DE102014223198A1 - Kraftstoffpumpe mit verbessertem Förderverhalten - Google Patents

Kraftstoffpumpe mit verbessertem Förderverhalten Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zur Förderung von Kraftstoff, umfassend einen Kolben (2) und ein Membrandichtelement (3), welches an einem inneren ringförmigen Dichtsitz (4) und einem äußeren ringförmigen Dichtsitz (5) abdichtet, wobei die nachfolgende Gleichung erfüllt ist: (Ra2 – ra2) / (ri + L)2 = ra / ri, wobei ri der innere Radius des inneren Dichtsitzes (4) ist, wobei ra der innere Radius des äußeren Dichtsitzes (5) ist, wobei Ra der Außendurchmesser des Kolbens (2) ist und wobei L eine Differenz zwischen einem äußeren Radius (Ria) des inneren Dichtsitzes (4) und dem inneren Radius (ri) des inneren Dichtsitzes (4) ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zur Förderung von Kraftstoff, welcher ein verbessertes Förderverhalten, insbesondere im Heiß-Kraftstofffall aufweist.
  • Kraftstoffpumpen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei Kraftstoffpumpen tritt insbesondere bei heißem Kraftstoff auf, wenn während des Ansaugvorgangs ein Druckabfall auftritt, so dass der heiße Kraftstoff ausgast und die ausgegasten Gase in den Förderraum der Kraftstoffpumpe gelangen können. Dadurch kann es zu einem signifikanten Abfall der Förderkennlinie der Kraftstoffpumpe kommen. Ferner kann durch den ungleichmäßigen Druckabfall während des Ansaugvorgangs auch ein erhöhter Reibungsverlust auftreten, was den Druckabfall zusätzlich noch verstärkt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine verbesserte Fördercharakteristik insbesondere im Heiß-Kraftstofffall, möglich ist. Hierbei werden erfindungsgemäß einerseits ein geringerer Druckabfall erreicht und andererseits auch ein gleichmäßigerer Druckabfall im Kolbenraum während des Ansaugvorgangs ermöglicht. Dadurch wird insbesondere das Verhalten der Kraftstoffpumpe im Falle von heißem Kraftstoff deutlich verbessert, da Ausgasungen vermieden werden können. Somit kann auch eine Förderkennlinie bei verschiedenen Temperaturen des Kraftstoffs möglichst gleich bleiben. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kraftstoffpumpe einen Kolben und ein Membrandichtelement umfasst. Das Membrandichtelement dichtet dabei an einem inneren ringförmigen Dichtsitz und an einem äußeren ringförmigen Dichtsitz ab. Dabei ist die nachfolgende Gleichung erfüllt: Ra2 – ra2/(ri + L)2 = ra/ri.
  • Dabei ist ri der innere Radius des inneren Dichtsitzes, ra der innere Radius des äußeren Dichtsitzes, Ra der Radius des Kolbens und L eine Differenz zwischen einem äußerem Radius Ria des inneren Dichtsitzes und dem Radius ri des inneren Dichtsitzes. Hierdurch wird erreicht, dass die Geschwindigkeiten beim Übungsvorgang am inneren Dichtsitz und am äußeren Dichtsitz während des Einströmens des Kraftstoffs gleich groß sind, so dass keine unterschiedlichen Druckverhältnisse am inneren und äußeren Dichtsitz herrschen, so dass keine Ausgasung von Kraftstoff auftritt.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Für einen besonders kompakten Aufbau der Kraftstoffpumpe weist das Membrandichtelement vorzugsweise eine zentrale, kreisförmige Förderöffnung auf. Die Förderöffnung ist vorzugsweise mittig an dem Membrandichtelement ausgebildet. Dadurch kann eine Förderung ohne größere Verluste realisiert werden.
  • Weiter bevorzugt umfasst das Membrandichtelement einen äußeren Haltebereich und einen mittleren Abdichtbereich, welche über Verbindungsarme, insbesondere Federarme, miteinander verbunden sind. Das Membrandichtelement ist dabei am äußeren Haltebereich, welcher vorzugsweise ringförmig ist, fixiert. Der Abdichtbereich umfasst den inneren und äußeren Dichtsitz.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Durchmesser eines Förderkanals, welcher in Förderrichtung unmittelbar nach dem Membrandichtelement angeordnet ist, und in welchen die Kraftstoffpumpe fördert, größer als ein Durchmesser der zentralen Förderöffnung. Besonders bevorzugt ist dabei ein innerer Radius ri des inneren Dichtsitzes gleich dem Radius des Förderkanals. Mit anderen Worten bestimmt der Außenumfang des Förderkanals bevorzugt den inneren Radius des inneren Dichtsitzes.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Kraftstoffpumpe ferner einen Zulaufbereich mit einem ringförmigen Querschnitt. Hierdurch kann ein relativ großer Zulaufbereich sichergestellt werden, so dass ein Hub des Kolbens der Kraftstoffpumpe zur vollständigen Füllung während des Ansaugvorganges relativ klein bleiben kann.
  • Vorzugsweise ist dabei eine Fläche des ringförmigen Querschnitts des Zulaufbereichs größer als eine Summe der Flächen des inneren und äußeren Dichtsitzes. Dadurch wird sichergestellt, dass während des Ansaugvorgangs ein Druckabfall des Kraftstoffs beim Überströmen des inneren und äußeren Dichtsitzes möglichst an beiden Dichtsitzen gleich groß ist bzw. minimiert werden kann.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe mit einem Kolben und einem Membrandichtelement mit einem inneren, ringförmigen Dichtsitz und einem äußeren ringförmigen Dichtsitz. Das Verfahren umfasst dabei den Schritt des Ansaugens von Kraftstoff derart, dass bei geöffnetem Membrandichtelement eine Durchströmungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs am inneren Dichtsitz gleich groß ist wie eine Durchströmungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs am äußeren Dichtsitz. Dadurch wird einerseits ein Druckabfall reduziert und andererseits ist kein Druckunterschied am Bereich des inneren und äußeren Dichtsitzes vorhanden, so dass eine Ausgasungsproblematik auch eines heißen Kraftstoffs nicht auftritt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiter besonders bevorzugt derart ausgestaltet, dass das Membrandichtelement eingerichtet ist, beim Öffnungsvorgang am Kolben der Kraftstoffpumpe kleben zu bleiben. Dadurch wird ein maximaler Öffnungsquerschnitt erreicht.
  • Weiter bevorzugt hebt das Membrandichtelement beim Öffnungsvorgang vom inneren und äußeren Dichtsitz gleichzeitig ab.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
  • 1 eine schematische Schnittansicht einer Kraftstoffpumpe gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Membrandichtelements von 1 und
  • 3 eine Draufsicht auf das in 2 gezeigte Membrandichtelement.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Kraftstoffpumpe 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
  • Die Kraftstoffpumpe 1 umfasst einen Kolben 2, welcher in einem Zylinder 8 hin- und herbewegbar ist. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Rückstellelement, in diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderfeder.
  • Die Kraftstoffpumpe 1 umfasst ferner ein Membrandichtelement 3, welches ein scheibenförmiges Element ist und im Detail in den 2 und 3 dargestellt ist. Das Membrandichtelement 3 umfasst einen Haltebereich 31, welcher ringförmig am äußeren Umfang des Membrandichtelements ausgebildet ist. Ferner umfasst das Membrandichtelement 3 einen Abdichtbereich 32, welcher vom Haltebereich 31 umgeben ist. Zwischen dem Abdichtbereich 32 und dem Haltebereich 31 sind drei Federarme 33 ausgebildet, welche den Haltebereich 31 mit dem Abdichtbereich 32 federnd verbinden. Zentral mittig ist ferner eine Förderöffnung 30 im Membrandichtelement 3 ausgebildet.
  • Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, weist die Kraftstoffpumpe 1 ferner einen inneren, ringförmigen Dichtsitz 4 und einen äußeren, ringförmigen Dichtsitz 5 auf.
  • Der innere Dichtsitz 4 ist dabei zwischen dem Membrandichtelement 3 und einer Buchse 14 gebildet. Der äußere Dichtsitz 5 ist zwischen dem Membrandichtelement 3 und einer Hülse 15 gebildet. Die Buchse 14 ist dabei innerhalb der Hülse 15 angeordnet (vgl. 1). Dadurch ergibt sich zwischen der Buchse 14 und der Hülse 15 ein ringförmiger Zulaufbereich 7, über welchen Kraftstoff angesaugt wird.
  • In der Buchse 14 ist ferner noch ein Förderkanal 6 vorgesehen, durch welchen der unter Druck gesetzte Kraftstoff gefördert wird.
  • Die Funktion der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe 1 ist dabei wie folgt. Zum Ansaugen wird der Kolben 2 in Richtung des Pfeils A entgegen der Federkraft des Federelements 9 bewegt. Dadurch wird auch das Membrandichtelement 3 in Richtung des Pfeils A bewegt, da ein Unterdruck im Bereich des Kolbenbodens erzeugt wird. Dadurch hebt das Membrandichtelement 3 vom inneren Dichtsitz 4 und vom äußeren Dichtsitz 5 gleichzeitig ab.
  • Hierdurch wird nun Kraftstoff über den Zulaufbereich 7, wie in 1 durch den Pfeil B angedeutet, in den sich bildenden Druckraum angesaugt. Dabei ist eine Geschwindigkeit, mit welcher der Kraftstoff am inneren Dichtsitz 4 und am äußeren Dichtsitz 5 vorbeiströmt, gleich. Dadurch werden gleiche Druckverhältnisse während des Ansaugvorgangs im Bereich der beiden Dichtsitze 4, 5 erhalten. Somit kann verhindert werden, dass Gase aus dem Kraftstoff ausdampfen, auch wenn der Kraftstoff eine vorbestimmte, hohe Temperatur aufweist.
  • Nach Erreichen des oberen Totpunkts dreht sich die Bewegungsrichtung des Kolbens 2 um, so dass der Kolben wieder zurück in Richtung zur Buchse 14 bewegt wird. Dadurch wird Kraftstoff durch die Förderöffnung 30, welche im Membrandichtelement 3 vorgesehen ist, in den in der Buchse 14 gebildeten zylindrischen Kanal 6 gefördert. Dies ist in 1 durch den Pfeil C angedeutet.
  • Erfindungsgemäß kann somit ein Druckabfall im Bereich der beiden Dichtsitze 4, 5 reduziert werden.
  • Durch die Ausgestaltung des Membrandichtelements 3 mit den Federarmen 33 weist das Membrandichtelement 3 selbst eine Federrate auf. Diese Federrate ist derart gewählt, dass die hydraulischen Kräfte einen möglichst großen Hub erlauben. Besonders bevorzugt klebt das Membrandichtelement 3 während des Ansaugvorgangs dabei am Kolbenboden 2.
  • Weiterhin erfüllen die Bauteile der Kraftstoffpumpe die nachfolgende Gleichung: (Ra2 – ra2)/(ri + L)2 = ra/ri.
  • Dabei ist ri ein innerer Radius des inneren Dichtsitzes 4, ra ist ein innerer Radius des äußeren Dichtsitzes 5, Ra ist ein Radius des Kolbens 2 und L ist eine Differenz zwischen einem äußeren Radius Ria des inneren Dichtsitzes 4 und dem inneren Radius ri des inneren Dichtsitzes 4.
  • Die Länge L am inneren Dichtsitz 4 zwischen dem Membrandichtelement 3 und der Buchse 14 wird dabei derart gewählt, dass diese so klein wie möglich ausgeführt ist, um den inneren Radius ri des inneren Dichtsitzes 4 zu vergrößern (vgl. 2 und 3). Der innere Radius ra des äußeren Dichtsitzes 5 ist dabei so groß wie möglich gewählt. Dabei ist eine Summe einer Fläche 11 des äußeren Dichtsitzes 5 und einer Fläche 10 des inneren Dichtsitzes 4 größer als eine Fläche 13 des ringförmigen Zulaufbereichs 7.
  • Weiterhin ist ein Radius RF des Förderkanals 6 in der Buchse 14 gleich dem inneren Radius ri am inneren Dichtsitz 4. Die Förderöffnung 30 weist dabei eine kleinere Fläche als eine Querschnittsfläche 12 des Förderkanals 6 auf (vgl. 1).
  • Somit kann erfindungsgemäß eine deutlich verbesserte Fördercharakteristik, insbesondere in einem Fall von heißem Kraftstoff, sichergestellt werden. Weiterhin wird erfindungsgemäß vermieden, dass Gase während des Ansaugvorgangs aus dem Kraftstoff ausgasen und sich in unerwünschter Weise am Kolben 2 sammeln, wodurch die Förderleistung der Kraftstoffpumpe signifikant reduziert wird.

Claims (10)

  1. Kraftstoffpumpe zur Förderung von Kraftstoff, umfassend – einen Kolben (2) und – ein Membrandichtelement (3), welches an einem inneren ringförmigen Dichtsitz (4) und einem äußeren ringförmigen Dichtsitz (5) abdichtet, – wobei die nachfolgende Gleichung erfüllt ist: (Ra2 – ra2)/(ri + L)2 = ra/ri, – wobei ri der innere Radius des inneren Dichtsitzes (4) ist, – wobei ra der innere Radius des äußeren Dichtsitzes (5) ist, – wobei Ra der Radius des Kolbens (2) ist und – wobei L eine Differenz zwischen einem äußeren Radius (Ria) des inneren Dichtsitzes (4) und dem inneren Radius (ri) des inneren Dichtsitzes (4) ist.
  2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Membrandichtelement (3) eine zentrale, kreisförmige Förderöffnung (30) aufweist.
  3. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Membrandichtelement (3) einen äußeren Haltebereich (31) und einen inneren Abdichtbereich (32) aufweist, welcher über Verbindungsarme (33), insbesondere Federarme, miteinander verbunden sind.
  4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser eines Förderkanals (6), in welchen die Pumpe fördert, größer ist als ein Durchmesser der zentralen Förderöffnung (30).
  5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Radius (ri) des inneren Dichtsitzes (4) gleich dem Radius des Förderkanals (6) ist.
  6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Zulaufbereich (7) mit einem ringförmigen Querschnitt.
  7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche des ringförmigen Querschnitts des Zulaufbereichs (7) größer ist als eine Summe einer Fläche (10) des inneren Dichtsitzes (4) und einer Fläche (11) des äußeren Dichtsitzes (5).
  8. Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe mit einem Kolben (2) und einem Membrandichtelement (3) mit einem inneren ringförmigen Dichtsitz (4) und einem äußeren ringförmigen Dichtsitz (5), wobei – bei geöffnetem Membrandichtelement (3) eine Durchströmungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs am inneren Dichtsitz (4) gleich einer Durchströmungsgeschwindigkeit am äußeren Dichtsitz (5) ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Membrandichtelement (3) eingerichtet ist, beim Öffnungsvorgang am Kolben (2) anzuhaften und sich mit diesem zu bewegen.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Membrandichtelement (3) vom inneren Dichtsitz (4) und vom äußeren Dichtsitz (5) beim Ansaugvorgang gleichzeitig abhebt.
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