DE102012200708A1

DE102012200708A1 - Hochdruckpumpe und Verfahren zur Verringerung der Kavitationswirkung in einer Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102012200708A1
Application number: DE201210200708
Authority: DE
Inventors: Andreas Kellner; Falko Bredow; Wolfgang Braun; Dirk Vahle; Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, wobei die Hochdruckpumpe eine von einem Zylinderkopf 1 abgedeckte Zylinderbohrung 2 aufweist, in der ein Pumpenkolben 3 unter Bildung eines Arbeitsraums 10 axial beweglich angeordnet ist, und wobei der Arbeitsraum 10 mit einem Einlassventil 8 und einem Auslassventil 9 verschaltet ist. Erfindungsgemäß wird eine Hochdruckpumpe und ein Verfahren zur Verringerung der Kavitationswirkung in einer Hochdruckpumpe angegeben, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind. Erreicht wird dies dadurch, dass der Arbeitsraum 10 in ein erstes Teilvolumen 6a und ein zweites Teilvolumen 6b unterteilt ist, die in Abhängigkeit des Hubes des Pumpenkolbens 3 von diesem zumindest teilweise ausgefüllt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem in einer Brennkraftmaschine, wobei die Hochdruckpumpe eine von einem Zylinderkopf abgedeckte Zylinderbohrung aufweist, in der ein Pumpenkolben unter Bildung eines Arbeitsraums axial beweglich angeordnet ist, und wobei der Arbeitsraum mit einem Einlassventil und einem Auslassventil verschaltet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der Kavitationswirkung in einer solchen Hochdruckpumpe.
Stand der Technik
Eine derartige Hochdruckpumpe ist aus der DE 101 38 362 A1 bekannt. Diese Hochdruckpumpe ist als Einstempel- Einspritzpumpe für schnelllaufende Brennkraftmaschinen ausgelegt, die, bedingt durch ihre kompakte Bauweise und dem guten volumetrischen Wirkungsgrad in Verbindung mit einer hohen Oszillationsfrequenz des Pumpenkolbens, eine einer Mehrstempel-Einspritzpumpe vergleichbare Fördermenge hat, ohne das die Drehmomentspitzen beim Antrieb der Einstempel- Einspritzpumpe unzulässig hoch werden. Weiterhin ist in einem Ablauf ein als Niederdruckspeicher wirkender Druckentlastungsraum vorgesehen, so dass eine besonders kompakte Bauweise mit entsprechend geringen Totvolumen erreicht wird und wobei der Niederdruckspeicher die Befüllung des Pumpenzylinders während des Saughubs unterstützt. Durch diese Maßnahme soll eine Kavitation weitgehend vermieden werden.
Eine weitere Hochdruckpumpe ist aus der DE 10 2007 038 426 A1 bekannt. Diese Hochdruckpumpe weist eine volumetrische Ausgleichs- und/oder Dämpfungseinrichtung im Niederdruckbereich auf, die ebenfalls eine geringere Kavitation bewirken soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe und ein Verfahren zur Verringerung der Kavitationswirkung in einer Hochdruckpumpe anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Arbeitsraum in einen ersten und einen zweiten Teilraum unterteilt ist, wobei der erste und der zweite Teilraum in Abhängigkeit des Hubs des Pumpenkolbens von diesen zumindest teilweise ausgefüllt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Arbeitsraum in zwei unterschiedlich große erste und zweite Teilräume beziehungsweise Teilvolumen unterteilt ist, dass die Teilvolumen in Abhängigkeit des Hubs des Pumpenkolbens von diesem zumindest teilweise ausgefüllt werden und das eine Kavitation in dem Teilvolumen ausgelöst wird, das fern von dem Einlassventil und/oder dem Auslassventil angeordnet ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Entstehung von Kavitation in einem Arbeitsraum einer Hochdruckpumpe zumindest nicht vollständig verhindert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Arbeitsraumes mit zwei Teilvolumen wird aber das Entstehen von Kavitation verringert und insbesondere wird die Kavitation gezielt von dem Einlassventil und/oder dem Auslassventil ferngehalten. Durch die Ausbildung des Arbeitsraums in Form von zwei unterschiedlich großen ersten und zweiten Teilvolumen wird die Kavitation vornehmlich in dem kleineren Teilvolumen ausgelöst und dieses Teilvolumen ist fern von dem Einlassventil und/oder dem Auslassventil angeordnet. Dabei ist in dieser allgemeinen Ausführung die Form und Ausbildung des ersten und des zweiten Teilvolumens beliebig.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Zylinderbohrung eine das erste und das zweite Teilvolumen bildende Stufenbohrung, und der Pumpenkolben ist ein mit der Stufenbohrung zusammenwirkender Stufenkolben. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform, die mit einem nur geringen Mehraufwand gegenüber einem herkömmlichen Pumpenkolben und einer herkömmlichen Zylinderbohrung gefertigt werden kann. Die Stufenbohrung und der Stufenkolben sind so ausgebildet, dass im Bereich des oberen Totpunkts des Stufenkolbens dieser weitgehend mit den einzelnen Stufen in die zugehörigen Teilvolumen eingefahren ist, während der Stufenkolben im Bereich des unteren Totpunkts der Stufenkolben mit seinem Teil mit dem geringeren Durchmesser vollständig aus dem entsprechenden ersten Teilvolumen der Stufenbohrung ausgefahren ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen eine verbindende Engstelle angeordnet. Die Ausgestaltung dieser verbindenden und weiterhin kolbenhubabhängigen Engstelle kann in allgemeiner Form beliebig sein und beispielsweise als Drosselbohrung in dem Zylinder oder als eine sonstige geometrische Form ausgebildet sein. In Weiterbildung der Erfindung ist die Engstelle aber ein kolbenhubabhängiger Ringspalt, der zwischen den entsprechenden Abschnitten des Stufenkolbens und der Stufenbohrung gebildet ist. Dabei sind der Ringspalt und die beiden Teilvolumen so aufeinander abgestimmt, dass die Kavitationsblasen in dem ventilfernen Teilvolumen auftreten. Diese Kavitationsblasen können im weiteren Verlauf des Saughubes oder des Kompressionshubes wachsen und nehmen dabei das durch die Kolbenbewegung erzeugte Teilvolumen ein. Kavitationsblasen in dem ventilnahen Teilvolumen werden so vermieden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Kavitationsblasen in erster Linie für eine Beschädigung oder Schädigung der Ventilsitze des entsprechenden Einlassventils oder des Auslassventils bei der entsprechenden Hubbewegung des Pumpenkolbens verantwortlich sind.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Einlassventil und das Auslassventil einem gemeinsamen ersten Teilvolumen zugeordnet. Dieser Ausführungsform ist die bevorzugte Ausführungsform, bei der dann beide Ventile bzw. deren Ventilsitze vor den Auswirkungen der Kavitation geschützt sind, da das Entstehen der Kavitation in den zweiten Teilvolumen ausgelöst wird. Es kann aber in einer alternativen Ausführung auch vorgesehen sein, dass das Einlassventil und das Auslassventil unterschiedlichen Teilvolumen zugeordnet sind. Bei dieser Variante wird in erster Linie der Schutz des Auslassventils angestrebt, dass heißt die Kavitation wird in dem Teilvolumen ausgelöst, in dem das Einlassventil angeordnet ist. Hierbei ist dann die Auslegung der Teilvolumen und der Engstelle so gewählt, das sie Kavitation vor dem Einlassventil in dem zugehörigen Teilvolumen beginnt, wobei das Auslassventil zu diesem Zeitpunkt in dem abgetrennten zweiten Teilvolumen geschützt ist. Die Kavitationsblasen werden von dem Einlassventil bzw. dessen Ventilsitz durch das nachströmende Fluid ferngehalten. Nur nach dem Schließen des Einlassventils können Kavitationsblasen im Sitzbereich des Einlassventils im geringen Umfang kondensieren und hierbei ist das Auftreten von möglichen Schäden zumindest stark abgemildert. Das Auslassventil profitiert nach dem Austauchen des Pumpenkolbensmit der ersten Kolbenstufe aus dem zugehörigen ersten Teilvolumen beziehungsweise der ersten Stufe der Zylinderbohrung ebenfalls von dem durch das Einlassventil nachströmenden Fluid.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des interessierenden Bereichs einer Hochdruckpumpe und
2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des interessierenden Bereichs einer Hochdruckpumpe.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in einer Schnittdarstellung den interessierenden Bereich einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Die Hochdruckpumpe fördert den aus einem Niederdrucksystem zugeführten Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff in einem Hochdruckspeicher, aus dem der Kraftstoff von Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine entnommen wird.
Die Hochdruckpumpe weist eine von einem Zylinderkopf 1 abgedeckte Zylinderbohrung 2 auf, in der ein Pumpenkolben 3 axial beweglich angeordnet ist. Die axiale Auf- und Abbewegung des Pumpenkolbens 3 wird von einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Nockenwelle hervorgerufen, die von der Brennkraftmaschine drehangetrieben ist. Die Drehbewegung der Nockenwelle wird über einen Rollenstößel auf den Pumpenkolben 3 übertragen.
Der Pumpenkolben 3 ist als Stufenkolben mit einer ersten Kolbenstufe 4a und einer zweiten Kolbenstufe 4b ausgebildet. Im Bereich des dargestellten oberen (Bewegungs)-Totpunkts des Pumpenkolbens 3 ragt die erste Kolbenstufe 4a mit der maximalen Eintauchtiefe 11 in eine erste Stufe 5a der als Stufenbohrung ausgebildeten Zylinderbohrung 2 ein und es wird ein erstes Teilvolumen 6a gebildet. Gleichzeitig wirkt eine zweite Kolbenstufe 4b mit einer zweiten Stufe 5b der Zylinderbohrung 2 zusammen und es wird ein zweites Teilvolumen 6b gebildet. Das erste Teilvolumen 6a und das zweite Teilvolumen 6b sind über eine Engstelle 7, die durch einen Ringspalt zwischen der ersten Kolbenstufe 4a des Pumpenkolbens 3 und der ersten Stufe 5a der Zylinderbohrung 2 gebildet ist, miteinander verbunden und bilden zusammen einen Arbeitsraum 10. Die Engstelle 7 ist so ausgebildet, das zumindest in einem geringen Umfang Kraftstoff entlang der Engstelle 7 strömen kann. In dem Zylinderkopf 1 sind ein Einlassventil 8 und ein Auslassventil 9 angeordnet. Über das Einlassventil 8 ist der Arbeitsraum 10 mit dem Niederdrucksystem des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden, während der Arbeitsraum 10 über das Auslassventil 9 mit dem Hochdruckspeicher verschaltet ist.
Bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 3 aus der dargestellten oberen Totpunktlage öffnet das Einlassventil 8 und es strömt Kraftstoff in das erste kavitationsfreie Teilvolumen 6a. Kaviation entsteht in dem zweiten Teilvolumen 6b, das aber von dem ersten Teilvolumen 6a durch die Engstelle 7 getrennt ist. Erst nach einem gewissen Kolbenhub des Pumpenkolbens 3 werden das erste Teilvolumen 6a und das zweite Teilvolumen 6b dadurch, dass der Pumpenkolben 3 mit der Kolbenstufe 4a aus der ersten Stufe 5a der Zylinderbohrung 2 ausfährt, mit dem zweiten Teilvolumen 6b verbunden, um das eigentliche Fördervolumen der Hochdruckpumpe bereitzustellen beziehungsweise zu ermöglichen.
Unterbleibt die Nachförderung von Kraftstoff zum Ende des Saughubes über das Einlassventil 8, ist auch in dem Einlassventil nahe Bereich bzw. dessen Ventilsitzbereich ein Auftreten von Kaviation möglich, die aber durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hochdruckpumpe minimal ist.
Während der Kompressionsphase steigt der Druck aufgrund der Bewegung des Pumpenkolbens 3 zuerst in dem zweiten Teilvolumen 6b beziehungsweise der Stirnseite zweiten Kolbenstufe 4b an. Das Teilvolumen 6b ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als das Teilvolumen 6a. Die im Wesentlichen im Teilvolumen 6b vorhandenen Kaviationsblasen kondensieren also in diesem Bereich fern des Einlassventils 8 und des Auslassventils 9. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 3 taucht die erste Kolbenstufe 4a in die erste Stufe 5a der Zylinderbohrung 2 ein, so dass die Engstelle 7 den weiteren Transport der Kondensationsblasen in das erste Teilvolumen 6a verhindert. Damit ist das Auftreten von Kavitationsschäden an dem Auslassventil 9 beziehungsweise dessen Ventilsitz ausgeschlossen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich dadurch von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, dass hier das Auslassventil 9 im Bereich des zweiten Teilvolumen 6b angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsvariante wird insbesondere der Schutz des Auslassventils 9 angestrebt. Bei dieser Variante ist die Auslegung des ersten Teilvolumens 6a, des zweiten Teilvolumens 6b und der Engstelle 7 so gewählt, dass hier die Kaviation vor dem Einlassventil 8 in dem ersten Teilvolumen 6a beginnt. Das Auslassventil ist also zu diesem Zeitpunkt geschützt. Die Kavitationsblasen werden von dem Einlassventil 8 beziehungsweise dessen Ventilsitz durch das nachströmende Fluid ferngehalten. Nach dem Schließen des Einlassventils 8 können in einem weniger starken Umfang Kavitationsblasen in dem Teilvolumen 6a kondensieren, die kaum oder keine Schäden an dem Einlassventil 8 beziehungsweise dessen Ventilsitz verursachen können. Ebenfalls profitiert das Auslassventil 9 nach dem Austauchen des Pumpenkolbens 3 mit der ersten Kolbenstufe 4a aus der ersten Stufe 5a der Pumpenbohrung 2 von dem durch das Einlassventil nachströmenden Fluid.
Während der Kompressionsphase steigt der Druck aufgrund der Bewegung des Pumpenkolbens 3 zuerst in dem ersten Teilvolumen 6a beziehungsweise der Stirnseite ersten Kolbenstufe 4a an. Das Teilvolumen 6a ist in diesem Ausführungsbeispiel größer als das Teilvolumen 6b. Die im Wesentlichen im Teilvolumen 6a vorhandenen Kaviationsblasen kondensieren also in diesem Bereich fern des Auslassventils 9. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 3 taucht die erste Kolbenstufe 4a in die erste Stufe 5a der Zylinderbohrung 2 ein, so dass die Engstelle 7 den weiteren Transport der Kondensationsblasen in das zweite Teilvolumen 6b verhindert. Damit ist das Auftreten von Kavitationsschäden an dem Auslassventil 9 beziehungsweise dessen Ventilsitz ausgeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10138362 A1 [0002]
DE 102007038426 A1 [0003]

Claims

Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, wobei die Hochdruckpumpe eine von einem Zylinderkopf (1) abgedeckte Zylinderbohrung (2) aufweist, in der ein Pumpenkolben (3) unter Bildung eines Arbeitsraums (10) axial beweglich angeordnet ist, und wobei der Arbeitsraum (10) mit einem Einlassventil (8) und einem Auslassventil (9) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (10) in ein erstes Teilvolumen (6a) und ein zweites Teilvolumen (6b) unterteilt ist, die in Abhängigkeit des Hubes des Pumpenkolbens (3) von diesem zumindest teilweise ausgefüllt sind.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderbohrung (2) eine das erste und das zweite Teilvolumen (6a, 6b) bildende Stufenbohrung und der Pumpenkolben (3) ein mit der Stufenbohrung zusammenwirkender Stufenkolben ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Teilvolumen (6a) und dem zweiten Teilvolumen (6b) eine verbindende Engstelle (7) angeordnet ist.
Hochdruckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Engstelle (7) ein Ringspalt ist.
Hochdruckpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) und das Auslassventil (9) einem Teilvolumen zugeordnet sind.
Hochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) und das Auslassventil (9) unterschiedlichen Teilvolumen zugeordnet sind.
Verfahren zur Verringerung der Kaviationswirkung in einer Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, wobei die Hochdruckpumpe eine von einem Zylinderkopf (1) abgedeckte Zylinderbohrung (2) aufweist, in der ein Pumpenkolben (3) unter Bildung eines Arbeitsraums (10) axial beweglich angeordnet ist, und wobei der Arbeitsraum (10) mit einem Einlassventil (8) und einem Auslassventil (9) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (10) in zwei unterschiedlich große erste und zweite Teilvolumen (6a, 6b) unterteilt ist, das die Teilvolumen (6a, 6b) in Abhängigkeit des Hubes des Pumpenkolbens (3) von diesem zumindest teilweise ausgefüllt werden und das eine Kavitation in dem Teilvolumen ausgelöst wird, das fern von dem Einlassventil (8) und/oder dem Auslassventil (9) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilvolumen (6a, 6b) und eine die Teilvolumen (6a, 6b) verbindende Engstelle (7) so aufeinander abgestimmt sind, dass die ersten Kaviationsblasen in einen ventilfernen Teilvolumen auftreten.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Kompressionsphase der Druck in einem ventilfernen Teilvolumen an einer zugeordneten Stirnseite des Pumpenkolbens (3) ansteigt und die dort entstehende Kaviation bei einer weiteren Hubbewegung des Pumpenkolbens (2) und den in die Engstelle (7) einfahrenden Kolbenstufe Pumpenkolbens (3) in dem ventilfernen Teilvolumen gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Saugphase der Druck in dem ventilfernen Teilvolumen fällt und die dort entstehende Kaviation durch die Engstelle (7) von dem ventilnahen Teilvolumen, in das Fluid durch das Einlassventil (8) einströmt, abgesperrt ist.