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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2004 013 307 A1 der Anmelderin ist bereits eine Kraftstoffpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
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Ein Druckbegrenzungsventil der bekannten Pumpe weist ein als Kugel ausgebildetes Ventilelement auf, das im geschlossenen Zustand des Druckbegrenzungsventils entlang einer Dichtlinie an einem kegeligen Ventilsitz anliegt.
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Derartige Kraftstoffhochdruckpumpen haben insbesondere im Zusammenhang mit Benzindirekteinspritzung in den zurückliegenden Jahren eine weite Verbreitung gefunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Neuere Untersuchungen der Anmelderin im Zusammenhang mit weiter steigenden Systemdrücken, haben jedoch gezeigt, dass es im Dauerbetrieb der Kraftstoffpumpe zu Verschleißphänomenen an dem Ventilelement im Bereich der Dichtlinie kommen kann. Insbesondere kann es hierzu Schwingreibverschleiss (Fretting) kommen, mit dem Ergebnis eines lokalen Abtrags entlang der Dichtlinie und einer entsprechenden Deformation des Ventilelements.
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Es hat sich herausgestellt, dass diese Verschleissphänomene für die Dichtigkeit des Druckbegrenzungsventils solange weitgehend unkritisch sind, wie die Dichtlinie auf dem Ventilelement ortsfest bleibt. In diesen Fällen kommt das Ventilelement lediglich im Bereich seiner Deformation an dem Ventilsitz zur Anlage, was einer guten Abdichtung nicht abträglich ist, selbst wenn es zu einer Drehung des Ventilelements um eine in Öffnungs- bzw. Schließrichtung des Druckbegrenzungsventils weisende Drehachse kommt, also zu einer Drehung die die Dichtlinie auf sich selbst abbildet.
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Es hat sich weiter herausgestellt, dass andere Drehungen, also Drehungen des Ventilelements, die dazu führen, dass das Ventilelement nach der Drehung im geschlossenen Zustand des Druckbegrenzungsventils nicht mehr mit der ursprünglichen Dichtlinie an dem Ventilsitz anliegt, kritisch für die Dichtigkeit des Druckbegrenzungsventils sind. In diesem Fall kommt es zu einer Leckage, die der Funktion der Kraftstoffpumpe, einen hohen Systemdruck zu generieren, zuwiderläuft.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Druckbegrenzungsventil ein Ventilelement aufweist, das die Form einer abgeflachten Kugel hat, mit einem kugeligen Abschnitt, der im geschlossenen Zustand des Druckbegrenzungsventils entlang einer Dichtlinie an dem Ventilsitz zur dichtenden Anlage kommt, und mit einem flachen Bereich, der in Zusammenwirkung mit einem Haltelement die Lage der Dichtlinie auf dem Ventilelement fixiert.
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Der flache Bereich des Ventilelements verhindert also im Zusammenwirkung mit dem Halteelement eine Rotation des Ventilelements um Achsen, die nicht parallel zur Öffnungs- bzw. Schließrichtung des Druckbegrenzungsventils sind. Die Dichtlinie, mit der das Ventilelement an dem Ventilsitz zur Anlage kommt, ist somit auf dem Ventilelement ortsfest. Auf diese Weise wird das Auftreten einer Leckage verhindert und die Funktion der Kraftstoffpumpe, einen hohen Systemdruck zu generieren, ist nachhaltig gewährleistet.
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Eine abgeflachte Kugel im Sinne der Erfindung geht geometrisch aus einer Vollkugel durch Hinwegnahme eines Teils der Vollkugel hervor.
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Die abgeflachte Kugel ist insbesondere eines, bevorzugt das größere, der beiden Kugelsegmente, die bei einem Schnitt einer Kugel entlang einer Schnittebene entstehen.
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Ein kugeliger Abschnitt im Sinne der Erfindung ist ein Abschnitt einer Vollkugel, von dem nichts hinweggenommen wurde.
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Ein flacher Bereich im Sinne der Erfindung ist ein Abschnitt einer Vollkugel, von dem etwas hinweggenommen wurde
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Es ist aus funktionellen und fertigungstechnischen Gründen bevorzugt, dass sich der kugelige Abschnitt über mehr als eine Halbkugel erstreckt und/oder dass das Ventilelement die Form eines Kugelsegments hat.
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Das erfindungsgemäße Zusammenwirken des flachen Bereichs mit dem Haltelement kann bevorzugt darauf basieren, dass das Halteelement von einer Spiralfeder, die an einem Gehäuse des Druckbegrenzungsventils oder an dem Pumpengehäuse abgestützt ist, in Schließrichtung des Druckbegrenzungsventils gedrückt wird.
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Beispielsweise, indem der flache Bereich des Ventilelements an dem Haltelement flächig anliegt, wird eine unerwünschte Drehung des Ventilelements ausgeschlossen. Sind Halteelement und Ventilelement nicht starr miteinander verbunden, treten lediglich relativ geringe Einzelmassen des Ventilelements und des Haltekörpers auf. Ferner treten dann zwischen ihnen Dämpfungseffekte auf, was verschleißmindernd ist.
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Alternativ kann eine unerwünschte Drehung des Ventilelements auch dadurch ausgeschlossen werden, dass der flache Bereich des Ventilelements mit dem Haltelement stoffschlüssig verbunden ist. Es resultiert ferner der Vorteil, dass auch bei sehr großen Öffnungshüben des Druckbegrenzungsventils das Ventilelement nicht verloren gehen kann, das heißt nicht in eine Position gelangen kann, in der das Druckbegrenzungsventil nicht mehr schließen kann.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der flache Bereich des Ventilelements mit einem Zwischenelement stoffschlüssig verbunden ist, das an dem Haltelement flächig anliegt. Das Zwischenelement kann beispielsweise eine Platte sein. Insbesondere bei Vorsehung eines seitlichen Spiels zwischen Zwischenelement und Halteelement hat dies den Vorteil, dass Dämpfungseffekte auftreten, die verschleißmindernd sind.
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In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass das Halteelement eine Blattfeder ist. Da Blattfedern im Vergleich zu Spiralfedern keine oder wesentlich weniger Drehschwingungen in den Dichtbereich des Druckbegrenzungsventils übertragen, resultiert eine verschleißmindernde Wirkung.
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Wird die Blattfeder an dem Ventilsitzkörper befestigt, ergibt sich ein besonders kompaktes Druckbegrenzungsventil, das überdies vormontiert, das heißt in einer montierten Baugruppe, zumindest bestehend aus Ventilsitzkörper, Ventilelement und Blattfeder, in der Kraftstoffpumpe montiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der flache Bereich des Ventilelements an der Blattfeder flächig anliegt, sodass eine besonders einfache und robuste Lösung resultiert.
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Alternativ ist es auch möglich, dass der flache Bereich des Ventilelements mit einem Zwischenelement stoffschlüssig verbunden ist, das an der Blattfeder flächig anliegt. In diesem Fall ist ein Verlorengehen des Ventilelements besonders sicher ausgeschlossen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung mit der gleichen Wirkung besteht darin, dass der Hub des Druckbegrenzungsventils durch einen gehäusefesten Hubanschlag begrenzt ist, an dem die Blattfeder bei maximaler Öffnung zur Anlage kommt. Der Hubanschlag kann am Pumpengehäuse oder an einem separaten Gehäuse des Druckbegrenzungsventils vorgesehen sein.
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Bei der Kraftstoffpumpe kann es sich beispielsweise um eine Benzin-Hochdruckpumpe handeln, beispielsweise zur Verdichtung eines Kraftstoffs auf 200 bar oder auf 350 bar oder auf noch höhere Drücke. Es handelt sich insbesondere um eine Kolbenpumpe.
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Bei der Brennkraftmaschine kann es sich beispielsweise um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine handeln. Bei dem Kraftstoff kann es sich beispielsweise um einen Kraftstoff wie Benzin handeln.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe gemäß der Erfindung;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel;
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel;
- 4 ein drittes Ausführungsbeispiel;
- 5 ein viertes Ausführungsbeispiel;
- 6 das vierte Ausführungsbeispiel in Aufsicht;
- 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel;
- 8 eine Abwandlung des vierten und des fünften Ausführungsbeispiels.
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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 Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 einen Kraftstoffanschluss 11, ein Einlass- und 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, zylindrischer Kanal 24 vorhanden, der sich koaxial zum Förderraum 16 und zum Förderkolben 18 erstreckt und der vom Förderraum 16 zu einem zweiten zylindrischen 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 das Bezugszeichen 28, eine Längsachse des zweiten zylindrischen Kanals 26 trägt das Bezugszeichen 29. In 1 oben ist in dem Pumpengehäuse 12 ein Druckdämpfer 30 angeordnet.
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Im Betrieb saugt der Förderkolben 18 bei einem Saughub einen Kraftstoff, beispielsweise einen Kraftstoff wie Benzin, über das Einlass- und Mengensteuerventil 14 in den Förderraum 16 an. 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 als Auslassstutzen ausgebildeten Auslass 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 32 in den Förderraum 16 strömen kann.
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Das Druckbegrenzungsventil 22 verbindet, wie oben bereits erwähnt, 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 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels werden nun auch unter Bezugnahme auf 2 stärker im Detail erläutert.
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Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört zunächst ein hülsenartiger Ventilsitzkörper 38, der in den zylindrischen Kanal 26 eingepresst ist. An der in 2 rechten Seite des Ventilsitzkörpers 38 ist ein kegeliger Ventilsitz 42 ausgebildet, der mit dem Ventilelement 44 zusammenwirkt.
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Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört ferner eine am Pumpengehäuse 12 abgestützte Spiralfeder 52 die den Ventilkörper 46 (der ein Haltelement im Sinne der Erfindung darstellt) gegen das Ventilelement 44 drückt.
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Der Ventilkörper 46 weist auf der von dem Ventilelement 44 abgewandten Seite eine Ringschulter 464 auf, an der die Spiralfeder 52 anliegt und der Ventilkörper 46 weist auf der von dem Ventilelement 44 abgewandten Seite ferner einen von dem Ventilelement 44 wegweisenden Zapfen 465 auf, der von den äußeren zum Ventilelement 44 weisenden Windungen 521 der Spiralfeder 52 aufgenommen ist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Ventilelement 44 als abgeflachte Kugel ausgebildet ist, die einen kugeligen Abschnitt 442 aufweist, der im geschlossenen Zustand des Druckbegrenzungsventils 22 entlang einer Dichtlinie an dem Ventilsitz 42 zur dichtenden Anlage kommt, und die einen flachen Bereich 441 aufweist, der sich auf der vom Ventilsitzkörper 38 abgewandten Seite des Ventilelements 44 befindet. Dabei liegt der flache Bereich 441 des Ventilelements 44 an der ihm zugewandten planen Seite 60 des Ventilkörpers 46 flächig an.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in der 3 dargestellt und unterscheidet sich dadurch, dass der flache Bereich 441 des Ventilelements 44 mit der ihm zugewandten planen Seite 60 des Ventilkörpers 46 stoffschlüssig verbunden ist, beispielsweise verschweißt ist. In der 3 ist dies durch zwei parallele Striche 62 angedeutet.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in der 4 dargestellt und unterscheidet sich dadurch, dass der flache Bereich 441 des Ventilelements 44 mit einem Zwischenelement 70 stoffschlüssig verbunden ist, das an dem Ventilkörper 46 flächig anliegt. Das Zwischenelement 70 ist als Platte ausgebildet. Es ist vorgesehen, dass eine Relativbewegung 72 zwischen dem Zwischenelement 70 und dem Ventilkörper 46 senkrecht zur Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils 22 möglich ist. Optional kann vorgesehen sein, dass diese Relativbewegung 72 durch einen am Ventilkörper 46 vorgesehenen Ringanschlag 466 begrenzt wird.
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Die weiteren Ausführbeispiele sehen vor, dass das erfindungsgemäß vorgesehene Halteelement durch eine Blattfeder 54 realisiert ist, die zum Beispiel an dem Ventilsitzkörper 38 befestigt ist. Eine Spiralfeder wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen entfällt insofern.
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Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, das in 5 als Längsschnitt und in 6 in Aufsicht gezeigt ist, ist vorgesehen, dass die Blattfeder 54 mehrarmig, beispielsweise dreiarmig, ausgeführt ist und dass der flache Bereich 441 des Ventilelements 44 an dem Bereich 541 der Blattfeder 54, an dem ihre Arme 542 zusammentreffen, flächig anliegt.
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Das fünfte Ausführungsbeispiel (7) unterscheidet sich dadurch, dass der flache Bereich 441 des Ventilelements 44 mit einem Zwischenelement 70, das beispielsweise als Platte ausgebildet ist, stoffschlüssig verbunden ist, beispielsweise verschweißt ist. In der 7 ist dies durch zwei parallele Striche 62 angedeutet. An dem Zwischenelement 70 liegt die wie oben ausgebildete Blattfeder 54 flächig an.
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8 zeigte eine Abwandlung der Ausführungsbeispiele mit Blattfeder 54. In dieser ist vorgesehen, dass der Hub des Druckbegrenzungsventils 22 durch einen gehäusefesten Hubanschlag 74 begrenzt ist, an dem die Blattfeder 54 bei maximaler Öffnung zur Anlage kommt. Der Hubanschlag 74 kann am Pumpengehäuse 12 oder an einem separaten Gehäuse 12' des Druckbegrenzungsventils 22 montiert oder vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004013307 A1 [0001]
