DE112008003406T5

DE112008003406T5 - Pumpenelement für eine Fluidpumpe und ein Verfahren

Info

Publication number: DE112008003406T5
Application number: DE112008003406T
Authority: DE
Inventors: Alan Metamora Stockner; Scott Morton Shafer
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-06-01
Also published as: US7819107B2; CN101903641B; US20090159053A1; CN101903641A; WO2009082702A1

Abstract

Fluidpumpe (100), mit
einem Kraftstoffpumpengehäuse (904),
einem innerhalb einer in einem Zylinder (914) definierten Bohrung (906) hin und her bewegbar angeordneten Kolben (908), wobei der Kolben (908) und der Zylinder (914) wenigstens teilweise eine Druckbeaufschlagungskammer (910) definieren, in der Fluid mit Druck beaufschlagt wird,
einem zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906) definierten Strömungsweg, wobei der Strömungsweg erlaubt, dass Fluid aus der Druckbeaufschlagungskammer (910) während einer Druckbeaufschlagung von darin befindlichen Fluid strömt,
einer zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906) ausgebildeten Sammelkammer, wobei die Sammelkammer an die Bohrung (906) angrenzend angeordnet ist,
wenigstens einer in dem Zylinder (914) definierten Ablauföffnung, wobei die wenigstens eine Ablauföffnung mit der Sammelkammer fluidmäßig verbunden ist, und einem zwischen dem Zylinder (914) und dem
Kraftstoffpumpengehäuse (904) definierten ringförmigen Speicher (306), wobei der ringförmige Speicher (306) zum Aufnehmen von Fluid über die wenigstens eine Ablauföffnung angeordnet ist.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Patentanmeldung beansprucht die Vorteile der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/016,130, angemeldet am 21. Dezember 2007, und der US-Patentanmeldung Nr. 12/338,335, angemeldet am 18. Dezember 2008, die durch Verweis eingeschlossen sind.
Technisches Gebiet
Diese Patentoffenbarung bezieht sich allgemein auf Hubkolbenpumpen für Fluide und genauer auf Kraftstoffpumpen zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren.
Hintergrund
Fluidpumpen mit Pumpenelementen, die einen sich innerhalb einer in einem Zylinder ausgebildeten Bohrung hin und her bewegenden Kolben aufweisen, sind bekannt. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird typischerweise mit einem Mechanismus bewirkt, der den Kolben mit einem drehenden Nocken bewegt. Alternativ kann der Kolben zum Vorsehen einer gesteuerten variablen Verdrängung einen äußeren Bereich einer drehenden Winkelscheibe oder Taumelscheibe berühren.
Eine Fluidpumpe könnte mehrere Kolben aufweisen, die zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor einen Fluidstrom, typischerweise Öl oder Kraftstoff, mit Druck beaufschlagen. Beispielsweise könnte eine Kraftstoffeinspritzdüse den Strom eines druckbeaufschlagten Fluids aus der Pumpe zum Einspritzen des Kraftstoffs oder zum Verstärken des Drucks des Kraftstoffs, der in den Motor eingespritzt wird, verwenden.
Moderne Kraftstoffsysteme verwenden zunehmend höhere Einspritzdrücke zum Einspritzen von Kraftstoff innerhalb des Motors, erhöhen den Wirkungsgrad des Motors und reduzieren eventuell Emissionen. Dennoch entstehen Probleme, wenn versucht wird, den Versorgungsdruck einer Kraftstoffpumpe zu erhöhen. Beispielsweise erhöht ein erhöhter Versorgungsdruck die thermische Belastung, die an den Kolben, die Bohrungsoberflächen und die anderen Pumpenelemente weitergegeben wird. In der Vergangenheit haben verschiedene Material- und Formeinschränkungen insgesamt die Pumpenauslassdrücke aufgrund solcher thermischer Effekte, die die verschiedenen Pumpenelemente erfahren, begrenzt. Um sich mit solchen Problemen zu befassen, haben einige Pumpenformen größere Zwischenräume zwischen dem Kolben und dem Zylinder der Pumpe eingebaut, aber solche Zwischenräume können den Pumpenwirkungsgrad der Pumpe verringern, ein Entweichen vergrößern und eventuell die Temperatur des komprimierten Kraftstoffs, der die Pumpe verlässt, erhöhen.
Zusammenfassung
In einem Aspekt beschreibt die Erfindung verschiedene Ausführungsformen eines Pumpenelements zum Druckbeaufschlagen eines Fluids innerhalb einer Fluidpumpe. Jedes Pumpenelement weist einen Kolben und einen Zylinder auf. Der Kolben ist innerhalb einer in dem Zylinder definierten Bohrung hin und her bewegbar angeordnet. Der Kolben und der Zylinder definieren wenigstens teilweise eine Druckbeaufschlagungskammer, in die ein Fluid mit Druck beaufschlagt wird. Ein Strömungsweg ist zwischen dem Kolben und der Bohrung definiert, der Fluid aus der Druckbeaufschlagungskammer während des Druckbeaufschlagens von darin befindlichen Fluid durchströmen lässt. Eine Sammelkammer ist zwischen dem Kolben und der Bohrung ausgebildet. Die Sammelkammer ist als ein Teil eines Kühlkreises für das Pumpenelement an die Bohrung angrenzend angeordnet. Mehrere in dem Zylinder definierte Ablauföffnungen sind mit der Sammelkammer fluidmäßig verbunden. Ein Bereich des Zylinders mit verringertem Durchmesser bildet einen ringförmigen Speicherraum, der Fluid aus den Ablauföffnungen aufnimmt.
In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung eine Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor. Die Kraftstoffpumpe weist ein Gehäuse auf, das einen Einlassanschluss, einen Rücklaufanschluss, einen Rücklaufdurchlass, einen Auslassanschluss, einen Einlassanschluss für Kühlkraftstoff und einen Zufuhrdurchlass für Kühlkraftstoff definiert. Bei einer Ausführungsform ist ein Zylinder innerhalb des Gehäuses angeordnet und definiert eine Bohrung, die sich durch den Zylinder erstreckt und eine Mittellinie aufweist. Ein Kolben ist wenigstens teilweise innerhalb der Bohrung angeordnet und zum hin und her Bewegen innerhalb der Bohrung angeordnet. Ein Druckbeaufschlagungshohlraum ist wenigstens teilweise zwischen einem Ende des Kolbens und einem Endbereich der Bohrung definiert. Der Druckbeaufschlagungshohlraum ist zum Druckbeaufschlagen einer Kraftstoffmenge, die durch den Einlassanschluss zugeführt wird und während des Druckbeaufschlagungshubs des Kolbens zu dem Auslassanschluss gefördert wird, ausgebildet. Ein ringförmiger Zwischenraum, der zwischen einer Außenfläche des Kolbens und einer Innenfläche der Bohrung definiert ist, steht über wenigstens einen in dem Zylinder ausgebildeten Ablaufdurchlass in Fluidkommunikation mit dem Druckbeaufschlagungsvolumen und einem ringförmigen Sammelraum, der um die Innenfläche der Bohrung definiert ist, die einen Bereich des Kolbens umgibt. Der ringförmige Speicherraum ist in Umfangsrichtung um den Zylinder definiert und ist in Fluidkommunikation mit dem Rücklaufanschluss um einen verengten Bereich des Zylinders angeordnet. Eine Materialdicke in dem verengten Bereich ist dünner als eine Materialdicke der umgebenden Bereiche des Zylinders.
In noch einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenfluidpumpe bei einem hohen Druck.
Bei einer Ausführungsform weist die Fluidpumpe wenigstens einen Zylinder mit einer sich durch diesen erstreckenden Bohrung auf, die den Kolben hin und her bewegbar aufnimmt. Das Verfahren umfasst Einlassen einer Fluidmenge in eine Druckbeaufschlagungskammer und Druckbeaufschlagen des Fluids. Eine Fluidmenge läuft entlang einer Grenzfläche zwischen dem Kolben und der Bohrung aus der Druckbeaufschlagungskammer heraus und wird in einer Sammelkammer gesammelt, die in dem Zylinder um einen Bereich des Kolbens definiert ist, der an die Bohrung angrenzt. Fluid aus der Sammelkammer und aus einer äußeren Quelle wird in einem ringförmigen Speicher, der um einen Bereich mit reduziertem Durchmesser des Zylinders in Umfangsrichtung definiert ist, derart gesammelt, dass Wärme von dem Kolben weggeleitet wird, um die Temperatur des verengten Bereichs des Zylinders näher an die Temperatur des Kolbens während eines Übergangsbetriebszustands der Fluidpumpe nahe anzugleichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein teilweiser Querschnitt einer Fluidpumpe mit mehreren Pumpenelementen entsprechend der Offenbarung;
2 ist eine Innenansicht eines Bereichs des Gehäuses der Pumpe, die darin definierte Fluiddurchlässe zeigt;
3 ist ein Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Pumpenelements entsprechend der Offenbarung;
4 ist ein Querschnitt einer zweiten Ausführungsform für zwei benachbarte Pumpenelemente entsprechend der Offenbarung;
5 ist ein Querschnitt einer dritten Ausführungsform eines Pumpenelements entsprechend der Offenbarung;
6 ist ein anderer Querschnitt der dritten Ausführungsform eines Pumpenelements;
7 ist ein Blockdiagramm eines Motorsystems mit einer zu diesem gehörenden Hochdruckkraftstoffpumpe entsprechend der Offenbarung; und
8 ist ein Querschnitt einer vierten Ausführungsform eines Pumpenelements entsprechend der Offenbarung.
9 ist ein teilweiser Querschnitt einer fünften Ausführungsform eines Pumpenelements entsprechend der Offenbarung.
10 ist eine Detailansicht des in 9 dargestellten Querschnitts.
11 ist eine Skizzenansicht eines Zylinders des in 9 dargestellten Pumpenelements.
12 ist ein Querschnitt eines Bauteils mit darin ausgebildeten Durchlässen entsprechend der Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung ist bei einer Fluidpumpe mit einem oder mehreren hin und her bewegenden Kolben anwendbar, die ein Fluid auf Druckniveaus beaufschlagen kann, die früher durch die Verwendung bekannter Pumpensysteme nicht erreichbar waren. Die hierin offenbarten Ausführungsformen sind vorteilhaft geeignet zum Einbauen in Fluidpumpen, die für einen verlängerten und zuverlässigen Betrieb unter einem Übergangs- als auch einem Dauerbetriebszustand geeignet ist. Obwohl bekannte Pumpenkonfigurationen typischerweise auf Auslassdrücke bei oder unterhalb ungefähr 1800 bar begrenzt sind, sind die hierin offenbarten Pumpenkonfigurationen vorteilhaft geeignet zum Erreichen von Betriebsdrücken von ungefähr 2200 bis 3000 bar oder mehr.
Verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform einer Fluidpumpe 100 entsprechend der Offenbarung sind in 1 bis 3 gezeigt. 1 ist ein teilweiser Querschnitt der Pumpe 100. Eine Innenansicht eines Bereichs des Gehäuses der Pumpe, die darin definierte Fluiddurchlässe zeigt, ist in dem vergrößerten Detail der 2 gezeigt, und 3 ist ein Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Pumpenelements. Die hierin angegebene Pumpe 100 ist zum Pumpen von Kraftstoff in eine Common-Rail (nicht gezeigt) angeordnet, die mit Druck beaufschlagten Kraftstoff zu einer oder mehreren Kraftstoffeinspritzdüsen (nicht gezeigt) während eines Betriebs eines Motors (nicht gezeigt) zuführt, und wird zum Darstellen der Struktur der Pumpenelemente als Beispiel verwendet. Man beachte, dass die hierin beschriebenen Strukturen vorteilhafterweise bei jeder Art von Fluidpumpe mit einer festen oder variablen Verdrängung verwendet werden können.
Die Pumpe 100 verwendet zum Schmieren von verschiedenen bewegenden Teilen Öl. Andere Arten von Pumpen können Kraftstoff zum Schmieren verwenden oder alternativ zum Pumpen von Öl anstelle von Kraftstoff zum Verwenden bei verstärkten oder Hybridkraftstoffsystemen angeordnet sein. Die hierin beschriebene Pumpe 100 ist lediglich zu Darstellungszwecken angegeben und sollte nicht als einschränkend angesehen werden.
Die Pumpe 100 weist eine Basis- oder äußere Struktur oder ein Gehäuse auf, die allgemein in den Figuren als 102 bezeichnet sind. Das Gehäuse 102 kann ein oder mehrere verbundene Bauteile aufweisen, die eine Struktur bilden, die verschiedene innere Bauteile der Pumpe umgibt und trägt. Bei dieser beispielhaften Darstellung weist das Gehäuse 102 eine Nocken- oder Antriebswelle 104 mit einem oder mehreren exzentrischen Nocken 106 auf. Jeder Nocken 106 entspricht einem Aktor 108, der sich entlang einer äußeren Spur 110 jedes Nockens hin und her bewegt, wenn sich die Welle 104 dreht. Jeder Aktor 108 berührt einen Stößel 112. Der Stößel 112 berührt durch Bewegung eines elastischen Elements oder einer Feder 114 kontinuierlich seine entsprechende äußere Spur 110. Die Feder 114 drückt den Stößel 112 gegen den Aktor 108 zum Sicherstellen, dass die Hin- und Herbewegung des Aktors 108 auf den Stößel 112 übertragen wird, während sich die Welle 104 dreht.
Ein Kolben 116 ist mit dem Stößel derart funktionsfähig verbunden, dass sich der Kolben 116 hin und her bewegen kann, wenn die Welle 104 dreht. Der Kolben 116 weist eine Zylinderform mit einer Mittellinie 118 auf, die sich entlang seiner Hauptabmessung erstreckt. Während des Betriebs der Pumpe 100 bewegt sich der Kolben 116 entlang seiner Mittellinie 118 innerhalb einer in einem Zylinder 122 definierten Bohrung 120 hin und her. Der Zylinder 122 weist eine insgesamt zylindrische Form auf, wobei sich die Bohrung 120 durch den Zylinder 122 entlang seines mittleren Bereichs erstreckt. Die Bohrung 120 ist zum Aufweisen einer sich axial entlang der Bohrung 120 erstreckenden Mittellinie angeordnet, die sich mit der Mittellinie 118 des Kolbens 116 im Wesentlichen deckt. Während eines Betriebs der Pumpe 100 bewegt sich der Kolben 116 zwischen einer ausgefahrenen Position A während eines Druckbeaufschlagungshubs und einer eingefahrenen Position B während eines Füllhubs.
Ein Einlassrückschlagventil (nicht gezeigt) ermöglicht, dass Kraftstoff aus einem Einlassanschluss 124 der Pumpe 100 in eine Druckbeaufschlagungskammer 126 gelangt. Die Druckbeaufschlagungskammer 126 ist wenigstens teilweise zwischen einem distalen Ende 128 des Kolbens 116 (siehe auch 2 und 3), einem Bereich 130 der Bohrung 120 und einem Auslassrückschlagventil 132 definiert. In der Druckbeaufschlagungskammer 126 vorhandener Kraftstoff wird mit Druck beaufschlagt, während sich der Kolben 116 von der eingefahrenen Position B zu der ausgefahrenen Position A bewegt. Wenn der Druck des Kraftstoffs ausreichend hoch ist, beispielsweise zwischen 30 und 3000 bar oder mehr, öffnet das Auslassrückschlagventil 132, damit der druckbeaufschlagte Kraftstoff die Druckbeaufschlagungskammer 126 durch eine oder mehrere entsprechende Öffnungen 134 verlassen kann. Druckbeaufschlagter Kraftstoff, der durch jede Öffnung 134 entweicht, wird gesammelt und zu einem Auslassanschluss 136 der Pumpe 100 geleitet.
Man beachte, dass ein geeigneter Zwischenraum zwischen dem Kolben 116 und der Bohrung 120 erforderlich ist, der die Grenzfläche zwischen ihnen zum Bewirken eines geeigneten Druckbeaufschlagens des Fluids in der Druckbeaufschlagungskammer 126 abdichten sowie eine thermische Expansion des Kolbens 116 relativ zu dem Zylinder 122 aufnehmen kann. Dieser ringförmige Zwischenraum, allgemein als 138 gezeigt, ist zwischen einer Außenfläche 140 des Kolbens 116 und einer Innenfläche 142 der Bohrung 120 definiert. Kleinere Zwischenräume, die einen höheren Wirkungsgrad der Pumpe 100 ermöglichen, beeinflussen die Bewegungsfreiheit und die thermische Expansion des Kolbens 116 innerhalb der Bohrung 120 negativ. Andererseits bewirken größere Zwischenräume ein Sinken des Wirkungsgrads der Pumpe.
Ferner ist zu beachten, dass ein Erhitzen des Kolbens 116 während des Betriebs der Pumpe 100 aufgrund einer Wärmeübertragung von dem druckbeaufschlagten Fluid innerhalb der Druckbeaufschlagungskammer 126 auftritt. Ein detaillierter Querschnitt eines Zylinders 122, der den Kolben 116 enthält, ist in 3 gezeigt. Fluid, das während des Druckbeaufschlagungshubs des Kolbens 116 durch den ringförmigen Zwischenraum 138 aus der Druckbeaufschlagungskammer 126 entweicht, wird in einem Sammelraum 302 gesammelt. Der Sammelraum 302 ist ein ringförmiger Hohlraum, der in dem Zylinder 122 um einen Bereich der Bohrung 120 ausgebildet ist. Der Sammelraum 302 steht durch den ringförmigen Zwischenraum 138 derart in fluidmäßiger Kommunikation mit der Druckbeaufschlagungskammer 126, dass Fluid, das entlang des Kolbens 116 innerhalb des ringförmigen Zwischenraums 138 strömt oder abläuft, in dem Sammelraum 302 gesammelt wird und nicht weiter entlang des Kolbens 116 weiterströmen darf, um schließlich aus einer Grenzfläche 304 zwischen dem Zylinder 122 und dem Kolben 116 herauszusickern. Da das ablaufende Fluid zum Erwärmen des Kolbens in dessen Gebieten wirkt, die es berührt, wird ein Temperaturgradient in dem Kolben und der Zylinderanordnung oberhalb und unterhalb des Sammelraums 302 erzeugt.
Der Sammelraum 302 steht mit einem ringförmigen Speicher 306 in Fluidkommunikation, der durch einen in dem Zylinder 122 ausgebildeten Bereich 308 mit verringertem Durchmesser definiert ist. Der Sammelraum 302 kommuniziert mit dem ringförmigen Speicher 306 durch ein oder mehrere Ablaufdurchlässe oder -löcher 310, die in dem Zylinder 122 ausgebildet sind und die sich durch den Zylinder 122 in einer radialen Richtung von der Mittellinie 118 erstrecken. Mehrere Ablauflöcher 310 können zum Bewirken eines symmetrischen Abfließens von Fluid, das entlang des ringförmigen Zwischenraums 138 abläuft, radial um den Umfang des Sammelraums 302 beabstandet sein. Der Ablauf von Fluid aus den Ablauflöchern 310 wird in dem ringförmigen Speicher 306 gesammelt und über einen in dem Gehäuse 102 ausgebildeten Ablaufdurchlass 312 aus der Pumpe 100 entfernt. Der Ablaufdurchlass 312 steht in fluidmäßiger Kommunikation mit einem Rücklaufanschluss 144, der in dem Gehäuse 102 definiert ist und der ein Rücklauf- oder nicht verwendetes Fluid zurück zu einem Fluidtank oder -speicher (nicht gezeigt) leitet. Jede Anzahl von ringförmigen Speichern 306 kann in dem Gehäuse 102 der Pumpen mit mehr als einem Zylinder 122 ausgebildet sein. In solchen Fällen können verschiedene Ablauf- oder Zwischendurchlässe 312 jeden ringförmigen Speicher 306 mit einem angrenzenden Durchlass oder mit dem Rücklaufanschluss 144 verbinden.
Bei der bislang beschriebenen Ausführungsform weist der Zylinder 122 einen bezüglich des Außendurchmessers eines ersten umgebenden Bereichs 314 und eines zweiten umgebenden Bereichs 316 des Zylinders 122 verringerten Außendurchmesser auf. Ein in dem Zylinder 122 in Umfangsrichtung ausgebildeter Kanal 318 kann den Bereich 308 mit verringertem Durchmesser definieren. Der Kanal 318 erstreckt sich derart radial nach innen, in Richtung zu der Mittellinie 118 der Bohrung, dass die Dicke des Materials, das eine Wand des Zylinders 122 bildet, vorteilhafterweise in dem Bereich 308 mit verringertem Durchmesser verringert ist. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der Kanal 318 in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Zylinder 122 und dem Gehäuse 102, die den in dem Kanal 318 vorhandenen Kraftstoff von Schmieröl, das zum Schmieren der Pumpe verwendet wird, trennt. Wie nachstehend ausführlich erläutert wird, wird die axiale Stelle des Kanals 318 zum Optimieren der Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem Zylinder 122 und dem Kolben 116 gewählt.
Man beachte, dass ein thermischer Gradient sowohl in dem Zylinder 122 als auch in dem Kolben 116 während des Betriebs der Pumpe vorliegen wird. Dieser thermische Gradient entsteht aus dem Erwärmen des Kraftstoffs, der in der Druckbeaufschlagungskammer 126 mit Druck beaufschlagt wird, und aufgrund einer Auslaufströmung aus der Druckbeaufschlagungskammer 126 zwischen einer äußeren Kolbenfläche 140 und einer inneren Bohrungsfläche 142 des Zylinders, die in dem Sammelraum ankommt. Wenn die Auslaufströmung aus der Pumpenkammer 126 zu dem Sammelraum 302 weiterströmt, wird die potenzielle Energie der Druckbeaufschlagung in dem Fluid allmählich in einen Temperaturanstieg in dem Fluid umgewandelt, wenn der Druck von einem hohen auf ein niedriges Niveau abfällt.
Aufgrund der sich ergebenden höheren Temperaturen des Kraftstoffs wird die Wärme konvektiv von dem Kraftstoff auf die die Druckbeaufschlagungskammer 126 umgebenden Bereiche des Zylinders 122 und des Kolbens 116 sowie auf die Außenflächen 140 des Kolbens und die Innenflächen 142 des Zylinders, die sich oberhalb des Sammelraums 302 befinden, übertragen. Die Wärme wandert auch leitend durch die Bauteile in Richtung zu der Kraftstoff-zu-Öl-Grenzfläche der Pumpe. Die thermischen Gradienten können verschiedene Ausmaße an thermischer Expansion zwischen dem Kolben 116 und dem Zylinder 122 bewirken, was wiederum Probleme der Abmessung des Zwischenraums zwischen ihnen während eines Betriebs der Pumpe ergibt.
Diese Probleme werden für den Betrieb der Pumpe relevant, wenn sie in dem Bereich vorliegen, der in der Nähe der Kraftstoff-zu-Öl-Grenzfläche liegt, und genauer in dem Bereich des Zylinders 122, der sich zwischen dem Sammelraum 302 und der Kraftstoff-zu-Öl-Grenzfläche erstreckt. Durch lokales Reduzieren der Masse des Zylinders 122 in dem Gebiet, das den Sammelraum 302 umgibt, wird die thermische Masse des Zylinders 122 zum schnelleren Ausgleichen der Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Zylinder 122 und dem Kolben 116 reduziert. Diese Struktur kann insbesondere vorteilhaft zum Ausgleichen der Zylinder- und Kolbentemperatur unter Übergangsbetriebszuständen der Pumpe sein, während ein solches Ausgleichen während eines Dauerbetriebs beibehalten wird.
Die Zylindergeometrie, die in diesem Fall eine Materialreduzierung aufweist, ergibt einen besonderen Vorteil, wenn thermische Probleme während eines Übergangsbetriebs der Pumpe 100 verstärkt werden. Wenn beispielsweise ein Druckbeaufschlagen des Fluids in jeder Druckbeaufschlagungskammer 126 über relativ kurze Zeiträume zunimmt, beginnt der Kolben 116, zunehmende Wärmemengen des gepumpten Fluids und der Ablaufströmung zwischen der Kolbenfläche 140 und der Zylinderbohrungsfläche 142 zu absorbieren. Außerdem steigt auch die Strömungsrate an Fluid aus der Druckbeaufschlagungskammer 126, wodurch die Wärmeleitung in den Kolben 116 ansteigt. Der Kolben 116 ist teilweise aufgrund seiner verhältnismäßig geringen Masse und teilweise seiner Nähe oder Berührung mit dem gepumpten Fluid und teilweise seinem Fehlen an geeigneten Leitungswegen zum Entweichen von Wärme in der Lage, seine Temperatur zu erhöhen und der Temperatur des gepumpten Fluids relativ schnell zu folgen, beispielsweise innerhalb von 1 bis 2 Minuten.
Im Gegensatz dazu kann es bei einem typischen Zylinder ohne Kanal und daher mit einer größeren Masse ungefähr 8 bis 10 Minuten zum Absorbieren einer ausreichenden Wärme zum Erreichen der Temperatur der Kolbentemperatur dauern, insbesondere während eines Übergangs. Die verringerte Material- oder Wanddicke des Zylinders 122 in dem Bereich 308 mit verringertem Durchmesser, wie er hierin beschrieben ist, trägt dazu bei, die Temperatur des Zylinders 122 derart zu erhöhen, dass thermische Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Kolben 116 und dem Zylinder 122 schneller reduziert oder eliminiert werden, beispielsweise innerhalb von 4 bis 6 Minuten.
Ein Querschnitt zweier in entsprechenden Zylindern 422 bei einer zweiten Ausführungsform einer Fluidpumpe 400 angeordneter benachbarter Kolben 116 ist in 4 gezeigt. Die Zylinder 422 dieser Ausführungsform sind in der Struktur ähnlich zu den bei der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform erörterten Zylindern. Bei der Ausführungsform der 4 wirkt der Bereich 408 mit verringertem Durchmesser jedes Zylinders 422 zum effizienteren Abführen von Wärme von dem Zylinder 422, so dass die Temperatur jedes Kolbens 416 leichter in dem Gebiet oberhalb der Ablauflöcher 310 (3) gesenkt wird. Bei dieser Ausführungsform wird ein gekühlter Fluidstrom 409, der insgesamt durch Pfeile mit gepunkteten Linien bezeichnet ist, über einen Zufuhrdurchlass 410 für gekühltes Fluid auch in jeden ringförmigen Speicher 406 zugeführt. Der Strom, der in den ringförmigen Speicher 406 gelangt, umgibt den Bereich 408 mit verringertem Durchmesser des Zylinders 422 und kühlt den Zylinder 422 konvektiv. Die von dem Zylinder 422 in dem Gebiet oberhalb der Ablauflöcher 310 (3) abgeführte Wärme dient zum Einleiten von Wärme in den übrigen Bereich des Zylinders 422 (in das Gebiet unterhalb des Ablauflochs 310, wie in 3 gezeigt ist), zum Beitragen zum Ausgleichen der Temperatur des Zylinders 422 und des Kolbens 416 entlang ihrer entsprechenden Längen. Solch ein Temperaturausgleich, verbunden mit einer Ähnlichkeit der Materialien, die zum Konstruieren des Zylinders 422 und des Kolbens 416 verwendet werden, erlaubt eine Verwendung von engeren Zwischenräumen zwischen ihnen. Im Allgemeinen senkt die Wärmeabfuhr von dem Kolben 416 die Kolbentemperatur, die schließlich die Temperaturunterschiede zwischen dem Kolben 416 und dem Zylinder 422 reduziert oder eliminiert. Der Strom 409 kann dann über Verbindungsdurchlässe 411 nacheinander in benachbarte ringförmige Speicher 406 gelangen, bevor er die Pumpe 400 durch einen oder mehrere Ablaufdurchlässe 412 verlässt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der gekühlte Fluidstrom 409 allen oder mehr als einem ringförmigen Speicher 406 gleichzeitig in einer Parallelkreisverbindung zugeführt werden.
Zwei Querschnitte einer dritten Ausführungsform eines in einem Zylinder 522 angeordneten Kolbens 516 sind in 5 und 6 gezeigt. Der Zylinder 522 definiert eine Bohrung 520, die den Kolben 516 hin und her bewegbar aufnimmt, und einen Sammelraum 502, der einen Bereich des Kolbens 516 umgibt. Der Sammelraum 502 steht zwischen der Außenfläche des Kolbens 516 und der Innenfläche der Bohrung 520 in fluidmäßiger Kommunikation mit dem ringförmigen Zwischenraum 538. Mehrere Ablauföffnungen 510 verbinden fluidmäßig den Sammelraum 502 mit zwei Ablaufdurchlässen 512, die in dem umgebenden Pumpengehäuse 514 definiert sind. Die Ablauföffnungen 510 erstrecken sich durch den Zylinder 522 und schneiden einen oder mehrere längliche in dem Zylinder 522 ausgebildete Durchlässe 602. Jeder längliche Durchlass 602 erstreckt sich durch den Zylinder 522 und verbindet fluidmäßig eine erste Ablenkung 604, die an einer ersten distalen Seite 606 des Zylinders 522 ausgebildet sein kann, mit einer zweiten Ablenkung 608, die ähnlich an einer zweiten distalen Seite 610 des Zylinders 522 ausgebildet sein kann. Die erste und die zweite Ablenkung 604 und 608 sind ringförmige Hohlräume, die die länglichen Durchlässe 602 fluidmäßig miteinander verbinden sowie mit einem Einlassdurchlass 612 für Kühlfluid kommunizieren. Jeder längliche Durchlass 602 erstreckt sich entlang einer Mittellinie 614, die parallel zu einer Mittellinie 616 der Bohrung 520 sein kann. Ein ringförmiger Speicher 618 ist um den Zylinder 522 ausgebildet und fluidmäßig mit den Ablauföffnungen 510 und dem Einlassdurchlass 612 für Kühlfluid verbunden.
Ein Kühlfluidstrom 622, der durch Pfeile mit gepunkteter Linie bezeichnet ist, gelangt durch den Einlassdurchlass 612 für Kühlfluid in den ringförmigen Speicher 618. Der Kühlfluidstrom 622 verteilt sich um den Zylinder 522, innerhalb des ringförmigen Speichers 618 und gelangt über die Zwischendurchlässe 620 in jeden länglichen Durchlass 602. Auch während eines Betriebs sammelt sich ein Ablaufstrom des durch den ringförmigen Zwischenraum 538 sickernden Fluid in dem Sammelraum 502 und gelangt über die Ablauföffnungen 510 in jeden länglichen Durchlass 602. Der Ablaufstrom, der den Sammelraum 502 durch die Ablauföffnungen 510 verlässt, mischt sich mit dem Kühlfluidstrom aus den Zwischendurchlässen 620 und teilt sich dann in verschiedene Teile auf, die durch die länglichen Durchlässe 602 strömen. Die gemischten Ströme folgen den länglichen Durchlässen 602 in Richtung zu der ersten Ablenkung 604, strömen durch die erste Ablenkung 604 hindurch und in einen ersten äußeren Sammelraum 624 und entweichen durch einen der zwei Ablaufdurchlässe 512. In ähnlicher Weise folgen die gemischten Ströme den länglichen Durchlässen 602 in Richtung zu der zweiten Ablenkung 608, strömen durch die zweite Ablenkung 608 hindurch und in einen zweiten äußeren Sammelraum 626 und entweichen durch den anderen der zwei Ablaufdurchlässe 512. Zwei Dichtungen 628 befinden sich zwischen dem Zylinder 522 und dem Gehäuse 514. Die Dichtungen 628 verhindern einen direkten Fluidweg zwischen dem Einlassdurchlass 612 für Kühlfluid und den zwei Ablaufdurchlässen 512, der an den länglichen Durchlässen 612 vorbeiführen würde. Als eine Folge wird der Kühlfluidstrom 622 gezwungen, zum Fördern des Kühlens einem gewundenen Weg durch den Zylinder 522 zu folgen.
Ein Querschnitt einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist in 8 gezeigt. Die Zylinderbaugruppe 800 weist einen insgesamt zylindrischen Zylinder 802 auf, der innerhalb einer Hülse 804 positioniert ist, die zum passenden Anliegen an die Außenfläche des Zylinders 802 in der Nähe der Enden des Zylinders 802 dimensioniert ist. Der Zylinder 802 und die Hülse 804 können vorteilhafterweise anstelle der entsprechend der ersten drei Ausführungsformen beschriebenen Zylinder verwendet werden. Ein Kolben 806 ist innerhalb einer in dem Bereich des Zylinders 802 ausgebildeten Bohrung 808 der Zylinderbaugruppe 800 positioniert. Ein ringförmiger Zwischenraum 810 zwischen dem Kolben 806 und dem Zylinder 802 verbindet fluidmäßig ein Druckbeaufschlagungsvolumen 812 mit einem Sammelraum 814. Der Sammelraum 814 erstreckt sich um wenigstens einen Bereich des Kolbens 806 in Umfangsrichtung und ist axial an den Mittelpunkt des Zylinders 802 angrenzend positioniert. Der Sammelraum 814 steht über mehrere Ablauföffnungen 818 in fluidmäßiger Kommunikation mit einem inneren ringförmigen Speicher 816. Der innere ringförmige Speicher 816 ist innerhalb eines im Inneren der Hülse 804 ausgebildeten Kanals 820 definiert. Der Kanal 820 erstreckt sich zwischen einem äußeren Bereich des Zylinders 802, dem inneren Bereich der Hülse 804 und zwei axial an beiden Enden der Hülse 804 definierten Kanalwänden 822. Jede Wand 822 erstreckt sich zwischen dem Zylinder 802 und der Hülse 804 zum Definieren und abdichtenden Umgeben des inneren ringförmigen Speichers 816.
Die Zylinderbaugruppe 800 ist über einen Adapter 826 mit dem Pumpengehäuse 824 verbunden. Der Adapter 826 bildet einen Montagebereich 828 zum Anbringen in einem in dem Pumpengehäuse 824 ausgebildeten Hohlraum 830 und einen Haltebereich 832 zum abdichtenden Anliegen an die und Tragen der Zylinderbaugruppe 800. Der Adapter 826 bildet eine Aufnahmebohrung 834, die sich durch den Montagebereich 828 und den Haltebereich 832 erstreckt. Die Aufnahmebohrung 834 ist zum Umgeben der Zylinderbaugruppe 800 angeordnet. Der Adapter 826 bildet auch einen inneren Kanal 836 entlang eines Bereichs der Aufnahmebohrung 834, der entlang des Haltebereichs 832 liegt. Der innere Kanal 836 definiert wenigstens teilweise einen äußeren ringförmigen Speicher 838, wenn die Zylinderbaugruppe 800 in der Aufnahmebohrung 834 eingebaut ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform bildet das Pumpengehäuse 824 einen Fluidzufuhrdurchlass 840, der sich durch dieses erstreckt. Der Fluidzufuhrdurchlass 840 kann fluidmäßig mit einer Kraftstoffförderpumpe und/oder einem Kraftstoffkühler (nicht gezeigt) verbunden sein und kann zum Zuführen von Kraftstoff bei einem niedrigen Druck zu dem Druckbeaufschlagungsvolumen 812 während des Wiederauffüllhubs des Kolbens 806 angeordnet sein. Ein Verzweigungsdurchlass 842 kann den Fluidzufuhrdurchlass 840 mit einer Ringleitung 844 verbinden, die in dem Montagebereich 828 des Adapters 826 ausgebildet ist, der ein distales Ende der Hülse 804 an das Druckbeaufschlagungsvolumen 812 angrenzend umgibt.
Eine Dichtung 848 trennt fluidmäßig die Ringleitung 844 von dem inneren Kanal 836 in dem Adapter 826. Eine Einlassöffnung 846, die in der Hülse 804 definiert ist, verbindet fluidmäßig die Ringleitung 844 mit dem inneren ringförmigen Speicher 816. Ähnlich verbindet fluidmäßig eine in der Hülse 804 definierte Auslassöffnung 850 den inneren ringförmigen Speicher 816 mit dem äußeren ringförmigen Speicher 838. Der äußere ringförmige Speicher 838 ist über einen in dem Adapter 826 definierten Auslassdurchlass fluidmäßig mit einem Fluidrücklaufdurchlass 854 des Gehäuses 824 verbunden. Innerhalb des äußeren ringförmigen Speichers 838 vorhandenes Fluid wird gegenüber einem direkten Erreichen des Kolbens 802 durch eine zweite Dichtung 856 abgedichtet, die zwischen dem Zylinder 802 und dem Adapter 826 angeordnet ist. Ferner isolieren zwei zusätzliche Dichtungen 858 fluidmäßig den Auslassdurchlass 852, wenn er durch die Grenzfläche zwischen dem Adapter 826 und dem Gehäuse 824 verläuft.
Während eines Betriebs zirkuliert nicht mit Druck beaufschlagtes Fluid, das in dem Fluidzufuhrdurchlass 840 vorhanden ist, frei um den Zylinder 802 und sieht einen Temperaturausgleich entlang der Länge des Zylinders 802 und des Kolbens 806 wie oben beschrieben vor. Das Fluid kann einem Kühlweg folgen, der dem Fluidzufuhrdurchlass 840 entstammt, durch den Verzweigungsdurchlass 842 in die Ringleitung 844 verläuft und über die Einlassöffnung 846 der Hülse 804 in den inneren ringförmigen Speicher 816 gelangt. Während er in dem Inneren ringförmigen Speicher 816 ist, benetzt der Strom einen wesentlichen Bereich der Außenfläche des Zylinders 802 und kühlt den Zylinder 802 konvektiv entlang eines Teils desselben, der oberhalb (nicht gezeigt) des Sammelraums 814 ist. Der innere ringförmige Speicher 816 dieser Ausführungsform weist eine ähnliche Funktion zu den länglichen Kanälen auf, die oben beschrieben wurden, da der Strom, der durch den inneren ringförmigen Speicher 816 verläuft, den Zylinder 802 kühlt und sich mit dem erwärmten Fluid mischt, das aus dem Sammelraum 814 abläuft. Der Strom trägt das erwärmte Fluid von dem Zylinder 802 weg, wenn der Strom durch die Auslassöffnung 850 der Hülse 804 den inneren ringförmigen Speicher 816 verlässt. Der Strom, der durch die Auslassöffnung 850 verläuft, wird in dem äußeren ringförmigen Speicher 838 gesammelt, bevor er zu dem Auslassdurchlass 852 und aus dem Fluidrücklaufdurchlass 854 des Gehäuses 824 verläuft. Durch Zirkulieren des Fluids in der beschriebenen Weise kann Wärme effizient aus dem Zylinder 802 während eines Betriebs abgeführt werden. Außerdem trägt die thermische Masse des in dem inneren und dem äußeren ringförmigen Speicher vorhandenen Fluids dazu bei, die Temperaturen des Kolbens 806, des Zylinders 802, der Hülse 804 und des Adapters 826 innerhalb einer relativ kurzen Zeit zu stabilisieren und auszugleichen.
Ein Querschnitt einer fünften Ausführungsform eines Pumpenelements 900 ist in 9 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist ein insgesamt zylindrischer Pumpenzylinder 902 in einem Kraftstoffpumpengehäuse 904 eingebaut gezeigt, das zum Darstellen verschiedener darin ausgebildeter Fluiddurchlässe teilweise gezeigt ist. Der Pumpenzylinder 902 bildet eine Zylinderbohrung 906, die einen Kolben 908 verschiebbar, aber insgesamt abdichtend aufnimmt. Wie in Bezug auf die vorherigen Ausführungsformen erläutert, ist der Kolben 908 zum Hin- und Herbewegen innerhalb der Zylinderbohrung 906 des Kraftstoffpumpengehäuses 904 während eines Betriebs derart angeordnet, dass sich das Volumen einer Kompressionskammer 910 zum Komprimieren von darin eingefundenem Kraftstoff ändert.
Bei dieser Ausführungsform weist der Pumpenzylinder 902 einen Kopfbereich 912 und einen Körperbereich 914 auf. Wie in 9 dargestellt ist, ist ein Außendurchmesser des Kopfbereichs 912 größer als der Außendurchmesser des Körperbereichs 914. Mehrere Strömungskanäle 916 sind in dem Kopfbereich 912 des Pumpenzylinders 902 ausgebildet. Solche Strömungskanäle 916 sind optional und können sich entlang einer Hauptlängsabmessung des Pumpenzylinders 902 erstrecken. Die Strömungskanäle 916 können symmetrisch um den Kopfbereich 912 an verschiedenen radialen Stellen angeordnet sein. Wie gezeigt ist, sind vier solcher Strömungskanäle 916 in dem Kopfbereich 912 ausgebildet. Der Pumpenzylinder 902 bildet weiter wenigstens zwei Ablauföffnungen 918, die die Zylinderbohrung 906 mit einer Außenfläche des Körperbereichs 914 fluidmäßig verbinden. Die Ablauföffnungen 918 können zum Kanalisieren von aus der Kompressionskammer 910 entweichendem Kraftstoff entlang einer Grenzfläche zwischen der Zylinderbohrung 906 und dem Kolben 908 während eines Betriebs verwendet werden.
In einer ähnlichen Weise zu der in 8 dargestellten Ausführungsform ist der Pumpenzylinder 902 innerhalb einer Hülse 920 positioniert. Die Hülse 920 ist insgesamt zylindrisch und um einen Hauptteil des Körperbereichs 914 angeordnet. Die Hülse 920 ist mit einem Adapter 922 verbunden, der ein Zwischenbauteil ist, das an dem Pumpengehäuse 904 an verschiedenen Stellen desselben abdichtend anliegt und ferner an dem Pumpenzylinder 902 und an der Hülse 920 anliegt und diese trägt, wie zuvor in Bezug auf die in 8 dargestellte Ausführungsform beschrieben. Die Hülse 920 ist an einem Ende derselben mit dem Adapter 922 verbunden und erstreckt sich, in freitragender Weise, konzentrisch entlang des Körperbereichs 914 des Pumpenzylinders 902, wie in 9 gezeigt ist. Wenn das Pumpenelement 900 innerhalb des Pumpengehäuses 904 eingebaut ist, drückt eine Feder 924 den Kolben 908, dass er in Berührung mit einem Nockenstößel (nicht gezeigt). derart bleibt, dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 908 erreicht werden kann. Die Feder 924 arbeitet in einer Umgebung, in der Schmieröl vorliegt. Eine Halterung 926 ist zwischen dem Adapter 922 und der Feder 924 zum Halten der Feder 924 in ihrer Position und zum Abdichten des Pumpenzylinders 902 und der Hülse 920 gegenüber dem Schmieröl angeordnet.
Die Halterung 926 liegt abdichtend an dem Pumpengehäuse 904 an und erstreckt sich konzentrisch entlang des Körperbereichs 914 des Pumpenzylinders 902. Ferner liegt die Halterung 926 abdichtend an dem Pumpenzylinder 902 an das Ende des Körperbereichs 914 angrenzend an. Eine Verbunddichtungsanordnung 929 liegt an dem Kolben 908 abdichtend und verschiebbar an und liegt an einem Ende des Körperbereichs 914 abdichtend an. Man beachte, dass andere Dichtungsanordnungen zum fluidmäßigen Isolieren des Pumpenzylinders 902 gegenüber Hohlräumen, die andere Fluide enthalten, beispielsweise Schmieröl, das in den Nocken- und Antriebsbereichen einer Pumpe vorliegt, verwendet werden können.
Bei dieser Ausführungsform ist ein innerer ringförmiger Speicher 928 zwischen dem Pumpenzylinder 902 und der Hülse 920 definiert und ein äußerer ringförmiger Speicher 930 ist zwischen der Hülse 920 und einer Innenfläche der Halterung 926 definiert. Der innere ringförmige Speicher 928 und der äußere ringförmige Speicher 930 sind durch eine Öffnung oder Lücke 932, die sich über die Hülse 920 erstreckt, fluidmäßig verbunden. Bei einer Ausführungsform kann die Lücke 932 eine in der Hülse 920 ausgebildete Öffnung sein. Bei der dargestellten Ausführungsform entsteht die Lücke 932 aus einem Längenunterschied zwischen der Hülse 920 und der Innenfläche der Halterung 926 in der Nähe eines Endes derselben, wie gezeigt ist.
Während eines Betriebs des Pumpenelements 900 wird Kraftstoff mit niedrigem Druck einem innerhalb des Adapters 922 definierten Einlassvolumen 934 zugeführt. Solcher Kraftstoff wird durch einen in dem Pumpengehäuse 904 ausgebildeten Zufuhrdurchlass 936 zugeführt, der durch eine oder mehrere in dem Adapter 922 ausgebildete Zufuhröffnungen 938 fluidmäßig mit dem Einlassvolumen 934 verbunden ist. Wenn der Kolben 908 einen Einlasshub erfährt, d. h. wenn der Kolben 908 das Volumen der Kompressionskammer 910 vergrößernd innerhalb der Zylinderbohrung 906 einfährt, gelangt Kraftstoff aus dem Einlassvolumen 934 über zwei oder mehrere Zufuhrdurchlässe 940 und ein Einlassrückschlagventil 942 in die Kompressionskammer 910. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die zwei oder mehreren Zufuhrdurchlässe 940 in einem Kopfstück 944 ausgebildet, das auch ein Auslassrückschlagventil 946 umgibt. Wenn der Kolben 908 einen Kompressionshub erfährt, der das Volumen der Kompressionskammer 910 verringert, strömt mit Druck beaufschlagter Kraftstoff durch das Auslassrückschlagventil 946 und gelangt in einen in einem Hochdruckauslassanschluss 950 ausgebildeten Hochdruckdurchlass 948.
Wie bei den vorherigen Ausführungsformen wird ein Kraftstoffstrom zum Kühlen des Pumpenzylinders 902 zugeführt. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet das Pumpengehäuse 904 einen Zufuhrdurchlass 952 für Kühlkraftstoff und einen Kraftstoffrücklaufdurchlass 954. Der Zufuhrdurchlass 952 für Kühlkraftstoff kann ein separater Durchlass sein oder er kann mit einer Kraftstoffquelle fluidmäßig verbunden sein, die auch Kraftstoff zu dem Zufuhrdurchlass 936 zuführt. Außerdem kann der Kraftstoffrücklaufdurchlass 954 ein Durchlass sein, der zum Leiten von zum Kühlen des Pumpenelements 900 verwendeten Kraftstoff bestimmt ist, oder kann alternativ in Fluidkommunikation mit einem Kraftstoffablaufdurchlass der Kraftstoffpumpe stehen, wie es bei der dargestellten Ausführungsform der Fall ist.
Während eines Betriebs der Pumpe wird ein Kühlfluidstrom über den Zufuhrdurchlass 952 für Kühlkraftstoff der Pumpe zugeführt. Ein solcher Strom kann Teil eines Hauptkraftstoffstroms zu der Pumpe sein, der komprimiert und den Kraftstoffeinspritzdüsen zugeführt wird (siehe beispielsweise die Darstellung der 7), oder kann alternativ als Teil eines separaten Kühlkreises zugeführt werden, der einen Kraftstoffkühler oder andere Einrichtungen aufweist. Bei den Ausführungsformen der Kraftstoffpumpen, die mehr als ein Pumpenelement aufweisen, kann der Kühlkraftstoffstrom nacheinander durch jedes Pumpenelement in Reihe strömen, wie es in 4 dargestellt ist, oder kann alternativ allen Pumpenelementen in einer Parallelkreiskonfiguration zugeführt werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform gelangt ein Teil des Kühlkraftstoffstroms an dem Zufuhrdurchlass 952 für Kühlkraftstoff über einen in dem Pumpengehäuse ausgebildeten Zufuhrdurchlass 956 und dann über eine in dem Adapter 922 ausgebildete Zufuhröffnung 958 in einen inneren Bereich des Adapters 922. Man kann erkennen, dass mehr als ein Zufuhrdurchlass oder eine -öffnung verwendet werden können. Der Kraftstoffstrom durch die verschiedenen Bauteile und Bereiche der in 9 dargestellten Pumpe ist durch Pfeile mit gestrichelten Linien zur Klarheit bezeichnet.
Der Kühlkraftstoffstrom, der über die Zufuhröffnung 958 in den Adapter 922 gelangt, strömt durch die Strömungskanäle 916 und gelangt in den inneren ringförmigen Speicher 928. Bei dieser Ausführungsform wirkt die Hülse 920 als eine Ablenkung, die den in den inneren ringförmigen Speicher 928 gelangenden Kühlkraftstoffstrom entlang fast der gesamten Länge des Körperbereichs 914 des Pumpenzylinders 902 leitet. Man beachte, dass Wärme konvektiv von dem Pumpenzylinder 902 abgeführt wird, wenn der Kühlkraftstoffstrom entlang des Körperbereichs 914 strömt. Der Kühlkraftstoffstrom in dem inneren ringförmigen Speicher 928 strömt über die Öffnung oder Lücke 932 in den äußeren ringförmigen Speicher 930. Während er in dem äußeren ringförmigen Speicher ist, strömt der Kühlkraftstoffstrom zurück in Richtung zu dem Adapter 922. Wenn der Kühlkraftstoffstrom den Adapter erreicht, strömt der Strom über eine Auslassöffnung 960 durch einen Bereich des Adapters 922, um in ein Ablaufvolumen 962 zu gelangen. Der Strom, der in das Ablaufvolumen 962 gelangt, kann auch über die Ablauföffnungen 918 zugeführten Kraftstoff umfassen, wie zuvor beschrieben ist. Das Ablaufvolumen 962 ist mit dem Kraftstoffrücklaufdurchlass 954 fluidmäßig verbunden, der ein Niederdruckrücklaufdurchlass zu einem Tank oder Speicher sein kann (siehe beispielsweise die LP-Kraftstoffrücklaufleitung, die mit dem Rücklaufauslassanschluss 712 der HP-Pumpe 702 in 7 verbunden ist).
Ein Detail eines teilweisen Querschnitts einer alternativen Ausführungsform zu der in 9 dargestellten Ausführungsform ist in 10 gezeigt. Bei dieser alternativen Ausführungsform sind Bauteile oder Merkmale, die die gleichen wie die oder ähnlich zu den zuvor beschriebenen Bauteilen oder Merkmalen sind, zur Vereinfachung durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist der Pumpenzylinder 902 innerhalb des Adapters 922 angeordnet. Der Adapter trägt eine Hülse 1020 konzentrisch um den Pumpenzylinder 902. Die Hülse 1020 erstreckt sich, im Gegensatz zu der in 9 dargestellten Hülse 920, entlang einer gesamten Länge einer Innenfläche 1022 der Halterung 926. Anders ausgedrückt, liegt ein Ende der Hülse 1020 an einer Oberfläche der Halterung 926 derart an, dass es keine Lücke oder Öffnung wie die in 9 dargestellte Lücke 932 gibt. Bei der in 10 dargestellten Ausführungsform bildet die Hülse eine oder mehrere Öffnungen 1024, die den inneren ringförmigen Speicher 928 fluidmäßig mit dem äußeren ringförmigen Speicher 930 verbinden, die zwischen dem Pumpenzylinder 902, der Hülse 1020 und der Halterung 926 definiert sind, wie zuvor beschrieben ist.
Eine Skizzenansicht des Pumpenzylinders 902 ist in 11 gezeigt und eine Skizzenansicht des Adapters 922 ist in 12 im Querschnitt gezeigt zur Darstellung der verschiedenen Merkmale derselben. Wie in 11 und 12 dargestellt ist, erstreckt sich jeder der mehreren in dem Kopfbereich 912 des Pumpenzylinders 912 ausgebildeten Strömungskanäle 916 entlang sowohl einer äußersten Oberfläche 1102 desselben als auch einer radial erstreckenden Oberfläche 1104. Die radial erstreckende Oberfläche 1104 kann Abschrägungen oder andere Oberflächenmerkmale aufweisen und erstreckt sich zwischen dem größeren Außendurchmesser des Kopfbereichs 912 und dem inneren, kleineren Außendurchmesser des Kopfbereichs 914, wie gezeigt ist. Auf diese Weise können Teile des Kühlkraftstoffstroms, der durch die mehreren Strömungskanäle 916 strömt, in kontinuierlichem Kontakt mit dem Pumpenzylinder 902 zum Optimieren einer Kühlung gehalten werden und können effizienter in den inneren ringförmigen Speicher 928 geleitet werden (wie in 8 bis 10 gezeigt ist).
Nun unter Zuwendung auf den Querschnitt des in 12 gezeigten Adapters 922 weist der Adapter 922 eine innere Bohrung 1202 auf, die eine Schulter 1204 bildet. Die Schulter 1204 berührt und trägt den Kopfbereich 912 des Pumpenzylinders 902, wenn er eingebaut ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Innendurchmesser 1206 des Adapters 922 angeordnet, dass er einen Presssitz mit einem Außendurchmesser der Hülse 920 (9) oder der Hülse 1020 (10) zum Vorsehen einer Stütze an diesen und zum konzentrischen Positionieren dieser um den Körperbereich 914 des Pumpenzylinders 912, der durch dieses verläuft, aufweist. Wie in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen gesehen werden kann, kann eine Dichtung zwischen verschiedenen Bereichen des Adapters 922 durch in Dichtnuten angeordnete O-Ring-Dichtungen erreicht werden, beispielsweise eine Dichtnut 1028 in abdichtendem Verhältnis zu dem Pumpengehäuse 904.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist bei einer Fluidpumpe mit einem oder mehreren hin und her bewegenden Kolben anwendbar, die ein Fluid mit Druck auf Druckniveaus beaufschlagen kann, die früher durch Verwendung bekannter Pumpensysteme nicht erreichbar waren. Die hierin offenbarten Ausführungsformen sind vorteilhaft geeignet zum Einbau in Fluidpumpen, die geeignet für einen verlängerten und zuverlässigen Betrieb unter Hochdruck-Übergangs- und Dauerzuständen sind. Pumpen entsprechend der Offenbarung sind vorteilhaft geeignet zum Erreichen von Auslassdrücken im Bereich von 1800 bis 3000 bar oder mehr. Dieser vorteilhafte Betrieb wird aufgrund des verbesserten Verwaltens der Wärme erreicht, die zwischen den Pumpenelementen übertragen wird.
Bei einem Aspekt gibt die Offenbarung ein Verfahren zum Mischen eines Kühlstroms mit einem erwärmten Ablaufstrom an. Der gemischte Strom kann um das und dann weg von dem Pumpenelement zum Vorsehen einer gleichmäßigen Temperatursteuerung des Kolbens und des Zylinders geleitet werden. Eine solche gleichmäßige Steuerung kann vorteilhaft zu einem Übereinstimmen der thermischen Ausdehnungen des Kolbens und des Zylinders sowie zum Vorsehen einer Kühlung des Kolbens und des Zylinders führen. Auf diese Weise kann der sich ergebende Betriebszwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder unter allen Dauerzustand- und Übergangsbetriebszuständen niemals Null werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Pumpe, die ungefähr 12 Mikrometer an Zwischenraum aufweist und die bei 190 MPa arbeitet, entsprechend der vorliegenden Offenbarung geändert werden, dass sie ungefähr 5 bis 6 Mikrometer an Zwischenraum aufweist und in der Lage ist, bei höheren Drücken zu arbeiten, beispielsweise bei 300 MPa.
Außerdem kann eine aktive Kühlung der Elemente, wie beispielsweise für die zweite und die dritte Ausführungsform gezeigt ist, weiter helfen, die Gesamttemperaturen des Kolbens, des Zylinders und der anderen Bauteile der Pumpe zu senken. Ferner senkt eine Reduzierung der Gesamtmasse der Zylinder der drei angegebenen Ausführungsformen die Wärmekapazität jedes Zylinders derart, dass die Temperatur des Zylinders der Temperatur des Kolbens folgt, was besonders während vorübergehender Änderungen im Betrieb der Pumpe nützlich ist.
Ein Blockdiagramm für ein Motorsystem 700 mit einer Hochdruck-(HP)-Kraftstoffpumpe 702, die funktionsfähig zu diesem gehört, ist in 7 gezeigt. Das Motorsystem 700 weist einen Verbrennungsmotor 704 auf, der mit der HP-Pumpe 702 verbunden ist. Der Motor 704 kann ein Kompressionszünder- oder Dieselmotor sein, der Luft und Kraftstoff in einer Mehrzahl von Verbrennungskammern während des Betriebs aufnimmt. Kraftstoff bei einem niedrigen Druck (LP) wird der HP-Pumpe 702 aus einem Tank oder Speicher 706 zugeführt. Der Speicher 706 ist mit einer Förder- oder Niederdruckpumpe 708 verbunden, die zum Pumpen von Kraftstoff aus dem Speicher 706 und zum Zuführen des Kraftstoffs zu der HP-Pumpe 702 durch den Zufuhreinlassanschluss 710 derselben arbeitet. Der Rücklaufauslassanschluss 712 der HP-Pumpe 702 ist mit dem Speicher 706 derart verbunden, dass LP-Kraftstoff, der die HP-Pumpe 702 verlässt, beispielsweise Kraftstoff, der den (die) ringförmigen Speicher der HP-Pumpe 702 wie oben beschrieben verlässt, zu dem Speicher 706 zurückströmt.
Während eines Betriebs des Motors 704 betreibt eine Leistungsabgabe des Motors 704 die HP-Pumpe 702. Ein mit Druck beaufschlagter Kraftstoffstrom (HP-Kraftstoff) verlässt die HP-Pumpe 702 und wird zu dem Motor 704 gefördert. Beispielsweise kann der HP-Kraftstoffstrom zu einer HP-Kraftstoffleitung 714 gefördert werden, die mit mehreren in dem Motor 704 integrierten Kraftstoffeinspritzdüsen 716 verbunden ist. Ein Strom an nicht verwendetem Kraftstoff aus den Kraftstoffeinspritzdüsen 716 kann zu dem Speicher 706 zurückströmen. Bei dieser beispielhaften Darstellung verwendet die HP-Pumpe 702 Schmieröl aus dem Motor 704 zum Schmieren innerer bewegender Bauteile, wie beispielsweise der Aktoren und Stößel (nicht gezeigt), die die Antriebswelle (nicht gezeigt) der HP-Pumpe 702 berühren. Zu diesem Zweck wirkt eine Ölzufuhrleitung 718 in Verbindung mit einer Ölrücklaufleitung 720 zum Zirkulieren eines Schmierölstroms zwischen dem Motor 704 und der HP-Pumpe 702. Man beachte, dass das Motorsystem 700, wie es hierin beschrieben ist, zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist, bei dem der Motor 704 zum Antreiben und Energieversorgen verschiedener Systeme an dem Fahrzeug angeordnet ist.
Es ist zu beachten, dass die vorstehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik angibt. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass sich andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Bezugnahmen auf Beispiele hierin sollen Bezugnahmen auf das besondere Beispiel sein, das an dieser Stelle erläutert wird, und sollen nicht irgendeine Einschränkung des Schutzumfangs der Offenbarung oder der Ansprüche im Allgemeineren bedeuten. Jede sprachliche Unterscheidung und Schmälerung bezüglich bestimmter Merkmale soll einen Mangel an Vorzügen dieser Merkmale angeben, aber nicht solche vom Schutzumfang der Ansprüche insgesamt ausschließen, sofern nicht anders angegeben.
Angaben an Wertebereichen hierin sollen lediglich als ein verkürztes Verfahren zur individuellen Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert dienen, der in diesen Bereich fällt, sofern es nicht anders hierin angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung eingeschlossen, als ob er individuell hierin angegeben wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern es nicht anders hierin angegeben oder es ansonsten klar dem Kontext widersprechen würde.
Entsprechend umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen und Äquivalente des in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands, soweit es das anwendbare Recht zulässt. Außerdem wird jede Kombination der oben beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen derselben mit einbezogen, sofern es hierin nicht anders angegeben oder es ansonsten dem Kontext klar widersprechen würde.
Zusammenfassung
PUMPENELEMENT FÜR EINE FLUIDPUMPE UND VERFAHREN
Ein Pumpenelement (900) zum Druckbeaufschlagen eines Fluids innerhalb einer Fluidpumpe (100) weist ein um das Pumpenelement (900) angeordnetes Kraftstoffpumpengehäuse (904) auf. Ein Kolben (908) bewegt sich innerhalb einer in einem Zylinder (122) definierten Bohrung (906) hin und her, die eine Druckbeaufschlagungskammer (910) definiert, in der Fluid mit Druck beaufschlagt wird. Ein Weg für einen Strom (409) ist zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906) definiert. Der Weg für den Strom (409) erlaubt, dass Fluid aus der Druckbeaufschlagungskammer (910) während des Druckbeaufschlagens des Fluids strömt. Eine zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906) ausgebildete Sammelkammer ist an die Bohrung (906) angrenzend angeordnet. Wenigstens eine in dem Zylinder (122) definierte Ablauföffnung ist mit der Sammelkammer fluidmäßig verbunden und ein zwischen dem Zylinder (122) und dem Kraftstoffpumpengehäuse (904) definierter ringförmiger Speicher (306) ist zum Aufnehmen von Fluid über die wenigstens eine Ablauföffnung angeordnet.

Claims

Fluidpumpe (100), mit einem Kraftstoffpumpengehäuse (904), einem innerhalb einer in einem Zylinder (914) definierten Bohrung (906) hin und her bewegbar angeordneten Kolben (908), wobei der Kolben (908) und der Zylinder (914) wenigstens teilweise eine Druckbeaufschlagungskammer (910) definieren, in der Fluid mit Druck beaufschlagt wird, einem zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906) definierten Strömungsweg, wobei der Strömungsweg erlaubt, dass Fluid aus der Druckbeaufschlagungskammer (910) während einer Druckbeaufschlagung von darin befindlichen Fluid strömt, einer zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906) ausgebildeten Sammelkammer, wobei die Sammelkammer an die Bohrung (906) angrenzend angeordnet ist, wenigstens einer in dem Zylinder (914) definierten Ablauföffnung, wobei die wenigstens eine Ablauföffnung mit der Sammelkammer fluidmäßig verbunden ist, und einem zwischen dem Zylinder (914) und dem Kraftstoffpumpengehäuse (904) definierten ringförmigen Speicher (306), wobei der ringförmige Speicher (306) zum Aufnehmen von Fluid über die wenigstens eine Ablauföffnung angeordnet ist.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 1, bei der der ringförmige Speicher (406) in dem Zylinder (422) ausgebildet ist.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 1, bei der der ringförmige Speicher (838) in dem Kraftstoffpumpengehäuse (828) ausgebildet ist.
Fluidpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1–3, weiter mit mehreren länglichen, in dem Zylinder (522) definierten Durchlässen (602), wobei sich die mehreren länglichen Durchlässe (602) parallel zu der Bohrung (538) erstrecken und symmetrisch um die Bohrung (538) angeordnet sind, und mehreren Zwischendurchlässen (510), wobei jeder Zwischendurchlass die mehreren länglichen Durchlässe (602) mit dem ringförmigen Speicher (518) fluidmäßig verbindet.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 4, weiter mit einer in dem Zylinder (522) definierten Ablenkung (606), wobei sich die Ablenkung (606) entlang eines Bereichs (604) einer distalen Seite des Zylinders (522) erstreckt und die Ablenkung die mehreren länglichen Durchlässe (602) fluidmäßig miteinander verbindet.
Fluidpumpe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der ringförmige Speicher (306) wenigstens teilweise durch einen Kanal (318) definiert ist, wobei der Kanal (318) in Umfangsrichtung um einen Bereich (130) des Zylinders (122) mit verringertem Durchmesser ausgebildet ist und sich radial nach innen in Richtung zu der Bohrung (304) erstreckt, und bei der sich der Bereich (130) mit verringertem Durchmesser zwischen einem Ende des Zylinders (122) und einem Kopfbereich (314) des Zylinders (122) erstreckt, wobei der Bereich (130) mit verringertem Durchmesser einen Körperbereich (308) des Zylinders (122) definiert.
Fluidpumpe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter mit einer Hülse (1020) und einem Adapter (922), der an dem Zylinder (914) anliegt, wobei die Hülse (1020) eine insgesamt zylindrische Form aufweist, konzentrisch um den Zylinder (914) angeordnet ist und mit dem Adapter (922) verbunden ist.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 7, weiter mit einer um die Hülse (1020) und den Zylinder (914) angeordneten Halterung (926), wobei die Halterung (926) eine innere zylindrische konzentrisch um die Hülse (1020) angeordnete Fläche bildet, bei der ein innerer ringförmiger Speicher (928) zwischen dem Zylinder (914) und der Hülse (1020) definiert ist, bei der ein äußerer ringförmiger Speicher (930) wenigstens teilweise zwischen der Hülse (1020) und der inneren zylindrischen Fläche der Halterung (926) definiert ist, und bei der der innere ringförmige Speicher (928) über eine zwischen der Halterung (926) und einem Ende der Hülse (1020) definierte Lücke (932) mit dem äußeren ringförmigen Speicher (930) fluidmäßig verbunden ist.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 8, bei der der innere ringförmige Speicher (928) fluidmäßig mit einem Zufuhrdurchlass (936) verbunden ist, der einen Kühlfluidstrom zuführt, und bei der der Zufuhrdurchlass (936) in dem Kraftstoffpumpengehäuse (904) ausgebildet ist.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 9, bei der der Adapter (922) eine Einlassöffnung (938), die zum fluidmäßigen Verbinden des Zufuhrdurchlasses (936) mit dem inneren ringförmigen Speicher (928) ausgebildet ist, und eine Auslassöffnung (958), die den äußeren ringförmigen Speicher (938) fluidmäßig mit einem in dem Kraftstoffpumpengehäuse (904) ausgebildeten Rücklaufdurchlass (954) verbindet, ausbildet.
Fluidpumpe (100) nach Anspruch 8, bei der ein Weg für den Kühlfluidstrom an dem Zufuhrdurchlass (936) beginnt, an einem Rücklaufdurchlass (954) endet und sich durch den inneren ringförmigen Speicher (928) und den äußeren ringförmigen Speicher (930) erstreckt.
Fluidpumpe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Funktion der Fluidpumpe (100) umfasst: Druckbeaufschlagen von Fluid innerhalb der Druckbeaufschlagungskammer (910), Strömenlassen einer Menge an Kraftstoff aus der Druckbeaufschlagungskammer (910) und entlang eines Zwischenraums zwischen dem Kolben (908) und der Bohrung (906), Sammeln der entlang des Zwischenraums in die Sammelkammer strömenden Fluidmenge, Leiten eines Fluidstroms aus der Sammelkammer durch die wenigstens eine Ablauföffnung (918), Sammeln des Fluidstroms aus der wenigstens einen Ablauföffnung (918) in dem ringförmigen Speicher, Zuführen eines Kühlfluidstroms in den ringförmigen Speicher, Mischen des Kühlfluidstroms mit dem Fluidstrom aus der Sammelkammer zum Bilden einer Mischung in dem ringförmigen Speicher (928), und Abführen von Wärme von dem Kolben (918) durch Entfernen der Mischung aus dem ringförmigen Speicher (928).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Funktion der Fluidpumpe (100) weiter aktives Kühlen des Zylinders (914) konvektiv mit dem Kühlfluidstrom umfasst.