Beschreibung

Titel

Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Einlassventileinrichtung mit einem Ventilelement, einem Ventilsitz für das Ventilelement und einem Betätigungsstößel, der das Ventilelement zwangsweise in eine öffhungsrichtung drücken kann.

Es ist bekannt, Hochdruckpumpen mit derartigen Einlassventileinrichtungen, die auch als

Mengensteuerventile bezeichnet werden, auszuführen. Derartige bekannte Mengensteuerventile weisen Mittel zur genauen radialen Führung eines Betätigungsstößels auf und umfassen üblicherweise ein Ventilelement mit Flachsitz. Außerdem können sie zur Beeinflussung einer Förderrate der Hochdruckpumpe durch Bestromung einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zwangsweise in einer Offenstellung gehalten bzw. in eine solche gebracht werden. Derartige Mengensteuerventile werden daher auch als stromlos geschlossene Mengensteuerventile bezeichnet.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer

Brennkraftmaschine zu schaffen, die noch kostengünstiger herstellbar ist und einen geringeren Verschleiß und somit eine höhere Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruckpumpe mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt. Für die Erfindung wichtige Merkmale gehen ferner aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die Merkmale allein oder in unterschiedlichen Kombinationen wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.

Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe wird durch die genauere Positionierung des Ventilelements gegenüber dem Ventilsitz ein gleichmäßigerer Fluidstrom am gesamten Umfang des

Ventilelements erzielt. Dies fuhrt zu einer geringeren Verwirbelung eines am Ventilelement vorbeifließenden Kraftstoffes, so dass sich ein höherer Durchfluss bei geöffneter Einlassventileinrichtung ergibt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, dass die Positionierungsmittel einen am Ventilelement vorhandenen balligen, vorzugsweise kugelsegmentartigen ersten Kontaktbereich umfassen. Eine kugelartige Form des Ventilelements ermöglicht eine Verringerung der Strömungsumlenkung bei geöffneter Einlassventileinrichtung, so dass die Durchflussrate weiter erhöht werden kann. Ferner lassen sich mit Hilfe eines balligen beziehungsweise kugelsegmentförmigen Kontaktbereichs die Positionierungsmittel besonders einfach realisieren. Es brauchen insbesondere keine zusätzlichen Bauteile vorgesehen zu werden.

Andererseits kann auch vorgesehen werden, dass die Positionsmittel einen am Ventilelement vorhandenen konischen ersten Kontaktbereich umfassen. Auf diese Weise kann eine einfach, schnell und kostengünstig herstellbare Hochdruckpumpe bereitgestellt werden.

Ferner ist bevorzugt, dass die Positionierungsmittel einen am Ventilsitz vorhandenen zweiten Kontaktbereich umfassen, der zu dem ersten Kontaktbereich komplementär und/oder konisch ausgebildet ist. Dadurch wird ein zuverlässiges und reproduzierbares Schließen der Einlassventileinrichtung bei geringem Verschleiß und somit einer hohen Dauerfestigkeit erreicht. Werden der erste Kontaktbereich des Ventilelements ballig und der zweite Kontaktbereich des Ventilsitzes konisch ausgebildet, sind aufwändige Fertigungsschritte, wie beispielsweise Schleifvorgänge, nicht unbedingt erforderlich.

Der Betätigungsstößel kann in einem Gehäuse der Einlassventileinrichtung oder der Hochdruckpumpe mit radialem Spiel "fliegend" gelagert sein. Es wird also auf eine genaue radiale Führung des Betätigungsstößels verzichtet, was die Herstellung vereinfacht. Dadurch ergibt sich aufgrund einer Verringerung einer Reibung eine bessere Beweglichkeit des Betätigungsstößels in axialer Richtung und somit eine schnell schaltende Einlassventileinrichtung. Des Weiteren werden die für die radiale Führung erforderlichen Bauteile entbehrlich, so dass die Teilezahl und somit die Herstellkosten der Hochdruckpumpe reduziert werden.

Es kann vorgesehen werden, dass der Betätigungsstößel und das Ventilelement zwei separate Teile sind, die zumindest bei zwangsweise in öffhungsrichtung gedrücktem Ventilelement mittels radial wirkender Fixiermittel zueinander radial fixiert sind. Die Ausgestaltung durch zwei separate Teile erleichtert die Fertigung dieser Teile und ihre Montage. Dennoch wird vermieden, dass sich bei

zwangsweise geöffneter Einlassventileinrichtung das Ventilelement und der Betätigungsstößel relativ zueinander dezentrieren. Eine gleichmäßige Umströmung des Ventilelements ist also nicht nur bei selbsttätig geöffneter, sondern auch bei zwangsweise geöffneter Einlassventileinrichtung gewährleistet.

Die radialen Fixiermittel können einen Zapfen an einem Teil und eine komplementäre Ausnehmung am anderen Teil umfassen. Dies stellt eine zuverlässig arbeitende und verschleißarme Realisierungsform der Fixiermittel dar. Die Herstellung ist besonders einfach, wenn der Zapfen am Betätigungsstößel und die komplementäre Ausnehmung am Ventilelement vorgesehen wird.

Es ist besonders bevorzugt, dass Zapfen und Ausnehmung konisch sind. Derartige Fixiermittel lassen sich nämlich besonders einfach herstellen und arbeiten dennoch zuverlässig, da eine aufgetretene Dezentrierung sicher beseitigt werden kann.

Wird vorgesehen, dass die Hochdruckpumpe an einem vom Ventilelement abgewandten Ende des Betätigungsstößels eine Dämpfungsfeder aufweist, dann wird ein harter Anschlag des

Betätigungsstößels beim Schließen der Ventileinrichtung vermieden. Dies fuhrt zu einer weiteren Verringerung des Verschleißes und von Betriebsgeräuschen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, dass an einer von dem Betätigungsstößel abgewandten Seite des Ventilelements eine Ventilfeder angeordnet ist, welche das Ventilelement in Schließrichtung beaufschlagt, und dass die Dämpfungsfeder und die Ventilfeder derart zusammenwirken, dass eine Bewegung des Betätigungsstößels in Schließrichtung zumindest ab einem bestimmten Resthub gedämpft wird. Durch eine solche Abstimmung der Dämpfungsfeder und der Ventilfeder wird ein zuverlässiges Schließen der Ventileinrichtung, das heißt das Aufsitzen des Ventilelements auf dem Ventilsitz, gewährleistet, und zugleich die Rücklaufbewegung des Betätigungsstößels beim Schließen der zunächst zwangsweise geöffneten Einlassventileinrichtung gedämpft.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden exemplarische Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung unter

Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Gleiche Elemente tragen dieselben Bezugszeichen und werden in der Regel nur einmal im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung:

Figur 1 ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckpumpe gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung

- A -

Figur 2 eine Einlassventileinrichtung der Hochdruckpumpe von Figur 1 in einem geschlossenen Zustand;

Figur 3 ein Detail von Figur 2 bei selbsttätig geöffneter Einlassventileinrichtung;

Figur 4 eine Darstellung ähnlich Figur 3, jedoch bei zwangsweise geöffneter Einlassventileinrichtung; und

Figur 5 ein weiteres Detail von Figur 2 bei zwangsweise geöffneter Einlassventileinrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark schematischen

Darstellung. Eine Hochdruckpumpe 3 ist stromaufwärts über eine Saugleitung 4, eine Vorförderpumpe 5 und eine Niederdruckleitung 7 mit einem Kraftstofftank 9 verbunden. Stromabwärts ist an die Hochdruckpumpe 3 über eine Hochdruckleitung 11 ein Hochdruckspeicher 13 („Rail" 13) angeschlossen. Die Hochdruckpumpe 3 weist eine Einlassventileinrichtung 14 mit einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 auf. Die Einlassventileinrichtung 14 ist hydraulisch zwischen der Niederdruckleitung 7 und einem Pumpenzylinder 17 angeordnet. Dabei sind Einlassöffnungen 16 der Einlassventileinrichtung 14 an die Niederdruckleitung 7 angeschlossen, und der Pumpenzylinder 17 ist mit Auslassöffnungen 18 der Einlassventileinrichtung 14 verbunden. Der Pumpenzylinder 17 und die Hochdruckleitung 11 sind über ein als Rückschlagventil ausgeführtes Auslassventil 19 miteinander verbunden. Der Pumpenzylinder 17 und ein in diesem verschiebbar gelagerter Kolben 21 begrenzen einen Arbeitsraum 23. Der Kolben 19 ist von einem Exzenterabschnitt 25 einer Antriebswelle (ohne Bezugszeichen) beaufschlagt.

Beim Betrieb des Kraftstoffsystems 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 9 in die Niederdruckleitung 7. Der Kolben 21 bewegt sich, angetrieben von dem rotierenden

Exzenterabschnitt 25 (Pfeil 27) hin und her, was zu einem sich periodisch wiederholenden Vergrößern und Verkleinern des Arbeitsraumes 23 führt. Vergrößert sich der Arbeitsraum 23, befindet sich der Kolben 21 also in einem Saughub, dann wird Kraftstoff über die Einlassventileinrichtung 15 in den Arbeitsraum eingesaugt. Dabei öffnet sich die Emiassventileinrichtung 14 aufgrund eines durch den Saughub verursachten Druckunterschieds zwischen den Einlassöffnungen 16 und den

Auslassöffnungen 18 selbsttätig und verbindet so die Niederdruckleitung 7 mit dem Pumpenzylinder 17. Bei einem Verkleinern des Arbeitsraums 23 (Kolben 21 befindet sich in einem Förderhub) wird der im Arbeitsraum 23 befindliche Kraftstoff mit einem Druck beaufschlagt. Dieser Druck wirkt auch auf die Einlassventileinrichtung 14 und das Auslassventil 19 ein. Wird die Betätigungseinrichtung 15 der Einlassventileinrichtung 14 nicht bestromt, dann kann letztere am Ende der Saugphase aufgrund der Kraft einer Ventilfeder 45 (siehe Figur 2) selbsttätig schließen. Wird der öffnungsdruck des

Auslassventils 19 überschritten, öffnet dieses, sodass der Kraftstoff in die Hochdruckleitung 11 gefördert wird.

Um eine Förderrate der Hochdruckpumpe 3 zu begrenzen, kann während des Saughubs die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 15 bestromt werden, sodass die Einlassventileinrichtung 14 auch am Beginn des auf den Saughub folgenden Förderhubs zwangsweise geöffnet bleibt. Der Kraftstoff wird dann wieder zurück in die Niederdruckleitung 7 gefördert. Wenn noch während des Förderhubs die Bestromung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 beendet wird, schließt die Einlassventileinrichtung 14, und der noch im Arbeitsraum 23 verbliebene Kraftstoff wird über das Auslassventil 19 in die Hochdruckleitung 11 gefördert. Durch Wahl des Zeitpunkts, zu dem die

Bestromung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 beendet wird, wird also das wirksame Fördervolumen eines Förderhubs festgelegt.

Figur 2 zeigt den Aufbau der Einlassventileinrichtung 14. Diese weist ein Ventilelement 31, einem Ventilsitz 33 sowie einen Betätigungsstößel 35 auf. Der Betätigungsstößel 35 ist radial innerhalb eines Gehäuses 37 mit erheblichem Spiel von bis zu einigen zehntel Millimetern geführt. Das Ventilelement 31 weist bei geöffneter Einlassventileinrichtung 14 ebenfalls ein radiales Spiel auf. In diesem Sinne sind das Ventilelement 31 und der Betätigungsstößel 35 außerhalb ihrer geschlossenen Endstellungen „fliegend" innerhalb der Einlassventileinrichtung 14 gelagert.

Bezogen auf die Darstellung in Figur 2 befinden sich im Gehäuse 37 oberhalb des Ventilelements 31 die Einlassöffhungen 16, die radial verlaufen, und in welche Kraftstoff aus der Niederdruckleitung 7 einströmen kann. Die Einlassöffnungen 16 verlaufen rechtwinklig zu einer Längsachse 39. Während in dem in Figur 2 gezeigten Betriebszustand an einer Oberseite 41 des Ventilelements 31 der Betätigungsstößel 35 aufliegt, ist an einer Unterseite 43 des Ventilelements 31 eine Ventilfeder 45 angeordnet, welche von einem gehäusefesten Federhalter 47 gehalten wird. Der Federhalter 47 weist die Auslassöffnungen 18 auf.

Das Ventilelement 31 weist an seiner Oberseite 41 einen ersten kugelsegmentförmigen, konvexen Kontaktbereich 49 auf. Ein zweiter Kontaktbereich 51 des Ventilsitzes 33 weist eine zur Form des ersten Kontaktbereichs 49 komplementäre, kugelsegmentartige und konkave Form auf. Die beiden Kontaktbereiche, 49, 51 bilden zusammen Positionierungsmittel 52, die das Ventilelement 31 am Ventilsitz 33 zentrieren. In einer nicht gezeigten Ausführungsform sind der zweite Kontaktbereich 51 konisch und der erste Kontaktbereich 49 weiterhin kugelsegmentförmig, und in einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform sind beide Kontaktbereiche 49, 51 konisch. Grundsätzlich kann anstelle einer kugelsegmentartigen Form auch eine andere ballige Form des ersten Kontaktbereichs 49

beziehungsweise des zweiten Kontaktbereichs 51 vorgesehen werden, wobei letztere Form auf die erstere abgestimmt sein muss, um ein zuverlässiges Schließen der Einlassventilvorrichtung 14 zu gewährleisten.

An seinem dem Ventilelement 31 zugewandten Ende weist der Betätigungsstößel 35 einen konischen Zapfen 53 auf. Außerdem ist in der Oberseite 41 des Ventilelements 31 eine Ausnehmung 55 vorhanden, deren Form komplementär zur konischen Form des Zapfens 53 ist. Der Zapfen 53 und die Ausnehmung 55 bilden radiale Fixiermittel 57.

An seiner vom Ventilelement 31 abgewandten Seite weist der Betätigungsstößel 35 einen mit ihm fest verbundenen Anker 59 auf. Dieser ist innerhalb einer Kapsel 61 entlang der Längsachse 39 hin und her bewegbar. Um die Kapsel 61 herum ist gegenüber dem Anker 59 etwas nach unten zum Ventilelement 31 hin versetzt eine Spule 63 angeordnet, die nach außen von einem Gehäusemantel 65 und einer Abdeckscheibe 67 überdeckt wird. Zwischen dem Anker 59 und dem Gehäuse 37 befindet sich eine Restluftspaltscheibe 69, durch welche der Betätigungsstößel 35 hindurchragt. Auf seiner vom Gehäuse 37 abgewandten Seite weist der Anker 59 eine Aussparung 71 auf, in welcher sich eine Dämpfungsfeder 73 je nach Betriebszustand der Einlassventilemrichtung 14 entweder teilweise oder vollständig befindet. Ferner weist die Einlassventileinrichtung 14 ein mit der Spule 63 elektrisch verbundenes Steckelement 75 zum elektrischen Anschluss der Spule 63 beispielsweise an ein Steuergerät auf. Die Einlassventileinrichtung 14 weist also eine Magnetgruppe 77 auf, welche das Steckelement 75, die Spule 63, den Gehäusemantel 65 sowie die Abdeckscheibe 67 umfasst.

Im Folgenden wird anhand der Figuren 2 bis 5 die Funktionsweise der Einlassventileinrichtung 14 in einzelnen Betriebszuständen (geschlossen, selbsttätig geöffnet und zwangsweise geöffnet) näher erläutert.

Der in Figur 2 gezeigte geschlossene Zustand der Einlassventilemrichtung 14 tritt auf, wenn die Einlassventileinrichtung 14 unbestromt ist, also kein Strom durch die Spule 63 fließt und eine Druckdifferenz zwischen einem Druck an den Einlassöffnungen 16 und einem Druck an den Auslassöffnungen 18 gering oder Null ist. In diesem Fall ist eine von der Ventilfeder 45 auf das

Ventilelement 31 gegen eine öffnungsrichtung 79 ausgeübte Kraft größer als die Summe der durch die Dämpfungsfeder 73 über den Betätigungsstößel 35 auf das Ventilelement 31 ausgeübten Kraft und der durch die Druckdifferenz auf das Ventilelement 31 in die öffnungsrichtung 79 ausgeübten Kraft. Es ergibt sich somit eine resultierende, gegen die öffnungsrichtung 79 wirkende Kraft, welche das Ventilelement 31 gegen den Ventilsitz 33 drückt.

Befindet sich der Kolben 21 im Saughub, so verringert sich der an den Auslassöffhungen 18 der Einlassventileinrichtung 14 herrschender Druck und die Druckdifferenz zwischen den Einlassöffnungen 16 und den Auslassöffnungen 18 erhöht sich. Erreicht die Summe aus der Kraft der Dämpfungsfeder 73 und der auf das Ventilelement 31 ausgeübten Druckkraft einen Wert, der die Kraft der Ventilfeder 45 übersteigt, dann bewegt sich das Ventilelement 31 vom Ventilsitz 33 weg, und die Einlassventileinrichtung 14 öffnet. Die öffnungsbewegung des Ventilelements 31 verläuft im Idealfall parallel zur Längsachse 39. Allerdings kann aufgrund von Querkräften, welche durch die Ventilfeder 45 oder durch eine asymmetrische Umströmung des Ventilelements 31 verursacht werden können, das Ventilelement 31 auch leicht gekippt öffnen, das heißt es kann zu einem Abweichen der Richtung der öffnungsbewegung von dem zur Längsachse 39 parallelen Verlauf kommen. Nach dem öffnen der Einlassventileinrichtung 14 bewegt sich der aufgrund seiner relativ hohen Masse im Vergleich zum Ventilelement 31 träge Betätigungsstößel 35 angetrieben von der Dämpfungsfeder 73 etwas zum Ventilelement 31 hin, ohne dieses zu berühren. Es stellt sich der in Figur 3 gezeigte Zustand ein.

Soll beim Betrieb der Hochdruckpumpe eine Förderrate der Hochdruckpumpe verringert werden, dann wird üblicherweise bereits während des Saughubs die Spule 63 bestromt. Durch die Bestromung entsteht im Anker 59 ein magnetischer Fluss, der dazu führt, dass sich dort eine Magnetkraft aufbaut, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse 39 zum Ventilelement 31 hin - also in die öffnungsrichtung 79 - wirkt. Aufgrund der Magnetkraft bewegt sich der Anker 59 samt Betätigungsstößel 35 zum Ventilelement 31 hin. Je weiter sich auch der Betätigungsstößel 35 zum Ventilelement 31 hin bewegt, desto tiefer ragt der Zapfen 53 des Betätigungsstößels 35 in die Ausnehmung 55 des Ventilelements 31 hinein. Dadurch wird ein radialer Bewegungsfreiraum des Ventilelements 31 gegenüber dem Betätigungsstößel 35 sukzessive verringert, bis er schließlich, wenn der Betätigungsstößel 35 wie in Figur 4 gezeigt auf dem Ventilelement 31 aufsitzt, zumindest annähernd zu Null wird. Die aus dem Zapfen 53 und der

Ausnehmung 55 gebildeten Fixiermittel 57 bewirken also, dass der Betätigungsstößel 35 und das Ventilelement 31 im zwangsweise geöffneten Betriebszustand der Einlassventileinrichtung 14 radial zueinander fixiert sind.

Wie in Figur 5 dargestellt, ist die Dämpfungsfeder 73 im zwangsweise geöffneten Betriebszustand der Einlassventileinrichtung 14 mit einer geringen Kraft vorgespannt. In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist die Dämpfungsfeder 73 im zwangsweise geöffneten Betriebszustand der Einlassventilvorrichtung 14 vollständig entspannt, und es ergibt sich an einem oder an beiden Enden der Dämpfungsfeder 73 ein Spalt.

Wird der durch die Spule 63 fließende Strom wieder abgeschaltet, dann baut sich die auf den Anker 59

wirkende Magnetkraft ab, und die Ventilfeder 45 drückt das Ventilelement 31 parallel zur Längsachse 39 zum Ventilsitz 33 hin. Dabei verringert sich während der Bewegung des Ventilelements 31 nach und nach aufgrund der kugeligen Form der beiden Kontaktbereiche 49, 51 ein radiales Spiel des Ventilelements 31 gegenüber dem Ventilsitz 33. Das Ventilelement 31 wird also während der Schließbewegung gegenüber dem Ventilsitz 35 zentriert.

Am Ende der Schließbewegung drückt der Anker 59 die Dämpfungsfeder 73 gegen die Kapsel 61, so dass die Dämpfungsfeder 73 zusammengedrückt und die Bewegung des Betätigungsstößels 35 gedämpft wird; es stellt sich dann wieder der in Figur 2 gezeigte Zustand der Einlassventileinrichtung 14 ein. Die Ventilfeder 45 und die Dämpfungsfeder 73 sind so aufeinander abgestimmt, dass einerseits die Bewegung des Betätigungsstößels 35 und des Ankers 59, die zusammen eine verhältnismäßig hohe Masse aufweisen, so gedämpft wird, dass der Anker 59 nicht hart an der Kapsel 61 anschlägt, und andererseits die Ventileinrichtung 14 zuverlässig schließt.