DE10016242A1 - Druckregelventil mit integrierter Sicherheitsfunktion - Google Patents

Druckregelventil mit integrierter Sicherheitsfunktion

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Abstract

Das Druckregelventil weist ein Schließglied auf, das von einem Federelement auf einen Dichtsitz mit einer vorgegebenen Vorspannkraft vorgespannt ist. Es ist ein Aktor vorgesehen, mit dem die Vorspannkraft des Federelementes reduziert wird. Auf diese Weise ist eine Einstellung eines Drucks unterhalb des Druckes möglich, der durch die Vorspannkraft des Federelementes vorgegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 und ein Einspritzsystem mit ei­ nem Druckregelventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Druckregelventile werden zur Steuerung eines Drucks bei­ spielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik bei einem Kraftstoff­ speicher eingesetzt. Moderne Dieseleinspritzsysteme weisen einen Kraftstoffspeicher auf, der von einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird. Der Kraftstoffspeicher steht mit Einspritzventilen in Verbindung, die Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind.
Ein Steuergerät ist mit dem Druckregelventil, einem Drucksen­ sor und den Einspritzventilen verbunden. Für eine Einsprit­ zung steuert das Steuergerät die Einspritzventile in Abhän­ gigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine auf, so dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher ü­ ber die Einspritzventile in die Brennräume gespritzt wird. Für eine optimale Verbrennung ist eine Anpassung des Drucks im Kraftstoffspeicher an verschiedene Betriebsparameter not­ wendig. Dazu erfasst das Steuergerät über den Drucksensor, der mit dem Kraftstoffspeicher in Verbindung steht, den im Kraftstoffspeicher vorliegenden Kraftstoffdruck und verändert den Druck im Kraftstoffspeicher über eine Öffnung des Druck­ regelventils, falls dies für eine optimale Einspritzung er­ forderlich ist.
Ein weiterer Parameter zur Einstellung des Kraftstoffdruckes ist die Einstellung des Kraftstoffvolumenstromes, der über die Hochdruckpumpe dem Kraftstoffspeicher zugeführt wird. Dieser Regelweg wird für die Erhöhung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher eingesetzt. Für die Erniedrigung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher ist die Reduzierung des zugeführten Kraftstoffstromes zum Kraftstoffspeicher im allgemeinen zu träge.
Bei Dieseleinspritzsystemen wird mit hohen Kraftstoffdrücken von bis zu 2000 bar gearbeitet, wodurch es erforderlich ist, dass das Schließglied des Druckregelventils von einer relativ starken Feder gegen den Druck des Kraftstoffspeichers auf ei­ nen Dichtsitz gedrückt wird. Durch die Vorspannung des Schließgliedes wird eine stabile Steuerung des Schließgliedes ermöglicht. Je nach Anwendungsfall liegt die Vorspannkraft in der Größenordnung, die einem Druck von bis zu 100 bar im Kraftstoffspeicher entspricht. Durch die Vorspannkraft des Federelementes ist der Druckbereich im Kraftstoffspeicher eingeschränkt, wodurch die Flexibilität der Druckanpassung begrenzt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Druckregelventil und ein Einspritzsystem mit einem Druckregelventil bereitzu­ stellen, bei der der im Kraftstoffspeicher vorliegende Druck auch in niedrigeren Bereichen über das Druckregelventil ein­ gestellt werden kann und zudem auch bei hohen Kraftstoffdrü­ cken eine präzise Funktionsweise des Druckregelventils be­ reitgehalten wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Das Druckregelventil nach dem Anspruch 1 weist den Vorteil auf, dass ein Aktor vorgesehen ist, mit dem das Schließglied von der Vorspannkraft des Federelementes entlastet wird. Auf die­ se Weise wird ein einfach aufgebautes Druckregelventil erhal­ ten, mit dem niedrige Drücke im Kraftstoffspeicher einge­ stellt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Vorzugsweise ist der Aktor des Druckregelventils als Elektro­ magnet ausgebildet, mit dem das Schließglied betätigt wird. Die Ausbildung des Aktors in Form eines Elektromagneten bie­ tet den Vorteil, dass der übliche Aufbau des Druckregelven­ tils verwendet wird, da üblicherweise Druckregelventile be­ reits Elektromagneten zur Steuerung des Schließgliedes auf­ weisen. Auf diese Weise wird die zusätzliche Funktion des Druckregelventils ohne größere Kosten realisiert.
Der Anker des Elektromagneten ist vorzugsweise mit dem Schließglied und die Magnetspule des Elektromagneten ist vor­ zugsweise mit dem Gehäuse des Druckregelventils verbunden. Diese Ausführungsform stellt einen einfachen Aufbau dar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert: Es zeigen
Fig. 1 ein Einspritzsystem mit einem Druckregelventil und
Fig. 2 ein Druckregelventil.
Fig. 1 zeigt ein Druckregelventil 1, das an einen Kraftstoff­ speicher 2 angeschlossen ist. Der Kraftstoffspeicher 2 wird über eine Vorpumpe 7, ein Vordruckventil 6, ein Volumenstrom­ regelventil 5 und eine Hochdruckpumpe 4 mit Kraftstoff mit einem vorgegebenen Druck versorgt. Der Kraftstoffspeicher 2 steht mit Einspritzventilen 3 in Verbindung, die Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Weiterhin ist ein Drucksensor 15 am Kraftstoffspeicher 2 vorgesehen, der den Druck im Kraftstoffspeicher 2 erfasst und über eine Messlei­ tung 15 am ein Steuergerät 11 weiterleitet. Das Steuergerät 11 steht zudem über eine erste, zweite und dritte Steuerlei­ tung 12, 13, 14 mit dem Druckregelventil 1, den Einspritzven­ tilen 3 und dem Volumenstromregelventil 5 in Verbindung.
Das Druckregelventil 1 kann auch in der Hochdruckpumpe 4 in­ tegriert sein und am Hochdrucksystem angeschlossen sein. Das Hochdrucksystem umfasst die Leitungen, die zwischen Hochdruckpumpe 4 und Einspritzventil 3 angeordnet sind und Kraft­ stoff mit hohem Druck aufweisen.
Das Druckregelventil 1 ist über eine erste Rückleitung 8 mit einem Kraftstofftank 10 verbunden, an den auch die Vorpumpe 7 angeschlossen ist. Weiterhin ist das Vordruckventil 6 über eine zweite Rückleitung 9 an den Kraftstofftank 10 ange­ schlossen.
Die Funktionsweise des Einspritzsystems der Fig. 1 ist wie folgt: Die Vorpumpe 7 und die Hochdruckpumpe 4 sind mecha­ nisch angetriebene Pumpen, deren Förderleistung im allgemei­ nen von der Drehzahl der Pumpen abhängt. Der von der Vorpumpe 7 geförderte Kraftstoffstrom wird von dem Vordruckventil 6 auf einen vorgegebenen Druck im Bereich von bis zu 10 bar eingestellt. Überflüssig geförderter Kraftstoff wird über die zweite Rückleitung 9 vom Vordruckventil 6 an den Kraftstoff­ tank 10 zurückgeleitet. Der mit dem vorgegebenen Druck zum Volumenstromregelventil 5 geförderte Kraftstoff wird in der Menge über eine entsprechende Ansteuerung des Volumenstromre­ gelventils 5 durch das Steuergerät 11 je nach Anforderung eingestellt, so dass ein volumengeregelter Kraftstoffstrom zur Hochdruckpumpe 4 geleitet wird. Die Hochdruckpumpe 4 er­ höht den Druck in dem zugeführten Kraftstoff und fördert den Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 2.
Der Druck, der im Kraftstoffspeicher 2 herrscht, wird vom Drucksensor 15 erfasst und an das Steuergerät 11 weitergelei­ tet. Das Steuergerät 11 vergleicht den im Kraftstoffspeicher 5 vorliegenden Druck mit vorgegebenen Druckwerten, die von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängen. Der im Kraftstoffspeicher herrschende Druck ist beispielsweise für eine geräuscharme und schadstoffarme Verbrennung der Brenn­ kraftmaschine präzise vorzugeben.
Für eine Einspritzung steuert das Steuergerät 11 die Ein­ spritzventile 3 auf, so dass Kraftstoff mit annähernd dem Druck, der im Kraftstoffspeicher 2 vorliegt, über die Ein­ spritzventile 3 in Brennräume der Brennkraftmaschine einge­ spritzt wird.
Für eine präzise Einstellung des Drucks im Kraftstoffspeicher 2 vergleicht das Steuergerät 11 den im Kraftstoffspeicher 2 vorliegenden Druck mit den für den Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine vorgegebenen Druck. Ist der Druck zu niedrig, so regelt das Steuergerät 11 das Volumenstromregelventil 5 und das Druckregelventil 1, so dass von der Hochdruckpumpe 4 mehr Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 2 gefördert wird, als über die Einspritzventile 3 aus dem Kraftstoffspeicher 2 entnommen wird. Das Druckregelventil 1 ist bei einem zu nied­ rigem Druck im Kraftstoffspeicher geschlossen, so dass kein Kraftstoff über das Druckregelventil 1 aus dem Kraftstoff­ speicher 2 abfließt.
Liegt jedoch ein zu hoher Kraftstoffdruck im Kraftstoffspei­ cher 2 vor, so wird das Druckregelventil 1 vom Steuergerät 11 geöffnet, so dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 2 ü­ ber die erste Rückleitung 8 zum Kraftstofftank 10 zurückge­ führt wird. Als Folge sinkt der Druck im Kraftstoffspeicher 2.
Ein genauer Aufbau des Druckregelventils 1 ist in Fig. 2 dar­ gestellt. Das Druckregelventil 1 weist ein Gehäuse 20 auf, an dem ein Zulaufanschluss 21 ausgebildet ist. Der Zulaufan­ schluss 21 ist an das Hochdrucksystem angeschlossen. Der Zu­ laufanschluss 21 weist einen Zulaufkanal 22 auf, der als zy­ linderförmiger Kanal ausgebildet ist, und der sich in Rich­ tung auf einen Innenraum 29 des Gehäuses 20 zu einer koni­ schen Form erweitert. Die konische Form stellt gleichzeitig einen Dichtsitz 23 dar.
Das Gehäuse 20 weist einen Ablaufkanal 33 auf, der an die erste Rückleitung 8 angeschlossen ist und die erste Rücklei­ tung 8 mit dem Innenraum 29 verbindet. Der Innenraum 29 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei eine erste Endfläche durch den Zulaufanschluss 21 gebildet ist. An der gegenüberliegenden Endfläche ist eine Anschlagplatte 32 aus­ gebildet, die in den Innenraum 29 mit einer ebenen Anschlag­ fläche ragt. Zwischen der Anschlagplatte 32 und dem Dichtsitz 23 ist eine Stange 25 beweglich angeordnet. Eine Spitze der Stange 25 ist dem Dichtsitz 23 zugeordnet, wobei zwischen dem Dichtsitz 23 und der Spitze der Stange 25 ein Schließglied 24 vorgesehen ist. Das Schließglied 24 ist in einer einfachen Ausführungsform als Kugel ausgebildet. An einem Endstück der Stange 25 ist gegenüberliegend zur Spitze eine Stützplatte 30 angeordnet, die der Anschlagplatte 32 zugeordnet ist. Die Stützplatte 30 weist eine mittige zylinderförmige Erhebung 34 auf, deren Querschnitt dem der Anschlagplatte 32 entspricht. Die Erhebung 34 weist eine Anschlagfläche 35 auf, die der An­ schlagplatte 32 zugeordnet ist. Zwischen der Stützplatte 30 und der Anschlagplatte 35 des Gehäuses 20 ist ein Federele­ ment 31 eingebracht, das sowohl die Erhebung 34 als auch die Anschlagplatte 32 umfasst. Das Federelement 31 spannt die Stange 25 in Richtung auf den Dichtsitz 23 vor, so dass das Schließglied 24 von der Stange 25 auf den Dichtsitz 23 ge­ drückt wird. Der Dichtsitz 23, das Schließglied 24 und die Stange 25 stellen ein Ventil 26 dar.
An der Stange 25 ist ein Anker 27 angebracht. Auf der Höhe des Ankers 27 ist eine Magnetspule 28 am Gehäuse 20 befes­ tigt, die den Anker 27 umgibt, und die über die erste Steuer­ leitung 12 am Steuergerät 11 angeschlossen ist. Der Anker 27 und die Magnetspule 28 bilden einen Elektromagneten, mit dem die Stange 25 vom Steuergerät 11 in Richtung auf den Dicht­ sitz 23 oder in Richtung auf die Anschlagplatte 32 mit vor­ gebbaren Kräften beaufschlagbar ist. Die Stange 25 ist zudem in axialer Richtung geführt.
Das Federelement 31 weist in üblichen Anwendungsfällen eine Vorspannkraft auf, die das Schließglied 24 auf den Dichtsitz 23 mit einer Vorspannkraft drückt, so dass im Kraftstoffspeicher 2 ein Kraftstoffdruck im Bereich von 50 bis 100 bar er­ reicht werden, bevor das Schließglied 24 vom Dichtsitz 23 ab­ hebt und Kraftstoff über das Druckregelventil 1 aus dem Kraftstoffspeicher 2 entweicht.
Für die Einstellung höherer Drücke steuert das Steuergerät 11 die Magnetspule 28 in entsprechender Weise an, so dass über den Anker 27 und die Stange 25 eine entsprechende Vorspann­ kraft auf das Schließglied 24 übertragen wird. Als Folge da­ von wird das Schließglied 24 mit einer erhöhten Vorspannkraft auf den Dichtsitz 23 gepresst, so dass Drücke von bis zu 2000 bar im Kraftstoffspeicher gehalten werden, ohne dass das Schließglied 24 vom Dichtsitz 23 abhebt und Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 2 abfließt.
Da das Federelement 31 einen Mindestdruck im Kraftstoffspei­ cher 2 einstellt, ist es für die Einstellung eines Druckes, der unterhalb des Mindestdrucks liegt, erforderlich, dass das Steuergerät 11 die Magnetspule 28 in der Weise ansteuert, dass der Anker 27 vom Dichtsitz 23 weg in Richtung auf die Anschlagplatte 32 vorgespannt wird. Dadurch wird auch die Stange 25 in Richtung auf die Anschlagplatte 32 gegen die Vorspannkraft des Federelementes 31 vorgespannt. Auf diese Weise können trotz der Vorspannkraft durch das Federelement 31 Drücke unter dem Mindestdruck im Kraftstoffspeicher einge­ stellt werden. Die Stromstärke, mit der die Magnetspule 28 für die Einstellung von geringen Drücken angesteuert werden muss, sind experimentell ermittelt und in einem Datenspeicher im Steuergerät 11 abgelegt. Das Steuergerät 11 muss für eine Änderung der Vorspannrichtung der Stange 25 die Stromrichtung durch die Magnetspule 28 ebenfalls ändern. Durch die Änderung der Stromrichtung wird ein einfaches Verfahren bereitge­ stellt, mit dem das Schließglied 24 mindestens teilweise von der Vorspannkraft des Federelementes 31 entlastet wird.
Die Einstellung von geringeren Drücken als dem Mindestdruck sind insbesondere für den Fall notwendig, dass eine Fehlfunktion der Einspritzventile auftritt und deshalb der Kraft­ stoffdruck im Kraftstoffspeicher unter den durch das Feder­ element 31 festgelegten Mindestdruck gesenkt werden muss. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei Erkennen einer Fehlfunk­ tion der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 2 durch ein Öffnen des Druckregelventils auf Umgebungsdruck gesenkt wer­ den kann und damit sicher vermieden wird, dass beispielsweise bei einem geöffneten Einspritzventil 3, das nicht mehr ge­ schlossen werden kann, Kraftstoff in den Brennraum der Brenn­ kraftmaschine eingespritzt wird.
Anstelle des in Fig. 2 dargestellten Elektromagneten kann je­ der beliebige Aktor verwendet werden, mit dem das Schließ­ glied 24 von der Vorspannkraft des Federelementes 31 entlas­ tet werden kann. Beispielsweise könnte auch direkt am Feder­ element 31 angegriffen werden und diese in Richtung auf die Anschlagplatte 32 mit einer Kraft beaufschlagt werden, so dass die auf das Schließglied 24 einwirkende resultierende Vorspannkraft reduziert ist.
Das erfindungsgemäße Druckregelventil ist nicht auf die An­ wendung bei einem Kraftstoffspeicher in der Kraftfahrzeug­ technik beschränkt, sondern kann bei jeder Art von Druckspei­ cher, insbesondere Gas oder Flüssigkeitsspeicher, eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Druckregelventil mit einem Zulauf, mit einem Ablauf, mit
einem Ventil, das zwischen dem Zulauf und dem Ablauf an­ geordnet ist,
wobei bei geöffnetem Ventil der Zulauf mit dem Ablauf verbunden ist,
wobei das Ventil ein Schließglied mit einem zugeordneten Dichtsitz aufweist,
wobei ein Federelement angeordnet ist, das das Schließ­ glied auf den Dichtsitz vorspannt,
mit einem Aktor, der mit dem Schließglied in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktor (27, 28, 25) in der Weise ausgebildet ist, dass der Aktor (27, 28, 25) bei einer entsprechen­ den Ansteuerung das Schließglied (24) von der Vorspann­ kraft des Federelementes (31) mindestens teilweise ent­ lastet.
2. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Aktor (27, 28) als Elektromagnet ausgebil­ det ist.
3. Druckregelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass der Elektromagnet einen Anker (27) und eine Magnetspule (28) aufweist, dass der Anker (27) mit dem Schließglied (24, 25) und die Magnetspule (28) mit dem Gehäuse (20) des Druckregelventils verbunden sind.
4. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass das Federelement (31) in der Weise vorgespannt ist, dass ein vorgegebener Haltedruck eingestellt ist.
5. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass das Schließglied in Form einer Kugel (24) ausgebildet ist, die von einer Stange (25) in einen Dichtsitz (23) gedrückt wird.
6. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass der Aktor (27, 28) bei einer Ansteuerung das Schließglied (24) mit einer vorgegebenen Haltekraft gegen einen Dichtsitz (23) drückt.
7. Einspritzsystem mit einem Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffspeicher vorgesehen ist, dass an den Kraftstoffspeicher (2) Einspritzventile (3) angeschlos­ sen sind, dass das Druckregelventil (1) mit dem Zulauf (21, 22) an den Kraftstoffspeicher (2) angeschlossen ist,
dass der Ablauf (33) des Druckregelventils (1) an einen Rücklauf (8) angeschlossen ist,
dass das Druckregelventil (1) bis zu einem Mindestdruck über die Vorspannkraft des Federelementes (31) geschlos­ sen ist,
und dass das Druckregelventil (1) zur Senkung des Drucks im Kraftstoffspeicher (2) gegen die Vorspannkraft des Federelementes (31) aufsteuerbar ist.
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