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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Kraftstoffpumpen
für Brennkraftmaschinen sind vom Markt her bekannt. Sie
sind beispielsweise als Außenzahnradpumpe, Innenzahnradpumpe
oder als Kolbenpumpe ausgeführt. Die
DE 100 39 773 A1 beschreibt
eine Kraftstoffversorgungsanlage, bei welcher eine Kraftstoffpumpe
durch ein federbeaufschlagtes Überdruckventil gegen Überdruck
geschützt wird. Bei Erreichen eines zulässigen
Höchstdrucks wird über das Überdruckventil
Kraftstoff von einem Druckbereich zurück auf einen Saugbereich geleitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer Kraftstoffpumpe
zu vereinfachen und Kosten zu sparen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich
ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen,
wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen
Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können,
ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die
Erfindung weist den Vorteil auf, dass die vorgeschlagene Kraftstoffpumpe
kein Überdruckventil benötigt, mit dem der Druck
im Druckbereich begrenzt wird. Auf diese Weise werden der Aufbau
der Kraftstoffpumpe vereinfacht und die Herstellungskosten vermindert.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass im Betrieb
einer Kraftstoffpumpe ausgangsseitige Druckspitzen auftreten, welche
bei einem Überschreiten eines zulässigen Höchstwertes
nachfolgende Einrichtungen, wie etwa Kraftstofffilter, beschädigen
können. Dabei wird der Umstand berücksichtigt,
dass Kraftstoffpumpen, beispielsweise bei einem Einsatz in einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, hohe Betriebsdrücke
liefern müssen, welche dem zulässigen Höchstwert
nahe kommen. Die Erfindung macht sich zunutze, dass eine Berstmembran
eng toleriert hergestellt werden kann,. Somit kann die Berstmembran
gut für einen Druckbereich der Kraftstoffpumpe ausgelegt
werden, der zwischen dem höchsten Betriebsdruck der Kraftstoffpumpe
und dem zulässigen Höchstwert in nachfolgenden
Einrichtungen liegt. Die Differenz zwischen diesen beiden Drücke
kann daher gering sein. Außerdem hat eine Berstmembran
gegenüber einem Überdruckventil den Vorteil, dass
eine Teilöffnung bei einem Druck in der Nähe des
zulässigen Höchstdrucks prinzipbedingt nicht auftritt,
so dass die so ausgestaltete Kraftstoffpumpe einen hohen Wirkungsgrad
aufweist. Die Berstmembran ist in einem Fluidkanal zwischen einem
Saugbereich und dem Druckbereich der Kraftstoffpumpe angeordnet,
so dass sie beim Erreichen des Öffnungsdrucks berstet und
den Druckbereich mit dem Saugbereich verbindet. Daraufhin wird ein
Teil des Kraftstoffes beständig in einem Kreislauf gepumpt
und somit der Druckbereich der Kraftstoffpumpe entlastet.
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In
einer nützlichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Berstmembran
in ein Ventilelement eines federbeaufschlagten Rückschlagventils
integriert, welches zum Druckbereich hin öffnet. Daraus
ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass eine Befüllung
der nachfolgenden Einrichtungen mit Kraftstoff möglich ist,
ohne dass die Kraftstoffpumpe in Betrieb ist. Dies kann beispielsweise
nach einer Reparatur der Brennkraftmaschine erforderlich sein. Dabei
wird Kraftstoff mit einem gegenüber dem Betrieb niedrigen
Druck in den Saugbereich der Kraftstoffpumpe eingespeist. Dadurch öffnet
das im Fluidkanal angeordnete federbeaufschlagte Rückschlagventil
und leitet den Kraftstoff zum Druckbereich hin weiter. Durch die
Integration wird Bauraum gespart, und die Herstellung wird vereinfacht.
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Ergänzend
wird vorgeschlagen, dass die Berstmembran das Ventilelement bildet
oder zumindest ein Teil desselben ist. Hierdurch wird nochmals Platz
gespart.
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Die
Kraftstoffpumpe arbeitet besser, wenn in einer Umfangswand eines
Fluidkanals, der vom Ventilsitz des Rückschlagventils in
Richtung Druckbereich verläuft, mindestens eine Überströmnut
vorhanden ist, welche nach dem Öffnen des Rückschlagventils
zumindest einen Teil des Hydraulikstroms aufnehmen kann. Die mindestens
eine Überströmnut bildet einen Nebenpfad des Fluidkanals,
durch den genügend Kraftstoff fließen kann, wie
es etwa zu einer Befüllung nachfolgender Einrichtungen
der Kraftstoffpumpe erforderlich ist, ohne dass der Kanal selbst
einen großen Durchmesser aufweisen muss.
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Die
Kraftstoffpumpe arbeitet besonders sicher, wenn hydraulisch in Serie
zu der Berstmembran ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist, welches zum
Saugbereich hin öffnen kann. Damit wird erreicht, dass
bei einer geborstenen Berstmembran die Kraftstoffpumpe im Wesentlichen
weiter betrieben werden kann. In diesem Fall übernimmt
das Druckbegrenzungsventil nachfolgend die Aufgabe einer Druckbegrenzung
im Druckbereich der Kraftstoffpumpe und ermöglicht einen
so genannten ”Limp Home” Betrieb. Bei einer unbeschädigten
Berstmembran hingegen ist das Druckbegrenzungsventil ohne eine Funktion.
Somit kann das Druckbegrenzungsventil mit größeren
Toleranzen ausgelegt sein, wodurch es einfacher und kostengünstiger
herzustellen ist. Das Druckbegrenzungsventil wird dabei so ausgelegt,
dass es in jedem Fall vor dem Überschreiten des zulässigen
Höchstdrucks öffnet.
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Die
Anordnung der Berstmembran wird verbessert und deren Herstellung
und Installation erleichtert, wenn sie in einem eigenen Trägergehäuse befestigt
ist. Das Trägergehäuse nimmt die Berstmembran
definiert auf, wodurch ihre korrekte Anordnung bereits vor einem
Einbau in den Fluidkanal der Kraftstoffpumpe sichergestellt ist
oder überprüft werden kann.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass die Berstmembran zwischen einem Absatz
eines Pumpengehäuses und einem Klemmstück verklemmt
ist. Beispielsweise ist die Berstmembran als eine Kreisscheibe gestaltet,
welche in dem Fluidkanal der Kraftstoffpumpe mittels eines einen
ringförmigen Querschnitt aufweisenden Klemmstücks
gegen den Absatz des Pumpengehäuses verklemmt wird. Dabei kann
ein innerer beziehungsweise äußerer Radius des
Klemmstücks in etwa passend zu einen Querschnitt des Fluidkanals
vor beziehungsweise nach dem Absatz ausgelegt sein. Diese Art der
Befestigung ist einfach und kostengünstig zu realisieren.
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Eine
nützliche Ausführungsform der Berstmembran sieht
vor, dass sie aus verschiedenen Werkstoffen besteht, welche beispielsweise
schichtweise angeordnet sind. Damit kann die Berstmembran konstruktiv
optimal an ihre Aufgabe angepasst werden. Beispielsweise können
zwei Werkstoffe schichtweise aufeinander liegen und miteinander verklebt
sein.
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Günstig
ist es ferner, wenn die Berstmembran mindestens eine Sollbruchstelle
aufweist. Beispielsweise kann die Berstmembran Einkerbungen aufweisen
oder sie kann schichtweise aus verschiedenen Werkstoffen ausgeführt
sein, wobei mindestens eine Schicht einen oder mehrere Spalte aufweist,
so dass insgesamt eine oder mehrere Soll-Bruchstellen entstehen.
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Nachfolgend
werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
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1 ein
Schema einer Kraftstoffpumpe mit einem Fluidkanal und einer darin
angeordneten Berstmembran;
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2 ein
Schema einer Kraftstoffpumpe mit einem Fluidkanal und einem eine
Berstmembran umfassenden federbeaufschlagten Rückschlagventil;
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3 ein
Detail III von 2;
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4 einen
Schnitt längs der Linie IV-IV von 3;
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5 ein
Schema einer Kraftstoffpumpe mit einem Fluidkanal, einer Berstmembran
und einem zu dieser in Serie angeordneten Druckbegrenzungsventil;
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6 eine
Schnittansicht einer Berstmembran in einem Trägergehäuse;
und
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7 eine
Schnittansicht einer Berstmembran und eines Klemmstücks.
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Es
werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen
in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen
die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
ein Schema einer Kraftstoffpumpe 10 mit dem eigentlichen
Pumpbereich 11, einem Fluidkanal 12 und einer
darin angeordneten Berstmembran 14. Eine Kraftstoffförderung
erfolgt in der 1 von links nach rechts, ausgehend
von einem Saugbereich 16 über den Pumpbereich 11 hin
zu einem Druckbereich 18. Dabei umfasst der Pumpbereich 11 beispielsweise
einen Antrieb, ein Pumpelement, einen Förderraum, Ein-
und Auslassventile, etc., die jedoch vorliegend alle nicht dargestellt
sind. Solange die Berstmembran 14 unbeschädigt
ist, besteht keine fluidische Verbindung zwischen dem Druckbereich 18 und
dem Saugbereich 16.
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Sobald
ein die Berstmembran 14 charakterisierender Öffnungsdruck überschritten
wird, berstet sie und gibt den Fluidkanal 12 frei. Daraufhin
fließt Kraftstoff vom Druckbereich 18 über
den Fluidkanal 12 zurück zum Saugbereich 16,
wodurch der Druckbereich 18 entlastet wird. Nachfolgend
wird der rückfließende Kraftstoff erneut von dem
Pumpbereich 11 zum Druckbereich 18 gefördert,
und ergibt so einen beständigen Kreislauf. Auf diese Weise
ist der Druckbereich 18 oder ihm in Fließrichtung
nachfolgende (nicht gezeigte) Einrichtungen dauerhaft vor einem Überschreiten
eines zulässigen Höchstdrucks geschützt.
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2 zeigt
ein Schema einer alternativen Kraftstoffpumpe 10, wobei
nachfolgend nur auf die Unterschiede zu 1 eingegangen
wird. Eine nicht näher erläuterte Fülleinrichtung 19 ist
an den Saugbereich 16 angeschlossen und ermöglicht
ein Einfüllen von Kraftstoff in die Kraftstoffpumpe 10 und
sich im Anschluss an den Druckbereich 18 befindlicher Einrichtungen
einer Brennkraftmaschine. Ein als Schnittansicht dargestellter Bereich
III umfasst ein Pumpengehäuse 26 mit der darin
angeordneten Berstmembran 14, die von einer Schraubenfeder 20 gegen
einen Absatz 22 des Pumpengehäuses 26 gedrückt
wird. Dabei bildet die Berstmembran 14 zugleich ein Ventilelement
eines zum Druckbereich 18 hin öffnenden und zum
Saugbereich 16 hin sperrenden Rückschlagventils 27.
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Im
Betrieb der Kraftstoffpumpe 10 wird die Berstmembran 14 durch
einen sich im Druckbereich 18 aufbauenden Druck in einer
gleichen Richtung, wie sie durch die auf Druck beanspruchte Schraubenfeder 20 vorgegeben
ist, gegen den Absatz 22 gedrückt. Dadurch ist
der Druckbereich 18 vom Saugbereich 16 getrennt.
Das federbeaufschlagte Rückschlagventil 27 gibt
dagegen den Fluidkanal frei, falls entweder die Berstmembran 14 geborsten ist
oder der Druck im Saugbereich 16 größer
ist als der Druck im Druckbereich 18, zuzüglich
der Kraft der Schraubenfeder 20.
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Auf
diese Weise ist der Druckbereich 18 wie in 1 gegen
eine Überschreitung eines zulässigen Höchstdrucks
geschützt. Ebenso ist es jedoch möglich – vorzugsweise
bei einem Stillstand der Kraftstoffpumpe 10 – über
die Fülleinrichtung 19 Kraftstoff einzufüllen.
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3 zeigt
den in der 2 umschriebenen Bereich III
in einer vergrößerten Darstellung. Der in der 3 linke
Abschnitt des Fluidkanals 12 führt zum Saugbereich 16,
der rechte Abschnitt zum Druckbereich 18. Im Unterschied
zur 2 sind in der 3 oberhalb
und unterhalb der Schraubenfeder 20 zwei Überströmnuten 28 sichtbar,
welche nochmals in der nachfolgenden 4 dargestellt sind.
Die Überströmnuten 28 sind als halbkreisförmige
Aussparungen im Pumpengehäuse 26 gebildet, längs
eines Bereichs des Fluidkanals 12. Wird bei einer Befüllung
der Kraftstoffpumpe 10 der Druck im Saugbereich 16 gegenüber
dem Druckbereich 18 erhöht, so öffnet
das durch die Berstmembran 14 und die Schraubenfeder 20 gebildete
federbeaufschlagte Rückschlagventil 27. Bei einem
genügenden Differenzdruck kommen dabei die Gänge
der Schraubenfeder 20 dicht aufeinander zu liegen, wodurch
ein radiales Durchfließen der Schraubenfeder 20 mit
Kraftstoff weit gehend verhindert wird. In diesem Fall fließt der
Kraftstoff an der Schraubenfeder 20 außen vorbei durch
die Überströmnuten 28, welche rechts
der 3 in den Fluidkanal 12 einmünden
(nicht dargestellt).
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5 zeigt
eine nochmals alternative Kraftstoffpumpe 10, bei der im
Fluidkanal 12 zwischen dem Saugbereich 16 und
der Berstmembran 14 ein Druckbegrenzungsventil 30 angeordnet
ist, welches zum Saugbereich 16 hin öffnen kann.
Das Druckbegrenzungsventil 30 ist also in Serie zur Berstmembran 14 angeordnet.
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Im
normalen Betrieb der Kraftstoffpumpe 10 ist das Druckbegrenzungsventil 30 ohne
Funktion, weil der Fluidkanal 12 zum Druckbereich 18 hin
durch die Berstmembran 14 verschlossen ist. Falls jedoch die
Berstmembran 14 geborsten ist, übernimmt das Druckbegrenzungsventil 30 an
Stelle der Berstmembran 14 die Aufgabe der Druckbegrenzung
für den Druckbereich 18 zur Ermöglichung
eines so genannten ”Limp Home Betriebs”, also
eines Notbetriebs einer Brennkraftmaschine, die von der Kraftstoffpumpe 10 versorgt
wird. Das Druckbegrenzungsventil 30 darf einen merklichen
Unterschied zwischen einem zulässigen Höchstdruck
und einem Öffnungsdruck aufweisen. Dabei ist der Öffnungsdruck
des Druckbegrenzungsventil 30 unter Berücksichtigung
von Toleranzen so bemessen, dass er unter dem zulässigen Höchstdruck
der Kraftstoffpumpe 10 und nachfolgender Einrichtungen
liegt.
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6 zeigt
eine Schnittansicht durch den Fluidkanal 12 mit der Berstmembran 14 einer
nochmals alternativen Ausführungsform einer Kraftstoffpumpe 10,
wobei in 6 nur der Bereich um die Berstmembran 14 dargestellt
ist. Die Berstmembran 14 ist in einem eigenen Trägergehäuse 32 befestigt. Dabei
ist die Berstmembran 14 fluidisch dicht im Trägergehäuse 32 befestigt,
und ebenso ist das Trägergehäuse 32 dicht
im Pumpengehäuse 26 verankert, beispielsweise
ist es darin eingepresst. Der in der 6 linke
Abschnitt des Fluidkanals 12 führt zum Saugbereich 16,
der rechte Abschnitt zum Druckbereich 18.
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7 zeigt
eine Schnittansicht durch den Fluidkanal 12 mit der Berstmembran 14 und
einem Klemmstück 34 einer nochmals alternativen
Kraftstoffpumpe 10, ähnlich zu 6.
Die Berstmembran 14 wird dabei vom Klemmstück 34 gegen
den Absatz 22 des Pumpengehäuses 26 fluidisch
dicht gepresst. Das Klemmstück 34 ist in das Gehäuse 26 eingepresst.
Der in der 7 linke Abschnitt des Fluidkanals 12 führt
zum Saugbereich 16, der rechte Abschnitt zum Druckbereich 18.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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