WO2012123131A1 - Ventileinrichtung, insbesondere auslassventil einer kraftstoff-hochdruckpumpe einer brennkraftmaschine - Google Patents

Ventileinrichtung, insbesondere auslassventil einer kraftstoff-hochdruckpumpe einer brennkraftmaschine Download PDF

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Rainer Wilms
Valentin Szermutzky
Dominik Brunner
Hans-Christoph Magel
Matthias Maess
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    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically

Definitions

  • Valve device in particular outlet valve of a high-pressure fuel pump of an internal combustion engine
  • the invention relates to a valve device according to the preamble of claim 1.
  • High pressure pump arranged quantity control valves take over the flow control. Furthermore, such a high-pressure pump has an outlet valve, which is prestressed, for example, by a valve spring and seals the fuel distributor against a delivery chamber of the high-pressure pump.
  • the outlet valve can open, provided that the pressure in the delivery chamber is greater than the pressure in the delivery chamber
  • the exhaust valve has a so-called flat seat with a comparatively large sealing seat width.
  • the large seal seat width is required to minimize wear of the exhaust valve over its life.
  • valve plate Sealing portion of the valve body (“valve plate”) of the exhaust valve and the Housing-tight sealing seat (“counter plate”) existing contact area filled with fuel.
  • counter plate Housing-tight sealing seat
  • an initially small gap is formed, which is rapidly increased by inflow of fuel.
  • the hydraulic pressure prevailing in the gap temporarily drops sharply, causing the valve plate to "stick” to the sealing seat for a short time.
  • the piston of the high-pressure pump is quickly moved further and compresses the fuel in the pumping chamber correspondingly quickly, the sticking creates a pressure peak in the pumping chamber and subsequently an undesired shockwave. As a result, pulsations of the fuel are excited and the operating noise of the high-pressure pump is increased.
  • valves such as a ball-and-cone valve
  • the moving mass is generally larger.
  • Patent publications from this field are, for example, DE 10 2006 055 832 A1, DE 10 2006 002 638 A1, DE 102 49 688 A1, DE 102 20 717 A1, DE 102 13 626 A1, and DE 101 38 362 A1 ,
  • the invention has the advantage that an adhesive effect when lifting a plate-shaped movable valve body is reduced by a housing-side sealing seat of a hydraulic valve device and the mass of the valve body is reduced.
  • a maximum delivery pressure can be reduced and the load on the housing of a high pressure pump and a required drive torque can be reduced.
  • the degree of rotation of the high-pressure pump improves, pressure pulsations are reduced and an operating noise is lowered.
  • the valve device according to the invention has a flow channel in which the plate-shaped valve body arranged therein can control or block a fluid flow together with the sealing seat.
  • the invention is based on the consideration that an adhesive effect on lifting of the valve body from the sealing seat is dependent on a surface of a contact region formed between a sealing portion of the valve body and the sealing seat. According to the invention, the area of the contact area is reduced by, when the valve device is closed, immediately adjacent to the contact area between
  • Sealing section and sealing seat a wedge-shaped gap is present. As a result, it is not necessary to form the valve body as a ball or as a cone, whereby space and mass moved are saved. At the same time, a leakage of the fluid to be controlled by the valve device can be kept small.
  • the invention provides that the wedge angle in the gap is at most about 15 °, more preferably at most about 5 °, even more preferably at most about 2 °.
  • the wedge angle in the gap is at most about 15 °, more preferably at most about 5 °, even more preferably at most about 2 °.
  • valve device provides that the valve body and / or the sealing seat in the sealing area is conical.
  • Sealing area is formed by the interaction of the housing-side sealing seat and the sealing portion. Due to the regional cone-shaped
  • Geometry of the valve body and / or the sealing seat properties of a cone valve can be achieved without too much sticking effect occurs when lifting the valve body, and without it being necessary to form the valve body as a complete cone.
  • valve device provides that the valve body is spherical in the sealing area or has a spherical convex curvature.
  • the adhesive effect can also be significantly reduced without the valve body being completely designed as a ball.
  • the spherical area or the spherical curvature may, for example, be made by machining or by cold working.
  • the valve body has a substantially central concave recess.
  • the concave recess may have an approximately spherical cap-like geometry, whereby a first boundary surface of the wedge-shaped gap according to the invention is formed. A second boundary surface is formed by the sealing portion.
  • a further embodiment of the valve device comprises a sealing seat which is spherical in the sealing region. This can - with a flat trained
  • inventive wedge-shaped gap can be achieved in the sealing area.
  • the "ball shape" of the sealing seat in the direction of
  • the axis of movement of the valve body to be "cut in half", so that still a - infinitesimal small - contact surface between the sealing seat and the sealing portion and thus a wedge-shaped gap are formed.
  • the remaining ball shape of the sealing seat has radially outward or radially inward.
  • the wedge-shaped gap is present only on one side of the sealing area, preferably on the downstream side. This enables a further advantageous embodiment of the valve device.
  • the valve device can be designed to be particularly simple if the valve body is dimensioned, in particular designed as a sufficiently thin plate, that it deforms when the valve device is closed due to the pressure difference across the sealing region and thereby produces the wedge-shaped gap.
  • the valve body can partially assume a spherical cap-like shape, which generates the gap according to the invention on an edge or on a surface of the sealing seat which is inclined with respect to the axis of movement of the valve device.
  • the sealing seat may be formed so that it has an edge in the contact area, such that when the valve device is closed, a largely linear contact between the valve body and sealing seat is present.
  • Switching cycles expanded to a narrow ring surface In addition, small bumps and / or manufacturing tolerances can be compensated.
  • a further embodiment of the valve device provides that the sealing seat upstream and / or downstream of the contact region has a circumferential chamfer. As a result, when the valve device is open, a hydraulic flow resistance is lowered and the efficiency is thus improved.
  • the dynamics of the valve device is further improved when the valve body has recesses outside an environment of the sealing portion.
  • Valve device can be improved.
  • regions of the valve body that are subject to greater stress-in particular within an environment of the sealing section- can optionally be stiffened in order to prevent or reduce elastic deformations of the valve body. This can be the
  • Fatigue strength of the valve device can be increased. Suitable areas can be determined, for example, by means of a computer simulation.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a high-pressure fuel pump with a first embodiment of a sealing region of a
  • Figure 2 is a sectional view of a second embodiment of the sealing area of the exhaust valve of Figure 1;
  • Figure 3 is a sectional view of a third embodiment of the sealing area;
  • FIG. 4 shows a sectional view of a fourth embodiment of the sealing region
  • Figure 5 is a sectional view of a fifth embodiment of the sealing area
  • FIG. 6 shows a sectional view of a sixth embodiment of the sealing region
  • FIG. 7 shows a sectional view of a seventh embodiment of the sealing region
  • FIG. 8 shows a sectional view of an eighth embodiment of the sealing region
  • Figure 9 is a sectional view of a ninth embodiment of the sealing area
  • Figure 10 is a sectional view of a tenth embodiment of the sealing portion
  • Figure 1 1 is a sectional view of an eleventh embodiment of the sealing area
  • Figure 12 is a sectional view of a twelfth embodiment of the sealing portion
  • Figure 13 is a sectional view of a thirteenth embodiment of the
  • FIG. 14 shows the sealing region of FIG. 13 in the case of a worn-off sealing seat.
  • FIG. 1 shows a fuel pump 10 of a fuel system of FIG
  • the fuel pump 10 has a housing 20, in whose left portion in the drawing, an electromagnet 15 with a coil 22, an armature 24 and an armature spring 26 is arranged. Furthermore, the fuel pump 10 comprises an inlet 28 connected to a low-pressure line 7 with an inlet valve 30, and an outlet 32 connected to a high-pressure line 11 with a Exhaust valve, which is hereinafter referred to as valve means 34.
  • the inlet valve 30 comprises a spring 31 and a valve element 33.
  • the valve element 33 can be moved by means of a valve needle 35, which can be moved horizontally in the drawing and coupled to the armature 24.
  • a piston 18 is arranged vertically movable in the drawing.
  • the piston 18 can be moved by means of a roller 40 of a - in this case elliptical - cam 17 in a cylinder 37.
  • the cylinder 37 is formed in a portion of the housing 20.
  • the inlet valve 30 is hydraulically connected via an opening 38 with the delivery chamber 36.
  • the arranged within the Gepuruse0 20 volumes of the fuel pump 10 are substantially with
  • a substantially plate-shaped valve body 42 of the valve device 34 (outlet valve) has an approximately spherical cap-shaped sealing section 44, which cooperates with a sealing seat 46 formed by an end face of an axial and housing-fixed collar.
  • a wedge-shaped gap 50 is present between the sealing portion 44 and the sealing seat 46.
  • valve body 42 has a central recess 52.
  • the sealing seat 46 is formed on an annular end portion 53 of the housing 20 and aligned substantially perpendicular with respect to a longitudinal axis 48.
  • the sealing seat 46 and the sealing portion 44 lie on one another and form at the contact point a substantially linear contact area 54.
  • the fuel pump 10 delivers fuel from the inlet 28 to the outlet 32, the valve means 34 opening or closing corresponding to a respective pressure difference between the delivery space 36 and the outlet 32.
  • the valve body 42 of the valve device 34 in the direction of
  • valve device 34 the functional elements of the valve device 34 are designed to be rotationally symmetrical about the longitudinal axis 48. However, this is not explicitly stated again.
  • valve means 34 are shown in an open or partially opened state for better illustration.
  • the geometries shown, in particular the wedge-shaped gap 50, for the purpose of better illustration partially exaggerated.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the sealing region of the valve device 34, which is closed in the present case, in a sectional view.
  • the valve body 42 in the right region of the drawing is designed similarly to the figure 1 and thus has a partially spherical or spherical contour.
  • the sealing seat 46 has a circumferential chamfer 56 upstream and downstream of the contact region 54.
  • Contact area 54 are transformed due to elastic and plastic deformations to a narrow annular surface contact. Nevertheless, the effective (annular) area of the contact region 54 generally remains relatively small.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the sealing area. In the present case is the
  • the annular end portion 53 of the housing 20, which is shown in the left-hand area of the drawing, has conical contours in some regions radially inward and radially outward.
  • the sealing seat 46 is arranged on the annular end portion 53 in such a way that the sealing seat 46 is tilted (radially encircling) with respect to the longitudinal axis 48, ie is slightly conical.
  • the wedge-shaped gap 50 and, correspondingly, the line-shaped contact region 54 are formed between the sealing seat 46 and the sealing section 44.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the sealing region.
  • the sealing seat 46 and the sealing portion 44 with respect to the longitudinal axis 48 per se at right angles and flat.
  • the radially inner portions of the elastic and comparatively thin valve body 42 are slightly inclined to the left and right in the drawing the radially outer sections are bent to the right.
  • An auxiliary line 60 drawn at right angles to the longitudinal axis 48 additionally illustrates this.
  • Fatigue resistance may be required that the valve body 42 has a particularly elastic material with a high yield strength.
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of the sealing area.
  • the sealing seat 46 is tilted radially in relation to a plane perpendicular to the longitudinal axis 48 by an angle W1.
  • the wedge-shaped gap 50 radially inward
  • the linear contact region 54 radially outward
  • FIG. 5 an edge 61 is designated in the contact region 54.
  • the sealing seat 46 has two chamfers 62 each having an angle W2 and W3, which form the line-shaped contact region 54 at a vertex. Accordingly, between the sealing seat 46 and the sealing portion 44 two wedge-shaped
  • Column 50 each formed radially inward and radially outward.
  • the angles W2 and W3 can also have mutually different values.
  • a ratio d2 / d1 of the distances d1 and d2 may be in a range of zero to one.
  • FIG. 7 shows a seventh embodiment of the sealing region.
  • the sealing seat 46 has a spherical contour symmetrical to a line 64 parallel to the longitudinal axis 48.
  • a - at least theoretically - linear contact region 54 and two wedge-shaped gaps 50 are likewise formed.
  • Figures 8 and 9 show an eighth and a ninth embodiment of the sealing area. Starting from the embodiment of FIG. 7, the radially inner and outer portions of the line 64 are crowned
  • FIG. 10 shows a tenth embodiment of the sealing region.
  • the valve body 42 has a central concave recess 66.
  • the sealing seat 46 is aligned at right angles to the longitudinal axis 48.
  • FIG. 11 shows an eleventh embodiment of the sealing area.
  • the valve body 42 has a circumferential and radially outwardly directed
  • FIG. 12 shows a twelfth embodiment of the sealing region.
  • the valve body 42 has a circumferential and radially inwardly directed
  • Form contact area 54 and a wedge-shaped gap 50 Form contact area 54 and a wedge-shaped gap 50.
  • Figure 13 shows a thirteenth embodiment of the sealing region, wherein the valve device 34 is shown in the closed state.
  • the annular end section 53 of the housing 20 has a radially circumferential recess 72. Accordingly, a radial dimension 74 of the end portion 53 is reduced by a radial dimension 76, so that the surface of the sealing seat 46 is comparatively small.
  • the sealing seat 46 and the sealing portion 44 with respect to the longitudinal axis 48 are rectangular and planar.
  • the valve body 42 - similar to Figure 4 - as a result of the prevailing at the outlet 32 high fuel pressure according to the arrow 58 is bent radially. As a result, an annular contact region 54 and a wedge-shaped gap 50 are again formed.
  • FIG. 14 shows the sealing region of FIG. 13 after a longer service life of the valve device.
  • Contact area 54 now includes the entire between the sealing seat 46 and the sealing portion 44 possible contact surface.
  • Sealing seat 46 but the force to be overcome is comparatively low.
  • the end portion 53 is designed such that even with a further wear on the sealing seat 46 said contact surface is not further increased.

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Abstract

Es wird eine Ventileinrichtung (34) beschrieben, insbesondere ein Auslassventil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe (10) einer Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (20), einem Strömungskanal und einem in dem Strömungskanal angeordneten plattenförmigen beweglichen Ventilkörper (42), der einen Dichtabschnitt (44) aufweist, der bei geschlossener Ventileinrichtung (34) bereichsweise an einem gehäuseseitigen Dichtsitz (46) anliegt, wobei die aneinander liegenden Abschnitte von Dichtabschnitt (44) und Dichtsitz (46) einen Kontaktbereich (54) bilden, und wobei bei geschlossener Ventileinrichtung (34) unmittelbar benachbart zum Kontaktbereich (54) zwischen Dichtabschnitt (44) und Dichtsitz (46) wenigstens zeitweise ein keilförmiger Spalt (50) vorhanden ist.

Description

Beschreibung Titel
Ventileinrichtung, insbesondere Auslassventil einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vom Markt her bekannt sind Kraftstoffsysteme von Brennkraftmaschinen, welche eine Hochdruckpumpe aufweisen, mittels der eine benötigte Kraftstoffmenge in einen Hochdruckspeicher bzw. Kraftstoffverteiler ("Rail") gefördert wird. Häufig werden dafür rückströmfreie Systeme verwendet, bei denen in der
Hochdruckpumpe angeordnete Mengensteuerventile die Mengensteuerung übernehmen. Des Weiteren weist eine solche Hochdruckpumpe ein Auslassventil auf, welches beispielsweise durch eine Ventilfeder vorgespannt ist und den Kraftstoffverteiler gegen einen Förderraum der Hochdruckpumpe abdichtet.
Somit wird eine Leckage aus dem Kraftstoffverteiler zurück in den
Niederdruckbereich im Wesentlichen verhindert.
Wenn im Förderraum der Hochdruckpumpe mittels einer entsprechenden Kolbenbewegung ein Druck aufgebaut wird, so kann das Auslassventil öffnen, sofern der Druck in dem Förderraum größer ist als der Druck in dem
Kraftstoffverteiler zuzüglich der Kraft der Ventilfeder. Dann kann der
komprimierte Kraftstoff in den Kraftstoffverteiler gefördert werden. Häufig weist das Auslassventil einen so genannten Flachsitz mit einer vergleichsweise großen Dichtsitzbreite auf. Die große Dichtsitzbreite ist erforderlich, um den Verschleiß des Auslassventils über der Lebensdauer gering zu halten. Beim Öffnen des Auslassventils wird ein zwischen dem plattenförmigen
Dichtabschnitt des Ventilkörpers ("Ventilplatte") des Auslassventils und dem gehäusefesten Dichtsitz ("Gegenplatte") vorhandener Kontaktbereich mit Kraftstoff befüllt. Dabei wird ein zunächst kleiner Spalt gebildet, der durch Zuströmen von Kraftstoff rasch vergrößert wird. Hierbei sinkt jedoch der in dem Spalt herrschende hydraulische Druck aufgrund hydrodynamischer Effekte vorübergehend stark ab, wodurch die Ventilplatte kurzzeitig am Dichtsitz "kleben" bleibt. Weil gleichzeitig der Kolben der Hochdruckpumpe schnell weiterbewegt wird und den Kraftstoff im Förderraum entsprechend schnell komprimiert, entsteht durch das Kleben eine Druckspitze in dem Förderraum und nachfolgend eine unerwünschte Schockwelle. Dadurch werden Pulsationen des Kraftstoffs angeregt und das Betriebsgeräusch der Hochdruckpumpe wird erhöht.
Andere Ausführungsformen von Ventilen, wie beispielsweise ein Kugel-Kegel- Ventil, weisen das besagte Kleben im Prinzip nicht auf. Allerdings ist bei diesen Ventilen die bewegte Masse im Allgemeinen größer.
Patentveröffentlichungen aus diesem Fachgebiet sind beispielsweise die DE 10 2006 055 832 A1 , die DE 10 2006 002 638 A1 , die DE 102 49 688 A1 , die DE 102 20 717 A1 , die DE 102 13 626 A1 , und die DE 101 38 362 A1.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Ventileinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Klebeeffekt beim Abheben eines plattenförmigen beweglichen Ventilkörpers von einem gehäuseseitigen Dichtsitz einer hydraulischen Ventileinrichtung verringert und die Masse des Ventilkörpers verkleinert wird. Ein maximaler Förderdruck kann vermindert und die Belastung des Gehäuses einer Hochdruckpumpe sowie ein erforderliches Antriebsmoment reduziert werden. Weiterhin wird der Wrkungsgrad der Hochdruckpumpe verbessert, Druckpulsationen werden vermindert und ein Betriebsgeräusch wird gesenkt.
Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung weist einen Strömungskanal auf, in dem der darin angeordnete plattenförmige Ventilkörper zusammen mit dem Dichtsitz einen Fluidstrom steuern bzw. sperren kann. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Klebeeffekt beim Abheben des Ventilkörpers von dem Dichtsitz abhängig ist von einer Fläche eines zwischen einem Dichtabschnitt des Ventilkörpers und dem Dichtsitz gebildeten Kontaktbereichs. Erfindungsgemäß wird die Fläche des Kontaktbereichs verkleinert, indem bei geschlossener Ventileinrichtung unmittelbar benachbart zum Kontaktbereich zwischen
Dichtabschnitt und Dichtsitz ein keilförmiger Spalt vorhanden ist. Dadurch ist es nicht erforderlich, den Ventilkörper als Kugel oder als Kegel auszubilden, wodurch Bauraum und bewegte Masse gespart werden. Gleichzeitig kann eine Leckage des von der Ventileinrichtung zu steuernden Fluids klein gehalten werden.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der Keilwinkel in dem Spalt höchstens ungefähr 15°, stärker bevorzugt höchstens ungefähr 5°, noch stärker bevorzugt höchstens ungefähr 2° beträgt. Damit wird ein besonders geeigneter Winkelbereich bzw. werden besonders geeignete Winkel zur Bemessung des keilförmigen Spalts beschrieben.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung sieht vor, dass der Ventilkörper und/oder der Dichtsitz im Dichtbereich kegelförmig ist. Der
Dichtbereich wird durch das Zusammenwirken des gehäuseseitigen Dichtsitzes und des Dichtabschnitts gebildet. Durch die bereichsweise kegelförmige
Geometrie des Ventilkörpers und/oder des Dichtsitzes können Eigenschaften eines Kegelventils erreicht werden, ohne dass ein zu starker Klebeeffekt beim Abheben des Ventilkörpers auftritt, und ohne dass es erforderlich ist, den Ventilkörper als vollständigen Kegel auszubilden.
Eine dazu alternative Ausgestaltung der Ventileinrichtung sieht vor, dass der Ventilkörper im Dichtbereich kugelförmig ist oder eine sphärische konvexe Wölbung aufweist. Dadurch kann ebenfalls der Klebeeffekt deutlich vermindert werden, ohne dass der Ventilkörper vollständig als Kugel ausgeführt ist. Damit kann bewegte Masse gespart und die Dynamik der Ventileinrichtung verbessert werden. Der kugelförmige Bereich oder die sphärische Wölbung können beispielsweise spanend oder mittels Kaltverformung hergestellt sein.
Ergänzend ist vorgesehen, dass der Ventilkörper eine im Wesentlichen mittige konkave Ausnehmung aufweist. Beispielsweise kann die konkave Ausnehmung eine in etwa kugelkappenartige Geometrie aufweisen, wodurch eine erste Begrenzungsfläche des erfindungsgemäßen keilförmigen Spalts gebildet wird. Eine zweite Begrenzungsfläche wird dabei durch den Dichtabschnitt gebildet. Dadurch kann bewegte Masse gespart und Herstell kosten gesenkt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Ventileinrichtung umfasst einen Dichtsitz, der im Dichtbereich ballig ist. Dadurch kann - bei einem flach ausgebildeten
Dichtabschnitt des Ventilkörpers - auf besonders einfache Weise ein
erfindungsgemäßer keilförmiger Spalt im Dichtbereich erreicht werden. Darüber hinaus ist es möglich, die "Ballform" des Dichtsitzes in Richtung der
Bewegungsachse des Ventilkörpers beispielsweise hälftig "anzuschneiden", so dass immer noch eine - infinitesimal kleine - Kontaktfläche zwischen dem Dichtsitz und dem Dichtabschnitt und somit ein keilförmiger Spalt gebildet werden. Die verbleibende Ballform des Dichtsitzes weist dabei radial nach außen beziehungsweise radial nach innen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der keilförmige Spalt nur auf einer Seite des Dichtbereichs vorhanden ist, vorzugsweise auf der stromabwärtigen Seite. Damit wird eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Ventileinrichtung ermöglicht.
Die Ventileinrichtung kann besonders einfach ausgeführt sein, wenn der Ventilkörper so dimensioniert, insbesondere als ausreichend dünne Platte ausgebildet ist, dass er sich bei geschlossener Ventileinrichtung aufgrund der Druckdifferenz über den Dichtbereich hinweg verformt und hierdurch den keilförmigen Spalt erzeugt. Dabei kann der Ventilkörper bereichsweise eine kugelkappenartige Form annehmen, welche an einer Kante oder an einer gegen die Bewegungsachse der Ventileinrichtung geneigten Fläche des Dichtsitzes den erfindungsgemäßen Spalt erzeugt. Dadurch baut die Ventileinrichtung einfacher, wobei Herstellkosten gesenkt werden können. Weiterhin kann der Dichtsitz so ausgebildet sein, dass er im Kontaktbereich eine Kante aufweist, derart, dass bei geschlossener Ventileinrichtung ein weitgehend linienförmiger Kontakt zwischen Ventilkörper und Dichtsitz vorhanden ist.
Dadurch kann einerseits eine hohe Pressung im Kontaktbereich erreicht werden, wobei der zum Kontaktbereich unmittelbar benachbarte keilförmige Spalt ohne zusätzlichen Aufwand gebildet wird. Die erforderliche Dichtwirkung entsteht dadurch, dass der anfänglich linienförmige Kontakt zwischen Dichtsitz und Dichtabschnitt beim Betrieb der Ventileinrichtung schon nach wenigen
Schaltzyklen sich zu einer schmalen Ringfläche erweitert. Außerdem können kleine Unebenheiten und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.
Eine weiter Ausgestaltung der Ventileinrichtung sieht vor, dass der Dichtsitz stromaufwärts und/oder stromabwärts vom Kontaktbereich eine umlaufende Fase aufweist. Dadurch kann bei geöffneter Ventileinrichtung ein hydraulischer Strömungswiderstand gesenkt und der Wirkungsgrad somit verbessert werden.
Die Dynamik der Ventileinrichtung wird weiter verbessert, wenn der Ventilkörper außerhalb einer Umgebung des Dichtabschnitts Aussparungen aufweist. Durch ein gezieltes Aussparen von Material in weniger beanspruchten Bereichen des Ventilkörpers kann die bewegte Masse reduziert und die Dynamik der
Ventileinrichtung verbessert werden. Umgekehrt können stärker beanspruchte Bereiche des Ventilkörpers - insbesondere innerhalb einer Umgebung des Dichtabschnitts - gegebenenfalls versteift werden, um elastische Verformungen des Ventilkörpers zu verhindern oder zu verkleinern. Damit kann die
Dauerfestigkeit der Ventileinrichtung erhöht werden. Geeignete Bereiche können beispielsweise mittels einer Computersimulation ermittelt werden.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einer ersten Ausführungsform eines Dichtbereichs eines
Auslassventils; Figur 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Dichtbereichs des Auslassventils von Figur 1 ; Figur 3 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 4 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 5 eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 6 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 7 eine Schnittansicht einer siebten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 8 eine Schnittansicht einer achten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 9 eine Schnittansicht einer neunten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 10 eine Schnittansicht einer zehnten Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 1 1 eine Schnittansicht einer elften Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 12 eine Schnittansicht einer zwölften Ausführungsform des Dichtbereichs;
Figur 13 eine Schnittansicht einer dreizehnten Ausführungsform des
Dichtbereichs; und
Figur 14 den Dichtbereich von Figur 13 bei einem abgenutztem Dichtsitz.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt eine Kraftstoffpumpe 10 eines Kraftstoffsystems einer
Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung. Die Kraftstoffpumpe 10 weist ein Gehäuse 20 auf, in dessen in der Zeichnung linken Abschnitt ein Elektromagnet 15 mit einer Spule 22, einem Anker 24 und einer Ankerfeder 26 angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Kraftstoffpumpe 10 einen mit einer Niederdruckleitung 7 verbundenen Einlass 28 mit einem Einlassventil 30, und einen mit einer Hochdruckleitung 1 1 verbundenen Auslass 32 mit einem Auslassventil, welches nachfolgend als Ventileinrichtung 34 bezeichnet wird. Das Einlassventil 30 umfasst eine Feder 31 sowie ein Ventilelement 33. Das Ventilelement 33 kann mittels einer in der Zeichnung horizontal verschiebbaren und mit dem Anker 24 gekoppelten Ventilnadel 35 bewegt werden. In einem
5 Förderraum 36 ist ein Kolben 18 in der Zeichnung vertikal bewegbar angeordnet.
Der Kolben 18 kann mittels einer Rolle 40 von einem - vorliegend elliptischen - Nocken 17 in einem Zylinder 37 bewegt werden. Der Zylinder 37 ist in einem Abschnitt des Gehäuses 20 gebildet. Das Einlassventil 30 ist über eine Öffnung 38 mit dem Förderraum 36 hydraulisch verbunden. Die innerhalb des Gehäuses0 20 angeordneten Volumina der Kraftstoffpumpe 10 sind im Wesentlichen mit
Kraftstoff gefüllt.
Vorliegend weist ein im Wesentlichen plattenförmiger Ventilkörper 42 der Ventileinrichtung 34 (Auslassventil) einen in etwa kugelkappenförmigen5 Dichtabschnitt 44 auf, der mit einem durch eine Stirnfläche eines axialen und gehäusefesten Kragens gebildeten Dichtsitz 46 zusammenarbeitet. Eine Ventilfeder 43 - und ebenso der am Auslass 32 herrschende hydraulische Druck - beaufschlagen den Ventilkörper 42 in der Zeichnung nach links, also in Schließstellung. Zwischen dem Dichtabschnitt 44 und dem Dichtsitz 46 ist ein o keilförmiger Spalt 50 vorhanden. Der Dichtsitz 46 und der Dichtabschnitt 44
bilden zusammen einen Dichtbereich (ohne Bezugszeichen). Die funktionalen Elemente der Ventileinrichtung 34 sind im Wesentlichen rotationsymmetrisch ausgeführt. 5 Im linken Endbereich weist der Ventilkörper 42 eine zentrische Aussparung 52 auf. Der Dichtsitz 46 ist an einem ringförmigen Endabschnitt 53 des Gehäuses 20 ausgebildet und in Bezug auf eine Längsachse 48 im Wesentlichen rechtwinklig ausgerichtet. Der Dichtsitz 46 und der Dichtabschnitt 44 liegen aufeinander und bilden an der Berührstelle einen im Wesentlichen linienförmigen o Kontaktbereich 54.
Im Betrieb fördert die Kraftstoffpumpe 10 Kraftstoff von dem Einlass 28 zu dem Auslass 32, wobei die Ventileinrichtung 34 entsprechend einem jeweiligen Druckunterschied zwischen dem Förderraum 36 und dem Auslass 32 öffnet oder5 schließt. Dabei wird der Ventilkörper 42 der Ventileinrichtung 34 in Richtung der
Längsachse 48 in der Zeichnung horizontal bewegt. Ist der Elektromagnet 15 bestromt, so kann das Einlassventil 30 durch die Kraft der Feder 31 geschlossen werden. Ist der Elektromagnet 15 nicht bestromt, so kann das Einlassventil 30 durch die Kraft der Ankerfeder 26 zwangsweise geöffnet werden. Beim Öffnen der Ventileinrichtung 34 wird durch den keilförmigen Spalt 50 ein schnelles Wiederbefüllen des Dichtbereichs mit Kraftstoff ermöglicht. Dadurch kann ein so genannter "Klebeeffekt" und somit ein verzögertes Öffnen der Ventileinrichtung 34 im Wesentlichen vermieden werden. Insbesondere können Druckpulsationen in der Kraftstoffpumpe 10 ("Hochdruckpumpe") vermindert und ein Betriebsgeräusch gesenkt werden.
Auch in den folgenden Figuren 2 bis 14 sind die funktionalen Elemente der Ventileinrichtung 34 rotationsymmetrisch um die Längsachse 48 ausgeführt. Dies ist jedoch nicht nochmals explizit vermerkt. Außerdem sind in den folgenden Figuren 5 bis 12 die Ventileinrichtungen 34 der besseren Darstellung halber in einem geöffneten oder teilweise geöffneten Zustand gezeigt. Weiterhin sind in den nachfolgenden Figuren 2 bis 14 die gezeigten Geometrien, insbesondere der keilförmige Spalt 50, zwecks besserer Veranschaulichung teilweise übertrieben groß dargestellt.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Dichtbereichs der - vorliegend geschlossenen - Ventileinrichtung 34 in einer Schnittansicht. Der Ventilkörper 42 im rechten Bereich der Zeichnung ist ähnlich zu der Figur 1 ausgeführt und weist also eine bereichsweise kugelförmige bzw. sphärische Kontur auf. Der Dichtsitz 46 weist stromaufwärts und stromabwärts des Kontaktbereichs 54 jeweils eine umlaufende Fase 56 auf.
Im Betrieb der Ventileinrichtung 34 kann der anfänglich linienförmige
Kontaktbereich 54 aufgrund von elastischen und plastischen Verformungen zu einem schmalen kreisringförmigen Flächenkontakt umgestaltet werden. Dennoch bleibt die wirksame (ringförmige) Fläche des Kontaktbereichs 54 im Allgemeinen vergleichsweise klein.
Alternativ oder ergänzend kann die Aussparung 52 auch auf der in der
Zeichnung rechten axialen Seite des Ventilkörpers 42 angeordnet sein. Dies ist in der Figur 2 jedoch nicht dargestellt. Die in der Figur 2 gezeigte Ausführungsform der Ventileinrichtung 34 weist außerdem den Vorteil auf, dass der Ventilkörper 42 auch bei einer eventuellen Exzentrizität und/oder Verkippung stabil und dicht auf dem Dichtsitz 46 aufliegen kann. Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend ist der
Dichtabschnitt 44 des Ventilkörpers 42 in Bezug auf die Längsachse 48 rechtwinklig und eben ausgeführt. Der im linken Bereich der Zeichnung dargestellte ringförmige Endabschnitt 53 des Gehäuses 20 weist radial innen und radial außen bereichsweise konische Konturen auf. Der Dichtsitz 46 ist an dem ringförmigen Endabschnitt 53 derart angeordnet, dass der Dichtsitz 46 in Bezug auf die Längsachse 48 (radial umlaufend) gekippt, also leicht konisch ist.
Dadurch wird zwischen dem Dichtsitz 46 und dem Dichtabschnitt 44 der keilförmige Spalt 50 und entsprechend der linienförmige Kontaktbereich 54 gebildet.
Figur 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend sind der Dichtsitz 46 und der Dichtabschnitt 44 in Bezug auf die Längsachse 48 an sich rechtwinklig und eben ausgeführt. In Folge des an dem Auslass 32 herrschenden hohen Kraftstoffdrucks - in der Figur 4 durch einen Pfeil 58 dargestellt - sind jedoch die in Bezug auf den Kontaktbereich 54 radial inneren Abschnitte des elastischen und vergleichsweise dünnen Ventilkörpers 42 in der Zeichnung um ein geringes Maß nach links und die radial äußeren Abschnitte nach rechts gebogen. Eine zu der Längsachse 48 rechtwinklig gezeichnete Hilfslinie 60 veranschaulicht dies zusätzlich. Durch die Biegung des Ventilkörpers 42 wird der keilförmige Spalt 50 gebildet. Dabei kann es aus Gründen einer hohen
Dauerfestigkeit erforderlich sein, dass der Ventilkörper 42 ein besonders dehnbares Material mit einer hohen Streckgrenze aufweist.
Figur 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend ist der Dichtsitz 46 in Bezug auf eine zu der Längsachse 48 senkrechten Ebene um einen Winkel W1 radial umlaufend gekippt. Dadurch wird zwischen dem Dichtsitz 46 und dem Dichtabschnitt 44 der keilförmige Spalt 50 (radial innen) und entsprechend der linienförmige Kontaktbereich 54 (radial außen) gebildet.
Ergänzend ist in der Figur 5 im Kontaktbereich 54 eine Kante 61 bezeichnet. Mittels der Kante 61 wird bei geschlossener Ventileinrichtung 34 ein weitgehend linienförmiger Kontakt zwischen Ventilkörper 42 und Dichtsitz 46 erzeugt. Figur 6 zeigt eine sechste Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend weist der Dichtsitz 46 zwei Fasen 62 mit jeweils einem Winkel W2 und W3 auf, welche an einem Scheitel den linienförmigen Kontaktbereich 54 bilden. Entsprechend werden zwischen dem Dichtsitz 46 und dem Dichtabschnitt 44 zwei keilförmige
Spalte 50 jeweils radial innen und radial außen gebildet. Dabei können die Winkel W2 und W3 auch zueinander verschiedene Werte aufweisen. Ebenso kann ein Verhältnis d2 / d1 der Strecken d1 und d2 in einem Bereich von null bis eins betragen.
Figur 7 zeigt eine siebte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend weist der Dichtsitz 46 eine ballige Kontur symmetrisch zu einer zur Längsachse 48 parallelen Linie 64 auf. Dadurch werden ebenfalls ein - zumindest theoretisch - linienförmiger Kontaktbereich 54 sowie zwei keilförmige Spalte 50 gebildet.
Die Figuren 8 und 9 zeigen eine achte bzw. eine neunte Ausführungsform des Dichtbereichs. Ausgehend von der Ausführungsform von Figur 7 werden jeweils die zu der Linie 64 radial inneren bzw. äußeren Abschnitte des ballig
ausgebildeten ringförmigen Endabschnitts 53 für den Dichtsitz 46 verwendet.
Figur 10 zeigt eine zehnte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend weist der Ventilkörper 42 eine mittige konkave Ausnehmung 66 auf. Der Dichtsitz 46 ist rechtwinklig zu der Längsachse 48 ausgerichtet. Wenn bei geschlossener Ventileinrichtung 34 der Ventilkörper 42 an dem Endabschnitt 53 bzw. dem Dichtsitz 46 anschlägt, so kann wegen der konkaven Ausnehmung 66 wiederum ein in etwa linienförmiger Kontaktbereich 54 an einem Außenradius des
Dichtsitzes 46 sowie ein keilförmiger Spalt 50 gebildet werden. Außerdem wird durch die konkave Ausnehmung 66 die Masse des Ventilkörpers 42 verkleinert. Figur 1 1 zeigt eine elfte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend weist der Ventilkörper 42 eine umlaufende und radial nach außen gerichtete
Schrägfläche 68 auf. Bei geschlossener Ventileinrichtung 34 kann die
Schrägfläche 68 zusammen mit dem zur Längsachse 48 rechtwinklig
ausgerichteten Dichtsitz 46 wiederum einen in etwa linienförmigen
Kontaktbereich 54 sowie einen keilförmigen Spalt 50 bilden. Figur 12 zeigt eine zwölfte Ausführungsform des Dichtbereichs. Vorliegend weist der Ventilkörper 42 eine umlaufende und radial nach innen gerichtete
Schrägfläche 70 auf. Bei geschlossener Ventileinrichtung 34 kann die
Schrägfläche 70 zusammen mit dem zur Längsachse 48 rechtwinklig
ausgerichteten Dichtsitz 46 wiederum einen in etwa linienförmigen
Kontaktbereich 54 sowie einen keilförmigen Spalt 50 bilden.
Figur 13 zeigt eine dreizehnte Ausführungsform des Dichtbereichs, wobei die Ventileinrichtung 34 im geschlossenen Zustand dargestellt ist. Vorliegend weist der ringförmige Endabschnitt 53 des Gehäuses 20 eine radial umlaufende Ausnehmung 72 auf. Entsprechend ist ein radiales Maß 74 des Endabschnitts 53 um ein radiales Maß 76 vermindert, so dass die Fläche des Dichtsitzes 46 vergleichsweise klein ist. Vorliegend sind der Dichtsitz 46 und der Dichtabschnitt 44 in Bezug auf die Längsachse 48 rechtwinklig und eben ausgeführt. Jedoch ist der Ventilkörper 42 - ähnlich zu Figur 4 - als Folge des an dem Auslass 32 herrschenden hohen Kraftstoffdrucks entsprechend dem Pfeil 58 radial gebogen. Dadurch werden wiederum ein ringförmiger Kontaktbereich 54 und ein keilförmiger Spalt 50 gebildet.
Figur 14 zeigt den Dichtbereich von Figur 13 nach einer längeren Betriebsdauer der Ventileinrichtung 34. Als Folge der vergleichsweise starken Anschläge des Dichtabschnitts 44 an dem Dichtsitz 46 wurde der Endabschnitt 53 bzw. der Dichtsitz 46 plastisch verformt. Dies erfolgte vorliegend derart, dass der zuvor linienförmige Kontaktbereich 54 radial soweit vergrößert ist, dass der
Kontaktbereich 54 nunmehr die gesamte zwischen dem Dichtsitz 46 und dem Dichtabschnitt 44 mögliche Berührfläche umfasst.
Dank der radial umlaufenden Ausnehmung 72 ist diese Berührfläche jedoch begrenzt. Beim Öffnen der Ventileinrichtung 34 kommt es zwar zu dem unerwünschten Klebeeffekt beim Abheben des Ventilkörpers 42 von dem
Dichtsitz 46, jedoch ist die dabei zu überwindende Kraft vergleichsweise gering. Wie aus der Zeichnung zu erkennen, ist der Endabschnitt 53 derart ausgeführt, dass auch bei einer weiteren Abnützung an dem Dichtsitz 46 die besagte Berührfläche nicht weiter vergrößert wird.

Claims

Ansprüche
1. Ventileinrichtung (34), insbesondere Auslassventil einer Kraftstoff- Hochdruckpumpe (10) einer Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (20), einem Strömungskanal und einem in dem Strömungskanal angeordneten plattenförmigen beweglichen Ventilkörper (42), der einen Dichtabschnitt (44) aufweist, der bei geschlossener Ventileinrichtung (34) bereichsweise an einem gehäuseseitigen Dichtsitz (46) anliegt, wobei die aneinander liegenden Abschnitte von Dichtabschnitt (44) und Dichtsitz (46) einen Kontaktbereich (54) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass bei
geschlossener Ventileinrichtung (34) unmittelbar benachbart zum
Kontaktbereich (54) zwischen Dichtabschnitt (44) und Dichtsitz (46) wenigstens zeitweise ein keilförmiger Spalt (50) vorhanden ist.
2. Ventileinrichtung (34) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel in dem Spalt (50) höchstens ungefähr 15°, stärker bevorzugt höchstens ungefähr 5°, noch stärker bevorzugt höchstens ungefähr 2° beträgt.
3. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (42) und/oder der Dichtsitz (46) im Dichtbereich kegelförmig ist.
4. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (42) im Dichtbereich kugelförmig ist.
5. Ventileinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (42) eine im wesentlichen mittige konkave Ausnehmung (66) aufweist.
6. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (46) im Dichtbereich ballig ist.
7. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keilförmige Spalt (50) nur auf einer Seite des Dichtbereichs vorhanden ist, vorzugsweise auf der stromabwärtigen Seite.
8. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (42) so dimensioniert, insbesondere als ausreichend dünne Platte ausgebildet ist, dass er sich bei geschlossener Ventileinrichtung (34) aufgrund der Druckdifferenz über den Dichtbereich hinweg verformt und hierdurch den keilförmigen Spalt (50) erzeugt.
9. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (46) im Kontaktbereich (54) eine Kante (61) aufweist, derart, dass bei geschlossener Ventileinrichtung (34) ein weitgehend linienförmiger Kontakt zwischen Ventilkörper (42) und Dichtsitz
(46) vorhanden ist.
10. Ventileinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (46) stromaufwärts und/oder
stromabwärts vom Kontaktbereich (54) eine umlaufende Fase (62) aufweist.
1 1. Ventileinrichtung (34) nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilkörper (42) außerhalb einer Umgebung des Dichtabschnitts (44) Aussparungen (52) aufweist.
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