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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kraftstoff-Hochdruckpumpen, insbesondere Kolbenpumpen für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, sind vom Markt her bekannt. Häufig umfassen solche Kraftstoff-Hochdruckpumpen ein Einlassventil und ein Auslassventil, welche in Abhängigkeit von einer Steuerung und/oder in Abhängigkeit von einem Kraftstoffdruck öffnen und schließen können. Das Auslassventil ermöglicht es, einen unter Druck stehenden Kraftstoffspeicher ("Rail") gegen einen Förderraum der Kraftstoff-Hochdruckpumpe während eines Saughubes zu verschließen. Wenn dagegen ein Kraftstoffdruck in dem Förderraum eine durch den Druck in dem Kraftstoffspeicher bedingte Gegenkraft zuzüglich einer Schließfederkraft übersteigt, so kann das Auslassventil öffnen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in 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 betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, mit einem Auslassventil mit einer Ventilkugel und einem Ventilkörper, der einen Dichtabschnitt aufweist, an dem ein Dichtsitz vorhanden ist, und der einen Führungsabschnitt aufweist, in dem die Ventilkugel geführt ist. Erfindungsgemäß umfasst der Führungsabschnitt eine erste Mehrzahl von axial abragenden Stegen, zwischen denen erste Strömungswege gebildet sind, wobei mindestens zwischen zwei benachbarten der Stege eine Öffnung nach radial außen vorhanden ist. Somit können die Stege die Ventilkugel radial führen, ohne dabei die hydraulische Strömung stark zu behindern. Insbesondere weisen die Stege keinen gemeinsamen radial außen umlaufenden Kragen oder dergleichen auf. Dadurch kann bei geöffnetem Auslassventil ein Bereich radial außerhalb der Stege von Kraftstoff durchströmt werden, wodurch ein hydraulischer Querschnitt vergrößert und die Förderleistung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verbessert werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe sind die Stege als vom Dichtabschnitt frei axial abragende Stege ausgebildet. Somit sind die Stege nur an einem axialen Endabschnitt – vorzugsweise einstückig – mit dem Ventilkörper verbunden. Damit kann der hydraulische Querschnitt zusätzlich verbessert werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Stege einen kreisringsektorartigen Querschnitt aufweisen. Dadurch kann bei geöffnetem Auslassventil eine im Bereich der Stege gebildete radiale Strömung mit besonders großem Querschnitt erfolgen. Zugleich kann ein Materialquerschnitt der Stege optimiert sein, wodurch eine Dauerfestigkeit verbessert werden kann. Alternativ sind aber auch andere, beispielsweise kreisförmige oder vieleckige Querschnitte denkbar.
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In einer Ausgestaltung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe weist der Ventilkörper im Bereich des Führungsabschnitts einen kleineren Außendurchmesser auf als im Bereich des Dichtabschnitts. Beispielsweise ist der Ventilkörper in einem Gehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe angeordnet, vorzugsweise in dieses eingepresst. Dann kann ein radialer Bereich zwischen den Stegen und dem Gehäuse vorteilhaft für die hydraulische Strömung ausgenutzt werden, wodurch der hydraulische Querschnitt weiter verbessert werden kann. Außerdem kann der Führungsabschnitt wegen des kleineren Außendurchmessers von einem radial äußeren Pressbereich an dem Ventilkörper entkoppelt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe weist das Auslassventil einen Anschlagkörper für die Ventilkugel mit einem Anschlagabschnitt auf, der den Öffnungshub der Ventilkugel begrenzt, wobei der Anschlagkörper eine zweite Mehrzahl von radialen Ausnehmungen aufweist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind und zweite Strömungswege bilden, wobei die Querschnittsflächen und/oder die zweite Mehrzahl der zweiten Strömungswege derart gewählt sind, dass unabhängig von der radialen Ausrichtung des Anschlagkörpers mindestens ein zweiter Strömungsweg einen ersten Strömungsweg wenigstens teilweise überlappt. Dadurch wird eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Hochdruckpumpe beschrieben. Insbesondere kann eine Montage des Ventilkörpers und des Anschlagkörpers unabhängig von einem radialen Winkel dieser Elemente zueinander erfolgen und somit vereinfacht und verbilligt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich eine Ventilfeder, welche die Ventilkugel mit einer axialen Kraft gegen den Dichtsitz beaufschlagt, an dem Anschlagkörper abstützt. Insbesondere kann der Anschlagkörper teilweise in etwa topfförmig ausgeführt sein, wobei die Ventilfeder radial innerhalb des Anschlagkörpers aufgenommen ist. Dadurch kann das Auslassventil und somit die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe besonders kompakt bauen.
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Ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Ventilfeder als Schraubenfeder ausgeführt ist und in einer axialen Richtung verschiedene Durchmesser aufweist, insbesondere tailliert ist. Dadurch kann die Funktion der Ventilfeder, insbesondere wenn die Ventilfeder radial innerhalb des Anschlagkörpers aufgenommen ist, verbessert werden. Insbesondere kann durch die Taillierung eine Reibung zwischen der Ventilfeder und dem Anschlagkörper verkleinert oder sogar verhindert werden, wodurch eine Dauerfestigkeit erhöht werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe sind der Anschlagkörper und/oder der Ventilkörper nach einem Verfahren des Metall-Pulverspritzgießens, MIM, hergestellt. Dadurch kann das Auslassventil besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Mehrzahl und die zweite Mehrzahl unterschiedlich sind. Dadurch wird vor allem bei radial gleichmäßiger Verteilung der Stege bzw. der Ausnehmungen erreicht, dass sich sozusagen eine radiale "Interferenz" zwischen den ersten und den zweiten Strömungswegen ergibt, wodurch ein in der Summe sich ergebender hydraulischer Öffnungsquerschnitt im Wesentlichen unabhängig von einem radialen Winkel zwischen dem Führungsabschnitt und dem Anschlagkörper ist. Dadurch wird die Funktion des Auslassventils verbessert und die Montage vereinfacht, da die Elemente in Umfangsrichtung nicht ausgerichtet werden brauchen.
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Alternativ zu einer Herstellung nach einem Verfahren des Metall-Pulverspritzgießens kann insbesondere der Anschlagkörper als Stanzteil und/oder Tiefziehteil ausgeführt sein. Dadurch können Gewicht gespart und Herstellkosten gesenkt werden.
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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 vereinfachtes Schema einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine in einer Schnittdarstellung;
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2 einen Längsschnitt durch ein Auslassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe von 1;
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3 eine perspektivische Darstellung eines Ventilkörpers und eines Anschlagkörpers des Auslassventils, ähnlich zu 2, zusammen mit einer Ventilkugel und einer Ventilfeder; und
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4 eine perspektivische Darstellung des Ventilkörpers von 3. 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 vereinfachtes Schema einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 in einer axialen Schnittdarstellung. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ist ein Element eines nicht dargestellten Kraftstoffsystems einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dessen in der Zeichnung linkem Abschnitt ein Elektromagnet 14 mit einer Magnetspule 16, einem Anker 18 und einer Ankerfeder 20 angeordnet ist.
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Weiterhin umfasst die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 einen mit einer Niederdruckleitung 22 verbundenen Einlass 24 mit einem Einlassventil 26, und einen mit einer Hochdruckleitung 28 verbundenen Auslass 30 mit einem Auslassventil 32. Ein an die Hochdruckleitung 28 angeschlossener Hochdruckspeicher ("Rail") ist nicht dargestellt. In einem geöffneten Zustand ist das Auslassventil 32 über eine Öffnung 34 mit einem Förderraum 36 hydraulisch verbunden. Das Auslassventil 32 umfasst eine Ventilkugel 38 sowie eine Ventilfeder 40 und ist in der 1 nur sehr schematisch dargestellt. Weiter unten bei den 2, 3 und 4 wird das Auslassventil 32 noch im Detail gezeigt und beschrieben werden.
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Das Einlassventil 26 umfasst eine Ventilfeder 42 sowie einen Ventilkörper 44. Der Ventilkörper 44 kann mittels einer in der Zeichnung horizontal verschiebbaren und mit dem Anker 18 gekoppelten Ventilnadel 46 bewegt werden. Ist der Elektromagnet 14 bestromt, bewegt sich die Ventilnadel 46 in 1 nach links, und so kann das Einlassventil 26 durch die Kraft der Ventilfeder 42 geschlossen werden.
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Ist der Elektromagnet 14 nicht bestromt, so kann das Einlassventil 26 durch die Kraft der Ankerfeder 20 zwangsweise geöffnet werden. In dem Förderraum 36 ist ein Kolben 48 in der Zeichnung vertikal bewegbar angeordnet. Der Kolben 48 kann mittels einer Rolle 50 von einem – vorliegend elliptischen – Nocken 52 in einem Zylinder 54 bewegt werden. Der Zylinder 54 ist in einem Abschnitt des Gehäuses 12 gebildet. Das Einlassventil 26 ist über eine Öffnung 56 mit dem Förderraum 36 hydraulisch verbunden.
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Im Betrieb fördert die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 Kraftstoff von dem Einlass 24 zu dem Auslass 30, wobei das Auslassventil 32 entsprechend einem jeweiligen Druckunterschied zwischen dem Förderraum 36 und dem Auslass 30 bzw. der Hochdruckleitung 28 öffnet oder schließt. Das Einlassventil 26 wird bei Vollförderung von einem jeweiligen Druckunterschied zwischen dem Einlass 24 und dem Förderraum 36 beaufschlagt, bei Teilförderung jedoch außerdem durch die Ventilnadel 46 bzw. den Elektromagneten 14.
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2 zeigt eine axiale Schnittdarstellung des Auslassventils 32, welches in dem Gehäuse 12 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 angeordnet ist. Denkbar ist grundsätzlich aber auch, dass das Gehäuse des Auslassventils 32 vom Gehäuse 12 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 separat ist. Das Auslassventil 32 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch bzw. radialsymmetrisch ausgeführt und umfasst vorliegend vier Elemente: Einen Ventilkörper 58 (in der Zeichnung links), einen Anschlagkörper 60 (in der Zeichnung rechts), die axial zentrisch zwischen dem Ventilkörper 58 und dem Anschlagkörper 60 angeordnete Ventilkugel 38, und die als Schraubenfeder ausgeführte Ventilfeder 40.
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Die Ventilfeder 40 beaufschlagt die Ventilkugel 38 in Schließrichtung und ist in einer Ausnehmung 62 des Anschlagkörpers 60 aufgenommen. Dabei stützt sich die Ventilfeder 40 an einem Boden (in der Zeichnung rechts, ohne Bezugszeichen) des Anschlagkörpers 60 ab. Eine radial innere Begrenzungsfläche der Ausnehmung 62 bildet eine Führung für die Ventilfeder 40. Die Ausnehmung 62 weist einen einfachen zylindrischen Querschnitt auf. Der Boden weist eine axiale zentrische Öffnung 64 auf, welche einen kleineren Durchmesser aufweist als die Ventilfeder 40. In der in 2 dargestellten Ausführungsform des Auslassventils 32 weist die Ventilfeder 40 in einer axialen Richtung (stetig) verschiedene Durchmesser auf und ist vorliegend tailliert ausgeführt.
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Ein der Ventilkugel 38 zugewandter Rand der Ausnehmung 62 in dem Anschlagkörper 60 bildet einen ringförmigen Anschlagabschnitt 66 für die Ventilkugel 38. Somit begrenzt der Anschlagkörper 60 mittels des Anschlagabschnitts 66 einen Öffnungshub der Ventilkugel 38.
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An dem Ventilkörper 58 ist ein linienhafter ringförmiger Dichtsitz 68 ausgebildet. In der Zeichnung rechts von dem Dichtsitz 68 weist der Ventilkörper 58 einen Führungsabschnitt 70 auf, in dem die Ventilkugel 38 radial geführt ist. Der Führungsabschnitt 70 umfasst eine erste Mehrzahl von axial abragenden Stegen 72, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind und als radiale Führung für die Ventilkugel 38 dienen. Insbesondere ist zu erkennen, dass die Stege 72 von einem den Dichtsitz 68 umfassenden Dichtabschnitt in axialer Richtung frei abragen, also beispielsweise nicht von einem gemeinsamen Kragen oder dergleichen umschlossen sind, wodurch gegebenenfalls eine Engstelle für die hydraulische Strömung entstünde.
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Entsprechend ist radial zwischen den Stegen 72 eine erste Mehrzahl von Ausnehmungen 73 vorhanden, welche erste Strömungswege 74 und eine vom Inneren des Führungsabschnitts 70 nach radial außen führende Öffnung 75 bilden. In einem axialen Bereich der ersten Strömungswege 74 ist der Führungsabschnitt 70 entsprechend der ersten Mehrzahl der Stege 72 radialsymmetrisch ausgeführt. In einem radial äußeren Bereich der Stege 72 und der Öffnungen 75 ist ein Innendurchmesser des Gehäuses 12 größer ausgeführt als in einem in der 2 linken Bereich, so dass sich im Bereich der Öffnungen 75 ein besonders großer hydraulischer Querschnitt ergibt.
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Der Anschlagkörper 60 weist radial auf seiner Außenseite, also außerhalb von der Ausnehmung 62 eine zweite Mehrzahl von Ausnehmungen 76 auf, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind und zweite Strömungswege 78 bilden. In einem axialen Bereich der zweiten Strömungswege 78 ist der Anschlagkörper 60 entsprechend der zweiten Mehrzahl der Ausnehmungen 76 radialsymmetrisch ausgeführt. Vorliegend sind die erste Mehrzahl und die zweite Mehrzahl unterschiedlich und betragen drei beziehungsweise fünf, vergleiche die folgenden 3 und 4.
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In der 2 sind der Ventilkörper 58 und der Anschlagkörper 60 um ein geringes Maß (ohne Bezugszeichen) axial beabstandet angeordnet bzw. dargestellt. In einer nicht gezeigten Ausführungsform des Auslassventils 32 sind der Ventilkörper 58 und der Anschlagkörper 60 ohne Abstand axial zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind der Anschlagkörper 60 und/oder der Ventilkörper 58 kraftschlüssig in dem Gehäuse 12 angeordnet, indem eine radial äußere Fläche des Anschlagkörpers 60 bzw. des Ventilkörpers 58 an einem radial inneren Wandabschnitt des Gehäuses 12 beispielsweise eingepresst ist. Es versteht sich, dass zur Anordnung des Anschlagkörpers 60 und/oder des Ventilkörpers 58 in dem Gehäuse 12 auch andere Techniken außer Einpressen erfindungsgemäß möglich sind.
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In der Ausführungsform gemäß 2 ist die Ventilkugel 38 aus einem Stahlwerkstoff gefertigt. Der Anschlagkörper 60 und der Ventilkörper 58 sind vorliegend nach einem Verfahren des Metall-Pulverspritzgießens, MIM, hergestellt. Alternativ kann der Anschlagkörper 60 mittels Stanzen und Tiefziehen hergestellt sein. Insgesamt ist das Auslassventil 32 derart bemessen bzw. ausgeführt, dass in einem geöffneten Zustand des Auslassventils 32 eine sich ergebende hydraulische Querschnittsfläche ausreichend groß ist, um eine erforderliche Kraftstoffmenge bei einem vergleichsweise geringen hydraulischen Strömungswiderstand zu fördern.
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Wenn im Betrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ein Kraftstoffdruck in dem Förderraum 36 bzw. in einem Bereich der Öffnung 34 kleiner ist als ein Kraftstoffdruck in einem Bereich der Ausnehmung 62 plus der Kraft der Ventilfeder 40, so wird die Ventilkugel 38 in der Zeichnung nach links gegen den Dichtsitz 68 gedrückt. Das Auslassventil 32 ist also geschlossen.
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Wenn dagegen der Kraftstoffdruck in dem Bereich der Öffnung 34 größer ist als der Kraftstoffdruck in dem Bereich der Ausnehmung 62 plus der Kraft der Ventilfeder 40, so kann die Ventilkugel 38 von dem Dichtsitz 68 in der Zeichnung nach rechts abheben. Das Auslassventil 32 ist also geöffnet.
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Sofern der Kraftstoffdruck in dem Bereich der Öffnung 34 genügend groß ist, kann die Ventilkugel 38 in der Zeichnung nach rechts maximal bis an den Anschlagabschnitt 66 gedrückt werden. Es ergibt sich somit eine "Wegbegrenzung" für die Ventilkugel 38. Ein gestrichelt dargestellter Kreis 80 deutet die Position der Ventilkugel 38 in diesem Extremfall an. Man erkennt, dass der Ventilkörper 58 und der Anschlagkörper 60 eine radiale Führung der Ventilkugel 38 ermöglichen, vergleiche auch die nachfolgenden 3 und 4.
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Ein Pfeil 82 veranschaulicht eine sich ergebende Strömung des Kraftstoffs wenn das Auslassventil 32 geöffnet ist. Die Strömung erfolgt in der Zeichnung von links nach rechts durch die Öffnung 34, danach an der Ventilkugel 38 vorbei, danach teilweise zunächst durch die Öffnungen 75 nach radial außen und teilweise unmittelbar durch die ersten Strömungswege 74 in dem Ventilkörper 58, danach durch die zweiten Strömungswege 78 in dem Anschlagkörper 60, danach in die Hochdruckleitung 28 und hin zu dem nicht dargestellten Hochdruckspeicher. Insbesondere wird mittels der an dem Ventilkörper 58 ausgebildeten frei abragenden Stege 72 ein besonders großer hydraulischer Querschnitt bei geöffnetem Auslassventil 32 ermöglicht.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Auslassventils 32. 4 zeigt eine zu der 3 ähnliche Ansicht des Ventilkörpers 58 allein. Man erkennt, dass der Ventilkörper 58 in einem Bereich des Führungsabschnitts 70 radialsymmetrisch ausgeführt ist und vorliegend drei axial abragende Stege 72 und entsprechend drei erste Strömungswege 74 und drei Öffnungen 75 umfasst. In der 4 ist gut zu erkennen, dass die Stege 72 einen kreisringsektorartigen Querschnitt aufweisen.
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Abweichend von der in der 2 gezeigten Ausführungsform ist bei den 3 und 4 zu erkennen, dass der Ventilkörper 58 im Bereich des Führungsabschnitts 70 einen kleineren Außendurchmesser aufweist als im Bereich des den Dichtsitz 68 umfassenden Dichtabschnitts. Dadurch können die Stege 72 auch radial außen von Kraftstoff umströmt werden, wodurch sich bei geöffnetem Auslassventil 32 ein verbesserter hydraulischer Querschnitt ergeben kann. Außerdem kann der Führungsabschnitt 70 wegen des kleineren Außendurchmessers von einem radial äußeren Bereich des Ventilkörpers 58, an welchem der Ventilkörper 58 in dem Gehäuse 12 angeordnet – insbesondere eingepresst – ist, entkoppelt werden. Der Anschlagkörper 60 ist ebenfalls in einem Bereich der Ausnehmungen 76 radialsymmetrisch ausgeführt und umfasst vorliegend fünf zweite Strömungswege 78, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist.
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Zum ersten sind die Querschnittsflächen der zweiten Strömungswege 78 derart gewählt, dass unabhängig von der radialen Ausrichtung des Anschlagkörpers 60 relativ zu dem Ventilkörper 58 mindestens einer der zweiten Strömungswege 78 einen der ersten Strömungswege 74 wenigstens teilweise überlappt. Zum zweiten ergibt sich dadurch, dass die erste Mehrzahl und die zweite Mehrzahl unterschiedlich sind, sozusagen eine radiale "Interferenz" zwischen den drei ersten und den fünf zweiten Strömungswegen 74 und 78. Dadurch ist ein in der Summe sich ergebender hydraulischer Öffnungsquerschnitt des Auslassventils 32 im Wesentlichen unabhängig von einem zufälligen radialen Montagewinkel zwischen dem Führungsabschnitt 70 und dem Anschlagkörper 60.
