Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem.The invention relates to a high-pressure pump for a fuel injection system.
Stand der TechnikState of the art
Hochdruckpumpen von Kraftstoffeinspritzsystemen fördern Kraftstoff aus einem Niederdruckbehälter, z. B. aus einem Kraftstofftank oder einem Arbeitsraum einer Vorförderpumpe, in einen oder mehrere Hochdruckbehälter. Der Hochdruckbehälter kann ein so genanntes Common Rail sein, von dem eine Vielzahl von Einspritzleitungen zu den einzelnen in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ragenden Injektoren abführt. Der Hochdruckbehälter kann aber auch Bestandteil der Injektoren selbst sein. Der Kraftstoff wird bei den als Kolbenpumpe ausgebildeten Hochdruckpumpen in einem Verdichtungsraum durch Längsbewegungen eines Pumpenkolbens verdichtet.High pressure pumps of fuel injection systems deliver fuel from a low pressure vessel, e.g. B. from a fuel tank or a working space of a prefeed pump, in one or more high pressure vessel. The high pressure vessel may be a so-called common rail, from which discharges a plurality of injection lines to the individual projecting into the combustion chamber of an internal combustion engine injectors. The high pressure container may also be part of the injectors themselves. The fuel is compressed in the form of a piston pump high-pressure pump in a compression chamber by longitudinal movements of a pump piston.
Um während der Hochdruckförderung ein Zurückströmen von Kraftstoff aus dem Verdichtungsraum in den Niederdruckbehälter zu verhindern, ist ein Rückschlagventil bzw. Saugventil in einem Ventilstück der Hochdruckpumpe angeordnet. Im gleichen Ventilstück ist ein weiteres Rückschlagventil zwischen dem Verdichtungsraum und dem Hochdruckbehälter angeordnet, das ein Zurückströmen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Hochdruckbehälter in den Verdichtungsraum während der Förderpausen verhindert.In order to prevent a backflow of fuel from the compression chamber into the low-pressure container during the high-pressure delivery, a check valve or suction valve is arranged in a valve piece of the high-pressure pump. In the same valve piece, a further check valve between the compression chamber and the high-pressure vessel is arranged, which prevents a backflow of high-pressure fuel from the high pressure vessel into the compression space during the pauses.
Hochdruckpumpen mit einer derartigen Ventilanordnung sind beispielsweise aus der DE 195 41 507 A1 und der JP 2006-183 647 A bekannt.High-pressure pumps with such a valve arrangement are for example from the DE 195 41 507 A1 and the JP 2006-183 647 A known.
Aufgrund der wachsenden Anforderungen für neue Kraftstoffeinspritzsysteme hinsichtlich der erforderlichen Einspritzdrücke steigen auch die Beanspruchungen speziell der hochdruckbelasteten Bauteile, so dass es zu einem mechanischen Versagen aufgrund der hohen hydraulischen Kräfte kommen kann. Dies begrenzt den maximal möglichen, mit der Hochdruckpumpe erzeugbaren Einspritzdruck.Due to the increasing requirements for new fuel injection systems with regard to the required injection pressures, the stresses on the high-pressure components in particular also increase, so that a mechanical failure due to the high hydraulic forces can occur. This limits the maximum possible injection pressure that can be generated with the high-pressure pump.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems weist demgegenüber eine erhöhte Dauerfestigkeit und damit Hochdruckbeständigkeit auf. Dazu weist die Hochdruckpumpe einen Pumpenkolben auf, der in einer Führungsbohrung eines Ventilgehäuses längsbeweglich geführt ist. In dem Ventilgehäuse ist ein Ventilstück mit im Wesentlichen zylindrischer Form angeordnet, das durch Montagekräfte entlang seiner Längsachse druckbelastet ist. Das Ventilgehäuse, das Ventilstück und der Pumpenkolben begrenzen einen Verdichtungsraum, dessen Volumen aufgrund der Längsbewegungen des Pumpenkolbens variabel ist und so mit wechselndem Kraftstoffdruck belastet ist. In einer Bohrung des Ventilstücks ist ein Ringraum ausgebildet, der mit dem Verdichtungsraum ständig hydraulisch verbunden ist. Eine Außenfläche des Ventilstücks weist eine umlaufende Außennut auf, die konzentrisch zum Ringraum radial außen angeordnet ist. Durch die konstruktive Anordnung der Außennut konzentrisch zum Ringraum, radial nach außen gerichtet, weist das Ventilstück im Bereich des Ringraums eine verjüngte Wandstärke auf. In diesem Querschnitt führen die eingeleiteten Montagedruckkräfte zu erhöhten Druckspannungen bzw. zu niedrigeren Zugspannungen in der Umgebung des Ringraumes, was die Dauerfestigkeit des Ventilstücks und damit der gesamten Hochdruckpumpe steigert.In contrast, the high-pressure pump according to the invention of a fuel injection system has increased fatigue strength and thus high-pressure resistance. For this purpose, the high-pressure pump has a pump piston which is longitudinally movably guided in a guide bore of a valve housing. In the valve housing a valve piece is arranged with a substantially cylindrical shape, which is pressure-loaded by assembly forces along its longitudinal axis. The valve housing, the valve piece and the pump piston define a compression space whose volume is variable due to the longitudinal movements of the pump piston and is thus loaded with changing fuel pressure. In a bore of the valve piece an annular space is formed which is permanently connected hydraulically to the compression space. An outer surface of the valve piece has a circumferential outer groove, which is arranged concentrically to the annular space radially outward. Due to the structural arrangement of the outer groove concentric with the annular space, directed radially outward, the valve piece in the region of the annular space on a tapered wall thickness. In this cross-section, the initiated assembly pressure forces lead to increased compressive stresses or lower tensile stresses in the vicinity of the annular space, which increases the fatigue strength of the valve piece and thus the entire high-pressure pump.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Außennut des Ventilstücks einen ausgerundeten Querschnitt auf. Dadurch wird der Kraftfluss aus der Verspannung des Ventilstücks vergleichsweise sanft in den verjüngten Querschnitt zwischen Außennut und Ringraum eingeleitet.In an advantageous embodiment of the invention, the outer groove of the valve piece has a rounded cross-section. As a result, the force flow from the tension of the valve piece is introduced comparatively smoothly into the tapered cross section between the outer groove and the annular space.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Außennut des Ventilstücks einen trapezförmigen Querschnitt auf. Dadurch wird der Kraftfluss aus der Verspannung des Ventilstücks ähnlich sanft in den verjüngten Querschnitt zwischen Außennut und Ringraum eingeleitet bei gleichzeitig einfacher Fertigung der Außennut.In another advantageous embodiment of the invention, the outer groove of the valve piece has a trapezoidal cross-section. As a result, the power flow from the tension of the valve member is similarly gently introduced into the tapered cross section between the outer groove and annulus while simplifying the production of the outer groove.
Vorteilhafterweise ist der trapezförmige Querschnitt der Außennut sich radial nach außen erweiternd gestaltet. Singularitäten, also theoretisch unendlich hohe Spannungsspitzen bei sprunghaften Querschnittsänderungen, werden dadurch vermieden.Advantageously, the trapezoidal cross section of the outer groove is designed widening radially outward. Singularities, ie theoretically infinitely high voltage peaks with sudden changes in cross section, are thereby avoided.
In einer vorteilhaften Ausführung beträgt die Wandstärke einer Restwand des Ventilstücks zwischen dem Ringraum und der Außennut weniger als 50% der Wandstärke der sich in Längsrichtung des Ventilstücks daran anschließenden Bereiche. Daraus ergibt sich ein merklicher Effekt für die Steigerung der Dauerfestigkeit, weil die aus den zyklischen Hochdruckbelastungen entstehenden Mittelspannungen merklich in Richtung der Druckbeanspruchungen geschoben werden und so die in der Regel schädlicheren Zugbeanspruchungen deutlich reduziert werden.In an advantageous embodiment, the wall thickness of a residual wall of the valve piece between the annular space and the outer groove is less than 50% of the wall thickness of the areas adjoining it in the longitudinal direction of the valve piece. This results in a noticeable effect for the increase in fatigue strength, because the resulting from the cyclic high-pressure loads medium stresses are pushed noticeably in the direction of compressive stresses and thus the usually damaging tensile stresses are significantly reduced.
Vorteilhafterweise beträgt die Wandstärke des Ventilstücks zwischen dem Ringraum und der Außennut bei einem Durchmesser der Außenfläche des Ventilstücks im Bereich von 20 mm bis 30 mm weniger als 3 mm. Dadurch ergibt sich eine besonders starke Konzentration von vorteilhaften Druckspannungen in der Restwand zwischen Ringraum und Außennut.Advantageously, the wall thickness of the valve piece between the annulus and the outer groove is less than 3 mm in a diameter of the outer surface of the valve piece in the range of 20 mm to 30 mm. This results in a particularly strong concentration of beneficial Compressive stresses in the residual wall between annulus and outer groove.
In vorteilhaften Ausführungen sind die Kanten der Außennut verrundet. Schädliche Kerbwirkungen an der Außennut werden so minimiert.In advantageous embodiments, the edges of the outer groove are rounded. Harmful notch effects on the outer groove are thus minimized.
In einer Weiterbildung der Erfindung wirkt das Ventilstück an einer ersten Stirnfläche mit dem Ventilgehäuse und an einer zweiten Stirnfläche mit einem weiteren Ventilstück zusammen. Dadurch werden zum einen der Ringraum und zum anderen die Bohrung des Ventilstücks aufgrund hoher Flächenpressungen in den Stirnflächen sehr gut abgedichtet.In a development of the invention, the valve piece interacts with the valve housing at a first end face and with a further valve piece at a second end face. As a result, on the one hand, the annular space and on the other hand, the bore of the valve piece due to high surface pressures in the end surfaces are sealed very well.
Vorteilhafterweise liegen die erste Stirnfläche, die Restwand des Ventilstücks zwischen Außennut und Ringraum und die zweite Stirnfläche etwa in einer Flucht. Dadurch erfolgt zum einen eine gleichmäßige Einleitung der Druckkräfte in die Restwand, zum anderen werden ungünstige Biegungen des Ventilstücks vermieden.Advantageously, the first end face, the remaining wall of the valve piece between outer notch and annulus and the second end face are approximately in alignment. This results in a uniform introduction of the compressive forces in the rest of the wall, on the other hand, unfavorable bends of the valve piece can be avoided.
Zeichnungendrawings
1 zeigt schematisch einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. 1 schematically shows a longitudinal section of the high-pressure pump according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der 1. 2 shows the section marked II with the 1 ,
3 zeigt in einem ähnlichen Ausschnitt wie 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des ersten Ventilstücks. 3 shows in a similar section as 2 a further embodiment of the first valve piece.
4 zeigt beispielhaft einen örtlichen Spannungsverlauf eines Punktes im ersten Ventilstück. 4 shows an example of a local voltage curve of a point in the first valve piece.
5 zeigt die Anordnung eines zyklisch belasteten Punktes des Ventilstücks in einem Haigh-Diagramm. 5 shows the arrangement of a cyclically loaded point of the valve piece in a Haigh diagram.
Beschreibungdescription
1 zeigt einen Längsschnitt einer Hochdruckpumpe 100 für ein Kraftstoffeinspritzsystem, wobei nur die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Teile dargestellt sind. Die Hochdruckpumpe 100 dient der Versorgung von nicht dargestellten Injektoren mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, wobei dies direkt oder über ein Common Rail erfolgen kann. 1 shows a longitudinal section of a high-pressure pump 100 for a fuel injection system, with only the essential parts for the present invention being shown. The high pressure pump 100 is used to supply not shown injectors with fuel under high pressure, which can be done directly or via a common rail.
Das Gehäuse der Hochdruckpumpe 100 besteht aus einem Zylindergehäuse 1 und einem mit diesem verschraubten Zylinderkopf 2. Ein Ventilgehäuse 3 ist in das Zylindergehäuse 1 eingeschraubt, welches mit dem Zylinderkopf 2 abgedichtet ist. Im Zylindergehäuse 1 ist eine nicht dargestellte Nockenwelle rotierbar gelagert, die den Antrieb der Hochdruckpumpe 100 bildet.The housing of the high pressure pump 100 consists of a cylinder housing 1 and a bolted with this cylinder head 2 , A valve housing 3 is in the cylinder housing 1 screwed in, which with the cylinder head 2 is sealed. In the cylinder housing 1 a camshaft, not shown rotatably mounted, which drives the high-pressure pump 100 forms.
In einer im Ventilgehäuse 3 ausgebildeten Führungsbohrung 35 ist ein Pumpenkolben 5, der zumindest mittelbar mit der nicht dargestellten Nockenwelle zusammenwirkt, in einer Längsrichtung 90 geführt, die senkrecht zur Nockenwelle verläuft.In one in the valve housing 3 trained pilot hole 35 is a pump piston 5 , which interacts at least indirectly with the camshaft, not shown, in a longitudinal direction 90 guided, which runs perpendicular to the camshaft.
Innerhalb des Ventilgehäuses 3, im der Nockenwelle abgewandten Bereich, sind ein Ventilstück 10 und ein weiteres Ventilstück 20, beide im Wesentlichen von zylindrischer Form, in Längsrichtung 90 verspannt. Dazu ist der Zylinderkopf 2 mit dem Zylindergehäuse 1 verschraubt und das Zylindergehäuse 1 mit dem Ventilgehäuse 3. Weiterhin wirkt das Ventilstück 10 an einer ersten Stirnfläche 18 mit einer ersten Auflagefläche 30 des Ventilgehäuses 3 und an einer zweiten Stirnfläche 19 mit einer ersten Dichtfläche 27 des weiteren Ventilstücks 20 zusammen. Das weitere Ventilstück 20 wirkt außerdem an einer zweiten Dichtfläche 28 mit einer zweiten Auflagefläche 29 des Zylinderkopfs 2 zusammen.Inside the valve housing 3 , in the area facing away from the camshaft, are a valve piece 10 and another valve piece 20 both substantially cylindrical in shape, longitudinally 90 braced. This is the cylinder head 2 with the cylinder housing 1 bolted and the cylinder housing 1 with the valve body 3 , Furthermore, the valve piece acts 10 at a first end face 18 with a first contact surface 30 of the valve housing 3 and on a second end face 19 with a first sealing surface 27 the other valve piece 20 together. The further valve piece 20 also acts on a second sealing surface 28 with a second support surface 29 of the cylinder head 2 together.
Die aus der Montage resultierenden Druckkräfte auf das Ventilstück 10 und das weitere Ventilstück 20 verlaufen somit in der Längsrichtung 90 wie folgt:
- 1) Kontakt zwischen zweiter Auflagefläche 29 des Zylinderkopfes 2 und zweiter Dichtfläche 28 des weiteren Ventilstücks 20
- 2) durch das weitere Ventilstück 20
- 3) Kontakt zwischen erster Dichtfläche 27 des weiteren Ventilstücks 20 und zweiter Stirnfläche 19 des Ventilstücks 10
- 4) durch das Ventilstück 10
- 5) Kontakt zwischen erster Stirnfläche 18 des Ventilstücks 10 und erster Auflagefläche 30 des Ventilgehäuses 3.
The resulting from the assembly pressure forces on the valve piece 10 and the other valve piece 20 thus run in the longitudinal direction 90 as follows: - 1) contact between second bearing surface 29 of the cylinder head 2 and second sealing surface 28 the other valve piece 20
- 2) through the further valve piece 20
- 3) contact between the first sealing surface 27 the other valve piece 20 and second end face 19 of the valve piece 10
- 4) through the valve piece 10
- 5) contact between first end face 18 of the valve piece 10 and first contact surface 30 of the valve housing 3 ,
Zwischen dem Ventilgehäuse 3, dem Ventilstück 10 und dem Pumpenkolben 5 ist ein Verdichtungsraum 6 ausgebildet, der über im Ventilstück 10 ausgebildete Verbindungsbohrungen 13 mit einem im Ventilstück 10 ausgebildeten Ringraum 12 hydraulisch verbunden ist. Die Verbindungsbohrungen 13 verlaufen in Richtung der Längsachse des Ventilstücks 10. Hydraulisch gesehen sind die Verbindungsbohrungen 13 und der Ringraum 12 eine Erweiterung des Verdichtungsraums 6, da sie mit diesem ständig verbunden sind.Between the valve body 3 , the valve piece 10 and the pump piston 5 is a compression space 6 formed over in the valve piece 10 trained connection holes 13 with one in the valve piece 10 trained annulus 12 hydraulically connected. The connection holes 13 extend in the direction of the longitudinal axis of the valve piece 10 , Hydraulically seen are the connection holes 13 and the annulus 12 an extension of the compression space 6 because they are constantly connected to this.
Im Ventilstück 10 verläuft vom Ringraum 12 eine erste Bohrung 11 zum weiteren Ventilstück 20 und mündet dort in eine zweite Bohrung 21, die im weiteren Ventilstück 20 ausgebildet ist und die wiederrum in eine im Zylinderkopf 2 ausgebildete Hochdruckbohrung 9 mündet. Die Hochdruckbohrung 9 führt entweder in ein nicht dargestelltes Common Rail des Kraftstoffeinspritzsystems oder in eine bzw. mehrere nicht dargestellte Injektoren des Kraftstoffeinspritzsystems.In the valve piece 10 runs from the annulus 12 a first hole 11 to the other valve piece 20 and there flows into a second hole 21 , in the further valve piece 20 is formed and the turn in a cylinder head 2 trained high-pressure bore 9 empties. The high pressure bore 9 leads either in an unillustrated common rail of the fuel injection system or in one or several injectors of the fuel injection system, not shown.
Innerhalb der beiden Ventilstücke 10, 20 sind Ventilfunktionen realisiert, die eine erste und eine zweite hydraulische Verbindung öffnen und schließen: Ein Hochdruckventilkolben 40, der in der ersten Bohrung 11 geführt und durch eine Hochdruckventilfeder 42 gegen das Ventilstück 10 vorgespannt ist, öffnet und schließt die erste hydraulische Verbindung, indem er einen zwischen Ventilstück 10 und Hochdruckventilkolben 40 ausgebildeten ersten Ventilsitz 45 öffnet und schließt.Inside the two valve pieces 10 . 20 Valve functions are implemented that open and close a first and a second hydraulic connection: A high-pressure valve piston 40 that in the first hole 11 guided and by a high pressure valve spring 42 against the valve piece 10 is biased, opens and closes the first hydraulic connection by placing an intermediate valve piece 10 and high pressure valve piston 40 trained first valve seat 45 opens and closes.
Ein Saugventilkolben 41, der in einer Bohrung des Hochdruckventilkolbens 40 geführt und durch eine Saugventilfeder 43 gegen das Ventilstück 10 vorgespannt ist, öffnet und schließt die zweite hydraulische Verbindung vom Ringraum 12 zu einer im Ventilstück 10 angeordneten Niederdruckbohrung 17, indem er einen zwischen Ventilstück 10 und Saugventilkolben 41 ausgebildeten zweiten Ventilsitz 46 öffnet und schließt.A suction valve piston 41 which is in a bore of the high pressure valve piston 40 guided and by a Saugventilfeder 43 against the valve piece 10 is biased, opens and closes the second hydraulic connection from the annulus 12 to one in the valve piece 10 arranged low-pressure hole 17 by placing one between the valve piece 10 and suction valve piston 41 trained second valve seat 46 opens and closes.
Die Niederdruckbohrung 17 ist hydraulisch zumindest mittelbar mit einem nicht dargestellten Kraftstofftank bzw. einer nicht dargestellten Vorförderpumpe verbunden und dient der Befüllung von Ringraum 12 und Verdichtungsraum 6 während des Saugtaktes der Hochdruckpumpe 100, bzw. während der Längsbewegung des Pumpenkolbens 5 in Längsrichtung 90, bei der das Volumen des Verdichtungsraums 6 expandiert.The low pressure hole 17 is hydraulically connected at least indirectly with a fuel tank, not shown, or a prefeed pump, not shown, and is used to fill the annulus 12 and compression space 6 during the suction cycle of the high-pressure pump 100 , or during the longitudinal movement of the pump piston 5 longitudinal 90 where the volume of the compression space 6 expanded.
Auf der im Wesentlichen zylindrischen Außenfläche 14 des Ventilstücks 10 ist eine umlaufende Außennut 15 so ausgebildet, dass sie etwa dem Ringraum 12 radial außen gegenüberliegend angeordnet ist, also konzentrisch zum Ringraum 12 verläuft. Dadurch weist das Ventilstück 10 zwischen Ringraum 12 und Außennut 15 eine Restwand 16 mit nur noch vergleichsweise geringer Wandstärke t auf, während die sich daran anschließenden Bereiche des Ventilstücks 10 eine vergleichsweise große Wandstärke s aufweisen.On the substantially cylindrical outer surface 14 of the valve piece 10 is a circumferential outer groove 15 designed so that they are about the annulus 12 is arranged radially outwardly opposite, so concentric with the annulus 12 runs. This shows the valve piece 10 between annulus 12 and outer groove 15 a residual wall 16 with only a comparatively small wall thickness t, while the adjoining areas of the valve piece 10 have a comparatively large wall thickness s.
2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels des Ventilstücks 10 im Bereich der Außennut 15. Vorzugsweise liegt der Durchmesser der zylindrischen Außenfläche 14 im Bereich von 20 mm bis 30 mm. Das Ventilstück 10 weist ober- und unterhalb der Restwand 16 die vergleichsweise große Wandstärke s auf, die typischerweise 4 mm bis 9 mm beträgt, und ist zwischen Ringraum 12 und Außennut 15 auf die Wandstärke t der Restwand 16 verjüngt, welche vorzugsweise 1 mm bis 5 mm beträgt, vorteilhafterweise 2 mm bis 3 mm. Weiterhin ist vorteilhafterweise die große Wandstärke s mehr als doppelt so stark ausgebildet wie die verjüngte Wandstärke t. 2 shows the section marked II with the 1 a further embodiment of the valve piece 10 in the area of the outer groove 15 , Preferably, the diameter of the cylindrical outer surface is located 14 in the range of 20 mm to 30 mm. The valve piece 10 points above and below the remaining wall 16 the comparatively large wall thickness s, which is typically 4 mm to 9 mm, and is between annular space 12 and outer groove 15 on the wall thickness t of the residual wall 16 tapered, which is preferably 1 mm to 5 mm, advantageously 2 mm to 3 mm. Furthermore, the large wall thickness s is advantageously more than twice as strong as the tapered wall thickness t.
Die Außennut 15 ist im Querschnitt trapezförmig gestaltet, mit einer kleinen Grundseite a, die die verjüngte Wandstärke t begrenzt, und einer großen Grundseite b, die auf der Außenfläche 14 liegt. Die Höhe h des Trapezes kann größer sein als die verjüngte Wandstärke t.The outer groove 15 is trapezoidal shaped in cross-section, with a small base a, which limits the tapered wall thickness t, and a large base b, which is on the outer surface 14 lies. The height h of the trapezoid may be greater than the tapered wall thickness t.
Die Kanten der trapezförmigen Außennut 15 können abweichend von der Darstellung in 2 auch verrundet ausgeführt sein, beispielsweise mit einem Radius von 0,3 mm, um unnötig hohe Spannungsspitzen aufgrund von Kerbwirkungen im Bereich der Außennut 15 zu vermeiden.The edges of the trapezoidal outer groove 15 may differ from the illustration in 2 be performed rounded, for example, with a radius of 0.3 mm, to unnecessarily high voltage spikes due to notch effects in the outer groove 15 to avoid.
3 zeigt eine konkav gestaltete Außennut 15, durch welche eine noch homogenere Spannungsverteilung erzielt werden kann als bei einer trapezförmig gestalteten Außennut 15. Weiterhin wird die Anordnung der Restwand 16 zwischen Außennut 15 und Ringraum 12 bzgl. der Druckpunkte bzw. Druckflächen zwischen Ventilstück 10 zum Ventilgehäuse 3 und Ventilstück 10 zum weiteren Ventilstück 20 dargestellt. Die Druckflächen sind dabei die folgenden Kontaktflächen:
- – im Kontakt zwischen Ventilstück 10 zum Ventilgehäuse 3: die Kontaktflächen zwischen erster Stirnfläche 18 und erster Auflagefläche 30,
- – im Kontakt zwischen Ventilstück 10 zum weiteren Ventilstück 20: die Kontaktflächen zwischen zweiter Stirnfläche 19 und erster Dichtfläche 27.
3 shows a concave outer groove 15 , by which an even more homogeneous stress distribution can be achieved than in a trapezoidally shaped outer groove 15 , Furthermore, the arrangement of the residual wall 16 between outer groove 15 and annulus 12 with respect to the pressure points or pressure surfaces between valve piece 10 to the valve housing 3 and valve piece 10 to the other valve piece 20 shown. The printing surfaces are the following contact surfaces: - - in contact between valve piece 10 to the valve housing 3 : the contact surfaces between the first end face 18 and first contact surface 30 .
- - in contact between valve piece 10 to the other valve piece 20 : the contact surfaces between the second end face 19 and first sealing surface 27 ,
Die Restwand 16 zwischen Außennut 15 und Ringraum 12 ist etwa in einer Flucht zu den beiden Kontakten angeordnet, so dass die in den verjüngten Querschnitt der Restwand 16 eingeleiteten aus der Montage resultierenden Druckspannungen sich homogen über den Querschnitt der Restwand 16 mit der Wandstärke t verteilen. Gleichzeitig wird so eine schädliche Biegung des Ventilstücks 10 vermieden.The rest wall 16 between outer groove 15 and annulus 12 is arranged approximately in a flight to the two contacts, so that in the tapered cross-section of the remaining wall 16 initiated from the assembly resulting compressive stresses are homogeneous over the cross section of the residual wall 16 distribute with the wall thickness t. At the same time, such a harmful bending of the valve piece 10 avoided.
Die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 100 ist wie folgt:
Die nicht dargestellte Nockenwelle wandelt aufgrund ihres Nockens ein Drehmoment in eine axiale Längskraft auf den längsbeweglichen Pumpenkolben 5 um und bewegt diesen somit in der Führungsbohrung 35 in Längsrichtung 90 auf und ab, wodurch sich das Volumen des Verdichtungsraums 6 ändert.The operation of the high-pressure pump 100 is as follows:
The camshaft, not shown, converts a torque into an axial longitudinal force on the longitudinally movable pump piston due to its cam 5 and thus moves it in the guide bore 35 longitudinal 90 up and down, thereby increasing the volume of the compression space 6 changes.
Im oberen Totpunkt des Pumpenkolbens 5 ist das Volumen des Verdichtungsraums 6 minimal (ähnlich dem in der 1 dargestellten Zustand) und damit der darin befindliche Kraftstoff maximal verdichtet. Zu diesem Zeitpunkt stehen der Verdichtungsraum 6 und damit auch die Verbindungsbohrungen 13 und der Ringraum 12 unter Hochdruck. Der erste Ventilsitz 45 zwischen Hochdruckventilkolben 40 und Ventilstück 10 bzw. die erste hydraulische Verbindung ist geöffnet, solange die hydraulisch resultierende Kraft auf den Hochdruckventilkolben 40 entgegen der Längsrichtung 90 größer ist als die Kraft der Hochdruckventilfeder 42, d. h. wenn die Differenz zwischen dem Druck im Ringraum 12 und dem Druck in der Hochdruckbohrung 9 so groß ist, dass die daraus resultierende hydraulische Kraft auf den Hochdruckventilkolben 40 größer ist als die Federkraft der Hochdruckventilfeder 42. In diesem Zustand werden die Injektoren bzw. das Common Rail mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt.At top dead center of the pump piston 5 is the volume of the compression space 6 minimal (similar to that in the 1 state shown) and thus the fuel contained therein maximally compressed. At this time, the compression room 6 and thus also the connection holes 13 and the annulus 12 under high pressure. The first valve seat 45 between high pressure valve piston 40 and valve piece 10 or the first hydraulic connection is opened as long as the hydraulically resulting force on the high-pressure valve piston 40 against the longitudinal direction 90 greater than the force of the high pressure valve spring 42 ie if the difference between the pressure in the annulus 12 and the pressure in the high pressure bore 9 so great is that the resulting hydraulic force on the high pressure valve piston 40 greater than the spring force of the high pressure valve spring 42 , In this state, the injectors and the common rail are filled with high-pressure fuel.
Eine Drehung der Nockenwelle bewirkt nun, dass sich der Pumpenkolben 5 in Längsrichtung 90 bewegt. Dadurch expandiert das Volumen des Verdichtungsraums 6 und der Kraftstoff im Verdichtungsraum 6 entspannt sich und somit auch der Kraftstoff in den Verbindungsbohrungen 13, im Ringraum 12 und in der ersten Bohrung 11. Mit abnehmendem Druck in der ersten Bohrung 11 sinkt auch die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf den Hochdruckventilkolben 40, so dass dieser durch die Kraft der Hochdruckventilfeder 42 in den ersten Ventilsitz 45 gedrückt wird und die erste hydraulische Verbindung innerhalb der ersten Bohrung 11 schließt. Dadurch ist der Fördervorgang ins Common Rail bzw. in die Injektoren beendet. Der Kraftstoff im Verdichtungsraum 6, in den Verbindungsbohrungen 13 und im Ringraum 12 kann nun weiter entspannt werden, ohne dass gleichzeitig der Druck in der zweiten Bohrung 21 bzw. der Hochdruckbohrung 9 abfällt.A rotation of the camshaft now causes the pump piston 5 longitudinal 90 emotional. As a result, the volume of the compression chamber expands 6 and the fuel in the compression chamber 6 relaxes and thus also the fuel in the connecting holes 13 in the annulus 12 and in the first hole 11 , With decreasing pressure in the first hole 11 The hydraulically resulting opening force also drops to the high-pressure valve piston 40 so that this by the force of the high pressure valve spring 42 in the first valve seat 45 is pressed and the first hydraulic connection within the first bore 11 closes. As a result, the delivery process in the common rail or in the injectors is completed. The fuel in the compression chamber 6 , in the connection holes 13 and in the annulus 12 can now be further relaxed, without at the same time the pressure in the second hole 21 or the high pressure bore 9 drops.
Bis zum unteren Totpunkt des Pumpenkolbens 5, in dem das Volumen des Verdichtungsraums 6 maximal ist, wird der Kraftstoff im Ringraum 12 so weit entspannt bis der Druck im Ringraum 12 unter den Druck in der Niederdruckbohrung 17 abfällt, der üblicherweise etwa 5 bar beträgt. Ab einer bestimmten Druckdifferenz reichen die hydraulische Kraft im Ringraum 12 und die Kraft der Saugventilfeder 43 auf den Saugventilkolben 41 nicht mehr aus, um den Saugventilkolben 41 gegen den zweiten Ventilsitz 46 zu drücken. Die hydraulische Kraft in der Niederdruckbohrung 17 öffnet die zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Ventilstück 10 und dem Saugventilkolben 41 entgegen der Kraft der Saugventilfeder 43. Dadurch strömt Kraftstoff über die Niederdruckbohrung 17 in den Ringraum 12 und befüllt so auch die Verbindungsbohrungen 13, den Verdichtungsraum 6 und die erste Bohrung 11 bis zum ersten Ventilsitz 45.Until the bottom dead center of the pump piston 5 in which the volume of the compression space 6 is maximum, the fuel is in the annulus 12 so far relaxed until the pressure in the annulus 12 under the pressure in the low pressure hole 17 drops, which is usually about 5 bar. From a certain pressure difference, the hydraulic force in the annulus rich 12 and the power of the Saugventilfeder 43 on the suction valve piston 41 no longer off to the suction valve piston 41 against the second valve seat 46 to press. The hydraulic force in the low pressure bore 17 opens the second hydraulic connection between the valve piece 10 and the suction valve piston 41 against the force of the Saugventilfeder 43 , As a result, fuel flows through the low pressure bore 17 in the annulus 12 and so also fills the connection holes 13 , the compression chamber 6 and the first hole 11 to the first valve seat 45 ,
Sind die Drücke im Ringraum 12 und in der Niederdruckbohrung 17 durch den Befüllungsvorgang annähernd ausgeglichen, so ist die resultierende hydraulische Kraft auf den Saugventilkolben 41 annähernd Null und die Saugventilfeder 43 drückt den Saugventilkolben 41 gegen den zweiten Ventilsitz 46. Die zweite hydraulische Verbindung zwischen dem Saugventilkolben 41 und dem Ventilstück 10 wird dadurch geschlossen und der Befüllungsvorgang beendet.Are the pressures in the annulus 12 and in the low pressure hole 17 approximately balanced by the filling process, the resulting hydraulic force is on the Saugventilkolben 41 almost zero and the Saugventilfeder 43 pushes the suction valve piston 41 against the second valve seat 46 , The second hydraulic connection between the suction valve piston 41 and the valve piece 10 is closed and the filling process is terminated.
Der Pumpenkolben 5 wird nun durch die weitere Rotation der nicht dargestellten Nockenwelle aus seiner unteren Totpunktstellung entgegen der Längsrichtung 90 in seine obere Totpunktstellung bewegt. Dadurch wird das Volumen des Verdichtungsraums 6 reduziert und bei geschlossenem ersten Ventilsitz 45 und geschlossenem zweiten Ventilsitz 46 der Kraftstoff in Verdichtungsraum 6, Verbindungsbohrungen 13, Ringraum 12 und erster Bohrung 11 bis zum ersten Ventilsitz 45 verdichtet. Die Verdichtung erfolgt solange, bis der Druck im Ringraum 12 den Druck in der zweiten Bohrung 21 bzw. in der Hochdruckbohrung 9 so weit übersteigt, dass die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf den Hochdruckventilkolben 40 entgegen der Längsrichtung 90 größer ist als die Schließkraft der Hochdruckventilfeder 42 und den ersten Ventilsitz 45 bzw. die erste hydraulische Verbindung öffnet.The pump piston 5 is now by the further rotation of the camshaft, not shown, from its bottom dead center opposite to the longitudinal direction 90 moved to its top dead center position. This will change the volume of the compression chamber 6 reduced and with closed first valve seat 45 and closed second valve seat 46 the fuel in the compression chamber 6 , Connecting bores 13 , Annulus 12 and first hole 11 to the first valve seat 45 compacted. The compression takes place until the pressure in the annulus 12 the pressure in the second hole 21 or in the high pressure bore 9 so far exceeds that the hydraulically resulting opening force on the high-pressure valve piston 40 against the longitudinal direction 90 greater than the closing force of the high-pressure valve spring 42 and the first valve seat 45 or the first hydraulic connection opens.
Daraufhin strömt der verdichtete Kraftstoff vom Ringraum 12 durch die erste Bohrung 11 in die zweite Bohrung 21 und somit auch in die Hochdruckbohrung 9 und ins Common Rail bzw. in die Injektoren. Der Druck in der Hochdruckbohrung 9 nähert sich in der Folge dem Druck im Ringraum 12 an. Der Pumpenkolben 5 befindet sich zu diesem Zeitpunkt etwa wieder im oberen Totpunkt.Then the compressed fuel flows from the annulus 12 through the first hole 11 in the second hole 21 and thus also in the high-pressure bore 9 and into the common rail or into the injectors. The pressure in the high pressure bore 9 as a result, approaches the pressure in the annulus 12 at. The pump piston 5 is at this time about back to top dead center.
Die beschriebene Funktionsweise der Hochdruckpumpe 100 zeigt, dass der festigkeitskritische Ringraum 12 pro Nockenwellenumdrehung zwischen einem Niederdruckzustand und einem Hochdruckzustand zyklisch belastet wird. Ein typischer Wert für den Niederdruckzustand ist eine Belastung von etwa 5 bar, ein typischer Wert für den Hochdruckzustand ist eine Belastung von 300 bar bis nahezu 3000 bar.The described operation of the high-pressure pump 100 shows that the strength-critical annulus 12 is cyclically loaded per camshaft revolution between a low pressure state and a high pressure state. A typical value for the low pressure state is a load of about 5 bar, a typical value for the high pressure state is a load of 300 bar to nearly 3000 bar.
Überlagert werden diese Druckbelastungen jeweils von der Montagebelastung aus der Verspannung des Ventilstücks 10. 4 zeigt beispielhaft einen örtlichen Spannungsverlauf („Lokale Spannung”) eines Punktes im Bereich des Ringraums 12 bzw. der Restwand 16 in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Nockenwelle. Je nach Beanspruchung und Konstruktion kann der festigkeitskritischste Punkt auf der Oberfläche des Ventilstücks 10 zum Ringraum 12 oder im Materialinneren im Bereich der Restwand 16 liegen.These pressure loads are superimposed by the mounting load from the tension of the valve piece 10 , 4 shows an example of a local voltage curve ("local voltage") of a point in the region of the annulus 12 or the rest of the wall 16 depending on the angle of rotation of the camshaft. Depending on the stress and construction of the most critical point on the surface of the valve piece 10 to the annulus 12 or in the interior of the material in the area of the residual wall 16 lie.
Die Unterspannung σu kennzeichnet dabei in der Regel die Beanspruchung resultierend aus Montage- plus Niederdruckbelastung und die Oberspannung σo die Beanspruchung resultierend aus Montage- plus Hochdruckbelastung. Dadurch ergeben sich in einer Dauerfestigkeitsberechnung nach dem örtlichen Konzept für jeden Ort des Ventilstücks 10, speziell im Bereich des festigkeitskritischen Ringraums 12, eine sogenannte Mittelspannung σM, die sich aus dem Mittelwert von σu und σo ergibt, und eine sogenannte Ausschlagspannung σA, die den Abstand von σM zu σu bzw. zu σo beschreibt. Vorteilhafterweise werden die Spannungen als Vergleichsspannungen, also als Skalar angegeben.As a rule, the undervoltage σ u characterizes the stress resulting from assembly plus low-pressure loading and the upper stress σ o the stress resulting from assembly plus high-pressure loading. This results in a fatigue calculation according to the local concept for each location of the valve piece 10 , especially in the field of strength-critical annular space 12 , a so-called mean stress σ M , which results from the mean value of σ u and σ o , and a so-called deflection stress σ A , which describes the distance from σ M to σ u or to σ o . Advantageously, the voltages are given as reference voltages, that is to say as a scalar.
Zur Beurteilung der Dauerfestigkeit eines Bauteils wird der festigkeitskritischste Punkt bzw. Betriebspunkt, der im vorliegenden Fall ein Punkt der Restwand 16 des Ventilstücks 10 in der unmittelbaren Nähe des Ringraums 12 und der Verbindungsbohrungen 13 sein kann, im sogenannten Haigh-Diagramm dargestellt. Dabei wird die Ausschlagspannung σA über der Mittelspannung σM aufgetragen, wie sie aus der zyklischen Belastung ermittelt wurden. Beispielhaft wird dies anhand der Punkte 201 und 202 in 5 gezeigt. Zusätzlich wird eine Grenzkurve 200 als Materialgrenze aus den Festigkeitswerten (Zugfestigkeit Rm, Wechselfestigkeit σW und Schwellfestigkeit σSchw) des verwendeten Materials aufgetragen, wie in 5 dargestellt. Auf Besonderheiten wie Stützwirkung der umgebenden Geometrie auf den Betriebspunkt und Überlastfälle wird hier nicht eingegangen, diese sind dem Fachmann jedoch bekannt und würden bei entsprechender Relevanz durch diesen berücksichtigt werden.To assess the fatigue strength of a component, the point of critical strength or operating point, which in the present case is a point of the residual wall, becomes the most critical 16 of the valve piece 10 in the immediate vicinity of the annulus 12 and the connection holes 13 can be, represented in the so-called haigh diagram. In this case, the deflection stress σ A is plotted against the mean stress σ M , as determined from the cyclic load. This is exemplified by the points 201 and 202 in 5 shown. In addition, a limit curve 200 as the material limit from the strength values (tensile strength R m , alternating strength σ W and threshold strength σ Schw ) of the material used, as in 5 shown. Special features such as supporting effect of the surrounding geometry on the operating point and overload cases are not discussed here, but these are known to the person skilled in the art and, if they are relevant, would be taken into account by the latter.
Oft ist die Beanspruchungsart am festigkeitskritischsten Punkt eine Zugbeanspruchung, die im Haigh-Diagramm durch eine positive Mittelspannung σM gekennzeichnet ist. Der zugehörige erste Betriebspunkt 201 ist in 5 dargestellt und beispielhaft für ein Ventilstück 10 ohne Außennut gewählt. Die zugehörige erste Sicherheit gegen einen Ermüdungsbruch (bzw. Sicherheit für Dauerfestigkeit) ist durch das Verhältnis der ersten Beanspruchung 211b zur ersten Beanspruchbarkeit 211a gekennzeichnet. Die Beanspruchbarkeit wird dabei von der Materialgrenze der Grenzkurve 200 festgelegt.Often the type of stress at the most critical point is a tensile stress, which in the Haigh diagram is characterized by a positive mean stress σ M. The associated first operating point 201 is in 5 illustrated and exemplified for a valve piece 10 chosen without external groove. The associated first safety against a fatigue failure (or safety for fatigue strength) is the ratio of the first load 211b to the first resistance 211 characterized. The load-bearing capacity is determined by the material limit of the limit curve 200 established.
Die vorliegende Erfindung erhöht die Sicherheit für Dauerfestigkeit der Hochdruckpumpe 100, indem in den aufgrund der Druckbelastungen im Ringraum 12 zugbeanspruchten Bereich des Ventilstücks 10 in der Restwand 16 bzw. in deren Umgebung konstruktiv – nämlich durch die Außennut 15 – Druckspannungen erhöht werden und so der Betriebspunkt in Richtung der Druckbeanspruchungen (also im Haigh-Diagramm nach links) verschoben wird. In 5 wird dies durch den zweiten Betriebspunkt 202 beispielhaft für ein Ventilstück 10 mit Außennut 15 dargestellt. Der zweite Betriebspunkt 202 liegt deutlich weiter von der Linie der Materialgrenze der Grenzkurve 200 entfernt, weist also eine erheblich größere zweite Sicherheit für Dauerfestigkeit auf. Die zweite Sicherheit ist durch das Verhältnis der zweiten Beanspruchung 212b zur zweiten Beanspruchbarkeit 212a gekennzeichnet.The present invention increases the safety for fatigue strength of the high pressure pump 100 in the due to the pressure loads in the annulus 12 tensioned area of the valve piece 10 in the rest wall 16 or in their environment constructive - namely by the outer groove 15 - Compressive stresses are increased and so the operating point in the direction of compressive stresses (ie in the Haigh diagram to the left) is moved. In 5 this will be through the second operating point 202 exemplary of a valve piece 10 with outer groove 15 shown. The second operating point 202 is significantly further from the line of limit boundary material 200 removed, so has a much greater second safety for fatigue strength. The second safety is due to the ratio of the second stress 212b for second strength 212a characterized.
Es ist deutlich zu sehen, dass die erste Beanspruchung 211b und die zweite Beanspruchung 212b gleich groß sind, aber die zweite Beanspruchbarkeit 212a aufgrund der Verschiebung nach links größer ist als die erste Beanspruchbarkeit 211a, so dass die zweite Sicherheit auch größer ist als die erste Sicherheit.It is clear to see that the first strain 211b and the second strain 212b are the same size, but the second strength 212a due to the shift to the left is greater than the first load capacity 211 so that the second security is also greater than the first security.
Die konstruktive Erhöhung von Druckspannungen, resultierend aus der Verspannung des Ventilstücks 10 zum Ventilgehäuse 3 und dem weiteren Ventilstück 20, in den Bereich der Restwand 16 erfolgt durch die Verjüngung der Restwand 16 aufgrund der Außennut 15. Die Vorspannkraft wird so im Bereich der Restwand 16 auf eine geringere Querschnittsfläche konzentriert und erzeugt dementsprechend höhere Druckspannungen.The constructive increase of compressive stresses, resulting from the tension of the valve piece 10 to the valve housing 3 and the other valve piece 20 , in the area of the rest wall 16 done by rejuvenating the rest of the wall 16 due to the outer groove 15 , The preload force is thus in the range of the residual wall 16 concentrated to a smaller cross-sectional area and accordingly generates higher compressive stresses.
Aus dem Haigh-Diagramm ist ersichtlich, dass selbst bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Ausschlagspannung σA, die aufgrund der verjüngten Restwand 16 aus der zyklischen Belastung resultieren könnte, die Sicherheit für Dauerfestigkeit dennoch durch das Verschieben der Mittelspannung σM in Richtung des Druckbereichs gesteigert werden kann. Eine Optimierung, d. h. eine Maximierung der Sicherheit für Dauerfestigkeit, erfolgt vorteilhafterweise mit numerischen Simulationsmethoden, wobei in erster Linie Lage und Kontur der Außennut 15 optimiert werden. In einem zusätzlichen Schritt können die Lage von erster Stirnfläche 18 und zweiter Stirnfläche 19 optimiert werden, um die aus der Montage resultierenden Druckkräfte innerhalb der Wandstärke t der Restwand 16 möglichst so zu verteilen, dass diese die Zugbeanspruchungen der kritischsten Bereiche im relevanten Querschnitt möglichst stark verringern.From the Haigh diagram it can be seen that even with a simultaneous increase in the deflection stress σ A , due to the tapered residual wall 16 could result from the cyclic load, the safety for fatigue strength can still be increased by shifting the average stress σ M in the direction of the pressure range. An optimization, ie a maximization of the safety for fatigue strength, is advantageously carried out with numerical simulation methods, wherein primarily position and contour of the outer groove 15 be optimized. In an additional step, the location of the first end face 18 and second end face 19 be optimized to the resulting from the assembly pressure forces within the wall thickness t of the residual wall 16 distribute as much as possible so that they reduce the tensile stresses of the most critical areas in the relevant cross-section as much as possible.
