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Title:
HIGH-PRESSURE DELIVERY PUMP AND FUEL DELIVERY DEVICE FOR CRYOGENIC FUELS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/179674
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a high-pressure delivery pump (1) for cryogenic fuels, comprising a pump housing (2), in which a stepped longitudinal bore (17) is formed. A suction chamber (50) is formed in the longitudinal bore (17), which suction chamber can be connected to a high-pressure chamber (12) by means of at least one connecting channel (26). A suction valve element (140) is arranged in the high-pressure chamber (12) for opening and closing the at least one connecting channel (26). Furthermore, a reciprocating pump piston (4) is guided in the longitudinal bore (17) and an end region (46) of the pump piston (4) delimits the high-pressure chamber (12). Moreover, the pump piston (4) has a recess (20) in the end region (46), in which recess the suction valve element (140) is at least partially received. In addition, a sealing gap (22) is formed between the longitudinal bore (17) and the pump piston (4) with respect to a longitudinal axis (8) of the pump housing (2), and at least part of a wall (21) of the recess (20) is arranged at the height of said sealing gap (22).

More Like This:
JPH08312526FLUID PUMP
WO/2018/044857HIGH PRESSURE FUEL GAS PUMP
Inventors:
WESSNER, Jochen (Katharinenstr. 63, Esslingen, 73728, DE)
KATZ, Martin (Otto-Herrmann-Weg 26, Stuttgart, 70469, DE)
Application Number:
EP2019/051641
Publication Date:
September 26, 2019
Filing Date:
January 23, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F04B15/08; F02M21/02; F02M37/06; F02M59/10; F02M59/12; F02M59/44; F02M59/46; F04B53/14
Foreign References:
DE102008043839A12010-05-20
DE19848035A12000-04-20
US3220202A1965-11-30
JP2010229898A2010-10-14
US20020189589A12002-12-19
DE102016210731A12017-12-21
DE102017219341A2017-10-27
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Claims:
Ansprüche

1. Hochdruckförderpumpe (1) für kryogene Kraftstoffe mit einem

Pumpengehäuse (2), in dem eine stufenförmige Längsbohrung (17) ausgebildet ist, in dem ein Ansaugraum (50) ausgebildet ist, der mittels mindestens eines Verbindungskanals (26) mit einem Hochdruckraum (12) verbindbar ist, wobei zum Öffnen und Schließen des mindestens einen Verbindungskanals (26) in dem Hochdruckraum (12) ein Saugventilelement (140) angeordnet ist, und in der Längsbohrung (17) ein hubbeweglicher Pumpenkolben (4) geführt ist und ein Endbereich (46) des Pumpenkolbens (4) den Hochdruckraum (12) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (4) im Endbereich (46) eine Ausnehmung (20) aufweist, in dem das Saugventilelement (140) zumindest teilweise aufgenommen ist, wobei ein Dichtspalt (22) bezüglich einer Längsachse (8) des

Pumpengehäuses (2) zwischen der Längsbohrung (17) und dem

Pumpenkolben (4) ausgebildet und zumindest ein Teil einer Wandung (21) der Ausnehmung (20) auf Höhe dieses Dichtspalts (22) angeordnet ist.

2. Hochdruckförderpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Ausnehmung (20) gebildete Wandung (21) des

Pumpenkolbens (4) durch den Druck des kryogenen Kraftstoffs elastisch verformbar ist, um den Dichtspalt (22) durch den Innendruck der Wandung (21) zu verkleinern.

3. Hochdruckförderpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) als Sacklochbohrung von einer Stirnseite (70) des Pumpenkolbens (4) ausgeht, wobei die

Stirnseite (70) in Richtung des Saugventilelements (140) weist.

4. Hochdruckförderpumpe (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) des Pumpenkolbens (4) konisch ausgebildet ist.

5. Hochdruckförderpumpe (1) nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) des Pumpenkolbens (4) zylindrisch ausgebildet ist.

6. Hochdruckförderpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventilelement (140) mit einem Dichtsitz (25) ein Säugventil (14) ausbildet.

7. Hochdruckförderpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (25) konisch ausgebildet ist.

8. Hochdruckförderpumpe (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch

gekennzeichnet, dass das Saugventilelement (140) mittels einer Feder (5) mit einer Kraft in Richtung des Dichtsitzes (25) beaufschlagt ist.

9. Hochdruckförderpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkolben (4) mittels einer Feder (47) mit einer Kraft entgegen der Richtung des Ansaugraums (50) beaufschlagt ist.

10. Kraftstofffördereinrichtung (100) für kryogene Kraftstoffe mit einem Tank (30), einer Hochdruckförderpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Zulaufleitung (18), über welche Zulaufleitung (18) der Hochdruckförderpumpe (1) kryogener Kraftstoff aus dem Tank (30) in den Ansaugraum (50) zuführbar ist.

11. Kraftstofffördereinrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch

gekennzeichnet, dass in dem Tank (30) eine weitere Förderpumpe (34) angeordnet ist, welche Kraftstoff aus dem Tank (30) über die Zulaufleitung (18) in den Ansaugraum (50) der Hochdruckförderpumpe (1) fördert.

Description:
Beschreibung

Hochdruckförderpumpe und Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckförderpumpe und eine

Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese finden beispielsweise Anwendung bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit einem kryogenen Kraftstoff-Antrieb, insbesondere mit Erdgas.

Stand der Technik

In der nichtvorveröffentlichten Schrift DE 10 2017 219 341 Al wird ein

Kolbenverdichter zum Verdichten eines kryogenen Kraftstoffs beschrieben, der einen in einer Bohrung eines Zylinders hin und her beweglichen Kolben umfasst. Der Kolben begrenzt innerhalb der Bohrung einen mit einem Arbeitsfluid, beispielsweise dem kryogenen Kraftstoff, befüllbaren Kompressionsraum.

Weiterhin ist innenumfangsseitig im Zylinder eine umlaufende Ringnut ausgebildet, in der eine Leckageminimierungshülse aufgenommen ist.

Durch die Hubbewegung des Kolbens wird der kryogene Kraftstoff in dem Zylinder komprimiert. Dadurch entsteht jedoch eine Leckage über einen Spalt zwischen dem Zylinder und dem Kolben, was den Wirkungsgrad des

Kolbenverdichters verschlechtert. Daher ist in diesem Spalt in der DE 10 2017 219 341 Al eine Leckageminimierungshülse angeordnet, so dass bedingt durch die Druckverhältnisse während des Betriebs diese sich zusammenzieht und so den Spalt zwischen dem Zylinder und dem Kolben verringert.

Die Leckageminimierungshülse muss dabei jedoch so vom Druck beaufschlagt werden, dass diese sich auch auf die Weise zusammenziehst, so dass der Spalt verringert wird. Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckförderpumpe bereitzustellen, bei der auch ohne Einsatz einer Leckageminimierungshülse Leckage im Spalt minimiert wird. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Hochdruckförderpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber Vorteil auf, dass ohne zusätzliches Bauteil eine Minimierung der Leckage zwischen dem Zylinder und dem Pumpenkolben erzielt wird und so der Wirkungsgrad der

Hochdruckförderpumpe optimiert wird.

Dazu weist die Hochdruckförderpumpe für kryogene Kraftstoffe ein

Pumpengehäuse auf, in dem eine stufenförmige Längsbohrung ausgebildet ist. Darin ist wiederum ein Ansaugraum ausgebildet, der mittels mindestens einem Verbindungskanal mit einem Hochdruckraum verbindbar ist. Zum Öffnen und Schließen des mindestens einen Verbindungskanals ist weiterhin in dem Hochdruckraum ein Saugventilelement angeordnet. In der Längsbohrung ist ein hubbeweglicher Pumpenkolben geführt und ein Endbereich des Pumpenkolbens begrenzt dabei den Hochdruckraum. Darüber hinaus weist der Pumpenkolben im Endbereich eine Ausnehmung auf, in dem das Saugventilelement zumindest teilweise aufgenommen ist, wobei zumindest ein Teil einer Wandung der Ausnehmung auf Höhe eines Dichtspalts bezüglich einer Längsachse des Pumpengehäuses zwischen der Längsbohrung und dem Pumpenkolben angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die Wandung des Pumpenkolbens durch den Druck des kryogenen Kraftstoffs elastisch verformbar, um den Dichtspalt durch den Innendruck der Wandung zu verkleinern.

So kann der Dichtspalt durch die Verformung der Wandung den Dichtspalt verkleinern oder sogar abdichten, um die Leckage zwischen der Längsbohrung und dem Pumpenkolben zu minimieren und so eine gute Funktionsweise der Hochdruckförderpumpe zu erzielen.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist die Ausnehmung des Pumpenkolbens konisch ausgebildet. So kann diese an die Form des Ansaugventilelements angepasst werden, so dass eine optimale Aufnahme des Ansaugventilelements erfolgt und damit ein optimales Zusammenspiel der Funktionsweise von Ansaugventilelement und Pumpenkolben. In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Ausnehmung als Sacklochbohrung von einer Stirnseite des Pumpenkolbens ausgeht. Die

Stirnseite weist dabei in Richtung des Saugventilelements.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Ausnehmung des Pumpenkolbens zylindrisch ausgebildet ist. So kann die Wandung durch den Innendruck in einfacher und optimierter Weise den

Dichtspalt verkleinern und so die Leckage reduzieren.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Saugventilelement mit einem Dichtsitz ein Säugventil ausbildet. Vorteilhafterweise ist der Dichtsitz konisch ausgebildet. So wird eine verbesserte Funktion des Säugventils in der Hochdruckförderpumpe und damit eine Optimierung der Dichtheit am Dichtsitz erzielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Saugventilelement mittels einer Feder mit einer Kraft in Richtung des Dichtsitzes beaufschlagt ist. So ist der mindestens eine Verbindungskanal schließbar und damit die Verbindung zwischen dem Ansaugraum und dem Hochdruckraum.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Pumpenkolben mittels einer Feder mit einer Kraft entgegen der Richtung des Ansaugraums

beaufschlagt ist. So kann der Pumpenkolben durch Längsbewegungen den kryogenen Kraftstoff komprimieren und dieser durch die Hochdruckförderpumpe gefördert werden.

Erfindungsgemäß weist die Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe einen Tank, die erfindungsgemäße Hochdruckförderpumpe und eine

Zulaufleitung auf, über welche Zulaufleitung der Hochdruckförderpumpe kryogener Kraftstoff aus dem Tank in den Ansaugraum zuführbar ist.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem Tank eine weitere Förderpumpe angeordnet ist, welche Kraftstoff aus dem Tank über die

Zulaufleitung in den Ansaugraum der Hochdruckförderpumpe fördert. Dies ermöglicht eine variable Anordnung der Hochdruckförderpumpe, so dass diese beispielsweise relativ nahe zum Tankbehälter, oder aber relativ nahe zur Brennkraftmaschine angeordnet werden kann. Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hoch druckförderpumpe und einer Kraftstofffördereinrichtung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffförderein richtung mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckförderpumpe im Längsschnitt,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hoch druckförderpumpe im Bereich der Ausnehmung des Pumpenkolbens im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der F ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftstoffför dereinrichtung 100 für kryogenen Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, im Längs schnitt gezeigt. Die Kraftstofffördereinrichtung 100 weist einen Tank 30, eine Hochdruckförderpumpe 1 und eine Zulaufleitung 18 auf, welche den Tank 30 mit der Hochdruckförderpumpe 1 verbindet.

Der Tank 30 dient der Speicherung des auf eine Temperatur von beispielsweise -110°C oder weniger herabgekühlten Kraftstoffs. Hierzu weist der Tank 30 einen Innentank 301 und einen Außentank 302 auf, welche durch einen Zwischenraum 303 getrennt sind. Der Zwischenraum 303 ist üblicherweise evakuiert, so dass nur ein sehr geringer Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Tank 30 erfolgen kann. Der Innentank 301 ist bis zu einem Füllpegel 51 mit flüssigem Anteil 32 des Kraftstoffs gefüllt. Oberhalb des Füllpegels 51 liegt der Kraftstoff in seiner gasförmigen Phase 31 vor.

Der Tank 30 ist insbesondere in dem flüssigen Anteil 32 des Kraftstoffs von einer Förderpumpe 34 durchsetzt, welche den Kraftstoff aus dem Tank 30 über die Zulaufleitung 18 in Richtung der Hochdruckförderpumpe 1 fördert. Dabei ist in der Zulaufleitung 18 ein Absperrventil 44 angeordnet, welches bei nicht betriebener Kraftstofffördereinrichtung 100 geschlossen ist, um ein Rückströmen von gasförmigen Anteilen 31 des Kraftstoffs aus der Hochdruckförderpumpe 1 in den Tank 30 zu verhindern. Der Tank 30 umfasst darüber hinaus ein Druckbegrenzungsventil 45, so dass bei Überschreitung eines maximalen Grenzdrucks in dem Tank 30 Gas an die Umgebung abgegeben werden kann.

Die Hochdruckförderpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 mit einer Längsachse 8 auf, in dem eine stufenförmige Längsbohrung 17 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 17 ist ein längsbeweglicher Pumpenkolben 4 angeordnet, welcher in der Längsbohrung 17 einen Führungsabschnitt 28 aufweist, zwischen dem und der Längsbohrung 17 ein Dichtspalt 22 ausgebildet ist. Mit einem Endbereich 46 begrenzt der Pumpenkolben 4 einen Hochdruckraum 12, welcher mit einer Leitung 16 mittels eines Überdruckventils 52 mit einem Hochdruckspeicher verbindbar ist.

Weiterhin ist in der Längsbohrung 17 ein Ansaugraum 50 ausgebildet, welcher mit der Zulaufleitung 18 verbunden ist und von welchem zwei Verbindungskanäle 26 in den Hochdruckraum 12 münden. In dem Ansaugraum 50 ist ein

längsbewegbares Saugventilelement 140 angeordnet, welches in der

Längsbohrung 17 einen Führungsabschnitt 55 aufweist und mit einem

pilzförmigen Ende 54 in den Hochdruckraum 12 hineinragt. In dem Ansaugraum 50 weist das Saugventilelement 140 einen Absatz 39 auf, an welchem sich einerseits eine Feder 5 abstützt. Andererseits stützt sich die Feder 5 an dem Pumpengehäuse 2 ab und drückt das Saugventilelement 140 an einen in dem Pumpengehäuse 2 konisch ausgebildeten Dichtsitz 25, so dass das

Saugventilelement 140 zusammen mit dem Dichtsitz 25 ein Säugventil 14 ausbildet und mit seinem pilzförmigen Ende 54 die Verbindungskanäle 26 sperrt.

Weiterhin weist der Pumpenkolben 4 eine Ausnehmung 20 auf, welche in Richtung des Ansaugraums 50 konisch erweitert ist. Die Ausnehmung 20 ist als Sacklochbohrung an einer Stirnseite 70 des Pumpenkolbens 4 in Richtung des Saugventilelements 140 ausgebildet. Das pilzförmige Ende 54 des

Saugventilelements 140 ist dabei in dieser Ausnehmung aufgenommen. Ein Teil einer Wandung 21 der Ausnehmung 20 ist bezüglich der Längsachse 8 des Pumpengehäuses 2 auf Höhe des Dichtspalts 22 angeordnet.

Mit seinem dem Ansaugraum 50 abgewandten Ende ist der Pumpenkolben 4 in einem Steuerraum 48 angeordnet, wobei der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 48 über einen Kanal 6 abbaubar ist. Weiterhin ist in dem Steuerraum 48 eine Feder 47 angeordnet, welche den Pumpenkolben 4 in Richtung einer Öffnung 58 kraftbeaufschlagt. Die Öffnung 58 ist dabei mit einem nicht gezeigten

Hydrauliksystem zum Antrieb der Hochdruckförderpumpe 1 verbunden.

Funktionsweise der Kraftstofffördereinrichtung

Bei Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung 100 fördert die Vorförderpumpe 34 Kraftstoff aus dem Tank 30 über die Zulaufleitung 18 in Richtung des

Ansaugraums 50 der Hochdruckförderpumpe 1. Durch Längsbewegungen des Saugventilelements 140 und des Pumpenkolbens 4 wird der Kraftstoff in die Hochdruckförderpumpe 1 gefördert. Dabei bewegt sich der Pumpenkolben 4 in Richtung der Öffnung 58, wodurch in dem Hochdruckraum 12 der Druck absinkt, so dass das Saugventilelement 140 die Verbindungskanäle 26 freigibt, so dass kryogener Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 12 in den Ansaugraum 50 strömen kann. Dadurch sinkt der Druck in dem Hochdruckraum 12, so dass der Druck an dem Endbereich 46 des Pumpenkolbens 4, welcher dem Hochdruckraum 12 zugewandt ist, nicht so hoch ist wie an dem anderen Endbereich des

Pumpenkolbens 4 Aufgrund dessen bewegt sich der Pumpenkolben 4 wieder in Richtung der Öffnung 58 und das Säugventil 14 schließt den Verbindungskanal 26. Dadurch wird der kryogene Kraftstoff auf einen angesprochenen

Systemdruck von beispielsweise 500 bar komprimiert und über das

Überdruckventil 52 in die Leitung 16 gedrückt. Der komprimierte Kraftstoff kann dann beispielsweise Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine zugeführt werden.

Während der Längsbewegung des Pumpenkolbens 4 in der Längsbohrung 17 entsteht zwischen dem Führungsabschnitt 28 des Pumpenkolbens 4 und der Längsbohrung 17 eine Leckage an kryogenem Kraftstoff, welche den

Druckaufbau der Hochdruckförderpumpe 1 und damit deren Wirkungsgrad beeinträchtigt. Die Wandung 21 des Pumpenkolbens 4 ist durch den Druck des kryogenen Kraftstoffs elastisch verformbar, so dass der Dichtspalt 22 durch den Innendruck der Wandung 21 verkleinert wird. Bei aktiver Hochdruckförderpumpe 1 wird durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse auf die Wandung 21, bedingt durch die Ausnehmung 20, der Dichtspalt 22 verkleinert und damit die Leckage zwischen dem Pumpenkolben 4 und der Längsbohrung 17 minimiert, wobei der Druck im Dichtspalt 22 gering ist. Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Hochdruckförderpumpe 1 im Bereich der Ausnehmung 20 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in F|gJ, Der Aufbau und die Funktionsweise der Hochdruckförderpumpe 1 entsprechen weitestgehend dem Aufbau und der Funktionsweise des

Ausführungsbeispiels aus der Fig.l. Hier ist jedoch die Ausnehmung 20 nicht konisch, sondern zylindrisch ausgebildet. Eine zylindrische Ausnehmung ist einfach herzustellen und erzielt eine gleichmäßige Druckbelastung auf den Dichtspalt 22.