DE102014225412A1

DE102014225412A1 - Kolbenpumpe mit einem Kolben mit profilierter Kolbenvorderseite

Info

Publication number: DE102014225412A1
Application number: DE102014225412.4A
Authority: DE
Inventors: Siamend Flo; Jurij Artamonov; Thorsten Allgeier; Walter Maeurer; Andreas Plisch; Lena Maren Baessler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-16
Also published as: TW201640025A; US10781814B2; US20170314550A1; JP2018504546A; CN107002646A; WO2016091408A1

Abstract

Kolbenpumpe, insbesondere für Einspritzsysteme für motorisierte Zweiräder und/oder für motorisierte Dreiräder, die einen Verdichtungsraum, einen Kolben, ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist, wobei ein Fluid über das Einlassventil in den Verdichtungsraum hineinströmen kann und das Fluid über das Auslassventil aus den Verdichtungsraum hinausströmen kann, und wobei ein Kanal ein dem Auslassventil fluidisch, insbesondere unmittelbar, vorgelagerter Bereich ist, der einen Querschnitt aufweist, der im Vergleich zu einem vom Auslassventil beabstandeten Bereich des Verdichtungsraums vermindert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Kanal zugewandte Stirnseite des Kolbens einen Bereich aufweist, wobei der Bereich in den Kanal eintauchbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Kolbenpumpe nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs aus.
Die heute bekannten Kolbenpumpen funktionieren nach dem folgendem Prinzip: Der in einem Zylinder angeordnete und bewegbare Kolben wird in Richtung einer auf der Zylinderrückseite angeordneten Ankerplatte bewegt, beispielsweise über ein von einer Magnetspule erzeugtes Magnetfeld. Während dieses Vorganges wird durch ein Einlassventil ein Fluid, z.B. ein Kraftstoff, in einen Verdichtungsraum, der zwischen dem Einlassventil im Zylinderboden und dem Kolben angeordnet ist, angesaugt. Wird das Magnetfeld abgeschaltet, schiebt beispielsweise eine Feder, die zwischen dem Kolben und der Ankerplatte angeordnet ist, den Kolben zurück in Richtung der Ausgangsposition und komprimiert dabei das Fluid und schiebt es über ein Auslassventil aus dem Verdichtungsraum heraus.
Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
Bei vielen Ausführungsformen der Kolbenpumpe, insbesondere bei Kolbenpumpen mit gleichseitiger Ein- und Ausströmung, besteht das Problem, dass es einen im Verdichtungsraum selbst oder an den Verdichtungsraum direkt anschließenden Volumenbereich gibt, in dem das darin befindliche Fluid nicht bzw. nicht ausreichend durch die Kolbenbewegung komprimiert bzw. verdrängt werden kann. Dieser Volumenbereich wird Totvolumen genannt. Die Größe des Totvolumens hat Einfluss auf den Wirkungsgrad der Kolbenpumpe.
Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe mit dem kennzeichnenden Merkmal des unabhängigen Anspruchs ist dazu eingerichtet das Totraumvolumen zu reduzieren und somit den Wirkungsgrad der Kolbenpumpe zu erhöhen.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben an seiner einem Kanal zugewandten Seite einen Bereich aufweist, der in den Kanal eintauchbar ist. Insbesondere taucht dieser Bereich mindestens zweitweise während eines Pumpenzyklus in den Kanal ein. Typischerweise ist der Kanal fluidisch zwischen dem Verdichtungsraum und dem Auslassventil angeordnet, insbesondere wenn das Auslassventil und das Einlassventil der Kolbenpumpe koaxial zu einander angeordnet sind. Der Kanal ist insbesondere unmittelbar dem Auslassventil vorgelagert und weist typischerweise einen kleineren Durchmesser als ein vom Auslassventil beabstandeter Verdichtungsbereich auf. Durch den Bereich weist der Kolben einen Abschnitt auf, der dazu ausgebildet ist, in den Kanal, insbesondere während der Komprimierungsphase bzw. Verdrängungsphase des Pumpzyklus, einzutauchen und das dort befindliche Fluid zu komprimieren bzw. zu verdrängen. Dadurch wird das Totvolumen der Kolbenpumpe reduziert und der Wirkungsgrad der Kolbenpumpe erhöht.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Auslassventil, der Kanal und der Kolben mit dem Bereich entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Die Achse liegt vorzugsweise in der Bewegungsrichtung des Kolbens. Dadurch wird erreicht, dass die Kolbenpumpe einen besonders hohen Wirkungsgrad hat, da während der Komprimierungsphase, wenn das Fluid durch das Auslassventil den Verdichtungsraum verlässt, das Fluid in die gleiche Richtung, in die der Kolben sich bewegt, strömen kann um den Verdichtungsraum zu verlassen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Bereich als Vorsprung an der dem Kanal zugewandten Stirnseite des Kolbens ausgebildet ist. Der Kolben selbst kann eine an die Geometrie des Verdichtungsraums angepasste, insbesondere optimierte, Geometrie aufweisen, während der Bereich bzw. der Vorsprung an die Geometrie des Kanals angepasst bzw. optimiert ist, insbesondere die gleiche Geometrie aufweist, wie beispielsweise Querschnitt und/oder Länge und/oder Durchmesser. Optimiert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Kolben in Bezug auf den Verdichtungsraum so ausgestaltet ist, dass die Kolbenpumpe einerseits einen hohen Wirkungsquerschnitt und andererseits der Kolben einen geringen beispielsweise durch Reibung mit den Seitenwänden des Verdichtungsraum verursachten Verschleiß und somit eine hohe Lebensdauer aufweist.
Beispielsweise kann der Bereich bzw. der Vorsprung eine zylindrische, kegelförmige oder würfelförmige Geometrie haben. Vorzugsweise ist der Vorsprung als ringförmiger Absatz an der Kolben Stirnseite ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung hat der Bereich bzw. der Vorsprung eine Länge M, die nicht kleiner als 5% der Länge L des Kanals ist, insbesondere nicht kleiner als 25% der Länge des Kanals und/oder nicht größer als 95% der Länge L des Kanals ist. Die Länge M des Bereichs bzw. des Vorsprungs ist der Abstand von der Stirnseite des Kolbens, auf der der Bereich bzw. der Vorsprung angeordnet ist, senkrecht bis zu der dem Kanal zugewandten Stirnseite des Bereichs bzw. des Vorsprungs. Dadurch wird erreicht, dass der Bereich eine ausreichend große Länge M aufweist, damit es effektiv das Totvolumen im Kanal verkleinert.
Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, dass der Bereich bzw. der Vorsprung mindestens eine Eintauchtiefe T in den Kanals hat, wobei die Eintauchtiefe T mindestens 5% der Länge L des Kanals ist, insbesondere mindestens 15% der Länge L des Kanals und/oder nicht größer als 95% der Länge L des Kanals ist. Dadurch wird erreicht, dass der Bereich eine ausreichend große Eintauchtiefe T aufweist, damit es effektiv das Totvolumen im Kanal verkleinert, selbst wenn der Bereich bzw. der Vorsprung nicht mit seiner kompletten Länge M in den Kanal eintauchen kann.
Der Kanal weist vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als der Verdichtungsraum auf. Der Durchmesser des Kanals entspricht mindestens 5% und/oder maximal 30% des Durchmessers des Verdichtungsraums.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Bereich ein Butzen ist. Der Butzen entsteht bei der Herstellung des Kolbens durch drehende Bearbeitung, gemäß DIN 6785. Normalerweise wird der Butzen von der Kolbenstirnseite entfernt, damit der Kolben eine glatte Stirnseite aufweist. Der Butzen ist als Mittel geeignet das Totvolumen zu reduzieren. Zusätzlich ergibt sich noch der Effekt, dass man bei der Herstellung des Kolbens und der Kolbenpumpe auf den Arbeitsschritt „Butzen von Kolben entfernen“ verzichten kann und sich somit die Produktion der Kolbenpumpe vereinfacht.
Grundsätzlich kann der Bereich oder der Vorsprung vorteilhafterweise einstückig, z.B, der Butzen, oder mehrstückig mit dem Kolben ausgebildet sein. Bei einer mehrstückigen Ausbildung wird der Bereich stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen, mit dem Kolben verbunden.
Bei der einstückigen Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass man keine extra stoffschlüssige Verbindung zwischen Bereich und Kolben braucht. Grundsätzlich können zusätzliche Verbindungen immer Schwachstellen bei mechanisch beanspruchten Komponenten sein.
Durch die mehrstückige Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass der Bereich unabhängig vom Kolben gefertigt werden kann. Der Kolben kann je nach Verwendungszweck und Ausgestaltung der Kolbenpumpe ein entsprecht an den Kanal und den beabsichtigten Zweck angepassten Bereich kombiniert werden.
Figuren
1 zeigt ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
2 zeigt ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 1 dargestellt. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich durch die genaue Ausgestaltung des an der dem Kanal 15 zugewandte Stirnseite 12 des Kolbens 6 angeordneten Bereichs 20. Im Teil a) der beiden Figuren ist jeweils eine schematische Darstellung einer Kolbenpumpe 1 dargestellt, wobei der Grundaufbau der Kolbenpumpe 1 in beiden Ausführungsbeispielen gleich ist. Im Teil b) der beiden Figuren ist jeweils eine Vergrößerung des im Teil a) der Figuren mit einem Kreis markierten Bereichs X gezeigt.
Der grundsätzliche Aufbau der Kolbenpumpe 1 ist im Folgenden beschrieben. Die Kolbenpumpe 1 weist ein Gehäuse 2, eine Ankerplatte 3 und beispielsweise einen im Gehäuse 2 angeordneten Magnetspule 5 bzw. Magnetspulensatz auf. In der Magnetspule 5 ist ein Zylinder 4 angeordnet. Ein beweglicher Kolben 6 ist wiederum im Zylinder 4 angeordnet. Das von der Magnetspule 5 erzeugte Magnetfeld bewegt den Kolben 6 in Richtung der Ankerplatte 3. Die Ankerplatte 3 weist auf ihrer dem Kolben 6 zugewandten Seite einen Anschlag auf, an den der Kolben 6 bei bestromter Magnetspule 5, sprich bei angeschaltetem Magnetfeld, anschlägt. Die der Ankerplatte 3 zugewandte Seite des Kolbens 6 wird Kolbenrückseite 10 genannt. Die Fläche, mit der die Kolbenrückseite 10 den Anschlag der Ankerplatte 3 beim angeschalteten Magnetfeld berührt, wird Kontaktfläche genannt. Die der Kolbenrückseite 10 gegenüberliegende Stirnseite 14 des Kolbens 6 wird auch Kolbenvorderseite genannt.
Zwischen Kolben 6 und Ankerplatte 3 ist eine Kolbenfeder 7 angeordnet. Auf der der Ankerplatte 3 zugewandten Seite der Kolbenfeder 7 wird diese durch einen Federhalter 8 fixiert. Die Kolbenfeder 7 kann teilweise oder komplett innerhalb des Kolbens 6 bzw. in einem im Kolben 6 angeordneten Hohlraum angeordnet sein. Die Kolbenrückseite 10 weist eine Öffnung auf, durch die die Kolbenfeder 7 aus dem Kolben ragt. Die Kolbenfeder 7 wird aufgrund der Kolbenbewegung in Richtung Ankerplatte 3 gestaucht wird. Nach Abschalten des Magnetfeldes drückt die Kolbenfeder 7 den Kolben 6 wieder in die entgegengesetzte Richtung.
Des Weiteren sind im Zylinder 4 ein Einlassventil 11 und ein Auslassventil 12 angeordnet, insbesondere im Zylinderboden. Der Zylinder 4 wird auf der einen Seite durch die Ankerplatte 3 und auf der entgegensetzten Seite durch den Zylinderboden begrenzt. Innerhalb des Zylinders 4 ist ein Verdichtungsraum 9 angeordnet. Der Verdichtungsraum 9 wird von den Zylinderwänden, dem Einlassventil 11 und dem Kolben 6 begrenzt.
Das Einlassventil 11 und/oder das Auslassventil 12 können als Membranfeder ausgebildet sein. Das Einlassventil 11 und das Auslassventil 12 und somit auch der Einlass und der Auslass sind auf der gleichen Seite des Zylinders 4 bzw. des Verdichtungsraums 9 angeordnet. Der Verdichtungsraum 9 ist fluidisch zwischen dem Einlassventil 11 und dem Auslassventil 12 angeordnet. Zwischen Einlassventil 11 und Auslassventil 12 ist ein Ventilkörper 13 angeordnet. Ein Kanal 15 ist innerhalb des Ventilkörpers 13 ausgebildet. Typischerweise entspricht die Länge des Kanals 15 der Länge des Ventilkörpers 13. Das Auslassventil 12 ist mittels des Kanals 15 mit dem Verdichtungsraum 9 verbunden, so dass das Fluid über den Kanal 15 vom Verdichtungsraum 9 zum Auslassventil 12 strömen kann.
Nicht gezeigt sind Kraftstoffleitungen, über die ein Kraftstoff von einem Tank durch das Einlassventil 11 in den Verdichtungsraum 9 innerhalb des Zylinders 4 aufgrund des Unterdrucks gesaugt wird. Der Unterdruck im Zylinder 6 bzw. im Verdichtungsraum 9 entsteht durch die Bewegung des Kolbens 6 in Richtung Ankerplatte 3. Über weitere Kraftstoffleitungen und dem Auslassventil 12 wird der Kraftstoff vom Kolben 6 zu einem Einspritzventil gedrückt.
Im ersten in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Bereich 20 als zylinderförmiger Vorsatz ausgebildet. Der Bereich 20 hat eine Länge M von 93% der Länge L des Kanals 15. Die Eintauchtiefe T des Bereichs 20 im Kanal 15 beträgt 90% der Länge L des Kanals 15. Dadurch dass der Durchmesser des Bereichs 20 an den Durchmesser des Kanals 15 angepasst ist, d.h. der Unterschied von den beiden Durchmesser vom Bereich 20 und dem Kanal 15 ist kleiner als 10% vom Durchmesser des Kanals 15, wird sichergestellt das Totvolumen im Kanal 15 effektiv minimiert wird und gleichzeitig möglichst wenig Reibung zwischen Bereich und Kanalwand entsteht.
Im zweiten in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Bereich als Butzen ausgebildet. Der Butzen hat eine Länge M von 15% der Länge L des Kanals und eine Eintauchtiefe T von 11,5% der Länge L des Kanals.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 6785 [0013]

Claims

Kolbenpumpe (1), insbesondere für Einspritzsysteme für motorisierte Zweiräder und/oder für motorisierte Dreiräder, die einen Verdichtungsraum (9), einen Kolben (6), ein Einlassventil (11) und ein Auslassventil (12) aufweist, wobei ein Fluid über das Einlassventil (11) in den Verdichtungsraum (9) hineinströmen kann und das Fluid über das Auslassventil (12) aus den Verdichtungsraum (9) hinausströmen kann, und wobei ein Kanal (15) ein dem Auslassventil (12) fluidisch, insbesondere unmittelbar, vorgelagerter Bereich ist, der einen Querschnitt aufweist, der im Vergleich zu einem vom Auslassventil (12) beabstandeten Bereich des Verdichtungsraums (9) vermindert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Kanal (15) zugewandte Stirnseite (14) des Kolbens (6) ein Bereich (20) aufweist, wobei der Bereich (20) in den Kanal (15) eintauchbar ist.
Kolbenpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) ein Vorsprung an der dem Kanal (15) zugewandten Stirnseite (14) des Kolbens (6) ist.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) eine zylindrische, kegelförmige oder würfelförmige Geometrie hat.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) eine Länge M von nicht kleiner als 10% der Länge L des Kanals (15) aufweist, wobei die Länge M des Bereichs (20) der Abstand von der Stirnseite (14) des Kolben (6), auf der der Bereich (20) angeordnet ist, senkrecht bis zu der dem Kanal (15) zugewandten Stirnseite des Bereichs (20) ist.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) mindestens die Eintauchtiefe T in den Kanals (15) hat, wobei die Eintauchtiefe T mindestens 5% der Länge L des Kanals (15) ist, insbesondere mindestens 15% der Länge L des Kanals (15) ist.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) die gleiche geometrische Ausgestaltung wie der Kanal (15) aufweist.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) ein Butzen ist.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) einstückig mit dem Kolben (6) ausgebildet ist.
Kolbenpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (20) stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißen, mit dem Kolben (6) verbunden ist.