EP1561028B1

EP1561028B1 - Kraftstoffhochdruckpumpe mit kugelventil im niederdruck-einlass

Info

Publication number: EP1561028B1
Application number: EP03779679A
Authority: EP
Inventors: Burkhard Boos; Stefan Kieferle; Matthias Distel; Achim Koehler; Sascha Ambrock; Karsten Ruth; Jaroslav Zivny
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: US20060013701A1; WO2004040128A1; JP2006504904A; EP1561028A1; US7273036B2

Abstract

Es wird eine Kraftstoffhochdruckpumpe (10), insbesondere eine Radialkolbenpumpe, vorgeschlagen, bei der die Saugventile (35) als Kugelventile ausgebildet sind, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der Kraftstoffhochdruckpumpe (10) auswirkt. Ausserdem wird die Herstellung und Montage der erfindungsgemässen Kraftstoffhochdruckpumpe (10) durch die Verwendung von Kugelventilen vereinfacht.

Description

Stand der Technik

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.
Bei dieser Kraftstoffhochdruckpumpe ist das Ventilglied des Saugventils als Ventilkegel ausgebildet.
Aus der DE 100 39 169 A1 und der US 6,435,609 B1 sind Kraftstoffhochdruckpumpen bekannt, bei den das Saugventil, umfassend einen Dichtsitz, einen Druckfeder und ein Widerlager für die Druckfeder, vollständig in den Kolben integriert ist.
Aus der nachveröffentlichten EP 1 357 283 A2 ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt, bei der der ventilsitz in einer Schraube angeordnet ist.

Vorteile der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine geringe Zahl der mit Hochdruck beaufschlagten Dichtflächen auf, so dass unter anderem 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. Durch das kugelförmige Ventilglied 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.
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.
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.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ventilsitz einen Sitzwinkel zwischen 30° und 150°, insbesondere zwischen 80° und 100° aufweist.
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.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe,
Figur 2: ein Ausführungsbeispiel einer Radialkolbenpumpe für die kein Schutz beansprucht wird,
Figur 3: ein vergrößerter Ausschnitt A der Figur 2, und
Figur 4: eine schematische Darstellung einer mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ausgerüsteten Brennkraftmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiel

Figur 1 zeigt ein 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.
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.
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 Figur 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.
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.
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.
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.
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.
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 Fig. 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 Fig. 1 nicht dargestellte Zumesseinheit von einem Steuergerät (nicht dargestellt) in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine eingestellt.
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.
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.
Ein Hochdruck-Auslass sowie das zugehörige Druckventil sind in Figur 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.
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.
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.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten 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.
Auf die spezifischen Vorteile eines als Kugelventil ausgebildeten Saugventils 35 wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Figur 3 noch im Detail eingegangen werden.
In Figur 2 ist eine aus der nachveröffentlichten EP 1 357 283 A2 bekannte Hochdruckpumpe 10 ebenfalls im Schnitt dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das bezüglich Figur 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.
Nachfolgend wird an Hand der Figur 3, welche einen vergrößerten Ausschnitt A der Figur 2 zeigt, die Funktion des Saugventils 35 noch detailliert erläutert.
In Figur 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.
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.
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.
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.
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.
In Figur 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.
Die elektrische Niederdruck-Kraftstoffpumpe 60 fördert Kraftstoff zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 10, welche so ausgebildet ist, wie in den Figuren 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.

Claims

Kraftstoffhochdruckpumpe (10) für ein Kraftstoffeinspritzanlage (56), mit einem Gehäuse (17), mit einem Niederdruck-Einlass (45), mit einem Förderraum (31), in dem der Kraftstoff mittels eines oszillierenden Kolbens (13) komprimiert wird, mit einem Saugventil (35) zwischen Förderraum (31) und Niederdruck-Einlass (45), wobei ein Ventilglied des Saugventils (35) sich über eine im Förderraum (31) angeordnete Druckfeder (43) gegen den Kolben (13) abstützt, und mit einem Hochdruck-Auslass, wobei das Ventilglied des Saugventils (35) als Kugel (39) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (17) ein mit der Kugel (39) zusammenwirkender Dichtsitz (37) eingearbeitet ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Druckfeder (43) und Kugel (39) ein Federteller (41) vorgesehen ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kugel (39) kleiner als der Durchmesser der Druckfeder (43) ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (37) einen Sitzwinkel (α) zwischen 30° und 150°, insbesondere von 90°, aufweist.
Kraftstoffeinspritzanlage (56) mit einem Kraftstoffbehälter (58), mit mindestens einem Einspritzventil (64), welches den Kraftstoff direkt in den Brennraum (66) einer Brennkraftmaschine (54) einspritzt, mit mindestens einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe (10), und mit einer Kraftstoff-Sammelleitung (62), an die das mindestens eine Einspritzventil (64) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffhochdruckpumpe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (54) mit mindestens einem Brennraum (66), in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftstoffeinspritzanlage (56) nach Anspruch 5 aufweist.