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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Membrandose zum Dämpfen von Druckpulsationen in einem Niederdruckbereich einer Kolben-Kraftstoffpumpe, wobei die Membrandose zwei an ihren radialen Rändern dicht miteinander verschweißte Membranen aufweist, wobei die zwei Membranen einen Gasraum umschließen und wobei die zwei Membranen beide axial verformbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Membrandose zeichnet sich dadurch aus, dass die Membranen einen in radialer Erstreckung zentralen Bereich aufweisen, in dem die Membranen planparallel zueinander verlaufen, wenn die Druckdifferenz, die ein Druck im Gasraum abzüglich eines Drucks außerhalb des Gasraums, insbesondere eines Drucks im Niederdruckbereich der Kolbenpumpe, ist, Null ist.
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Die Druckdifferenz ist also mit anderen Worten die an den Membranen unmittelbar wirksam werdende Druckdifferenz.
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Die erfindungsgemäße Membrandose verbessert die aus dem Stand der Technik bekannten Membrandosen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit, sowohl auftretende Druckschwankungen durch eine hohe Nachgiebigkeit im Bereich funktionsrelevanter Druckdifferenzen stark zu dämpfen, als auch hohe verbleibende Druckdifferenzen beider Vorzeichen ohne Materialermüdung über Lebensdauer ertragen zu können.
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Der Erfindung liegt zunächst die grundsätzliche Erkenntnis zugrunde, dass die auf die Membrandose insgesamt resultierend einwirkenden Kräfte minimiert sind, wenn der Druck im Gasraum mit einem im Mittel im Niederdruckbereich der Kolbenpumpe herrschenden Druck gleich ist. Eine dies und die vorgesehenen Einsatzbedingungen der Membrandose (Temperatur und Druck im Niederdruckbereich der Kolbenpumpe) berücksichtigende Füllung des Gasraums der Membrandose ist insofern vorteilhaft für eine hohe Robustheit bzw. Lebensdauer der Membrandose. Mit anderen Worten ist als günstig erkannt worden, eine Membrandose so auszulegen bzw. eine Kolbenpumpe so zu betreiben, dass bei einer im Niederdruckbereich der Kolbenpumpe angeordneten Membrandose eine auf die Membrandose einwirkende Druckdifferenz im Mittel Null ist.
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Überdies wurde erkannt, dass eine Membrandose eine maximale Nachgiebigkeit, das heißt eine maximale Volumenänderung des Gasvolumens pro Änderung des einwirkenden Außendrucks, in einem Bereich hat, in dem die Memrandose weder eingedrückt, noch ausgebeult ist, sondern zumindest im Wesentlichen plan ist.
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Auf den voranstehenden Überlegungen basierend wurde zum einen der Gegenstand des Anspruchs 1, eine insgesamt optimierte Membrandose, entwickelt.
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Ferner ergibt sich der weitere Gegenstand eines Verfahrens zum Betreiben einer Kolbenpumpe, beispielsweise in einem Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, in deren Niederdruckbereich eine erfindungsgemäße Membrandose angeordnet ist, wobei ein Druck im Niederdruckbereich, beispielsweise durch die Vorsehung einer entsprechenden Vorpumpe, gleich dem Druck im Gasraum der Membrandose gewählt ist. Dieser Druck kann beispielsweise in einem Bereich von 4bar bis 7bar bei 20°C oder bei 40°C liegen.
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Unter einem planparallelen Verlauf der Membranen in einem Bereich ist hierbei zu verstehen, dass die Membranen dort jeweils eben und parallel zueinander sind. Diese Begriffe sind nicht notwendigerweise in mathematischer Strenge auszulegen, sondern insbesondere auch im Bereich dessen, was sich bei normaler Fertigungsstreuung für die betreffenden Merkmale ergibt. So kann eine Verkippung der Membranen zueinander um beispielsweise bis zu 0,5° umfasst sein. Auch kann eine kleine verbleibende Krümmung der Membranen im zentralen Bereich umfasst sein, beispielsweise mit einem Krümmungsradius, der nicht kleiner als das 10-fache eines Durchmessers der Membran ist. All dies kann beispielsweise einer tatsächlichen Form und Lage der Membranen entsprechen, die von einer idealisiert planparallelen Form und Lage an keiner Stelle mehr als 0,2 mm bzw. 1/200 des Durchmessers der Membrandose abweicht.
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Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, sind in der vorliegenden Schrift Bezugnahmen auf die Form der Membrandose so zu verstehen, dass die Membrandose diese Form dann, insbesondere nur dann, aufweist, wenn die Druckdifferenz Null ist.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass der zentrale Bereich stets bikonvex geformt ist, wenn die Druckdifferenz größer als Null, also positiv, ist, und/oder stets bikonkav geformt ist, wenn die Druckdifferenz kleiner als Null, also negativ, ist.
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Die Angaben für die Druckdifferenz „Null“, „positiv“ und „negativ“ sind insbesondere nicht in mathematischer Strenge auszulegen, sondern im Bereich dessen, was sich bei normaler Fertigungsstreuung für die betreffenden Merkmale ergibt. So kann eine Druckdifferenz von Null im Sinne der Erfindung auch vorliegen, wenn ein geringer Unter- oder Überdruck zwischen Gasraum und Umgebung vorliegt, beispielsweise maximal 0,25 bar und/oder maximal 5% des Drucks in dem Gasraum. Auch die Merkmale die mittels positiven oder negativen Druckdifferenzen definiert sind, sind insbesondere dadurch weiter auszulegen, dass entsprechende Unschärfen auch zugelassen werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zentrale Bereich von einem ringförmigen Bereich radial umgeben ist, in dem die Membranen in zueinander entgegengesetzte axiale Richtungen, voneinander wegweisend, ausgeprägt sind. Derartige Ausprägungen ermöglichen einen wirksamen Abbau von Spannungen, die bei Druckdifferenzen und durch diese verursachte Deformationen der Membrandose im Bereich der Ränder der Membranen, an den Orten der Verschweißungen, andernfalls unvermindert auftreten.
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Unter einer Ausprägung ist im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein nach außen gewölbtes Konstruktionselement zu verstehen, das beispielsweise im Rahmen eines Tiefziehprozesses hergestellt werden kann. Auch andere Herstellverfahren können zum Einsatz kommen.
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Es wurde festgestellt, dass die Wirkung der Ausprägung bereits weitgehend eintritt, wenn an zumindest einer oder jeder Membran nur genau je eine umlaufende Ausprägung vorhanden ist.
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Es wurde ferner festgestellt, dass diese Wirkung bereits weitgehend eintritt, wenn die Ausprägungen zusätzlich oder alternativ gegenüber dem zentralen Bereich um nicht mehr als 5% des Durchmessers der zugehörigen Membranen in axialer Richtung bei verschwindender Druckdifferenz vorstehen. Ein Vorstehen von wenigstens 0,2% des Durchmessers der zugehörigen Membranen in axialer Richtung ist bevorzugt.
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Es wurde ferner festgestellt, dass diese Wirkung bereits weitgehend eintritt, wenn zusätzlich oder alternativ die Ausprägungen gegenüber den Rändern der zugehörigen Membranen um nicht mehr als 10% des Durchmessers der zugehörigen Membran in axialer Richtung vorstehen. Ein Vorstehen von wenigstens 2% des Durchmessers der zugehörigen Membranen in axialer Richtung ist bevorzugt.
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In den Fällen der drei vorangehenden Absätze, sind die Membranen besonders einfach zu fertigen, beispielsweise ausgehend von einem ebenen Blechformteil mittels einer einzigen Tiefziehstufe.
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Die Membranen und/oder der zentrale Bereich haben in axialer Aufsicht eine insbesondere runde Form, sodass ihre Handhabung einfach und ihre Stabilität hoch ist. Grundsätzlich sind auch abweichende Formen von einer runden Form möglich. Die Angaben über Durchmesser und Radien beziehen sich dann im Rahmen dieser Anmeldung auf Durchmesser und Radien von runden Formen mit gleicher Fläche.
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Die Durchmesser der Membranen und der Membrandose liegen bevorzugt in einem Bereich von 30–50 mm. Die maximale axiale Erstreckung der Membrandose liegt bevorzugt zwischen 2 und 6mm. Es ist bevorzugt, dass die Membranen eine Wandstärke im Bereich von 0,1mm bis 0,4mm haben und aus einem nichtrostenden Stahl bestehen, beispielsweise einem Federstahl, beispielsweise einem Chrom-Nickelstahl, beispielsweise der Sorte 1.4310. Es ist bevorzugt, dass resultierend eine Abhängigkeit der axialen Erstreckung der Membrandose im zentralen Bereich, bevorzugt entlang einer Mittelachse, von der Druckdifferenz im Bereich verschwindender Druckdifferenz im Bereich von 0,3 bis 0,6 mm/bar liegt. Es ist bevorzugt, dass eine Abhängigkeit des von der Membrandose eingeschlossenen Gasvolumens von der Druckdifferenz im Bereich verschwindender Druckdifferenz im Bereich von 200 bis 400 mm3/bar liegt.
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Die Formgebung des zentralen Bereichs ist vorliegend von großer Bedeutung. Die Wirksamkeit der Erfindung ist in besonderem Maß gegeben, wenn der ebene zentrale Bereich einen Durchmesser aufweist, der nicht kleiner ist als 40% des Durchmessers zumindest einer der Membranen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung trägt dem Erfordernis Rechnung, dass bei der Herstellung der Membranen bzw. der Membrandose auf eine einfache Art und Weise eine optische Inspektion möglich sein sollte, die beispielsweise das Auftreten von Rissen in den Membranen erkennt. Hierfür ist insbesondere vorgesehen, dass eine Normale auf der Oberfläche zumindest einer der Membranen überall, einen Winkel von nicht mehr als 60° mit einer axialen Richtung einschließt, die Membrandose in Aufsicht also nirgends zu stark geneigt verläuft. Hierdurch ist sichergestellt, dass eine optische Inspektion, deren feste optische Achse mit der axialen Richtung zusammenfällt, ohne weiteres möglich ist.
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Durch die geometrische Formgebung der erfindungsgemäßen Membrandose ist ein vergleichsweise großes Gasvolumen verfügbar, wobei die Membrandose, beispielsweise in einem Niederdruckbereich einer Kolbenpumpe, nur einen vergleichsweise kleinen Bauraum beansprucht. Dies kommt quantitativ darin zum Ausdruck, dass das Volumen des Gasraums normiert auf das Volumen des kleinsten Zylinders, insbesondere des kleinsten geraden Kreiszylinders, der die Membrandose vollständig aufzunehmen vermag, bei verschwindender Druckdifferenz nicht kleiner als 0,4 ist.
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Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit einem Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe
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2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Ausschnitts der Kolbenpumpe gemäß 1
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Die 3 bis 9 zeigen verschieden Ansichten einer erfindungsgemäßen Membrandose
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Ausführungsformen
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1 zeigt ein Kraftstoffsystem 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 dem Einlass 20 eines von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 22 betätigbaren Mengensteuerventils 24 einem Arbeitsraum 26 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt, beispielsweise mit einem Vordruck von 6bar. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 24 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sein.
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Vorliegend ist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 30 mittels einer Nockenscheibe 32 in der Zeichnung vertikal bewegt werden kann. Hydraulisch zwischen dem Arbeitsraum 26 und einem Auslass 36 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sind ein als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Auslassventil 40 sowie ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Druckbegrenzungsventil 42 angeordnet. Der Auslass 36 ist über eine Hochdruckleitung 44 an einen Hochdruckspeicher 46 ("Common Rail") angeschlossen.
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Im 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. Bedingt durch die periodische Arbeitsweise der Vorförderpumpe 16 und der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 treten an mehreren Abschnitten des Kraftstoffsystems 10 so genannte Druckpulsationen auf, insbesondere auch stromaufwärts von dem Arbeitsraum 26, also in einem Niederdruckbereich 11 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 bzw. des Kraftstoffsystems 10.
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2 zeigt die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 von 1 in einer axialen Schnittdarstellung. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist zumindest teilweise rotationsymmetrisch um eine Längsachse 48 ausgeführt.
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Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 umfasst ein Gehäuse 50, welches mittels eines Flansches 52 an einen – nicht dargestellten – Motorblock der Brennkraftmaschine anschraubbar ist. In einem in der 2 oberen Bereich umfasst die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 einen Gehäusedeckel 53, welcher an einem oberen Gehäuseabsatz 54 des Gehäuses 50 fluidisch dicht angeordnet ist. In einem von dem Gehäusedeckel 53 begrenzten Fluidraum 55 ist eine hydraulische Dämpfungseinrichtung 56 angeordnet, welche weiter unten noch näher beschrieben werden wird.
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In einem in der 2 linken Bereich ist das Mengensteuerventil 24 und in einem rechten Bereich ist ein Auslassstutzen 58 zum Anschluss der Hochdruckleitung 44 (siehe 1) an dem Gehäuse 50 angeordnet.
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Insbesondere in einem mittleren und unteren Bereich von 2 sind unter anderem folgende weitere Elemente der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 dargestellt: Das Druckbegrenzungsventil 42, das Auslassventil 40, der Kolben 30, der Arbeitsraum 26, eine Laufbuchse 60, in welcher der Kolben 30 parallel zu der Längsachse 48 bewegbar ist, eine in etwa topfförmig ausgebildete Federaufnahme 62 zur Aufnahme einer Kolbendichtung 64, welche einen in der 2 unteren Abschnitt des Kolbens 30 radial außen umgibt, eine als Schraubenfeder ausgeführte Kolbenfeder 61, sowie einen an einem Endabschnitt des Kolbens 30 aufgepressten Federteller 66. Weiterhin sind an dem Gehäuse 50 in der dargestellten Schnittansicht mehrere hydraulische Kanäle 68, 70, 72 und 74 sichtbar.
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Die Dämpfungseinrichtung 56 umfasst eine Membrandose 76, welche mittels einer Vorspanneinrichtung 78 zwischen dem Gehäusedeckel 53 und dem Gehäuseabsatz 54 gehalten bzw. verspannt ist. Die Vorspanneinrichtung 78 umfasst eine erste Federeinrichtung 80a, welche sich mit ihrem in der Figur oberen Ende an dem Gehäusedeckel 53 abstützt, und eine zweite Federeinrichtung 80b, welche sich mit ihrem in der Figur unteren Ende an dem Gehäuseabsatz 54 abstützt. Zwischen der ersten und der zweiten Federeinrichtung 80a und 80b ist die Membrandose 76 in ihren radialen Randbereichen gehalten. Am Gehäusedeckel 53 ist seitlich ein Zulaufanschluss 90 vorgesehen, der mit der Niederdruckleitung 18 (1) verbindbar ist.
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Vorliegend sind die erste und die zweite Federeinrichtung 80a und 80b gleichartig ausgeführt. Dabei sind beide Federeinrichtungen 80a und 80b jeweils als Scheibenfeder und zumindest in etwa nach Art einer Kegel- oder Kugelkalotte ausgeführt. Die Federeinrichtungen 80a und 80b weisen jeweils eine Mehrzahl von Öffnungen 82 auf, welche radialsymmetrisch zueinander angeordnet sind und eine jeweilige Seite der Federeinrichtung 80a bzw. 80b mit der jeweils entgegengesetzten Seite der Federeinrichtung 80a bzw. 80b hydraulisch verbinden. Beispielsweise weisen die Federeinrichtungen 80a und 80b zusammen zwanzig Öffnungen 82 auf, wodurch eine hydraulische Durchströmung des in dem Gehäusedeckel 53 gebildeten Fluidraums 55 nahezu ohne Drosselung ermöglicht wird.
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Wenngleich vorliegend nur eine Membrandose 76 gezeichnet ist, sind Dämpfungseinrichtungen 56 bzw. Kolbenpumpen 28 mit mehreren, beispielsweise zwei oder drei Membrandosen 76 stets grundsätzlich möglich, beispielsweise übereinander oder nebeneinander, zum Beispiel durch die bereits beschriebenen oder durch weitere Zwischenteile, beispielsweise Federeinrichtungen, voneinander beabstandet.
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Die Gestalt der Membrandose 76 ist in den 3 bis 6 vergrößert, dargestellt, wobei 3 eine perspektivische Ansicht, 4 eine Aufsicht, 5 einen Schnitt entlang der Linie E-E in 4 und die 6 ein ¼-Modell der Membrandose 76 zeigt.
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Gezeigt ist in den 3 bis 6 eine Membrandose 76 bei verschwindender Druckdifferenz dp, also zum Beispiel eine Membrandose 76 im Niederdruckbereich 11 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28, wobei im Gasraum 58 der Membrandose 76 ein Druck pi, beispielsweise Helium mit 6bar bei 40°C, vorliegt, der mit dem Druck pa außerhalb der Membrandose 76, also im Niederdruckbereich 11 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28, gleich ist.
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Es ist aber zusätzlich auch möglich, die 3 bis 6 derart zu verstehen, dass sie die Membrandose 76 in einer Umgebung außerhalb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zeigen, beispielsweise bei einem Umgebungsdruck von 1013mbar, nachdem ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Gasraum 58, beispielsweise durch eine nicht gezeichnete sehr kleine, ansonsten weitgehend nebenwirkungsfreie Bohrung in der Membrandose 76, hergestellt wurde. In beiden Fällen, die zum Nachweis der Benutzung der Erfindung gleichberechtigt nebeneinander stehen, ergibt sich die gleiche erfindungsgemäße Gestalt der Membrandose 76.
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Die Membrandose 76 besteht in diesem Beispiel aus zwei identisch geformten Membranen 76a, 76b, die an ihren Rändern 761 gasdicht miteinander verschweißt sind. Die Membranen 76a, 76b weisen in den 3 bis 6 jeweils einen ebenen zentralen Bereich 762 auf, dessen Durchmesser d sich beispielsweise über 50% des Durchmessers der Membranen 76a, 76b erstreckt. Zwischen den Rändern 761 der Membranen 76 und den zentralen Bereichen 762 der Membranen 76a, 76b befindet sich jeweils ringförmig umlaufend ein nach außen ausgeprägter Bereich 763, der über etwa 80° Biegeradius im Querschnitt (5) eine elliptische Kontur aufweist und durch Übergangsbereiche 764, 765 an den ebenen zentralen Bereich 762 bzw. an den Randbereich 761 abgerundet angeformt ist. In diesem Beispiel weist die Membrandose 76 einen Durchmesser D von 41mm, eine Höhe H im Bereich der Ausprägung 763 von 5mm und besteht aus Stahl der Sorte 1.4310.
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Wenn der Differenzdruck dp nicht Null ist, weist die Membrandose 76 infolge ihrer elastischen Eigenschaften nicht die in den 3 bis 6 gezeigte Form auf. Ein Beispiel hierfür ist in der 7 dargestellt, wo die gleiche Membrandose 76, die in den 3 bis 6 in einem ¼-Modell gezeigt ist. Der Außendruck pa beträgt hierbei pa = 1013mbar der Innendruck pi im Gasraum 58 beträgt 4,5 bar; es wurde kein Druckausgleich vorgenommen. Zum Vergleich ist in der 7 der dunkel wiedergegebenen Kontur der Membran 76a die Kontur aus 6 als helle Linie 76‘ nochmals gegenübergestellt. Als Folge des Überducks im Inneren des Gasraums 58 und der Elastizität der Membran 76a ist die Membran 76a konvex, also nach außen vorgewölbt, im Beispiel um 1mm im Bereich der Mittelachse 48 der Membrandose 76.
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Durch ihre besondere Formgebung, insbesondere durch den flachen zentralen Bereich 762, die vergleichsweise schwache Ausprägung 763‘, ist ein vergleichsweise großes Volumen des Gasraums 58 verfügbar, wobei die Membrandose 76 nur einen vergleichsweise kleinen Bauraum beansprucht. In 8 ist dargestellt, dass das Volumen Vg des Gasraums 58 normiert auf das Volumen Vz des kleinsten geraden Kreiszylinders 100, der die Membrandose 76 vollständig aufzunehmen vermag, einen Wert von 0,45 hat.
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Aus 9 ist ersichtlich, dass die Normale 92 auf der Oberfläche der Membranen 76a, 76b überall einen Winkel α von höchstens 60° mit einer axialen Richtung 48‘ einschließt. Auf diese Weise ist eine in die Herstellung der Membrandose 76 integrierte optische Inspektion (nicht dargestellt), insbesondere eine Rissprüfung, entlang der gesamten Oberfläche der Membrandose 76 mit relativ zu der Membrandose 76 feststehender Kamera, bzw. mit Sichtprüfung aus einer einzigen Richtung 48‘, einfach und sicher möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1411236 A2 [0002]
- EP 2317119 A1 [0002]
- EP 2410167 A1 [0002]
- WO 2012/095718 A2 [0002]
- DE 102004002489 B4 [0002]
