Titel

Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Stand der Technik

Aus der DE102004063075 A1 ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine bekannt, die ein Gehäuse umfasst sowie einen Kolben, der einen Arbeitsraum begrenzt und einen vom Arbeitsraum wegweisenden Absatz aufweist. Es ist bekannt, dass der Kolben mit dem arbeitsraumseitigen Ende voran in das Gehäuse eingeführt wird und am Gehäuse ein Anschlagelement befestigt ist, welches einen Anschlag aufweist, der wenigstens zeitweise mit dem Absatz zusammenarbeitet.

Aus der DE 102013226062 A1 ist eine Kolben- Kraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Pumpenzylinder umfasst und einen im Pumpenzylinder verschiebbar aufgenommenen Pumpenkolben. Es ist bekannt, dass der Pumpenkolben mittels mindestens eines ersten und mindestens eines zweiten Führungsabschnitts radial geführt ist, und dass der erste und der zweite Führungsabschnitt axial voneinander beabstandet sind, wobei der erste Führungsabschnitt in einem Pumpenzylinder der Kolben-Kraftstoffpumpe angeordnet ist und der zweite Führungsabschnitt radial außen im Bereich des dem Antrieb zugewandten Endabschnitts angeordnet ist. Weiterhin ist bekannt, dass die Kolben-Kraftstoffpumpe an dem ersten Führungsabschnitt eine Lagerungs- und Dichtanordnung für den Pumpenkolben aufweist, welche einen Führungsbereich zur radialen Führung des Pumpenkolbens im Pumpenzylinder und einen eine Dichtlippe aufweisenden Abdichtbereich umfasst.

Aus der DE102017212498 A1 ist eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine bekannt, die ein Pumpengehäuse umfasst, einen Pumpenkolben und einen zumindest vom Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben begrenzten Förderraum. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpengehäuse eine Dichtung zur Abdichtung des Förderraums und ein separates Führungselement zur Führung des Pumpenkolbens angeordnet sind, wobei die Dichtung als Kunststoff ring mit einem im Wesentlichen hülsenförmigen Basisabschnitt ausgebildet ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von dem Wunsch, eine leistungsfähige und langlebige Kraftstoff-Hochdruckpumpe zu schaffen, die einfach und sicher und somit wirtschaftlich fertigbar und montierbar ist. Dies ist durch die Kraftstoff- Hochdruckpumpe gemäß Anspruch 1 realisiert.

Bei der Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann es sich um eine Pumpe zur Verdichtung eines Kraftstoffs auf einen hohen Druck, beispielsweise 350 bar oder 500 bar oder darüber, handeln. Es kann sich beispielsweise um einen Kraftstoff wie Benzin handeln.

Es kann sich insbesondere um eine Kolbenpumpe handeln, die beispielsweise über eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine antreibbar ist.

Dadurch, dass der Förderkolben erfindungsgemäß als Stufenkolben ausgebildet ist, mit einem zum Förderraum hin weisenden Abschnitt mit größerem Durchmesser und mit einem vom Förderraum weg weisenden Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und mit einer zwischen diesen Abschnitten, im Niederdruckraum angeordneten Ringschulter, ändert sich mit der Hubbewegung des Förderkolbens nicht nur das Volumen des Förderraums sondern - in antikorrelierter Weise - auch das Volumen des Niederdruckraums, was ein Befüllen des Förderraums aus dem Niederdruckraum erleichtert.

In Kombination mit der Vorsehung einer erfindungsgemäßen Anschlaghülse, die an einem Niederdruckdichtungsträger fixiert ist, der wiederum am Gehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe fixiert ist, kann der Förderkolben gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuse gesichert werden, was insbesondere bei der Montage der Kraftstoff-Hochdruckpumpe in einer Brennkraftmaschine von Vorteil ist, solange der Förderkolben noch nicht durch Anlage an einem Nocken einer Nockenwelle gegen Herausfallen aus dem Gehäuse gesichert ist. Durch die erfindungsgemäße Führung zur Fixierung des Förderkolbens in radialer Richtung wird einerseits das radiale Spiel des Förderkolbens minimiert bzw. optimiert und so einem Verschleiß des Förderkolbens und der mit ihm zusammenwirkenden Komponenten minimiert.

Die von der Niederdruckdichtung und von der Hochdruckdichtung separate Vorsehung der Führung entlastet die Hochdruckdichtung und die Niederdruckdichtung von radial auf sie einwirkenden Kräften und von den damit einhergehenden Verschleißerscheinungen. Zudem ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten mit Hinblick auf diese Dichtungen, die beispielsweise gerade darin zum Ausdruck kommen können, dass die Dichtungen keine seitliche Führung zu leisten brauchen, also beispielsweise seitlich im Gehäuse verschiebbar sein können, wodurch wiederum die eigentliche Dichtfunktion optimiert werden kann.

Dadurch, dass erfindungsgemäß die Führung und die Anschlaghülse gemeinsam durch ein einziges Hybridbauteil realisiert sind, das einen Metallabschnitt und einen mit dem Metallabschnitt stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbundenen Kunststoffabschnitt aufweist, wobei der Förderkolben zur Sicherung gegen Herausfallen aus dem Gehäuse mit seiner Ringschulter an dem Metallabschnitt des Hybridbauteils in axialer Richtung in Anlage zu kommen vermag und der Förderkolben radial fixiert ist, indem er in radialer Richtung an dem Kunststoffabschnitt des Hybridbauteils anliegt, ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen.

So entfällt die Notwenigkeit der Vorsehung einer separaten Montage der Führung und der Anschlaghülse und der damit verbundene Handlingsaufwand.

Stattdessen muss nur noch das Hybridbauteil montiert werden. Andererseits ist das Hybridbauteil kompakter realisierbar und montierbar als es mit zwei separaten Bauteilen möglich ist, sodass die gesamte Pumpe kompakter realisiert werden kann bzw. sodass neue Gestaltungsspielräume entstehen.

Insgesamt lassen sich Kosten- und Funktionsvorteile im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen realisieren.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Hybridbauteil neben einer Durchgangsbohrung, in der der Förderkolben verschiebbar ist, eine oder mehrere weitere Durchlässe, beispielsweise Bohrungen, aufweist. Dies ermöglicht einen Druckausgleich zwischen einem Teil des Niederdruckraums, der auf der dem Förderraum zugewandten Seite der Anschlaghülse liegt, und einem Teil des Niederdruckraums, der auf der dem Förderraum abgewandten Seite der Anschlaghülse liegt, selbst wenn die Führung eng an dem Förderkolben anliegt.

Die Integrität des Hybridbauteils ist grundsätzlich bereits durch den Stoffschluss zwischen Metallabschnittl und Kunststoffabschnitt abgesichert. Sie kann zusätzlich durch einen Formschluss zwischen Metallabschnitt und Kunststoffabschnitt abgesichert sein. Dabei können der Metallabschnitt und der Kunststoffabschnitt so ineinander eingreifen, dass ein Lösen voneinander selbst im Falle eines Versagens des Stoffschlusses verhindert wird. Beispielsweise kann ein Teil aus Metallabschnitt und Kunststoffabschnitt einen in die radiale und/oder in die axiale Richtung weisenden Hinterschnitt aufweisen, in den der andere Teil aus Metallabschnitt und Kunststoffabschnitt formschlüssig eingreift.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Kunststoffabschnitt radial zwischen dem Förderkolben und dem Metallabschnitt angeordnet ist, sodass der Förderkolben von dem Metallabschnitt beabstandet ist. Einem direkten Kontakt zwischen Metallabschnitt und Kolben und einem damit potenziell einhergehenden übermäßigen Verschleiß ist damit vorgebeugt.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Kunststoffabschnitt von dem zu der Ringschulter hinweisenden Endabschnitt des Hybridanteils zurückversetzt ist, sodass lediglich der Metallabschnitt des Hybridbauteils, nicht aber der Kunststoffabschnitt des Hybridbauteils in axialer Richtung in Anlage an die Ringschulter zu kommen vermag. Fließ- und Relaxationseffekte, wie sie bei der mechanischen Beanspruchung von Kunststoffteilen auftreten können, werden so vermieden. Es reicht aus, wenn die Zurückversetzung prozesssicher realisierbar ist, beispielsweise um ein Nennmaß von mindestens 0,2mm.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Kunststoffabschnitt an seinem zu der Ringschulter hinweisenden Endabschnitt eine umlaufende Fase aufweist. In diesem Fall ist ein Einführen des Förderkolbens in das Hybridbauteil erleichtert.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Hybridbauteil in axialer Richtung zwischen der Hochdruckdichtung und der Niederdruckdichtung angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass dann, wenn der Förderkolben bei der Herstellung der Kraftstoff- Hochdruckpumpe bzw. bei der Vormontage einer Kolbenbaugruppe der Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit seinem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser voran durch den Niederdruckdichtungsträger, dann durch das Hybridbauteil und nachfolgend durch die Niederdruckdichtung hindurchgeführt wird, gewährleistet ist, dass der Förderkolben bereits radial sicher geführt und zentriert ist, wenn er in die Niederdruckdichtung eindringt. Auf diese Weise kann die Montage des Förderkolbens erleichtert werden und im Montageprozess eine Beschädigung der Niederdruckdichtung, beispielsweise eine Beschädigung von Dichtlippen der Niederdruckdichtung, sicher ausgeschlossen werden.

Der Kunststoffabschnitt kann beispielsweise aus PFA, PEEK oder anderen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffen bestehen. So kann der Kunststoffabschnitt bzw. das Hybridbauteil beispielsweise durch Anspritzen bzw. durch Spritzguss eines verflüssigten Kunststoffmaterial an den Metallabschnitt realisiert werden.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoff- Hochdruckpumpe sieht ferner vor, dass zunächst das Hybridbauteil gefertigt wird, indem der Metallabschnitt mit dem Kunststoffabschnitt stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden wird oder indem an dem Metallabschnitt der Kunststoffabschnitt erzeugt wird, sodass der Metallabschnitt mit dem Kunststoffabschnitt nachfolgend stoffschlüssig verbunden ist, dass nachfolgend eine Baugruppe vormontiert wird, indem das Hybridbauteil und die Niederdruckdichtung in dem Niederdruckdichtungsträger angeordnet werden, und nachfolgend die Baugruppe mit dem Gehäuse verbunden wird, wobei der Niederdruckdichtungsträger fluiddicht mit dem Gehäuse verbunden wird.

Alternativ ist es auch möglich, den Kunststoffabschnitt getrennt zu fertigen und mit Übermaß in den Metallabschnitt einzupressen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt: Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Kraftstoff Syste s für eine Brennkraftmaschine;

Figur 2 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe des Kraftstoff Systems von Figur 1;

Figur 3 einen Ausschnitt von Figur 2 in einer vergrößerten Darstellung;

Figur 4 eine Detailansicht eines ersten Hybridbauteils;

Figur 5 eine Detailansicht eines zweiten Hybridbauteils;

Figur 6 eine Detailansicht eines dritten Hybridbauteils.

Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein Kraftstoff System 10 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, über einen Einlass 20 eines von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 22 betätigbaren Mengensteuerventils 24 einem Förderraum 26 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 24 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sein.

Vorliegend ist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Förderkolben 30 mittels einer Nockenscheibe 32 ("Antrieb") in der Zeichnung vertikal bewegt werden kann. Hydraulisch zwischen dem Förderraum 26 und einem Auslass 36 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist ein in der Figur 1 als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Auslassventil 40 angeordnet, welches zu dem Auslass 36 hin öffnen kann. Der Auslass 36 ist an eine Hochdruckleitung 44 und über diese an einen Hochdruckspeicher 46 ("Common Rail") angeschlossen. Weiterhin ist hydraulisch zwischen dem Auslass 36 und dem Förderraum 26 ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Druckbegrenzungsventil 42 angeordnet, welches zum Förderraum 26 hin öffnen kann. lm Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Mengensteuerventil 24 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zu dem Hochdruckspeicher 46 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 22 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 angesteuert.

Figur 2 zeigt die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 von Figur 1 in einer axialen Schnittdarstellung. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 umfasst ein Gehäuse 50, welches mittels eines Flansches 52 an einem Motorblock 53 der Brennkraftmaschine anschraubbar ist. Das Gehäuse 50 weist außerdem mehrere hydraulische Kanäle 54, 55, 56 und 58 auf. Im in der Figur 2 oberen Bereich umfasst die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 einen Deckel 60 und einen Druckdämpfer 62. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist zumindest teilweise rotationssymmetrisch zu einer in axialer Richtung weisenden Längsachse 64 ausgeführt. Die axiale Richtung stimmt auch mit der Richtung überein, in der der Förderkolben 30 im Gehäuse 50 verschiebbar ist.

Innerhalb des Gehäuses 50 ist der Förderraum 26 durch das Einlassventil 24 von einem Niederdruckraum 81 getrennt. Ferner ist innerhalb des Gehäuses 50 der Förderraum 26 durch das Auslassventil 40 von einem Hochdruckraum 83 getrennt. Der Niederdruckraum 81 umfasst unter anderem den Dämpferraum 81a, der unter dem Deckel 60 angeordnet ist und den Druckdämpfer 62 aufnimmt, und einen mit dem Dämpferraum 81a über einen (nicht gezeichneten) hydraulischen Kanal fluidisch verbundenen Ausgleichsraum 81b, der sich in der Figur 2 unterhalb des Gehäuses 50 und oberhalb des Niederdruckdichtungsträgers 68 befindet.

In einem in der Zeichnung linken Bereich weist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 den Auslass 36 zum Anschluss an die Hochdruckleitung 44 auf. Hydraulisch mit dem Auslass 36 verbunden sind das Auslassventil 40 (in einem in der Zeichnung linken Abschnitt) und das Druckbegrenzungsventil 42 (in einem mittleren Abschnitt) in dem Gehäuse 50 angeordnet. In einem in der Zeichnung mittleren rechten Abschnitt des Gehäuses 50 ist das Mengensteuerventil 24 angeordnet. Weiterhin umfasst die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28: Den Förderraum 26, den Förderkolben 30 und eine Laufbuchse 66. Der entlang der Längsachse 64 verschiebbare Förderkolben 30 ist als so genannter "Stufenkolben" ausgeführt und weist im Wesentlichen zwei Abschnitte auf. Einen ersten Abschnitt 30‘ (in der Zeichnung oben) mit einem vergleichsweise großen Durchmesser, mittels welchem er in der Laufbuchse 66 geführt ist, und einen zweiten Abschnitt 30“ (in der Zeichnung unten) mit einem vergleichsweise kleinen Durchmesser. Zwischen diese Abschnitten ist eine Ringschulter 31 angeordnet, die in der Figur 2 nach unten weist.

Neben der in der Figur 2 gezeigten Hochdruckdichtung 73 als Spaltdichtung zwischen der Laufbuchse 66 und dem Förderkolben 30 ist es auch möglich, die Hochdruckdichtung 73 mittels einer Kunststoffdichtung zu realisieren, beispielsweise entsprechend der oben bereits genannten DE 102017212498 A1.

Ein unterer Bereich von Figur 2 ist durch einen Rahmen III gekennzeichnet und in der Figur 3 vergrößert dargestellt. Insbesondere zeigt die Figur 3 einen in etwa topfförmig ausgebildeten Niederdruckdichtungsträger 68, sowie eine radial außen um einen Abschnitt des Niederdruckdichtungsträgers 68 angeordnete und als Schraubenfeder ausgeführte Kolbenfeder 70, die sich mit einem Endabschnitt an dem Niederdruckdichtungsträger 68 abstützt, weswegen dieser auch als "Federaufnahme" bezeichnet wird. An einem in der Zeichnung unteren und dem Antrieb zugewandten Endabschnitt des Förderkolbens 30 ist ein Federteller 72 aufgepresst, an welchem ein Endabschnitt der Kolbenfeder 70 aufgenommen ist.

Radial innerhalb des Niederdruckdichtungsträgers 68 ist eine als Niederdruckdichtung 74 bezeichnete Kolbendichtung angeordnet, welche den unteren zweiten Abschnitt 30“ (welcher dem Antrieb zugewandt ist) des Förderkolbens 30 radial umschließt und den Ausgleichsraum 81b nach außen zum Motorblock 53 hin abdichtet. Der Förderkolben 30 ist entlang der Längsachse 64 relativ zu der Niederdruckdichtung 74 verschiebbar. In grober Näherung weist die Niederdruckdichtung 74 eine insgesamt ringförmige Struktur auf.

Vorliegend ist der Niederdruckdichtung 74 benachbart eine innerhalb des Niederdruckdichtungsträgers 68 angeordnete und ebenfalls in etwa hutförmig ausgebildete Anschlaghülse 76 vorgesehen. Ihre Funktion ist es einen Anschlag für die Ringschulter 31 des Förderkolbens 30 zu realisieren und den Förderkolben 30 so stets gegen Herausfallen aus dem Gehäuse 50 zu sichern.

Die Niederdruckdichtung 74 ist entlang der Längsachse 64 radial außen an dem Förderkolben 30 angeordnet. Dabei ist die Niederdruckdichtung 74 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt, wobei in der Zeichnung obere und untere Abschnitte der Niederdruckdichtung 74 zueinander axial spiegelsymmetrisch ausgeführt sind.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anschlaghülse 76 im Rahmen eines Hybridbauteils 90 realisiert ist, genauer als dessen Metallabschnitt 90a. Das Hybridbauteil 90 umfasst ferner einen Kunststoffabschnitt 90b, der mit dem Metallabschnitt 90a zumindest stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist und radial innerhalb des Metallabschnitts 90a vorgesehen ist.

Der Kunststoffabschnitt 90b liegt radial mit höchstens geringem Spiel an dem Förderkolben 30 an, sodass er ihn radial fixiert, also führt.

Weiterbildungen betreffen insbesondere das Hybridbauteil 90 und sind nachfolgend in den Figuren 4 bis 6 erläutert.

Gemäß einer in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist Vorgehen, dass das Hybridbauteil 90 neben einer Durchgangsbohrung 90c, in der der Förderkolben 30 verschiebbar ist, eine oder mehrere weitere Durchlässe 90d aufweist, um einen Druckausgleich zwischen einem Teil des Niederdruckraums 81, der auf der dem Förderraum 26 zugewandten Seite der Anschlaghülse 76 liegt, und einem Teil des Niederdruckraums 81, der auf der dem Förderraum 26 abgewandten Seite der Anschlaghülse 76 liegt, zu ermöglichen. Bei den Durchläsen 90d kann es sich beispielsweise um Bohrungen oder Ausstanzungen handeln, die in den Metallabschnitt 90a des Hybridbauteils 90 eingebracht sind und einen Querschnitt aufweisen, der jeweils und oder in Summe kleiner ist als der Querschnitt der Durchgangsbohrung 90c, in der der Förderkolben 30 verschiebbar ist.

Gemäß einer in Figur 5 dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Metallabschnitt 90a und der Kunststoffabschnitt 90b zusätzlich zu dem Stoffschluss durch einen Formschluss 92 miteinander verbunden sind. Im dargestellten Beispiel handelt es sich dabei um eine hinterschnittene Ausnehmung im Metallabschnitt 90a, in die der Kunststoffabschnitt 90b eingreift. Gemäß einer in Figur 6 dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der

Kunststoffabschnitt 90b von dem zu der Ringschulter 31 hinweisenden Endabschnitt des Hybridteils 90 um mindestens 0,2 mm zurückversetzt ist, sodass lediglich der Metallabschnitt 90a des Hybridbauteils 90, nicht aber der Kunststoffabschnitt 90b des Hybridbauteils 90 in axialer Richtung in Anlage an die Ringschulter 31 zu kommen vermag. Ferner ist vorgesehen, dass der

Kunststoffabschnitt 90b an seinem zu der Ringschulter 31 hinweisenden Endabschnitt eine umlaufende Fase 94 aufweist, sodass ein Einführen des Förderkolbens 30 in das Hybridbauteil 90 erleichtert ist. Die Fase 94 geht über einen für vergleichbare Bauteile üblichen Kantenbruch hinaus. Sie kann sich beispielsweise axial über eine Länge von 1= 0,5 bis 3mm erstrecken und radial über eine Strecke von d = 0,2 bis 2 mm erstrecken.