DE102004041215A1

DE102004041215A1 - Druckhalteventil für ein Common-Rail-System

Info

Publication number: DE102004041215A1
Application number: DE200410041215
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Holger Rapp; Hans Brekle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckhalteventil (107, 207, 307, 407), das zur Erzeugung eines definierten Drucks innerhalb eines Rücklaufsystems (6) eines Common-Rail-Systems (1) vorgesehen ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, unmittelbar in Abströmrichtung hinter den Ventilsitz (124, 224, 324, 324) eine Drosselstelle (125, 225, 325, 425) auszubilden. DOLLAR A Diese Drosselstelle (125, 225, 325, 425) führt dazu, dass trotz geöffneten Druckhalteventils (107, 207, 307, 407) das Ventilelement (111, 211, 311, 411) zunächst weiter beschleunigt wird und es so vermieden wird, dass mögliche, in dem Kraftstoff vorhandene Schmutzpartikel das Druckhalteventil (107, 207, 307, 407) mit Schmutzpartikeln zusetzen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckhalteventil zur Erzeugung eines definierten Drucks innerhalb des Volumens eines Rücklaufs eines Common-Rail-Systems, bestehend aus einem Rail, aus mehreren Injektoren sowie Zuläufen von dem Rail zu den Injektoren und mindestens einem Rücklauf aus den Injektoren, wobei das Druckhalteventil aus einem Ventilkörper mit Ventilsitz und einem gegen den Ventilsitz drückenden Ventilelement besteht und das Ventilelement mittels einer Feder gegen die Abströmrichtung in dem Rücklauf belastet ist.

Common-Rail-Systeme bestehen in der Regel aus einem Rail und aus mehreren Injektoren, wobei die Injektoren mittels Zulaufleitung mit dem Rail verbunden sind. Das Rail stellt Kraftstoff unter Hochdruck zur Verfügung, das über die Injektoren in Brennstoffkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingespritzt wird. Der nicht eingespritzte Kraftstoff wird über Rücklaufleitungen zurück in den Tank geführt. An dem Rail selbst ist ein Druckregelventil vorgesehen, das den Druck im Speichervolumen für den Kraftstoff regelt.

Bei Common-Rail-Injektoren, insbesondere mit einem sogenannten Piezoaktor ist es für dessen Funktion notwendig, dass die Menge des Kraftstoffs, die in dem Rücklauf zurück in den Tank fließt, im Injektorinneren auf ca. 10 bar angestaut wird. Hierzu wird in den Rücklauf von den Injektoren zum Tank ein Überdruckventil, ein sogenanntes Druckhalteventil angeordnet, das die Aufgabe hat, den Druck des Kraftstoffs im Niederdruckvolumen des Injektors auf einem definierten Wert zu halten.

Nach diesem Druckhalteventil kann der Kraftstoff entweder zum Tank zurück geleitet werden, sofern der Öffnungsdruck des Druckhalteventils überschritten wird, oder er kann bei Systemen mit entsprechendem Niederdruckkreislauf direkt wieder in den Kreislauf eingespeist werden.

Das Druckhalteventil gemäß dem Stand der Technik besteht aus einem Ventilkörper mit Ventilsitz und einem Ventilelement, das als Kugel ausgebildet ist. Der Ventilsitz selbst ist kegelartig ausgebildet. Im geschlossenen Zustand des Druckhalteventils drückt eine Feder das Ventilelement in den Kegel, wobei das Ventilelement einen definierten Bereich verschließt. Sofern der Druck eine definierte Grenze überschreitet, bewegt sich das Ventilele ment gegen den Federdruck und ein geringer Spalt öffnet sich, so dass eine überschüssige Menge aus der Rücklaufleitung ausfließen kann.

Werden die Injektoren des Common-Rail-Systems angesteuert, so steigt in Folge der Steuermenge, die in die Rücklaufleitungen vor dem Druckhalteventil eingespeist wird, der Druck vor dem Druckhalteventil an. Übersteigt dieser dessen Öffnungsdruck, so öffnet das Druckhalteventil und die überschüssige Menge wird über das Druckhalteventil abfließen. Der Hub, den das Ventilelement des Druckhalteventils dabei ausführt, liegt in der Regel im Bereich von ca. 50 μm.

Nachteile des Standes der Technik

Kraftstoff ist in der Regel nicht frei von Schmutzpartikeln, so dass die Gefahr besteht, dass Schmutzpartikel in den Ventilsitz des Druckhalteventils gespült werden und diesen wegen des geringen Maximalhubs nicht passieren können. Dadurch verhindern ein oder mehrere Partikel das erneute Schließen des Druckhalteventils und die eigentliche Druckhaltefunktion ist nicht mehr gewährleistet.

Aufgrund dessen sinkt der Rücklauf-Gegendruck der Injektoren stark ab. Die Funktion der Injektoren im oberen Drehzahlbereich ist damit nicht mehr gewährleistet, und dies führt wiederum dazu, dass ein Systemausfall vorliegt, der wiederum nur durch den Ausbau und Reinigen des Druckhalteventils behoben werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Druckhalteventil vorzuschlagen, dessen Funktion auch dann gewährleistet ist, wenn zumindest geringfügige Schmutzpartikel innerhalb des Kraftstoffs vorhanden sind.

Lösung der Aufgabe

Der Lösungsgedanke der Erfindung ist es, den maximalen Hub und/oder die Öffnungsgeschwindigkeit des Druckhalteventils bzw. des Ventilelements zu vergrößern. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass sich Partikel im Bereich des Ventilsitzes festsetzen oder verklemmen, erheblich reduziert.

Daher wird vorgeschlagen, dass sich innerhalb des Bereichs des Ventilsitzes eine Drosselstelle anschließt, die nach dem Abheben des Ventilelements aus dem Ventilsitz im Abströmverhalten eine Drosselung bewirkt.

Vorteile der Erfindung

Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung besteht darin, dass das Druckhalteventil derart ausgelegt ist, dass der Druck, der in dem Rücklauf herrscht, selbst bei einem durch einen Partikel blockierten Ventilsitz ein weiteres Öffnen des Ventilelements bewirkt, so dass ein eventuell eingeklemmter Partikel sofort wieder frei gesetzt und zum Ablauf des Druckhalteventils gespült wird.

Aufgrund der Ausgestaltung kommt es bei dem Druckhalteventil zu einem Effekt, der dafür sorgt, dass das Ventilelement, beispielsweise in der Ausbildung einer Kugel, nach dem Öffnen des Druckhalteventils zunächst weiter beschleunigt wird. Während dieser Beschleunigungsphase wird der abfließende Kraftstoff trotz des offenen Ventils weiter stark gedrosselt, so dass der Druck in der Rücklaufleitung im Wesentlichen erhalten bleibt oder sogar steigt. Bis zum Überschreiten eines definierten sogenannten Schwellhubs (Anheben des Ventilelements aus dem Ventilsitz) wird das Ventilelement durch den abströmenden Kraftstoff beschleunigt, so dass dieses bei Erreichen des Schwellhubs eine nicht zu vernachlässigende Geschwindigkeit aufweist. Dies führt wiederum dazu, dass das Ventilelement überschwingt. Dies ist erwünscht, denn dadurch können eventuell im Kraftstoff enthaltene Schmutzpartikel sicher aus dem Ventilbereich in Richtung Ablauf gespült werden, und damit wird auf sehr einfache Art und Weise ein Blockieren des Druckhalteventils vermieden. Nach Unterschreiten des Schließdrucks in der Rücklaufleitung wird das Druckhalteventil wieder vollständig geschlossen.

Eine bevorzugte technische Ausbildung des Druckhalteventils ist derart ausgelegt, dass sich unmittelbar an dem Ventilsitz eine Drosselstelle anschließt. Diese Drosselstelle kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass hierfür ein Ansatz mit zylindrischen Wänden ausgebildet ist, wobei das Ventilelement, beispielsweise eine Kugel, innerhalb dieses Ansatzes beweglich gelagert ist.

Dadurch wird durch Anheben der Kugel ein Spalt erzeugt, der den entsprechenden Druckaufbau bzw. das Druckhalten innerhalb der Rücklaufleitung in der Ausbildung einer Drossel erzeugt.

Eine alternative Ausgestaltung kann darin bestehen, zusätzlich eine weitere Drosselstelle vor dem Ventilsitz vorzusehen.

Eine andere alternative Ausgestaltung kann darin bestehen, die Wände des Ansatzes konisch öffnend von dem Ventilsitz weg zu gestalten, um hier entsprechende Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Beschreibungen, den Zeichnungen sowie den Ansprüchen hervor.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Systems, bestehend aus einem Rail, Injektoren, Zulaufleitung, Rücklaufleitung sowie einem Druckhalteventil;
2 eine schematische Darstellung eines Druckhalteventils gemäß dem Stand der Technik, wobei 2a den geschlossenen und 2b den geöffneten Zustand darstellt;
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckhalteventils, wobei in 3a der geschlossene Zustand, in 3b ein Zustand unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilsitzes und 3c den voll geöffneten Zustand darstellen;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckhalteventils gemäß 3, jedoch mit zusätzlicher Drosselstelle vor dem Ventilsitz, wobei 3a den geschlossenen Zustand, 3b den Zustand unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilsitzes und 3c den voll geöffneten Zustand darstellt;
5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckhalteventils gemäß 3, wobei zusätzliche Durchlässe dargestellt sind und das Druckhalteventil sich in einem geschlossenen Zustand befindet;
6 eine schematische Darstellung eines viertes Ausführungsbeispiels eines Druckhalteventils, wobei gegenüber 3 die Wände des Ansatzes konisch von dem Ventilsitz weg öffnend dargestellt sind, und bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sich das Druckhalterventil in einem geschlossenen Zustand befindet.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Common-Rail-System 1 dargestellt. Dieses Common-Rail-System 1 besteht aus einem Rail 2 und aus Injektoren 3, wobei Rail 2 und Injektoren 3 über Zulaufleitungen 4 miteinander verbunden sind. Die Injektoren 3 spritzen zum einen Kraftstoff in einen hier nicht dargestellten Brennraum ein und fördern zum anderen Kraftstoff zurück über eine Rücklaufleitung 5. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel münden die Rücklaufleitungen 5 in ein gemeinsames Rücklaufsystem 6, wobei am Ende des Rücklaufsystems 6 ein Druckhalteventil 7 vorgesehen ist.
Dieses Druckhalteventil 7 dient dazu, die Rücklaufmenge, die über das Rücklaufsystem 6 abströmt, auf einen Druck von ca. 10 bar zu stauen. Nachdem der Kraftstoff aus dem Rücklaufsystem 6 das Druckhalteventil 7 passiert hat, kann dieser entweder zu einem nicht näher dargestellten Tank oder wiederum über eine Hochdruckpumpe, die hier ebenfalls nicht näher dargestellt ist, zurück in das Rail 2 gefördert werden.
Gemäß dem Stand der Technik (2a und 2b) ist das Druckhalteventil 7 derart ausgebildet, dass dieses aus einem Ventilelement 11 besteht, das zusammen mit einem Ventilkörper 10 einen Ventilsitz 24 bildet, wobei das Ventilelement 11 eine Öffnung 12 innerhalb des Ventilkörpers 10 abdichtet. Der Ventilsitz 24 weist einen Durchmesser d_S auf. Das Ventilelement 11 selbst ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Kugel ausgebildet und weist einen Durchmesser d_K auf. Zusätzlich ist eine Feder 13 vorgesehen, die in Pfeilrichtung 14 eine Kraft F auf das Ventilelement 11 und damit auf den Ventilsitz 24 ausübt.
Sobald die durch den Druck in der Öffnung 12 auf das Ventilelement 11 wirkende Öffnungskraft 15 größer ist als die durch die Feder 13 ausgeübte Schließkraft F (Pfeil 14), öffnet das Druckhalteventil 7 (2b) und Kraftstoff strömt in Pfeilrichtung 16 an dem Ventilelement 11 vorbei. Der Hub h, den das Ventilelement 11 bei dem hier dargestellten Stand der Technik ausübt, ist in der Regel ca. 50 μm hoch.
Erfindungsgemäß ist ein Druckhalteventil 107 vorgesehen, das in 3 bzw. den 3a, 3b, 3c dargestellt ist. Das Druckhalteventil 107 besteht aus einem Ventilkörper 110 mit Ventilsitz 124 und einem Durchmesser d_S, wobei in Abströmrichtung vor dem Ventilsitz 124 eine Öffnung 112 vorgesehen ist. Das Ventilelement 111 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Kugel ausgebildet und dichtet die Öffnung 112 ab, da eine Feder 113 eine Federkraft F in Pfeilrichtung 114 ausübt. Der Ventilsitz 124 im Ventilkörper 110 ist als Kegelfläche ausgebildet. Zusätzlich weist der Ventilkörper 110 einen zylindrischen Ansatz 118 auf, wobei der Ansatz 118 das Ventilelement 111 derart zumindest teilweise umschließt, dass zwischen diesen ein Spalt 119 ausgebildet wird, der als Drosselstelle 125 wirkt.
Das hier dargestellte Ventilelement 111 in der Ausbildung einer Kugel ist mit einem geringen Spiel innerhalb des Ansatzes 118 gelagert. Öffnet das Ventilelement 111 nun, so verlegt sich die Drosselstelle 125 des Druckhalteventils 107 bereits bei kleinem Hub h (3b) von dem Ventilsitz 124 in einen Bereich 120 zwischen Ventilelement 111 und Ansatz 118. Dadurch greift aber auch der Druck in der Rücklaufleitung 5 nicht mehr nur an der für das Öffnen relevanten Fläche an, bezeichnet mit dem Durchmesser d_S, sondern an der vollständigen Querschnittsfläche der Kugel, gekennzeichnet mit dem Durchmesser d_k gemäß 3a.
In Folge dessen steigt die hydraulische Öffnungskraft (Pfeil 115) auf das Ventilelement 111 über die durch die Feder 113 in Pfeilrichtung 114 erzeugte Schließkraft F hinaus an und das Ventilelement 111 wird in Pfeilrichtung 115 beschleunigt. Erreicht der Hub h einen Schwellenwert H gemäß 3c, so verlässt das Ventilelement 111 seine zylindrische Führung innerhalb des Ansatzes 118 und die seither wirksame Drosselstelle entfällt. In Folge ihrer Trägheit setzt das Ventilelement 111 seine Bewegung in Pfeilrichtung 115 zunächst fort und wird dann von der Feder 113 wieder in Pfeilrichtung 114 in Richtung des Ventilsitzes 124 beschleunigt. Der Druck in der Rücklaufleitung 5 im Rücklaufsystem 6 nimmt nun wieder ab. Unterschreitet er den Schließdruck pSchliess = FEeder/((Π/4)·dk 2),so wird das Druckhalteventil 107 durch die Feder 113 wieder vollständig geschlossen.
Öffnungs- und Schließdruck des Druckhalteventils 107 können durch entsprechende Dimensionierungen von Ventilkörper 110 und Ventilelement 111 sowie Einstellungen der Kraft F der Feder 113 abgestimmt werden. Je mehr sich die Ventilelement- und Ventilsitzdurchmesser voneinander unterscheiden, desto größer wird auch die Absenkung des Schließdrucks gegenüber dem Öffnungsdruck. Der Schließdruck ist derart zu wählen, dass der Rücklaufgegendruck ausreicht, um die Injektorfunktion über den vollen Drehzahlbereich zu gewährleisten.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckhalteventils 207 dargestellt. Erfindungsgemäß ist ein Ventilelement 211 vorgesehen, das in der 4 bzw. in den 4a, 4b, 4c dargestellt ist. Der zugehörige Ventilkörper 210 weist ein Ventilelement 211 auf, das eine Öffnung 212 abdeckt und dort ein Ventilsitz 224 bildet. Das Ventilelement 211 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Kugel ausgebildet und dichtet die Öffnung 212 ab, da eine Feder 213 eine Federkraft F in Pfeilrichtung 214 ausübt. Der Ventilsitz 224 selbst ist als Kegelfläche ausgebildet. Zusätzlich weist der Ventilkörper 210, wie in 3, einen zylindrischen Ansatz 218 auf, wobei der Ansatz 218 das Ventilelement 211 derart umfasst, dass zwischen diesen ein Spalt 219 ausgebildet wird, der als Drosselstelle 225 wirkt.
Zusätzlich ist in der Öffnung 212 eine separate Drossel 221 vorgesehen.
Das hier dargestellte Ventilelement 211 in der Ausbildung einer Kugel ist mit einem geringen Spiel innerhalb des Ventilkörpers 210 gelagert. Öffnet das Ventilelement 211 nun, so verlegt sich die Drosselstelle 225 des Druckhalteventils 207 bereits bei kleinem Hub h (4b) von dem Ventilsitz 224 in einen Bereich 220 zwischen Ventilelement 211 und Ansatz 218. Dadurch greift aber auch der Druck in der Rücklaufleitung 5 nicht mehr nur an der für das Öffnen relevanten Fläche an, bezeichnet mit dem Durchmesser d_s, sondern an der vollständigen Querschnittsfläche der Kugel, gekennzeichnet mit dem Durchmesser d_K, gemäß 4a.
Gleichzeitig wird aber der Druck, der auf das Ventilelement 211 wirkt, durch die in der Öffnung 212 vorgesehene Drossel 221 gegenüber dem Druck in der Rücklaufleitung 5 abgesenkt.
In Folge dessen steigt die hydraulische Öffnungskraft auf das Ventilelement 211 zwar über die durch die Feder 213 in Pfeilrichtung 214 erzeugte Schließkraft F hinaus an und das Ventilelement 211 wird in Pfeilrichtung 215 beschleunigt. Die Beschleunigung des Ventilelements 211 wird aber durch die Wirkung der Drossel 221 gegenüber der in 3 dargestellten Ausführungsform abgesenkt. Erreicht der Hub h schließlich einen Schwellenwert H gemäß 4a, so verlässt das Ventilelement 211 seine zylindrische Führung innerhalb des Ansatzes 218 (siehe 4c) und die seither wirksame Drosselstelle 225 entfällt. In Folge ihrer Trägheit setzt das Ventilelement 211 seine Bewegung in Pfeilrichtung 215 zunächst fort und wird dann von der Feder 213 wieder in Pfeilrichtung 214 in Richtung Ventilsitz 210 beschleunigt. Der Druck in der Rücklaufleitung 5 im Rücklaufsystem 6 nimmt nun wieder ab. Unterschreitet er den Schließdruck pSchliess = FFeder/((Π/4)·dk 2),so wird das Ventil durch die Feder 213 wieder vollständig geschlossen. Sowohl das Überschwingen des Ventilelements 211 über den Schwellhub H hinaus, als auch die Schließgeschwindigkeit des Ventilelemnts 211 werden durch die Drossel 221 verringert.
In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Druckhalteventils 307 mit einem Ventilsitz 324 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von den vorherigen dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch, dass der zylinderische Ansatz 318 weiter verlängert ist und in dem Bereich der Verlängerung mindestens eine Abströmbohrung 322 vorgesehen ist. Somit verlegt sich die Drosselstelle 325 auch hier bei einem kleinen Hub h, soweit, bis zumindest die Abströmbohrung 322 erreicht ist.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckhalteventils 407 mit einem Ventilsitz 424 ist gegenüber 3 zusätzlich vorgesehen, dass die Wände des Ansatzes 418 um einen Winkel α geneigt sind. Vorzugsweise sind die Wände konisch von der Öffnung 412 weg sich öffnend ausgebildet. Dadurch vergrößert sich der Spalt 419 mit zunehmendem Hub h des Ventilelements 411. Die Drosselstelle 425 weist eine mit der 3 dargestellten Drosselstelle vergleichbare Funktion auf.
Die beschriebene Funktion des Druckhalteventils kann grundsätzlich auch mit Ventilelementen erreicht werden, deren Formen von der Kugelform abweichen und mit Ventilsitzen, deren Formen von der Kegelform abweichen. Entscheidend ist und dies gilt auch für die Ausführungsbeispiele 5 und 6, dass sich nach dem Abheben des Ventilelements aus dem Ventilsitz mit einem Durchmesser d_s hinter diesem Sitz eine Drosselstelle am Ventilelement einstellt, wobei vorzugsweise gilt, dass der Durchmesser d_K des Ventilelements größer ist, als der Durchmesser d_S des Ventilsitzes.

Claims

Druckhalteventil zur Erzeugung eines definierten Drucks innerhalb des Volumens eines Rücklaufs eines Common-Rail-Systems, bestehend aus einem Rail, aus mehreren Injektoren sowie Zuläufen von dem Rail zu den Injektoren und mindestens einem Rücklauf aus den Injektoren, wobei das Druckhalteventil aus einem Ventilkörper mit Ventilsitz und einem gegen den Ventilsitz drückenden Ventilelement besteht und das Ventilelement mittels einer Feder gegen die Abströmrichtung in dem Rücklauf belastet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bereichs des Ventilsitzes (124, 224, 324, 424) sich eine Drosselstelle (125, 225, 325, 425) anschließt und diese derart ausgebildet ist, dass das Ventilelement (111, 211, 311, 411) während des Öffnens des Druckhalteventils (7, 107, 207, 307, 407) zunächst weiter beschleunigt wird und während dieser Beschleunigungsphase der abfließende Kraftstoff trotz des offenen Ventilsitzes (124, 224, 324, 424) weiter stark gedrosselt wird, so dass der Druck in der Rücklaufleitung (5) im Wesentlichen erhalten bleibt oder ansteigt.
Druckhalteventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansatz (118, 218, 318, 418) vorgesehen ist, der das Ventilelement (111, 211, 311, 411) derart umfasst, daß zwischen diesem ein Spalt (119, 219, 319, 419) ausgebildet ist, der als Drosselstelle (125, 225, 325, 425) wirkt.
Druckhalteventil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (111, 211, 311, 411) als Kugel ausgebildet ist.
Druckhalteventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d_k des Ventilelements (111, 211, 311, 411) in der Ausbildung einer Kugel größer ist, als der Durchmesser d_S des Ventilsitzes (124, 224, 324, 424).
Druckhalteventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (419) im Bereich der Drosselstelle (425) von der Öffnung (412) des Ventilsitzes (424) weg erstreckend sich öffnen.
Druckhalteventil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abströmrichtung vor dem Ventilsitz (224) eine Drosselstelle (221) angeordnet ist.
Druckhalteventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Ansatzes (318) eine oder mehrere Abströmbohrungen (322) angebracht sind.