EP3529492B1 - Hochdruckpumpe für ein kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

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EP3529492B1
EP3529492B1 EP17778194.5A EP17778194A EP3529492B1 EP 3529492 B1 EP3529492 B1 EP 3529492B1 EP 17778194 A EP17778194 A EP 17778194A EP 3529492 B1 EP3529492 B1 EP 3529492B1
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EP
European Patent Office
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valve
pressure
piston
volume
bore
Prior art date
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Active
Application number
EP17778194.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3529492A1 (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
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP3529492B1 publication Critical patent/EP3529492B1/de
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    • 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.
  • a high pressure pump of a fuel injection system is known.
  • the high-pressure pump is used to deliver fluid under high pressure, in particular fuel.
  • the known high-pressure pump comprises a variable-volume compression chamber and a pressure valve.
  • 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 surface interacts with the valve seat and thereby opens and closes a hydraulic connection from the compression chamber to a high-pressure bore.
  • a fuel injection pump is known with a pressure valve which has an annular groove formed downstream of the sealing seat.
  • the JP 2003 065 186 Figure 4 shows a fuel injector that includes a fuel injection pump.
  • cavitation erosion can occur under certain operating conditions, i.e. material removal from the pressure valve in the valve seat area, which can lead to the loss of the sealing function of the pressure valve and consequently to failure of the high pressure pump after a short running time.
  • This is due to a quick conversion of gaseous fluid in liquid, a so-called bubble collapse, when the pressure rises above the vapor pressure of the fluid.
  • This creates a very strong pressure wave locally in the fluid, which can damage surrounding components. If this damage occurs to the valve seat, this can lead to a loss of the sealing function of the pressure valve after a short period of operation.
  • the high-pressure pump according to the invention reduces the risk of cavitation erosion through a corresponding flow geometry for the fluid near the valve seat.
  • the high-pressure pump comprises a volume-adjustable compression chamber and a pressure valve.
  • 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 surface interacts with the valve seat and thereby opens and closes a hydraulic connection from the compression chamber to a high-pressure bore. Upstream of the valve seat, a cavitation volume is formed in the high-pressure valve piston in the form of an annular groove.
  • the function of the cavitation volume is to shift the formation of steam into 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.
  • steam is formed in the cavitation volume and, when the steam disappears quickly, there is strong pressure waves, which can lead to erosion in the surrounding areas.
  • the cavitation volume must not be too far away from the valve seat, since otherwise the valve seat would represent another closed end for the flow, so that the valve seat would be directly affected by cavitation erosion as a result.
  • the cavitation volume comprises a circumferential groove formed on the high-pressure valve piston.
  • the circumferential groove is preferably arranged directly upstream of the valve seat and is formed on the outer surface of the high pressure valve piston. This increases the flow volume upstream of the valve seat and shifts the area of steam formation or the closed end away from the valve seat.
  • the cavitation volume is an expansion of a piston bore formed in the high-pressure valve piston.
  • a suction valve piston is guided longitudinally in the piston bore, the suction valve piston opening and closing another hydraulic connection through its longitudinal movement.
  • a suction valve is implemented which is at least partially arranged in the pressure valve in a space-saving manner.
  • the suction valve piston preferably interacts with a further valve seat formed on the valve carrier. The piston bore and the cavitation volume can thus be produced together in one production step.
  • the cavitation volume comprises a blind hole volume and connecting channels, preferably consisting of three bores.
  • the connecting 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 is no longer a closed sole end in terms of flow. The formation of steam is thereby shifted away from the valve seat into the area of the blind hole volume.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of a high-pressure pump 100 of a fuel injection system, only the essential areas being shown.
  • the high-pressure pump 100 is known from the prior art and is used to supply injectors (not shown) with fuel that is under high pressure, it being possible for this to take place 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 screwed to it.
  • a valve housing 3 is screwed into the cylinder housing 1, which is sealed with the cylinder head 2.
  • a camshaft (not shown), which forms the drive for the high-pressure pump 100, is rotatably mounted in the cylinder housing 1.
  • a pump piston 5 which interacts at least indirectly with the camshaft (not shown), is guided in a longitudinal direction 90 which runs perpendicular to the camshaft.
  • valve carrier 10 and a valve piece 20 are braced in the longitudinal direction 90.
  • the cylinder head 2 screwed to the cylinder housing 1 and the cylinder housing 1 to the valve housing 3.
  • the valve carrier 10 is positioned on an outer jacket surface 14 within the valve housing 3. Furthermore, the valve carrier 10 cooperates on a first end face 18 with a first bearing surface 30 of the valve housing 3 and on a second end face 19 with a first sealing surface 27 of the valve piece 20.
  • the valve piece 20 also interacts on a second sealing surface 28 with a second bearing surface 29 of the cylinder head 2.
  • a compression chamber 6 is formed between the valve housing 3, the valve support 10 and the pump piston 5 and is hydraulically connected to an annular space 12 formed in the valve support 10 via filling bores 13 formed in the valve support 10.
  • the filling bores 13 run in the direction of the longitudinal axis of the valve carrier 10. From a hydraulic point of view, the filling bores 13 and the annular space 12 are an extension of the compression space 6, since they are permanently connected to it.
  • a first bore 11 extends from the annular space 12 to the valve piece 20 and opens into a second bore 21, which is formed in the valve piece 20 and which in turn opens into a high-pressure bore 9 formed in the cylinder head 2.
  • the high pressure bore 9 leads either into a common rail (not shown) of the fuel injection system or into one or more injectors (not shown) of the fuel injection system.
  • Valve functions that open and close a hydraulic connection and a further hydraulic connection are implemented within the valve support 10 and the valve piece 20:
  • a high-pressure valve piston 40 which is guided in the first bore 11 and is pretensioned against the valve carrier 10 by a high-pressure valve spring 42, opens and closes the hydraulic connection 45 in that a valve surface 51 formed on the high-pressure valve piston 40 interacts with a valve seat 15 formed on the valve carrier 10 .
  • the first hydraulic connection is a pressure valve 101 of the high pressure pump 100.
  • a suction valve piston 41 which is guided in a piston bore 55 of the high-pressure valve piston 40 and is pretensioned against the valve carrier 10 by a suction valve spring 43, opens and closes the further hydraulic connection from the annular space 12 to a low-pressure bore 17 arranged in the valve carrier 10 by inserting an intermediate valve carrier 10 and suction valve piston 41 formed further valve seat 46 opens and closes.
  • the low-pressure bore 17 is hydraulically at least indirectly connected to a fuel tank (not shown) or a pre-feed pump (not shown) and is used to fill the annular space 12 and compression chamber 6 during the suction cycle of the high-pressure pump 100 or during the longitudinal movement of the pump piston 5 in the longitudinal direction 90, in the case of the the volume of the compression space 6 expands.
  • the functioning of the high pressure pump 100 is as follows:
  • the camshaft not shown, converts a torque into an axial longitudinal force on the longitudinally movable pump piston 5 due to its cam and thus moves it up and down in the guide bore 35 in the longitudinal direction 90, whereby the volume of the compression chamber 6 changes.
  • the volume of the compression chamber 6 is minimal (similar to that in FIG Fig. 1 state shown) and thus the fuel contained therein is maximally compressed.
  • the compression space 6 and thus also the filling bores 13 and the annular space 12 are under high pressure.
  • the valve seat 15 between the high pressure valve piston 40 and valve carrier 10 or the hydraulic connection 45 is open as long as the hydraulically resulting force on the high pressure valve piston 40 opposite to the longitudinal direction 90 is greater than the force of the high pressure valve spring 42, that is, when the difference between the pressure in the annular space 12 and the pressure in the high-pressure bore 9 is so great 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 or 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.
  • the volume of the compression chamber 6 expands and the fuel in the compression chamber 6 relaxes and so does the fuel in the filling bores 13, in the annular space 12, in the first bore 11 and in the piston bore 55.
  • the pressure in the first bore 11 decreases, it also decreases the hydraulically resulting opening force on the high-pressure valve piston 40, so that its valve surface 51 is pressed into the valve seat 15 by the force of the high-pressure valve spring 42 and the hydraulic connection 45 within the first bore 11 closes. This ends the delivery process into the common rail or into the injectors.
  • the fuel in the compression chamber 6, in the filling bores 13 and in the annular space 12 can now be expanded further without the pressure in the second bore 21 or the high-pressure bore 9 dropping at the same time.
  • the fuel in the annular chamber 12 is expanded until the pressure in the annular chamber 12 drops below the pressure in the low-pressure bore 17, which is usually around 5 bar. Above a certain pressure difference, the hydraulic force in the annular space 12 and the force of the suction valve spring 43 on the suction valve piston 41 are no longer sufficient to press the suction valve piston 41 against the further valve seat 46.
  • the hydraulic force in the low-pressure bore 17 opens the further hydraulic connection between the valve carrier 10 and the suction valve piston 41 against the force of the suction valve spring 43.
  • fuel flows through the low-pressure bore 17 into the annular space 12 and thus also fills the filling bores 13, the compression chamber 6, the first bore 11 and the piston bore 55 up to the valve seat 15.
  • 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 into its top dead center position. This reduces the volume of the compression chamber 6 and, with the valve seat 15 closed and the further valve seat 46 closed, the fuel in the compression chamber 6, filling bores 13, annular chamber 12, first bore 11 and piston bore 55 is compressed up to valve seat 15. The compression takes place until the pressure in the annular space 12 exceeds the pressure in the second bore 21 or in the high pressure bore 9 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 or the hydraulic connection 45 opens.
  • the compressed fuel then flows from the annular space 12 through the first bore 11 into the second bore 21 and thus also into the high-pressure bore 9 and into the common rail or into the injectors.
  • the pressure in the high-pressure bore 9 consequently approaches the pressure in the annular space 12.
  • the pump piston 5 is again approximately at top dead center.
  • the described mode of operation of the high-pressure pump 100 shows that the volumes upstream of the hydraulic connection 45 are cyclically loaded per camshaft revolution between a low-pressure state and a high-pressure state.
  • the local velocities of the fluid are subject to strong changes in the local velocities.
  • vapor bubbles form, which suddenly collapse again in areas with increasing pressure and below the boiling temperature.
  • cavitation bubbles lead to strong local pressure surges when they collapse. If this takes place in areas of material walls, damage to the metal surface can lead to cavitation erosion.
  • the immediate flow area upstream of the valve seat 15 represents a closed end when the pressure valve 101 is closed.
  • the object of the invention is to use a valve geometry which avoids erosion in the valve seat area in almost all operating states of the high-pressure pump 100, so that the valve sealing function is not lost as a result. This is achieved in that a cavitation volume is formed upstream of the valve seat 15.
  • FIG. 2 a longitudinal section through the high pressure valve piston 40 with the cavitation volume 50 formed in the high pressure valve piston 40. Due to the geometric design of the flow geometry with the cavitation volume 50, the closed end of the flow geometry is moved to a location away from the valve seat 15. This eliminates the essential deficiency of cavitation erosion occurring in the valve seat area, which exists in the prior art. This increases the service life of the pressure valve 101 or ensures the valve function 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 is an extension of the piston bore 55 and is designed rotationally symmetrical to the valve axis 40a, and three connecting channels 57 designed as bores between the blind hole volume 56 and the region near the valve seat 15 or near the valve surface 51.
  • the blind hole volume 56 preferably penetrates a plane E defined by the valve surface 51.
  • the cavitation volume 50 viewed geometrically, protrudes into an area downstream of the valve seat 15, whereby, viewed from a fluidic point of view, it goes without saying is still arranged upstream of the valve seat 15.
  • This embodiment defines the closed end very clearly in the blind hole volume 56.
  • Fig. 3 shows a further high-pressure valve piston 40 in longitudinal section.
  • the cavitation volume 50 has a shape that is rotationally symmetrical to the valve axis 40a and is designed as a circumferential groove 59 on the high-pressure valve piston 40 directly adjacent to the valve surface 51.
  • the high-pressure valve piston has both a blind hole volume 56 with connecting channels 57 and a groove 59 as a cavitation volume 50.

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

Description

  • 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 A1 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. Darüber hinaus ist aus der DE 29 30 499 A1 eine Kraftstoff-Einspritzpumpe bekannt mit einem Druckventil, das eine stromabwärts des Dichtsitzes ausgebildete Ringnut aufweist. Die JP 2003 065 186 zeigt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eine Krafstoff-Einspritzpumpe umfasst.
  • 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 in der Form einer Ringnut 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.
  • 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.
  • 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 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.
    • Fig.1 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.1 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.1 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 (5)

  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, wobei das Kavitationsvolumen (50) eine an dem Hochdruckventilkolben (40) ausgebildete umlaufende Nut (59) umfasst..
  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) durch eine durch den Ventilsitz (15) definierte Ebene (E) ragt.
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