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EP3529492A1 - Hochdruckpumpe für ein kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Hochdruckpumpe für ein kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number
EP3529492A1
EP3529492A1 EP17778194.5A EP17778194A EP3529492A1 EP 3529492 A1 EP3529492 A1 EP 3529492A1 EP 17778194 A EP17778194 A EP 17778194A EP 3529492 A1 EP3529492 A1 EP 3529492A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
pressure
piston
valve seat
pressure pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP17778194.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3529492B1 (de
Inventor
Thomas Muellner
Dominik SCHWAIGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3529492A1 publication Critical patent/EP3529492A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3529492B1 publication Critical patent/EP3529492B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/0404—Details or component parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure pump, in particular for a
  • Fuel injection system with a pressure valve.
  • the high-pressure pump compresses a fluid, in particular fuel.
  • the published patent application DE 2014 10 218 488 A1 discloses a high-pressure pump of a fuel injection system.
  • the high-pressure pump serves to convey high-pressure fluid, in particular fuel.
  • the known high-pressure pump comprises a volume-variable compression chamber and a pressure valve.
  • the pressure valve has a valve surface formed on a high-pressure valve piston and a valve carrier formed on a valve carrier
  • Valve seat on.
  • the valve face cooperates with the valve seat and thereby opens and closes a hydraulic connection from the compression space to a high pressure bore.
  • the high-pressure pump according to the invention reduces the risk of
  • the high-pressure pump comprises a variable volume
  • the pressure valve has a valve surface formed on a high-pressure valve piston and a valve seat formed on a valve carrier.
  • the valve face cooperates with the valve seat and thereby opens and closes a hydraulic connection from the valve seat
  • the function of the cavitation volume is the displacement of vapor formation in a region which is far enough away from the valve seat or the valve surface.
  • the cavitation volume represents a closed end for the flow when the hydraulic connection is closed
  • the cavitation volume is an extension of a piston bore formed in the high-pressure valve piston.
  • a Saugventilkolben is longitudinally movably guided, wherein the Saugventilkolben its longitudinal movement opens and closes another hydraulic connection.
  • a suction valve is realized, which is arranged to save space, at least partially in the pressure valve.
  • the suction valve piston preferably cooperates with a further valve seat formed on the valve carrier. The piston bore and the cavitation volume can thus be manufactured together in one production step.
  • the cavitation volume comprises a
  • connection channels open directly into the hydraulic connection immediately upstream of the valve seat or the valve surface, so that the area of the valve seat fluidly seen no
  • the cavitation volume is designed as a circumferential groove on the high-pressure valve piston, or the cavitation volume comprises a circumferential groove formed on the high-pressure valve piston.
  • the circumferential groove is preferably immediately upstream of the
  • Valve seat arranged and on the outer surface of the
  • High-pressure valve piston formed. As a result, the flow volume upstream of the valve seat is increased and the region of the vapor formation or the closed end displaced away from the valve seat.
  • This embodiment can be combined with the previously described, which comprises a blind hole volume.
  • the cavitation volume protrudes through a plane defined by the valve seat.
  • the cavitation volume is particularly pronounced as a closed end and designed accordingly effective, so that the vapor formation is displaced away from the valve seat.
  • individual or all sub-areas - for example, blind hole volume and circumferential groove - protrude through the plane.
  • FIG.l shows a longitudinal section of a known from the prior art high-pressure pump, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a high pressure valve piston of a pressure valve of a high pressure pump according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
  • FIG 3 shows a longitudinal section of another high-pressure valve piston of a pressure valve of a high pressure pump according to the invention, wherein only the essential areas are shown.
  • Fig.l shows a longitudinal section of a high pressure pump 100 of a
  • the high-pressure pump 100 is known from the prior art and serves to supply not shown injectors with fuel under high pressure, which can be done directly or via a common rail.
  • the housing of the high-pressure pump 100 consists of a cylinder housing 1 and a cylinder head 2 bolted thereto.
  • a valve housing 3 is screwed into the cylinder housing 1, which is sealed to the cylinder head 2.
  • a camshaft not shown, is rotatably mounted, which forms the drive of the high-pressure pump 100.
  • Camshaft cooperates, guided in a longitudinal direction 90 which is perpendicular to the camshaft.
  • valve carrier 10 Within the valve housing 3, in the area facing away from the camshaft, a valve carrier 10 and a valve piece 20, both of substantially cylindrical shape, are braced in the longitudinal direction 90.
  • the cylinder head 2 bolted to the cylinder housing 1 and the cylinder housing 1 with the valve housing 3.
  • the valve carrier 10 is positioned on an outer circumferential surface 14 within the valve housing 3. Furthermore, the valve carrier 10 acts on a first end face 18 with a first bearing surface 30 of the
  • Valve housing 3 and at a second end face 19 with a first sealing surface
  • valve piece 20 also acts on a second sealing surface 28 with a second bearing surface 29 of the cylinder head 2 together.
  • a compression chamber 6 is formed, which is hydraulically connected via formed in the valve carrier 10 Rudbohrept 13 with an annular space formed in the valve carrier 10.
  • the filling holes 13 extend in the direction of the longitudinal axis of the valve carrier 10. Hydraulically, the filling holes 13 and the annular space 12 are an extension of the compression chamber 6, since they are permanently connected thereto.
  • valve carrier 10 extends from the annular space 12, a first bore 11 for
  • Valve member 20 and there opens into a second bore 21 which is formed in the valve member 20 and which in turn formed in a cylinder head 2 in the
  • High-pressure bore 9 opens.
  • the high-pressure bore 9 leads either to an unillustrated common rail of the fuel injection system or into one or more injectors, not shown, of the fuel injection system.
  • valve carrier 10 Within the valve carrier 10 and the valve member 20 valve functions are realized which open and close a hydraulic connection and another hydraulic connection:
  • a high-pressure valve piston 40 which is guided in the first bore 11 and biased by a high-pressure valve spring 42 against the valve carrier 10, opens and closes the hydraulic connection 45 by a on the
  • High-pressure valve piston 40 formed valve surface 51 with a on the
  • Valve carrier 10 formed valve seat 15 cooperates. The first
  • Suction valve piston 41 formed further valve seat 46 opens and closes.
  • the low-pressure bore 17 is hydraulically connected at least indirectly to a fuel tank, not shown, or a prefeed pump, not shown, and serves to fill the annular space 12 and compression chamber 6 during the suction cycle of the high-pressure pump 100, or during the
  • volume of the compression chamber 6 expands.
  • the operation of the high-pressure pump 100 is as follows:
  • the camshaft converts due to its cam
  • Compression space 6 minimally (similar to the state shown in Fig.l state) and thus the fuel contained therein maximally compressed.
  • High pressure valve piston 40 and valve carrier 10 and the hydraulic connection 45 is opened as long as the hydraulically resulting force on the
  • High pressure valve piston 40 against the longitudinal direction 90 is greater than the force of the high pressure valve spring 42, i. if the difference between the pressure in
  • Annulus 12 and the pressure in the high pressure bore 9 is so large that the resulting hydraulic force on the high pressure valve piston 40 is greater than the spring force of the high pressure valve spring 42.
  • the injectors and the common rail are filled with high pressure fuel.
  • a rotation of the camshaft now causes the pump piston 5 to move in the longitudinal direction 90. This expands the volume of the
  • Compression chamber 6 and the fuel in the compression chamber 6 relaxes and thus also the fuel in the filling holes 13, in the annular space 12, in the first bore 11 and in the piston bore 55.
  • With decreasing pressure in the first bore 11 and the hydraulically resulting opening force decreases the high pressure valve piston 40 so that it is pressed with its valve face 51 by the force of the high pressure valve spring 42 in the valve seat 15 and the hydraulic connection 45 within the first bore 11 closes.
  • the fuel in the compression chamber 6, in the filling holes 13 and in the annular space 12 can now be further relaxed, without at the same time the pressure in the second bore 21 and the high-pressure bore 9 drops.
  • Low pressure hole 17 drops, which is usually about 5 bar. From a certain pressure difference, the hydraulic force in the annular space 12 and the force of the Saugventilfeder 43 on the Saugventilkolben 41 is no longer sufficient to push the Saugventilkolben 41 against the other valve seat 46. The hydraulic force in the low-pressure bore 17 opens the further hydraulic connection between the valve carrier 10 and the Saugventilkolben 41 against the force of the Saugventilfeder 43. Thus, fuel flows over the
  • Valve carrier 10 is thereby closed and the filling process terminated.
  • the pump piston 5 is now moved by the further rotation of the camshaft, not shown, from its bottom dead center position counter to the longitudinal direction 90 in its upper dead center. This will increase the volume of the
  • Compaction space 6 is reduced and compressed with closed valve seat 15 and closed another valve seat 46 of the fuel in the compression chamber 6, filling holes 13, annulus 12, first bore 11 and piston bore 55 to the valve seat 15. The compression takes place until the pressure in the annular space 12, the pressure in the second bore 21 and in the
  • High-pressure bore 9 exceeds so far that the hydraulically resulting
  • Opening force on the high pressure valve piston 40 against the longitudinal direction 90 is greater than the closing force of the high pressure valve spring 42 and the valve seat 15 and the hydraulic connection 45 opens. Thereafter, the compressed fuel flows from the annulus 12 through the first
  • the described operation of the high-pressure pump 100 shows that the volumes upstream of the hydraulic connection 45 per
  • Camshaft rotation between a low pressure state and a high pressure state are cyclically loaded. As a result, the local velocities of the fluid undergo major changes in the local environment
  • the immediate flow region upstream of the valve seat 15 is a closed end when the pressure valve 101 is closed. Especially with the ends closed, the pressure drops below the pressure Vapor pressure for vapor formation because the fluid does not flow in the direction of the closed end. When opening the hydraulic connection 45 there is thus a risk of cavitation erosion on the valve seat 15
  • valve seat 15 adjacent walls, in particular on the valve seat 15 itself, the valve carrier 10 and the high-pressure valve piston 40th
  • the object of the invention is to use a valve geometry, which erosion in the valve seat area in almost all operating conditions of
  • High-pressure pump 100 avoids, so that in consequence it does not come to the loss of the valve sealing function. This is achieved by forming a cavitation volume upstream of the valve seat 15.
  • Cavitation volume 50 the closed end of the flow geometry is moved to a position away from the valve seat 15.
  • the essential shortcoming of the cavitation erosion occurring in the valve seat area is eliminated, which consists in the prior art.
  • the service life of the pressure valve 101 is increased or the valve function is ensured over the service life of the high-pressure pump 100.
  • the cavitation volume 50 comprises a blind hole volume 56 formed in the high-pressure valve piston 40, which constitutes an extension of the piston bore 55 and is designed to be rotationally symmetrical with respect to the valve axis 40a, and three connecting channels 57 designed as bores between them
  • Valve surface 51 Preferably, the blind hole volume 56 penetrates a plane defined by the valve surface 51 level E. This protrudes
  • the cavitation volume 50 has a shape that is rotationally symmetrical with respect to the valve axis 40 a and is in the form of a circumferential groove 59 a
  • the high-pressure valve piston has both a blind hole volume 56 with connecting channels 57 and a groove 59 as cavitation volume 50.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Hochdruckpumpe (100) zum Fördern von unter Hochdruck stehendem Fluid, wobei die Hochdruckpumpe (100) einen volumenveränderbaren Verdichtungsraum (6) und ein Druckventil (101) umfasst. Das Druckventil (101) weist eine an einem Hochdruckventilkolben (40) ausgebildete Ventilfläche (51) und einen an einem Ventilträger (10) ausgebildeten Ventilsitz (15) auf. Die Ventilfläche (51) wirkt mit dem Ventilsitz (15) zusammen und öffnet und schließt dadurch eine hydraulische Verbindung von dem Verdichtungsraum (6) zu einer Hochdruckbohrung (9). Stromaufwärts des Ventilsitzes (15) ist ein Kavitationsvolumen (50) in dem Hochdruckventilkolben (40) ausgebildet.

Description

Titel
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.

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckpumpe (100) zum Fördern von unter Hochdruck stehendem Fluid, wobei die Hochdruckpumpe (100) einen volumenveränderbaren
Verdichtungsraum (6) und ein Druckventil (101) umfasst, wobei das Druckventil (101) eine an einem Hochdruckventilkolben (40) ausgebildete Ventilfläche (51) und einen an einem Ventilträger (10) ausgebildeten Ventilsitz (15) aufweist, wobei die Ventilfläche (51) mit dem Ventilsitz (15) zusammenwirkt und dadurch eine hydraulische Verbindung von dem Verdichtungsraum (6) zu einer
Hochdruckbohrung (9) öffnet und schließt,
dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Ventilsitzes (15) ein
Kavitationsvolumen (50) in dem Hochdruckventilkolben (40) ausgebildet ist.
2. Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitationsvolumen (50) eine Erweiterung einer im Hochdruckventilkolben (40) ausgebildeten Kolbenbohrung (55) ist, wobei in der Kolbenbohrung (55) ein Saugventilkolben (41) längsbeweglich geführt ist, wobei der Saugventilkolben (41) durch seine Längsbewegung eine weitere hydraulische Verbindung öffnet und schließt.
3. Hochdruckpumpe (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugventilkolben (41) mit einem an dem Ventilträger (10) ausgebildeten weiteren Ventilsitz (46) zusammenwirkt.
4. Hochdruckpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitationsvolumen (50) ein Sacklochvolumen (56) und Verbindungskanäle (57) umfasst.
5. Hochdruckpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitationsvolumen (50) als umlaufende Nut (59) an dem Hochdruckventilkolben (40) ausgeführt ist.
6. Hochdruckpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitationsvolumen (50) eine an dem
Hochdruckventilkolben (40) ausgebildete umlaufende Nut (59) umfasst.
7. Hochdruckpumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitationsvolumen (50) durch eine durch den Ventilsitz (15) definierte Ebene (E) ragt.
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