse 12 heraus.

Hierdurch kommt die Anschlagfläche 48 des Anschlagabschnitts 46 des Pumpenkolbens 16 in Kontakt mit dem zu ihr weisenden Rand 44 des Hülsenelements 34, wodurch verhindert wird, dass der Pumpenkolben 16 aus dem Pumpengehäuse 12 herausfällt. Man erkennt aus Figur 1, dass der Durchmesser des Rands 44 ungefähr dem mittleren Durchmesser der ringförmigen Anschlagfläche 48 entspricht. Da der Außendurchmesser des Anschlagabschnitts 46 und somit auch der Anschlagfläche 48 größer ist als der Außendurchmesser des ersten Abschnitts 18 des Pumpenkolbens 16, kommt die Anschlagfläche 48 auch dann zuverlässig und vollständig in Kontakt mit dem Rand 44, wenn der Pumpenkolben 16 in radialer Richtung gesehen nicht vollständig koaxial zum Hülsenelement 34 angeordnet ist und der Durchmesser des ersten Abschnitts 18 relativ klein ist.

Im Betrieb der Kolbenpumpe 10, wenn diese also beispielsweise in eine Brennkraftmaschine eingebaut ist, greift am in den Figuren unteren Ende des Pumpenkolbens 16 ein Antrieb an, wodurch der Pumpenkolben 16 in Richtung Förderraum, in den Figuren also nach oben gedrückt wird. In der „Einbaulage“ sind also die Anschlagfläche 48 und der Rand 44 voneinander beabstandet. Um jegliche Interferenz zwischen dem Anschlagabschnitt 46 und dem Klemmring 24 auszuschließen, ist die oben erwähnte Aussparung 52 vorgesehen, in die der Anschlagabschnitt 46 eintauchen kann, wenn der Pumpenkolben 16 im Betrieb seinen oberen Totpunkt erreicht, ohne dass der Anschlagabschnitt 46 in Kontakt mit dem Klemmring 24 kommt.

Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist die Ringfläche 50 relativ zur Längsachse 22 orthogonal, und die Aussparung 52 ist entsprechend komplementär geformt.

Bei der Ausführungsform der Figur 4 ist die Ringfläche 50 relativ zur Längsachse 22 von außen gesehen konvex gekrümmt ausgebildet, und die Aussparung 52 ist entsprechend komplementär geformt.

Bei der Ausführungsform der Figur 5 ist der Anschlagabschnitt 46 als ein vom Pumpenkolben 16 separates Teil ausgeführt. Er ist vorliegend beispielhaft auf den zweiten Abschnitt 20 des Pumpenkolbens 16 beispielsweise aufgepresst oder an diesen angespritzt. Der Anschlagabschnitt 46 kann aus dem gleichen Material wie der Pumpenkolben 16 hergestellt sein, beispielsweise aus Metall. Er kann aber auch aus einem Kunststoff material hergestellt sein. Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform ist die Ringfläche 50 zur Längsachse 22 orthogonal ausgeführt. Es versteht sich, dass bei anderen nicht gezeichneten

Ausführungsformen die Ringfläche ähnlich wie in den Figuren 3 und 4 ausgeführt sein kann.