DE10357612A1

DE10357612A1 - Ventilanordnung, insbesondere Einlassventil einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE10357612A1
Application number: DE2003157612
Authority: DE
Inventors: Ulrich Maier; Achim Koehler; Sascha Ambrock; Peter Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-07-07
Also published as: JP4373447B2; EP1700028A1; DE502004006447D1; WO2005057004A1; CN1894499A; US20080190502A1; JP2007513292A; EP1700028B1

Abstract

Eine Ventilanordnung (47) einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (16) umfasst ein in einer Ventilkammer (42) angeordnetes Ventilelement (46) und einen stromaufwärts an die Ventilkammer (42) angrenzenden Fluidkanal (30). Es wird vorgeschlagen, dass der Fluidkanal (30) so ausgebildet ist, dass dem Fluidstrom, welcher der Ventilkammer (42) zuströmt, wenigstens abschnittsweise eine Rotation um eine Längsachse (40) des Fluidkanals (30) (Drall) aufgeprägt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere eine Einlassventilanordnung einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, mit einem in einer Ventilkammer angeordneten Ventilelement und einem stromaufwärts an die Ventilkammer angrenzenden Fluidkanal.
Eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt. Sie kommt beispielsweise bei einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems zum Einsatz. Eine solche Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist als Kolbenpumpe ausgeführt. Als Einlassventil zu einem Förderraum hin ist ein Kugel-Rückschlagventil vorgesehen. Die Kugel des Rückschlagventils ist in einer Ventilkammer angeordnet, in die eine Zulaufbohrung mündet. Die Zulaufbohrung umfasst einen ersten Kanalabschnitt, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse eines Kolbens der Kolbenpumpe liegt, sowie einen zweiten Kanalabschnitt, der koaxial zur Längsachse des Kolbens der Kolbenpumpe liegt. Die Längsachsen der beiden Kanalabschnitte schneiden sich in einem Verschneidungsbereich. In diesem Verschneidungsbereich kommt es im Betrieb der Kolbenpumpe zu einer scharfkantigen Umlenkung des dem Einlassventil zuströmenden Kraftstoffes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ventilanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst verlustarm arbeitet und hierdurch der Wirkungsgrad beispielsweise einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, bei welcher die Ventilanordnung eingesetzt wird, besser wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Ventilanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Fluidkanal so ausgebildet ist, dass dem Fluidstrom, welcher der Ventilkammer zuströmt, eine Rotation um die Längsachse des Fluidkanals (Drall) aufgeprägt wird.
Vorteile der Erfindung
Die der Strömung aufgeprägte Rotation ("Drall" oder "Spin") führt zu Fliehkräften, durch welche die Strömung an die Wand gedrückt wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich der Fluidstrom von der Wand des Fluidkanals beispielsweise bei einer Richtungsänderung unter Bildung eines entsprechenden Unterdruckgebietes löst. Hierdurch wird der Staudruck im Umlenkungsbereich vermindert und der Strömungswiderstand gesenkt. Kavitationsschäden im Fluidkanal werden ferner vermieden. Aufgrund der an der Wand des Fluidkanals anliegenden Fluidströmung ist der Fluidkanal gleichmäßig gefüllt, was bei gleicher Öffnungsdauer des Ventilelements zu einem größeren Durchsatz führt.
Aufgrund der jederzeit anliegenden Strömung kann darüber hinaus die Länge des Fluidkanals geringer ausfallen, was insgesamt die Baugröße der Ventilanordnung und beispielsweise einer Kraftstoffpumpe, in welcher diese zum Einsatz kommt, reduziert. Durch die drallbehaftete Strömung werden sonst vorhandene stark instationäre turbulente Strömungsvorgänge (pulsartiges Geschwindigkeitsprofil) vermindert beziehungsweise vollständig verhindert, was die Belastung des Fluidkanals und eines weiter stromaufwärts gelegenen Bereichs vermindert. So wird beispielsweise eine Zuführpumpe, welche das Fluid der Ventilanordnung zuleitet, ebenfalls geschont.
Durch die vergleichmäßigte Strömung im Fluidkanal wird auch das Ventilelement selbst gleichmäßig umströmt und bleibt so auch im geöffneten Schwebezustand mittig, das heißt es entsteht keine Querkraft auf das Ventil durch ein einseitig vorbeifließendes Fluid. Dies führt ebenfalls zu einer Wirkungsgradverbesserung der Ventilanordnung und zu einer Minderung des Verschleißes am Ventilelement.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Zunächst wird vorgeschlagen, dass der Fluidkanal einen ersten Kanalabschnitt und einen an diesen anschließenden zweiten Kanalabschnitt umfasst, wobei die Längsachsen der Kanalabschnitte zueinander in einem Winkel < 180° stehen, und wobei die Längsachse des ersten Kanalabschnitts gegenüber der Längsachse des zweiten Kanalabschnitts seitlich versetzt ist. Durch den seitlichen Versatz wird die Rotation der Strömung im zweiten Kanalabschnitt auf einfache Weise hervorgerufen. Aufgrund des Knicks zwischen den beiden Kanalabschnitten erzeugte Turbulenzen werden so wirkungsvoll geglättet, oder derartige Turbulenzen können erst gar nicht entstehen.
Besonders deutlich ist die Rotation dann, wenn die Längsachsen der beiden Kanalabschnitte wenigstens in etwa in einem rechten Winkel zueinander stehen. In diesem Fall ist der der Strömung im zweiten Kanalabschnitt aufgeprägte Drall am stärksten, und daher sind die mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung erzielbaren Vorteile am größten.
Vorgeschlagen wird auch, dass die Ventilanordnung als Ventilelement eine Kugel oder ein Kegelelement umfasst. Aufgrund der Drehbewegung des der Ventilkammer zuströmenden Fluids werden auch diese rotationssymmetrischen Ventilelemente in Drehung versetzt. Dies verhindert einen einseitigen Verschleiß an diesen Ventilelementen und erhöht die Dauerhaltbarkeit eines dem Ventilelement zugeordneten Ventilsitzes.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Kanalabschnitte im Querschnitt wenigstens in etwa den gleichen Radius aufweisen und dass der seitliche Versatz der Längsachsen größer ist als der Radius. Dies vereinfacht die Herstellung der erfindungsgemäßen Ventilanordnung und senkt somit die Herstellkosten, da für beide Kanalabschnitte das gleiche Bohrwerkzeug verwendet werden kann.
Vorgeschlagen wird auch, dass ein Übergangsbereich zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem zweiten Kanalabschnitt mittels elektrochemischen Materialabtrags bearbeitet ist. Dies ermöglicht einen weitgehend kantenfreien Übergang von einem Kanalabschnitt zum anderen Kanalabschnitt, was für eine gleichmäßige Strömung ebenfalls günstig ist.
Dabei wird besonders bevorzugt, wenn der Übergangsbereich eine vom ersten zum zweiten Kanalabschnitt gekrümmte Wand umfasst. Dies führt zu einer besonders glatten Strömung, in der wenig Turbulenzen auftreten.
Besonders bevorzugt ist auch, wenn sich der erste Kanalabschnitt axial nicht oder nicht wesentlich über den zweiten Kanalabschnitt hinaus erstreckt. Hierdurch wird der Staudruck stromaufwärts von der Umlenkung vom ersten Kanalabschnitt zum zweiten Kanalabschnitt gesenkt, was den Strömungswiderstand nochmals reduziert und den Wirkungsgrad der Ventilanordnung insgesamt in strömungstechnischer Hinsicht verbessert.
Möglich ist ferner, dass die Längsachse des ersten Kanalabschnitts und die Längsachse des zweiten Kanalabschnitts einen Winkel > 90° einschließen. Dies führt zu einer zusätzlichen Widerstandsreduzierung.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe;
2 einen Schnitt durch ein Gehäuse der Hochdruck-Kraftstoffpumpe von 1;
3 einen Schnitt längs der Linie III-III von 2;
4 ein Detail IV von 2;
5 einen Schnitt längs der Linie V-V von 4;
6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI von 4;
7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII von 6; und
8 eine Darstellung ähnlich 3 einer abgewandelten Ausführungsform eines Gehäuses der Hochdruck-Kraftstoffpumpe von 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine Vorförderpumpe 14 den Kraftstoff zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 fördert. Diese komprimiert den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 18 ("Rail"), in der der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. An diese sind mehrere Injektoren 20 angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 22 einspritzen.
Ein Gehäuse 24 der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 ist in den 2 und 3 stärker im Detail dargestellt. Es umfasst drei Zylinder 26a, 26b, und 26c, welche im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur auf den Zylinder 26a Bezug genommen.
Im Zylinder 26a ist eine Kolbenbohrung 28 vorhanden, in welcher ein nicht gezeigter Kolben längsverschieblich aufgenommen ist. Über einen Fluidkanal 30 ist die Kolbenbohrung 28 mit einem Kraftstoff-Einlass 32 verbindbar. Der Kraftstoff-Einlass 32 ist wiederum mit der Vorförderpumpe 14 verbunden.
Der Fluidkanal 28 ist in zwei Kanalabschnitte 34 und 36 unterteilt. Der erste Kanalabschnitt 34 geht unter einem Winkel von einem Einlasskanal (ohne Bezugszeichen) ab, der wiederum von einem Kraftstoff-Einlass 32 wegführt. Nach außen hin ist der erste Kanalabschnitt 34 durch eine nicht mit Bezugszeichen versehen Kugel verstopft. Seine Längsachse 38 verläuft senkrecht zur Längsachse 40 der Kolbenbohrung 28 und des zweiten Kanalabschnitts 36 (vergleiche 3). Die beiden Längsachsen 38 und 40 schneiden sich jedoch nicht. Wie insbesondere aus den 2 und 4 sowie 6 und 7 hervorgeht, ist stattdessen die Längsachse 38 des ersten Kanalabschnitts 34 gegenüber der Längsachse 40 des zweiten Kanalabschnitts 36 seitlich versetzt. Der seitliche Versatz ist in den 6 und 7 mit V bezeichnet. Die beiden Kanalabschnitte 38 und 40 haben im Querschnitt den gleichen Radius, welcher größer ist als der seitliche Versatz V der beiden Längsachsen 38 und 40.
Wie insbesondere aus 6 hervorgeht, ist in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten Kanalabschnitt 34 und dem zweiten Kanalabschnitt 36 eine vom ersten Kanalabschnitt 34 zum zweiten Kanalabschnitt 36 hin gekrümmte Wandfläche 41 vorhanden. Diese ist mittels elektrochemischen Materialabtrags eingearbeitet. Durch diese geht die in der Schnittebene von 6 radial äußere Wand des Kanalabschnitts 34 ohne Knick oder Kante in den entsprechenden Wandabschnitt des Kanalabschnitts 36 über.
Zwischen dem zweiten Kanalabschnitt 36 des Fluidkanals 30 und der Kolbenbohrung 28 ist eine Ventilkammer 42 vorhanden. Zwischen der Ventilkammer 42 und dem zweiten Kanalabschnitt 36 ist ein Absatz ausgebildet, welcher einen Ventilsitz 44 für eine Ventilkugel 46 bildet, die in der Ventilkammer 42 aufgenommen ist (vergleiche 4 und 5). Die Ventilkugel 46 wird von einer in der Zeichnung nicht gezeigten Feder gegen den Ventilsitz 44 beaufschlagt. An die Ventilkammer 42 schließt sich ein Förderraum 47 an. Wie insbesondere auch aus 7 ersichtlich ist, erstreckt sich der erste Kanalabschnitt 34 kaum über den zweiten Kanalabschnitt 36 hinaus. Der Fluidkanal 30, der Ventilsitz 44 und die Ventilkugel 46 bilden insgesamt eine Ventilanordnung 47.
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 16 arbeitet folgendermaßen (auch hier wird wiederum nur auf den Zylinder 26a Bezug genommen):
Bei einem Saughub des Kolbens hebt die Ventilkugel 46 vom Ventilsitz 44 ab. Kraftstoff strömt nun von der Vorförderpumpe 14 über den Kraftstoff-Einlass 32, den ersten Kanalabschnitt 34, den zweiten Kanalabschnitt 36, und durch den Spalt zwischen Ventilkugel 46 und Ventilsitz 44 hindurch in die Ventilkammer 42 und weiter in den Förderraum 47. Aufgrund des Versatzes V zwischen der Längsachse 38 des ersten Kanalabschnitts 34 und der Längsachse 40 des zweiten Kanalabschnitts 36 erfährt der Fluidstrom eine seitliche Bewegungskomponente (Pfeile 48 in 6). Diese seitliche Bewegungskomponente wird durch die gekrümmte Wand 41 unterstützt, ohne dass sich hierdurch im ersten Kanalabschnitt 34 ein wesentlicher Staudruck aufbauen kann.
Von dem ersten Kanalabschnitt 34 gelangt der Kraftstoff in den zweiten Kanalabschnitt 36. Dabei erfährt er eine Richtungsänderung von 90°. Aufgrund der seitlichen Bewegungskomponente 48 stellt sich jedoch bei der Fluidstrom im zweiten Kanalabschnitt 36 zusätzlich eine Drehbewegung um die Längsachse 40 des zweiten Kanalabschnitts 36 ein. Diese Drehbewegung wird auch als "Drall" oder "Spin" bezeichnet und trägt in den 6 und 7 das Bezugszeichen 50. Durch den Drall 50 wird bei der Richtungsänderung des Fluidstroms im Übergangsbereich zwischen erstem Kanalabschnitt 34 und zweitem Kanalabschnitt 36 verhindert, dass sich die Strömung ablöst, was zu einem erhöhten Strömungswiderstand sowie der Gefahr von Kavitation und entsprechendem Verschleiß führen würde.
Durch den Drall 50 wird ferner die Ventilkugel 46 im geöffneten Zustand in eine Drehung versetzt, so dass sie gleichmäßig verschleißt. Somit bleibt ihre Dichtwirkung und auch jene des Ventilsitzes 44 über einen sehr langen Zeitraum erhalten. Da eine Ablösung der Kraftstoffströmung im Übergangsbereich zwischen den beiden Kanalabschnitten 34 und 36 und insbesondere im zweiten Kanalabschnitt 36 verhindert wird, kommt es auch nicht zu einer Einschnürung des Fluidstromes mit entsprechend reduziertem hydraulischem Durchmesser, welcher zu einer erhöhten Drosselung führen würde.
Eine alternative Ausführungsform ist in 8 gezeigt, Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen der vorhergehenden Figuren aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel steht hier die Längsachse 38 des ersten Kanalabschnitts 34 nicht in einem Winkel von 90°, sondern in einem Winkel von ungefähr 45° zur Längsachse 40 des zweiten Kanalabschnitts 36. Hierdurch wird zusätzlich eine günstigere, d. h. widerstandsärmere Strömung realisiert.

Claims

Ventilanordnung (47), insbesondere Einlassventilanordnung einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (16), mit einem in einer Ventilkammer(42) angeordneten Ventilelement (46) und einem stromaufwärts an die Ventilkammer (42) angrenzenden Fluidkanal (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (30) so ausgebildet ist, dass dem Fluidstrom, welcher der Ventilkammer (42) zuströmt, eine Rotation um die Längsachse (38, 40) des Fluidkanals (30)(Drall) aufgeprägt wird.
Ventilanordnung (47) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal einen ersten Kanalabschnitt (34) und einen an diesen anschließenden zweiten Kanalabschnitt (36) umfasst, wobei die Längsachsen (38, 40) der Kanalabschnitte (34, 36) zueinander in einem Winkel < 180° stehen, und wobei die Längsachse (38) des ersten Kanalabschnitts (34) gegenüber der Längsachse (40) des zweiten Kanalabschnitts (36) seitlich versetzt (V) ist.
Ventilanordnung (47) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (38, 40) der beiden Kanalabschnitte (34, 36) wenigstens in etwa in einem rechten Winkel zueinander stehen.
Ventilanordnung (47) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Ventilelement eine Kugel (46) oder ein Kegelelement umfasst.
Ventilanordnung (47) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kanalabschnitte (34, 36) im Querschnitt wenigstens in etwa den gleichen Radius aufweisen und dass der seitliche Versatz (V) der Längsachsen (38, 40) größer ist als der Radius.
Ventilanordnung (47) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich zwischen dem ersten Kanalabschnitt (34) und dem zweiten Kanalabschnitt (36) mittels elektrochemischen Materialabtrags bearbeitet ist.
Ventilanordnung (47) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich eine vom ersten (34) zum zweiten Kanalabschnitt (36) gekrümmte Wand (41) umfasst.
Ventilanordnung (47) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Kanalabschnitt (34) axial nicht oder nicht wesentlich über den zweiten Kanalabschnitt (36) hinaus erstreckt.
Ventilanordnung (47) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des ersten Kanalabschnitts (34) und die Längsachse des zweiten Kanalabschnitts (36) einen Winkel > 90° einschließen.