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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes in einem Einspritzsystem mit Hochdruck.
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Kraftstoffhochdruckpumpen werden in Kraftstoffeinspritzsystemen, mit denen Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, dazu verwendet, den Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 150 Bar bis 400 Bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 Bar bis 2500 Bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkammer entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
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Um die hohen Drücke in dem jeweiligen Kraftstoff erzielen zu können, ist die Kraftstoffhochdruckpumpe typischerweise als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Pumpenkolben eine translatorische Bewegung ausführt und dabei den Kraftstoff periodisch verdichtet und entspannt. Durch die somit ungleichmäßige Förderung einer solchen Kolbenpumpe entstehen Schwankungen im Volumenstrom des Kraftstoffes, die sich als Druckpulsationen im gesamten Kraftstoffeinspritzsystem ausbreiten können. Die Druckpulsationen haben insbesondere negative Einflüsse auf einen Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe, denn durch die Druckpulsationen kann es zu Befüllungsverlusten kommen, womit eine korrekte Dosierung der in dem Brennraum erforderlichen Kraftstoffmenge nicht gewährleistet werden kann. Außerdem regen sie die Pumpenkomponenten und beispielsweise auch Zulaufleitungen zu der Kraftstoffhochdruckpumpe zu Schwingungen an, welche unerwünschte Geräusche oder im schlimmsten Fall auch Schäden an unterschiedlichen Bauteilen verursachen können.
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Daher wird gewöhnlich in einem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe ein Niederdruckdämpfer vorgesehen, der als hydraulischer Speicher arbeitet und die Druckpulsationen im Volumenstrom ausgleicht bzw. reduziert.
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Auf dem Markt bekannt sind Kraftstoffhochdruckpumpen mit Niederdruckdämpfern, bei denen eine oder mehrere Dämpferkapseln fluidisch zwischen einem Zulauf der Kraftstoffhochdruckpumpe und einem Einlassventil zu einem Druckraum, in dem der Kraftstoff verdichtet wird, geschaltet sind. Steigt nun durch Druckpulsationen der Druck in dem Niederdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe an, verformen sich die Dämpferkapseln, indem das darin enthaltene Gasvolumen komprimiert und somit Platz für die überflüssige Flüssigkeit des Kraftstoffes geschaffen wird. Druckpulsationen, die durch den Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe entstehen, werden demgemäß durch diese Dämpferkapseln verringert, so dass die Druckpulsationen beispielsweise in einem Zulaufschlauch von einem Tank zu der Kraftstoffhochdruckpumpe in den geforderten Grenzen bleiben.
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Durch den bekannten Aufbau der Elemente des Niederdruckdämpfers werden sehr viele Teile mit einem hohen Platzbedarf benötigt, um die Dämpfungseigenschaften realisieren zu können. Damit verbunden sind jedoch komplexe Aufbauten und hohe Kosten.
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Wünschenswert wäre es daher, verkleinerte Elemente des Niederdruckdämpfers, das heißt mit kleineren Abmessungen als bisher verwendet, platzieren zu können, so dass ein zur Verfügung stehender Bauraum effektiver genutzt werden kann, sowie die Bauteileanzahl und Kosten gesenkt werden. Dennoch sollte die Effektivität der Dämpfung insgesamt nicht reduziert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine in dieser Hinsicht verbesserte Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit einem Hochdruck weist einen Zulauf zum Zuführen von Kraftstoff von außerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe zu einem Druckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe auf. Weiter umfasst die Kraftstoffhochdruckpumpe einen Niederdruckdämpfer zum Dämpfen von während des Betriebes der Kraftstoffhochdruckpumpe auftretenden Druckpulsationen, wobei der Niederdruckdämpfer ein Dämpfervolumen aufweist und fluidisch zwischen dem Zulauf und dem Druckraum angeordnet ist. Zwischen dem Zulauf und dem Dämpfervolumen ist eine Membran mit einem bei einer Druckdifferenz zwischen Zulauf und Dämpfervolumen beweglichen Schließkörper angeordnet, wobei der Schließkörper dabei derart ausgebildet ist, dass er den Zulauf bei einer Druckdifferenz, bei der in dem Dämpfervolumen ein größerer Druck als in dem Zulauf herrscht, verschließt, und bei einer Druckdifferenz, bei der in dem Zulauf ein größerer Druck als in dem Dämpfervolumen herrscht, freigibt.
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Vorgeschlagen wird daher eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Kombination aus zwei unterschiedlichen Elementgruppen, die Druckpulsationen abdämpfen können. Zum einen weist die Kraftstoffhochdruckpumpe den üblichen Niederdruckdämpfer auf, weiter ist jedoch zusätzlich zwischen dem Zulauf und dem Dämpfervolumen des Niederdruckdämpfers eine Membran eingebracht, die eine Weiterleitung der Druckpulsationen zum Zulauf unterbindet.
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Dadurch ist es möglich, kleinere Elemente in dem Niederdruckdämpfer zu verwenden, die eine geringere Effektivität aufweisen. Um trotz der geringeren Effektivität der Elemente des Niederdruckdämpfers die Dämpfung der Druckpulsationen im Vergleich zu bekannten Kraftstoffhochdruckpumpen gleich zu halten, ist die zusätzliche Membran vorgesehen.
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Diese ist so angeordnet, dass in einer Saugphase der Kraftstoffhochdruckpumpe, d.h. wenn vom Zulauf her ein höherer Druck auf die Membran wirkt als von dem Dämpfervolumen her, den Zulauf zu öffnen, so dass der Kraftstoff durch die Kraftstoffhochdruckpumpe fließen kann.
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In der Druckphase, d.h. wenn ein Einlassventil schließt und sich durch die Bewegung eines Pumpenkolbens Druck aufbaut, kommt es zu Druckspitzen, den Druckpulsationen. Die verkleinerten Elemente des Niederdruckdämpfers können einen Teil dieser Druckpulsationen abmildern. Dennoch verbleibt ein Teil der Druckpulsationen, die sich in Richtung des Zulaufes ausbreiten und somit eine Druckdifferenz über der Membran erzeugen, bei der der Druck auf einer Seite des Dämpfervolumens größer ist als auf einer Seite des Zulaufs. Durch diese Druckdifferenz verschließt die Membran den Zulauf, so dass die Ausbreitung der Druckpulsationen in Richtung des Zulaufes und in einer außerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe angebrachten Kraftstoffleitung verhindert wird.
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Insgesamt ist es daher möglich, kleinere, kostengünstigere Elemente des Niederdruckdämpfers einzusetzen und sogar ihre Zahl zu reduzieren.
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Vorzugsweise weist die Membran einen Befestigungsabschnitt zum Festlegen der Membran an einem den Zulauf umgebenden Auflageabschnitt auf. Über diesen Befestigungsabschnitt kann die Membran vorteilhaft dichtend über dem Zulauf, beispielsweise einer Zulaufbohrung, befestigt werden und diesen verschließen.
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Vorzugsweise ist der Schließkörper über einen Hebelbereich mit dem Befestigungsabschnitt verbunden, wobei der Schließkörper, der Hebelbereich und der Befestigungsabschnitt insbesondere einstückig ausgebildet sind. Der einstückig ausgebildete Körper der Membran stellt somit mehrere Funktionen bereit, nämlich einerseits die Befestigung der Membran über dem Befestigungsabschnitt, und gleichzeitig den Schließkörper, der den Zulauf abdeckt. Der Hebelbereich sorgt dafür, dass sich der Schließkörper von dem festgelegten Befestigungsbereich abheben kann, um so den Zulauf freizugeben.
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Vorzugsweise ist der Schließkörper flächig ausgebildet, mit einem Flächeninhalt, der größer ist als ein Flächeninhalt einer Querschnittsfläche des Zulaufes. Durch eine flache Ausbildung des Schließkörpers kann eine Abdeckung des Zulaufes mit besonders wenig Materialaufwand erreicht werden. Von Vorteil ist es, wenn der Schließkörper einen Flächeninhalt aufweist, mit dem der Zulauf vollständig abgedeckt werden kann, um so möglichst viele Druckpulsationen zurückzuhalten.
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In einer möglichen Ausführungsform ist die Membran mit einem runden Querschnitt gebildet, wobei der Befestigungsabschnitt durch einen umlaufenden Randabschnitt der Membran gebildet ist. Durch den umlaufenden Randabschnitt kann die Membran relativ flächig an dem Auflageabschnitt festgelegt werden und somit sicher befestigt sein. Es ist jedoch auch möglich, die Membran insgesamt hantelförmig auszubilden, wobei ein Hantelbereich den Befestigungsabschnitt ausbildet und der andere Bereich den Schließkörper. Eine solche Ausführungsform ist zwar weniger stabil ausgebildet als eine runde Membran mit umlaufendem Randabschnitt, jedoch deutlich einfacher in der Herstellung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Schließkörper und der Befestigungsabschnitt konzentrisch ausgebildet, wobei wenigstens zwei Hebelbereiche zum Verbinden von Schließkörper und Befestigungsabschnitt vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich beim Abheben des Schließkörpers von dem Zulauf eine gleichmäßige Kräfteverteilung über den Schließkörper und somit insgesamt eine geringere Belastung, was zur Lebensdauer der Gesamtmembran beiträgt.
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Beispielsweise ist die Membran aus einem Federblech gebildet, wodurch sie besonders einfach herstellbar ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist in dem Dämpfervolumen eine gasgefüllte Dämpferkapsel angeordnet. Über die Dämpferkapsel können ein Großteil der Druckpulsationen durch Verformen der Dämpferkapsel bereits abgedämpft werden, bevor die verbleibenden Druckpulsationen von der Membran an einer Ausbreitung in den Zulauf gehindert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine perspektivische, längs aufgeschnittene Darstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Niederdruckdämpfer und einer Membran über einem Zulauf;
- 2 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe aus 1 im Bereich der Membran, wobei die Membran von dem Zulauf abhebt;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Membran aus 1 und 2;
- 4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Membran aus 1 und 2; und
- 5 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Membran aus 1 und 2.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe 10, deren Gehäuse 12 entlang einer Längsachse aufgeschnitten dargestellt ist. In dem Gehäuse 12 ist ein Zulauf 14, gebildet durch eine Zulaufbohrung 16, angeordnet, mit dem Kraftstoff von außerhalb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 zu einem innerhalb des Gehäuses 12 gebildeten Druckraum 18 zugeführt werden kann. An dem Zulauf 14 ist ein Zulaufanschluss 20 befestigt, der eine Verbindung zu einem nicht dargestellten Kraftstoffspeicher, beispielsweise einem Tank, bereitstellt. In der Zulaufbohrung 16 befindet sich ein Filter 22, um Kraftstoff, der über den Zulaufanschluss 20 in das Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 einfließt, von störenden Partikeln zu befreien.
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An dem Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist ein Niederdruckdämpfer 24 befestigt, der ein Dämpfervolumen 26 bereitstellt, in welchem eine gasgefüllte Dämpferkapsel 28 angeordnet ist.
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Weiter ist an dem Gehäuse 12 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ein Einlassventil 30 angeordnet, das einen Befüllungsgrad des Druckraumes 18 mit Kraftstoff und somit die Menge des Kraftstoffes, der mit Hochdruck beaufschlagt wird, regulieren kann.
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Im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 fließt Kraftstoff über den Zulaufanschluss 20 in die Zulaufbohrung 16, von dort in den Niederdruckdämpfer 24, über das Einlassventil 30 in den Druckraum 18, und wird dort durch translatorische Bewegung eines nicht gezeigten Pumpenkolbens verdichtet.
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Bei der Verdichtung des Kraftstoffes kommt es zu Druckpulsationen in dem Kraftstoff, die sich in einen Niederdruckbereich 32 fortpflanzen, welcher fluidisch vor dem Druckraum 18 angeordnet ist. Diese Druckpulsationen können sich über den Zulauf 14 in den Zulaufanschluss 20 fortpflanzen und dort Beschädigungen und unerwünschte Geräuschentwicklungen verursachen.
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Um diese Druckpulsationen abdämpfen zu können, ist der Niederdruckdämpfer 24 vorgesehen. Die gasgefüllte Dämpferkapsel 28 verformt sich durch die Druckpulsationen und kann diese dadurch abdämpfen.
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Der Niederdruckdämpfer 24 und seine zugehörigen Elemente, wie beispielsweise die Dämpferkapsel 28, sind bei bekannten Kraftstoffhochdruckpumpen 10 so ausgelegt, dass sie weitgehend die auftretenden Druckpulsationen abdämpfen können. Dadurch sind sie jedoch relativ groß ausgebildet, beanspruchen sehr viel Bauraum, benötigen einen komplexen Aufbau und verursachen damit hohe Kosten.
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Bei der in 1 gezeigten Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist daher der Niederdruckdämpfer 24 mit seinen Elementen im Vergleich zu bekannten Kraftstoffhochdruckpumpen 10 kleiner ausgebildet und weist eine geringere Effektivität auf, so dass nicht sämtliche Druckpulsationen im Betrieb der Kraftsstoffhochdruckpumpe 10 abgedämpft werden können.
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Um dennoch zu verhindern, dass sich die Druckpulsationen in dem Zulauf 14 ausbreiten, ist eine zusätzliche Membran 34 vorgesehen, die zwischen dem Zulauf 14 und dem Dämpfervolumen 26 angeordnet ist. Die Membran 34 ist so ausgebildet, dass sie bei einer Druckdifferenz δP, bei der ein Druck in dem Dämpfervolumen 26 größer ist als in dem Zulauf 14, d.h. bei entstehenden Druckpulsationen von Seiten des Druckraumes 18, den Zulauf 14 verschließt, ihn jedoch freigeben kann, wenn die Druckdifferenz δP so gelagert ist, dass der Druck in dem Zulauf 14 größer ist als in dem Dämpfervolumen 26. Somit können Druckpulsationen an ihrer Ausbreitung in den Zulauf 14 gehindert werden und gleichzeitig ist es möglich, der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 Kraftstoff von außerhalb zuzuführen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 aus 1 im Bereich der Membran 34.
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Die Membran 34 weist einen Befestigungsabschnitt 36 auf, mit dem sie an einem den Zulauf 14 umgebenden Auflageabschnitt 38 des Gehäuses 12 festgelegt ist. Weiter umfasst die Membran 34 einen Schließkörper 40, der derart beweglich ausgebildet ist, dass er bei einer entsprechenden Druckdifferenz δP von dem Zulauf 14 abheben und einen mit Pfeilen angedeuteten Kraftstofffluss von dem Zulauf 14 in das Dämpfervolumen 26 freigeben kann. Um die Beweglichkeit des Schließkörpers 40 zu ermöglichen, ist der Schließkörper 40 über einen Hebelbereich 42 mit dem Befestigungsabschnitt 36 verbunden. Der Befestigungsabschnitt 36, der Hebelbereich 42 und der Schließkörper 40 sind demgemäß einstückig ausgebildet und bilden so insgesamt die Membran 34. Der Schließkörper 40 ist flächig ausgebildet und weist einen Flächeninhalt AS auf, der größer ist als ein Flächeninhalt AZ einer Querschnittsfläche des Zulaufes 14. Dadurch kann der Schließkörper 40 den Zulauf 14 vollständig abdecken und die Ausbreitung von Druckpulsationen in den Zulauf 14 verhindern.
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Die 3 bis 5 zeigen perspektivische Darstellungen dreier verschiedener Ausführungsformen der Membran 34, wobei jedoch weitere Kombinationen aus den im Folgenden beschriebenen Formen bzw. Geometrien denkbar sind, die eine geeignete Form zum Abdecken des Zulaufes 14 sowie einen Hebelbereich 42 aufweisen.
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In einer ersten Ausführungsform, gezeigt in 3, ist die Membran 34 mit einem runden Querschnitt ausgebildet, und der Befestigungsabschnitt 36 ist durch einen umlaufenden Randabschnitt 44 der Membran 34 gebildet. Der Schließkörper 40 und der Befestigungsabschnitt 36 sind konzentrisch angeordnet, und es sind zwei Hebelbereiche 42 ausgebildet, welche symmetrisch um den Schließkörper 40 angeordnet sind, und den Schließkörper 40 mit dem Befestigungsabschnitt 38 verbinden.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Membran 34, bei der die Membran 34 ebenfalls mit einem runden Querschnitt ausgebildet ist und der Befestigungsabschnitt 36 durch einen umlaufenden Randabschnitt 44 gebildet ist. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist der Schließkörper 40 hier nicht konzentrisch mit dem Befestigungsabschnitt 36 vorgesehen, sondern dezentriert angeordnet. Die Verbindung von Schließkörper 40 mit dem Befestigungsabschnitt 36 erfolgt lediglich über einen Hebelbereich 42.
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In 5 ist eine dritte Ausführungsform der Membran 34 gezeigt, die weitgehend hantelförmig ausgebildet ist und zwei Bereiche mit einem runden Querschnitt aufweist. Der Schließkörper 44 wird dabei durch einen Bereich mit rundem Querschnitt mit einem größeren Durchmesser gebildet, während der Befestigungsabschnitt 36 durch einen zweiten Bereich mit rundem Querschnitt mit einem kleineren Durchmesser gebildet ist. Die beiden Bereiche mit rundem Querschnitt sind über einen Hebelbereich 42 verbunden.
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Die in 3 bis 5 gezeigten Membranen 34 sind vorteilhaft aus einem Federblech 46 ausgebildet.
