Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere für ein

Kraftstoffeinspritzsystem, mit einem Druckventil. Die Hochdruckpumpe verdichtet ein Fluid, insbesondere Kraftstoff.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 2014 10 218 488 AI ist eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems bekannt. Die Hochdruckpumpe dient der Förderung von unter Hochdruck stehendem Fluid, insbesondere Kraftstoff. Die bekannte Hochdruckpumpe umfasst einen volumenveränderbaren Verdichtungsraum und ein Druckventil. Das Druckventil weist eine an einem Hochdruckventilkolben ausgebildete Ventilfläche und einen an einem Ventilträger ausgebildeten

Ventilsitz auf. Die Ventilfläche wirkt mit dem Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung von dem Verdichtungsraum zu einer Hochdruckbohrung.

Beim Betrieb der Hochdruckpumpe kann es unter gewissen

Betriebsbedingungen zur Kavitationserosion, also zu einem Materialabtrag des Druckventils im Ventilsitzbereich kommen, welche schon nach kurzer Laufzeit zum Verlust der Dichtfunktion des Druckventils und in Folge zum Ausfall der Hochdruckpumpe führen kann. Dies entsteht durch eine schnelle Umwandlung von gasförmigen Fluid in Flüssigkeit, ein sogenannter Blasenkollaps, bei einem Druckanstieg über den Dampfdruck des Fluids. Dadurch kommt es lokal zu einer sehr starken Druckwelle im Fluid, welche umgebende Bauteile schädigen kann. Tritt diese Schädigung am Ventilsitz auf, so kann dies schon nach kurzer Betriebszeit zu einem Verlust der Dichtfunktion des Druckventils führen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe reduziert das Risiko von

Kavitationserosion durch eine entsprechende Strömungsgeometrie für das Fluid nahe des Ventilsitzes.

Dazu umfasst die Hochdruckpumpe einen volumenveränderbaren

Verdichtungsraum und ein Druckventil. Das Druckventil weist eine an einem Hochdruckventilkolben ausgebildete Ventilfläche und einen an einem Ventilträger ausgebildeten Ventilsitz auf. Die Ventilfläche wirkt mit dem Ventilsitz zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung von dem

Verdichtungsraum zu einer Hochdruckbohrung. Stromaufwärts des Ventilsitzes ist ein Kavitationsvolumen in dem Hochdruckventilkolben ausgebildet.

Die Funktion des Kavitationsvolumens ist die Verschiebung der Dampfbildung in eine Region, welche vom Ventilsitz bzw. der Ventilfläche weit genug entfernt ist. Das Kavitationsvolumen stellt für die Strömung bei geschlossener hydraulischer Verbindung ein geschlossenes Ende dar. Somit kommt es in dem

Kavitationsvolumen zur Dampfbildung, und beim schnellen Verschwinden des Dampfes zu starken Druckwellen, welche an umliegenden Bereichen zur Erosion führen können. Durch die Ausbildung des Kavitationsvolumens in dem

Hochdruckventilkolben sind diese Bereiche jedoch weit genug vom Ventilsitz entfernt, so dass dieser nicht mehr erodiert wird. Andererseits darf das

Kavitationsvolumen jedoch auch nicht zu weit vom Ventilsitz entfernt liegen, da sonst der Ventilsitz ein weiteres geschlossenes Ende für die Strömung darstellen würde, so dass der Ventilsitz in der Folge unmittelbar von Kavitationserosion betroffen wäre.

In vorteilhaften Ausführungen ist das Kavitationsvolumen eine Erweiterung einer im Hochdruckventilkolben ausgebildeten Kolbenbohrung. In der Kolbenbohrung ist ein Saugventilkolben längsbeweglich geführt, wobei der Saugventilkolben durch seine Längsbewegung eine weitere hydraulische Verbindung öffnet und schließt. Dadurch ist ein Saugventil realisiert, welches bauraumsparend zumindest teilweise in dem Druckventil angeordnet ist. Vorzugsweise wirkt der Saugventilkolben dabei mit einem an dem Ventilträger ausgebildeten weiteren Ventilsitz zusammen. Die Kolbenbohrung und das Kavitationsvolumen können so in einem Fertigungsschritt gemeinsam gefertigt werden.

In vorteilhaften Ausführungen umfasst das Kavitationsvolumen ein

Sacklochvolumen und Verbindungskanäle, vorzugsweise bestehend aus drei Bohrungen. Die Verbindungskanäle münden dabei direkt in die hydraulische Verbindung unmittelbar stromaufwärts des Ventilsitzes bzw. der Ventilfläche, so dass der Bereich das Ventilsitzes strömungstechnisch gesehen kein

geschlossenes alleiniges Ende mehr darstellt. Die Dampfbildung wird dadurch vom Ventilsitz weg in den Bereich des Sacklochvolumens verlagert.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist das Kavitationsvolumen als umlaufende Nut an dem Hochdruckventilkolben ausgeführt, bzw. das Kavitationsvolumen umfasst eine an dem Hochdruckventilkolben ausgebildete umlaufende Nut. Die umlaufende Nut ist dabei vorzugsweise unmittelbar stromaufwärts des

Ventilsitzes angeordnet und auf der äußeren Mantelfläche des

Hochdruckventilkolbens ausgebildet. Dadurch wird das Strömungsvolumen stromaufwärts des Ventilsitzes vergrößert und der Bereich der Dampfbildung bzw. das geschlossene Ende vom Ventilsitz weg verlagert. Diese Ausführung ist mit der vorangehend beschriebenen, welche ein Sacklochvolumen umfasst, kombinierbar.

In vorteilhaften Ausführungen ragt das Kavitationsvolumen durch eine durch den Ventilsitz definierte Ebene. Dadurch ist das Kavitationsvolumen besonders stark als geschlossenes Ende ausgeprägt und dementsprechend wirkungsvoll gestaltet, so dass die Dampfbildung vom Ventilsitz weg verlagert wird. Dabei können einzelne oder alle Teilbereiche - beispielsweise Sacklochvolumen und umlaufende Nut - durch die Ebene ragen.

Zeichnungen Fig.l zeigt einen Längsschnitt einer aus dem Stand der Technik bekannten Hochdruckpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.2 zeigt einen Längsschnitt eines Hochdruckventilkolbens eines Druckventils einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.3 zeigt einen Längsschnitt eines weiteren Hochdruckventilkolbens eines Druckventils einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Beschreibung

Fig.l zeigt einen Längsschnitt einer Hochdruckpumpe 100 eines

Kraftstoffeinspritzsystems, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Hochdruckpumpe 100 ist aus dem Stand der Technik bekannt und dient der Versorgung von nicht dargestellten Injektoren mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, wobei dies direkt oder über ein Common Rail erfolgen kann.

Das Gehäuse der Hochdruckpumpe 100 besteht aus einem Zylindergehäuse 1 und einem mit diesem verschraubten Zylinderkopf 2. Ein Ventilgehäuse 3 ist in das Zylindergehäuse 1 eingeschraubt, welches mit dem Zylinderkopf 2 abgedichtet ist. Im Zylindergehäuse 1 ist eine nicht dargestellte Nockenwelle rotierbar gelagert, die den Antrieb der Hochdruckpumpe 100 bildet.

In einer im Ventilgehäuse 3 ausgebildeten Führungsbohrung 35 ist ein

Pumpenkolben 5, der zumindest mittelbar mit der nicht dargestellten

Nockenwelle zusammenwirkt, in einer Längsrichtung 90 geführt, die senkrecht zur Nockenwelle verläuft.

Innerhalb des Ventilgehäuses 3, in dem der Nockenwelle abgewandten Bereich, sind ein Ventilträger 10 und ein Ventilstück 20, beide im Wesentlichen von zylindrischer Form, in Längsrichtung 90 verspannt. Dazu ist der Zylinderkopf 2 mit dem Zylindergehäuse 1 verschraubt und das Zylindergehäuse 1 mit dem Ventilgehäuse 3. Der Ventilträger 10 ist an einer äußeren Mantelfläche 14 innerhalb des Ventilgehäuses 3 positioniert. Weiterhin wirkt der Ventilträger 10 an einer ersten Stirnfläche 18 mit einer ersten Auflagefläche 30 des

Ventilgehäuses 3 und an einer zweiten Stirnfläche 19 mit einer ersten Dichtfläche

27 des Ventilstücks 20 zusammen. Das Ventilstück 20 wirkt außerdem an einer zweiten Dichtfläche 28 mit einer zweiten Auflagefläche 29 des Zylinderkopfs 2 zusammen.

Zwischen dem Ventilgehäuse 3, dem Ventilträger 10 und dem Pumpenkolben 5 ist ein Verdichtungsraum 6 ausgebildet, der über im Ventilträger 10 ausgebildete Füllbohrungen 13 mit einem im Ventilträger 10 ausgebildeten Ringraum 12 hydraulisch verbunden ist. Die Füllbohrungen 13 verlaufen in Richtung der Längsachse des Ventilträgers 10. Hydraulisch gesehen sind die Füllbohrungen 13 und der Ringraum 12 eine Erweiterung des Verdichtungsraums 6, da sie mit diesem ständig verbunden sind.

Im Ventilträger 10 verläuft vom Ringraum 12 eine erste Bohrung 11 zum

Ventilstück 20 und mündet dort in eine zweite Bohrung 21, die im Ventilstück 20 ausgebildet ist und die wiederrum in eine im Zylinderkopf 2 ausgebildete

Hochdruckbohrung 9 mündet. Die Hochdruckbohrung 9 führt entweder in ein nicht dargestelltes Common Rail des Kraftstoffeinspritzsystems oder in eine bzw. mehrere nicht dargestellte Injektoren des Kraftstoffeinspritzsystems.

Innerhalb des Ventilträgers 10 und des Ventilstücks 20 sind Ventilfunktionen realisiert, die eine hydraulische Verbindung und eine weitere hydraulische Verbindung öffnen und schließen:

Ein Hochdruckventilkolben 40, der in der ersten Bohrung 11 geführt und durch eine Hochdruckventilfeder 42 gegen den Ventilträger 10 vorgespannt ist, öffnet und schließt die hydraulische Verbindung 45, indem eine an dem

Hochdruckventilkolben 40 ausgebildete Ventilfläche 51 mit einem an dem

Ventilträger 10 ausgebildeten Ventilsitz 15 zusammenwirkt. Die erste

hydraulische Verbindung stellt ein Druckventil 101 der Hochdruckpumpe 100 dar. Ein Saugventilkolben 41, der in einer Kolbenbohrung 55 des

Hochdruckventilkolbens 40 geführt und durch eine Saugventilfeder 43 gegen den Ventilträger 10 vorgespannt ist, öffnet und schließt die weitere hydraulische Verbindung vom Ringraum 12 zu einer im Ventilträger 10 angeordneten

Niederdruckbohrung 17, indem er einen zwischen Ventilträger 10 und

Saugventilkolben 41 ausgebildeten weiteren Ventilsitz 46 öffnet und schließt.

Die Niederdruckbohrung 17 ist hydraulisch zumindest mittelbar mit einem nicht dargestellten Kraftstofftank bzw. einer nicht dargestellten Vorförderpumpe verbunden und dient der Befüllung von Ringraum 12 und Verdichtungsraum 6 während des Saugtaktes der Hochdruckpumpe 100, bzw. während der

Längsbewegung des Pumpenkolbens 5 in Längsrichtung 90, bei der das

Volumen des Verdichtungsraums 6 expandiert. Die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 100 ist wie folgt:

Die nicht dargestellte Nockenwelle wandelt aufgrund ihres Nockens ein

Drehmoment in eine axiale Längskraft auf den längsbeweglichen Pumpenkolben 5 um und bewegt diesen somit in der Führungsbohrung 35 in Längsrichtung 90 auf und ab, wodurch sich das Volumen des Verdichtungsraums 6 ändert.

Im oberen Totpunkt des Pumpenkolbens 5 ist das Volumen des

Verdichtungsraums 6 minimal (ähnlich dem in der Fig.l dargestellten Zustand) und damit der darin befindliche Kraftstoff maximal verdichtet. Zu diesem

Zeitpunkt stehen der Verdichtungsraum 6 und damit auch die Füllbohrungen 13 und der Ringraum 12 unter Hochdruck. Der Ventilsitz 15 zwischen

Hochdruckventilkolben 40 und Ventilträger 10 bzw. die hydraulische Verbindung 45 ist geöffnet, solange die hydraulisch resultierende Kraft auf den

Hochdruckventilkolben 40 entgegen der Längsrichtung 90 größer ist als die Kraft der Hochdruckventilfeder 42, d.h. wenn die Differenz zwischen dem Druck im

Ringraum 12 und dem Druck in der Hochdruckbohrung 9 so groß ist, dass die daraus resultierende hydraulische Kraft auf den Hochdruckventilkolben 40 größer ist als die Federkraft der Hochdruckventilfeder 42. In diesem Zustand werden die Injektoren bzw. das Common Rail mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt. Eine Drehung der Nockenwelle bewirkt nun, dass sich der Pumpenkolben 5 in Längsrichtung 90 bewegt. Dadurch expandiert das Volumen des

Verdichtungsraums 6 und der Kraftstoff im Verdichtungsraum 6 entspannt sich und somit auch der Kraftstoff in den Füllbohrungen 13, im Ringraum 12, in der ersten Bohrung 11 und in der Kolbenbohrung 55. Mit abnehmendem Druck in der ersten Bohrung 11 sinkt auch die hydraulisch resultierende Öffnungskraft auf den Hochdruckventilkolben 40, so dass dieser mit seiner Ventilfläche 51 durch die Kraft der Hochdruckventilfeder 42 in den Ventilsitz 15 gedrückt wird und die hydraulische Verbindung 45 innerhalb der ersten Bohrung 11 schließt. Dadurch ist der Fördervorgang ins Common Rail bzw. in die Injektoren beendet. Der Kraftstoff im Verdichtungsraum 6, in den Füllbohrungen 13 und im Ringraum 12 kann nun weiter entspannt werden, ohne dass gleichzeitig der Druck in der zweiten Bohrung 21 bzw. der Hochdruckbohrung 9 abfällt.

Bis zum unteren Totpunkt des Pumpenkolbens 5, in dem das Volumen des Verdichtungsraums 6 maximal ist, wird der Kraftstoff im Ringraum 12 soweit entspannt bis der Druck im Ringraum 12 unter den Druck in der

Niederdruckbohrung 17 abfällt, der üblicherweise etwa 5 bar beträgt. Ab einer bestimmten Druckdifferenz reichen die hydraulische Kraft im Ringraum 12 und die Kraft der Saugventilfeder 43 auf den Saugventilkolben 41 nicht mehr aus, um den Saugventilkolben 41 gegen den weiteren Ventilsitz 46 zu drücken. Die hydraulische Kraft in der Niederdruckbohrung 17 öffnet die weitere hydraulische Verbindung zwischen dem Ventilträger 10 und dem Saugventilkolben 41 entgegen der Kraft der Saugventilfeder 43. Dadurch strömt Kraftstoff über die

Niederdruckbohrung 17 in den Ringraum 12 und befüllt so auch die

Füllbohrungen 13, den Verdichtungsraum 6, die erste Bohrung 11 und die Kolbenbohrung 55 bis zum Ventilsitz 15. Sind die Drücke im Ringraum 12 und in der Niederdruckbohrung 17 durch den

Befüllungsvorgang annähernd ausgeglichen, so ist die resultierende hydraulische Kraft auf den Saugventilkolben 41 annähernd Null und die Saugventilfeder 43 drückt den Saugventilkolben 41 gegen den weiteren Ventilsitz 46. Die weitere hydraulische Verbindung zwischen dem Saugventilkolben 41 und dem

Ventilträger 10 wird dadurch geschlossen und der Befüllungsvorgang beendet. Der Pumpenkolben 5 wird nun durch die weitere Rotation der nicht dargestellten Nockenwelle aus seiner unteren Totpunktstellung entgegen der Längsrichtung 90 in seine obere Totpunktstellung bewegt. Dadurch wird das Volumen des

Verdichtungsraums 6 reduziert und bei geschlossenem Ventilsitz 15 und geschlossenem weiteren Ventilsitz 46 der Kraftstoff in Verdichtungsraum 6, Füllbohrungen 13, Ringraum 12, erster Bohrung 11 und Kolbenbohrung 55 bis zum Ventilsitz 15 verdichtet. Die Verdichtung erfolgt solange, bis der Druck im Ringraum 12 den Druck in der zweiten Bohrung 21 bzw. in der

Hochdruckbohrung 9 so weit übersteigt, dass die hydraulisch resultierende

Öffnungskraft auf den Hochdruckventilkolben 40 entgegen der Längsrichtung 90 größer ist als die Schließkraft der Hochdruckventilfeder 42 und den Ventilsitz 15 bzw. die hydraulische Verbindung 45 öffnet. Daraufhin strömt der verdichtete Kraftstoff vom Ringraum 12 durch die erste

Bohrung 11 in die zweite Bohrung 21 und somit auch in die Hochdruckbohrung 9 und ins Common Rail bzw. in die Injektoren. Der Druck in der Hochdruckbohrung 9 nähert sich in der Folge dem Druck im Ringraum 12 an. Der Pumpenkolben 5 befindet sich zu diesem Zeitpunkt etwa wieder im oberen Totpunkt.

Die beschriebene Funktionsweise der Hochdruckpumpe 100 zeigt, dass die Volumen stromaufwärts der hydraulischen Verbindung 45 pro

Nockenwellenumdrehung zwischen einem Niederdruckzustand und einem Hochdruckzustand zyklisch belastet werden. Dadurch unterliegen die örtlichen Geschwindigkeiten des Fluids starken Änderungen der örtlichen

Geschwindigkeiten. In Bereichen sehr hoher Geschwindigkeiten des Fluids bilden sich durch Druckabsenkung mit Überschreitung der zugehörigen

Siedetemperatur Dampfblasen, die in Bereichen mit steigendem Druck und Unterschreitung der Siedetemperatur schlagartig wieder zusammenfallen. Diese Dampfblasen, Kavitationsblasen genannt, führen beim Zusammenfall zu starken örtlichen Druckschlägen. Erfolgt dies in Bereichen von Materialwandungen, so kann es durch Schädigung der Metalloberfläche zu einer Kavitationserosion kommen. Der unmittelbare Strömungsbereich stromaufwärts des Ventilsitzes 15 stellt bei geschlossenem Druckventil 101 ein geschlossenes Ende dar. Speziell bei geschlossenen Enden kommt es bei einer Absenkung des Drucks unter den Dampfdruck zur Dampfentstehung, weil das Fluid nicht in die Richtung des geschlossenen Endes strömt. Beim Öffnen der hydraulischen Verbindung 45 gibt es somit ein Risiko der Kavitationserosion an den dem Ventilsitz 15

benachbarten Wandungen, insbesondere am Ventilsitz 15 selbst, am Ventilträger 10 und am Hochdruckventilkolben 40.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Ventilgeometrie zu verwenden, welche die Erosion im Ventilsitzbereich bei nahezu allen Betriebszuständen der

Hochdruckpumpe 100 vermeidet, damit es in Folge nicht zum Verlust der Ventildichtfunktion kommt. Dies gelingt, indem stromaufwärts des Ventilsitzes 15 ein Kavitationsvolumen ausgebildet wird.

Dazu zeigt Fig.2 einen Längsschnitt durch den Hochdruckventilkolben 40 mit dem im Hochdruckventilkolben 40 ausgebildeten Kavitationsvolumen 50. Durch die geometrische Gestaltung der Strömungsgeometrie mit dem

Kavitationsvolumen 50 wird das geschlossene Ende der Strömungsgeometrie an eine Stelle abseits vom Ventilsitz 15 verlegt. Somit wird der wesentliche Mangel der auftretenden Kavitationserosion im Ventilsitzbereich behoben, welcher beim Stand der Technik besteht. Dadurch wird die Lebensdauer des Druckventils 101 erhöht bzw. die Ventilfunktion über die Lebensdauer der Hochdruckpumpe 100 gewährleistet.

Mit dem Kavitationsvolumen 50 als Zusatzvolumen vor dem Ventilsitzbereich . also stromaufwärts der Ventilfläche 51, wird eine Zone geschaffen, in welcher der Dampf abseits vom Ventilsitzbereich entstehen kann. In der Ausführung der

Fig.2 umfasst das Kavitationsvolumen 50 ein im Hochdruckventilkolben 40 ausgebildetes Sacklochvolumen 56, das eine Verlängerung der Kolbenbohrung 55 darstellt und rotationssymmetrisch zur Ventilachse 40a gestaltet ist, und drei Verbindungskanäle 57 ausgeführt als Bohrungen zwischen dem

Sacklochvolumen 56 und der Region nahe dem Ventilsitz 15 bzw. nahe der

Ventilfläche 51. Vorzugsweise durchdringt das Sacklochvolumen 56 dabei eine durch die Ventilfläche 51 definierte Ebene E. Dadurch ragt das

Kavitationsvolumen 50 geometrisch betrachtet in einen Bereich stromabwärts des Ventilsitzes 15, wobei es strömungstechnisch betrachtet selbstverständlich immer noch stromaufwärts des Ventilsitzes 15 angeordnet ist. Diese Ausführung definiert das geschlossene Ende sehr deutlich in dem Sacklochvolumen 56.

Fig.3 zeigt einen weiteren Hochdruckventilkolben 40 im Längsschnitt. In dieser Ausführung weist das Kavitationsvolumen 50 eine zur Ventilachse 40a rotationssymmetrische Form auf und ist als umlaufende Nut 59 am

Hochdruckventilkolben 40 unmittelbar benachbart zur Ventilfläche 51

ausgebildet. In weiterführenden Ausbildungen weist der Hochdruckventilkolben sowohl ein Sacklochvolumen 56 mit Verbindungskanälen 57 als auch eine Nut 59 als Kavitationsvolumen 50 auf.