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Stand der Technik
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Kraftstoffhochdruckpumpen
sind in verschiedenen Bauarten, sei es als Radialkolbenpumpe oder als
Reiheneinspritzpumpe, seit vielen Jahren erfolgreich am Markt.
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Mit
zunehmenden maximalen Einspritzdrücken steigen unter anderem
auch die Anforderungen an die Abscheidung von festen Partikeln aus
dem Kraftstoff, um Schäden
an der Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. den nachgeordneten Injektoren
zu vermeiden.
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Da
die meisten derzeit am Markt befindlichen Kraftstoffhochdruckpumpen
saugdrosselgeregelt sind, wird insbesondere im niederen Teillastbereich der
Brennkraftmaschine nur eine sehr geringe Kraftstoffmenge durch die
Saugventile der Kraftstoffhochdruckpumpe in deren Förderraum
beziehungsweise deren Förderräume angesaugt
und dort auf den gewünschten
Einspritzdruck gebracht.
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Da
die Ventilhübe
des Saugventils von der Fördermenge
und der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängen, sind bei kleinen Drehzahlen
und niedriger Last der Brennkraftmaschine die Hübe des Saugventils sehr klein.
Dies ist zum Beispiel beim Start der Brennkraftmaschine der Fall.
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Gerade
wenn der Ventilhub des Saugventils sehr klein ist, können sich
kleinste Partikel, die sich in dem angesaugten Kraftstoff befinden,
zwischen Ventilsitz und Ventilglied des Saugventils verkeilen. Infolgedessen
wird das Saugventil undicht und die Kraftstoffpumpe kann den erforderlichen
Förderdruck nicht
mehr aufbauen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffhochdruckpumpe
bereitzustellen, bei der die Abscheiderate von festen Partikeln
aus dem Kraftstoff bevor dieser in das Saugventil der Kraftstoffhochdruckpumpe
gelangt weiter verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Kraftstoffhochdruckpumpe für
das Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere
bei einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit einer in einem Pumpengehäuse gelagerten
Antriebswelle, mit mindestens einem bezüglich der Antriebswelle radial
in einer Elementbohrung angeordneten Kolben, wobei der mindestens
eine Kolbe durch Drehen der Antriebswelle in der Elementbohrung
in radialer Richtung hin- und herbewegbar ist, wobei der mindestens
eine Kolben einen Förderraum
begrenzt, mit einer in einen Ringraum des Pumpengehäuses mündenden
Füllbohrung,
dadurch gelöst,
dass die Füllbohrung
im Wesentlichen tangential in den Ringraum mündet.
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Durch
die erfindungsgemäß beanspruchte Ausrichtung
der Füllbohrung,
so dass die Längsachse
der Füllbohrung
mit einer Tangentialkomponente in den Ringraum mündet, wird der von der Kraftstoffhochdruckpumpe
durch die Füllbohrung
angesaugte Kraftstoff in tangentialer Richtung in den Ringraum gesaugt.
Dadurch wirkt eine Zentrifugalkraft sowohl auf den Kraftstoff als
auch auf die möglicherweise
im Kraftstoff enthaltenen Partikel, die in aller Regel in Form von
Metallabrieb auftreten. Diese Zentrifugalkraft sorgt dafür, dass
die Partikel aufgrund ihres höheren
spezifischen Gewichts an die Außenwand
des Ringraums gelangen und dort bleiben.
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Da
das Saugventil der Kraftstoffhochdruckpumpe im Zentrum des Ringraums
angeordnet ist, gelangen die auf die zuvor beschriebene Weise abgetrennten
Partikel nicht in das Saugventil und den Hochdruckbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe. Somit
ist durch die erfindungsgemäße Anordnung der
Füllbohrung auf
einfache und zuverlässige
Weise eine zusätzliche
Abtrennung der Partikel aus dem Kraftstoff möglich. Diese zyklonabscheiderartige
Abtrennung der Partikel ist über
die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine aktiv, so dass eine Reinigung
oder Entleerung eines Sammelraums nicht erforderlich ist.
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Die
erfindungsgemäße Abtrennung
von Partikeln aus dem Kraftstoff wird weiter verbessert, wenn der
Ringraum an seinem in Einbaulage der Kraftstoffhochdruckpumpe geodätisch unteren
Ende als Spänesammelraum
ausgebildet ist. Dann können
zum Beispiel bei abgestellter Brennkraftmaschine, wenn kein Kraftstoff
durch den Ringraum strömt,
die an der Außenwand
des Ringraums möglicherweise
anhaftenden Partikel nach unten absinken und in dem Spänesammelraum
gesammelt werden.
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Um
sicherzustellen, dass die einmal abgetrennten Partikel aus dem Spänesammelraum
nicht mehr in den anderen Teil des von Kraftstoff durchströmten Teil
des Ringraums gelangen können,
ist ein Trennelement zwischen dem Spänesammelraum und dem anderen
Teil des Ringraums vorgesehen. Dieses Trennelement kann zum Beispiel
als Blechteil durch Stanzen und Umformen hergestellt werden und
in dem Ringraum, insbesondere an einer Innenwand des Ringraums kraftschlüssig und/oder
federnd befestigt werden.
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Die
Abtrennung von Partikeln aus dem Kraftstoff wird weiter unterstützt, wenn
die Außenwand des
Ringraums, insbesondere im Bereich des Spänesammelraums, kegelstumpfförmig ausgebildet
ist. Dann wird aufgrund der Potentialunterschiede bei einer im Ringraum
zirkulierenden Flüssigkeitsströmung die
Abtrennung der spezifisch schwereren Partikel weiter gefördert.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass Saugventil
in dem Ringraum, insbesondere im Zentrum des Ringraums, anzuordnen. Dadurch
ist gewährleistet,
dass nur Kraftstoff, der keine Partikel mehr enthält, von
dem Saugventil angesaugt wird. Somit sind Beschädigungen des Saugventils aufgrund
von im Kraftstoff enthaltenen Partikeln nahezu ausgeschlossen.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Saugventil
eine Ventilplatte und ein Ventilglied, wobei in der Ventilplatte
einen Ventilsitz bildende Zentralbohrung und mindestens eine, die
Zentralbohrung mit einem Außendurchmesser
der Ventilplatte verbindende Verbindungsbohrung vorgesehen ist,
und wobei die mindestens eine Verbindungsbohrung im Wesentlichen
tangential in die Zentralbohrung mündet. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Saugventils ist gewährleistet,
dass die Verbindungsbohrung nicht radial außen an der Ventilplatte mündet, sondern
auch eine tangentiale Komponente aufweist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Pumpengehäuse mehrteilig
ausgebildet und umfasst einen Zylinderkopf für jedes Pumpenelement, wobei
in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Elementbohrungen und/oder
die Saugventile und/oder die Ringräume in den Zylinderköpfen der
Pumpenelemente angeordnet sind.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die
in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In
der Zeichnung zeigt:
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Zeichnungen
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1 einen
Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe;
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2 ein
Saugventil der Kraftstoffhochdruckpumpe in vergrößerter Darstellung;
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3 einen
Schnitt entlang der Linie A-A und
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4 einen
Schnitt durch zwei Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Sammmelräume für abgeschiedene
Partikel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt
schematisch eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung
bei Kraftstoffeinspritzsystemen, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen,
von Brennkraftmaschinen im Schnitt. Die in 1 dargestellte Radialkolbenpumpe
ist mit einer integrierten Bedarfsmengenrege lung ausgestattet. Die
Fördermengenregelung
erfolgt niederdruckseitig über
eine nicht dargestellte Zumesseinheit ZME.
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Die
in 1 gezeigte Radialkolbenpumpe umfasst eine in einem
Pumpengehäuse 1 gelagerte Antriebswelle 2 mit
zwei um 180° versetzt
abgeordneten Nocken 36. Gegen die Nocken 36 stützt sich ein
Kolben 8 ab. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Kraftstoffhochdruckpumpen
mit einem Pumpenelement beschränkt,
wie sich aus der weiteren Beschreibung der Erfindung ohne weiteres
ergibt. Der Kolben 8 ist in einer Elementbohrung 11 in
radialer Richtung hin und her bewegbar aufgenommen und begrenzt an
seinem der Antriebswelle 2 abgewandten Ende einen Förderraum 12.
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An
seinem zu der Antriebswelle 2 hin gerichteten Ende stützt sich
der Kolben 8 gegen einen Boden 20 eines Stößels 23 ab.
Um die Kraftübertragung zwischen
Kolben 8 und Boden 20 des Stößels 23 zu verbessern,
ist am Kolben 8 ein Teller 14 vorgesehen. Dieser
Teller 14 kann entweder einstückig mit dem Kolben 8 oder
abnehmbar daran befestigt sein. Gegen den Teller 14 ist
eine Feder 17 vorgespannt. Die Feder 17 drückt den
Kolben 8 gegen den Boden 20. Von dem Boden 20 des
Stößels 23 erstreckt
sich ein zylinderförmiger
Führungskörper 26 in
Richtung des Förderraums 12.
Der Führungskörper 26 ist
Teil des Stößels 23 und
verhindern ein Kippen der Stößel 23 in
einer Führungsbohrung 29.
Die Stößel 23 sind in
einem Zylinderkopf 1.2 verschiebbar.
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In
dem Boden 20 ist ein Rollenschuh 21 mit einer
halbrunden Vertiefung 27 vorgesehen, der zur Lagerung einer
Rolle 28 dient. Die Vertiefung 27 und die Rolle 28 bilden
ein Gleitlager, während
sich die Rolle 28 auf der Nocke 36 der Antriebswelle 2 abwälzt. In
seitlicher Richtung wird die Rolle 28 im Führungskörper 26 fixiert.
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Die
in 1 dargestellte Radialkolbenpumpe dient dazu, Kraftstoff,
der von einer Vorförderpumpe
aus einem Tank geliefert wird, mit Hochdruck zu beaufschlagen. Im
Förderhub
werden die Kolben 8 infolge der Exzenterbewegung der Nocken 36 der Antriebswelle 2 von
der Drehachse der Antriebswelle Nockenwelle 2 wegbewegt.
Im Saughub bewegen sich die Kolben 8 radial auf die Achse
der Nockenwelle 2 zu, um Kraftstoff in den Förderraum 12 zu saugen.
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Zu
diesem Zweck ist auf der Niederdruck- oder Saugseite des Förderraums
ein Saugventil 51 in einer Füllbohrung 53 angeordnet
und in einer Hochdruckleitung 55 ist ein druckseitiges
Rückschlagventil (nicht
dargestellt) vorgesehen.
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Wenn
nun der Stößel 23 von
den Nocken 36 der Antriebswelle angetrieben wird, führt er eine
oszillierende Bewegung aus, die auf den Kolben 8 übertragen
wird.
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Wie
sich schon aus der 1 ergibt, ist das Pumpengehäuse 1 mehrteilig
aufgebaut. Es umfasst ein Kurbelgehäuse 1.1 und einen
Zylinderkopf 1.2. In dem Zylinderkopf 1.2 sind
die Elementbohrungen 11 sowie der Förderraum 12 sowie
ein Saugventil 51 und ein hochdruckseitiges Rückschlagventil
(nicht dargestellt) angeordnet. Im Zusammenhang mit der beanspruchten
Erfindung ist dabei von Bedeutung, dass eine Füllbohrung 53 in einen
ebenfalls im Zylinderkopf 1.2 ausgebildeten Ringraum 59 mündet. Der Ringraum 59 ist
als nutförmige
Vertiefung in einer Stufenbohrung in einer gestuften Erweiterung
der Elementbohrung 11 ausgebildet. Nach oben hin, wird diese
gestufte Bohrung durch eine Verschlussschraube 61, welche
eine Aussparung für
den oberen Teil des Saugventils 51 aufweist, dichtend verschlossen.
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In 2 ist
das Saugventil 51 stark vergrößert dargestellt. Das Saugventil 51 umfasst
eine bevorzugt kreisförmige
Ventilplatte 63 mit einer Zentralbohrung 65. An
dem in 2 unteren Ende der Zentralbohrung 65 ist
ein Ventilsitz 67 ausgebildet. In der Zentralbohrung 65 ist
ein Ventilglied umfassend einen Ventilschaft 69 und einen
Ventilteller 71 in axialer Richtung verschiebbar geführt. Der
Ventilschaft 69 des Ventilglieds ragt auf der dem Ventilsitz 67 gegenüberliegenden
Seite über
die Ventilplatte 63 hinaus. An diesem Ende des Ventilschafts 69 ist
eine Ventilfeder 73 zwischen dem der Ventilplatte 63 und
dem Ventilschaft eingespannt. Zu diesem Zweck ist eine Hülse 75 mit
dem Schaft 69 verpresst und/oder verschweißt. Die
Ventilfeder 73 sorgt dafür, dass der Ventilteller 71 gegen
den Ventilsitz 67 gepresst wird und das Saugventil 51 somit
geschlossen wird. Lediglich wenn der Druckunterschied zwischen dem oberhalb
des Ventiltellers befindlichen Teil der Zentralbohrung 65 und
dem unterhalb des Ventiltellers 71 herrschenden Druckkräfte die
Vorspannung der Ventilfeder 73 überwinden, dann öffnet das
Ventilglied und der Ventilteller 71 hebt vom Ventilsitz 67 ab.
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Zwischen
einem Außendurchmesser 77 der Ventilplatte 63 und
der Zentralbohrung 65 sind mehrere Verbindungsbohrungen 79 angeordnet.
Die Verbindungs bohrungen 79 stellen eine hydraulische Verbindung
zwischen dem Ringraum 59 (siehe 2 oben)
und dem oberhalb des Ventiltellers 71 befindlichen Teil
der Zentralbohrung 65 her.
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In 3 ist
ein Schnitt entlang der Linie A-A (siehe 1) dargestellt.
Aus dieser Schnittdarstellung wird deutlich, dass die Füllbohrung 53 im
Wesentlichen tangential in den Ringraum 59 im Zylinderkopf 1.2 des
Pumpengehäuses 1 mündet. Infolgedessen
strömt
der Kraftstoff auf einer Kreisbahn, die durch verschiedene Pfeile
(ohne Bezugszeichen) angedeutet ist, in den Ringraum 59 ein.
Aus dieser kreisförmigen
Bewegung des Kraftstoffs resultieren Zentrifugalkräfte, welche
eventuell in dem Kraftstoff befindliche und spezifisch schwerere
Partikel an eine Außenwand 81 des
Ringraums 59 gedrückt.
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Da
das Saugventil 51 bzw. die Ventilplatte 63 des
Saugventils in der Mitte des Ringraums 59 angeordnet ist,
und die Verbindungsbohrungen 79 innerhalb der Ventilplatte 63 am
Außendurchmesser 77 der
Ventilplatte beginnen, gelangen die an der Außenwand 81 des Ringraums 59 befindlichen
Partikel nicht in die Verbindungsbohrungen 79 aufgrund
des Potentialunterschieds in der bewegten auf einer kreisbogenförmigen Bahn
befindlichen Kraftstoffs.
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Um
das Einströmen
des auf einer kreisbogenförmigen
Bahn befindlichen Kraftstoffs in die Verbindungsbohrungen 79 zu
erleichtern, sind letztere ebenfalls nicht radial, sondern mit einer
tangentialen Komponente bezüglich
des Außendurchmessers 77 der
Ventilplatte 63 angeordnet. Sie münden daher tangential in die
Zentralbohrung 65.
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In 4 ist
ein Längsschnitt
durch den Ringraum 59 sowie das Saugventil 51 und
die Füllbohrung 53 dargestellt.
Dabei wird deutlich, dass der Ringraum 59 an seinem in
Einbaulage unteren Ende tiefer angeordnet ist als die Ventilplatte 63 des
Saugventils 51. Dieser untere Teil des Ringraums 59 ist
als Spänesammelraum 63 ausgebildet.
Im linken Teil der 4 ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem der Ringraum 59 eine zylindrische
Außenwand 81 aufweist.
Bei dem in 4 auf der rechten Seite dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Außenwand 81 im
Bereich des Spänesammelraums 83 kegelstumpfförmig, mit
nach unten zunehmendem Durchmesser ausgebildet. Dadurch wird die
Abrennung von Partikeln aus dem Kraftstoff und dem Abtrennen der
Partikel und Sammeln derselben im Spänesammelraum 83 weiter
unterstützt
und gefördert.
Die Partikel sind in 4 andeutungsweise durch Punkte dargestellt.
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Um
zu verhindern, dass einmal in den Spänesammelraum 83 gelangte
Partikel wieder in den oberen Teil des Ringraums 53 gelangen
können,
ist ein Trennelement 85 vorgesehen, welches beispielsweise
als Umformteil aus Stahlblech hergestellt werden kann. Dieses Trennelement 85 kann
beispielsweise formschlüssig
oder kraftschlüssig
auf eine Innenwand 87 des Ringraums aufgeschoben werden.