Titel

Kolbenpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vom Markt her sind Kolbenpumpen bekannt, die zu einem Kraftstoff- Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine gehören. Diese Kolbenpumpen umfassen ein Pumpengehäuse mit einem durch eine Kolbenbuchse bereitgestellten Führungsabschnitt, in dem ein Pumpenkolben beweglich geführt ist. Die Abdichtung zwischen dem Pumpenkolben und dem Führungsabschnitt erfolgt einerseits über eine Spaltdichtung und zusätzlich durch eine Dichteinrichtung. Diese umfasst einen Dichtring, der in einer umlaufenden Nut im Pumpenkolben angeordnet ist und der sich mit dem Pumpenkolben relativ zum Führungsabschnitt bewegt.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoffpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil, dass bei ihr ein axiales Spiel des Dichtrings in der Nut unterdrückt wird. Dieses würde ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Vorspanneinrichtung dazu führen, dass am Umkehrpunkt der Bewegung des Pumpenkolbens zwischen Saughub und Förderhub der Dichtring an keiner der Seitenwände der Nut anliegt und somit der Dichtring an keiner Dichtfläche des Pumpenkolbens anliegt. Hierdurch würde es zu einer Leckage zu Beginn des Förderhubs kommen, die den Liefergrad der Kolbenpumpe reduziert.

Bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe dagegen liegt der Dichtring während jeder Bewegungsphase bzw. Betriebssituation des Pumpenkolbens zuverlässig an einer Seitenwand der Nut im Pumpenkolben an, sodass zu jedem Zeitpunkt eine gewünschte Abdichtung vorliegt. Der Dichtring hat somit gleich zu Beginn der gewünschten Förderung Kontakt zur Seitenwand, und er erreicht nicht erst durch einen Kolbenleerhub diese Dichtposition. Dabei kann die Kontaktkraft zur Seitenwand wie auch zum Führungsabschnitt gering sein, denn der Druckaufbau und somit die hydraulische Kontaktkraft sorgen gleich für die notwendige Abdichtung. Hierfür ist es günstig, wenn entsprechende Kontaktspalte vergleichsweise klein, sind, beispielsweise kleiner als ca. 5 pm.

Die Vorspannung der Vorspanneinrichtung ist so zu wählen, dass die Reibkraft zwischen einerseits dem Dichtring und andererseits einer Gegenfläche am Führungsabschnitt jederzeit überwunden wird. Auch ein im normalen Betrieb auftretender Verschleiß des Dichtrings führt zu keinem Liefergradverlust der Kolbenpumpe. Es wird somit immer der gesamte Kolbenhub zur Förderung genutzt, was einen hohen Liefergrad der Kolbenpumpe zur Folge hat. Da ein axialer Verschleiß des Dichtrings erfindungsgemäß kompensiert wird, kommen für den Dichtring auch solche Materialien zum Einsatz, die bisher aus Verschleißgründen nicht berücksichtigt werden konnten.

Konkret wird dies erreicht durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine. Eine solche Kolbenpumpe 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 einem gehäuseseitigen Führungsabschnitt, beispielsweise einer Kolbenbuchse, die in einen Gehäusekörper des Pumpengehäuses beispielsweise eingepresst ist, aufgenommen ist. Das Pumpengehäuse begrenzt zusammen mit dem Pumpenkolben und eventuell noch weiteren Komponenten einen Förderraum, in dem der Kraftstoff verdichtet werden kann.

Der Pumpenkolben umfasst eine Dichteinrichtung in Form mindestens eines Dichtrings, der in einer umlaufenden Nut im Pumpenkolben angeordnet ist. Die Dichteinrichtung umfasst ferner eine Vorspanneinrichtung, die den Dichtring gegen eine Seitenwand der Nut beaufschlagt. Als Seitenwand der Nut wird vorliegend eine Wand verstanden, die sich im Wesentlichen orthogonal zu einer Längsachse des Pumpenkolbens erstreckt. Der Dichtring wird somit von der Vorspanneinrichtung in Richtung einer Längsachse des Pumpenkolbens gegen die Seitenwand der Nut gedrückt, wodurch er unabhängig von der Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens seine in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens gesehen axiale Lage jederzeit beibehält und dichtend an der Seitenwand anliegt.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorspanneinrichtung den Dichtring gegen eine von einem Förderraum entfernt liegende Seitenwand beaufschlagt. Die Vorspanneinrichtung wirkt also in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens gesehen vom Förderraum weg. Dies hat den Vorteil, dass der Dichtring vor allem während des Förderhubs, während dem durch den Dichtring ein besonders hohes Druckgefälle abgedichtet werden muss, an jener Seitenwand der Nut anliegt, an die er durch die Bewegung des Pumpenkolbens und die Reibung zwischen Dichtring und Führungsabschnitt ohnehin gedrückt werden würde. Die Vorspanneinrichtung kann entsprechend einfacher und mit geringerer Vorspannkraft ausfallen.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorspanneinrichtung eine Stahlfeder umfasst. Dies ist preiswert und stellt die erfindungsgemäße Funktion unabhängig vom Kraftstoff und auch bei hohen Temperaturen sicher.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorspanneinrichtung eine Wellfeder und/oder eine Tellerfeder umfasst. Beide Federarten verteilen die Vorspannkraft vergleichsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung des Dichtrings gesehen, was der Lebensdauer des Dichtrings zugutekommt. Wird eine Tellerfeder verwendet, ist dafür zu sorgen, dass es zu keiner vollständigen Abdichtung zwischen dem Dichtring und der Tellerfeder kommt. Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorspanneinrichtung in den Dichtring integriert ist. Hierdurch wird die Montage deutlich vereinfacht. Durch eine solche Integration können somit beide Funktionen, also Abdichtung und Vorspannung, in einem Bauteil realisiert werden. Beispielsweise kann eine Stahlfeder als Einlegeteil in einen Kunststoffdichtring integriert werden.

Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einem Pumpenkolben und einer Dichteinrichtung; und

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung des Pumpenkolbens und der Dichteinrichtung von Figur 1.

Eine Kolbenpumpe in Form einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kolbenpumpe 10 gehört zu einem nicht weiter gezeichneten Kraftstoff system 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 Kolbenbuchse 18 vorhanden, in der ein Pumpenkolben 20 gleitend geführt ist. Die Kolbenbuchse 18 ist beispielsweise in einen Gehäusekörper (ohne Bezugszeichen) des Pumpengehäuses 16 eingepresst. Insoweit bildet die Kolbenbuchse 18 einen gehäuseseitigen Führungsabschnitt für den Pumpenkolben 20. Der Pumpenkolben 20 kann in der Kolbenbuchse 18 parallel zu einer Längsachse 22 der Kolbenbuchse 18 bewegt werden. Hierzu dient ein in der Zeichnung nicht dargestellter Antrieb. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine handeln. Die Längsachse 22 der Kolbenbuchse 18 ist wenigstens näherungsweise auch die Längsachse des Pumpenkolbens 20. 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 Teil ausgebildet sein.

Der Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20, der den größeren Durchmesser aufweist, ist auch jener Abschnitt, mit dem der Pumpenkolben 20 in der Kolbenbuchse 18 gleitend geführt ist. In diesem Abschnitt 26, vorliegend beispielhaft ungefähr auf dessen halber axialer Länge, ist eine in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens 20 umlaufende und durchgehende Nut 30 vorhanden. Vorliegend beispielhaft hat die Nut 30 einen in etwa rechteckigen Querschnitt mit einer ersten Seitenwand 32, einem Nutgrund 34 und einer zweiten Seitenwand 36.

Die erste Seitenwand 32 ist jene Seitenwand, die im Vergleich zur zweiten Seitenwand 36 näher zum Förderraum 28 liegt, und die zweite Seitenwand 36 ist jene Seitenwand, die im Vergleich zur ersten Seitenwand 32 vom Förderraum 28 weiter weg, also entfernt liegt. Beide Seitenwände 32 und 36 erstrecken sich wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse 22 des Pumpenkolbens 20. Der Nutgrund 34 erstreckt sich dagegen wenigstens in etwa parallel zur Längsachse 22 des Pumpenkolbens 20.

In der Nut 30 ist eine Dichteinrichtung 38 angeordnet. Diese umfasst vorliegend beispielhaft einen in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens 20 durchgehenden Dichtring 40. Der Dichtring 40 kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. Vorliegend beispielhaft hat der Dichtring einen wenigstens in etwa rechteckigen Querschnitt mit einer ersten Seitenwand 42, einer inneren Umfangswand 44, einer zweiten Seitenwand 46 und einer äußeren Umfangswand 48. Die beiden Seitenwände 42 und 46 erstrecken sich wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse 22 des Pumpenkolbens 20. Die beiden Umfangswände 44 und 48 erstrecken sich dagegen wenigstens in etwa parallel zur Längsachse 22 des Pumpenkolbens 20. Die erste Seitenwand 42 ist jene Wand des Dichtrings 40, die näher zum Förderraum 28 liegt, und die zweite Seitenwand 46 ist jene Seitenwand, die im Vergleich zur ersten Seitenwand 42 vom Förderraum 28 weiter weg, also entfernt liegt.

Der Innendurchmesser des Dichtrings 40 ist gegenüber dem Durchmesser des Nutgrunds 34 so gewählt, dass ein gewisses geringes Spiel gegenüber dem Nutgrund 34 der Nut 30 vorliegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Dichtring 40 gleichmäßig und mit in Umfangsrichtung gesehen gleicher Kraft mit seiner äußeren Umfangswand 48 an einer inneren Umfangswand (ohne Bezugszeichen) der Kolbenbuchse 18 dichtend anliegt, und zwar unabhängig von einer radialen Position des Pumpenkolbens 20.

Zu der Dichteinrichtung 38 gehört ferner eine Vorspanneinrichtung 50, die vorliegend beispielhaft so angeordnet ist, dass sie den Dichtring 40 mit seiner zweiten Seitenwand 46 gegen die zweite Seitenwand 36 der Nut 30 beaufschlagt, sodass er dort jederzeit dichtend anliegt. Die Vorspanneinrichtung 50 ist in den Figuren lediglich symbolhaft gezeichnet. Sie könnte beispielsweise eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Schraubenfedern umfassen, die entweder direkt oder über Zwischenschaltung eines vergleichsweise steifen Ringelements am Dichtring 40 angreifen.

Alternativ könnte die Vorspanneinrichtung 50 eine Wellfeder umfassen, und zwar entweder in Form eines einzelnen Wellfederringes oder als zylindrische Wellfeder mit verschachtelten Windungen. Auch die Verwendung einer Tellerfeder wäre grundsätzlich denkbar, solange keine Abdichtung zwischen Dichtring 40 und Feder erfolgt. Auch hier könnte, um die Kraft der Feder gleichmäßig auf den Dichtring 40 aufzubringen, zwischen Dichtring 40 und Wellfeder oder Tellerfeder ein vergleichsweise steifes Ringelement zwischengeschaltet sein.

Vorzugsweise wird für die Vorspanneinrichtung 50 ein Stahlmaterial eingesetzt, welches resistent ist gegenüber einer Vielzahl von unterschiedlichen Fluiden, welches hochtemperaturfest ist und welches die notwendige Federvorspannung dauerhaft über die Lebensdauer der Kolbenpumpe 10 aufbringen kann. Die Vorspannung der Vorspanneinrichtung 50 in Richtung der Längsachse 22 des Pumpenkolbens 20 ist vorzugsweise so zu wählen, dass die Reibkraft zwischen dem Dichtring 40 und der Kolbenbuchse 18 bei einer Bewegung des Pumpenkolbens 20 überwunden wird und somit der Dichtring 40 mit seiner zweiten Seitenwand 46 jederzeit, also unabhängig von der Bewegungsrichtung bzw. dem Bewegungszustand des Pumpenkolbens 20, an der zweiten Seitenwand 36 der Nut 30 anliegt.

Bei der vorliegend gezeichneten Ausführungsform einer Kolbenpumpe 10 haben sowohl die Nut 30 als auch der Dichtring 40 einen insgesamt in etwa rechteckigen Querschnitt. Grundsätzlich sind selbstverständlich auch andere geeignete Querschnitte denkbar. Insbesondere der Dichtring 40 könnte einen ovalen oder kreisrunden Querschnitt aufweisen.