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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für ein Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer solchen Venti lvorrichtung.
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Aus der Druckschrift
US 2015/0078922 A1 ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 bekannt. Bei Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung werden immer höhere Systemdrücke (über 500 bar) angestrebt. Zum Erhalt des Wirkungsgrads der Kraftstoffhochdruckpumpe muss deren Totvolumen so weit wie möglich reduziert werden. Bei den zur Kraftstoffhochdruckpumpe gehörenden Ventilen (z.B. Überdruckventil) führt dies zu einer Verkleinerung der Abmessungen. Dies geht einher mit einer Reduzierung der hydraulisch wirksamen Kräfte am Ventilkörper. Bei federbelasteten Ventilen führt dies zwangsläufig zu einer Verminderung der Federkraft, die den Ventilkörper gegen den Ventilsitz vorspannt. Eine kleine hydraulische Wirkfläche und geringe Federkräfte am Ventil in Verbindung mit einem sehr hohen Systemdruck haben häufig negative Auswirkungen auf die Ventil-Charakteristik. So kann es während der Aktivierung des Ventils zu einem Flattern (hochfrequentes Öffnen und Schließen) kommen, was einen erhöhten Verschleiß am Ventilsitz und eine verminderte Wirkung des Ventils mit sich bringt. Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ventilvorrichtung und eine Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen, welche sich trotz eines hohen Systemdrucks und kompakter Abmessungen durch einen geringen Verschleiß auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch die Ventilvorrichtung und die Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Eine Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 weist ein Gehäuse auf, in dem ein Strömungskanal für Kraftstoff ausgebildet ist. Im Strömungskanal ist eine Ventilsitzeinrichtung fixiert, welche einen ersten Durchflusskanal für den Kraftstoff und einen ersten Ventilsitz aufweist. Die Ventilvorrichtung weist ferner eine erste Ventilkörpervorrichtung auf. Die Ventilkörpervorrichtung weist dabei einen beweglich gelagerten ersten Ventilkörper, welcher zum Verschließen des ersten Durchflusskanals mit dem ersten Ventilsitz zusammenwirkt, und eine erste Federeinrichtung auf. Die erste Federeinrichtung weist eine erste Feder und einen mit der ersten Feder gekoppelten Führungskörper für den ersten Ventilkörper auf. Die erste Feder spannt den ersten Ventilkörper mittels des Führungskörpers in Richtung des ersten Ventilsitzes vor. Der Führungskörper weist an einer der Ventilsitzeinrichtung zugewandten Seite eine ringförmige Nut auf, welche derart ausgebildet ist, dass der bei Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems aus dem ersten Durchflusskanal in Richtung des Führungskörpers austretender Kraftstoff an der Position der Nut auf den Führungskörper trifft.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, die Strömungskraft des auf den Führungskörper treffenden Kraftstoffs zu nutzen, um das Ventil in der geöffneten Position zu stabilisieren und so die Öffnungscharakteristik des Ventils zu verbessern. Dazu weist der Führungskörper eine ringförmige Nut auf, welche geometrisch so gestaltet ist, dass eine Kraftstoffströmung durch den ersten Durchflusskanal in Richtung des Führungskörpers größtenteils an der Position der Nut auf den Führungskörper trifft. Der Kraftstoff dringt dabei mit hoher Geschwindigkeit in die Nut ein und erfährt dort eine starke Impulsänderung. Dadurch wird die auf den Führungskörper wirkende Strömungskraft erheblich verstärkt. Diese Kraft wirkt entgegen der Federkraft und stabilisiert so die Ventilkörpervorrichtung in der geöffneten Position. Dadurch kann eine günstige Öffnungscharakteristik dieses Ventils erreicht werden. Unerwünschte, hochfrequente Öffnungs- und Schließzyklen und der damit einhergehende erhöhte Verschleiß werden verhindert.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 2 ist der erste Ventilkörper als Kugel ausgeführt, wobei der Führungskörper an der der Ventilsitzvorrichtung zugewandten Seite eine zentral angeordnete Aufnahmeausnehmung zur Aufnahme des ersten Ventilkörpers aufweist. Die ringförmige Nut umgibt die Aufnahmeausnehmung radial und weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser des Ventilkörpers.
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Bei dieser Ausgestaltung mit einer Kugel als Ventilkörper ergibt sich ein kegelförmiges Strahlbild. Durch die beschriebene größere Dimensionierung des Durchmessers der Nut relativ zum Durchmesser des Ventilkörpers wird der zuvor beschriebene Effekt insofern optmiert, dass möglichst viel Kraftstoff auf die Nut trifft.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 3 weist die Nut eine maximale Tiefe zwischen 0,1 bis 3 Millimeter, eine maximale Breite zwischen 0,1 bis 5 Millimeter, einen Übergangswinkel zwischen dem Nutgrund und der seitlichen Flanke (Wandung) zwischen 60 bis 150 Grad und einen maximalen Durchmesser zwischen 0,5 und 5 Millimeter auf. Diese Maße haben sich für die Erreichung des oben genannten Effekts als optimal erwiesen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ventileinrichtung nach Anspruch 4 weist die erste Ventilkörpervorrichtung eine im Strömungskanal fixierte Federträgereinrichtung für die erste Federeinrichtung auf. Dabei weist die Federträgereinrichtung eine sacklochförmige Ausnehmung auf, welche an einer der Ventilsitzeinrichtung abgewandten Seite verschlossen ist und an deren Boden sich die erste Feder abstützt. Die Federträgereinrichtung weist ferner in einem die Ausnehmung radial umgebenden Bereich zumindest einen Bypasskanal für den Kraftstoff auf.
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Der Verschleiß und die Betriebssicherheit einer solchen Ventilvorrichtung werden dadurch verbessert, indem die erste Federeinrichtung, der erste Ventilkörper und der erste Ventilsitz vor einer direkten Anströmung durch den Kraftstoff geschützt sind. Denn der erste Ventilkörper und die erste Federeinrichtung bilden zusammen ein schwingungsfähiges System, welches bei direkter Anströmung zu hochfrequenten Mikroschwingungen angeregt werden können. Dadurch ergibt sich ein schleichender Verschleiß bei Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe. Bei dieser Ausgestaltung der Ventilvorrichtung ist daher eine Federträgereinrichtung mit einer sacklochförmigen Ausnehmung zur Aufnahme der ersten Federeinrichtung vorgesehen, wobei die Ausnehmung in Richtung der Ventilsitzeinrichtung geöffnet und auf einer der Ventilsitzeinrichtung abgewandten bzw. gegenüberliegenden Seite verschlossen ist. Die sacklochförmige Ausnehmung ist also einseitig verschlossen und wird bei Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe nicht unmittelbar von Kraftstoff durchströmt. Die Ausnehmung bildet so einen strömungsberuhigten Aufnahmeraum für die Federeinrichtung. Der Kraftstoff wird über den zumindest einen Bypasskanal, welcher an einem die Ausnehmung radial umgebenden Bereich der Federträgereinrichtung ausgebildet ist, an der Ausnehmung vorbeigeleitet. Auf diese Weise sind die erste Federeinrichtung und der erste Ventilkörper vor einer direkten, axialen Anströmung durch Kraftstoff abgeschirmt. Eine Schwingungsanregung aufgrund der Strömungskräfte kann auf diese Weise verhindert werden, was den Verschleiß am Ventil stark reduziert.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 5 weist die sacklochförmige Ausnehmung auf der verschlossenen Seite einen Boden auf, wobei an einer der Ventilsitzeinrichtung abgewandten Seite des Bodens eine konvexe Kontur ausgebildet ist.
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Die konvexe Kontur fungiert als Strömungsteiler bzw. Leitkontur für Kraftstoff. Der auf den Boden der Ausnehmung aufprallende Kraftstoffstrom wird durch die Kontur strömungsgünstig zu dem zumindest einen Bypasskanal geleitet. Auf diese Weise kann der Strömungswiderstand der Ventilvorrichtung deutlich verringert werden. Die konvexe Kontur kann zentral angeordnet sein und die Form einer gerundeten Wölbung oder einer Spitze aufweist. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Kontur radial bis zu dem mindestens einen Bypasskanal.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 6 ragt die Federträgereinrichtung mit einem Endabschnitt aus dem Strömungskanal hinaus, wobei am Außenumfang des Endabschnitts eine umlaufende Ringnut ausgebildet ist.
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Diese Ausgestaltung erweist sich als besonders günstig für die stoffschlüssige Befestigung der Ventilvorrichtung an einem Auslasskanal einer Kraftstoffhochdruckpumpe durch einen Schweißvorgang. So kann die Ventilvorrichtung mit dem Endabschnitt der Federträgereinrichtung voran in den Auslasskanal der Kraftstoffhochdruckpumpe eingeschoben werden und das Gehäuse der Ventilsitzeinrichtung am Flansch des Pumpengehäuses verschweißt werden. Die beim Schweißvorgang entstehenden Schweißperlen oder sonstigen Abfallprodukte werden in die Ringnut eingetragen. Auf diese Weise kann ein Eintrag störender Partikel in die Kraftstoffhochdruckpumpe oder in die Ventilanordnung verhindert werden.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 7 weist die Federträgereinrichtung mehre Bypasskanäle auf, welche an dem die Ausnehmung radial umgebenden Bereich umfänglich verteilt sind.
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Bei dieser Ausgestaltung ist die sacklochförmige Ausnehmung vorteilhafterweise radial zentral an der Federträgereinrichtung ausgebildet. Mehrere Bypasskanäle sind vorgesehen, welche die becherförmige Ausnehmung radial umgeben und vorteilhafterweise gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind. Dadurch kann der Strömungswiderstand der Federträgereinrichtung für den Kraftstoff deutlich verringert und der gesamte Durchsatz durch die Ventilvorrichtung erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 8 sind an der Ventilsitzeinrichtung weitere Durchflusskanäle ausgebildet, welche den ersten Durchflusskanal radial umgeben. Auf einer dem ersten Ventilsitz gegenüberliegenden (der ersten Ventilkörpervorrichtung abgewandten) Seitenfläche der Ventilsitzeinrichtung ist ein weiterer Ventilsitz ausgebildet. Der weitere Ventilsitz weist zwei konzentrische, ringförmige Vorsprünge auf, welche von dieser Seitenfläche axial abstehen bzw. wegragen. Die Kanalöffnungen der weiteren Durchflusskanäle sind radial zwischen den Vorsprüngen angeordnet. Im Strömungskanal ist eine weitere Ventilkörpervorrichtung mit einem beweglich gelagerten weiteren Ventilkörper mit einer planen Dichtfläche vorgesehen. Dieser weitere Ventilkörper kommt zum Schließen der Kanalöffnungen der weiteren Durchflusskanäle mit den Vorsprüngen des weiteren Ventilsitzes in abdichtende Anlage.
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Der radial äußere Vorsprung erstreckt sich dabei radial nicht bis zu einem Außendurchmesser der Ventilsitzeinrichtung, d.h. der äußere Durchmesser des radial äußeren Vorsprungs ist kleiner als der Außendurchmesser der Venti lsitzeinrichtung.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 9 weisen die ringförmigen Vorsprünge jeweils eine plane Dichtfläche auf.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 10 weisen die ringförmigen Vorsprünge jeweils eine ballige Dichtfläche auf.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 11 weisen die Vorsprünge an den balligen Dichtflächen einen Wölbungsradius zwischen 0,5 und 10 Millimeter auf.
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Bei sehr hohen Systemdrücken haben selbst kleinste Abweichungen bei den Dichtflächen bzw. Dichtbandbreiten am Plattenventil signifikante Auswirkungen auf die hydraulischen Flächenverhältnissen und damit auf das Schließverhalten, den Öffnungsdruck und die Geräuschentwicklung des Ventils. Um den Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die hydraulischen Flächenverhältnisse am Ventil soweit wie möglich zu minimieren und den Öffnungsdruck abzusenken, ist die effektiv wirksame Dichtbandbreite am Ventil möglichst klein zu halten. Daher sind an der der weiteren Ventilkörpervorrichtung zugewandten Seitenfläche der Ventilsitzeinrichtung zwei konzentrische, ringförmige Vorsprünge (Absätze bzw. Stege) ausgebildet, welche den weiteren Ventilsitz bilden. Dadurch wird die effektive Dichtfläche (Kontaktfläche zwischen dem weiteren Ventilkörper und dem weiteren Ventilsitz) gegenüber eines vollflächigen Ventilsitzes deutlich verringert. Eine noch weitergehende Verminderung der Dichtbandbreiten wird dadurch erzielt, dass die Vorsprünge bzw. Absätze jeweils eine ballige Dichtfläche aufweisen. Die Dichtflächen der Vorsprünge sind in diesem Fall also nicht plan sondern in Richtung des weiteren Ventilköpers gekrümmt und weisen daher einen Radius auf. Dadurch kann die Kontaktfläche zwischen den Vorsprüngen und der planen Fläche des weiteren Ventilkörpers einer Linie angenähert werden. Auf diese Weise kann der Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die hydraulischen Flächenverhältnisse und der Kolbenraumdruck reduziert und damit die Zuverlässigkeit und das Betriebsverhalten der Ventilvorrichtung gerade bei sehr hohen Drücken deutlich gesteigert werden.
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In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 12 weisen die ringförmigen Vorsprünge eine maximale Breite von 0,1 bis 2 Millimeter auf und wobei der radial äußere Vorsprung einen inneren Durchmesser zwischen 5 bis 15 Millimeter und der radial innere Vorsprung einen inneren Durchmesser zwischen 0,5 und 4 Millimeter aufweisen. Die maximale Breite des Vorsprünge entspricht dabei der maximalen Ausdehnung bzw. Erstreckung des jeweiligen Vorsprungs in radialer Richtung.
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Eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 weist ein Pumpengehäuse, ein darin vorgesehenes Druckbeaufschlagungsmittel für den Kraftstoff und eine im Pumpengehäuse ausgebildeten Hochdruckauslasskanal zum Ausstoßen des druckbeaufschlagten Kraftstoffs auf. Weiterhin weist die Kraftstoffhochdruckpumpe eine Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 auf, welche mit dem Hochdruckauslasskanal gekoppelt ist, dass der bei Betrieb des Druckbeaufschlagungsmittels ausgestoßene Kraftstoff in einer Förderrichtung durch den Strömungskanal der Ventilvorrichtung fließt. Dabei sind im Strömungskanal in Förderrichtung hintereinander die erste Ventilkörpervorrichtung, die Ventilsitzeinrichtung und die weitere Ventilkörpervorrichtung angeordnet. Die erste Ventilkörpervorrichtung und der erste Ventilsitz fungieren zusammen als Sicherheitsventil, welches bei Überschreiten eines Grenzwertes des Kraftstoffdrucks in Förderrichtung stromabwärts der Ventilvorrichtung öffnet und so ein Rückströmen von Kraftstoff entgegen der Förderrichtung durch den ersten Durchflusskanal in den Arbeitsraum ermöglicht, und welches ansonsten geschlossen ist. Die weitere Ventilkörpervorrichtung und der weitere Ventilsitz fungieren zusammen als Auslassventil für den Kraftstoff, welches einen Kraftstoffstrom durch die weiteren Durchflusskanäle in Förderrichtung erlaubt und welches ein Rückströmen von Kraftstoff entgegen der Förderrichtung durch die weiteren Durchflusskanäle verhindert.
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Bezüglich der Vorteile dieser Kraftstoffhochdruckpumpe wird auf die Ausführungen zu den vorhergehenden Patentansprüchen verwiesen, welche hier in analoger Weise gelten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 eine schematische Darstellung eines
- Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ventilvorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Gehäuses der Ventilvorrichtung;
- 4A bis 4F schematische Darstellungen einer Ventilsitzvorrichtung;
- 5A bis 5D schematische Darstellungen einer Federträgereinrichtung der Ventilvorrichtung;
- 6A bis 6C schematische Darstellungen eines Führungskörpers;
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In 1 ist ein Kraftstoffversorgungssystem 1 für eine Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt. Das hier dargestellte Kraftstoffversorgungssystem 1 weist einen Kraftstoffvorratsbehälter 3, eine Kraftstoffniederdruckpumpe 4, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 5, einen Kraftstoffdruckspeicher 6 (Common Rail) sowie mehrere Einspritzventile 7 auf.
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In einem Pumpengehäuse 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist ein Druckbeaufschlagungsmittel 9 für den Kraftstoff vorgesehen. Dazu ist im Pumpengehäuse 8 eine zylinderförmige Ausnehmung 10 ausgebildet, in der ein Kolben 11 verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 11 ist mit einem Antriebsmittel 12 gekoppelt, welches den Kolben 11 bei Betrieb zu periodischen Hubbewegungen (Doppelpfeil in 1) antreibt. Ein Abschnitt der zylinderförmigen Ausnehmung 10 fungiert als Arbeitsraum 13 des Druckbeaufschlagungsmittels 9. Durch die Hubbewegung des Kolbens 11 wird das Volumen des Arbeitsraums 13 abwechselnd vergrößert und wieder verkleinert. Der Arbeitsraum 13 ist über einen im Pumpengehäuse 8 ausgebildeten Niederdruckeinlasskanal 14 und eine Kraftstoffleitung 15 mit der Kraftstoffniederdruckpumpe 4 fluidisch verbunden. Bei Betrieb der Kraftstoffniederdruckpumpe 4 wird Kraftstoff aus dem Vorratsbehälter 3 über die Kraftstoffleitung 15 und den Niederdruckeinlasskanal 14 in den Arbeitsraum 13 gefördert. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 weist ferner ein vorteilhafterweise elektrisch betriebenes Einlassventil 16 auf, welches insbesondere den Zustrom von Kraftstoff in den Arbeitsraum 13 steuert und einen Rückstrom von Kraftstoff aus dem Arbeitsraum 13 nur unter bestimmten Betriebsbedingungen erlaubt.
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Der Arbeitsraum 13 ist ferner über einen im Pumpengehäuse 8 ausgebildeten Hochdruckauslasskanal 17 und eine weitere Kraftstoffleitung 18 mit dem Kraftstoffdruckspeicher 6 fluidisch verbunden. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 weist ferner eine Ventilvorrichtung 19 auf, welche mit dem Hochdruckauslasskanal 17 fluidisch gekoppelt und am Pumpengehäuse 8 befestigt ist. Die Ventilvorrichtung 19 fungiert dabei als Auslassventil und Sicherheitsventil.
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Bei Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems 1 wird Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 3 mittels der Kraftstoffniederdruckpumpe 4 zur Kraftstoffhochdruckpumpe 5 gefördert. Der Kraftstoff wird über das geöffnete Einlassventil 16 und den Niederdruckeinlasskanal 14 in den Arbeitsraum 13 gefördert und dort durch das Druckbeaufschlagungsmittel 9 verdichtet. Der verdichtete bzw. druckbeaufschlagte Kraftstoff wird aus dem Arbeitsraum 13 in einer Förderrichtung F über den Hochdruckauslasskanal 17 und die Ventilvorrichtung 19 ausgestoßen. Der ausgestoßene Kraftstoff fließt über die weitere Kraftstoffleitung 18 in Förderrichtung F zum Kraftstoffdruckspeicher 6. Die an den Kraftstoffdruckspeicher 6 angeschlossenen, vorteilhafterweise elektrisch gesteuerten Einspritzventile 7 dosieren die Kraftstoffzufuhr in Verbrennungsräume der Brennkraftmaschine 2.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Ventilvorrichtung 19 dargestellt. Die Ventilvorrichtung 19 weist ein Gehäuse 20 auf, welches in 3 im Detail gezeigt ist. Das Gehäuse 20 ist vorzugsweise aus einem metallischen Vollzylinder mit kreisförmigem Querschnitt gefertigt. Im Gehäuse 20 ist ein Strömungskanal 21 mit einer Einlassöffnung 22 und einer Auslassöffnung 202 ausgebildet. Der Strömungskanal 21 weist Abschnitte 23, 24, 25 und 26 mit unterschiedlichen Durchmessern auf (siehe 3). Diese Abschnitte 23, 24, 25, 26 dienen zur Aufnahme weitere Bestandteile der Ventilvorrichtung 19, welche nachfolgend beschrieben werden. In 3 ist die Rotationsachse R des Gehäuses gestrichelt dargestellt.
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„Axial“ x bedeutet nachfolgend parallel zur Rotationsachse R gerichtet. „Radial“ y bedeutet nachfolgend senkrecht zur Rotationsachse gerichtet
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Mit Verweis auf 2 ist die Ventilvorrichtung 19 am Gehäuse 8 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 befestigt und fluidisch mit dem Hochdruckauslasskanal 17 gekoppelt. Das Gehäuse 20 der Ventilvorrichtung 19 ist auf Seiten der Einlassöffnung 22 an einem Anschlussflansch 27 des Hochdruckauslasskanals 17 derart befestigt, dass der aus der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 über den Hochdruckauslasskanal 17 ausgestoßene Kraftstoff in Förderrichtung F durch den Strömungskanal 21 fließt. Die Verbindung zwischen der Ventilvorrichtung 19 und der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 ist dicht ausgeführt, sodass an der Verbindungstelle kein Kraftstoff austritt. Vorteilhafterweise ist das Gehäuse 21 mittels einer Schweißverbindung am Pumpengehäuse 8 befestigt. Alternativ oder zusätzlich sind auch formschlüssige Befestigungsverfahren, wie Crimpen, Pressen oder Verschrauben, denkbar.
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Ausgehend von der Einlassöffnung 22 sind im Strömungskanal 21 in Förderrichtung F (also in axialer Richtung x) eine erste Ventilkörpervorrichtung 28, eine Ventilsitzeinrichtung 29 und eine weitere Ventilkörpervorrichtung 30 hintereinander angeordnet.
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Die Ventilsitzeinrichtung 29 ist im Abschnitt 24 (siehe 3) des Strömungskanals 21 mittels einer Pressverbindung fixiert. Alternativ oder zusätzlich sind form- oder stoffschlüssige Befestigungsformen möglich (Crimpen, Schweißen, Verschrauben). Eine vorteilhafte Ausführung der Ventilsitzeinrichtung 29 ist in den 4A bis 4F beispielhaft dargestellt. Dabei stellen die 4A, 4B und 4C Seitenansichten der Ventilsitzeinrichtung dar. Die 4D ist eine Schnittdarstellung in Richtung der Schnittlinie A-A der 4A. 4E ist eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B der 4A. 4F ist eine vergrößerte Darstellung des Details C in 4D.
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Die Ventilsitzeinrichtung 29 ist vorteilhafterweise aus einem metallischen Vollzylinder mit einem kreisförmigen Querschnitt gefertigt. Sie weist einen ersten Durchflusskanal 31 auf, welcher als zentrale Bohrung ausgeführt ist. Die Ventilsitzeinrichtung 29 weist ferner einen ersten Ventilsitz 32 auf, welcher an einer der ersten Ventilkörpervorrichtung 28 zugewandten Kanalöffnung 33 des ersten Durchflusskanals 31 ausgebildet ist (siehe 2). Die Ventilsitzeinrichtung 29 weist mehrere weitere Durchflusskanäle 34 auf, welche den ersten Durchflusskanal 31 radial ringförmig umgeben. Dabei sind die weiteren Durchflusskanäle 34 zirkulär gleichmäßig voneinander beabstandet.
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Auf einer dem ersten Ventilsitz 32 gegenüberliegenden Seite der Ventilsitzeinrichtung 29, d. h. auf der der weiteren Ventilkörpervorrichtung 30 zugewandten Seite der Ventilsitzeinrichtung (siehe 2) ist ein weiterer Ventilsitz 35 ausgebildet, welcher durch zwei konzentrische, kreisförmige Vorsprünge 36, 37 gebildet ist. Dabei sind die der weiteren Ventilkörpervorrichtung 30 zugewandten Kanalöffnungen 38 der weiteren Durchflusskanäle 34 in radialer Richtung zwischen den beiden Vorsprüngen 36, 37 angeordnet. Die Vorsprünge 36, 37 sind dabei so ausgebildet, dass sie von der der weiteren Ventilkörpervorrichtung 30 zugewandten Seitenfläche der Ventilsitzeinrichtung 29 in axialer Richtung um ein vorgegebenes Maß h (siehe 4A und 4D), welches zumindest 0,05 mm betragen sollte, in Richtung der weiteren Ventilkörpervorrichtung 30 überstehen bzw. abstehen bzw. ragen. Der radial äußere Vorsprung 36 erstreckt sich in radialer Richtung nicht bis zum radialen Rand (Außendurchmesser) der Ventilsitzeinrichtung 29. Er weist einen äußeren Durchmesser Dva (4F) auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser Dmax der Ventilsitzeinrichtung 29 (4E).
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Ferner ist die Ventilsitzeinrichtung 29 so ausgebildet, dass die zwischen den beiden ringförmigen Vorsprüngen 36, 37 angeordneten Kanalöffnungen 38 der weiteren Durchflusskanäle 34 über einen Ringkanal 39 fluidisch verbunden sind. Der Ringkanal 39 wird dabei durch die beiden ringförmigen Vorsprünge (36, 37) gebildet.
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Wie in 4F zu sehen ist, sind die ringförmigen Vorsprünge 36, 37 an ihren jeweiligen Dichtflächen (axialen Endflächen) vorteilhafterweise ballig ausgeführt, d.h. sie sind axial gewölbt und weisen einen mit einem Radius versehenen Querschnitt bzw. eine ballige Kontur auf. Durch die ballige Form werden die effektiven Dichtbänder zwischen den Vorsprüngen 36, 37 und einer planen Dichtfläche des weiteren Ventilkörpers 56 (siehe 2) soweit reduziert, dass sich nahezu zwei Dichtlinien ergeben. Auf diese Weise können produktionsbedingte Toleranzen bezüglich der hydraulisch wirkenden Flächen am Ventil weitgehend minimiert werden, was eine reprozierbare Ventilcharakteristik, eine geringere Bauteilbelastung und ein reduziertes Geräuschverhalten mit sich bringt. Ferner können Druckspitzen im Arbeitsraum 13 gesenkt werden.
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Vorteilhafterweise weisen die ballig ausgeführten Vorsprünge bzw. Absätze 36, 37 eine maximale Breite Bs von 0,1 bis 2 Millimetern und an ihren axialen Endflächen (Dichtflächen) jeweils einen axialen Wölbungsradius Rs zwischen 0,5 und 10 Millimetern auf. Der radial äußere Vorsprung 36 weist dabei einen inneren Durchmesser Dsa zwischen 5 bis 15 Millimeter und der radial innere Vorsprung einen Durchmesser Dsi zwischen 0,5 und 4 Millimeter auf.
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Die Vorsprünge 36, 37 können alternativ auch plane Dichtflächen aufweisen, also ohne ballige Kontur ausgebildet sein. Diese Ausführungsform hat Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten.
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Wie in 2 zu erkennen ist weist die erste Ventilkörpervorrichtung 28 einen beweglich gelagerten ersten Ventilkörper 40 in Form einer Kugel, eine erste Federeinrichtung 41 zum Vorspannen des ersten Ventilkörpers 40 und eine Federträgereinrichtung 42 auf. Die Federeinrichtung 41 weist eine erste Feder 43, vorzugsweise eine Schraubenfeder, und einen mit der ersten Feder 43 gekoppelten Führungskörper 44 auf, wobei die erste Feder 43 ihre Federkraft mit Hilfe des Führungskörpers 44 auf den ersten Ventilkörper 40 überträgt.
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In den 5A bis 5D ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Federträgereinrichtung 42 abgebildet. 5A ist eine Seitenansicht. 5B ist eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B in 5A. 5C ist eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie C-C in 5A. 5D ist eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A in 5A. Die Federträgereinrichtung 42 ist vorteilhafterweise aus einem metallischen Vollzylinder mit kreisförmigem Querschnitt oder durch einen Sintervorgang gefertigt und mittels einer Pressverbindung (alternativ oder zusätzlich durch eine form- oder stoffschlüssige Verbindung) im Abschnitt 23 des Strömungskanals 21 befestigt. In der Federträgereinrichtung 42 ist eine sacklochförmige Ausnehmung 45 ausgebildet. Die Ausnehmung 45 ist so im Strömungskanal 21 platziert, dass sie in Richtung der Ventilsitzeinrichtung 29 geöffnet und in Richtung der Einlassöffnung 22 verschlossen ist. Die offene Seite 46 der Ausnehmung 45 weist also in Förderrichtung F wogegen der verschlossene Teil, d.h. der Boden 47, der Ausnehmung 45 der Einlassöffnung 22 zugewandt ist.
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In der einseitig verschlossenen, sacklochförmigen Ausnehmung 45 ist die erste Federeinrichtung 41 zumindest teilweise angeordnet. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die erste Feder 43 und der Führungskörper 44 nahezu vollständig in der Ausnehmung 45 angeordnet. Dabei stützt sich die erste Feder 43 an dem Boden 47 der Ausnehmung 45 gegenüber dem Gehäuse 20 ab (siehe 2).
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In einem die Ausnehmung 45 radial umgebenden Bereich weist die Federträgereinrichtung 42 mehrere Bypasskanäle 48 bzw. Umströmungskanäle auf. Vorteilhafterweise umgeben die Bypasskanäle 48 die Ausnehmung 45 ringförmig, d.h. sie weisen denselben radialen Abstand zur Ausnehmung 45 auf, und sind vorteilhafterweise auch zirkulär gleichmäßig beabstandet. Über die Bypasskanäle 48 kann Kraftstoff die Federträgereinrichtung 42 unter Umgehung der einseitig verschlossenen Ausnehmung 45 durchströmen.
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An einer der Ventilsitzeinrichtung 29 abgewandten Seite (d.h. an einer der Einlassöffnung 22 zugewandten Seite) des Bodens der Federträgereinrichtung 42 ist eine konvexe Kontur 49 ausgebildet. Die konvexe Kontur 49 kann dabei als runde Wölbung oder spitz zulaufend (siehe 5A) ausgebildet sein. Die konvexe Kontur 49 wölbt sich dabei axial in Richtung der Einlassöffnung 22 des Gehäuses 20 der Ventilvorrichtung 19. Die Kontur 49 ist dabei vorteilhafterweise radial mittig angeordnet und erstreckt sich im Bereich des Bodens 47 über die gesamte Fläche innerhalb des Rings aus Bypasskanälen 48. Ein großer Teil des aus dem Hochdruckauslasskanal 17 kommenden Kraftstoffs prallt mit hoher Geschwindigkeit auf den Boden 47 der Federträgereinrichtung 42 (siehe 2). Die konvexe Kontur 49 wirkt dabei wie ein Strömungsteiler oder eine Leitkontur für den Kraftstoff, was den Strömungswiderstand der Federträgereinrichtung 42 spürbar verringert.
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An einem der Ventilsitzeinrichtung 29 fernen, d.h. an einem der Eingangsöffnung 22 nahen Endabschnitt der Federträgereinrichtung 42 ist an deren Außenumfang eine umlaufende Ringnut 50 ausgebildet. An diesem Endabschnitt befindet sich auch der Boden 47 der Ausnehmung 45 mit der konvexen Kontur 49.
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Bei der in 2 dargestellten, vorteilhaften Ausgestaltung der Ventilvorrichtung 19 ragt die Federträgereinrichtung 42 mit dem Endabschnitt auf Seiten der Eingangsöffnung 22 aus dem Strömungskanal 21 soweit heraus, dass sich zumindest der Boden 47 und die Ringnut 50 außerhalb des Strömungskanals 21 befinden. Vorteilhafterweise befindet sich die Ringnut 50 direkt am Eintritt in den Strömungskanal 21. Die Ringnut 50 dient zur Aufnahme von Schweißperlen oder sonstigen unerwünschten Nebenprodukten, welche beim Schweißvorgang zur Befestigung der Ventilsitzeinrichtung 19 am Pumpengehäuse 8 entstehen können. Auf diese Weise können Undichtigkeiten und ein Eindringen von Partikel in den Strömungskanal 21 vermieden werden.
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In den 6A bis 6C ist der Führungskörper 44 der Ventilkörpervorrichtung 28 im Detail dargestellt. Der Führungskörper 44 ist vorteilhafterweise aus einem metallischen Vollzylinder gefertigt. Der Führungskörper 44 hat eine stempelartige Form, mit einem gestreckten, zylinderförmigen Führungsabschnitt 52 und einem kurzen und flachen Halteabschnitt 53. Der Durchmesser des Führungskörpers 44 am Halteabschnitt 53 ist größer als am Führungsabschnitt 52.
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Mit Verweis auf 2 ist taucht der Führungskörper 44 mit seinem Führungsabschnitt 53 in die erste Feder 43 ein und wird dort von der ersten Feder 43 umfasst. Der Halteabschnitt 53 des Führungskörpers 44 wirkt aufgrund seines größeren Durchmessers als axialer Anschlag und bildet die Kraftansatzfläche für die erste 43 Feder. Die erste Feder 43 stützt sich somit an einem Ende am Boden 47 der Federträgereinrichtung 42 und am anderen Ende am Halteabschnitt 53 des Führungskörpers 44 ab. Die erste Feder 43 ist gestaucht und übt daher über den Führungskörper 44 eine Kraft auf den ersten Ventilkörper 40 aus, welche den ersten Ventilkörper 40 gegen den ersten Ventilsitz 32 drückt, wodurch der erste Durchflusskanal 31 geschlossen wird.
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In 2 in Verbindung mit 6B ist erkennbar, dass der Führungskörper 44 auf einer der Ventilsitzvorrichtung 28 zugewandten Seite des Halteabschnitts 53 eine zentral angeordnete Aufnahmeausnehmung 54 zur Aufnahme des kugelförmigen ersten Ventilkörpers 40 aufweist. Dadurch wird der erste Ventilkörper 40 gehalten und in seiner radialen Position stabilisiert. Der Führungskörper 44 weist an der der Ventilsitzvorrichtung 29 zugewandten Seite des Halteabschnitts 53 ferner eine ringförmige Nut 55 auf, welche die Aufnahmeausnehmung 54 radial umgibt. Dabei ist der Durchmesser Dn der Nut größer als der Durchmesser Da der Aufnahmeausnehmung und größer als der Durchmesser des kugelförmigen ersten Ventilkörpers 40 (nicht dargestellt).
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Steigt der Druck im Kraftstoffdruckspeicher 6 über einen bestimmten, kritischen Grenzwert, so ist die auf den kugelförmigen ersten Ventilkörper 40 wirkende Druckkraft größer als die durch die erste Feder 43 auf den ersten Ventilkörper 40 wirkende Federkraft FF. Dadurch hebt der erste Ventilkörper 40 vom ersten Ventilsitz 32 ab. Kraftstoff strömt vom Kraftstoffdruckspeicher 6 durch den zentralen ersten Durchflusskanal 31 der Ventilsitzeinrichtung 28. Aufgrund des zentral angeordneten ersten Ventilkörpers 40 ergibt sich ein hohlkegelartiges Strömungsbild am Austritt des ersten Durchflusskanals 31 in Richtung des Führungskörpers 44. Der Durchmesser D der am Führungskörper ausgebildeten Ringnut 55 ist derart bemessen, dass der aus der Kanalöffnung 33 des ersten Durchflusskanals 31 austretende Kraftstoff an der Position der Nut 55 auf den Führungskörper 44 trifft. Die Kraftstoffströmung tritt in die Nut 55 ein, prallt am Nutgrund 551 ab, erfährt dort eine Impulsänderung und strömt seitwärts aus der Nut 55 wieder heraus. Die Impulsänderung, die der Kraftstoff aufgrund des Eintritts in die Nut 55 erfährt, ist wesentlich größer als wenn der Kraftstoff lediglich auf eine ebene Fläche treffen würde. Dadurch wird die Strömungskraft, welche entgegen der Federkraft FF der ersten Feder 43 gerichtet ist, deutlich verstärkt, was den Führungskörper 44 und den ersten Ventilkörper 40 in ihrer geöffneten Position stabilisiert. Auf diese Weise kann die Öffnungscharakteristik deutlich verbessert werden. Insbesondere können Schwingungen der ersten Feder 43 und wiederholte Schließ- und Öffnungsvorgänge am ersten Ventilsitz 32 deutlich reduziert werden, was sich positiv auf den Verschleißverhalten auswirkt.
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Für die ringförmige Nut 55 hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die maximale Tiefe Tn zwischen 0,1 bis 3 Millimeter (Abstand von der Oberfläche bis zum Nutgrund 551) und die maximale Breite Bn (radiale Breite) zwischen 0,1 bis 5 Millimeter beträgt. Der Übergangswinkel Rn zwischen dem Nutgrund 551 und der seitlichen Begrenzungswand der Nut 55 (Flanke) beträgt zwischen 60 bis 150 Grad. Die ringförmige Nut 55 weist vorteilhafterweise einen inneren Durchmesser Dn zwischen 0,5 und 5 Millimeter auf.
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Mit Verweis auf 2 weist die weitere Ventilkörpervorrichtung 30 einen weiteren Ventilkörper 56, eine weitere Feder 57 sowie eine weitere Federträgereinrichtung 58 auf. Die weitere Federträgereinrichtung 58 ist im Abschnitt 26 des Strömungskanals 21 des Gehäuses 20 vorteilhafterweise mittels einer Pressverbindung, alternativ oder zusätzlich durch eine Formschluss- oder Stoffschlussverbindung, fixiert. Die weitere Feder 57 ist als Schraubenfeder ausgebildet und stützt sich an einem Ende an dem weiteren Ventilkörper 56 und an dem einem gegenüberliegenden Ende an der weiteren Federträgereinrichtung 58 ab. Die weitere Feder 57 ist gestaucht und drückt den beweglich gelagerten, weiteren Ventilkörper 56 gegen den weiteren Ventilsitz 35 der Ventilsitzeinrichtung 29. Der weitere Ventilkörper 56 weist auf einer der Ventilsitzeinrichtung 29 bzw. dem weiteren Ventilsitz 35 zugewandten Seite eine plane Dichtfläche auf, welche mit dem weiteren Ventilsitz zusammenwirkt. Zum Schließen der in der Ventilsitzeinrichtung 29 ausgebildeten weiteren Durchflusskanäle 34 kommt der weitere Ventilkörper 56 an seiner planen Dichtfläche in abdichtende Anlage mit den beiden konzentrischen, ringförmigen Stegen 36, 37 des weiteren Ventilsitzes 35 (siehe 2 und 4D). Der weitere Ventilkörper 56 und die weitere Federträgereinrichtung 58 weisen jeweils zentrale Bohrungen 59, 60 auf, welche mit dem zentral angeordneten ersten Durchflusskanal 31 der Ventilsitzeinrichtung 29 fluidisch kommunizieren bzw. fluidisch gekoppelt sind. Über diese Bohrungen 59, 60 und den ersten Durchflusskanal 31 besteht eine permanente, fluidische Verbindung zwischen dem Kraftstoffdruckspeicher 6 und dem ersten Ventilsitz 32 der Ventilsitzeinrichtung 29.
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Der Ventilvorrichtung 19 kommt eine Doppelfunktion zu:
- Die erste Ventilkörpervorrichtung 28 ist dem ersten Ventilsitz 32 der Ventilsitzeinrichtung 29 zugeordnet. Die erste Ventilkörpervorrichtung 28 und die Ventilsitzeinrichtung sind zusammen als Sicherheitsventil ausgebildet, welches in den Arbeitsraum 13 absteuert. Aufgrund des in der Ventilsitzeinrichtung 29 ausgebildeten ersten Durchflusskanals 31 und den zentralen Bohrungen 59, 60 im weiteren Ventilkörper 56 und der weiteren Federträgereinrichtung 58 besteht eine offene, fluidische Verbindung zwischen dem ersten Ventilsitz 32 und dem Kraftstoffdruckspeicher 6. Dadurch liegt am ersten Ventilsitz 32 und am ersten Ventilkörper 40 im Wesentlichen derselbe Kraftstoffdruck an, wie er im Kraftstoffdruckspeicher herrscht. Bei einem Normalbetrieb, d.h. wenn der Druck im Kraftstoffdruckspeicher 6 einen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet, ist die auf den ersten Ventilkörper 40 wirkende Federkraft FF größer als die entgegenwirkende Druckkraft des Kraftstoffs. Im Normalbetrieb des Kraftstoffversorgungssystems 1 ist das Sicherheitsventil daher geschlossen. Der erste Ventilkörper 40 liegt dichtend am ersten Ventilsitz 32 an, verschließt die Kanalöffnung 33 des ersten Durchflusskanals 31 und verhindert somit einen Rückfluss von Kraftstoff vom Kraftstoffdruckspeicher 6 entgegen der Förderrichtung F durch den ersten Durchflusskanal 31 in Richtung der Kraftstoffhochdruckpumpe 5. In einem Notfallbetrieb des Kraftstoffversorgungssystems, bei dem der Druck im Kraftstoffdruckspeicher 6 den zulässigen Grenzwert übersteigt, übersteigt die Druckkraft am ersten Ventilkörper 40 die entgegengesetzt wirkende Federkraft FF der ersten Feder 43, wodurch der erste Ventilkörper 40 vom ersten Ventilsitz 32 abgehoben wird und die Kanalöffnung 33 des ersten Durchflusskanals 31 freigibt.
- Dadurch ist ein Rückfluss von Kraftstoff vom Kraftstoffdruckspeicher 6 entgegen der Förderrichtung F über den ersten Durchflusskanal 31 und die Bypasskanäle 48 der ersten Federträgereinrichtung 42 in Richtung des Arbeitsraums 13 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 möglich. Auf diese Weise kann ein Überdruck im Kraftstoffdruckspeicher 6 und eine Beschädigung verhindert werden.
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Die weitere Ventilkörpervorrichtung 30 ist dem weiteren Ventilsitz 35 der Ventilsitzeinrichtung 29 zugeordnet. Die weitere Ventilkörpervorrichtung 30 und die Ventilsitzeinrichtung 29 mit ihrem weiteren Ventilsitz 35 sind als Auslassventil ausgebildet. Dieses hat primär die Aufgabe, bei Normalbetrieb des Kraftstoffversorgungssystems 1 den Rückfluss von Kraftstoff entgegen der Förderrichtung zu verhindern und nur einen Kraftstofffluss vom der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 zum Kraftstoffdruckspeicher 6 zu erlauben. Im Normalbetrieb des Kraftstoffversorgungssystems 1 ist das Sicherheitsventil geschlossen. Der erste Ventilkörper 40 liegt in abdichtender Weise am ersten Ventilsitz an und verschließt die Kanalöffnung 33 des ersten Durchflusskanals 31. Im Normalbetrieb ist der Kraftstofffluss durch die Ventilvorrichtung 19 daher abhängig vom Zustand des Auslassventils. Der weitere Ventilkörper 56 wird durch die Federkraft der weiteren Feder 57 sowie durch die Druckkraft des Kraftstoffs auf Seiten des Kraftstoffdruckspeichers 6 in Richtung des weiteren Ventilsitzes 35 gedrückt. Andererseits ist der weitere Ventilkörper 56 über die Bypasskanäle 48 der ersten Federträgereinrichtung 42 und die weiteren Durchflusskanäle 34 der Ventilsitzeinrichtung 29 fluidisch mit dem Arbeitsraum 13 der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 verbunden. Von Seiten der Kraftstoffhochdruckpumpe 5 wirkt daher ein hydraulischer Druck, welcher den weiteren Ventilkörper 56 vom weiteren Ventilsitz 35 wegdrückt, d.h. das Auslassventil in die geöffnete Position drückt. Das Auslassventil ist so konzipiert, dass es bei Normalbetrieb des Kraftstoffversorgungsystems 1 geöffnet ist und einen Kraftstofffluss in Förderrichtung F erlaubt. Nur für den Fall, dass die Druckverhältnisse auf Seiten des Kraftstoffdruckspeichers 6 derart überwiegen, dass es zu einem ungewollten Rückfluss entgegen der Förderrichtung F kommen würde, schließt das Auslassventil. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kraftstoffhochdruckpumpe 5 abgeschaltet wird oder sich im Ansaugen befindet, und gleichzeitig aber der Druck im Kraftstoffdruckspeicher 6 immer noch so hoch ist, dass ein ungewollter Rückfluss stattfinden würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0078922 A1 [0002]
