EP3631189B1

EP3631189B1 - Kraftstoff-hochdruckpumpe, sowie kraftstoff-filtereinrichtung

Info

Publication number: EP3631189B1
Application number: EP18719108.5A
Authority: EP
Inventors: Guido Bredenfeld
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: WO2018219548A1; DE102017209293A1; EP3631189A1; ES2929775T3

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Kraftstoff-Hochdruckpumpen sowie Kraftstoff-Filtereinrichtungen nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Die DE 10 2014 225 319 A1 beschreibt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Gehäuse, einem Einlass, einem Förderabschnitt, und einem Auslass. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist als Kolbenpumpe ausgebildet, entsprechend umfasst der Förderabschnitt einen Pumpenkolben. Zwar ist eine Kraftstoff-Filtereinrichtung in der DE 10 2014 225 319 A1 nicht explizit erwähnt, eine solche ist jedoch üblicherweise vorhanden, um im Kraftstoff vorhandene Verunreinigungen von empfindlichen Bereichen der Kraftstoff-Hochdruckpumpe fernzuhalten. Üblicherweise ist die Filtereinrichtung in der Art eines zylindrischen Topfs ausgebildet, wobei der Filterabschnitt von außen nach innen durchströmt wird und der Kraftstoff durch den ringförmigen Basisabschnitt aus der Filtereinrichtung ausströmt.
Aus der EP 1126162 A1 ist ein Magnetventil zur Regelung des Kraftstoff-Förderdrucks einer Brennkraftmaschine bekannt, das Kraftstofffiltermittel aufweist.
Aus der DE 10 2013 201897 A1 ist ein Ventil zum Zumessen von Fluid bekannt, das einen von einem Fluidzulauf zu einer Zumessöffnung führenden Strömungskanal für das Fluid und eine im Strömungskanal angeordnete, vom Fluid durchströmte Filtervorrichtung aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch Kraftstoff-Hochdruckpumpen sowie Kraftstoff-Filtereinrichtungen mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst.
Eine nicht erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe umfasst ein Pumpengehäuse, einen Einlass, eine Kraftstoff-Filtereinrichtung, einen Förderabschnitt und einen Auslass. Die Kraftstoff-Filtereinrichtung weist einen ringförmigen Basisabschnitt und einen sich von dieser aus erstreckenden insgesamt mindestens in etwa zylindrischen Filterabschnitt auf. Der Filterabschnitt wiederum weist eine Mehrzahl von Stegabschnitten auf, die sich in Längsrichtung vom Basisabschnitt aus erstrecken. Jeweils zwischen zwei benachbarten Stegabschnitten ist ein Siebabschnitt angeordnet. Zu der Kraftstoff-Filtereinrichtung gehört ferner ein vom Basisabschnitt in Längsrichtung gesehen entfernt angeordneter kappenartiger Endabschnitt. Ein zum Basisabschnitt benachbarter erster Randbereich des Siebabschnitts und/oder ein zum Endabschnitt benachbarter zweiter Randbereich des Siebabschnitt sind/ist von einem in der Ebene einer Mantelfläche des zylindrischen Filterabschnitts liegenden Zentrum des Siebabschnitts aus gesehen zu diesem Zentrum hin konkav gekrümmt.
Die nicht erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe weist gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Lebensdauer und Zuverlässigkeit auf, sowie eine über die Lebensdauer gesehen verbesserte Pumpleistung. Dies wird erreicht, indem die Stegabschnitte in den axialen Randbereichen der Siebabschnitte verstärkt ausgeführt werden, indem sie in Umfangsrichtung gesehen breiter ausgeführt sind. Dies wird wiederum dadurch bewirkt, dass der erste axiale Randbereich bzw. der zweite axiale Randbereich eines Siebabschnitts vom Zentrum des Siebabschnitts aus gesehen konkav gekrümmt ist. Insgesamt werden auf diese Weise in der Draufsicht abgerundete Randbereiche eines Siebabschnitts realisiert. Es versteht sich dabei, dass die konkave Krümmung, die hier gemeint ist, nicht jene ohnehin vorhandene in Umfangsrichtung verlaufende Krümmung um eine Längsachse der Kraftstoff-Filtereinrichtung ist. Vielmehr liegt die hier gemeinte konkave Krümmung quasi in der Ebene einer zylindrischen Mantelfläche der Kraftstoff-Filtereinrichtung und verläuft sozusagen in axialer Richtung.
Die nicht erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe sowie die entsprechende Kraftstoff-Filtereinrichtung basieren auf der Erkenntnis, dass bei einer Durchströmung der Kraftstoff-Filtereinrichtung von außen nach innen, wie sie bei zahlreichen Kraftstoff-Hochdruckpumpen vorliegt, die Gefahr besteht, dass ein Siebabschnitt, der von einer Längsachse der Kraftstoff-Filtereinrichtung aus gesehen eigentlich nach außen gekrümmt ist, nach innen klappt.Dies gilt insbesondere dann, wenn sich auf dem Siebabschnitt Schmutzpartikel angelagert haben. Auch hierdurch kommt es zu einer erheblichen Biegebelastung der Stegabschnitte vor allem in jenen Bereichen, die zum Basisabschnitt bzw. zum Endabschnitt benachbart sind, wodurch die Gefahr eines Bruchs eines Stegabschnitts in diesen Bereichen erhöht wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn es durch Lastwechsel zu einem Hin- und Her-Klappen eines Siebabschnitts kommt. Dies sind jedoch genau jene Bereiche, die aufgrund der erfindungsgemäßen Auslegung nunmehr breiter und somit verstärkt sind, wodurch eine Bruchgefahr in diesen Bereichen wiederum reduziert wird.
Zwar wird durch die Maßnahme die für die Durchströmung zur Verfügung stehende Fläche eines Siebabschnitts reduziert. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich diese Reduktion nur geringfügig bzw. vernachlässigbar auf den Wirkungsgrad bzw. die Pumpleistung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe auswirkt.
In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der erste und/oder der zweite Randbereich elliptisch oder parabolisch oder kreisförmig gekrümmt sind. Eine elliptische oder parabolische Krümmung hat den Vorteil, dass hierdurch die Verbreiterung der Stegabschnitte in der unmittelbaren Nachbarschaft zum Basisabschnitt und/oder zum Endabschnitt besonders groß ist. Wird eine Ellipse als Basisgeometrie verwendet, kann sie aus einem Kegel- oder Zylinderschnitt erzeugt sein.
Ferner ist möglich, dass, in Längsrichtung gesehen, die Länge des gekrümmten ersten Randbereichs, der also zu dem Basisabschnitt benachbart ist, größer ist als die Länge des gekrümmten zweiten Randbereichs, der also zu dem Endabschnitt benachbart ist. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass dann, wenn der entsprechende Siebabschnitt aufgrund der Durchströmung von außen nach innen nach innen klappt, jener Bereich des Siebabschnitts, der dann den geringsten Abstand zur Längsachse der Kraftstoff-Filtereinrichtung aufweist und damit am stärksten drosselt, nicht in der Mitte zwischen dem Basisabschnitt und dem Endabschnitt liegt, sondern zum Endabschnitt hin verschoben ist, also näher zum Endabschnitt liegt als zum Basisabschnitt. Somit steht für das Abströmen des Kraftstoffs aus der Kraftstoff-Filtereinrichtung ein insgesamt größerer Querschnitt zur Verfügung, wodurch das Gesamtdruckgefälle über die Kraftstoff-Filtereinrichtung reduziert wird.
Besonders vorteilhaft ist ferner, wenn ein seitlicher Übergangsbereich zwischen einem Stegabschnitt und dem Endabschnitt und/oder dem Basisabschnitt, von außen gesehen, konkav ist. Dort, wo bei den Kraftstoff-Filtereinrichtungen des Standes der Technik relativ scharfe Kerben vorhanden waren, werden erfindungsgemäß also kerbreduzierende Radien eingesetzt, wodurch örtliche Spannungen reduziert werden, was die Lebensdauer der Kraftstoff-Filtereinrichtung erhöht. Dies ist insbesondere wegen der erfindungsgemäß vorgesehenen konkaven Krümmung des ersten und des zweiten Randbereichs möglich.
Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist zunächst grundsätzlich identisch aufgebaut wie die oben erwähnte nicht erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe. Jedoch ist der Siebabschnitt der Kraftstoff-Filtereinrichtung im Normalzustand anders als bei der ersten erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckpumpe nicht nach radial außen gekrümmt, sondern insgesamt im Wesentlichen flach eben, so dass der Filterabschnitt einen insgesamt mehreckigen Querschnitt aufweist. Ein solcher Siebabschnitt kann prinzipbedingt auch bei höchster Druckbelastung beispielsweise durch auf dem Siebabschnitt angelagerte Schmutzpartikel nicht nach innen klappen, wodurch die ansonsten bei einem nach innen Klappen hervorgerufene Verringerung des möglichen Ausströmquerschnitts und die hierdurch hervorgerufene Erhöhung des Durchströmwiderstands ausbleiben.
Hierbei gilt, dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme die für die Durchströmung zur Verfügung stehende Fläche eines Siebabschnitts gegenüber einem radial nach außen gewölbten Siebabschnitt reduziert ist. Wiederum hat sich jedoch herausgestellt, dass in der Praxis diese Reduktion den Wirkungsgrad bzw. die Pumpleistung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe kaum beeinflusst.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: einen ersten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe;
Figur 2: einen zweiten Längsschnitt durch die Kraftstoff-Hochdruckpumpe von Figur 1 längs einer Linie II-II;
Figur 3: eine perspektivische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Kraftstoff-Filtereinrichtung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe der Figuren 1 und 2;
Figur 4: einen Schnitt durch einen Endabschnitt der Kraftstoff-Filtereinrichtung von Figur 3; und
Figur 5: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Filtereinrichtung.

Eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe trägt in den Figuren 1 und 2 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Pumpengehäuse 12, welches im Wesentlichen zylindrische bzw. rotationssymmetrische Form hat. In einer Seitenwand des Pumpengehäuses 12 ist, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ein Einlass 14 durch einen Einlassstutzen 16 gebildet, der mit dem Pumpengehäuse 12 verschweißt ist. Vom Einlass 14 verläuft in dem Pumpengehäuse 12 ein erster Fluidkanalabschnitt 18 in radialer Richtung nach innen. Er geht über in einen zweiten Fluidkanalabschnitt 20, der im Pumpengehäuse 12 in axialer Richtung nach oben verläuft, bis zu einer Druckdämpfereinrichtung 22. Bei dieser handelt es sich um einen Membrandämpfer, der hier nicht weiter beschrieben wird. Die Druckdämpfereinrichtung 22 ist in einem Dämpferraum 24 aufgenommen, der zwischen einer oberen Stirnseite 26 des Pumpengehäuses 12 und einem auf das Pumpengehäuse 12 aufgeschweißten Gehäusedeckel 28 gebildet ist. Der Fluidkanalabschnitt 20 mündet in den Dämpferraum 24.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, erstreckt sich von der oberen Stirnseite 26, also vom Dämpferraum 24 weg, ein dritter Fluidkanalabschnitt 30 bis vor ein Einlassventil 32, welches als Mengensteuerventil ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Einlassventil 32 auf hier nicht näher beschriebene Art und Weise zwangsweise in einer Offenstellung gehalten werden kann. Grundsätzlich ist das Einlassventil 32 als Rückschlagventil ausgebildet, welches zu einem Förderraum 34 hin öffnet. Der Förderraum 34 wird im Wesentlichen begrenzt durch eine Wand einer sich axial im Pumpengehäuse 12 erstreckenden Sackbohrung (ohne Bezugszeichen) sowie einen Pumpenkolben 36. Der Pumpenkolben 36 ist in einer Kolbenbuchse (ohne Bezugszeichen) im Gleitsitz und in axialer Richtung bewegbar geführt. Der Förderraum 34 und der Pumpenkolben 36 bilden insgesamt einen Förderabschnitt 38.
Vom Förderraum 34 zweigt in radialer Richtung ein vierter Fluidkanalabschnitt 40 ab, der über ein als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 42 zu einem Auslassstutzen 44 führt, welche einen Auslass 46 bildet. Der Auslassstutzen 44 ist an die Seitenwand des Pumpengehäuses 12 angeschweißt. Ein zwischen dem Auslassventil 42 und dem Auslassstutzen 44 gelegener Raum (ohne Bezugszeichen) ist über ein Druckbegrenzungsventil 48 mit dem Förderraum 34 verbindbar.
Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine. Zum Einlass 14 wird Kraftstoff bei relativ niedrigem Druck durch eine Vorförderpumpe gefördert. Vom Auslass 46 wird Kraftstoff unter relativ hohem Druck zu einem Kraftstoffrail gefördert, an welches Injektoren angeschlossen sind, die den Kraftstoff in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Dabei gelangt der Kraftstoff durch den Einlass 14 zunächst zur Druckdämpfereinrichtung 22 und von dort über das Einlassventil 32 zum Förderraum 34, wo er auf einen hohen Druck verdichtet und über den Auslass 46 ausgestoßen wird. Die Strömungsrichtung im ersten Fluidkanalabschnitt 18 und im zweiten Fluidkanalabschnitt 20 ist in Figur 1 durch einen Pfeil 49 angedeutet.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist im ersten Fluidkanalabschnitt 18 eine Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 angeordnet. Diese ist insgesamt topfartig ausgebildet und umfasst einen ringförmigen Basisabschnitt 52, der vorliegend aus Messing hergestellt ist und der über einen Presssitz in dem ersten Fluidkanalabschnitt 18 gehalten, also in den ersten Fluidkanalabschnitt 18 eingepresst ist. Von dem ringförmigen Basisabschnitt 52 erstreckt sich in axialer Richtung des ringförmigen Basisabschnitts 52 gesehen und in Figur 1 axial nach unten vom Dämpferraum 24 weg ein in etwa zylindrischer bzw. topfförmiger Filterabschnitt 54. Der Filterabschnitt 54 ist vorliegend aus PPS-Kunststoff hergestellt. Er umfasst insgesamt drei Stegabschnitte 56, welche in axialer Richtung des Basisabschnitts 52 vom Basisabschnitt 52 abragen. Zwischen zwei benachbarten Stegabschnitten 56 ist jeweils ein Siebabschnitt 58 vorhanden, der durch ein siebartiges Filtermittel gebildet wird. Die in Figur 1 unteren abragenden Enden der Stegabschnitte 56 sind durch einen ringförmigen und nach oben hin geschlossenen kappenartigen Endabschnitt 60, die ebenfalls aus PPS-Kunststoff hergestellt ist, miteinander verbunden. Der Endabschnitt 60 ist also vom Basisabschnitt 52 entfernt angeordnet . In einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte die Filtereinrichtung 50 auch insgesamt aus Kunststoff hergestellt sein.
Man erkennt aus der Darstellung in Figur 1, dass sich der Filterabschnitt 54 vom Basisabschnitt 52 aus gesehen in etwa entgegen der Strömungsrichtung (Pfeil 49) des Kraftstoffs erstreckt. Dies bedeutet, dass der Kraftstoff von radial außen nach radial innen durch die Siebabschnitte 58 hindurchtritt und dann nach axial oben durch den Basisabschnitt 52 aus der Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 ausströmt.
Nun wird die Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 in einem Beispiel stärker im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 erläutert. Eine Längsachse der Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 trägt in Figur 3 das Bezugszeichen 62. Der Basisabschnitt 52 hat einen größeren Außendurchmesser als der Filterabschnitt 54. Der in Figur 3 sichtbare Siebabschnitt 58 hat zwei parallel zur Längsachse 62 verlaufende, in Umfangsrichtung des Filterabschnitts 54 gesehen um einen Abstand a voneinander beabstandete und gerade verlaufende seitliche Längsränder 64. Ein erster axialer Randbereich 66 des Siebabschnitts 58 ist zum Basisabschnitt 52 benachbart, ein zweiter axialer Randbereich 68 des Siebabschnitts 58 ist zum Endabschnitt 60 benachbart.
Der erste Randbereich 66 ist von einem auf einer gedachten zylindrischen Mantelfläche des Filterabschnitts 54 gelegenen Zentrum 70 des Siebabschnitts 58 aus gesehen zu diesem Zentrum 70 hin konkav, nämlich elliptisch gekrümmt. In einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte der erste Randbereich auch parabolisch oder kreisförmig gekrümmt sein. Auch der zweite Randbereich 68 ist von dem Zentrum 70 des Siebabschnitts 58 ausgesehen zu diesem Zentrum 70 hin konkav, nämlich wiederum elliptisch gekrümmt. Wiederum könnte in einer nicht dargestellten Ausführungsform auch der zweite Randbereich parabolisch oder kreisförmig gekrümmt sein. Eine Erstreckung des ersten Randbereichs 66 in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse 62, ist in Figur 3 mit l₆₆ bezeichnet, eine Erstreckung des zweiten Randbereichs 68 in axialer Richtung, also ebenfalls in Richtung der Längsachse 62, ist mit l₆₈ bezeichnet. Man erkennt aus Figur 3, dass die Länge l₆₆ des gekrümmten ersten Randbereichs 66 größer ist als die Länge l₆₈ des gekrümmten zweiten Randbereichs 68.
Durch die gekrümmten Randbereiche 66 und 68 verfügen die zu diesen Randbereichen 66 und 68 benachbarten Stegabschnitte 56 jeweils über einen verbreiterten Bereich, der in Figur 3 beispielhaft für den dort sichtbaren unteren Stegabschnitte 56 schraffiert gezeichnet ist und der dort das Bezugszeichen 72 trägt. Wie aus Figur 3, jedoch insbesondere aus Figur 4 ersichtlich ist, sind auch seitliche Übergangsbereiche 74 zwischen den Stegabschnitten 56 und dem Endabschnitt 60 sowie zwischen den Stegabschnitten 56 und dem Basisabschnitt 52, von radial außen gesehen, konkav abgerundet ausgeführt. Ebenso sind seitliche Übergangsbereiche 76, mit denen die Stegabschnitte 56 in einen konischen Übergangsbereich 78 , der zwischen dem Filterabschnitt 54 und dem Basisabschnitt 52 vorhanden ist, hinein laufen, von radial außen gesehen konkav abgerundet ausgeführt.
Besonders vorteilhaft sind bei der in Figur 3 gezeigten Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 folgende Dimensionierungen. Dabei wird mit a eine abgewickelte Länge des Siebabschnitts 58 in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Stegabschnitten 56 bezeichnet. Mit b wird eine Breite eines Stegabschnitts 56 in Umfangsrichtung bezeichnet (bei einer Ausführungsform, bei der ein Stegabschnitt eine andere Breite hat als ein anderer Stegabschnitt, bezeichnet b die Breite des in Umfangsrichtung dünnsten Stegabschnitts). Mit I wird eine Gesamtlänge eines Siebabschnitts 58 gemessen in Längsrichtung 62 bezeichnet.
Der Verlauf des ersten Randbereichs 66 kann einer Ellipse folgen, deren Ausdehnung in Längsrichtung 62 der Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 gesehen zwischen 0,1 und 1 mal l beträgt, und deren Ausdehnung in Umfangsrichtung zwischen 0,1 und 0,5 mal a beträgt. Ferner kann der Verlauf des ersten Randbereichs 66 einem Radius folgen mit einem Radius-Maß im Bereich von 0,1-0,5 mal a. Eine Verrundung des ersten Randbereichs 66 zu den Stegabschnitten 56 sowie zum Basisabschnitt 52 hin kann erfolgen wahlweise durch einen Radius im Bereich von 0,1-0,5 mal a oder durch eine Ellipse, deren Haupt- oder Nebenscheitel kleiner als a ist.
Die oben für den ersten Randbereich 66 genannten Dimensionierungsregeln können in gleicher Weise auch auf den zweiten Randbereich 68 angewendet werden.
Für die seitlichen Übergangsbereiche 74 und 76 gilt, dass deren Rundung bei Verwendung eines Radius im Bereich von 0,1-0,5 mal a liegen kann. Bei Verwendung einer ellipsenförmigen Rundung können der Haupt- oder Nebenscheitel keiner als 0,5 mal a sein. Weitere Verrundungen von Kanten der Stegabschnitte 56 können in der gleichen Weise durchgeführt werden.
Nun wird auf die in Figur 5 gezeigte erfindungdgemäße Ausführungsform einer Kraftstoff-Filtereinrichtung 50 Bezug genommen. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen der ersten Ausführungsform aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie werden nachfolgend nicht nochmals im Detail erläutert.
Man erkennt aus Figur 5, dass bei der dort gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform die Siebabschnitte 58 in der Normallage nicht nach außen gekrümmt ausgebildet sind (in Figur 5 gestrichelt dargestellt), sondern als gerade, ebene und flache Siebabschnitte 58 ausgebildet sind. Hierdurch wird ein Filterabschnitt 54 gebildet, der einen insgesamt mehreckigen, bei der Ausführungsform der Figur 5 dreieckigen Querschnitt aufweist.

Claims

Kraftstoff-Filtereinrichtung (50) , mit einem ringförmigen Basisabschnitt (52) und einem sich von diesem aus erstreckenden insgesamt zylindrischen Filterabschnitt (54), wobei der Filterabschnitt (54) eine Mehrzahl von sich in einer Längsrichtung (62) vom Basisabschnitt (52) aus erstreckenden Stegabschnitte (56), jeweils zwischen zwei benachbarten Stegabschnitten (56) einen Siebabschnitt (58), und einen vom Basisabschnitt (52) in Längsrichtung (62) gesehen entfernt angeordneten Endabschnitt (60) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Siebabschnitt (58) insgesamt im Wesentlichen flach eben ist, so dass der Filterabschnitt (54) einen insgesamt mehreckigen Querschnitt aufweist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (10), mit einem Pumpengehäuse (12), einem Einlass (14) und einer Kraftstoff-Filtereinrichtung (50) nach Anspruch 1.