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Die Erfindung geht aus von einer
aus dem deutschen Patent
DE
101 17 600 bekannten Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem
mit einem Gehäuse,
mit einem Niederdruck-Einlass, mit einem Förderraum, in dem der Kraftstoff komprimiert
wird, mit einem Saugventil zwischen Förderraum und Niederdruck-Einlass,
wobei ein Ventilglied des Saugventils sich gegen eine im Förderraum angeordnete
Druckfeder abstützt.
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Bei dieser Kraftstoffhochdruckpumpe
ist das Ventilglied des Saugventils als Ventilkegel ausgebildet.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
für ein
Kraftstoffeinspritzsystem, mit einem Gehäuse, mit einem Niederdruck-Einlass, mit
einem Förderraum,
in dem der Kraftstoff komprimiert wird, mit einem Saugventil zwischen
Förderraum
und Niederdruck-Einlass, wobei ein Ventilglied des Saugventils sich
gegen eine im Förderraum
angeordnete Druckfeder abstützt,
ist das Ventilglied des Saugventils als Kugel ausgebildet.
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Dadurch wird die Herstellung der
Kraftstoffhochdruckpumpe vereinfacht, da eine Kugel billiger herzustellen
ist als ein Ventilglied mit einem Dichtkegel und einem Schaft, wie
es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Außerdem wird der Wirkungsgrad
der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
verbessert, da eine Kugel zusammen mit dem Dichtsitz eine genau
definierte kreisförmige
Dichtlinie bildet, die trotz der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen
bei der Herstellung des Ventilsitzes hinsichtlich des Ventilsitzes
sehr gut abdichtet. Wenn der mit der Kugel zusammenwirkende Ventilsitz
rund ist, dichtet das erfindungsgemäße Saugventil gut ab, auch
wenn der Winkel oder die Lage des Ventilsitzes nicht mit höchster Präzision hergestellt
wurden.
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Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Saugventil
sichergestellt, dass alle Saugventile einer in Serie hergestellten
Kraftstoffhochdruckpumpen nahezu identische hydraulische Eigenschaften
haben und somit die Optimierung der in Serie gefertigten Kraftstoffhochdruckpumpe
vereinfacht wird.
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Bei einer Variante der Erfindung
ist vorgesehen, dass zwischen Druckfeder und Kugel ein Federteller
angeordnet ist, so dass die Fixierung der Kugel relativ zum Dichtsitz
verbessert wird und außerdem ein
Ausknicken der Druckfeder vermieden wird. Außerdem ermöglicht der Einsatz eines Federtellers, dass
die Durchmesser von Druckfeder und Kugel verschieden sein können. Es
hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn der Durchmesser
der Kugel kleiner als der Durchmesser der Druckfeder ist, da in
diesem Fall das Ausknicken der Druckfeder wirkungsvoll vermieden
wird und der Durchmesser der Kugel den hydraulischen Erfordernissen
der Kraftstoffhochdruckpumpe in optimaler Weise entspricht.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ist der Ventilsitz, welcher mit der Kugel zusammenwirkt,
im Gehäuse
eingearbeitet, so dass die Zahl der mit Hochdruck beaufschlagten
Dichtflächen und
die Zahl der Bauteile gegenüber
der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffhochdruckpumpe
reduziert wird. Dies erhöht
die Zuverlässigkeit der
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe und
senkt die Herstellungs- und Montagekosten derselben.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn der Ventilsitz einen Sitzwinkel zwischen 30° und 150°, insbesondere zwischen 80° und 100° aufweist.
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Alternativ zu dem direkt im Gehäuse angeordneten
Dichtsitz kann das Gehäuse
auch eine Schraube umfassen, welche eine Förderraumbohrung nach außen hin
verschließt,
und in deren dem Förderraum
zugewandten Stirnfläche
der Ventilsitz ausgebildet ist. Diese Variante hat den Vorteil,
dass bspw. das Saugventil montiert oder im Reparaturfall ausgewechselt
werden kann, ohne die Kraftstoffhochdruckpumpe vollständig zu
zerlegen, da das Saugventil von außen über die Schraube erreichbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung dieser
Ausführungsvariante
ist vorgesehen, dass die Schraube einen im Durchmesser reduzierten
Bereich aufweist, dass der im Durchmesser reduzierte Bereich mit
dem Gehäuse
einen Ringraum begrenzt, und dass der Ringraum mit dem Niederdruck-Einlass
hydraulisch in Verbindung steht. Dadurch ist auf einfache Weise gewährleistet,
dass unabhängig
davon wie weit die Schraube in das Gehäuse eingeschraubt wird, stets eine
hydraulische Verbindung zu dem Niederdruck-Einlass besteht.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile kommen selbstverständlich in
einem Kraftstoffsystem mit einem Kraftstoffbehälter, mit einem Einspritzventil,
welches den Kraftstoff direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
einspritzt, mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe und mit einer Kraftstoffsammelleitung,
an die das mindestens eine Einspritzventil angeschlossen ist, zum
Tragen, wenn die Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet
ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung
und den Patentansprüchen
entnehmbar.
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Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe,
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2 ein
zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
einer Radialkolbenpumpe,
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3 ein
erfindungsgemäßes Ansaugventil in
vergrößerter Darstellung
und
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4 eine
schematische Darstellung einer mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ausgerüsteten Brennkraftmaschine.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 10
im Querschnitt. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist als
Radialkolbenpumpe mit drei Pumpenelementen 11 ausgeführt. Die
Pumpenelemente 11 umfassen einen Kolben 13, der
in einer Zylinderbohrung 15 geführt wird. Die Zylinderbohrung 15 ist
in einem Gehäuse 17 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 als Sacklochbohrung ausgeführt. Über Fertigungs-
und Montagebohrungen 19 kann die Zylinderbohrung 15 hergestellt
werden. Nach der Montage der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
werden die Montagebohrungen 19 durch Stopfen 21 verschlossen.
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Angetrieben werden die Kolben 13 von
einer Antriebswelle mit einem exzentrischen Abschnitt 22 über einen
Polygonring 23 mit Abflachungen 25. Auf den Abflachungen 25 liegt
eine Kolbenfußplatte 27 auf,
welche den Kolben 13 in eine oszillierende Bewegung versetzt,
wenn die Antriebswelle angetrieben wird und der Polygonring 23 infolgedessen
eine kreisförmige
Bewegung ausführt.
Die oszillierende Bewegung der Kolben 13 ist in einem der
Pumpenelement 11 durch einen Doppelpfeil 29 angedeutet.
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Die Zylinderbohrung 15 und
der Kolben 13 begrenzen einen Förderraum 31 je Pumpenelement 11,
wobei das Volumen des Förderraums 31 von
der Stellung der Antriebswelle abhängt. Bei dem in 1 senkrecht. nach oben ausgerichteten
Pumpenelement 11, dessen Kolben 13 sich nahe seines
oberen Totpunkts (OT) befindet, ist das Volumen des Förderraums 31 minimal,
während
es bei den anderen Pumpenelementen 11 nahezu ein Maximum
hat. Durch eine Druckfeder 33 werden die Kolbenfußplatten 27 und
mit ihr die Kolben 13 stets in Anlage an den Abflachungen 25 des
Polygonrings 23 gehalten.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht bei
allen Pumpenelementen 11 alle Bauteile mit Bezugszeichen
versehen. Es sind jedoch alle drei Pumpenelement 11 gleich
aufgebaut und verfügen über die
gleichen Bauteile.
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Die Zylinderbohrung 15 ist,
wie bereits erwähnt,
als Sackloch ausgeführt.
Am Ende der Zylinderbohrung 15 ist ein Saugventil 35 mit
einem Dichtsitz 37 und einer mit dem Dichtsitz 37 zusammenwirkenden
Kugel 39 vorgesehen. Die Kugel 39 wird über einen
Federteller 41 von einer Druckfeder 43, die sich anderenends
am Kolben 13 abstützt,
gegen den Ventilsitz 37 gepresst.
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Dabei ist die Druckfeder 43 so
dimensioniert, dass im Unteren Totpunkt Kraftstoff nicht selbsttätig angesaugt
wird. Wenn eine nicht dargestellte, auf der Saugseite der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 angeordnete
Zumesseinheit geschlossen ist, fördert
die Kraftstoffhochdruckpumpe 10 keinen Kraftstoff. Wenn
die Zumesseinheit ganz oder teilweise geöffnet wird, baut sich vor dem
Saugventil 35 ein von einer Vorförderpumpe (nicht dargestellt)
erzeugter Überdruck
auf durch den Kraftstoff gegen die Druckfeder 43 in den
Förderraum 31 gedrückt wird.
Die Zumesseinheit hat die Aufgabe, den Überdruck vor dem Saugraum so
einzustellen, dass die gewünschte
Fördermenge
von der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 gefördert wird.
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Wenn der Kolben 13 sich
in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt hat, nimmt die Vorspannung
der Druckfeder 33 so stark zu, dass die Kugel 39 gegen
den Dichtsitz 37 gepresst wird und somit die Verbindung
zwischen Förderraum 31 und Niederdruck-Einlass 45 unterbrochen
wird. Verstärkt
wird dieser Effekt ganz wesentlich durch den zunehmend höheren Druck
im Förderraum 31.
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Alternativ kann die Druckfeder 43 auch
so dimensioniert werden, dass die Kugel 39 auch im unteren
Totpunkt (UT) des Kolbens 13 noch leicht gegen den Dichtsitz 37 gepresst
wird. Nur wenn auf der in 1 nicht
dargestellten Niederdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ein
ausreichender Überdruck
gegenüber
dem Druck im Förderraum 31 herrscht,
strömt
Kraftstoff in den Förderraum 31 ein. Der
Druck auf der Niederdruckseite der Kraftstoffhochdruckpumpe 10,
bzw. der Saugseite des Förderraums 31 und
damit die Fördermenge
der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 wird durch eine in 1 nicht dargestellte Zumesseinheit
von einem Steuergerät (nicht
dargestellt) in Abhängigkeit
des Betriebszustands der Brennkraftmaschine eingestellt.
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Durch diese Maßnahmen ist gewährleistet, dass
auch wenn durch die nicht dargestellte Zumesseinheit der Kraftstoffzufluss über den
Niederdruck-Einlass 45 in die Pumpenelemente 11 gedrosselt
wird, jedes der Pumpenelement 11 annähernd die gleiche Kraftstoffmenge
ansaugt und sich somit ein gleichmäßiger Drehmoment- und Leistungsbedarf
der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ergibt. Dies verbessert
die Laufruhe der Brennkraftmaschine insbesondere im Leerlauf.
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Dadurch, dass der Kolben 13 auch
in seinem oberen Totpunkt nicht über
seine ganze Länge
in der Zylinderbohrung 15 geführt wird, ist ein ausreichender "Überlauf" für
Honwerkzeuge oder dergleichen vorhanden. Dieser Überlauf erleichtert die Herstellung
der als Sackloch ausgeführten
Zylinderbohrung 15.
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Ein Hochdruck-Auslass sowie das zugehörige Druckventil
sind in
1 nicht dargestellt,
da sich der Hochdruck-Auslass und das zugehörige Druckventil senkrecht
zur Zeichnungsebene hinter den Pumpenelementen
11 angeordnet
sind. Die Anordnung dieser Bauelemente kann aus der
DE-PS 101 17 600 , auf die
hiermit Bezug genommen wird, entnommen werden.
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Durch die Verwendung eines Federtellers 41 zwischen
Kugel 39 und Druckfeder 43 wird die Führung der
Kugel 39 verbessert. Außerdem kann, wegen der verbesserten
Auflagefläche
der Druckfeder 43 auf dem Federteller 41 ein Ausknicken
der Druckfeder 43 verhindert werden. Schließlich kann
der Durchmesser der Kugel 39 unabhängig vom Durchmesser der Druckfeder 43 gewählt werden,
was bei der Optimierung der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 von
Vorteil sein kann.
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Es ist jedoch auch ohne weiteres
denkbar und möglich,
auf den Federteller 41 zu verzichten (nicht dargestellt),
so dass die Druckfeder 43 direkt auf der Kugel 39 aufliegt.
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Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 10 gibt
es nur eine sehr geringe Zahl von Hochdruckdichtstellen. Dies ist
insbesondere der Dichtsitz 37 in Verbindung mit der Kugel 39 sowie
der Ringspalt zwischen Kolben 13 und Zylinderbohrung 15.
Diese geringe Zahl von Hochdruckdichtstellen rechtfertigt in vielen
Fällen
den etwas höheren
Herstellungsaufwand bei der Herstellung der Zylinderbohrung 15,
wenn diese als Sackloch ausgeführt
ist.
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Auf die spezifischen Vorteile eines
als Kugelventil ausgebildeten Saugventils 35 wird nachfolgend im
Zusammenhang mit der 3 noch
im Detail eingegangen werden.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 10 ebenfalls
im Schnitt dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen
versehen und es gilt das bezüglich 1 Gesagte entsprechend.
Der wesentliche Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin,
dass die Zylinderbohrung 15 nicht als Sacklochbohrung,
sondern als Durchgangsbohrung ausgeführt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Zylinderbohrung 15 durch eine Schraube 47 verschlossen.
In der Schraube 47 ist der Dichtsitz 37 des Saugventils 35 eingearbeitet.
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Nachfolgend wird an Hand der 3, welche einen vergrößerten Ausschnitt
A der 2 zeigt, die Funktion
des Saugventils 35 noch detailliert erläutert.
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In 3 ist
der Kolben 13 im oberen Totpunkt. Demzufolge hat der Förderraum 31 sein
minimales Volumen und die Kugel 39 dichtet den Förderraum 31 gegen
den Niederdruck-Einlaß 45 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ab. Diese Abdichtung erfolgt
entlang einer kreisförmigen
Dichtlinie (nicht gezeichnet), welche sich aus der Berührlinie
zwischen der Kugel 39 und dem Dichtsitz 37 ergibt.
Die Dichtheit dieses als Kugelventil ausgebildeten Saugventils 35 ist
sehr hoch, da es nur eine linienförmige Berührung zwischen Kugel 39 und
Dichtsitz 37 gibt, was zu einer entsprechend hohen Flächenpressung
auf der Dichtlinie führt.
Außerdem
sind die Genauigkeitsanforderungen bei der Herstellung eines dicht
schließenden
Kugelventils geringer als bei Kegelventilen. Je nachdem wie der
Winkel α des
Dichtsitzes 37 gewählt
wird, kann der Durchmesser der Dichtlinie zwischen Kugel 39 und
Dichtsitz 37 bei konstantem Kugeldurchmesser variiert werden.
Es hat sich herausgestellt, dass Dichtwinkel α zwischen 30° und 150° möglich sind und in der Regel
ein Dichtwinkel α von 90° zu sehr
guten Ergebnissen führt.
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An den Dichtsitz 37 schließen eine
Axialbohrung 48 sowie eine Querbohrung 49 an.
Alternativ können
auch mehrere Querbohrungen 49 (nicht dargestellt) vorgesehen
sein. Die Querbohrung 49 mündet in einen Ringraum 50,
welcher vom Gehäuse 17 und
einem im Durchmesser reduzierten Bereich 50 der Schraube 47 begrenzt
wird. An einer Stirnseite 52 der Schraube 47 ist
eine Beißkante 53 ausgebildet, welche
den Ringraum 51 vom Förderraum 31 abdichtet.
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Der Ringraum 51 steht mit
dem in dieser Darstellung nicht sichtbaren Niederdruck-Einlaß 45 der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 hydraulisch
in Verbindung. Dadurch, dass der Ringraum die Schraube 47 allseitig
umgibt, kann über
die Querbohrung 49 und die Axialbohrung 48 Kraftstoff
in den Förderraum 31 angesaugt
werden unabhängig
davon, wie tief die Schraube 47 in das Gehäuse 17 eingeschraubt
wurde.
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Durch die Verwendung eines als Kugelventil ausgebildeten
Saugventils 35 wird der Wirkungsgrad der Kraftstoffhochdruckpumpe
erhöht,
da die Kugel 39 einen großen Strömungsquerschnitt freigibt sobald
sie vom Dichtsitz 37 abhebt, so dass der Kraftstoff schnell
und ohne große
Strömungsverluste
angesaugt werden kann. Dazu ist es auch vorteilhaft, wenn bei geöffnetem
Saugventil 35 die ringförmige Querschnittsfläche zwischen
Dichtsitz 37 und Kugel 39 etwa bis zu 20mal größer ist
als der Querschnitt der Querbohrung 49.
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Außerdem wird wegen der guten
Dichteigenschaften des als Kugelventil ausgebildeten Saugventils 35 während des
Förderhubs
des Kolbens 13 kein Kraftstoff aus dem Förderraum 31 in
den Niederdruck-Einlass 45 zurückgedrückt.
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In 4 ist
eine Brennkraftmaschine 54 schematisch dargestellt. Sie
umfasst ein Kraftstoffeinspritzsystem 56. Dieses wiederum
weist einen Kraftstoffbehälter 58 auf,
aus dem eine elektrische Niederdruck-Kraftstoffpumpe 60 Kraftstoff
fördert.
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Die elektrische Niederdruck-Kraftstoffpumpe 60 fördert Kraftstoff
zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, welche so ausgebildet
ist, wie in den 1 und 2 dargestellt. Der Hochdruck-Auslass 18 der
Kraftstoffhochdruckpumpe 10 ist mit einer Kraftstoff-Sammelleitung 62 verbunden.
Diese wird im allgemeinen auch als "Common-Rail" bezeichnet. An die Kraftstoff-Sammelleitung 62 sind
insgesamt vier Einspritzventile 64 angeschlossen. Diese
spritzen jeweils den Kraftstoff direkt in Brennräume 66 der Brennkraftmaschine 54 ein.