Titel

Kraftstoffhochdruckpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

In Kraftstoffsystemen werden Kraftstoffhochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff von einem in einem Niederdruckbereich herrschenden Vordruck auf einen Einspritzdruck, der für eine Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, zu verdichten. Derartige Kraftstoffhochdruckpumpen weisen üblicherweise mindestens einen Kolben auf, der mittels eines Antriebs, der beispielsweise durch eine Nocke oder eine Exzenterscheibe gebildet ist, axial bewegt werden kann. Durch die axiale Bewegung des Kolbens wird in einem Saughub Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich über ein Einlassventil in einen Förderraum angesaugt. In einem Förderhub wird der Kraftstoff im Kolbenraum verdichtet und über ein Auslassventil einem üblicherweise als Rail ausgebildeten

Hochdruckbereich zugeführt.

Das Einlassventil, wie eben beschrieben, umfasst üblicherweise einen Ventilsitz und einen Ventilkörper, wobei der Ventilkörper über eine Druckfeder,die eine Kraft in Schließrichtung ausübt, in eine geschlossene Lage vorgespannt sein kann. Bei geschlossenem Einlassventil liegt eine Dichtfläche des Ventilsitzes dann dichtend an dem Ventilkörper an. Radial einwärts von der Dichtfläche ist am Ventilkörper eine Öffnungsfläche gebildet, die dem im Niederdruckbereich befindlichen Medium ausgesetzt ist.

Ein Problem bei den im Stand der Technik bekannten

Kraftstoffhochdruckpumpen ist, dass beim Öffnen des Einlassventils im Saughub der Ventilkörper über die Dichtfläche hydraulisch an dem Ventilsitz "klebt". Dies führt dazu, dass selbst dann, wenn die Druckverhältnisse stromauf- und stromabwärts des Ventilkörpers derart sind, dass eine resultierende Druckkraft in einer Öffnungsrichtung die Kraft der Druckfeder in Schließrichtung übersteigt, so dass der Ventilkörper also eigentlich öffnen müsste, der Ventilkörper nicht direkt öffnet, sondern erst dann öffnet, wenn eine größere resultierende Druckkraft, also ein größerer Druckgradient anliegt. Hierdurch kommt es zu einem

sogenannten Druckunterschwinger, der die Pumpe zu Geräuschemissionen anregt. Zum einen ist eine derartig erhöhte Geräuschkulisse vom Kunden nicht gewünscht, zum anderen führen derartige Druckunterschwinger zu erhöhtem Verschleiß des Einlassventils.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit reduzierten Geräuschemissionen und erhöhter Verschleißbeständigkeit bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in der nachfolgenden Beschreibung sowie den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe wird der Druckgradient, der zum Öffnen des Einlassventils an diesem anliegen muss, reduziert. Durch den niedrigeren Druckgradienten öffnet das Ventil früher, der

Druckunterschwinger wird reduziert, es kommt zu geringerer Geräuschbildung und der Verschleiß beim Einlassventil ist reduziert. Die unterschiedlichen Flächenschwerpunkte der Dichtfläche und der Öffnungsfläche sorgen dafür, dass auf den Ventilkörper beim Öffnen ein Moment wirkt, so dass sich der Ventilkörper nicht über die gesamte Dichtfläche gleichzeitig vom Ventilsitz löst, sondern zunächst auf einer Seite öffnet, zu der der Flächenschwerpunkt der

Öffnungsfläche gegenüber dem Flächenschwerpunkt der Dichtfläche verschoben ist. Anders ausgedrückt, der Ventilkörper kippt beim Öffnen quasi auf. Hierunter ist jedoch kein übermäßiges Kippen zu verstehen, sondern lediglich eine leicht asymmetrische Öffnung. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn sich die Breite der Dichtfläche in einer Umfangsrichtung gesehen verändert, insbesondere auf einer Seite schmaler ist als auf der anderen Seite. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise ein Einlassventil auslegen, bei dem ein Moment auf den Ventilkörper beim Öffnen des Ventilkörpers wirkt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Öffnungsfläche kreisförmig ausgebildet. Ein Ventilsitz, durch den eine kreisförmige Öffnungsfläche definiert ist, kann in einfacher Weise gefertigt werden. Überdies lassen sich bei dieser Ausgestaltung die Flächenschwerpunkte der Dichtfläche und der Öffnungsfläche in einfacher Weise versetzt zueinander anordnen.

Vorteilhaft ist auch, wenn die Dichtfläche einen kreisförmigen Außenumriss aufweist. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise eine Anordnung gestalten, die zu einem vorteilhaften Kippmoment beim Öffnen des Einlassventils führt, bei gleichzeitig geringer Baugröße des Einlassventils.

Bevorzugt ist auch, wenn der Ventilkörper plattenartig ausgebildet ist, vorzugsweise eine Platte mit kreisförmigem Querschnitt umfasst, insbesondere aus der Platte mit kreisförmigem Querschnitt besteht. Ein derartiger

plattenförmiger Ventilkörper hat den Vorteil, dass er eine große Öffnungsfläche bei geringer Bautiefe vorteilhaft abdichten kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Einlassventil einen Stößel, der den Ventilkörper in Öffnungsrichtung in einem Angriffspunkt, der von dem Flächenschwerpunkt der Öffnungsfläche verschieden ist, mit einer Kraft beaufschlagen kann. Durch den Stößel kann ein weiterer Anteil des

Kippmoments beim Öffnen auf den Ventilkörper aufgebracht werden, was das Öffnen des Ventilkörpers weiter erleichtert. Dies führt zu einer weiter reduzierten Geräuschemission und ebenso weiter reduziertem Verschleiß am Einlassventil.

Dabei ist außerdem bevorzugt, wenn der Angriffspunkt von dem

Flächenschwerpunkt der Dichtfläche aus gesehen auf Seiten des

Flächenschwerpunkts der Öffnungsfläche liegt. Bei dieser Ausführungsform wirken also der Versatz des Flächenschwerpunktes der Öffnungsfläche gegenüber dem Flächenschwerpunkt der Dichtfläche und der Versatz der Kraft, mit der der Stößel den Ventilkörper beaufschlagt, gegenüber dem

Flächenschwerpunkt der Dichtfläche in gleicher Richtung. Auf diese Weise ergibt sich ein synergistischer Effekt zwischen dem Versatz von Flächenschwerpunkt der Dichtfläche und Öffnungsfläche und dem Versatz des Flächenschwerpunkts der Dichtfläche und dem Angriffspunkt des Stößels und den daraus

resultierenden Kippmomenten. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stößel entweder in eine Position vorgespannt ist, in der er die Kraft in

Öffnungsrichtung auf den Ventilkörper aufbringt, oder wenn der Stößel in eine Position vorgespannt ist, in der er keine Kraft auf den Ventilkörper aufbringt. In beiden eben beschriebenen Ausführungsformen kann, beispielsweise über eine Magnetspule, der Stößel in die jeweils andere Position gezwungen werden. Auf diese Art kann die dem Kolbenraum zugeführte Kraftstoffmenge in vorteilhafter Weise eingestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilkörper, insbesondere durch eine Druckfeder, in die geschlossene Lage vorgespannt. Dies hat den Vorteil, dass bei geringer Baugröße ein zuverlässiges Schließen des Ventilkörpers gewährleistet ist.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlicher Kombination für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird. Es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte schematisierte Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine;

Figur 2 eine Schnittdarstellung einer Kraftstoffh och d ruckpumpe;

Figur 3 eine Schnittdarstellung durch das Einlassventil der

Kraftstoffhochdruckpumpe aus Figur 2;

Figur 4 eine Draufsicht auf eine Dichtfläche und eine Öffnungsfläche des Einlassventils aus Figur 3; und Figur 1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine weiter nicht dargestellte

Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16 und einer Niederdruckleitung 18 über einen Einlass 20 einer

Kraftstoffhochdruckpumpe 22 zugeführt. Im Einlass 20 ist ein Einlassventil 24 angeordnet, über welches ein Kolbenraum 26 mit einem Niederdruckbereich 28, der die Vorförderpumpe16, die Saugleitung 14, und den Kraftstofftank 12 umfasst, verbindbar ist.

Das Einlassventil 24 ist über eine Betätigungseinrichtung 30, auf die später noch im Detail eingegangen werden soll, betätigbar. Die Betätigungseinrichtung 30 ist über eine Steuereinheit 32 ansteuerbar. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist vorliegend als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 34 mittels eines als Nockenscheibe ausgeführten Antriebs 36 entlang einer Kolbenlängsachse 38 auf- und abbewegt werden kann, was durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 40 schematisch dargestellt ist.

Hydraulisch zwischen dem Förderraum 26 und einem Auslass 42 der

Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist ein in der Figur 1 als federbelastetes

Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 44 angeordnet, welches zum Auslass 42 hin öffnen kann. Der Auslass 42 ist an eine Hochdruckleitung 46 und über diese an einen Hochdruckspeicher 48 ("Rail") angeschlossen. Weiterhin ist hydraulisch zwischen dem Auslass 42 und dem Förderraum 26 ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Druckbegrenzungsventil 50 angeordnet, das zum Förderraum 26 hin öffnen kann. Bei Überschreiten eines Grenzdrucks des Druckbegrenzungsventils im Hochdruckspeicher 48 öffnet also das Druckbegrenzungsventil 50 zum Förderraum 26 hin. Im Betrieb des

Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Einlassventil 28 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden.

Hierdurch wird die zum Hochdruckspeicher 46 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Die Betätigungseinrichtung 30 wird dabei, wie bereits ausgeführt, durch die Steuereinheit 32 entsprechend angesteuert. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist in Figur 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Aus der Darstellung von Figur 2 ist ersichtlich, dass das

Druckbegrenzungsventil 50, das Auslassventil 44 und das Einlassventil 24 in einem Pumpengehäuse 52 angeordnet sind. Ebenso im Pumpengehäuse 52 angeordnet sind der Kolbenraum 26 und teilweise der Kolben 34. Ein aus dem

Pumpengehäuse 52 herausragendes unteres Ende 54 des Kolbens ist mit einem Kolbenteller 56 verbunden. Über das untere Ende 54 liegt der Kolben an dem in Figur 2 nicht gezeigten Antrieb 36 an. Der Kolbenteller 56 ist über eine Kolbenfeder 58 gegen einen Dichtungsträger 60 verspannt. Der Dichtungsträger 60 weist einen topfartigen Abschnitt 62 auf. An den topfartigen Abschnitt 62 schließt sich pumpengehäuseseitig ein

Umbugssabschnitt 64 des Dichtungsträgers 60 an. Über den Umbugssabschnitt 64 liegt der Dichtungsträger 60 kraftschlüssig am Pumpengehäuse 52 an. Über den mit dem Pumpengehäuse 52 verbundenen Dichtungsträger 60 stützt sich die

Kolbenfeder 58 also indirekt am Pumpengehäuse 52 ab.

Der topfartige Abschnitt 62 des Dichtungsträgers 60 bildet eine Auflage für eine Niederdruckdichtung 66, die im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist, und umschließt die Niederdruckdichtung 66 umfänglich. Die Niederdruckdichtung

66 liegt also kolbentellerseitig an einer Auflagefläche 68 des Dichtungsträgers 60 an. Pumpengehäuseseitig ist die Niederdruckdichtung 66 über eine

Anschlagshülse 70 gehalten. Die Niederdruckdichtung 66 dichtet im Betrieb der Pumpe 22 dynamisch gegen den Kolben 34 ab und statisch gegen den

Dichtungsträger 60.

Die Betätigungseinrichtung 30 umfasst ein elektromagnetisches Schaltmittel 74. Über das elektromagnetische Schaltmittel 74 ist ein Stößel 76, der im

Wesentlichen stiftartig ausgebildet ist und über eine Feder 78 vorgespannt ist, bewegbar. Ein Ventilkörper 82 ist in Figur 2 plattenförmig ausgeführt und über eine Druckfeder 84 in eine geschlossene Position gegen einen Ventilsitz 86 vorgespannt. In der in Figur 2 gezeigten Position liegt der Stößel 76 an dem Ventilkörper 82 an und übt eine flächige Kraft auf den Ventilkörper 82 im Bereich einer Angriffsfläche 90 aus, die einer Kraft entspricht, die in einem Angriffspunkt 92 auf den Ventilkörper 82 wirkt. Wird das elektromagnetische Schaltmittel 74 mit elektrischer Energie versorgt oder mit anderen Worten eingeschaltet, so bewegt es den Stößel 76 über Magnetkräfte entgegen der Kraft der Feder 78 vom Ventilkörper 82 weg, so dass der Stößel 76 keine Kraft auf den Ventilkörper 82 ausübt. Im Betrieb öffnet der Ventilkörper 82 entlang einer Öffnungsrichtung 94, die durch einen Pfeil mit dem entsprechenden Bezugszeichen dargestellt ist.

In Figur 3 ist das Einlassventil 24 im größeren Detail dargestellt. Aus der

Darstellung von Figur 3 ist ersichtlich, dass der Ventilsitz 86 einen erhabenen umlaufenden Abschnitt 96 in der Art eines axialen Kragens aufweist. Über den erhabenen umlaufenden Abschnitt 96 liegt der Ventilkörper 82 an dem Ventilsitz 86 an. Eine Stirnfläche des Abschnitts 96 bildet eine Dichtfläche 98 und entspricht einer Kontaktfläche zwischen Ventilkörper 82 und Ventilsitz 86 bzw. dem umlaufenden erhabenen Abschnitt 96.

In dem in Figur 3 gezeigten geschlossenen Zustand des Einlassventils 24 liegt die Dichtfläche 98 des Ventilsitzes 86 dichtend am Ventilkörper 82 an. Eine radial auswärts gerichtete Richtung trägt das Bezugszeichen 100 und ist durch einen entsprechenden Pfeil in Figur 3 gekennzeichnet. Radial einwärts von der

Dichtfläche ist in dem in Figur 3 gezeigten geschlossenen Zustand des

Einlassventils eine Öffnungsfläche 102 gebildet. Die Öffnungsfläche 102 ist einem im Niederdruckbereich 28 befindlichen Medium 104, das in Figur 3 durch einen entsprechenden Pfeil dargestellt ist, ausgesetzt.

Ein Flächenschwerpunkt der Dichtfläche 98 trägt in Figur 3 das Bezugszeichen 106 und ist durch ein entsprechendes Kreuz dargestellt. Ein Flächenschwerpunkt 108 der Öffnungsfläche 102 ist ebenfalls durch ein Kreuz mit dem

entsprechenden Bezugszeichen dargestellt. Der Angriffspunkt 92 des Stößels 76, der in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist, ist ebenfalls durch ein Kreuz dargestellt. Der Angriffspunkt 92 des Stößels 76 liegt von dem Flächenschwerpunkt 106 der Dichtfläche 98 aus gesehen auf Seiten des

Flächenschwerpunkts 108 der Öffnungsfläche 102.

Figur 4 zeigt eine Einzeldarstellung des Dichtsitzes 86 und des Ventilkörpers 82 aus Figur 2 und 3. Überdies sind im rechten Teil der Figur schematisch die Öffnungsfläche 102 und die Dichtfläche 98 beim Blick entgegen der

Öffnungsrichtung 94 dargestellt. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass die

Öffnungsfläche 102 kreisförmig ist und der Außenumriss 1 10 der Dichtfläche 98 ebenfalls kreisförmig ist. In einer Umfangsrichtung 1 12 variiert eine Breite 1 13 der Dichtfläche 98. Dabei ist die Breite 1 13 der Dichtfläche 98 an einer ersten Stelle 1 14 am geringsten und an einer zweiten Stelle 1 16 ist die Breite 1 13 maximal.

Beim Öffnen des Einlassventils 28 liegt vom Kolbenraum 26 her ein niedrigerer Druck an dem Ventilkörper 82 an als vom Niederdruckbereich 28 her. Auf den Ventilkörper 82 wirkt also eine Kraft, die durch die Druckdifferenz verursacht ist. Wenn diese Kraft diejenige Kraft, die durch die Druckfeder 84 auf den

Ventilkörper 82 ausgeübt wird, und eine auf den Ventilkörper 82 wirkende hydraulische Haftkraft übersteigt, dann öffnet der Ventilkörper 82. Die hydraulische Haftkraft, die beim Abheben des Ventilkörpers 98 vom Ventilsitz 86 auftritt, korreliert mit der Breite der lokalen Dichtfläche 98. Daher haftet der Ventilkörper 98 im Bereich der ersten Stelle 1 14 weniger am Ventilsitz 86 als an der zweiten Stelle 1 16. Beim Öffnen des Ventilkörpers 98 wirkt die Kraft durch den anliegenden Druckgradienten effektiv im Flächenschwerpunkt 108 der Öffnungsfläche 102 und die ggf. durch den Stößel 76 wirkende Kraft im

Angriffspunkt 92. Die aus der Haftkraft resultierende Kraft wirkt entgegen diesen beiden Kräften im Flächenschwerpunkt 106 der Dichtfläche 98. Daraus ergibt sich ein Kippmoment, welches durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 1 18 symbolisch dargestellt ist.

Wirkt eine Kraft durch den Stößel 76, so ist der Effekt verstärkt gegenüber einer Situation, in der nur die Kraft durch den Druckgradienten wirkt, da vom

Flächenschwerpunkt 106 der Dichtfläche 98 aus gesehen der Angriffspunkt 92 auf Seiten des Flächenschwerpunkts 108 der Öffnungsfläche 102 liegt. Beim Öffnen "kippt" der Ventilkörper 98 durch das Kippmoment vom Ventilsitz 86 ab. Das Kippen ist jedoch geringfügig ausgeprägt, der Ventilkörper 98 hebt sich zunächst an der ersten Stelle 1 14 geringfügig vom Ventilsitz 86 ab und kurz danach entlang seiner gesamten Umfangsrichtung 1 12 bis hin zur zweiten Stelle

1 16.