Titel

Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die DE 102015219 537 A1 beschreibt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, die in einem Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Mit ihr wird der Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck verdichtet, um dann mittels Injektoren direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt zu werden. Die bekannte Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist eine Kolbenpumpe, deren Fördermenge durch ein einlassseitiges Mengensteuerventil beeinflusst werden kann. Hierdurch entstehen in einem einlassseitigen Niederdruckbereich Druckpulsationen, die durch einen dort angeordneten Druckpulsationsdämpfer reduziert werden. Dieser umfasst eine Membrandose mit beispielsweise zwei im Wesentlichen in etwa parallel zueinander angeordneten Membranen, die randseitig miteinander verschweißt sind.

Offenbarung der Erfindung

Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe umfasst einen Niederdruckbereich und einen in dem Niederdruckbereich angeordneten Druckpulsationsdämpfer. Der Begriff „Niederdruckbereich“ ist auf einen einlassseitigen Bereich vor der Verdichtung des Kraftstoffs bezogen. Der Druckpulsationsdämpfer umfasst mindestens eine Membrandose. Diese kann beispielsweise in einem Fluidraum angeordnet sein, der von einem Gehäusedeckel der Kraftstoff-Hochdruckpumpe begrenzt wird. Die Membrandose weist vorzugsweise zwei Membranen auf, die beispielsweise spiegelbildlich zueinander angeordnet sein können und zwischen denen ein Innenraum des Druckpulsationsdämpfers gebildet ist, der durch diese Membranen begrenzt wird. Der Innenraum kann beispielsweise mit einem kompressiblen gasförmigen Fluid (beispielsweise Luft oder Stickstoff) gefüllt sein, so dass bei bestimmten Außenbedingungen ein bestimmter Druck in dem Innenraum herrscht. Bei der erfindungsgemäßen Membrandose wird nun vorgeschlagen, dass mindestens eine der Membranen in einem radial einwärtigen Bereich eine andere Werkstoffeigenschaft aufweist als in einem radial auswärtigen Bereich. Unter dem Begriff der „Werkstoffeigenschaft“ wird hier nicht die geometrische Form verstanden, sondern vielmehr ein solcher Werkstoff-Kennwert, der die Steifigkeit bzw. Weichheit des Werkstoffs beeinflusst.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass eine Dämpfungskennlinie des Druckpulsationsdämpfers im Wesentlichen von der geometrischen Ausgestaltung und von den Werkstoffeigenschaften der Membranen abhängt. Die Dämpfungskennlinie verknüpft die durch den Druckpulsationsdämpfer erzielbare Dämpfung von Druckpulsationen mit dem außerhalb von der Membrandose herrschenden Fluiddruck, bei der hier beanspruchten Kraftstoff-Hochdruckpumpe also dem im Niederdruckbereich herrschenden Kraftstoffdruck („Vordruck“).

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann somit eine progressive Auslegung der Dämpfungskennlinie erfolgen. Beispielsweise kann bei einem vergleichsweise hohen Vordruck eine vergleichsweise hohe Nachgiebigkeit der Membran realisiert werden, was zur Folge hat, dass ein Druckbereich des Vordrucks erweitert wird. Man erhält im Ergebnis also eine verbesserte Druckdämpfung bei höheren Vordrucken, wodurch die Akustik der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckpumpe verbessert wird. Außerdem kann der Vordruck insgesamt reduziert werden, wodurch Energie gespart wird, was letztendlich auch zu einer C02-Einsparung führen kann.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass in dem radial einwärtigen Bereich der Werkstoff einen höheren Elastizitätsmodul und/oder eine größere Dicke aufweist als in einem radial auswärtigen Bereich. Da der radial einwärtige Bereich, also sozusagen das Zentrum, einer beispielsweise als eine Art kreisförmige Halbschale ausgebildeten Membran steifer ist als der radial auswärtige Bereich, also der Randbereich, kann im radial einwärtigen Bereich ein weicherer Werkstoff bzw. eine geringere Dicke gewählt werden, um hier eine größere Nachgiebigkeit zu erzielen. Diese höhere Nachgiebigkeit führt zu einer Spreizung des Dämpfungsbereichs, also jenes Druckbereichs, in dem eine vergleichsweise hohe Dämpfung durch den Druckpulsationsdämpfer erzielt werden kann.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zumindest auch durch unterschiedliche Werkstoffe bereitgestellt werden. Hierdurch können auch sich sehr stark unterscheidende Werkstoffeigenschaften bereitgestellt werden. Beispielsweise können unterschiedliche Stähle eingesetzt werden. Wichtig ist lediglich, dass die unterschiedlichen Werkstoffe dauerhaft und fluiddicht miteinander verbunden werden können.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften durch eine lokal unterschiedliche Nachbehandlung des gleichen Werkstoffs bereitgestellt werden. Probleme der Abdichtung und der Dauerfestigkeit der Verbindung zwischen radial einwärtigem und radial auswärtigem Bereich werden hierdurch vermieden. Dabei kann die Nachbehandlung eine thermische und/oder chemische Nachbehandlung umfassen, die einfach realisiert werden können.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der radial einwärtige Bereich der Membran mit dem radial auswärtigen Bereich der Membran verschweißt ist. Dies ist eine einfache, fluiddichte und dauerfeste Art der Verbindung, insbesondere bei der Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen für den radial einwärtigen und den radial auswärtigen Bereich.

Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Wert eines Drucks in dem Innenraum der Membrandose gegenüber einem Wert des Drucks in dem Innenraum einer Membrandose mit Membranen mit uniformen Werkstoffeigenschaften bei gleichen Betriebsbedingungen verändert, vorzugsweise verringert ist. Dies gestattet eine spezifische Anpassung der Dämpfung an einen ganz bestimmten Einsatzbereich.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe;

Figur 2 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Bereich der Kraftstoff- Hochdruckpumpe von Figur 1;

Figur 3 eine Schnittansicht durch eine Membrandose eines

Druckpulsationsdämpfers der Kraftstoff-Hochdruckpumpe von Figur 2;

Figur 4 ein Detail IV von Figur 3; und

Figur 5 ein Diagramm, in dem eine Dämpfung von Druckpulsationen über einem Druck in einem Niederdruckbereich der Kraftstoff- Hochdruckpumpe für unterschiedliche Druckpulsationsdämpfer aufgetragen ist (Dämpfungskennlinie).

In Figur 1 trägt ein Kraftstoff System insgesamt das Bezugszeichen 10. Es dient zur Bereitstellung von Kraftstoff für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer sehr vereinfachten schematischen Darstellung.

Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, eine meist elektrische Vorförderpumpe 16, eine Niederdruckleitung 18 einem Einlass 20 eines von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 22 betätigbaren Mengensteuerventils 24 einem Arbeitsraum 26 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt, beispielsweise mit einem von der Vorförderpumpe 16 bereitgestellten Vordruck von 4-8 bar, insbesondere ungefähr 6 bar. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 24 ein zwangsweise öffenbares Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sein.

Ein Kolben 30 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 kann mittels einer Nockenscheibe 32 in der Zeichnung vertikal bewegt werden. Hydraulisch zwischen dem Arbeitsraum 26 und einem Auslass 34 der Kraftstoff- Hochdruckpumpe 28 sind ein als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Auslassventil 36 sowie ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Druckbegrenzungsventil 38 angeordnet. Der Auslass 34 ist über eine Hochdruckleitung 40 an einen Hochdruckspeicher 42 („common Rail“) angeschlossen. Im Betrieb des Kraftstoff Syste s 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Mengensteuerventil 24 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zu dem Hochdruckspeicher 42 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Bedingt durch die diskontinuierliche Arbeitsweise der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 treten an mehreren Abschnitten des Kraftstoffsystems 10 sogenannte Druckpulsationen auf, insbesondere auch stromaufwärts von dem Arbeitsraum 26, also in einem Niederdruckbereich 43 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 bzw. des Kraftstoffsystems 10. Um diese zu dämpfen, ist dort ein Druckpulsationsdämpfer 44 angeordnet.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfasst die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ein Pumpengehäuse 46, welches im wesentlichen zylindrische bzw. rotationssymmetrische Form hat. Im in Figur 2 oberen Bereich des Pumpengehäuses 46 hat dieses eine Stirnseite 48, auf die ein haubenartiger Gehäusedeckel 50 aufgesetzt ist, der mit dem Pumpengehäuse 46 fluiddicht verbunden, beispielsweise verschweißt ist. Zwischen der Stirnseite 48 und dem Gehäusedeckel 50 wird ein Fluidraum 52 gebildet, der über einen Kanal 54 mit dem Niederdruckbereich 43 verbunden ist. In dem Fluidraum 52 ist der bereits oben erwähnte Druckpulsationsdämpfer 44 angeordnet, der vorliegend eine Membrandose 56 umfasst.

Die Membrandose 56 wiederum umfasst vorliegend zwei zueinander im Wesentlichen identische und spiegelbildlich angeordnete Membranen 58a und 58b, die in der Draufsicht eine im wesentlichen kreisförmige Kontur aufweisen und rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die beiden Membranen 58a und 58b sind, wie aus Figur 3 hervorgeht, an ihrem radial äußeren Rand miteinander fluiddicht verschweißt (Bezugszeichen 60). Im Bereich der Verschweißung 60 ist die Membrandose 56 in dem Fluidraum 52 durch eine Halterung 62 im Klemmsitz gehalten. Zwischen den beiden Membranen 58a und 58b ist ein Innenraum 64 gebildet. Dieser wird also durch die beiden Membranen 58a und 58b begrenzt. Dieser Innenraum 64 ist mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff oder Luft, befüllt, und zwar mit einem spezifischen Druck. Hierauf wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden.

Wie bereits oben dargelegt wurde, sind die beiden Membranen 58a und 58b identisch. Grundsätzlich denkbar wäre jedoch auch, dass sie unterschiedlich sind. Aufgrund der vorliegend gegebenen Identität wird nun der Einfachheit halber nur auf die in den Figuren 2 und 3 obere Membran 58a Bezug genommen:

Die Membran 58a weist einen radial einwärtigen Bereich 66 auf, der quasi das „Zentrum“ der Membran 58a bildet. Radial außerhalb schließt sich an den radial einwärtigen Bereich 66 ein radial auswärtiger Bereich 68 an, der somit quasi den „Randbereich“ der Membran 58a bildet. Der radial einwärtige Bereich 66 weist eine andere Werkstoffeigenschaft auf als der radial auswärtige Bereich 68. Vorliegend wird dies dadurch realisiert, dass der radial einwärtige Bereich 66 aus einem anderen Werkstoff, beispielsweise einem anderen Stahl, als der radial auswärtige Bereich 68 hergestellt ist. Der radial auswärtige Bereich 68 und der radial einwärtige Bereich 66 sind miteinander verschweißt (Bezugszeichen 70, siehe auch Figur 4). Vorliegend ist der Werkstoff des radial einwärtigen Bereichs 66 weicher als der des radial auswärtigen Bereichs 68, er hat also einen kleineren Elastizitätsmodul als der radial auswärtige Bereich 68, wodurch eine größere Nachgiebigkeit erzielt wird.

Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte der radial einwärtige Bereich aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sein wie der radial auswärtige Bereich, jedoch eine geringere Dicke aufweisen. Auch wäre möglich, dass die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften durch eine lokal unterschiedliche Nachbehandlung, beispielsweise eine thermische und/oder chemische Nachbehandlung, bereitgestellt werden.

In Figur 5 ist eine Dämpfung D über einem Druck P im Niederdruckbereich 45 für unterschiedliche Ausgestaltungen der Membranen 58a und 58b aufgetragen („Dämpfungskennlinie“). Unter der Dämpfung D kann beispielsweise ein Verhältnis einer im Niederdruckbereich 45 auftretenden Druckspitze bei einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ohne einen Druckpulsationsdämpfer 44 zu einer im Hochdruckbereich 45 auftretenden Druckspitze bei einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe 28 mit einem Druckpulsationsdämpfer 44 verstanden werden.

Eine durchgezogene Linie 72 beschreibt einen Zusammenhang für einen herkömmlichen Druckpulsationsdämpfer, dessen Membranen uniforme Werkstoffeigenschaften aufweisen und dessen Innenraum 64 bei einem definierten Außendruck einen bestimmten Innendruck aufweist. Eine gestrichelte Linie 74 beschreibt den Zusammenhang für den in den Figuren 2-4 gezeigten Druckpulsationsdämpfer 44, wobei dieser bei dem definierten Außendruck den gleichen bestimmten Innendruck aufweist wie der herkömmliche Druckpulsationsdämpfer. Eine strichpunktierte Linie 76 beschreibt den Zusammenhang für den in den Figuren 2-4 gezeigten Druckpulsationsdämpfer 44, wobei dieser bei dem definierten Außendruck einen geringeren Innendruck aufweist als der herkömmliche Druckpulsationsdämpfer.

Man erkennt, dass bei dem Druckpulsationsdämpfer 44 ein Druckbereich 78 („Dämpfungsbereich“), in dem eine bestimmte Dämpfung D1 bereitgestellt werden kann, deutlich größer ist als ein Druckbereich 80 bei einem herkömmlichen Druckpulsationsdämpfer. Die durch den weicheren radial einwärtigen Bereich 66 bereitgestellte höhere Nachgiebigkeit führt somit zu einer „Spreizung“ des Dämpfungsbereichs. Durch eine Reduktion des Drucks im Innenraum 64 (Linie 76) kann ein breiter und eine gute Dämpfung bereitstellender Dämpfungsbereich auch für einen geringeren Vordruck P bereitgestellt werden.

Es versteht sich, dass bei nicht gezeigten Ausführungsformen auch solche Membranen denkbar sind, bei denen mehr als zwei Bereiche mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften eingesetzt werden. Beispielsweise könnte eine Membran auch einen ringförmigen oder mehrere ringförmige Bereiche mit Werkstoffeigenschaften aufweisen, die sich von benachbarten ringförmigen Bereichen unterscheiden.