高压连接装置、高压燃料泵和用于制造用于高压燃料泵的高压连接装置的方法

摘要

本发明涉及用于高压燃料泵（10）的高压连接装置（50），具有以下部件：出口装置（18），用于从高压燃料泵（10）排出燃料（14）；连接装置（22），用于将出口装置（18）连接到布置在出口装置下游的元件；焊缝（30），用于连接出口装置（18）和连接装置（22）；和预紧装置（52），用于在出口装置（18）的方向上将预紧力（F

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压连接装置，通过所述高压连接装置，高压燃料泵能连接至在燃料的流动方向上在高压燃料泵下游的燃料喷射系统的元件。申请还涉及一种用于制造这样的高压连接装置的方法，并涉及一种配备有这样的高压连接装置的高压燃料泵。

背景技术

燃料喷射系统通常用于将诸如例如柴油或汽油的燃料喷射到内燃机的燃烧室中。燃料喷射系统中的燃料当将汽油用作燃料时以从200巴至300巴的范围内的高压增压，并且当将柴油用作燃料时以在2000巴至3000巴的高压增压。在本文中以压力增压在高压燃料泵中进行，在所述高压燃料泵中，泵活塞以平移的方式移动，使得所述泵活塞周期性地扩大和缩小其中放置燃料的加压室的体积，由此在燃料中产生高压。以这种方式用高压增压后的燃料于是被向前引导至在高压燃料泵下游的燃料喷射系统的元件。例如，燃料到内燃机的燃烧室中的喷射常常通过所谓的轨的压力储蓄器进行，这是通过对应的阀来自高压燃料泵的燃料最初被引入轨的原因。

因此，为了使在燃料的流动方向上在高压燃料泵下游的燃料喷射系统的元件能够供以加压燃料，提供一种高压燃料泵通过其能连接至这些下游元件的连接装置。

由于在燃料中普遍存在的高压，并且由于由此产生的力，所以高压燃料泵与连接装置的连接在机械方面是高度受应力的。由此分别在连接或连接装置的不利结构和尺寸布局的情况下出现的脉动拉伸应力的峰值尤其能导致连接装置与高压燃料泵之间的动态应力连接的失效。其结果是，这能导致燃料的泄露，并导致与之相关并且待有利地避免的安全性问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种高压连接装置，其能用高阻力抵抗作用力。

该目的通过具有权利要求1的特征的高压连接装置实现。

具有高压连接装置的高压燃料泵和用于制造这样的高压连接装置的方法是并列独立权利要求的主题。

本发明的有利设计的实施例是从属权利要求的主题。

用于将高压燃料泵连接至在燃料的流动方向上在高压燃料泵下游的燃料喷射系统的元件的高压连接装置具有：出口装置，其用于从高压燃料泵排出在高压燃料泵中以压力增压的燃料；和连接装置，其用于将出口装置连接至在燃料的流动方向上在下游的燃料喷射系统的元件。高压连接装置还具有：焊缝，其用于以高压密封的方式使出口装置与连接装置相连接；和预紧装置，其用于在出口装置的方向上对焊缝施加预紧力。

出口装置优选地由高压燃料泵的壳体形成，并具有将高压燃料泵的环境连接至高压燃料泵的加压室的出口孔。

燃料从高压燃料泵的加压室通过出口孔流入连接装置，并从那里被向前引导至燃料喷射系统的下游元件。因此，燃料在通常设置成以便与连接装置的纵向轴线平行的流动方向上从出口装置流入连接装置。因此，连接装置的纵向轴线与燃料的流动轴线典型地一致。

因此，在高压连接装置提供的是，在出口装置与连接装置之间代替简单的连接而提供向连接焊缝施加预紧力的稳定连接，所述预紧力抵抗作用于焊缝的力。在本文中，将纯预紧连接的优点与纯焊接连接的优点结合，以便能够通过稳定连接的力抵抗更高的压力。毕竟，高压燃料泵尤其地构造成用于以在300巴与800巴之间的高压(在汽油领域中的应用)使燃料增压。在柴油领域中能实现甚至高达3000巴的压力。与这样的高压相关的高压连接装置明显比其中仅使用纯螺钉连接或纯焊接连接的高压连接装置更牢固。

因此，选择例如通过激光、电子束、电容放电或摩擦焊接等的焊接过程与包括焊缝的高压连接通过其预紧的预紧装置的组合。因而最初进行焊接过程，并且随后使整个结构稳固。由此，力和应力从焊缝传递至高压连接和预紧装置的应力少的区域并传递至周围壳体。此外，还能分别设定或限定通过预紧力与合适的设计实施例的组合的高压连接装置本身中的应力，使得即使在进一步提高的压力需求的情况下，高压连接装置与所有其它安装零件的操作的整体性也能得到保证。

在进一步增加的液压机械需求和增加的压力(在汽油的情况下从300巴至800巴的范围内和在柴油的情况下从1500巴至3000巴的范围内)下，分别能通过该新的解决方案实现或维持有成本效益的焊接连接。另外仅需要附加的预紧装置和必需的安装空间。因而，能进一步使用在较低的压力水平的背景下已知的经受稍微变型的部件。此外，产生在不引起焊缝上的任何附加应力的情况下使高压连接中的壁厚度加厚的可能，当分别将外部管道安装拧紧/紧固在连接装置上或拧紧/紧固至连接装置时，这有益于相对于剪切的提高的安全性。

对于高压连接装置的压力上限由材料弹性、寿命期间可达到的最大预紧力F_V与连接装置的直径的组合得出。尤其地，借助于螺纹相关的损失等的可达到的最大预紧力F_V随着直径变大而变得越小，使得最佳值应在于小的直径的使用。小的直径与较小的轴向力结合导致可达到的较高的预紧力F_V。

有利地，在出口装置中以这样的一种方式设置有减压安全阀，使得减压安全阀的阀开口通向连接装置中的燃料入口体积，所述燃料入口体积构造成用于允许从出口装置流出的燃料进入连接装置。

减压安全阀对于保护在高压燃料泵下游的那些元件是有利的。为了使减压安全阀的阀开口能够通向连接装置的燃料入口体积，有利的是提供足够的安装空间，与没有这样的减压安全阀的布置相比较，这导致明显扩大的连接装置的直径。

由于接触压力由于出口装置与连接装置之间的较大的接触面而减小，所以该较大的直径对出口装置与连接装置之间的连接可能有负面影响。较大的直径对到目前为止使用的纯预紧连接以及纯焊接连接有负面影响。

在纯预紧连接的情况下，常常为密封提供内部咬合边缘，并为使公差均衡提供软金属盘。该咬合边缘的直径现在由于为用于减压安全阀的安装空间所需的较大的直径而增大。因而，稳固部分之间的接触压力由于较大的面而降低。然而，此外，可能的最大轴向预紧力F_V还由于螺纹中较大的摩擦损失而降低。

随着直径增大，由于咬合边缘定位成以便明显更远离中心，所以圆度的任何潜在的偏差和与咬合边缘的正交性的偏差分别附加地具有明显更大的影响。主要用于通过咬合边缘均衡公差的软金属盘被足够高的预紧力F_V撞击，以便通过塑性变形实现公差偏差的均衡。然而，该预紧力F_V由于前述原因而降低，并且现在必须传递至较大的面。

借助于熔融区的尺寸的焊接连接能在不损失紧密性的情况下更加大大地均衡公差。在这里，首要的是，经常使用的微焊缝的窄链路长度就压力水平而言有限制作用，这导致将应力引导离开焊缝而引入连接装置和周围壳体的结构。因而，连接装置的可达到的厚度降低，并且在上升的压力的情况下达到材料过度受应力的点。

预紧连接与焊接连接的优点在高压连接装置中被统一，以便通过减压安全阀在连接装置的燃料入口体积的相对大的直径下实现在例如从300巴至800巴或更高的范围内的更高的压力水平。另外的优点在于，能继续使用已知的并且非常好地管理机加工与焊接过程的已经可获得的装配线。

预紧装置优选地具有朝向出口装置并且为了向焊缝施加预紧而支撑在连接装置的接触面上的预紧面。因而，能有利地通过连接装置本身向焊缝施加预紧力。

在一个有利设计的实施例中，预紧面与接触面的接触区域在燃料的流动方向上设置成大致垂直地在焊缝上方。由此，由于有效地抵消焊缝的任何提升或断裂，优选地能尽可能有效地使焊缝去应力，并且为此所需的预紧力降低。

在连接装置上的接触面优选地设置成是环绕的，使得能通过连接装置的圆周横跨焊缝均匀地施加预紧力。

在一个另外的优选设计的实施例中，在燃料的流动方向上的接触区域设置成大致与流动方向垂直，使得预紧力优选地能以精确的方式抵抗通过流动燃料作用的那些力。

然而，在替代性设计的实施例中，接触区域相对于流动方向能以角度α设置，尤其地以30°<α<80°的角度设置，尤其地以α=45°的角度设置。这具有的优点是，可使用具有较小的外直径的连接装置。预紧装置优选地构造成使得拉动所述预紧装置经过连接装置，以便装配在相应的布置中，使得预紧装置必须具有最小的内直径。假如在布置焊缝的区域中的连接装置具有小的外直径，则不能再潜在地建立接触面与预紧面的接触区域。然而，通过成角度的接触区域，还能够使预紧力施加在焊缝上。

在出口装置上优选地构造有凹进，其中，预紧装置构造成用于接合在凹进中。由此，预紧装置能有利地将力消散到出口装置中。出口装置上的凹进优选地设置成是环绕的，并且预紧装置具有同样设置在预紧装置的圆周上的环绕壁，所述壁接合在凹进中。因而保证凹进与预紧装置之间的特别可靠的接触。

特别有利地，凹进具有外部凹进螺纹，并且预紧装置具有用于接合在外部凹进螺纹中的内部预紧装置螺纹。由此，通过使预紧装置螺钉配合到凹进上能有利地对焊缝特别均匀并且稳固地施加预紧力。

例如，预紧装置由螺母形成。然而，替代性地，预紧装置还能由法兰-螺钉组件形成。作为螺母的构造具有的优点是，能通过连接装置的整个圆周将预紧力均匀地施加到焊缝上。由此，法兰-螺钉组件具有的优点是，能够比在具有螺母的布置的情况下得到更大的自由度和更大的空间。例如，法兰-螺钉组件具有与出口装置中的对应间隙相互作用的至少两个螺钉。

在出口装置中有利地设置有尤其构造成大致是圆形的沟槽。焊缝在一个优选的实施例中设置在沟槽中，并因而设置成有利地陷入出口装置中。然而，在替代性设计的实施例中的焊缝还能在朝着燃料的流动轴线的方向上设置在沟槽旁边，以便与燃料的流动轴线垂直，也就是说朝着连接装置的纵向轴线指向。沟槽当设置在焊缝旁边时能有利地消散作用于焊缝的力，因而使焊缝去应力。

在连接装置的与出口装置接触的第一端上优选地设置有连接装置的突起区域，其中，突起区域具有焊缝设置在其上的焊接面。通过突起区域，可有利地得到预紧装置能通过其向焊缝施加力的面。在本文中，连接装置在突起区域上接触预紧装置的接触面优选地设置成以便与焊缝定位在其上的焊接面相对。因此，突起区域将预紧力从预紧装置传递至相对的焊缝。

在优选设计的实施例中，在连接装置的与第一端相对的第二端上设置有连接装置的连接区域，用于将连接装置连接至在燃料的流动方向上在下游的燃料喷射系统的元件。连接装置在本文中在第二端上有利地具有外螺纹，在连接装置下游的元件可有利地通过所述外螺纹容易地紧固至连接装置。连接装置在第一端上的外直径优选地比在第二端上大。优选地，预紧装置的最小的内直径比在第二端上的外直径大，并且比在第一端上的外直径小，一方面，以便能够简单地拉动预紧装置经过连接装置，并且另一方面，以便能够建立与连接装置的突起区域的可靠接触。

一种用于以高压增压燃料的高压燃料泵具有如上所述的高压连接装置。

在用于制造用于高压燃料泵的高压连接装置的方法中，实现以下步骤：

提供出口装置，其用于从高压燃料泵排出燃料；

提供连接装置，其用于将出口装置连接至在燃料的流动方向上在下游的燃料喷射系统的元件；

产生焊缝，其用于使出口装置与连接装置连接；

以这样的一种方式将预紧装置设置在连接装置上，使得在出口装置的方向上的预紧力作用于焊缝。

焊缝在本文中分别能通过各种焊接方法产生，诸如例如(借助于电子束或激光束)从外侧的束焊接或借助于电容放电焊接或摩擦焊接方法，后者为内部焊接方法。

焊缝优选地在将预紧装置设置在连接装置上之前被留下来凝固，以便能够保证预紧力从预紧装置到焊缝的有效传递。

附图说明

以下将借助于附图更详细地说明本发明的有利设计的实施例。在附图中：

图1示出具有用于排出在高压燃料泵中以压力增压的燃料的出口装置的高压燃料泵的透视图；

图2示出图1的高压燃料泵的细节的透视图，其具有设置在出口装置上的连接装置；

图3示出通过具有图2的连接装置的高压燃料泵的剖视图；

图4示出具有连接装置、出口阀和减压安全阀的高压燃料泵的另一剖视图；

图5示出根据第一实施例的在如图1所示的高压燃料泵上的高压连接装置的剖视图；

图6示出在根据图5的高压连接装置的各独立区域中的应力分布的示意图；

图7示出根据第二实施例的在如图1所示的高压燃料泵上的高压连接装置的剖视图；

图8示出在根据图7的高压连接装置的各独立区域中的应力分布的示意图；

图9示出根据第三实施例的在如图1所示的高压燃料泵上的高压连接装置的剖视图；

图10示出在根据图9的高压连接装置的各独立区域中的应力分布的示意图；

图11示出根据第四实施例的在根据图1的高压燃料泵上的高压连接装置的透视图；以及

图12示出图11的高压连接装置的另一透视图。

具体实施方式

例如，图1示出了诸如用于燃料喷射系统的高压燃料泵10的透视图。在高压燃料泵10的壳体12中存在图1的透视图中不可见的加压室24(参见图3)，燃料14在所述加压室24中以高压增压。

一旦燃料14已用高压增压，所述燃料就通过设置在壳体12中并具有出口孔20的出口装置18从高压燃料泵12排出，以便被向前引导至在燃料14的流动方向48上在高压燃料泵10下游的元件。

图2示出了图1的高压燃料泵10的细节的透视图，其中，在出口装置18上设置有连接装置22，出口装置18通过该连接装置22连接至燃料喷射系统的下游元件。

图3示出了通过图2中的透视详细视图的剖视图，其中，现在能在高压燃料泵10的壳体12中看到加压室24、加压室24的流入26和壳体12的出口装置18中的出口孔20。还能看到的是，连接装置22在第一端28通过环绕焊缝30连接至出口装置18。在第二端32处，连接装置22具有前者能通过其连接至燃料喷射系统的下游元件的区域。例如，在此能提供用于连接至下游元件的外螺纹34。

图4示出了具有连接装置22的高压燃料泵10的另一剖视图，其中，在出口装置18中、尤其地在出口孔20中，设置有出口阀36。在出口装置18中还设置有防止高压燃料泵10的下游元件通过过高的燃料压力被撞击并因而损坏的减压安全阀38。减压安全阀38具有通向连接装置22的燃料入口体积42的阀开口40。出口孔20同样通向该燃料入口体积42。燃料入口体积42从连接装置22的第一端28朝着连接装置22的第二端32逐渐减小，因而将加压燃料14供应至燃料喷射系统的下游元件。

用于引导燃料14的连接装置22具有与沿着燃料14的流动方向48延伸的流动轴线46一致的纵向轴线44。

出口装置18与连接装置22当互连时形成高压连接装置54，高压燃料泵10能通过所述高压连接装置54连接至在高压燃料泵10下游的燃料喷射系统的元件。

为了使出口装置18与连接装置22连接，现在不再仅使用如图3所示的焊缝30，而是额外地施加预紧装置52，所述预紧装置52设置成使得预紧装置能向焊缝30施加预紧力F_V。将在下文中通过图5至图12更详细地说明焊缝30与预紧装置52的组合。

在下文中最初描述的高压连接装置50的元件的特征对于在下文中描述的所有实施例是共有的。

出口装置18具有凹进54，连接装置22的壁56可接合在所述凹进54中，以便支撑在所述凹进54上，该壁设置成与燃料14的流动轴线46平行。凹进54在本文中优选地具有至少5mm的深度，以便能够保证连接装置22在出口装置18上的有效支撑。

在出口装置18中附加地设置有沟槽58，以便当连接焊缝30时为装配和焊接过程提供灵活性，也就是说以便可获得用于连接焊缝30的更多的空间自由度。沟槽优选地以环绕的方式设置在出口装置18的表面上。

连接装置22具有突起区域60，所述突起区域60在朝向出口装置18的一侧上包括焊接面62，焊缝30设置在该焊接面62上。在突起区域60的相对侧上、也就是说在设置成以便背离出口装置18的一侧上，连接装置22具有接触面64，所述连接装置22通过接触面64与预紧装置52接触。突起区域60设置在连接装置22的第一端28上。与突起区域60相对、在连接装置22的第二端32上，连接装置22具有连接区域66，高压连接装置50可通过连接区域66连接至燃料喷射系统的下游元件。在连接区域66与突起区域60之间设置有连接装置22具有最小外直径的颈部区域68。连接区域66能可选地具有外螺纹34，并且此外具有比突起区域60小的外直径。

如图4中所示，突起区域60的外直径由所需的燃料入口体积42限定，不仅高压燃料泵12的出口孔20而且减压安全阀38的阀开口都通向该燃料入口体积42。因此，例如，突起区域60中的16mm的内直径导致其限定突起区域60的外直径。

预紧装置52具有接触面64与之接触的预紧面70，以便向焊缝30施加预紧力F_V。预紧装置52的内直径比连接区域66上的外直径大，使得能拉动预紧装置从连接装置22之上经过。同时，预紧装置52的最小的内直径比突起区域60的外直径小，使得预紧装置52能支撑在突起区域60上。

通过预紧装置52，能向具有例如近似1.9mm至2.2mm的链路长度和例如近似0.2mm至0.4mm的宽度的焊缝30施加例如近似4kN-8kN的预紧力。

图5和图6示出了高压连接装置50的第一实施例的剖视图。

预紧装置52在此构造成螺母72，其中，凹进54具有外部凹进螺纹74，并且螺母72具有接合在外部凹进螺纹74中的内部预紧装置螺纹76。连接装置22的接触面64与预紧装置52的预紧面70在设置成与燃料14的流动方向48垂直的接触区域78中接触。此外，图5和图6所示的实施例中的接触区域78在燃料14的流动方向48上设置成大致垂直地在焊缝30上方，因而与焊缝30相同地具有离流动轴线46大致相同的间隔d。因此，由于能有效地抵消焊缝的提升或断裂，所以尽可能有效地使焊缝30去应力。与不使焊缝30去应力并为了使焊缝30稳定因此不得不施加较高的预紧力F_V的情况相比较，为此所需的预紧力F_V同时减小。因而，接合在连接区域66中的外螺纹34上的平均应力同样变低，因此操作的整体性变高。在图5所图示的布置的情况下，在出口装置18与连接装置22的连接的情况下，焊缝与出口装置18的接触面相对于流动方向48在从0°至90°范围的几乎所有潜在的焊缝角度也是可能的。

图6示出了应力作用在所图示的各独立区域中的图5中的剖视图的局部，其中，应力随着着色变暗而较低。在根据图5/图6的实施例中的焊缝30在沟槽58中延伸。

在图5和图6所示的第一实施例中，因而图示了传统地从外侧焊接的焊缝30，其具有作为联管螺母的螺母72。在该实施例的情况下特别有利的是，在无任何重大修改的情况下能挪用高压连接装置50的已知布置及与从较低压力水平的高压燃料泵10的生产已知的相关的过程。尽管压力的增加，但还存在维持在连接装置22下方的安装空间以及因而任何可选地可获得的部件的可能性。除出口阀36之外，在大多数情况下同样安装在该连接装置22下方的压力限制阀38在本文中变得特别重要，因为所述压力限制阀38在某种程度上例如克服过高的压力峰值保护在高压燃料泵10下游的部件，诸如喷射器和燃料轨。过量的介质于是通过泵的高压区域以受控的方式输送。

图7和图8示出了高压连接装置50的第二实施例的剖视图，其大致具有与图5和图6的高压连接装置50相同的结构，不同之处在于，焊缝30在此不在沟槽58内延伸，而是在朝着燃料14的流动轴线46的方向上从沟槽58偏移。沟槽58在此有助于将作用于焊缝30的力引导离开焊缝30并因而更加强烈地使焊缝去应力。

在图8中以与图6类似的方式示意性地图示了在该实施例中作用的应力。

图9和图10分别示出了高压连接装置50的第三实施例的剖视图，其中，接触区域78在此没有对准成与燃料14的流动方向48垂直，而是以在30°至80°的范围内的角度α对准、在本示例中为45°。除此以外在高压连接装置50中的布置与图7所示的布置对应。

以与图6和图8类似的方式，图10在本文示意性地示出了在第三实施例中作用的应力。

在图9的实施例中的突起区域60具有比在先前实施例中小的内直径以及小的外直径，由此，焊缝30在朝着流动轴线46的方向上向内移动，使得，不再可能有如根据图5的实施例所示的在焊缝30正上方的预紧力F_V的引入。这是因为意在被拉动经过连接装置22的预紧装置52需要最小的内直径，以便能够经过具有设置在其上的外螺纹34的连接区域66。因此，在根据图9的实施例中提出的是，分别提供倾斜的焊缝30和与之以相似的角度具体化的接触面64或预紧面70。由此，力能以这样一种定向的方式引入并分布，使得焊缝30和另外的参与部件不过度受应力。在此借助于电容放电焊接而产生焊缝30。

图11和图12示出了第四实施例的透视图，其中，代替螺母72将法兰-螺钉组件80用作预紧装置52，在该情况下，法兰82通过其预紧面70支撑在连接装置22的接触面64上，并提供螺钉孔84，螺钉可以分别通过螺钉孔接合到高压燃料泵10的壳体12中或接合到出口装置18中。

因此，还能代替螺母72将法兰-螺钉组件18用作预紧装置52。与法兰-螺钉组件80相对照，螺母72提供的优点是，所引入的预紧力F_V被均匀地引入到所有区域中。当使用法兰82时，情况常常不是这样的。然而，法兰82的确具有的优点是，就安装空间而言，法兰能以明显更灵活的方式设计。

在已知的布置中，通过(例如通过电子束或激光束的)焊接固定地连接至高压燃料泵10的壳体12的高压连接通过由在高压连接中出现的高的泵压力产生的力而在焊缝30中和焊缝旁边就机械方面而言高度受应力。

到目前为止，已沿着待连接的两个部分的接触线通过在相对于连接装置22的纵向轴线44垂直或成角度的方向上的束方向并且在纵向轴向44的方向上从外侧产生了圆形焊缝30。因而可使当焊接时的穿透深度最大化，这继而导致由最小化的内部压力应力轴向产生的力。尽管有一致的投影面，但由此接合在焊缝30上的负载和应力在相对高的压力的情况下提高。该面可通过高压连接(例如通过电容放电焊接)从内侧焊接的方法进一步最小化。

通过使轴向投影面最小化并且凭借根据应力定制并提供操作整体性的结构，所描述的高压连接装置50的结构试图使接合在焊缝30上的负载最小化。

为了能够进一步提高最大弹性，提出了高压连接装置50，其通过利用诸如例如螺母72或法兰-螺钉组件80的预紧装置52引起焊缝30的预紧，使得能继续使用简单的焊接过程在一致轴向面和提高的压力水平下用于密封并用于材料整体连接。