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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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Es wird also zunächst eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Druckbegrenzungsventil, umfassend ein Ventilelement, einen Ventilkörper mit einer Ventilsitzfläche und ein Beaufschlagungselement, das das Ventilelement entgegen einer Öffnungsrichtung gegen die Ventilsitzfläche beaufschlagt, vorgeschlagen. Das Ventilelement weist einen konischen Anlageabschnitt auf, der im Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils an der Ventilsitzfläche zur Anlage kommt.
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Das Druckbegrenzungsventil kann dabei zu einem Förderraum der Kraftsoff-Hochdruckpumpe hin öffnen. Das Druckbegrenzungsventil kann ferner fluidisch zwischen dem Förderraum und einem Hochdruckspeicher („Rail“) angeordnet sein.
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Der konische Anlageabschnitt kann beispielsweise als Kegelstumpf oder als Kegel ausgebildet sein. Im Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils kommt dieser Anlageabschnitt an der Ventilsitzfläche zur Anlage, so dass das Druckbegrenzungsventil geschlossen ist. Durch die konische Ausbildung des Anlageabschnitts kann ein Verschleiß des Ventilelements, insbesondere des Anlageabschnitts des Ventilelements, verringert werden. Dadurch kann eine mögliche verschleißbedingte Veränderung des Öffnungsdrucks des Druckbegrenzungsventils über die Lebensdauer begrenzt bzw. verlangsamt werden. Insbesondere kann verhindert werden, dass sich der Öffnungsdruck über die Lebensdauer markant erhöht und somit beispielsweise im Rail der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eine Gefahr des Berstens besteht oder eine Gefahr, dass Injektoren nicht mehr öffnen können. Ferner kann eine Verringerung des Öffnungsdrucks über die Lebensdauer zumindest reduziert werden, so dass vermieden werden kann, dass das System den Druck im Rail nicht mehr erreicht bzw. dieser nicht mehr gehalten werden kann. Auch eine verschleißbedingte Leckage vom Rail in den Förderraum kann in vorteilhafter Weise verringert werden. Schließlich kann durch die konische Ausbildung die Gefahr eines Verlusts des Ventilelements, insbesondere bei einer maximalen Öffnung des Druckbegrenzungsventils, beispielsweise im Fehlerfall-Vollförderung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe, verringert werden. Ein Verlust des Ventilelements bedeutet, dass das Ventilelement sich derart verlagert, dass das Druckbegrenzungsventil nicht mehr seine Geschlossenstellung einnehmen kann.
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In einer Ausgestaltung ist der Anlageabschnitt kegelförmig ausgebildet. Eine derartige kegelförmige Ausgestaltung hat sich insbesondere hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dabei kann ein Endbereich des Anlageabschnitts ausgehend von beispielsweise einem Ventilsitz der Ventilsitzfläche in Schließrichtung des Druckbegrenzungsventils in den Ventilkörper hineinragen, beispielsweise in einen Kanal des Ventilkörpers. Der Kanal kann beispielsweise in einen Rail der Kraftstoff-Hochdruckpumpe münden. Dadurch kann eine axiale Stabilisierung des Ventilelements bereitgestellt werden, indem Fluid auf der Railseite den kegelförmigen Endbereich gleichmäßig umströmen und damit stabilisieren kann. Dadurch kann die Gefahr einer Relativbewegung des Ventilelements zum Ventilkörper im Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils reduziert werden. Dies trägt zur Verschleißminderung bei.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der halbe Öffnungswinkel des Anlageabschnitts 1 bis 70°, insbesondere 5° bis 60°, auf. Der halbe Öffnungswinkel (auch halber Kegelwinkel genannt) ist dabei der Winkel zwischen den Mantellinien des Kegels bzw. des Kegelstumpfs und der Mittellängsachse des Kegels. Ein derartiger Öffnungswinkel hat sich hinsichtlich der Verschleißfestigkeit als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass das Ventilelement die Ventilsitzfläche im Geschlossenzustand entlang eines linienförmigen Ventilsitzes berüht. Der Ventilsitz kann also insbesondere als Kreislinie ausgebildet sein. Entlang dieser Kreislinie kann das Ventilelement die Ventilsitzfläche im Geschlossenzustand berühren. Durch diesen Liniensitz kann die Gefahr eines Verklemmens zwischen Ventilkörper und Ventilelement reduziert werden. Ferner kann die Gefahr des sogenannten hydraulischen Klebens reduziert werden. Insbesondere kann eine Reduzierung der sogenannten Hertzschen Pressung erzielt werden. Auch dies kann sich insbesondere positiv auf das Verschleißverhalten sowie die Zuverlässigkeit des Druckbegrenzungsventils auswirken.
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Denkbar ist weiterhin, dass die Ventilsitzfläche konisch ausgebildet ist. Ein Ventilkörper mit einer konischen Ventilsitzfläche ist vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar.
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In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass der halbe Öffnungswinkel des Anlageabschnitts verschieden ist vom halben Öffnungswinkel der Ventilsitzfläche. Dadurch kann insbesondere ein linienförmiger Ventilsitz, an dem der Anlageabschnitt im Geschlossenzustand zur Anlage an der Ventilsitzfläche kommt, bereitgestellt werden. Der halbe Öffnungswinkel ist in diesem Fall folglich der Winkel, den die Ventilsitzfläche mit einer Mittellängsachse des Ventilkörpers einschließt. Der halbe Öffnungswinkel der Ventilsitzfläche kann dabei größer oder kleiner sein als der halbe Öffnungswinkel des Anlageabschnitts. Insbesondere kann der halbe Öffnungswinkel der Ventilsitzfläche größer sein als der halbe Öffnungswinkel des Anlageabschnitts. Dabei kann der Winkel beispielsweise zwischen 1 bis 70°, insbesondere 5° bis 60°, betragen.
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Vorgeschlagen wir zudem, dass Ventilkörper eine konvexe Ventilsitzfläche aufweist. Vom Ventilelement ausgesehen, kann die Ventilsitzfläche folglich konvex ausgebildet sein. Durch eine derartige bogenförmige Ausbildung der Ventilsitzfläche kann ebenfalls insbesondere ein linienförmiger Ventilsitz vergleichsweise einfach bereitgestellt werden.
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In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorstellbar, dass die Ventilsitzfläche am Ventilsitz einen Krümmungsradius von 0,1 bis 10 mm, insbesondere 0,5 mm bis 5 mm, aufweist. Die Krümmung am Ventilsitz ist dementsprechend der Kehrwert des Krümmungsradiusses. Ein solcher Krümmungsradius bzw. eine derartige Krümmung hat sich hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit und einer möglichen Axialstabilisierung eines ausgehend vom Ventilsitz in den Ventilkörper ragenden Endbereichs des Ventilelements als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In einer andere Ausgestaltung ist denkbar, dass das Beaufschlagungselement am Ventilelement angeordnet ist. Dabei kann das Beaufschlagungselement insbesondere unmittelbar am Ventilelement angeordnet sein. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau des Druckbegrenzungsventils mit reduzierter Bauteilkomplexität sowie vergleichsweise einfacher Montage, indem das Beaufschlagungselement, welches beispielsweise eine Spiralfeder umfassen kann, unmittelbar am Ventilelement befestigbar ist. Dadurch kann insbesondere auch die Gefahr eines Verlusts des Ventilelements, beispielsweise in einem Fehlerfall-Vollförderung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe, reduziert werden.
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Dabei kann das Ventilelement einen Ringbund aufweisen. An diesem Ringbund kann ein, insbesondere als Spiralfeder ausgebildetes, Beaufschlagungselement mit seinem freien Ende angeordnet sein.
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Auf der dem Anlageabschnitt abgewandten Seite kann vom Ringbund ausgehend ein, insbesondere zylindrischer, Fortsatz abragen und insbesondere von einem dem Ventilelement zugewandten Endbereich der Spiralfeder umgeben sein. Der Fortsatz kann im Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils von Fluid auf Seiten des Förderraums der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gleichmäßig umströmt werden. Auch dadurch kann eine axiale Stabilisierung des Ventilelements bereitgestellt werden, was zu einer Verringerung der Relativbewegung des Ventilelements zum Ventilkörper führt, so dass der Verschleiß des Druckbegrenzungsventils weiter reduziert werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist insbesondere denkbar, dass das Ventilelement einstückig ausgebildet ist. Ein solches Ventilelement ist besonders einfach und kostengünstig mit vergleichsweise geringer Bauteilkomplexität herstellbar und insbesondere unmittelbar an einem Beaufschlagungselement anordenbar. Ferner kann so die Anordnung aus Ventilelement und Beaufschlagungselement zweiteilig aufgebaut sein, nämlich aus dem einstückig aufgebauten Ventilelement und dem daran angeordneten Beaufschlagungselement, und somit insgesamt ebenfalls besonders einfach und kostengünstig mit vergleichsweise geringer Bauteilkomplexität herstellbar sein.
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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:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Druckbegrenzungsventil gemäß einer Ausführungsform, und einer Ausnehmung, in der das Druckbegrenzungsventil aufgenommen ist; und
- 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der Ausnehmung und des Druckbegrenzungsventils von 1;
- 3 eine vergrößerte Detaildarstellung des Druckbegrenzungsventils gemäß den 1 und 2; und
- 4 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Druckbegrenzungsventils.
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Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in den nachfolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
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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 Kanal 26 in Form einer insgesamt im Wesentlichen zylindrischen Ausnehmung führt, die in einem Winkel von 90° zum ersten Kanal 24 angeordnet ist und in der das Druckbegrenzungsventil 22 aufgenommen ist. Eine Längsachse des Pumpengehäuses 12 trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 28, eine Längsachse der Ausnehmung 26 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 32 öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 32 in den Förderraum 16 strömen kann.
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Das Druckbegrenzungsventil 22 verbindet, wie gesagt, in einem geöffneten Zustand den Hochdruckbereich 32 mit dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. Dabei öffnet das Druckbegrenzungsventil 22 dann, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem auslassseitigen Hochdruckbereich 32 und dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 einen Grenzwert überschreitet. Durch das Druckbegrenzungsventil 22 wird also verhindert, dass der Druck in dem auslassseitigen Hochdruckbereich 32 unzulässig hoch ist.
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Die Komponenten des Druckbegrenzungsventils 22 werden nun insbesondere unter Bezugnahme auf die 2 und 3 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 Ventilkörpers 38 verlaufender Kanal 40 vorhanden ist. Der Ventilkörper 38 könnte auch einstückig mit dem Pumpengehäuse 12 ausgebildet sein. Am in 2 rechten Ende des Kanals 40 ist an dem Ventilkörper 38 eine konische Ventilsitzfläche 42 ausgebildet, die mit einem einstückig ausgebildeten Ventilelement 44 zusammenwirkt.
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Das Ventilelement 44 umfasst in Öffnungsrichtung 46 gesehen zunächst einen kegelförmigen Anlageabschnitt 48. An diesen schließt sich ein ringbundartiger Befestigungsabschnitt 50 an. Von diesem Abschnitt 50 ragt in Öffnungsrichtung 46 ein zapfenartiger Fortsatz 52 ab. Wie in 2 ersichtlich ist, ist auf den Fortsatz 52 ein als Spiralfeder ausgebildetes Beaufschlagungselement 54 aufgeschoben. Das dem Ventilelement 44 zugewandte freie Ende 56 des Beaufschlagungselements 54 ist am Befestigungsabschnitt 50 des Ventilelements 44 befestigt. Ein in 2 rechtes freies Ende 58 des Beaufschlagungselements 54 ist in einem zylindrischen Endbereich 60 der Ausnehmung 26 angeordnet. Das Beaufschlagungselement 54 beaufschlagt folglich das Ventilelement 44 entgegen der Öffnungsrichtung 46 gegen die Ventilsitzfläche 42.
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Wie in 3 ersichtlich, ist der Anlageabschnitt 48 als gerader Kreiskegel ausgebildet und weist einen halben Öffnungswinkel β auf, welcher zwischen der Mantelfläche des Anlageabschnitts 48 und einer Mittellängsachse 31 (fällt (im Geschlossenzustand) mit der Längsachse 29 zusammen) des Ventilelements 44 gemessen wird. Die konische Ventilsitzfläche 42 schließt mit der Längsachse 29 einen Öffnungswinkel α ein. α ist hierbei größer als β. Der Winkel β kann beispielsweise zwischen 5° und 60° liegen. Der Winkel α weist dementsprechend einen größeren Wert auf. Im in 3 gezeigten Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils 22 kommt der Anlageabschnitt 48 folglich an einem kreislinienförmigen Ventilsitz 62 zur Anlage. Der Ventilsitz 62 liegt dabei am Übergang von der Ventilsitzfläche 42 in den Kanal 40. In diesem Geschlossenzustand ragt ein Endbereich 64 des Anlageabschnitts 48 ausgehend vom Ventilsitz 62 entgegen der Öffnungsrichtung 46 in den Kanal 40 hinein.
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Durch diese Ausbildung des Druckbegrenzungsventils 22 kann ein Verschleiß zwischen dem Ventilkörper 38 und dem Ventilelement 44 verringert werden. Dabei kann Fluid im Kanal 40 im Geschlossenzustand des Druckbegrenzungsventils (vgl. 3) den Endbereich 64 des Anlageabschnitts 48 gleichmäßig umströmen und somit zu einer axialen Stabilisierung des Ventilelements 44 führen, so dass eine Relativbewegung des Ventilelements 44 zum Ventilkörper 38 jedenfalls verringert ist und somit der Verschleiß reduziert werden kann. Auch der Fortsatz 52 kann von Fluid gleichmäßig umströmt werden, so dass auch auf dieser Seite eine Axialstabilisierung möglich ist.
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Dadurch, dass das Beaufschlagungselement 54 unmittelbar am Ventilelement 44 befestigt ist, wird zudem ein besonders einfacher und vergleichsweise wenig komplexer Aufbau des Druckbegrenzungsventils 22 bereitgestellt. Ferner kann die Gefahr einer unerwünschte Verlagerung des Ventilelements 44 derart, dass das Druckbegrenzungsventil 22 seine Geschlossenstellung nicht mehr einnehmen kann, jedenfalls verringert werden. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auch denkbar, dass der Befestigungsabschnitt 50 einen Außendurchmesser derart aufweist, dass die die Ausnehmung 26 begrenzende Innenwand des Pumpengehäuses als Führung für den Befestigungsabschnitt 50 und damit für das Ventilelement 44 dient.
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Durch die linienförmige Ausbildung des Ventilsitzes 62 kann weiterhin die Gefahr eines unerwünschten sogenannten Ventilklemmers bzw. eines sogenannten hydraulischen Klebens jedenfalls reduziert werden.
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Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 durch die Ausbildung der Ventilsitzfläche 42 des Ventilkörpers 38. Im Unterschied zur 3 weist 4 eine bogenförmig ausgebildete Ventilsitzfläche 42 auf. Vom Ventilelement 44 aus gesehen ist diese also konvex ausgebildet. Am linienförmigen Ventilsitz 62 weist die Ventilsitzfläche 42 einen Krümmungsradius r auf, der insbesondere zwischen 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere 0,5 mm bis 5 mm, betragen kann. Die Krümmung ist in diesem Fall dementsprechend der Kehrwert des Radiusses r. Durch diese Konfiguration kann also ebenfalls ein linienförmiger Ventilsitz 62 bereitgestellt werden. Ferner ist auch hier eine Axialstabilisierung des Ventilelements 44, insbesondere durch gleichmäßige Fluidumströmung des Endbereichs 64 des Anlageabschnitts 48, ermöglicht.
