DE102020208228A1

DE102020208228A1 - Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102020208228A1
Application number: DE102020208228.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Buehler; Wolfgang Bueser; Rainer Kornhaas; Lars Gonnermann; Markus Goeke; Lorenz Drutu; Thomas Fritzsche
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-01-21
Also published as: CN114174670A; JP2022542545A; EP3999737A1; WO2021013507A1; KR20220034122A; US20220252030A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Gehäuse (50) und einem in dem Gehäuse (50) angeordneten Verdichtungsraum (26), mit einem verschiebbar in dem Gehäuse (50) angeordneten Kolben (30), der den Verdichtungsraum (26)begrenzt, mit einem Einlassventil (24), das von einem Niederdruckbereich (18) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) hin zu dem Verdichtungsraum (26) öffnet, mit einem Auslassventil (40), das von dem Verdichtungsraum (26) hin zu einem Hochdruckbereich (44) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) öffnet und mit einem Druckbegrenzungsventil (42), das von dem Hochdruckbereich (44) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) hin zu dem Verdichtungsraum (26) oder zum Niederdruckbereich (18) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) öffnet, wobei das Druckbegrenzungsventil (42) einen Ventilkörper (68) mit einer sich entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) verjüngenden Ventilsitzfläche (72) aufweist, ein kugelförmiges Ventilelement (58) aufweist und eine Ventilfeder (60) aufweist, die das kugelförmige Ventilelement (58) entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) gegen die Ventilsitzfläche (72) drückt, wobei bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil (42) das Ventilelement (58) und die Ventilsitzfläche (72) an einer Berührlinie (90) aneinander anliegen und neben der Berührlinie ein Spalt (63) zwischen Ventilelement (58) und Ventilkörper (68) ausgebildet ist. Dieser Spalt (63) ist in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie (90) enger ist als stromabwärts der Berührlinie (90).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 2004 013 307 B4 der Anmelderin, sind bereits Kraftstoff-Hochdruckpumpen für Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, beispielsweise für eine Benzindirekteinspritzung, 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.
Diese Hochdruckpumpe weist ein Druckbegrenzungsventil auf, das verhindert, dass ein Druck in dem Hochdruckspeicher zu stark ansteigt. Erreicht der Druck im Hochdruckspeicher einen bestimmten Wert, so öffnet das Druckbegrenzungsventil und Kraftstoff gelangt aus dem Hochdruckspeicher zurück in den Verdichtungsraum oder zurück in den Niederdruckraum.
Das Druckbegrenzungsventil öffnet dabei dann, wenn die hydraulisch wirkende Kraft auf der einen Seite des Ventilelements größer ist als die entgegenwirkende Kraft der das Ventilelement in den Ventilsitz drückenden Feder. Die hydraulisch wirkende Kraft ergibt sich aus dem vorherrschenden hydraulischen Druck und der Fläche, auf die der Druck wirkt. Diese Fläche ergibt sich aus dem Dichtdurchmesser. Bei einem Ventil mit beispielsweise exakt kegelförmiger oder exakt kalottenförmiger Ventilsitzfläche und exakt kugelförmigem Ventilelement ergibt sich der Dichtdurchmesser als der Durchmesser des idealerweise linienförmigen Auflagerings, an dem die Kugel die Ventilsitzfläche berührt.
Kommt es während des Betriebs der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zu Verschleiß an dem Druckbegrenzungsventil, verbreitert sich der Auflagering.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass sich der wirksame Dichtdurchmesser grundsätzlich gemäß dem über den Auflagering hinweg tatsächlich erfolgenden Druckabfall bestimmt.
Hierbei ist auf den Fall abzustellen, in dem das Druckbegrenzungsventil mit einem Öffnungsdruck beaufschlagt ist, der zwar nicht ausreicht, um das Druckbegrenzungsventil makroskopisch weit zu öffnen, bei dem aber bereits eine gewisse, geringe aber doch messbare Leckage auftritt, beispielsweise bei einem Druckbegrenzungsventil mit einem Kugelradius von 1mm eine Leckage von 1ccm pro Minute. Beispielsweise handelt es sich in dieser Betrachtung um Öffnungen des Druckbegrenzungsventils bei denen das Ventilelement um größenordnungsmäßig 0,5µm oder 1µm bzw. um etwa ein Tausendstel des Kugelradius des Ventilelements von der Ventilsitzfläche abhebt, sodass sich zwischen dem Ventilelement und dem Ventilkörper ein Spalt bzw. Leckagespalt ausbildet. Diese betrachtete Situation wird als repräsentativ für die tatsächlichen für das Öffnen eines Druckbegrenzungsventils einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe ursächlichen Umstände angesehen. Insbesondere ist ein Öffnungsdruck eines Druckbegrenzungsventils auf diese Weise definierbar.
Die vorliegende Erfindung basiert ferner auf der Beobachtung der Erfinder, dass es bei herkömmlichen Druckbegrenzungsventilen, bei denen ein Spalt zwischen Ventilelement und Ventilkörper in symmetrischer Weise ausgebildet ist, im Zuge des Verschleißes an der Ventilsitzfläche stets zu einer Zunahme des wirksamen Dichtdurchmessers kommt und dass es infolgedessen bei einem gegebenen Druck im Hochdruckbereich zu einer Zunahme der auf das Ventilelement wirkenden Öffnungskraft kommt. Bei wiederum gegebener Beaufschlagung des Ventilelements durch die Ventilfeder in Schließrichtung sinkt also der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils und die Kraftstoff-Hochdruckpumpe vermag nicht mehr den ursprünglichen Kraftstoffdruck zu generieren bzw. zu halten.
Es wurde weiterhin erkannt, dass diese unerwünschten Effekte vermeidbar sind, wenn das herkömmliche Druckbegrenzungsventil derart weitergebildet wird, dass es im Zuge des Verschleißes nicht zu einer Zunahme des wirksamen Dichtdurchmessers kommt.
Gemäß der Erfindung kann dies dadurch erreicht werden, dass der bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil neben der Berührlinie zwischen Ventilelement und Ventilkörper ausgebildete Spalt in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie enger ist als stromabwärts der Berührlinie.
Dabei wird unter einer Berührlinie zunächst eine Linie im mathematisch-idealisierten Sinn verstanden, also eine Linie, hier eine ringförmige Linie, mit der Breite „Null“. Es versteht sich allerdings, dass im Sinne der Anmeldung unter einer Berührlinie auch Anlageflächen, hier ringförmige Anlageflächen, mit einer geringen aber von Null verschiedenen Breite zu verstehen sind, die insbesondere aus der Kraft, mit der das Ventilelement gegen den Ventilkörper drückt, und den Elastizitäten des Ventilelements und des Ventilkörpers resultieren und/oder insbesondere aus Deformationen des Ventilelements und/oder des Ventilkörpers im Rahmen von Verschleißphänomenen resultieren. Bevorzugt wird als Berührlinie allerdings die linienförmige oder flächenhafte Anlagegeometrie zwischen Ventilelement und Ventilkörper verstanden, die vor Verschleißphänomenen existiert, insbesondere vor einem erstmaligen Betrieb oder vor einem erstmaligen Dauerbetrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
Dabei wird mit unter „stromaufwärts der Berührlinie“ und „stromabwärts der Berührlinie“ insbesondere lediglich auf den für Verschleißphänomene tatsächlich relevanten Bereich der Ventilsitzfläche abgestellt, also beispielsweise 500µm in bzw. entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils, bzw. beispielsweise einen halben Radius der Ventilkugel in bzw. entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind demgemäß also insbesondere bereits innerhalb dieses Bereichs realisiert und insbesondere innerhalb dieses Bereichs zur Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkungen vorteilhaft. Insbesondere ist die Geometrie des Spaltes zwischen Ventilelement und Ventilkörper außerhalb dieses Bereichs für Verschleißphänomene nicht relevant. Asymmetrien der Geometrie des Spaltes lediglich außerhalb dieses für Verschleißphänomene tatsächlich relevanten Bereichs der Ventilsitzfläche würden insofern die eingangs erläuterten Nachteile des Standes der Technik nicht überwinden.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird darunter, dass der Spalt in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie enger ist als stromabwärts der Berührlinie insbesondere verstanden, dass ein Abstand zwischen dem Ventilelement und dem Ventilkörper in einer gewissen Distanz stromaufwärts (also entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils) der Berührlinie kleiner ist als ein Abstand zwischen dem Ventilelement und dem Ventilkörper in dieser gewissen Distanz stromabwärts (also in Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils) der Berührlinie. Wie bereits erwähnt, kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass sich die gewisse Distanz innerhalb des für Verschleißphänomene relevanten Bereichs befindet, beispielsweise innerhalb von 500µm in bzw. entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils, bzw. beispielsweise innerhalb eines halben Radius der Ventilkugel in bzw. entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird darunter, dass der Spalt in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie enger ist als stromabwärts der Berührlinie insbesondere sogar verstanden, dass ein Abstand zwischen dem Ventilelement und dem Ventilkörper innerhalb des für Verschleißphänomene relevanten Bereichs für alle Distanzen oberhalb einer Mindestdistanz stromaufwärts (also entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils) der Berührlinie jeweils kleiner ist als ein Abstand zwischen dem Ventilelement und dem Ventilkörper in dieser Distanz stromabwärts (also in Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils) der Berührlinie. Die Mindestdistanz kann beispielsweise 300µm betragen bzw. beispielsweise 30% des Radius der Ventilkugel betragen.
Unter dem Begriff „enger“ wird grundsätzlich auf die hiermit auch umgangssprachlich adressierte Relation zwischen zwei längenartigen Maßen abgestellt. Vorliegend ist insbesondere davon auszugehen, dass der Spalt an seiner engeren Position aufgrund der Grundform des Ventilelements und des Ventilkörpers enger ist und nicht nur aufgrund einer Oberflächen-Rauigkeit des Ventilelements und des Ventilkörpers. Es kann beispielsweise unterstellt werden, dass ein Spalt an seiner „engeren“ Position mindestens 5µm oder mindestens 0,5% des Radius der Ventilkugel enger ist als der Spalt an der Vergleichsposition.
Dadurch, dass der Spalt erfindungsgemäß stromabwärts der Berührlinie (wo der Dichtdurchmesser also größer ist als an der Berührlinie) weniger eng ist, erfolgt hier auch ein geringerer Druckabfall im Leckagefall. Wenn sich nun die Berührlinie zwischen Ventilkugel und Dichtsitzfläche im Zuge von Verschleiß derart verbreitert, dass der weniger enge Spaltbereich hydraulisch vermehrt relevant wird, hat dies auch nur in verminderter Weise einen den wirksamen Dichtdurchmesser vergrößernden Effekt.
Da - andererseits - der Spalt erfindungsgemäß stromaufwärts der Berührlinie (wo der Dichtdurchmesser also kleiner ist als an der Berührlinie) enger ist, erfolgt hier auch ein höherer Druckabfall im Leckagefall. Wenn sich nun die Berührlinie zwischen Ventilkugel und Dichtsitzfläche im Zuge von Verschleiß derart verbreitert, dass der engere Spaltbereich hydraulisch vermehrt relevant wird, hat dies auch einen den wirksamen Dichtdurchmesser verkleinernden Effekt.
Einer Vergrößerung des wirksamen Dichtdurchmessers ist also durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung entgegengewirkt und eine Verminderung des Öffnungsdrucks der Kraftstoffhochdruckpumpe tritt auch im Verschleißfall nicht oder nur vermindert ein. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe vermag über ihre gesamte Lebensdauer hinweg einen unvermindert hohen Druck zu erzeugen und zu halten.
Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Hochdruckpumpe liefert somit einen Beitrag für Kraftstoff-Versorgungssysteme für Brennkraftmaschinen, die über ihre gesamte Lebensdauer hinweg nicht oder nur sehr geringfügig beeinträchtigte Leistungs- und Emissionskennwerte aufweisen.
Ein separater Gegenstand der Erfindung ist neben einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe die das erläuterte Druckbegrenzungsventil aufweist, auch das Druckbegrenzungsventil als solches und für die Verwendung in der beschriebenen Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
Weiterbildungen der Erfindung konkretisieren die Geometrie des Ventilkörpers und der Ventilsitzfläche und des zwischen dem kugelförmigen Ventilelement und dem Ventilkörper ausgebildeten Spaltes durch vorteilhafte Merkmale.
So kann vorgesehen sein, dass die Ventilsitzfläche an einer Kante des Ventilkörpers auf eine stromabwärts der Berührlinie angeordnete weitere Fläche des Ventilkörpers stößt, wobei die weitere Fläche stärker von der Öffnungsrichtung (also der Symmetrieachse) des Druckbegrenzungsventils weg geneigt ist als die Ventilsitzfläche und wobei die Berührlinie insbesondere im Bereich knapp stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers auf der Ventilsitzfläche liegt, wobei die Berührlinie aber insbesondere nicht unmittelbar stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers auf der Ventilsitzfläche liegt.
In dieser Weiterbildung stellt also die weitere Fläche des Ventilkörpers, die von der Ventilsitzfläche durch die Kante getrennt ist, gleichsam eine nach radial außen aufgeweitete bzw. nach außen abgewinkelte Fortsetzung der Ventilsitzsitzfläche des Ventilkörpers dar. Während der Spalt zwischen Ventilelement und Ventilkörper im gesamten stromabwärtigen Bereich zwischen Berührlinie und Kante in symmetrischer Weise gleich eng sein kann wie in dem korrespondierenden Bereich stromaufwärts der Berührlinie, ist der Spalt zwischen Ventilelement und Ventilkörper insbesondere im von der Berührlinie aus gesehen jenseits der Kante liegenden Bereich weniger eng, also weiter als der Spalt an der korrespondierenden Position stromaufwärts der Berührlinie.
Dass die weitere Fläche stärker von der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils weg, also stärker nach radial außen geneigt ist als die Ventilsitzfläche, kann darin zum Ausdruck kommen, dass die weitere Fläche und die Ventilsitzfläche an der Kante in einem Winkel aufeinandertreffen, der (als Innenwinkel des Ventilkörpers in einer Ebene durch die Symmetrieachse gemessen) kleiner als 180° ist, beispielsweise nicht größer als 175° oder sogar nicht größer als 150°.
Damit die Kante für das Öffnungsverhalten des Druckbegrenzungsventils besonders vorteilhaft wirksam wird, kann vorgesehen sein, dass die Berührlinie im Bereich knapp stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers auf der Ventilsitzfläche liegt. Im Verschleißfall, in dem sich die Berührlinie zwischen Ventilelement und Ventilkörper wie oben erläutert zu einem Verschleißbereich verbreitert, erreicht dann dieser Verschleißbereich nach einer gewissen Betriebsdauer der Kraftstoff-Hochdruckpumpe die Kante. Setzt sich der Verschleiß weiter fort, verbreitert sich zwar der Verschleißbereich noch in der stromaufwärtigen Richtung, in der stromabwärtigen Richtung ist die Ausbreitung des Verschleißbereichs aber durch die Kante und die Orientierung der weiteren Fläche gehindert. Der wirksame Dichtdurchmesser vergrößert sich dann folglich nicht mehr oder nur noch vermindert und der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils bleibt weitgehend konstant oder im gewünschten Bereich.
Der Bereich knapp stromaufwärts der Kante kann sich beispielsweise lediglich bis 500µm oder beispielsweise lediglich bis zu einem halben Radius der Ventilkugel in Richtung stromaufwärts der Kante erstrecken.
Es kann vorgesehen sein, dass die Berührlinie außerhalb des Bereichs unmittelbar stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers auf der Ventilsitzfläche liegt. Eine Berührlinie, die unmittelbar stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers liegt, also beispielsweise sogar auf der Kante des Ventilkörpers liegt, hat nämlich den Nachteil, dass immer dann, wenn die Ventilkugel nach einer weiten Öffnung des Druckbegrenzungsventils mit einer gewissen Desachsierung, also mit einem gewissen Versatz zur Symmetrieachse des Druckbegrenzungsventils, in den Ventilsitz zurückkehrt, die Ventilkugel die Kante beispielsweise in lediglich einem Auftreffpunkt trifft und somit die Gefahr besteht, dass es in diesem Auftreffpunkt zu einer Beschädigung des Ventilsitzes und damit zur Undichtigkeit des Druckbegrenzungsventils kommt.
Der Bereich unmittelbar stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers kann beispielsweise lediglich bis 25µm oder lediglich bis 50µm bzw. beispielsweise lediglich bis 2,5% oder lediglich bis 5% des Radius der Ventilkugel stromaufwärts der Kante des Ventilkörpers erstreckt sein.
Insbesondere kann die weitere Fläche des Ventilkörpers senkrecht zur Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils orientiert sein. Diese Geometrie ist besonders wirksam und überdies besonders einfach zu fertigen.
Andererseits kann vorgesehen sein, dass stromabwärts der Berührlinie zwischen Ventilelement und Ventilsitzfläche des Ventilkörpers die Ventilsitzfläche zu einer Ausnehmung des Ventilkörpers geformt ist.
Unter einer Ventilsitzfläche, die bereichsweise zu einer Ausnehmung geformt ist, wird eine Ventilsitzfläche verstanden, die dadurch entstanden sein kann, dass an der Innenkontur des Ventilkörpers ausgehend von der Grundform der Innenkontur des Ventilkörpers (z.B. konisch, kalottenförmig etc.) ein Materialabtrag erfolgt ist.
Beispielsweise kann dies dadurch realisiert sein, dass die Ausnehmung eine rechtwinklige Ausnehmung ist, also aus einer ringförmigen ebenen Fläche, die senkrecht zur Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils ist, und einer daran angrenzenden zylindrischen Fläche, die parallel zur Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils ist, besteht.
Die ringförmige Fläche kann beispielsweise eine Breite von mindestens 100µm oder 10% des Radius der Ventilkugel aufweisen; die zylindrische Fläche kann beispielsweise eine Höhe von mindestens 100µm oder 10% des Radius der Ventilkugel aufweisen.
Damit die Ausnehmung für das Öffnungsverhalten des Druckbegrenzungsventils besonders vorteilhaft wirksam wird, kann vorgesehen sein, dass die Berührlinie im Bereich knapp stromaufwärts der Ausnehmung des Ventilkörpers auf der Ventilsitzfläche liegt. Im Verschleißfall, in dem sich die Berührlinie zwischen Ventilelement und Ventilkörper wie oben erläutert zu einem Verschleißbereich verbreitert, erreicht dann dieser Verschleißbereich nach einer gewissen Betriebsdauer der Kraftstoff-Hochdruckpumpe die Ausnehmung. Setzt sich der Verschleiß weiter fort, verbreitert sich zwar der Verschleißbereich noch in der stromaufwärtigen Richtung, in der stromabwärtigen Richtung ist die Ausbreitung des Verschleißbereichs aber durch die Ausnehmung weitgehend unterbunden. Der wirksame Dichtdurchmesser vergrößert sich dann folglich nicht mehr oder nur noch vermindert und der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils bleibt weitgehend konstant oder im gewünschten Bereich.
Der Bereich knapp stromaufwärts der Ausnehmung kann sich beispielsweise lediglich bis 500µm oder beispielsweise lediglich bis zu einem halben Radius der Ventilkugel in Richtung stromaufwärts der Kante erstrecken.
Stromabwärts der Ausnehmung kann sich insbesondere die Grundform der Innenkontur des Ventilkörpers wie stromaufwärts der Ausnehmung fortsetzen, also beispielsweise konisch, kalottenförmig etc.. Stromaufwärts der Ausnehmung liegt dann also die Innenkontur des Ventilkörpers auf der gleichen Kegelmantelfläche bzw. auf der gleichen Kalotte wie stromabwärts der Ausnehmung.
Die Ventilsitzfläche kann beispielsweise eine konische oder kalottenförmige Form aufweisen oder eine konische oder kalottenförmige Grundform aufweisen, wobei in der Ventilsitzfläche zusätzlich eine Ausnehmung geformt ist.
Auch andere achssymmetrische Gestaltungen der Ventilsitzfläche bzw. der Innenkontur des Ventilkörpers, die sich zumindest in einem Bereich um die Berührlinie entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils verjüngen, sind grundsätzlich möglich.
Es kann vorgesehen sein, dass die Ventilsitzfläche eine kalottenförmige Form aufweist, sodass der Spalt zwischen der kalottenförmigen Ventilsitzfläche und dem kugelförmigen Ventilelement stromaufwärts der Berührlinie größer als Null und so klein wie möglich ist.
Wenngleich ein besonders geringes Maß in dieser Weiterbildung grundsätzlich gewünscht ist, ist doch ein Nullmaß ausgeschlossen, um einen definierten Kontakt zwischen Ventilsitzfläche und Ventilkugel bzw. eine definierte Berührlinie zwischen ihnen sicherzustellen.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Spalt zwischen der kalottenförmigen Ventilsitzfläche und dem kugelförmigen Ventilelement stromaufwärts der Berührlinie größer als Null ist und an seiner weitesten Stelle enger ist als 50µm, insbesondere sogar enger als 10 µm und/oder enger als 3 µm.
Ein derart enger Spalt hat den Vorteil, dass sich die Berührlinie ausgehend vom Neuzustand des Druckbegrenzungsventils bereits nach kurzem Betrieb und bei geringem Verschleiß rasch zu einem Berührbereich verbreitert, der über einen großen Teil der kalottenförmigen Ventilsitzfläche oder sogar über die gesamte kalottenförmige Ventilsitzfläche erstreckt ist. Dabei kommt es zu einer gewissen, aber erfindungsgemäß kontrollierten Änderung des wirksamen Dichtdurchmessers
Im Anschluss daran kommt das kugelförmige Ventilelement in dem großen Berührbereich an der Ventilsitzfläche zur Anlage. Bei einer gegebenen weiteren Zunahme des Verschleißvolumens ändert sich dann der wirksame Dichtdurchmesser nur noch wenig.
Um Verschleißeffekte zu minimieren, kann der Ventilkörper aus gehärtetem Stahl bestehen. Dabei stellt insbesondere die Innenkontur des Ventilkörpers, insbesondere die Ventilsitzfläche eine gehärtete Randschicht dar, beispielsweise durch Carburieren oder Nitrocarburieren oder dergleichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte von den Erfindern beobachtet werden, dass die Vorsehung einer solchen gehärteten Randschicht den Verschleiß nicht nur grundsätzlich vermindert, sondern auch eine bereits initial bestehende Asymmetrie des Spaltes zwischen Ventilelement und Ventilkörpers im Zuge des Betriebs der Kraftsoff-Hochdruckpumpe und des damit einhergehenden Verschleißes zu verstärken vermag, was wiederum synergetisch zur vorteilhaften Wirkung der Erfindung beiträgt.
Insbesondere im Falle einer gehärteten Ventilsitzfläche bzw. gehärteten Randschicht des Ventilkörpers kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Ventilkugel oder zumindest die Oberfläche der Ventilkugel noch härter ist als die Ventilsitzfläche bzw. die gehärtete Randschicht des Ventilkörpers. Die Ventilkugel kann beispielsweise aus Hartmetall (Wolframcarbid) bestehen und/oder aus einer Keramik, beispielsweise Siliziumnitrid. Der Verschleiß tritt dann im Wesentlichen lediglich an dem Ventilkörper, nicht aber an dem Ventilelement auf, was insofern synergetisch innerhalb der vorliegenden Erfindung ist, dass letztere bereits bewirkt, dass genau dieser lediglich an dem Ventilkörper auftretende Verschleiß die Funktion der Kraftstoff-Hochdruckpumpe nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt.
Figurenliste

Die 1a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine.
Die 1b zeigt einen Längsschnitt durch das Druckbegrenzungsventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems aus 1a.
Die 2a und 2b zeigen vergrößert Längsschnitte durch ein nicht erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventil in einem Zustand, in dem noch kein Verschleiß erfolgt ist (2a) und in einem Zustand, in dem bereits Verschleiß erfolgt ist (2b).
Die 3a und 3b zeigen vergrößert Längsschnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß modifizierten Druckbegrenzungsventils in einem Zustand, in dem noch kein Verschleiß erfolgt ist (3a) und in einem Zustand, in dem bereits Verschleiß erfolgt ist (3b).
Die 4 zeigt die Funktionalität erfindungsgemäßer Druckbegrenzungsventile gemäß 3a und 3b im Vergleich zu nicht erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventilen im Verschleißfall.
Die 5a, 5b und 5c zeigen vergrößert Längsschnitte durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß modifizierten Druckbegrenzungsventils in einem Zustand, in dem noch kein Verschleiß erfolgt ist (5a) und in einem Zustand, in dem bereits Verschleiß erfolgt ist (5b und 5c).
Die 6 zeigt ein drittes Ausführbeispiel.
Die 7a, 7b und 7c zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1a zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird ein Kraftstoff wie Benzin über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, über einen Einlass 20 eines von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 22 betätigbaren Mengensteuerventils 24 einem Verdichtungsraum 26 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeführt. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 24 ein zwangsweise öffnendes Einlassventil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 sein.
Vorliegend ist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 30 mittels einer Nockenscheibe 32 in der Zeichnung vertikal bewegt werden kann. Hydraulisch zwischen dem Verdichtungsraum 26 und einem Auslass 36 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 ist ein in der 1a als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Auslassventil 40 sowie ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil gezeichnetes Druckbegrenzungsventil 42 angeordnet. Der Auslass 36 ist an eine Hochdruckleitung 44 und über diese an einen Hochdruckspeicher 46 („Common Rail“) angeschlossen.
Das Auslassventil 40 kann zum Auslass 36 und das Druckbegrenzungsventil 42 zu dem Verdichtungsraum 26 hin öffnen. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 22 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 angesteuert. Abweichend von der Darstellung der 1a kann ein in der 1a linker Anschluss des Druckbegrenzungsventils 42 alternativ statt mit dem Verdichtungsraum 26 auch mit einem Niederdruckbereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 oder einem beliebigen sonstigen Element stromaufwärts der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 verbunden sein.
Im Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Mengensteuerventil 24 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zu dem Hochdruckspeicher 46 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst.
Im Normalfall ist das Druckbegrenzungsventil 42 geschlossen. Wenn in einem vom Normalfall abweichenden Betriebsfall ein Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 44 höher ist als ein Kraftstoffdruck in einem Bereich des Verdichtungsraums 26 (zuzüglich einer Federkraft einer Ventilfeder 60 des Druckbegrenzungsventils 42, siehe auch die 1b), so öffnet das Druckbegrenzungsventil 42. Kraftstoff strömt dann aus der Hochdruckleitung 44 zurück in den Verdichtungsraum 26 und von dort gegebenenfalls zurück in die Niederdruckleitung 18. Hierdurch kann der Kraftstoffdruck in der Hochdruckleitung 44 auf einen zulässigen Wert sinken und das Druckbegrenzungsventil 42 wieder schließen.
1b zeigt einen Längsschnitt durch das Druckbegrenzungsventil 42 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 von 1a. Das Druckbegrenzungsventil 42 ist hydraulisch zwischen dem Auslass 36 und einem vom Auslass 36 stromaufwärtigen Bereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 angeordnet und kann zu dem stromaufwärtigen Bereich hin öffnen. Das Druckbegrenzungsventil 42 bzw. dessen nachfolgend näher beschriebene Elemente sind in diesem Beispiel im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt.
Das Druckbegrenzungsventil 42 umfasst ein im Wesentlichen als zylindrische Hülse ausgeführtes Gehäuse 50. An einer in der 1b linken Stirnseite weist das Gehäuse 50 eine axiale erste Öffnung 52 auf, wobei ein Radius der Öffnung 52 einem Innenradius der zylindrischen Hülse entspricht. Die erste Öffnung 52 ist hydraulisch dem Auslass 36 bzw. dem zu diesem stromabwärtigen Hochdruckbereich zugeordnet. An einer in der 1b rechten Stirnwand 54 ist das Gehäuse 50 geschlossen ausgeführt. In einem rechten unteren Abschnitt weist das Gehäuse 50 eine radiale zweite Öffnung 56 auf. Die zweite Öffnung 56 ist hydraulisch dem besagten stromaufwärtigen Bereich der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 zugeordnet und beispielsweise mit dem Verdichtungsraum 26 verbunden. Vorliegend ist das Gehäuse 50 einstückig ausgeführt.
In einem in der 1b horizontal mittleren Abschnitt weist das Druckbegrenzungsventil 42 ein Ventilelement 58 auf, welches von einer als Schraubenfeder ausgeführten Ventilfeder 60 mittels eines Schließkörpers 62 in Schließrichtung beaufschlagt wird, also in der 1b nach links. Vorliegend ist das Ventilelement 58 eine „frei fliegende“ Ventilkugel.
In der 1b rechts ist ein Anschlagkörper 64 des Druckbegrenzungsventils 42 angeordnet, der mit dem Schließkörper 62 zusammenwirkt. Der Anschlagkörper 64 stützt sich axial an der Stirnwand 54 des Gehäuses 50 ab und wird von der Ventilfeder 60 gegen die Stirnwand 54 des Gehäuses 50 beaufschlagt, also nach rechts. Dazu weist ein Abschnitt des Gehäuses 50 im Bereich der Stirnwand 54 einen verminderten Innendurchmesser auf, wodurch der Anschlagkörper 64 und somit auch die Ventilfeder 60 definiert gehalten werden.
In einem in der 1b linken Abschnitt des Gehäuses 50 ist ein Ventilkörper 68 angeordnet, der an einer radial äußeren Mantelfläche in dem Gehäuse 50 reibschlüssig gehalten und vorzugsweise darin eingepresst ist. Der Ventilkörper 68 weist als seine Innenkontur 70 einen durchgehenden axialen zentrischen Längskanal auf, welcher abschnittsweise einen konstanten Innendurchmesser aufweist. Der Längskanal ist durch die erste Öffnung 52 mit dem Auslass 36 hydraulisch verbunden. An einem in der 1b rechten Endabschnitt des Längskanals ist an dem Ventilkörper 68 eine radial umlaufende Ventilsitzfläche 72 ausgebildet, welche mit dem Ventilelement 58 zusammenwirkt.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 50 des Druckbegrenzungsventils 42 ein integraler Bestandteil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 und somit kein eigenständiges Element. Bei dem Gehäuse 50 des Druckbegrenzungsventils 42 kann es sich insofern auch um ein Gehäuse 50 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 handeln. Dazu weist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28 beispielsweise eine zylindrische Bohrung auf, in welcher die funktionalen Elemente des Druckbegrenzungsventils 42 aufgenommen sind.
Im vorliegenden Beispiel ist das Ventilelement 58 als Kugel ausgeführt. Im vorliegenden Beispiel besteht das Ventilelement 58 aus Wolframkarbid. Gleichwohl könnte es in alternativen Ausführungsformen auch aus einem anderen verschleißfesten Material, z.B. einem Cermet oder Hartmetall bestehen oder Wolframkarbid oder ein anderes Hartmetall lediglich aufweisen. Beispiele für bevorzugte andere Hartmetalle sind Titankarbid, Tantalkarbid, Chromkarbid und/oder andere Karbide. Das Ventilelement 58 kann alternativ auch solch ein Hartmetall aufweisen und überdies ein Bindematerial aufweisen, beispielsweise Kobalt, Nickel, Eisen, Nickel-Chrom und/oder dergleichen. Der Ventilkörper 68 besteht in diesem Beispiel aus Stahl oder er besteht aus Stahl und weist eine verschleißfeste, beispielsweise gehärtete Oberfläche 68 auf, beispielsweise eine durch Carburieren und/oder durch Nitrocarburieren erzeugte harte Randschicht entlang der Ventilsitzfläche 72.
Wie aus Untersuchungen der Anmelderin hervorgeht, kommt es auch ohne vollständige Öffnungen des Druckbegrenzungsventils 42 und auch ohne nennenswerten Rückfluss von Kraftstoff aus der Hochdruckleitung 44 durch das Druckbegrenzungsventil 42 in den Verdichtungsraum 26, beispielsweise durch Druckpulsationen im Verdichtungsraum 26 und in der Hochdruckleitung 44 unvermeidlich zu minimalen Öffnungen des Druckbegrenzungsventils 42. Damit einher gehen Verschleißphänomene an den Oberflächen des Ventilelements 58 und des Ventilkörpers 68, auf die nachfolgend im Detail eingegangen wird.
Die 2a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Längsschnittes durch ein nicht erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventil 42 in einem Zustand, in dem noch kein Verschleiß erfolgt ist.
Das Druckbegrenzungsventil 42 weist einen Ventilkörper 68 mit einer sich entgegen der Öffnungsrichtung 100 (die Öffnungsrichtung 100 weist von unten nach oben entlang einer Symmetrieachse des Druckbegrenzungsventils 42 in der 2a) des Druckbegrenzungsventils 42 verjüngenden Ventilsitzfläche 72 auf, weist ein kugelförmiges Ventilelement 58 und eine (nicht gezeichnete) Ventilfeder auf, die das kugelförmige Ventilelement 58 entgegen der Öffnungsrichtung 100 des Druckbegrenzungsventils 42 gegen die Ventilsitzfläche 72 drückt. Bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil 42 liegt das Ventilelement 58 an einer Berührlinie 90 (die in dem in der 2a gezeigten Schnitt lediglich als Berührpunkt 90' erscheint) an der Ventilsitzfläche 72 an. Neben der Berührlinie 90 ist ein Spalt 63 zwischen dem Ventilelement 58 und dem Ventilkörper 68 ausgebildet.
Im gezeichneten Fall ist der Spalt 63 - entgegen der vorliegenden Erfindung - in symmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie (Bereich 63a) genauso eng wie stromabwärts der Berührlinie (Bereich 63b). Insbesondere ist der der Spalt - entgegen der vorliegenden Erfindung - in symmetrischer Weise in für Verschleißphänomene relevanten Bereich stromaufwärts der Berührlinie (Bereich 63a') genauso eng wie in einem für Verschleißphänomene relevanten Bereich stromabwärts der Berührlinie (Bereich 63b').
Die 2b zeigt den Ausschnitt aus 2a in einem Zustand, in dem ein erheblicher Verschleiß erfolgt ist. Durch den Verschleiß ist es zu einem Abtrag an der Ventilsitzfläche 72 gekommen, während die Ventilkugel 58 in diesem Beispiel aufgrund ihre großen Härte unverändert geformt ist.
Durch den Verschleiß ist verursacht, dass die Ventilkugel 58 nicht mehr nur an einer Berührlinie 90 an der Ventilsitzfläche anliegt, sondern an einem relativ breiten, ringförmigen Berührbereich 92, der einen Verschleißbereich 93 der Ventilsitzfläche 72 darstellt und in dem sich die Oberfläche der Ventilkugel 58 in die Ventilsitzfläche 72 gleichsam eingeprägt hat.
Der Verschleißbereich 93 kann in zwei Verschleißbereiche 93a, 93b unterteilt aufgefasst werden, nämlich in einen ersten Verschleißbereich 93a, der im Wesentlichen stromabwärts der vormaligen Berührlinie 92 liegt, und einen zweiten Verschleißbereich, der im Wesentlichen stromaufwärts der vormaligen Berührlinie 90 liegt. Während ein Dichtdurchmesser D_d1 (also der doppelte Abstand in radialer Richtung der Ventilsitzfläche 72 von der Symmetrieachse des Druckbegrenzungsventils 42) im ersten Verschleißbereich 93a größer ist als der initiale Dichtdurchmesser D_di (also der doppelte Abstand in radialer Richtung der Berührlinie 90 von der Achse des Druckbegrenzungsventils 42, siehe auch 2a) ist der Dichtdurchmesser D_d2 im zweiten Verschleißbereich 93b kleiner als der initiale Dichtdurchmesser D_di.
Für die Frage, wie sich der Öffnungsdruck p_ö dieses Druckbegrenzungsventils 42 durch den Verschleiß ändert, ist auf den oben bereits erläuterten Leckagefall abzustellen, bei dem an dem Druckbegrenzungsventil 42 ein Druckabfall von dem in der Hochdruckleitung 44 herrschenden Druck zu dem im Verdichtungsraum 26 herrschenden Druck entlang des gesamten zwischen Ventilelement 58 und Ventilkörper 68 ausgebildeten Spaltes 63 erfolgt, wobei der Druckabfall insbesondere und in besonders hohem Maße in dem Verschleißbereich 93 erfolgt.
Untersuchungen der Anmelderin haben zum Ergebnis, dass ein wirksamer Dichtdurchmesser D_dw und damit die auf die Ventilkugel 58 bei gegebener Druckdifferenz wirkende Kraft im Verschleißfall (2b) gegenüber dem initialen Dichtdurchmesser D_di vergrößert ist. Der Öffnungsdruck p_ö dieses nicht erfindungsgemäß modifizierten Druckbegrenzungsventils 42 sinkt also durch den Verschleiß, beispielsweise um bis zu 20% über die Lebensdauer der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 28.
Die 3a zeigt hingegen einen vergrößerten Ausschnitt eines Längsschnittes durch ein erfindungsgemäß modifiziertes Druckbegrenzungsventil 42, und zwar in einem Zustand, in dem noch kein Verschleiß erfolgt ist.
Es unterscheidet sich von dem in der 2a gezeigten Druckbegrenzungsventil 42 dadurch, dass der Spalt 63 in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie (Bereich 63a) enger ist als stromabwärts der Berührlinie (Bereich 63b), insbesondere in einem für Verschleißphänomene relevanten Bereich stromaufwärts der Berührlinie (Bereich 63a') enger ist als in einem für Verschleißphänomene relevanten Bereich stromabwärts der Berührlinie (Bereich 63b').
In diesem Beispiel ist das dadurch realisiert, dass die Ventilsitzfläche 72 an einer Kante 80 des Ventilkörpers 68 auf eine stromabwärts der Berührlinie angeordnete weitere Fläche 87 des Ventilkörpers 68 stößt, wobei die weitere Fläche 87 stärker von der Öffnungsrichtung 100 des Druckbegrenzungsventils 42 weg geneigt ist als die Ventilsitzfläche 72, und dass weiterhin die Berührlinie 90 im Bereich knapp aber nicht unmittelbar stromaufwärts der Kante 80 des Ventilkörpers 68 auf der Ventilsitzfläche 72 liegt. Im Beispiel ist die Berührlinie 90 etwa 50µm stromaufwärts der Kante 80 des Ventilkörpers 68, der initiale Dichtdurchmesser D_di ist somit etwa 65µm kleiner als der durch die Kante 80 definierte Durchmesser D_k. Insbesondere ist in 3a oberhalb und radial außerhalb der Kante 80 der Spalt 63 zwischen dem Ventilelement 58 und Ventilkörper 68 viel weiter als an der korrespondierenden Position stromaufwärts der Berührlinie 90.
Die 3b zeigt das Druckbegrenzungsventil 42 aus 3a in einem Zustand, in dem ein erheblicher Verschleiß an der Ventilsitzfläche 72 und an der weiteren Fläche 87 erfolgt ist. Durch den Verschleiß ist es zu einem Abtrag an der Ventilsitzfläche 72 und an der weiteren Fläche 87 gekommen, während die Ventilkugel 58 in diesem Beispiel aufgrund ihrer großen Härte unverändert geformt ist.
Durch den Verschleiß ist verursacht, dass die Ventilkugel 58 nicht mehr nur an einer Berührlinie 90 an der Ventilsitzfläche 72 anliegt, sondern an einem relativ breiten, ringförmigen Berührbereich 92, der einen Verschleißbereich 93 darstellt und in dem sich die Oberfläche der Ventilkugel 58 in die Ventilsitzfläche72 gleichsam eingeprägt hat.
Unterteilt man diesen Verschleißbereich 93 wie oben in einen ersten Verschleißbereich 93a, der im Wesentlichen stromabwärts der vormaligen Berührlinie 90 liegt, und einen zweiten Verschleißbereich 93b, der im Wesentlichen stromaufwärts der vormaligen Berührlinie 90 liegt, stellt man fest, dass sich der zweite Verschleißbereich 93b der 3b nicht wesentlich von dem zweiten Verschleißbereich 93b der 2b unterscheidet; der erste Verschleißbereich 93a der 3b ist aber wesentlich kleiner als der erste Verschleißbereich 93a der 2b.
Dass der zweite Verschleißbereich 93b in dieser Ausführung relativ zum ersten Verschleißbereich 93a größer ist als bei dem in der 2b gezeigten Vergleichsbeispiel hat zur Folge, dass auch der wirksame Dichtdurchmesser D_dw in dieser Ausführung kleiner ist als im Vergleichsbeispiel, beispielsweise gleich dem initialen Dichtdurchmesser D_di. Bei gegebener Druckdifferenz ist somit die auf das Ventilelement 58 wirkende Öffnungskraft geringer als im Vergleichsbeispiel, beispielsweise so groß wie vor dem Verschleiß, 3a. Der Öffnungsdruck p_ö des gebrauchten Druckbegrenzungsventils 42 ist dann unverändert im Vergleich zu dem neuen Druckbegrenzungsventil 42, das in der 3a dargestellt ist.
Handelt es sich bei dem Druckbegrenzungsventil 42, wie in diesem Beispiel um ein Kugel-Kegelventil so haben sich für den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von dem Kugeldurchmesser bestimmte Sitzwinkel ω (doppelter Winkel zwischen Ventilsitzfläche und Symmetrieachse; siehe 3a) als Mindestwinkel herausgestellt, die vorzugsweise einzuhalten sind, um ein Klemmen der Ventilkugel 58 im Ventilsitz im Neuzustand und im Verschleißfall sicher auszuschließen. Insbesondere: Für einen Kugeldurchmesser von 1,588mm: ω ≥ 80°; für einen Kugeldurchmesser von 2mm: co ≥ 73°; für einen Kugeldurchmesser von 3mm: co ≥ 66°.
Die 4 zeigt beispielhaft mit den ausgefüllten Symbolen für vier verschiedene erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventile 42, den Öffnungsdruck p_ö des Druckbegrenzungsventils 42 bei fortschreitendem Verschleiß. Der Verschleiß ist dabei auf der Rechtsachse der Darstellung als Verschleißvolumen V mit der Einheit 10⁷ µm³ aufgetragen. Es wurden Ventilkugeln 58 mit einem Durchmesser von 2mm und Ventilsitze mit einem Sitzwinkel ω von ca. 74° verwendet. Der initiale Öffnungsdruck p_ö dieser Druckbegrenzungsventile 42 betrug 40 MPa, gemessen anhand einer Leckagemenge von 1,5 cm³/min. Es ist ersichtlich, dass die relative Änderung des Öffnungsdrucks p_ö für alle untersuchten erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventile 42 zu keinem Zeitpunkt mehr als 6% des initialen Öffnungsdrucks p_ö beträgt. Bei dem herkömmlichen Druckbegrenzungsventil 42 (offene Symbole in 4; vergleiche 2a und 2b) trat hingegen in einer vergleichbaren Messung eine Verminderung des Öffnungsdrucks von bis zu 10% des initialen Öffnungsdrucks p_ö auf.
Die 5a, 5b und 5c zeigen vergrößert Längsschnitte durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß modifizierten Druckbegrenzungsventils 42 in einem Zustand, in dem noch kein Verschleiß erfolgt ist (5a) und in einem Zustand, in dem bereits Verschleiß erfolgt ist (5b und 5c).
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass knapp stromabwärts der Berührlinie 90 zwischen Ventilelement 58 und Ventilsitzfläche 72 des Ventilkörpers 68 die Ventilsitzfläche 72 zu einer Ausnehmung 75 des Ventilkörpers 68 geformt ist. Im Beispiel handelt es sich um eine rechtwinklige Ausnehmung 75, also um eine Ausnehmung 75 die aus einer ringförmigen ebenen Fläche 75a, die senkrecht zur Öffnungsrichtung 100 des Druckbegrenzungsventils 42 ist, und einer daran angrenzenden zylindrischen Fläche 75b, die parallel zur Öffnungsrichtung 100 des Druckbegrenzungsventils 42 ist, besteht. Die Breite der ringförmigen Fläche 75a und die Höhe der zylindrischen Fläche 75b betragen im Beispiel jeweils 200µm. Stromabwärts der Ausnehmung 75, in der 5a oberhalb der Ausnehmung 75, setzt sich die Ventilsitzfläche 72 in diesem Beispiel derart fort, das sie auf einem gleichen geraden Kreiskegel liegt wie stromaufwärts der Ausnehmung 75.
In dieser Konfiguration wird die Ventilkugel 75 auch bei weiter Auslenkung sicher derart geführt, dass sie sicher in den Ventilsitz zurückkehrt, ohne dass es zu einer Beschädigung des Ventilsitzes kommen kann. Siehe hierzu 5c: Schließt die Ventilkugel 58 aus großen Öffnungshüben (H), trifft sie in der Regel desachsiert zur Symmetrieachse des Druckbegrenzungsventils 42 auf den Ventilsitz und schlägt dann zunächst stromabwärts der Ausnehmung 75 auf. Anschließend gleitet sie weiter in den Ventilsitz, was in der 5c durch die gestrichelt dargestellten Ventilkugeln 58', 58" und 58"' dargestellt ist. Das Hineingleiten der Ventilkugel 58 in den Ventilsitz ist lediglich mit einem sehr geringen Verschleiß verbunden, der nicht zu Undichtigkeiten des Druckbegrenzungsventils 42 führen kann. Ein senkrechter Stoß aus der in 5c mit H bezeichneten Position auf eine ungeschützte Kante 80 (siehe rechte Seite in 5c) kann hingegen unter Umständen zu plastischen Verformungen der Kante 80 und damit zu einer verminderten Dichtigkeit des Druckbegrenzungsventils 42 führen.
Mit Druckbegrenzungsventilen 42 gemäß einer derartigen Weiterbildung der Erfindung konnten die mit Bezug auf 4 dargestellten Messergebnisse weitgehend und sinngemäß reproduziert werden.
Die 6 zeigt ein drittes Ausführbeispiel. Es unterscheidet sich von den vorangegangenen Bespielen dadurch, dass die Ventilsitzfläche 72 nicht konisch ist, also nicht die Form eines geraden Kegelstumpfes hat, sondern die Form einer Kalotte aufweist, hier eines Teils einer Kugeloberfläche aufweist, deren Radius größer ist als der Radius der Ventilkugel 58. Die Kalotte kann in den Ventilkörper 68 beispielsweise durch Prägen eingebracht worden sein.
Die 7a zeigt als viertes Ausführungsbeispiel das Druckbegrenzungsventil 42 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe im Neuzustand. Wie im dritten Ausführungsbeispiel (6) weist Ventilsitzfläche 72 eine kalottenförmige Form auf. Ihr Radius ist geringfügig größer als der Radius des kugelförmigen Ventilelements 58. Entsprechend ist der Spalt 63 zwischen der kalottenförmigen Ventilsitzfläche 72 und dem kugelförmigen Ventilelement 58 stromaufwärts der Berührlinie 90 größer als Null (d.h. z.B. größer als 1 µm) und so klein wie möglich. In einem Beispiel ist der Spalt 63 an weitesten Stelle b= 3µm breit.
Die 7b zeigt das Druckbegrenzungsventil 42 aus 7a nachdem an der Ventilsitzfläche 72 ein gewisser Verschleiß aufgetreten ist. Erkennbar hat sich das kugelförmige Ventilelement 58 in die Ventilsitzfläche 72 eingeprägt, sodass sich die Berührlinie 90 zu der Berührfläche 92 verbreitert hat, die sich im Beispiel der 7b über nahezu den gesamten kalottenförmigen Bereich der Ventilsitzfläche 72 erstreckt. Zwischen dem Neuzustand (7a) und dem in der 7b gezeigten Verschleißzustand hat sich der Dichtdurchmesser des Druckbegrenzungsventils 24 nur geringfügig geändert; im Idealfall ist er gleich geblieben.
Die 7c zeigt das Druckbegrenzungsventil 42 aus 7a und 7b nachdem an der Ventilsitzfläche 72 ein weiterer Verschleiß aufgetreten ist.
Es ist ersichtlich, dass sich das kugelförmige Ventilelement 58 noch etwas weiter (allerdings nur vergleichsweise wenig weiter) in die Ventilsitzfläche 72 eingeprägt hat. Dabei hat sich der Dichtdurchmesser des Druckbegrenzungsventils 24 nur geringfügig geändert; im Idealfall ist er gleich geblieben. Die ursprüngliche Kontur der Ventilsitzfläche 72 ist in der 7c nur noch zur Veranschaulichung dargestellt.
Im Kontext dieses Ausführungsbeispiels sollte der Spalt 63 so klein wie möglich ausgelegt werden, damit bereits bei kleinem Verschleißvolumen der Spalt 63 geschlossen wird, beziehungsweise sich die Berührlinie 90 zu einer Berührfläche 92 verbreitert, sodass er sich insbesondere über den gesamten kalottenförmigen Bereich der Ventilsitzfläche 72 erstreckt. Danach ändert sich der Dichtdurchmesser pro Verschleißvolumen nur noch sehr langsam. Der Öffnungsdruckabfall am Ventil wird ist dann bei gleichem Verschleißvolumen geringer oder verschwindet sogar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2004013307 B4 [0001]

Claims

Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem Gehäuse (50) und einem in dem Gehäuse (50) angeordneten Verdichtungsraum (26), mit einem verschiebbar in dem Gehäuse (50) angeordneten Kolben (30), der den Verdichtungsraum (26) begrenzt, mit einem Einlassventil (24), das von einem Niederdruckbereich (18) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) hin zu dem Verdichtungsraum (26) öffnet, mit einem Auslassventil (40), das von dem Verdichtungsraum (26) hin zu einem Hochdruckbereich (44) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) öffnet und mit einem Druckbegrenzungsventil (42), das von dem Hochdruckbereich (44) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) hin zu dem Verdichtungsraum (26) oder zum Niederdruckbereich (18) der Kraftstoff-Hochdruckpumpe (28) öffnet, wobei das Druckbegrenzungsventil (42) einen Ventilkörper (68) mit einer sich entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) verjüngenden Ventilsitzfläche (72) aufweist, ein kugelförmiges Ventilelement (58) aufweist und eine Ventilfeder (60) aufweist, die das kugelförmige Ventilelement (58) entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) gegen die Ventilsitzfläche (72) drückt, wobei bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil (42) das Ventilelement (58) und die Ventilsitzfläche (72) an einer Berührlinie (90) aneinander anliegen und neben der Berührlinie ein Spalt (63) zwischen Ventilelement (58) und Ventilkörper (68) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Spalt (63) in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie (90) enger ist als stromabwärts der Berührlinie (90).
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche (72) an einer Kante (80) des Ventilkörpers (68) auf eine stromabwärts der Berührlinie (90) angeordnete weitere Fläche (87) des Ventilkörpers (68) stößt, wobei die weitere Fläche (87) stärker von der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) weg geneigt ist als die Ventilsitzfläche (72).
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührlinie (90) im Bereich knapp aber nicht unmittelbar stromaufwärts der Kante (80) des Ventilkörpers (68) auf der Ventilsitzfläche (72) liegt.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Fläche (87) des Ventilkörpers (68) senkrecht zur Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass knapp stromabwärts der Berührlinie (90) zwischen Ventilelement (58) und Ventilsitzfläche (72) des Ventilkörpers (68) die Ventilsitzfläche (72) zu einer Ausnehmung (75) des Ventilkörpers (68) geformt ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (75) eine rechtwinklige Ausnehmung (75) ist, also aus einer ringförmigen ebenen Fläche (75a), die senkrecht zur Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) ist, und einer daran angrenzenden zylindrischen Fläche (75b), die parallel zur Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) ist, besteht.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche (72) eine konische oder kalottenförmige Form aufweist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 5-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche (72) eine konische oder kalottenförmige Grundform aufweist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche (72) eine Form aufweist, die durch Einbringen der Ausnehmung (75) in die konische oder kalottenförmige Grundform entsteht.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche (72) eine kalottenförmige Form aufweist, sodass der Spalt (63) zwischen der kalottenförmigen Ventilsitzfläche (72) und dem kugelförmigen Ventilelement (58) stromaufwärts der Berührlinie (90) größer als Null und so klein wie möglich ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzfläche (72) eine kalottenförmige Form aufweist, sodass der Spalt (63) zwischen der kalottenförmigen Ventilsitzfläche (72) und dem kugelförmigen Ventilelement (58) stromaufwärts der Berührlinie (90) größer als Null ist und an seiner weitesten Stelle enger ist als 50µm, insbesondere sogar enger als 10 µm und/oder enger als 3 µm.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (68) aus Stahl besteht und an der Ventilsitzfläche (72) eine gehärtete Randschicht aufweist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Ventilsitzfläche (72) entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) zunimmt.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel (58) härter ist als der Ventilkörper (68) und härter ist als die Ventilsitzfläche (72).
Kraftstoff-Hochdruckpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkugel (58) aus Hartmetall, beispielsweise aus Wolframkarbid, besteht oder aus einer Keramik, beispielsweise Siliziumnitrid, besteht.
Druckbegrenzungsventil welches einen Ventilkörper (68) mit einer sich entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) verjüngenden Ventilsitzfläche (72) aufweist, ein kugelförmiges Ventilelement (58) aufweist und eine Ventilfeder (60) aufweist, die das kugelförmige Ventilelement (58) entgegen der Öffnungsrichtung (100) des Druckbegrenzungsventils (42) gegen die Ventilsitzfläche (72) drückt, wobei bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil (42) das Ventilelement (58) und die Ventilsitzfläche (72) an einer Berührlinie (90) aneinander anliegen und neben der Berührlinie (90) ein Spalt (63) zwischen Ventilelement (58) und Ventilkörper (68) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Spalt (63) in asymmetrischer Weise stromaufwärts der Berührlinie (90) enger ist als stromabwärts der Berührlinie (90).