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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Vom Markt her bekannt sind Kolbenpumpen für Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen, bei welchen ein Kolben mittels eines durch eine Nocke oder eine Exzenterscheibe gebildeten Antriebs axial bewegt werden kann. Eine erforderliche Rückstellkraft des Kolbens wird dabei mittels einer Druckfeder erzeugt. Durch den Betrieb wird die Kolbenpumpe teilweise stark erwärmt, wodurch die Eigenschaften der Kolbenpumpe und/oder deren Dauerfestigkeit nachteilig beeinflusst werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Einlass, einem einlassseitigen Niederdruckbereich, einem Kolben und einem Arbeitsraum, der von dem Kolben begrenzt wird, wobei ein von dem Arbeitsraum weg weisender Abschnitt des Kolbens in einem Fluidraum angeordnet ist, welcher wenigstens zeitweise hydraulisch mit dem Niederdruckbereich verbunden ist.
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Der Kolben kann als Stufenkolben ausgeführt sein mit Abschnitten, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Hierdurch wird eine Durchmesserstufe gebildet, und genau jener Abschnitt des Kolbens, in dem diese Durchmesserstufe angeordet ist, kann in dem Fluidraum angeordnet sein. Dieser wird daher auch als "Stufenraum" bezeichnet. Die zyklische axiale Kolbenbewegung führt in diesem Stufenraum zu einer entsprechenden zyklischen Volumenänderung, wodurch in den Fluidraum Kraftstoff angesaugt und aus diesem ausgestoßen wird.
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Erfindungsgemäß zweigt stromabwärts von dem Einlass mindestens ein erster Verbindungskanal zu dem einlassseitigen Niederdruckbereich ab und mindestens ein zweiter Verbindungskanal zweigt zu dem Fluidraum ab. Außerdem ist der Fluidraum mittels mindestens eines dritten Verbindungskanals mit dem einlassseitigen Niederdruckbereich verbunden. Dadurch wird es ermöglicht, dass ein Teil des über den Einlass einströmenden Kraftstoffs durch den Fluidraum strömen kann, wodurch eine Temperatur in dem Fluidraum deutlich vermindert werden kann. In Abhängigkeit von einer Ausführungsform der Kolbenpumpe kann die über den Fluidraum erfolgende Strömung sogar eine "Kreisströmung" sein und somit ein vergleichsweise großes Fluidvolumen in der Kolbenpumpe umfassen.
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Die Erfindung weist unter anderem den Vorteil auf, dass ein Verschleiß einer den Kolben bzw. den Fluidraum nach außen (hin zu einem Antrieb der Kolbenpumpe) abdichtenden Kolbendichtung ("Dichtlippen") sowie ein Verschleiß einer den Kolben führenden Laufbuchse vermindert werden kann. Weiterhin ist es durch die oben beschriebene Verminderung der Temperatur möglich, einen an dem Einlass der Kolbenpumpe erforderlichen hydraulischen Druck (so genannter "Vordruck") zu senken, ohne eine für den Betrieb des Kolbens erforderliche Schmierung zu beeinträchtigen. Dabei können auch eine so genannte "Dampfblasenbildung" in der Kolbenpumpe sowie die Gefahr eines möglichen "Kolbenfressers" verringert werden. Insbesondere in einem Bereich der Kolbendichtung kann zudem ein unerwünschtes Vermischen von Kraftstoff und Öl verringert oder sogar verhindert werden.
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In einer Ausgestaltung der Kolbenpumpe weisen der erste und der zweite Verbindungskanal wenigstens in etwa einen gleichen Strömungswiderstand auf, derart, dass ein Teil des einströmenden Kraftstoffs zum einlassseitigen Niederdruckbereich und ein anderer Teil des einströmenden Kraftstoffs zum Fluidraum strömt. Dabei weist der dritte Verbindungskanal einen solchen hydraulischen Strömungswiderstand auf, dass der Kraftstoff aus dem Fluidraum über den dritten Verbindungskanal abströmt. Dadurch können die erfindungsgemäßen Strömungen auf einfache Weise realisiert werden. Vorzugsweise können die besagten Strömungswiderstände durch die Wahl eines Querschnitts des jeweiligen Verbindungskanals angepasst werden. Sofern die Verbindungskanäle als Bohrungen ausgeführt sind, kann dies vorteilhaft durch eine entsprechende Bemessung des Bohrungsdurchmessers erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Kolbenpumpe ist in dem einlassseitigen Niederdruckbereich ein hydraulischer Druckdämpfer angeordnet. Unter Berücksichtigung eines durch den Druckdämpfer bedingten hydraulischen Widerstands ergeben sich weitere vorteilhafte Möglichkeiten, um eine gewünschte hydraulische Strömung durch den Fluidraum zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe kann vereinfacht werden, wenn der erste und der zweite Verbindungskanal Abschnitte einer Durchgangsbohrung sind, in die der Einlass mündet. Auf diese Weise können beide Verbindungskanäle in einem Arbeitsschritt hergestellt und somit Kosten gespart werden. In einer Ausgestaltung der Kolbenpumpe wird ein Längenmaß, an welchem der Einlass in die derart hergestellte Durchgangsbohrung mündet, konstruktiv derart bemessen, dass ein gewünschter relativer Strömungswiderstand des ersten zu dem zweiten Verbindungskanal vorgegeben wird. Dadurch können beide Verbindungskanäle gegebenenfalls unterschiedliche Längen und somit unterschiedliche Strömungswiderstände aufweisen, wodurch ein Anteil des über den Fluidraum strömenden Kraftstoffs beeinflusst werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Kolbenpumpe sind der erste und der zweite Verbindungskanal Sackbohrungen, die in den Einlass münden. Dadurch können der erste und der zweite Verbindungskanal axial gegeneinander versetzt angeordnet sein, wodurch sich zusätzliche konstruktive Möglichkeiten und eine vereinfachte Ausführung der Kolbenpumpe ergeben können. Insbesondere können der erste und der zweite Verbindungskanal mit unterschiedlichen Durchmessern ausgeführt sein.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der dritte Verbindungskanal eine Durchgangsbohrung ist. Dadurch kann der dritte Verbindungskanal besonders einfach und somit kostengünstig hergestellt werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kolbenpumpe ein wenigstens im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse umfasst, und dass der Einlass als radialer Kanal und die Verbindungskanäle als axiale Kanäle ausgebildet sind. Dadurch können eine Geometrie der Kolbenpumpe vereinfacht und somit Kosten gespart werden.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige 1 einen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine.
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1 zeigt in einer axialen Schnittdarstellung eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe, welche vorliegend als Kolbenpumpe 10 ausgeführt ist. Die Kolbenpumpe 10 ist ein Element eines (nicht dargestellten) Kraftstoffsystems beispielsweise für ein Common-Rail-Kraftstoffsystem für eine ebenfalls nicht dargestellte Brennkraftmaschine. Die Kolbenpumpe 10 ist zumindest teilweise rotationsymmetrisch um eine Längsachse 12 ausgeführt.
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Die Kolbenpumpe 10 umfasst ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 14, welches mittels eines Flansches 16 an einem – nicht dargestellten – Motorblock der Brennkraftmaschine anschraubbar ist. Im in der 1 oberen Bereich umfasst die Kolbenpumpe 10 einen zwischen einem gewölbten Deckel 18 und einer in der Figur oberen und im Wesentlichen flachen Stirnseite des Gehäuse 14 ausgebildeten einlassseitigen kammerartigen Niederdruckbereich 20, in welchem ein hydraulischer Druckdämpfer 22 zur Dämpfung von im Betrieb der Kolbenpumpe 10 auftretenden Druckpulsationen angeordnet ist.
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In einem in der Zeichnung linken Bereich weist die Kolbenpumpe 10 einen Zulaufstutzen 24 zum Anschluss an eine (nicht dargestellte) Niederdruck-Kraftstoffleitung auf. Vorliegend ist der Zulaufstutzen 24 in dem Gehäuse 14 mit einer zylindrisch ausgeführten Fluidkammer 26 verbunden, welche ihrerseits mit einem als Einlass 28 bezeichneten und in Bezug auf das Gehäuse 14 radial ausgeführten Kanal verbunden ist. In einer Ausführungsform der Kolbenpumpe 10 ist an dem Zulaufstutzen 24 im Bereich der Fluidkammer 26 ein Mengensteuerventil zur Steuerung einer über den Einlass 28 zugeführten Kraftstoffmenge vorhanden. Dies ist in der Zeichnung jedoch nicht explizit dargestellt bzw. nicht sichtbar.
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Weiterhin umfasst die Kolbenpumpe 10 einen Arbeitsraum 30, welcher einerseits vom Gehäuse 14 und andererseits von einem in der Figur oberen Endabschnitt eines Kolbens 32 begrenzt wird. Der Kolben 32 ist in einer Laufbuchse 34 in der Zeichnung vertikal beweglich angeordnet. Ein von dem Arbeitsraum 30 weg weisender und eine Durchmesserstufe aufweisender Abschnitt des Kolbens 32 ist in einem Fluidraum 48 angeordnet, welcher wenigstens zeitweise hydraulisch mit dem Niederdruckbereich 20 verbunden ist.
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In einem unteren Bereich von 1 umfasst die Kolbenpumpe 10 ferner: Eine in etwa topfförmig ausgebildete und in das Gehäuse 14 eingepresste oder anderweitig dort fest und fluiddicht angebundene Federaufnahme 36, eine auf Druck beanspruchte Kolbenfeder 38, eine Kolbendichtung 40 und einen an einem in der Figur unteren Endabschnitt des Kolbens 32 aufgepressten Federteller 42. In einem in der Zeichnung unteren Abschnitt, insbesondere im Bereich des Fluidraums 48 und der Kolbendichtung 40, weist der Kolben 32 einen kleineren Durchmesser auf als in einem mittleren Abschnitt, wodurch die bereits oben erwähnte Durchmesserstufe gebildet wird und ein von dem Kolben 32 in dem Fluidraum 48 verdrängtes hydraulisches Volumen abhängig ist von einer axialen Position des Kolbens 32.
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Der Arbeitsraum 30 ist vorliegend an zwei hydraulische Kanäle 44 und 46 angeschlossen, durch welche der Arbeitsraum 30 einerseits mit dem einlassseitigen Niederdruckbereich 20 und andererseits mit einem nicht dargestellten Auslassventil der Kolbenpumpe 10 hydraulisch verbunden ist.
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Weiterhin umfasst die Kolbenpumpe 10 einen ersten Verbindungskanal 50, welcher stromabwärts von dem Einlass 28 in der Zeichnung nach oben zu dem einlassseitigen Niederdruckbereich 20 abzweigt. Ferner umfasst die Kolbenpumpe 10 einen zweiten Verbindungskanal 52, welcher stromabwärts von dem Einlass 28 in der Zeichnung nach unten zu dem Fluidraum 48 abzweigt. Der zweite Verbindungskanal 52 ist in der Zeichnung durch eine gestrichelte Umrandung hervorgehoben.
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Weiterhin umfasst die Kolbenpumpe 10 in der Zeichnung rechts einen dritten Verbindungskanal 54, mittels welchem der Fluidraum 48 nach oben mit dem einlassseitigen Niederdruckbereich 20 verbunden ist. Der erste Verbindungskanal 50, der zweite Verbindungskanal 52 und der dritte Verbindungskanal 54 sind im Wesentlichen jeweils parallel zu der Längsachse 12 ausgeführt.
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Vorliegend sind die drei Verbindungskanäle 50, 52 und 54 als axiale Kanäle ausgebildet, welche als axiale Bohrungen in dem Gehäuse 14 ausgeführt sind. Dabei sind der erste und der zweite Verbindungskanal 50 und 52 als Sackbohrungen ausgeführt, die in den Einlass 28 münden. Alternativ können der erste und der zweite Verbindungskanal 50 und 52 Abschnitte einer Durchgangsbohrung sein, in die der Einlass 28 mündet. Der dritte Verbindungskanal 54 ist in der 1 ebenfalls als Durchgangsbohrung ausgeführt.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Kolbenpumpe 10 ist mindestens einer der Verbindungskanäle 50, 52 und 54 in Bezug auf die Längsachse 12 als "schräge" Bohrung ausgeführt. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Kolbenpumpe 10 ist das Gehäuse 14 mittels eines Verfahrens des Metall-Pulverspritzgießen (MIM, "metal injection molding") und/oder des Keramik-Pulverspritzgießens (CIM, "ceramic injection molding") hergestellt, wobei die Verbindungskanäle 50, 52 und 54 mittels des Gießprozesses zugleich erzeugt werden. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Kolbenpumpe 10 ist mindestens einer der Verbindungskanäle 50, 52 und 54 als externe hydraulische Leitung ausgeführt, welche an Anschlüssen der Kolbenpumpe 10 angeschlossen ist, beispielsweise mittels Verschraubung oder Verschweißung.
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Vorliegend weisen der erste und der zweite Verbindungskanal 50 und 52 wenigstens in etwa einen gleichen Strömungswiderstand auf. Dies erfolgt derart, dass ein Teil des über den Zulaufstutzen 24 und den Einlass 28 einströmenden Kraftstoffs zum einlassseitigen Niederdruckbereich 20 und ein anderer Teil des einströmenden Kraftstoffs zum Fluidraum 48 strömt. Dabei weist der dritte Verbindungskanal 54 einen solchen hydraulischen Strömungswiderstand auf, dass der Kraftstoff aus dem Fluidraum 48 über den dritten Verbindungskanal 54 abströmen kann.
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Im Betrieb der Kolbenpumpe 10 wird der Kolben 32 über einen nicht dargestellten Antrieb mittels des Federtellers 42 periodisch in Richtung der Längsachse 12 axial bewegt. Dabei wird die Kolbendichtung 40 durch den in der Umgebung befindlichen Kraftstoff geschmiert. In einem Ansaugtakt wird der Kolben 32 in der Zeichnung nach unten bewegt, wodurch Kraftstoff aus dem einlassseitigen Niederdruckbereich 20 in den Arbeitsraum 30 strömen kann. In einem Arbeitstakt wird der Kolben 32 in der Zeichnung nach oben bewegt, wodurch Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 30 unter Druck über das (nicht dargestellte) Auslassventil in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) gefördert wird.
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Als Folge der Kolbenbewegung wird auch, wie oben bereits beschrieben, das in dem Fluidraum 48 von dem Kolben 32 verdrängte hydraulische Volumen periodisch verkleinert und vergrößert. Eine erste Strömung von Kraftstoff, welche durch einen Pfeil 56 angedeutet ist, ergibt sich von dem Zulaufstutzen 24 durch die Fluidkammer 26, danach durch den Einlass 28 und danach durch den ersten Verbindungskanal 50 hin zu dem einlassseitigen Niederdruckbereich 20 im in der Zeichnung oberen Bereich der Kolbenpumpe 10.
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Unter Berücksichtigung eines durch den Druckdämpfer 22 verursachten hydraulischen Widerstands ergibt sich durch den zweiten Verbindungskanal 52 – zumindest im zeitlichen Mittel – eine zweite Strömung von Kraftstoff, welche durch einen Pfeil 58 angedeutet ist. Dabei gelangt vergleichsweise kühler Kraftstoff von dem Zulaufstutzen 24 durch die Fluidkammer 26, danach durch den Einlass 28, danach durch den zweiten Verbindungskanal 52, danach durch den Fluidraum 48 und danach durch den dritten Verbindungskanal 54 hin zu dem einlassseitigen Niederdruckbereich 20 im oberen Bereich der Kolbenpumpe 10. Dadurch kann der Fluidraum 48 also gekühlt werden.
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Insbesondere kann durch die beschriebene zweite Strömung des Kraftstoffs entsprechend dem Pfeil 58 eine Betriebstemperatur der Kolbenpumpe 10 vermindert werden. Dadurch kann auch bei einem vergleichsweise kleinen hydraulischen Druck am Zulaufstutzen 24 einer Dampfblasenbildung in der Kolbenpumpe 10 vorgebeugt werden. Folglich kann auch eine Schmierung des Kolbens 32 im Bereich der Kolbendichtung 40 verbessert werden.
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In Abhängigkeit von Eigenschaften der Kolbenpumpe 10 und insbesondere abhängig von einer Bemessung der Verbindungskanäle 50, 52 und 54 kann die durch den Pfeil 58 gekennzeichnete zweite Strömung optimiert werden. Dies ist beispielsweise mittels konstruktiver Anpassung eines jeweiligen hydraulischen Querschnitts möglich. Ebenso ist es möglich, eine in Bezug auf die Längsachse 12 axiale bzw. vertikale Position des Einlasses 28 konstruktiv anzupassen, wodurch sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Optimierung der hydraulischen Strömungen ergibt.
