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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Kugelventil für eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, aufweisend einen Ventilkörper mit einem Sitzkegel, einer in dem Ventilkörper angeordneten und in geschlossenem Zustand des Kugelventils mit dem Sitzkegel zusammenwirkenden Ventilkugel, die im geöffneten Zustand des Kugelventils einen Strömungsquerschnitt entlang des Sitzkegels freigebend mit einem Hubanschlag zusammenwirkt, und wobei der Hubanschlag zumindest eine Abströmöffnung beinhaltet.
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Ein derartiges Kugelventil ist aus der
DE 10 2004 052 818 A1 bekannt. Dieses Kugelventil ist konventionell aufgebaut und besteht aus Ventilsitz, Ventilkugel und Ventilfeder, die zusammen mit einer Abstützwand einen Hubanschlag bildet. Dieses Kugelventil ist als Rückschlagventil in einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine eingesetzt und soll den Rückstrom von Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in die Hochdruckpumpe verhindern. Dabei soll das Kugelventil nach Beenden der Förderphase möglichst schnell schließen, um einen hohen Fördergrad der Hochdruckpumpe zu ermöglichen.
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Für schnelldrehende Hochdruckpumpen, insbesondere mit Nockenantrieb, werden aufwändige federbelastete Ventilelemente eingesetzt, welche ein geführtes Schließelement aufweisen. Hierbei kann durch gezielte Auslegung des Schließelements und der Ventilfeder ein schnelles und sicheres Schließen des Ventilelements erreicht werden. Ein solches Ventilelement ist aber aufwändig herzustellen und dementsprechend teuer.
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Unter ungünstigen Bedingungen kann es generell bei hohen Drehzahlen der Hochdruckpumpe zum sogenannten „Nicht-Schließ-Effekt” kommen. Gemeint ist hiermit ein Zustand, bei welchem das Kugelventil während der kompletten Saugphase der Hochdruckpumpe geöffnet bleibt und damit zuvor geförderter Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher wieder in den Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe zurückströmt. Dies ist mit starken Drehmomentschwankungen auf der Antriebsseite der Hochdruckpumpe verbunden und kann in Extremfällen zur Zerstörung der Hochdruckpumpe führen. Dieser Effekt kann bei Kugelventilen mit und ohne Ventilfeder auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugelventil kostenneutral so zu verbessern, dass es hinsichtlich seiner Funktion zum Beispiel bezüglich eines Nicht-Schließ-Effekts verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kugelventil insbesondere für den Öffnungs- und Schließvorgang hydraulisch optimiert ist. Diese hydraulische Optimierung ist so ausgelegt, dass auf die Ventilkugel keine störenden Beeinflussungen einwirken, die beim Übergang von einer Förderphase in eine Saugphase der Pumpe den Schließvorgang des Kugelventils behindern. Solche Beeinflussungen sind beispielsweise Oszillationen und Rotationen, zu denen die Kugel während der Förderphase bei hohem Volumenstrom angeregt wird. Diese Oszillationen und Rotationen haben ihren Ursprung in hydraulischen Strömungskräften. Damit beim Übergang von der Förderphase in die Saugphase das Kugelventil schnell schließen kann, müssen die Oszillationen und die Rotationen durch mechanische oder hydraulische Dämpfung abgebaut werden. Durch die hydraulische Optimierung des Kugelventils werden die hydraulischen Mechanismen, die zur Oszillationsanregung (Rotations- und Radialoszillation) der Kugel führen, gezielt beeinflusst. Dadurch wird die Oszillationsfrequenz der Kugel reduziert. Gleichzeitig wird dadurch die Schließzeit des Kugelventils, die den Wirkungsgrad und die Dauerhaltbarkeit der Pumpe, die insbesondere eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems ist, reduziert. Dadurch kann die Pumpe mit höherer Drehzahl betrieben werden und somit beispielsweise einen höheren Volumenstrom liefern.
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Der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ursache für die Anregung von Rotationen der Ventilkugel die durch Umströmung der Ventilkugel hervorgerufenen Druckfelder sind, die sich zeitlich so ändern, dass eine Oszillationsanregung erfolgt. Dabei ist herausgefunden worden, dass die Anregung hierbei nicht nur in der Förderphase der Pumpe erfolgt, sondern auch bei geöffnetem Kugelventil, beispielsweise während der Abwärtsbewegung eines Pumpenkolbens. Durch die nachfolgend noch erläuterten weiteren Ausgestaltungen werden ausreichend hohe öffnende und schließende Kräfte auf die Ventilkugel sichergestellt, um eine sichere Ventilfunktion zu gewähren. Damit ist auch gewährleistet, dass der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe von dem Kugelventil nicht negativ beeinflusst wird. Weiterhin werden die Oszillationsanregungen der Ventilkugel sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen reduziert und insbesondere der sogenannte „Nicht-Schließ-Effekt” wird vermieden bzw. zu höheren Drehzahlen der Pumpe verschoben und im Ergebnis wird die Schließzeit des Kugelventils reduziert. Dabei sind die Ausgestaltungen des Kugelventils so ausgebildet, dass diese kostengünstig auch bei anspruchsvollen Anwendungen umgesetzt werden können.
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In Weiterbildung der Erfindung weist ein den Sitzkegel umfassender Sitzbereich eine Strömungs-Abrisskante auf. Diese Strömungs-Abrisskante sorgt dafür, dass das Druckfeld hinter dem engsten Querschnitt am Umfang der Ventilkugel homogen bleibt, auch bei einer radialen Auslenkung der Ventilkugel, so dass die Anregung der Ventilkugelbewegung durch radiale Druckkräfte in diesem Bereich minimiert wird. Des Weiteren reißt die Strömung am Ventilkörper ab und folgt der Ventilkugeloberfläche. Damit die Strömung im weiteren Verlauf der Oberfläche der Ventilkugel folgen kann und von dieser nicht wieder ablöst, wird in weiterer Ausgestaltung eine Abströmöffnung auf einem kleineren Lochkreisdurchmesser als der Ventilkugeldurchmesser platziert. Anstelle einer Abströmöffnung können auch mehrere Abströmöffnungen, die beispielsweise als Abströmbohrungen ausgebildet sind, vorhanden sein. Durch diese Ausgestaltungen ist die Strömung gezwungen, der Oberfläche der Ventilkugel stabil zu folgen. Somit wird verhindert, dass sich das Strömungsgebiet hinter der Abrisskante durch Wirbelbildungen zeitlich stark ändert. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Ablösen und Wiederanlegen der Strömung an die Ventilkugeloberfläche sich auch die Druckverteilung auf der Ventilkugeloberfläche ändert, was zeitlich sich ändernde radiale Kräfte auf die Ventilkugel zur Folge hat. Diese sich ändernden Kräfte sind Ursache für eine Anregung einer radialen Oszillation. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung der Abströmöffnung, der Abströmbohrungen oder auch einer Ringnut werden die Strömungsabrisse an der Ventilkugel sicher vermieden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungs-Abrisskante ein Sprung oder eine Phase. Dabei ist die so gebildete Strömungs-Abrisskante in der Nähe des maximalen Durchmessers an der Ventilkugel angeordnet. Insbesondere die Phase ist so ausgelegt, dass die Strömung sicher an der Ventilkugel anliegt, während sie sich an der Phase ablöst. Die Position dieser Ablösestelle wird so gewählt, dass die Ventilkugel bei einem maximalen Kugelhub immer noch von einem nachfolgend noch näher erläuterten Führungskegel geführt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Strömungs-Abrisskante anschließend an eine hydraulische Führung wiederum anschließend an den Sitzkegel angeordnet. Durch eine gezielte Drosselung am Sitzkegel und im Bereich der hydraulischen Führung kann die Kraft-Hubkennlinie der Ventilkugel beeinflusst werden und zwar so, dass ein möglichst geringer Krafteinbruch dF erreicht wird. Somit stehen zum Öffnen und Schließen des Kugelventils gleichbleibend hohe Kräfte zur Verfügung. In weiterer Ausgestaltung ist in den Übergang des Sitzkegels in die hydraulische Führung eine Ringnut eingelassen. Es ist aber auch möglich, die hydraulische Führung anschließend an dem Sitzkegel kegelförmig oder zylindrisch auszubilden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Hubanschlag eben oder kegelig ausgebildet. Ein ebener Hubanschlag hat den Vorteil, dass dieser sehr einfach realisiert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1a eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kugelventil,
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1b eine abströmseitige Draufsicht auf das Kugelventil gemäß 1a,
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2 eine Schnittdarstellung eines Kugelventils mit der Darstellung der Wirkung von Abströmöffnungen auf eine Umströmung der Kugel des Kugelventils,
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3 eine Schnittdarstellung eines Kugelventils mit der Darstellung der Wirkung nicht vorhandener strömungsstabilisierende Maßnahme auf eine Umströmung der Kugel,
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4 eine Schnittdarstellung eines Kugelventils mit der Darstellung zweier Ausbildungsvarianten des Bereichs eines Sitzkegels und einer anschließenden hydraulischen Führung,
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5 ein Diagramm, in dem der auf eine Kugel wirkende axiale Kraftverlauf, aufgetragen über dem Hub mit einem günstigen Kugelventildesign und einem ungünstigen Kugelventildesign dargestellt sind und
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6 eine Schnittdarstellung eines Kugelventils mit einem kegeligen Hubanschlag.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das in der 1 dargestellte Kugelventil ist insbesondere zu einem Einsatz an einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine konzipiert. Die Hochdruckpumpe fördert in einen Pumpenarbeitsraum eingeführten Kraftstoff bei einer Hubbewegung eines Pumpenkolbens über das als Rückschlagventil fungierende Kugelventil in einen Hochdruckspeicher, aus dem der unter einem Druck von bis zu 3000 bar stehende Kraftstoff über Kraftstoffinjektoren gesteuert den zugeordneten Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Das Kugelventil ist über einen in einem Ventilkörper 7 eingelassenen Strömungseinlass 1 mit dem Pumpenarbeitsraum und über einen Strömungsauslass 2 sowie eine weiterführende Leitung mit dem Hochdruckspeicher verschaltet. An den Strömungseinlass 1 schließt ein Sitzkegel 3 an, auf dem im geschlossenen Zustand des Kugelventils eine Ventilkugel 4 aufliegt. Dargestellt ist aber die eine Strömungsverbindung zwischen dem Strömungseinlass 1 und dem Strömungsauslass 2 herstellende offene Position der Ventilkugel 4, in der diese an einem Hubanschlag 8 anliegt. An den Sitzkegel 3 schließt ein hydraulischer Führungsbereich 5 an, der in Zusammenhang mit 4 noch detailliert erläutert wird. Anschließend an den hydraulischen Führungsbereich 5 ist eine Abrisskante 6 in den Ventilkörper 7 eingearbeitet. Weiterhin ist der Hubanschlag 8 beispielsweise in Form einer in den Ventilkörper 7 eingesetzten Scheibe ausgebildet, die den Öffnungshub der Ventilkugel 4 auf ein Maß beschränkt, das ausreicht, dass zwischen dem Sitzkegel 3 und der Oberfläche der Ventilkugel 4 Kraftstoff von dem Strömungseinlass 1 zu dem Strömungsauslass 2 strömt. Der Hubanschlag 8 ist eben ausgeführt und weist in der 1b detailliert dargestellte Abströmbohrungen 9a, 9b, 9c auf. Die Abströmbohrungen 9a, 9b, 9c sind auf einem Lochkreis 10 angeordnet, der kleiner ist als der Durchmesser der Ventilkugel 4.
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Diese Ausgestaltung des Kugelventils gemäß den 1a und 1b gewährleistet die in der 2 dargestellte stabile Umströmung 11 der Ventilkugel, bei der die Strömung an der Ventilkugel bis zum Eintritt in die Abströmbohrungen 9a, 9b, 9c anliegt. Um diese stabile Strömung möglichst wenig zu behindern, können auch mehr als drei Abströmbohrungen 9a, 9b, 9c auf dem Lochkreis 10 angeordnet sein oder aber der Lochkreis als quasi umlaufender Ringspalt ausgebildet sein, der nur von beispielsweise zwei Stegen zur Befestigung des eigentlichen Hubanschlags 8 durchbrochen ist. In 3 ohne spezielle Abströmbohrungen stellt sich dagegen eine instabile Umströmung 12 ein. Es kommt dabei zu einer sich zeitlich ändernden Kugelumströmung. Als Folge hiervon werden radiale Querkräfte induziert, die die Kugel zu Schwingungen anregen.
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In der Schnittdarstellung gemäß 4 sind Drosselstellen 13a, 13b zur Definition des auf die Ventilkugel wirkenden axialen Kraftverlauf angegeben, wobei sich die Drosselstelle 13a am Sitzkegel 3 und die Drosselstelle 13b in dem hydraulischen Führungsbereich 5 befindet. Diese Drosselstellen 13a, 13b beeinflussen die in 5 dargestellten Kraft-Hubkennlinien der Ventilkugel 4. In der 4 ist der hydraulische Führungsbereich 5 als Kegel dargestellt, er kann aber auch gemäß der in der Detaildarstellung a) dargestellten Ausführungsform zylinderförmig ausgebildet sein. Die Ausführungsvariante b) zeigt zwischen dem Sitzkegel 3 und dem hier wieder kegelig ausgebildeten hydraulischen Führungsbereich 5 eine Ringnut 14, die die Axialkraft auf die Ventilkugel 4 ebenfalls beeinflusst.
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In 5 zeigt ein Diagramm mit dem über dem Hub H der Ventilkugel 4 und der auf die Ventilkugel 4 einwirkenden axialen Kraft AK. Bei einem Kugelventil mit einem günstigen Design entsprechend den in den Figuren dargestellten Ausführungen ergibt sich Axialkraftverlauf G, der auslaufend auf einen Endwert kontinuierlich abnimmt. Bei einem ungünstigen Design (siehe auch 3) ergibt sich der Kraftverlauf UG mit einem Krafteinbruch dF.
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6 zeigt im Unterschied zu der Darstellung gemäß 1 einen Hubanschlag 8, der kegelig ausgebildet ist. Der entsprechende Kegel 15 ist zur Mittelachse durch das Kugelventil ausgerichtet und trägt zu einer exakten Positionierung der Ventilkugel 4 im geöffneten Zustand des Kugelventils bei. Dargestellt ist eine Stellung der Ventilkugel 14, bei der diese noch nicht an dem Kegel 15 anliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004052818 A1 [0002]
