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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 für Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, beispielsweise für eine Benzindirekteinspritzung, sind vom Markt her bekannt. Bei diesen Brennkraftmaschinen wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank mittels einer Vorförderpumpe und der mechanisch angetriebenen Hochdruckpumpe unter hohem Druck in einen Hochdruckspeicher ("Rail") gefördert.
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Derartige Kraftstoffsysteme weisen üblicherweise ein Druckbegrenzungsventil auf, das verhindert, dass ein Druck in dem Hochdruckspeicher zu stark ansteigt. Erreicht der Druck im Hochdruckspeicher einen zu hohen Wert, so öffnet im Saughub der Hochdruckpumpe das Druckbegrenzungsventil zu einem Förderraum der Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems hin und der Druck im Hochdruckspeicher wird nicht weiter erhöht, sondern Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher in den Förderraum abgesaugt. Das Druckbegrenzungsventil öffnet dabei, wenn der Druck im Hochdruckspeicher derart groß ist, dass eine Druckdifferenz, die zwischen dem Hochdruckspeicher und dem Förderraum im Saughub der Hochdruckpumpe auftritt, einen Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils überschreitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass im sogenannten "Fehlerfall Vollförderung" (FFVF) bei großen Motordrehzahlen eine Permanentleckage im Druckbegrenzungsventil erzeugt wird. Ein FFVF kann beispielsweise bei defektem Mengensteuerventil auftreten. Durch diese Permanentleckage wird verhindert, dass die Öffnungszeit des Druckbegrenzungsventils in der Saugphase der Hochdruckpumpe nicht ausreicht, um die zuvor in den Hochdruckspeicher geförderte Kraftstoffmenge wieder vollständig in den Förderraum abzuführen, sodass der Druck im Hochdruckspeicher unkontrolliert ansteigt. Durch die Permanentleckage nach Eintritt der hunderprozentigen Pumpenförderung wird das Druckbegrenzungsventil auch während des Förderhubs der Hochdruckpumpe nicht mehr geschlossen. Dadurch baut sich der Druck im Hochdruckspeicher kontinuierlich und sehr schnell ab, und zwar insbesondere auf den Druck, der von einer Vorförderpumpe bereitgestellt wird. Folglich wird der Druck im Hochdruckspeicher dauerhaft auf einen kontrollierten und bekannten Wert abgebaut. Da der Fehlerfall sehr selten auftritt, ist die damit einhergehende "Zerstörung" der Hochdruckpumpe – also deren dauerhafter und irreversibler Funktionsverlust – tolerierbar. Die hydraulische Größe kann dabei insbesondere eine Fördermenge und/oder ein Förderdruck durch das Druckbegrenzungsventil hindurch sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Steuerungsmittel eine Beaufschlagungseinrichtung, welche bei geöffnetem Druckbegrenzungsventil eine zu einer Öffnungsrichtung des Ventilelements orthogonale Kraftkomponente auf das Ventilelement ausübt. Somit kann das Ventilelement in eine im Wesentlichen orthogonal zur Öffnungsrichtung ausgebildete irreversibel geöffnete Position gesteuert werden, wenn der zweite Grenzwert überschritten wird.
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Dabei ist denkbar, dass die Beaufschlagungseinrichtung einen Strömungspfad in einem Ventilkörper umfasst, der stromaufwärts von dem Ventilelement angeordnet ist. Folglich kann die durch das Druckbegrenzungsventil strömende Fluidströmung selbst eine orthogonale Kraft auf das Ventilelement ausüben, wobei die so ausgeübte Kraftkomponente beim Überschreiten des zweiten Grenzwerts derart ist, dass das Ventilelement in eine Position überführt wird, in der das Druckbegrenzungsventil dauerhaft offen ist. Der durch das Druckbegrenzungsventil strömende Kraftstoff kann folglich das Ventilelement aus seiner zentrischen Lage, aus der es reversibel wieder in die geschlossene Position zurückkehren könnte, in eine exzentrische Lage, aus der es nicht mehr in die geschlossene Position zurückkehren kann, herausdrücken. Dabei übt der Kraftstoff also eine resultierende und in Längsachse des Druckbegrenzungsventils bzw. in normaler Öffnungsrichtung des Ventilelements gesehen orthogonale Kraft auf das Ventilelement aus. Die Kräfteverteilung um das Ventilelement ist folglich asymmetrisch, sodass ein Kraftvektor in besagter orthogonaler Richtung resultiert.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Steuerungsmittel eine geometrische Ausgestaltung an einer zwischen einer Ventilfeder und dem Ventilelement angeordneten Federaufnahme umfasst. Eine solche Federaufnahme sorgt im Normalfall für eine definierte Lage des Ventilelements relativ zur Ventilfeder. Folglich kann die Federaufnahme so geometrisch ausgestaltet sein, dass das Ventilelement beim Überschreiten des zweiten Grenzwerts in eine irreversibel geöffnete Position steuerbar ist. Insbesondere wird die Federaufnahme in Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils bei Überschreiten des zweiten Grenwerts derart ausgelenkt, beispielsweise verkippt und/oder zur Seite hin gedrückt, dass das Ventilelement beim Überschreiten des zweiten Grenzwerts im Wesentlichen orthogonal zur Öffnungsrichtung ausgelenkt wird und so in eine seitliche Position überführt wird, in der das Druckbegrenzungsventil dauerhaft offensteht.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass ein dem Ventilelement zugewandter Teilbereich der Federaufnahme flächig ausgebildet ist, und dass die geoemetrische Ausgestaltung eine an einem Randbereich dieses Teilbereichs zumindest abschnittsweise ausgebildete Fase umfasst, deren Erstreckung in Öffnungsrichtung des Ventilelements gesehen kleiner als 0,2 mm, insbesondere höchstens 0,17 mm ist. Dabei kann die Fase einen Winkel von 40–50°, insbesondere 45°, aufweisen. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass beim Überschreiten des zweiten Grenzwerts die Federaufnahme so ausgelenkt wird, dass ein irreversibler Lageverlust des Ventilelements insbesondere aus einem Ventilsitz heraus in orthogonaler Richtung irreversibel möglich ist.
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Vorgeschlagen wird ferner, dass die geometrische Ausgestaltung einen Außendurchmesser der Federaufnahme umfasst, der einen Durchmesser von kleiner 4,5 mm aufweist. In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass die Federaufnahme in einer Ausnehmung angeordnet ist, und dass die Ausnehmung einen Durchmesser von 5 mm aufweist. Für andere Durchmesser der Ausnehmung kann das Verhältnis vom Außendurchmesser der Federaufnahme zum Durchmesser der Ausnehmung in entsprechender Weise gelten. Auch diese Maßnahmen stellt bei gängigen Kraftstoff-Hochdruckpumpen und deren Druckbegrenzungsventil eine Möglichkeit dar, dass die Position und/oder Ausrichtung der Federaufnahme beim Überschreiten des zweiten Grenzwert instabil und so eine Permanentleckage des Druckbegrenzungsventils durch irreversible Auslenkung des Ventilelements ermöglicht wird.
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Vorgeschlagen wird außerdem, dass die geometrische Ausgestaltung eine relativ zu einer Längsachse des Druckbegrenzungsventils vorzugsweise seitliche Aussparung, die an einem dem Ventilelement zugewandten Bereich der Federaufnahme vorhanden ist, aufweist, in welcher Aussparung das Ventilelement mindestens bereichsweise aufgenommen ist, wenn es sich in der irreversibel geöffneten Position befindet. Somit kann das Ventilelement im Fehlerfall irreversibel sicher gehalten werden, so dass beim Überschreiten des zweiten Grenzwerts eine dauerhafte Offenstellung sicher gewährleistet ist.
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In diesem Zusammenhang ist insbesondere denkbar, dass das Ventilelement in der irreversibel geöffneten Position zwischen Federaufnahme und Ventilkörper verspannt bzw. verklemmt ist. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, eine dauerhafte Offenstellung des Druckbegrenzungsventils zu ermöglichen.
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Denkbar wäre auch, dass der Ventilkörper die geometrische Ausgestaltung aufweist. Beispielweise könnte der Ventilkörper eine Rille aufweisen. Andererseits wäre auch denkbar, dass eine auf das Ventilelement wirkende Ventilfeder die geometrische Ausgestaltung aufweist.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Druckbegrenzungsventil;
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2 eine vergrößerte Detaildarstellung des Druckbegrenzungsventils von 1;
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3 eine schmetische Darstellung des des Druckbegrenzungsventils von 1 in der irreversiblen Lage; und
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4 Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Druckbegrenzungsventils gemäß den 1 bis 3.
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In 1 trägt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 weist ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Pumpengehäuse 12 auf, in oder an dem die wesentlichen Komponenten der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 10 ein Einlass-/Mengensteuerventil 14, einen in einem Förderraum 16 angeordneten, durch eine nicht gezeigte Antriebswelle in eine Hin-und Herbewegung versetzbaren Förderkolben 18, ein Auslassventil 20 und ein Druckbegrenzungsventil 22 auf.
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In dem Gehäuse 12 ist ein erster Kanal 24 vorhanden, der sich koaxial zum Förderraum 16 und zum Förderkolben 18 erstreckt und der vom Förderraum 16 zu einem zweiten und durch eine Ausnehmung gebildeten Kanal 26 führt, der in einem Winkel von 90° zum ersten Kanal 24 angeordnet ist und in dem das Druckbegrenzungsventil 22 aufgenommen ist. Eine Längsachse des Pumpengehäuses 12 trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 28, eine Längsachse bzw. Längsrichtung des Druckbegrenzungsventils 22 das Bezugszeichen 29. In 1 oben ist in dem Pumpengehäuse 12 ein Druckdämpfer 30 angeordnet.
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Im Betrieb wird vom Förderkolben 18 bei einem Saughub Kraftstoff über das Einlass- und Mengensteuerventil 14 in den Förderraum 16 angesaugt. Bei einem Förderhub wird der im Förderraum 16 befindliche Kraftstoff verdichtet und über das Auslassventil 20 beispielsweise in einen Hochdruckbereich 32, beispielsweise zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen, wo der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Der Hochdruckbereich 32 ist über einen Auslassstutzen 34 mit der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 verbunden. Die Kraftstoffmenge, die bei einem Förderhub ausgestoßen wird, wird dabei durch das elektromagnetisch betätigte Einlass- und Mengensteuerventil 14 eingestellt. Bei einem unzulässigen Überdruck im Hochdruckbereich öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich in den Förderraum 16 strömen kann.
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Die Komponenten des Druckbegrenzungsventils 22 werden nun insbesondere unter Bezugnahme auf 2 stärker im Detail erläutert. Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört zunächst ein hülsenartiger Ventilkörper 38, der in die Ausnehmung 26 eingepresst ist und in dem ein in Längsrichtung 29 des Druckbegerzungsventils 22 und des des Ventilkörpers 38 verlaufender Kanal 40 vorhanden ist. Am in 2 rechten Ende des Kanals 40 ist an dem Ventilkörper 38 ein Ventilsitz 42 in Form einer konischen Erweiterung ausgebildet, der mit einem Ventilelement 44 in Form einer Ventilkugel zusammenwirkt. Auf der vom Ventilsitz 42 abgewandten Seite des Ventilelements 44 ist eine Federaufnahme 46 angeordnet, in der eine Durchgangsöffnung 48 vorhanden ist, die in Längsrichtung der Federaufnahme 46, also wiederum parallel zur Längsachse 29, läuft.
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Auf der vom Ventilelement 44 abgewandten Seite der Federaufnahme 46 weist die Federaufnahme 46 einen zapfenartigen Fortsatz 50 auf. Auf diesen ist ein in 2 linker erster Endabschnitt 52 einer als Spiralfeder ausgebildeten Ventilfeder 54 aufgeschoben. Ein in 2 rechter zweiter Endabschnitt 56 der Ventilfeder 54 des Druckbegrenzungsventils 22 ist in einem zylindrischen Endbereich 58 der Ausnehmung 26 angeordnet und stützt sich gegen eine Endfläche (ohne Bezugszeichen) der Ausnehmung 26 ab.
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Die Federaufnahme 46 weist an einem dem Ventilelement 44 zugewandten und in Richtung der Längsachse 29 gesehen bei der vorliegenden Ausführungsform kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Teilbereich 59 eine flächige Ausgestaltung auf, wobei der flächige Teilbereich 59 an einem radial äußeren Randbereich angefast ist. Die hierdurch gebildete Fase 60 weist dabei ein Maß, also eine Erstreckung in Öffnungsrichtung des Ventilelements 44 bzw. in Richtung der Längsachse 29 des Druckbegrenzungsventils 22 gesehen, von kleiner als 0,2 mm, insbesondere höchstens 0,17 mm auf. Der Winkel der Fase 60 gegenüber der Längsachse 29 liegt zwischen 40° bis 50°, insbesondere beträgt er 45°. Der Durchmesser 66 dieses flächigen Teilbereichs der Federaufnahme 46 beträgt weniger als 4,5 mm bei einem Durchmesser der Ausnehmung 26 von 5 mm. Für andere Durchmesser der Ausnehmung 26 gilt das Verhältnis vom Durchmesser des flächigen Teilbereichs der Federaufnahme 46 zum Durchmesser der Ausnehmung 26 in entsprechender Weise. Ferner weist dieser flächige Bereich eine umlaufende ringförmige Aussparung 62 im radial mittleren und vorliegend zu dem Ventilelement 44 unmittelbar benachbarten Bereich auf.
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Bei einem unzulässigen Überdruck im Hochdruckspeicher 32 öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 32 in den Förderraum 16 strömen kann. Dabei öffnet das Druckbegrenzungsventil 22 dann, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem auslassseitigen Hochdruckspeicher 32 und dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 einen vorgegebenen ersten Grenzwert überschreitet. Wird das Druckbegrenzungsventil 22 geöffnet, so hebt das Ventilelement 44 vom Ventilsitz 42 ab. Durch das Druckbegrenzungsventil 22 wird also verhindert, dass der Druck in dem auslassseitigen Hochdruckspeicher 32 unzulässig hoch ist. Insgesamt wird das Druckbegrenzungsventil 22 folglich in eine reversibel geöffnete Position bewegt, wenn die als Überdruck im Hochdruckspeicher 32 ausgebildete hydraulische Größe einen ersten Grenzwert überschreitet. "Reversibel" bedeutet hier, dass das Ventilelement 44 in die geschlossene Position, in der es am Ventilsitz 42 anliegt, zurückkehrt, sobald der Druck den vorgegebenen ersten Grenzwert wieder unterschreitet.
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Wenn eine hydraulische Größe in der Hochdruckpumpe 10 allerdings einen vorgegebenen zweiten Grenzwert überschreitet, so wirkt eine orthogonale Kraftkomponente auf das Ventilelement 44 derart, dass dieses irreversibel ausgelenkt wird, so dass das Druckbegrenzungsventil 22 dauerhaft geöffnet ist und auch dann, wenn der zweite oder der ersten Grenzwert unterschritten werden, nicht mehr in die geschlossene Position zurückkehrt. Hochdruckspeicher 32 und Förderraum 16 sind folglich permanent miteinander fluidverbunden.
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Hierbei wird das Ventilelement 44 zwischen dem Teilbereich 59 der Federaufnahme 46 und einer dem Teilbereich 59 zugewandten Fläche 64 des Ventilkörpers 38 irreversibel verspannt bzw. verklemmt. Zur sicheren Halterung des Ventilelements 44 in der irreversibel geöffneten Position ist dieses dabei abschnittsweise an der federaufnahmeseitigen Aussparung 62 angeordnet bzw. in dieser aufgenommen.
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Eine orthogonale Kraftkomponente zum Auslenken des Ventilelements 44 wird auf dieses insbesondere konstruktionsbedingt durch den durch das Druckbegrenzungsventil 22 strömenden Kraftstoff erzeugt. Damit ist gemeint, dass auf das Ventilelement 44 nach dem Abheben vom Ventilsitz 42 keine symmetrische Radialkraft wirkt, sodass keine orthogonale Kraftkomponente bzw. kein orthogonaler Kraftvektor resultieren würde. Stattdessen strömt das Fluid mit einer Vorzugsrichtung assyemtrisch um das Ventilelement, sodass in eine orthogonale Richtung ein Kraftvektor resultiert, der das Ventilelement 44 nach radial außen, also orthogonal zur Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils 22 treibt. Das Ventilelement 44 wird so in die irreversible Position beaufschlagt.
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Jene Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils 22, welche diesen orthogonalen Kraftvektor erzeugt, kann daher auch als "Beaufschlagungseinrichtung" bezeichnet werden. Da das Ventilelement 22 bei einem Überschreiten des vorgegebenen zweiten Grenzwerts in die irreversibel geöffnete Position "gesteuert" wird, kann die Beaufschlagungseinrichtung als "Steuerungsmittel" oder als Teil eines Steuereungsmittels bezeichnet werden. Eine konkrete Ausgestaltung der Beaufschlagungseinrichtung kann beispielsweise eine entsprechende Formung des Strömungspfads des Kraftstoffs umfassen, beispielsweise durch eine entsprechende Form des unmittelbar stromaufwärts vom Ventilsitz 42 vorhandenen Abschnitt des Kanals 40. Denkbar ist beispielsweise eine schraubenförmige Riffelung der Innenwand dieses Abschnitts des Kanals 40, durch der Strömung ein Drall aufgezwungen wird, oder eine leichte Schrägstellung der Längsachse dieses Abschnitt gegenüber der Längsachse 29.
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Zusätzlich trägt die geometrische Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventil 22, insbesondere die Ausgestaltung der Fase 60 am Teilbereich 59 der Federaufnahme 46 und/oder der Durchmesser 66 des Teilbereichs 59 dazu bei, dass die Federaufnahme 46 im FFVF so weit in Öffnungsrichtung ausgelenkt wird, dass das Ventilelement 44 unter Einwirkung der orthogonalen Kraftkomponente orthogonal zur Öffnungsrichtung so ausgelenkt wird, dass dieses irrversibel nach der Seite hin zwischen Ventilkörper 38 und Federaufnahme 46 "rutscht" und zwischen Ventilkörper 38 und Federaufnahme 46 verspannt und in der verspannten Position durch die Aussparung 62 gesichert wird (3). Auch die Fase 60 und der besondere Wert des Durchmessers 66 des Teilbereichs 59 sind somit Teil der oben erwähnten Beaufschlagungseinrichtung bzw. des oben erwähnten Steuerungsmittels.
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Die Funktionsweise des Druckbegrenzungsventils soll zusammenfassend nochmals anhand der 4 aufgezeigt werden: Ausgehend von einer geschlossene Position 68, in der das Ventilelement 44 dicht am Ventilsitz 42 anliegt, wird das Ventilelement 44 vom Ventilsitz 42 abgehoben, wenn eine hydraulische Größe G einen ersten Grenzwert G1 überschreitet. Hierbau wird das Ventilelement 44 in eine reversibel geöffnete Position 70 ausgelenkt, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 32 in den Förderraum 16 strömen kann. Die hydraulische Größe G kann dabei insbesondere als Druck im Hochdruckspeicher 32 ausgebildet sein. Beim Unterschreiten des Grenzwerts G1 bewegt sich das Ventilelement 44 zurück auf den Ventilsitz 42, sodass das Druckbegrenzungsventil 22 wieder seine Geschlossenstellung einnimmt.
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Steigt die hydraulische Größe G dagegen so stark an, dass auch der zweite Grenzwert G2 überschritten wird, so wird das Ventilelement 44 in eine irreversibel geöffnete Position 72 ausgelenkt. Das Druckbegrenzungsventil 22 nimmt folglich eine dauerhafte Offenstellung ein, sodass Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 32 dauerhaft in den Förderraum 16 strömen kann. Selbst wenn die hydraulische Größe G wiederum die Grenzwerte G2 und /oder G1 unterschreitet, nimmt das Druckbegrenzungsventil keine Geschlossenstellung mehr ein. Das Überschreiten des zweiten Grenzwertes G2 tritt insbesondere im sogenannten Fehlerfall Vollförderung (FFVF) auf. Die hydraulische Größe G kann dabei insbesondere als Fördermenge oder Förderdruck oder eine Kombination aus Fördermenge und Förderdruck durch das Druckbegrenzungsventil 22 hindurch ausgebildet sein. Die mit dem ersten Grenzwert G1 zusammenhängende hydraulische Größe G kann also gleich oder unterschiedlich zur derjenigen hydraulischen Größe sein, die mit dem Grenzwert G2 zusammenhängt.
