Titel

Kolbenpumpe sowie Druckpulsationsdämpfer

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff- Hochdruckpumpe, sowie einen Druckpulsationsdämpfer nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.

Beispielsweise aus der DE 102019217207 A1 ist eine Kolbenpumpe in Form einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe verdichtet den Kraftstoff in einem Förderraum durch eine Hin- und Herbewegung eines Pumpenkolbens auf einen hohen Druck und leitet ihn in eine Kraftstoff- Sammelleitung („Rail“) weiter, von wo der Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangt der Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter über eine Vorförderpumpe, die den Kraftstoff auf einen Vorförderdruck verdichtet. Dieser Vorförderdruck herrscht in einem „Niederdruckbereich“ der Kraftstoff-Hochdruckpumpe. Zur Dämpfung von Druckpulsationen in diesem Niederdruckbereich ist in einem Aufnahmeraum eines Gehäuses der Kraftstoff-Hochdruckpumpe ein Druckpulsationsdämpfer in Form einer Membrandose vorhanden, der fluidisch mit dem Niederdruckbereich kommuniziert.

Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe sowie einen Druckpulsationsdämpfer mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Durch die erfindungsgemäße Kolbenpumpe bzw. den erfindungsgemäßen Druckpulsationsdämpfer wird der Arbeitsbereich des Druckdämpfers vergrößert, wodurch sich eine verbesserte Druckdämpfung im gesamten Fluidsystem ergibt. Dies wiederum sorgt für eine geringere Geräuschentwicklung im Betrieb der Kolbenpumpe. Auch kann insgesamt das Druckniveau im Fluidbereich abgesenkt werden, was bei einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe einer Brennkraftmaschine zu einer CO2-Einsparung führt. Da der Wirkungsbereich des Druckpulsationsdämpfers größer als bisher ist, ergeben sich für das gesamte Fluidsystem, in dem die Kolbenpumpe bzw. der Druckpulsationsdämpfer eingesetzt werden, Vereinfachungen und hierdurch Kosteneinsparungen.

Konkret wird dies erreicht durch eine Kolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse. Eine solche Kolbenpumpe kann beispielsweise als eine Einzylinder- Kolbenpumpe ausgebildet sein. Fluid kann einem Förderraum der Kolbenpumpe über ein Einlassventil zugeleitet werden, welches beispielsweise ein gesteuertes Einlassventil sein kann, um so die von der Kolbenpumpe geförderte Fluidmenge zu beeinflussen. Fluid wird im Förderraum durch einen Pumpenkolben komprimiert. Der Pumpenkolben kann beispielsweise über eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle angetrieben sein. Das im Förderraum auf einen hohen Druck komprimierte Fluid, beispielsweise Kraftstoff, kann über ein Auslassventil, beispielsweise ein federbelastetes Rückschlagventil, in einen Auslassbereich ausgestoßen werden.

In dem Pumpengehäuse ist ein Aufnahmeraum vorhanden, der mit einem Fluidbereich kommuniziert. Der Fluidbereich kann beispielsweise ein stromaufwärts vom oben erwähnten Einlassventil gelegener Fluidbereich sein. Der Aufnahmeraum kann an einer Stirnseite des Pumpengehäuses vorhanden sein, insbesondere kann er zwischen einer Stirnfläche eines Gehäusekörpers und einem mit dem Gehäusekörper fluiddicht verbundenen Gehäusedeckel vorhanden sein.

In dem Aufnahmeraum ist ein Druckpulsationsdämpfer in Form einer Membrandose angeordnet. Die Membrandose umfasst eine erste Membran und eine zweite Membran typischerweise aus Metall, beispielsweise Edelstahl, wobei die beiden Membranen an ihren radial äußeren Rändern fluiddicht miteinander verbundenen sind, beispielsweise verschweißt sind. Der fluiddicht abgeschlossene Innenraum zwischen den beiden Membranen kann mit einem Gas unter einem bestimmten Druck befüllt sein. Die beiden Membranen können typischerweise als insgesamt oder zumindest bereichsweise im Wesentlichen kreisscheibenförmige Elemente ausgebildet sein. Derartige Druckpulsationen können beispielsweise durch ein zur Beeinflussung der geförderten Fluidmenge erzwungenes Öffnen oder Schließen des Einlassventils in dem stromaufwärts vom Einlassventil gelegenen Fluidbereich verursacht werden.

Erfindungsgemäß weist die erste Membran bei einem ersten Druckniveau im Aufnahmeraum eine maximale Nachgiebigkeit bei einer Druckpulsation auf, und weist die zweite Membran bei einem zweiten Druckniveau im Aufnahmeraum, das geringer ist als das erste Druckniveau, eine maximale Nachgiebigkeit bei einer Druckpulsation auf. Die zweite Membran ist somit für die Dämpfung von Druckpulsationen bei einem niedrigeren Druckniveau optimiert als die erste Membran. Insgesamt wird auf diese Weise ein Druckpulsationsdämpfer geschaffen, der nicht nur auf ein einziges Druckniveau hin optimiert ist, sondern der in einem im Aufnahmeraum herrschenden Druckbereich ("Arbeitsbereich") Druckpulsationen sehr gut dämpfen kann. Dieser Bereich erstreckt sich typischerweise von dem ersten Druckniveau bis zum zweiten Druckniveau.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Membran eine andere Geometrie aufweist als die zweite Membran. Dies ist eine einfache Möglichkeit zur Realisierung der unterschiedlichen Nachgiebigkeiten bzw. Dämpfungseigenschaften der beiden Membranen.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die zweite Membran eine größere Anzahl von umlaufenden Sicken aufweist als die erste Membran. Derartige umlaufende Sicken können sehr preiswert realisiert werden. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Sicken in der ersten Membran auch Null sein kann.

Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die zweite Membran insgesamt breitere und/oder höhere umlaufende Sicken aufweist als die erste Membran. Auch dies kann bei der Herstellung der Membranen einfach und preiswert realisiert werden. Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Membran wenigstens bereichsweise dicker ist als die zweite Membran. Die Dicke der Membranen beeinflusst deren Steifigkeit, sodass dies ebenfalls eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorteile darstellt.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Membran wenigstens bereichsweise aus einem steiferen Material hergestellt ist als die zweite Membran. Bei dieser Variante könnte die Geometrie der beiden Membranen gegebenenfalls sogar identisch sein, sodass Kosten für zusätzliche Werkzeuge zur Herstellung der Membranen entfallen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit einer als Kolbenpumpe ausgebildeten Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit einem Druckpulsationsdämpfer in einem Aufnahmeraum eines Pumpengehäuses der Hochdruck-Kraftstoffpumpe;

Figur 2 einen teilweisen Längsschnitt durch die Kolbenpumpe von Figur 1 ;

Figur 3 einen Schnitt durch den Druckpulsationsdämpfer von Figur 1 , mit einer ersten Membran und einer zweiten Membran; und

Figur 4 ein Diagramm, in dem die Dämpfung bzw. Nachgiebigkeit der ersten Membran, der zweiten Membran, und des Druckpulsationsdämpfers insgesamt über dem Druckniveau im Aufnahmeraum aufgetragen ist.

Ein Kraftstoff system trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine Vorförderpumpe 14 Kraftstoff zu einer Kolbenpumpe 16, vorliegend einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, fördert und dabei auf einen vergleichsweise niedrigen Vorförderdruck verdichtet. Je nach Betriebssituation kann der Vorförderdruck unterschiedlich sein. Von der Kolbenpumpe 16 gelangt der Kraftstoff unter sehr hohem Druck in eine Kraftstoff- Sammelleitung 18 („Rail“), an die mehrere Injektoren 20 angeschlossen sind, die den Kraftstoff direkt in Brennräume einer Brennkraftmaschine 22 einspritzen.

Die Kolbenpumpe 16 umfasst ein Pumpengehäuse 24, ein Einlassventil 26, ein Auslassventil 28, und einen Aufnahmeraum 30, in dem ein Druckpulsationsdämpfer 32 in Form einer Membrandose mit einer ersten Membran 34 und einer zweiten Membran 36 angeordnet ist. Der Aufnahmeraum 30 kommuniziert über einen Kanal 38 mit einem stromaufwärts vom Einlassventil 26 gelegenen Fluidbereich 40.

Die Kolbenpumpe 16 ist in Figur 2 stärker im Detail dargestellt. Das Pumpengehäuse 24 weist vorliegend beispielhaft insgesamt in etwa mehreckige Gestalt auf mit einer Längsachse 42. In dem Pumpengehäuse 24 ist vorliegend beispielhaft koaxial zur Längsachse 42 eine stufenförmige sacklochartige und beispielsweise durch eine Bohrung hergestellte Öffnung 44 vorhanden, in der ein Pumpenkolben 46 aufgenommen ist. Dieser begrenzt mit seinem in Figur 2 oberen Endbereich zusammen mit dem Pumpengehäuse 24 einen Förderraum 48. Mit seinem in Figur 2 unteren Endbereich kooperiert der Pumpenkolben 46 mit einem nicht gezeichneten Antrieb, beispielsweise einer Nockenwelle oder einer Exzenterwelle, der den Pumpenkolben 46 in eine Hin- und Herbewegung versetzen kann.

Bewegt sich der Pumpenkolben 46 in Figur 2 nach unten (Saughub), wird der auf den Vorförderdruck verdichtete Kraftstoff über das Einlassventil 26 in den Förderraum 48 angesaugt. Bewegt sich der Pumpenkolben 46 in Figur 2 nach oben (Förderhub), wird der Kraftstoff im Förderraum 48 zunächst auf einen hohen Druck verdichtet, bis das Auslassventil 28 öffnet und der Kraftstoff zu der Kraftstoff-Sammelleitung 18 ausgestoßen wird.

Zur Beeinflussung der von der Kolbenpumpe 16 geförderten Kraftstoffmenge kann das Einlassventil 26 durch eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 50 zwangsweise in eine geöffnete Stellung gebracht oder in dieser gehalten werden. Das Einlassventil 26 und die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 50 bilden daher insgesamt ein sogenanntes „Mengensteuerventil“. Wird das Einlassventil 26 während eines Förderhubs des Pumpenkolbens 46 zwangsweise geöffnet, führt dies zu einer Druckpulsation in dem stromaufwärts vom Einlassventil 26 gelegenen Fluidbereich 40, in dem insgesamt das Druckniveau des Vorförderdrucks herrscht. Zur Dämpfung dieser Druckpulsationen dient der Druckpulsationsdämpfer 32.

Wie aus Figur 3 hervorgeht, weist die erste Membran 34 einen insgesamt in etwa kreisscheibenförmigen ersten Zentral bereich 52 auf, der im Wesentlichen eben bzw. flach ausgebildet ist. Radial außen schließt sich an den ersten Zentral be re ich 52 ein erster Verbindungsbereich 54 an, der mit einem zweiten Verbindungsbereich 56 der zweite Membran 36 fluiddicht verbunden, vorliegend verschweißt ist. Ein fluiddicht abgeschlossener Innenraum 57 zwischen den beiden Membranen 34 und 36 kann mit einem Gas unter einem bestimmten Druck befüllt sein. An den zweiten Verbindungsbereich 56 der zweite Membran 36 schließt sich nach radial einwärts ein zweiter Zentralbereich 58 an, der wie der erste Zentralbereich 52 insgesamt zwar kreisscheibenförmig ist, der jedoch anders als der erste Zentralbereich 52 nicht im wesentlichen eben bzw. flach ausgebildet ist, sondern der stattdessen eine Mehrzahl von konzentrisch zueinander angeordneten umlaufenden Sicken 60 aufweist.

Insoweit weist die erste Membran 34 eine andere Geometrie auf als die zweite Membran, denn die zweite Membran weist eine größere Anzahl (vorliegend beispielhaft vier) von umlaufenden Sicken 60 auf als die erste Membran, die überhaupt keine Sicken aufweist.

Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte die zweite Membran insgesamt breitere und/oder höhere umlaufende Sicken aufweisen als die erste Membran. Bei einer ebenfalls nicht gezeigten Ausführungsform könnte die erste Membran wenigstens bereichsweise dicker sein als die zweite Membran. Bei einer ebenfalls nicht gezeigten Ausführungsform könnte die erste Membran wenigstens bereichsweise aus einem steiferen Material hergestellt sein als die zweite Membran.

Die Ausgestaltung des Druckpulsationsdämpfers 32 mit geometrisch unterschiedlich gestalteten Membranen 34 und 36 führt dazu, dass die erste Membran 34 bei einem ersten Druckniveau in dem Fluidbereich 40 eine maximale Nachgiebigkeit hat, und dass die zweite Membran 36 bei einem zweiten Druckniveau in dem Fluidbereich 40 eine maximale Nachgiebigkeit hat, wobei das zweite Druckniveau geringer ist als das erste Druckniveau.

Dies erkennt man beispielsweise aus dem Diagramm von Figur 4, in dem eine Nachgiebigkeit bzw. Dämpfung D auf der Ordinate und das Druckniveau p (Vorförderdruck) im Fluidbereich 40 auf der Abszisse aufgetragen ist. Eine gestrichelt gezeichnete Kurve 62 entspricht der Nachgiebigkeit bzw. der Dämpfung von Druckpulsationen durch die erste Membran 34, eine strichpunktiert gezeichnete Kurve 64 entspricht der Nachgiebigkeit bzw. der Dämpfung von Druckpulsationen durch die zweite Membran 36, und eine durchgezogen gezeichnete Kurve 66 entspricht der Nachgiebigkeit bzw. der Dämpfung von Druckpulsationen insgesamt durch den Druckpulsationsdämpfer 32.

Man erkennt, dass die erste Membran 34 eine maximale Nachgiebigkeit Dmax bei einem ersten Druckniveau p1 im Fluidbereich 40 bzw. im Aufnahmeraum 30 aufweist, und dass die zweite Membran 36 eine vorliegend beispielhaft gleiche maximale Nachgiebigkeit Dmax bei einem zweiten Druckniveau p2 im Fluidbereich 40 bzw. im Aufnahmeraum 30 aufweist, wobei das erste Druckniveau p2 deutlich geringer ist als das zweite Druckniveau p1. Hierdurch ergibt sich ein Arbeitsbereich des Druckpulsationsdämpfers 32, also ein Bereich des im Fluidbereich 40 herrschenden Druckniveaus, in dem der Druckpulsationsdämpfer 32 im Druckbereich 40 auftretende Druckpulsationen vergleichsweise gut dämpfen kann, der im Wesentlichen vom Druckniveau p2 bis zum Druckniveau P1 reicht. Dies ist durch einen Doppelpfeil 68 angedeutet.