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Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil für ein hochdruckführendes Bauteil in einem Kraftstoffeinspritzsystem, ein hochdruckführendes Bauteil, das ein solches Rückschlagventil aufweist, sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen hochdruckführenden Bauteil mit Rückschlagventil.
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Kraftstoffhochdruckpumpen in Kraftstoffeinspritzsystemen werden dazu verwendet, einen Kraftstoff mit einem hohen Druck zu beaufschlagen, wobei der Druck beispielsweise bei Benzin-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 150 bar bis 500 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen in einem Bereich von 1500 bar bis 3000 bar liegt. Je höher der Druck, der in dem jeweiligen Kraftstoff erzeugt werden kann, desto geringer sind Emissionen, die während der Verbrennung des Kraftstoffes in einer Brennkammer entstehen, was insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft ist, dass eine Verringerung von Emissionen immer stärker gewünscht wird.
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Der Kraftstoff wird dabei in der Kraftstoffhochdruckpumpe in einem dafür vorgesehenen Druckraum verdichtet und dann, beispielsweise über einen Hochdruckanschluss, einem dem Druckraum hydraulisch nachgelagerten Druckspeicher, dem sogenannten common rail, zugeführt, von wo der Kraftstoff dann über Injektoren in Brennräume der Brennkammern eingespritzt wird.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem ist ein hydraulisches System, in dem an unterschiedlichen Stellen beispielsweise Rückschlagventile als passive Ventile verwendet werden, um eine Weiterleitung des druckbeaufschlagten Kraftstoffes erst ab einer vordefinierten Druckhöhe zu ermöglichen.
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Solche Rückschlagventile können beispielsweise als Auslassventile in dem Hochdruckanschluss der Kraftstoffhochdruckpumpe vorgesehen sein.
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Aus dem Stand der Technik wie
DE 10 2014 206 968 A1 bekannte Rückschlagventile für solche Anwendungen sind normalerweise aus drei Hauptbauteilen aufgebaut, nämlich einem Ventilschließelement, einem Federelement, welches das Ventilschließelement auf einen zugehörigen Ventilsitz vorspannt, und einem Federträger, an dem sich das Federelement abstützt. Dieser Federträger ist normalerweise in eine entsprechende Bohrung eingepresst, durch die der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff vom Druckraum ausgehen weitergeführt wird.
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Es wird jedoch zunehmend schwieriger, einen sicheren Pressverband dieses Federträgers in einem hochdruckführenden Bauteil, in dem diese Bohrung eingebracht ist, sicherzustellen, wenn sich die Kraftstoffdrücke in einem Bereich von größer als 2000 bar bewegen. In Folge des in der Bohrung herrschenden Kraftstoffdrucks weitet sich nämlich das hochdruckführende Bauteil im Bereich der Bohrung auf, wobei diese Aufweitung die Spannung aus dem Pressverband nimmt und der Federträger beginnt, in der Bohrung, in der er aufgenommen ist, zu wandern. Dann ist die Ventilfunktion des Rückschlagventiles nicht mehr gegeben bzw. es verändert sich die Schließzeit des Rückschlagventiles. Dies kann beispielsweise zu einer Reduzierung einer Fördermenge des Kraftstoffes in Richtung des common rails führen und somit eine Einspritzmenge von nachgelagerten Injektoren falsch beeinflussen.
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Ist das Rückschlagventil also als Auslassventil der Kraftstoffhochdruckpumpe ausgeführt, wirkt ein Hochdruck vom common rail her auf den Bereich des Federträgers, was zu einer Aufweitung eines Einpressdurchmessers führt. Dadurch wird das verbleibende Übermaß bei dem Pressverband reduziert, was somit zu einer Reduzierung der axialen Haltekraft zwischen Federträger und Bohrung und dadurch zu einer axialen Verschiebung führt. Das Mindestübermaß des Pressverbandes kann nicht weiter erhöht werden, da es sonst zu Fressvorgängen beim Einpressen und somit zu Rissen in der Bohrung kommen kann. Dabei sind Riefen, die beim Einpressvorgang entstehen, die Ausgangspunkte der Risse. Zusätzlich ist für eine Mindesthaltekraft zwischen Federträger und Bohrung nach der Aufweitung der Bohrung unter Hochdruckeinfluss eine Mindestkontaktspannung notwendig. Diese Mindestkontaktspannung führt zur verbleibenden notwendigen Haltekraft. Jedoch führt das durch Fertigungstoleranzen bedingte Mindestübermaß für den Pressverband zu einem Dauerhaltbarkeitsproblem durch die maximalen Spannungen in der Bohrung. Die Ausprägung dieser Spannungsspitzen ist an den Enden am größten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rückschlagventil vorzuschlagen, dessen Federträger sicherer in einer Bohrung eines hochdruckführenden Bauteiles befestigbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rückschlagventil mit der Merkmalskombination des unabhängigen Anspruches 1 gelöst.
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Ein hochdruckführendes Bauteil, das ein solches Rückschlagventil aufweist, sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen hochdruckführenden Bauteil sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Rückschlagventil für ein hochdruckführendes Bauteil in einem Kraftstoffeinspritzsystem weist ein Ventilschließelement und einen Ventilsitz auf, die zum Schließen des Rückschlagventiles zusammenwirken. Weiter weist das Rückschlagventil ein Federelement zum Vorspannen des Ventilschließelementes auf den Ventilsitz und einen Federträger auf, an dem das Federelement gestützt ist. Der Federträger weist eine von einer Federträgerwand begrenzte axiale Bohrung auf, wobei zumindest in einem Teilbereich des Federträgers ein Verhältnis einer Wandstärke des Federträgers zu einem radialen Außendurchmesser des Federträgers < 0,35 beträgt.
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Bei bekannten Rückschlagventilen beträgt das Verhältnis einer Wandstärke des Federträgers zu einem radialen Außendurchmesser des Federträgers etwa 0,5. Durch dieses Verhältnis kann das Mindestübermaß des Pressverbandes nicht ohne weiteres erhöht werden. Denn dies würde zu Fressvorgängen beim Einpressen und in Folge dessen zu Rissen führen. Daher wird nun vorgeschlagen, die Wandstärke des Federträgers zu reduzieren, sodass sich das Verhältnis der Wandstärke des Federträgers zu seinem radialen Außendurchmesser bis auf < 0,35 verringert. Dadurch wird die Steifigkeit beim Einpressen verringert, wodurch das Mindestübermaß des Pressverbandes erhöht werden kann. Weiter ermöglicht dieses Verhältnis eine zusätzliche Anpassung durch den innenanliegenden Kraftstoffdruck, der vom common rail her auf den Federträger wirkt. Dieser an einem Innendurchmesser des Federträgers anliegende Druck führt zu einer elastischen Aufweitung des Innendurchmessers und dadurch gleichzeitig zu einer Aufweitung des Außendurchmessers des Federträgers. In Summe verringert dies die Reduzierung der axialen Haltekraft.
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Vorzugsweise weist die axiale Bohrung zwei zylinderförmige Bereiche auf, die jeweils einen Innendurchmesser des Federträgers definieren, wobei ein erster Innendurchmesser kleiner ist als ein zweiter Innendurchmesser.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist ein axiales Längsschnittprofil des Federträgers zumindest in einem Teilbereich des Federträgers eine konvexe Form auf.
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Weiter vorteilhaft weist ein axiales Längsschnittprofil des Federträgers zumindest in einem Teilbereich, vorzugsweise in zwei Teilbereichen, des Federträgers eine konische Form auf.
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Vorzugsweise ist der Teilbereich mit der konvexen Form und ein Teilbereich mit der konischen Form in dem zylinderförmigen Bereich mit dem größeren Innendurchmesser gebildet.
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Durch die spezielle Formgebung des konvexen Teilbereiches und der konischen Teilbereiche können Spannungsspitzen an den Enden des Federträgers reduziert werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die konischen Teilbereiche eine ausreichend große Verrundung an einem Übergang zu einem zylindrischen Teilbereich des Federträgers aufweisen, wobei das Verhältnis einer axialen Länge des zylindrischen Teilbereiches zu den konischen Teilbereichen größer 1:2,5 beträgt. Dadurch ist es möglich, an den Enden des Federträgers und somit am Anfang und Ende des Pressverbandes bei einem maximalen Übermaß Spannungsspitzen zu erreichen, die weniger als 120% der Spannungsspitzen in zylindrischen Teilbereichen tragen.
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Ein hochdruckführendes Bauteil, das im Betrieb ein Fluid mit einem Hochdruck von bis zu 3000 bar führt, weist ein oben beschriebenes Rückschlagventil auf, wobei ein Ventilgehäuse des Rückschlagventiles durch das hochdruckführende Bauteil gebildet ist, wobei der Federträger durch einen Pressverband in dem hochdruckführenden Bauteil befestigt ist.
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Das hochdruckführende Bauteil kann dabei beispielsweise ein Hochdruckanschluss an einer Kraftstoffhochdruckpumpe, ein Pumpengehäuse einer Kraftstoffhochdruckpumpe, oder das common rail sein.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine weist einen Druckraum zum Beaufschlagen von Kraftstoff mit Hochdruck und ein dem Druckraum nachgelagertes hochdruckführendes Bauteil auf, das das oben beschriebene Rückschlagventil aufweist. Das Rückschlagventil ist dabei als Auslassventil zum Auslassen von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff aus dem Druckraum ausgebildet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Übersichtdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, das eine Kraftstoffhochdruckpumpe und wenigstens ein Rückschlagventil aufweist;
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe aus 1 mit einem Hochdruckanschluss als hochdruckführendem Bauteil;
- 3 eine Schnittansicht eines hochdruckführenden Bauteils mit einem Rückschlagventil, welches einen Federträger aufweist;
- 4 eine detaillierte Darstellung des Federträgers aus 3 im Längsschnitt;
- 5 eine perspektivische Darstellung des Federträgers aus 3; und
- 6 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des Federträgers aus 4 im Längsschnitt.
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1 zeigt eine schematische Übersichtdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 einer Brennkraftmaschine, das einen Kraftstoff 12 aus einem Tank 14 über eine Vorförderpumpe 16, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 18 und einen Kraftstoffhochdruckspeicher 20 zu Injektoren 22 fördert, die den Kraftstoff 12 dann in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
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Der Kraftstoff 12 wird über ein Einlassventil 24 an der Kraftstoffhochdruckpumpe 18 in einen Druckraum 26 der Kraftstoffhochdruckpumpe 18 eingebracht, über ein Auslassventil 28 aus diesem Druckraum 26 ausgelassen, und dann zu dem Kraftstoffhochdruckspeicher 20 geleitet.
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2 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung der Kraftstoffhochdruckpumpe 18 aus 1. Im Betrieb wird über eine Einlassbohrung 34 der Kraftstoff 12 ausgehend von einem Dämpfer 36 dem Druckraum 26 zugeführt, in dem sich ein Kolben 38 in einer Kolbenbohrung 40 translatorisch bewegt und so den Kraftstoff 12 in dem Druckraum 26 verdichtet. Der verdichtete Kraftstoff 12 wird dann über eine Auslassbohrung 42 in ein hochdruckführendes Bauteil 44, beispielsweise einen Hochdruckanschluss 46, ausgebracht, von wo aus der Kraftstoff 12 dann weiter zu dem Kraftstoffhochdruckspeicher 20 geleitet wird.
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Die in 2 dargestellte Kraftstoffhochdruckpumpe 18 ist nur beispielhaft gezeigt, es sind auch andere Ausführungen von Kraftstoffhochdruckpumpen möglich, die beispielsweise keinen Dämpfer 36 aufweisen.
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Um zu gewährleisten, dass nur der Kraftstoff 12 mit dem gewünschten Hochdruck zu dem Kraftstoffhochdruckspeicher 20 gelangt, ist für gewöhnlich in dem hochdruckführenden Bauteil 44, das in der vorliegenden Ausführungsform als Hochdruckanschluss 46 ausgebildet ist, jedoch auch als einfache Bohrung 32 in dem Pumpengehäuse 30 ausgeführt sein kann, normalerweise das Auslassventil 28 angeordnet, das zumeist als Rückschlagventil 48 ausgebildet ist.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines hochdruckführenden Bauteils 44 der Kraftstoffhochdruckpumpe 18 aus 2, wobei in dem hochdruckführenden Bauteil 44 ein solches Rückschlagventil 48 angeordnet ist. Das hochdruckführende Bauteil 44 bildet dabei ein Ventilgehäuse 50 für das Rückschlagventil 48, wobei in dem Ventilgehäuse 50 sämtliche Elemente des Rückschlagventiles 48 aufgenommen sind.
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Das Rückschlagventil 48 weist ein Ventilschließelement 52, ein Federelement 54 und einen Federträger 56 auf. Der Federträger 56 ist durch einen Pressverband in dem hochdruckführenden Bauteil 44 befestigt. An dem Federträger stützt sich das Federelement 54, das in der vorliegenden Ausführungsform als Schraubenfeder gebildet ist, ab, und übt so eine Vorspannung V auf das Ventilschließelement 52 aus, um dieses Ventilschließelement 52 in einen Ventilsitz 58 zu drücken. Die Vorspannung V, die von dem Federelement 54 auf das Ventilschließelement 52 ausgeübt wird, und die somit auch einen Öffnungsdruck des Rückschlagventiles 48 definiert, wird durch die sichere Position des Federträgers 56 in dem hochdruckführenden Bauteil 44 festgelegt. Es ist daher essentiell, dass der Federträger 56 sicher in dem hochdruckführenden Bauteil 44 befestigt ist.
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Um eine sichere Befestigung des Federträgers 56 in dem hochdruckführenden Bauteil 44 zu gewährleisten, ist der Federträger 56, wie nachfolgend mit Bezug auf die 4 bis 6 gezeigt ist, mit einem speziellen Design ausgestaltet.
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4 zeigt eine detaillierte Darstellung des Federträgers 56 aus 3 im Längsschnitt.
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Wie zu erkennen ist, weist der Federträger 56 eine axiale Bohrung 60 auf, die von einer Federträgerwand 62 begrenzt ist. Die Federträgerwand 62 weist eine Wandstärke d auf, die, gemeinsam mit einem Innendurchmesser dI des Federträgers 56, der gleichzeitig den Bohrungsdurchmesser der axialen Bohrung 60 bestimmt, einen Außendurchmesser dA des Federträgers 56 festlegt.
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Zumindest in einem Teilbereich 64, vorzugsweise dem Teilbereich 64, der den Pressverband des Federträgers 56 mit dem hochdruckführenden Bauteil 44 bildet, ist ein Verhältnis der Wandstärke d des Federträgers 56 zu dem radialen Außendurchmesser dA des Federträgers 56 kleiner als 0,35. Dadurch wird die Steifigkeit beim Einpressen des Federträgers 56 in das hochdruckführende Bauteil 44 verringert, wodurch ein Übermaß der Presspassung des Pressverbandes erhöht werden kann. Liegt nun an dem Innendurchmesser dI des Federträgers 56 vom Kraftstoffhochdruckspeicher 20 her ein Hochdruck an, wird der Innendurchmesser dI des Federträgers 56 und dadurch auch der Außendurchmesser dA elastisch aufgeweitet. Dadurch erhöht sich die axiale Haltekraft des Federträgers 56 in dem hochdruckführenden Bauteil 44.
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In Summe wird somit die Reduzierung der axialen Haltekraft verringert und eine sicherere Befestigung des Federträgers 56 in dem hochdruckführenden Bauteil 44 realisiert.
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Wie in 4 zu sehen ist, weist die axiale Bohrung 60 zwei zylinderförmige Bereiche 66 auf, die unterschiedliche Innendurchmesser dI des Federträgers 56 definieren. Dabei ist ein erster Innendurchmesser dI1 kleiner als ein zweiter Innendurchmesser dI2 . Die Federträgerwand 62 weist in den beiden zylinderförmigen Bereichen 66 im Wesentlichen die gleiche Wandstärke d auf. Um einen Übergang zwischen den beiden zylinderförmigen Bereichen 66 mit unterschiedlichem Innendurchmesser dI zu realisieren, sind diese über einen konischen Bereich 68 miteinander verbunden, über den sich der größere zweite Innendurchmesser dI2 zum kleineren ersten Innendurchmesser dI1 verjüngt.
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Da in dem zylinderförmigen Bereich 66 mit dem kleineren ersten Innendurchmesser dI1 die gleiche Wandstärke d2 wie in dem benachbarten zylinderförmigen Bereich 66 (d1 ) vorliegt, ergibt sich hier ein verringerter Außendurchmesser dA des Federträgers 56 und somit eine Stufe 70, an der sich das Federelement 54 abstützen kann. Der Federträger 56 aus 4 ist in 5 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt.
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6 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Federträgers 56 aus 4 im Längsschnitt in einem oberen Teilbereich. Der Federträger 56 ist an dem Außendurchmesser dA mit einem speziellen Design ausgestattet, um Spannungsspitzen beim Einpressen des Federträgers 56 in das hochdruckführende Bauteil 44 weitgehend zu reduzieren.
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Dazu weist der Außendurchmesser dA ein axiales Längsschnittprofil 72 auf, das eine konvexe Form aufweist, und zwar zumindest in einem Teilbereich 74. Durch dieses konvexe Längsschnittprofil 72, das insbesondere in dem zylinderförmigen Bereich 66 mit dem zweiten Innendurchmesser dI2 angeordnet ist, ergibt sich eine Presskraft beim Einpressen des Federträgers 56 in das hochdruckführende Bauteil 44 mit einem Maximum in der Mitte des Federträgers 56 entlang seiner Längsachse 76 gesehen, wodurch sich Spannungsspitzen an den Enden 78 des Federträgers 56 vermeiden lassen.
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Unterstützt wird dieser Effekt dadurch, dass der Federträger 56 in zwei weiteren Teilbereichen 80 mit einer konischen Form ausgebildet ist. Diese beiden konischen Teilbereiche 80 bilden die beiden Enden 78 des Federträgers 56 aus.
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Dadurch ergibt sich, dass der Teilbereich 64 des Federträgers 56, in dem der größere zweite Innendurchmesser dI2 angeordnet ist, sowohl den konvexen Teilbereich 74 als auch einen konischen Teilbereich 80 aufweist.
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Durch die spezielle Form des Außendurchmessers dA bzw. des axialen Längsschnittprofils 72 des Federträgers 56 werden Spannungsspitzen an den Enden 78 des Federträgers 56 weitgehend reduziert, sodass bei einem Maximalübermaß die Spannungsspitzen an den Enden 78 weniger als 120% der Spannungen im konvexen Teilbereich 74 betragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206968 A1 [0006]
