DE102004049962A1

DE102004049962A1 - Druckregler für ein Kraftfahrzeugkraftstoffsystem

Info

Publication number: DE102004049962A1
Application number: DE200410049962
Authority: DE
Inventors: DeQuan Ann Arbor Yu; Stephen T. Canton Kempfer; Marc Dexter Possley
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2005-05-19
Also published as: US6953026B2; US20050081830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckrelger (10) für ein mechanisches rückführungsfreies Kraftstoffsystem für ein Kraftfahrzeug. Mit einer Kraftstoffpumpe (14) mit einem Kraftstoffpumpenauslaß zur Versorgung eines Motors (18) mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorrat. Der Druckregler (10) umfasst: einen Gang (22) mit einem Einlass (24), in Fließverbindung mit dem Pumpenauslaß und mit dem Kraftstoffvorrat steht; einen Ventilsitz (36), angeordnet innerhalb des Gangs (22); einen im Gang (22) angeordneten Ventilkörper (40) mit einer kegelförmigen Abschlussfläche, wobei der Ventilkörper (40) entlang einer Achse (28) zwischen einer geschlossenen Position, in der die kegelförmige Abschlussfläche am Ventilsitz (36) anliegt, und einer geöffneten Position, in der der Ventilkörper (40) räumlich vom Ventilsitz (36) getrennt ist, um einen Kraftstofffluss durch den Gang (22) zu gestatten, bewegbar ist; und einer Feder (62) zum Halten des Ventilkörpers (40) in der geschlossenen Position.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckregler für ein mechanisches rückführungsfreies Kraftstoffsystem für ein Kraftfahrzeug. Im Besonderen betrifft die Erfindung einen Druckregler mit einem feder-gespannten kegelstumpfförmigen Ventilkörper.

Bei einem modernen Kraftfahrzeug ist der Motor mit Kraftstoffeinspritzventilen ausgestattet, die exakte Kraftstoffmengen in den durch die Verteilerleiste zu den Verbrennungskammern strömenden Luftstrom sprühen. Der Kraftstoff wird mittels einer auf dem Motor angebrachten Kraftstoffschiene an die Einspritzventile verteilt. Eine Rechnersteuerung berechnet die genaue Kraftstoffmenge und für das Einspritzventil die erforderliche Öffnungszeit, um die genaue Menge abzugeben. Die Öffnungszeit ist vom Druckabfall über den Injektor abhängig, der zum Teil vom Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene bestimmt wird.

Mechanische rückführungsfreie Kraftstoffsysteme sind für die Kraftstoffzuleitung von einem Tank zur Kraftstoffschiene bekannt. Ein typisches System umfasst eine im Kraftstofftank angeordnete Kraftstoffpumpe, die mit der Kraftstoffschiene über eine Kraftstoffleitung verbunden ist. Herkömmliche mechanische rückführungsfreie Kraftstoffsysteme versuchen einen konstanten Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene und der Kraftstoffleitung aufrecht zu erhalten. Dies wird durch einen Druckregler erreicht, der mit der Kraftstoffleitung verbunden ist und der zur Entlastung der Kraftstoffleitung bei Überdruck öffnet und Kraftstoff in den Tank ablässt. Herkömmliche Kraftstoffsysteme verwenden einen Druckregler mit Diaphragma, das zur Druckentlastung öffnet. Derartige Diaphragma-Regler bewirken, einen im Wesentlichen konstanten Kraftstoffdruck aufrecht zu erhalten, tragen aber wesentlich zu den Kosten des Systems bei.

Das Kraftstoffsystem kann auch ein oder mehrere Ventile, mit einer federgespannten Kugel oder ähnlichem aufweisen, die kostengünstiger sind. Diese Kugelventile öffnen in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck, tendieren aber dazu im Öffnungsdruck zu schwanken oder Druckschwankungen in der Kraftstoffleitung hervorzurufen. Kugelventile sind daher als Überdruckventile oder Kontrollventile dort geeignet, wo Druckschwankungen die Motorleistung nicht negativ beeinflussen. So ist zum Beispiel bekannt, dass der Druck in der der Kraftstoffleitung während des Heißabstellens, der heißem Motorbetrieb folgt, zunimmt und somit ein Überdruckventil notwendig macht. Kugelventile sind jedoch nicht geeignet, den Druck in einer vorhersagbaren Weise, wie sie für eine exakte Motorsteuerung erforderlich ist, zu regulieren. Im Folgenden wird in der Beschreibung zwischen einem Überdruckventil, das sich zur Entlastung eines signifikanten Überdrucks, der den Soll-Betriebsdruck überschreitet, und einem Druckregler, der den Kraftstoffdruck am gewünschten Arbeitsventil reguliert, unterschieden. Es sind Kraftstoffsysteme, die als elektronische rückführungsfreie Kraftstoffsysteme bezeichnet werden, bekannt, die feder-gespannten Kugelventile zur Druckentlastung einschließen, aber Drucksensoren und elektronische Steuerungen verwenden, um den Kraftstoffpumpenarbeitszyklus zur Aufrechterhaltung des Soll-Betriebsdrucks zu steuern.

Es besteht daher ein Bedarf für einen Druckregler für ein Kraftfahrzeugkraftstoffsystem, der öffnet, um einen Kraftstoffüberschuss zurückzuführen, und der zuverlässig einen bestimmten Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung für eine exakte Motorsteuerung bewirkt, und der weniger kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu Druckregulatoren vom Diaphragma-Typ.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Druckregler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Druckregulator für ein mechanisches rückführungsfreies Kraftstoffsystem für ein Kraftfahrzeug vorgestellt, das eine Kraftstoffpumpe mit einem Pumpenausgang zur Zuführung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorrat zu einem Motor umfasst. Der Druckregler beinhaltet ein Gang in Fließverbindung mit dem Pumpenausgang steht und zur Rückführung von Kraftstoff zum Kraftstoffvorrat geeignet ist. Ein Ventilsitz ist innerhalb des Ganges angeordnet. Das Ventil umfasst weiterhin einen Ventilkörper, der im Gang aufgenommen ist und eine kegelstumpfförmige Abschlussfläche besitzt. Der Ventilkörper ist entlang einer Achse zwischen einer geschlossenen Anordnung, in der die kegelstumpfförmige Abschlussfläche in den Ventilsitz einpasst, und einer geöffneten Anordnung, in der der Ventilkörper vom Ventilsitz entfernt ist, bewegbar, um den Kraftstofffluss durch den Gang zu ermöglichen. Eine Feder drückt den Ventilkörper in die geschlossene Anordnung. Beim Schließen presst sich der kegelstumpfförmige Ventilkörper dicht gegen den Ventilsitz und bildet einen im Wesentlichen linearen Abschluss, wodurch Schwankungen des Öffnungsdrucks minimiert werden. Darüber hinaus wird die Größe der Öffnung, durch die Kraftstoff zwischen dem Ventilsitz und dem kegelstumpfförmigen Ventilkörper fließt, durch die Federkonstante der Feder bestimmt, die im allgemeinen linear ist. Als Ergebnis daraus ist der Kraftstoffdruck von der Rechnersteuerung zwecks genauer Motorsteuerung leicht vorhersagbar. Der Druckregler in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bietet daher eine einfache Konstruktion, die mit verminderten Kosten hergestellt werden kann und zur Regelung des Kraftstoffleitungsdrucks in einem Kraftfahrzeugkraftstoffsystem geeignet ist.

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen weiter dargestellt. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Druckreglers in einer geschlossenen Anordnung in Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht des Druckreglers in 1 in einer geöffneten Anordnung zeigt; und
3 eine Kurve des Motorkraftstoffflusses als Funktion des Kraftstoffdrucks in einer mit einem Druckregler in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgestatteten Kraftstoffleitung zeigt.
In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 und 2 ist ein Druckregler 10 geeignet zur Verwendung in einem mechanischen rückführungsfreien Kraftstoffsystem für ein Kraftfahrzeug. Das Kraftstoffsystem schließt vorzugsweise eine Kraftstoffleitung 12 ein, die einen Pumpenauslaß einer im Kraftstofftank 16 angeordneten Kraftstoffpumpe 14 mit einer auf dem Motor 18 angeordneten Kraftstoffschiene verbindet. Der Druckregler 10 umfasst ein Gehäuse 20, das einen Gang 22 definiert, der sich zwischen einem Einlass 24 und einem Auslass 26 erstreckt. Das Ventil ist so montiert, dass der Einlass 24 in Fließverbindung mit einem Auslass der Kraftstoffpumpe 14 steht und der Auslass 26 Kraftstoff in den Kraftstoffvorrat des Kraftstofftanks 16 abgibt. Der Einlass 24 ist unter Verwendung eines T-Stutzens in geeigneter Weise mit der Kraftstoffleitung 12 verbunden. Das Ventil 10 kann alternativ in die Kraftstoffpumpe 14 integriert sein, so dass das Gehäuse 20 einen Teil der Pumpenstruktur bildet.
Innerhalb des Gehäuses 20 sind die Ventilelemente so angeordnet, dass sie entlang einer Achse 28 öffnen und schließen. Das Gehäuse 20 umfasst einen Ventilsitz 36 um den Gang 22 herum und umfasst eine Innenkante 37. Der Ventilsitz ist in einer bevorzugten Ausführung abgeschrägt, um eine kegelstumpfförmige Oberfläche zu bieten.
Das Ventil 10 umfasst weiterhin einen Ventilkörper 40, der auf einem Ventilschaft 42 angebracht ist. Eine Ventilführung 50 ist im Gehäuse 20 angeordnet und definiert eine axiale Bohrung 52, in der der Ventilschaft 42 aufgenommen ist. Die axiale Bohrung 52 besitzt einen verengten Mittelbereich und bietet Spielraum benachbart den jeweiligen stromaufseitigen und stromabseitigen Enden 54 und 56, um dem Ventilschaft 42 wie hier beschrieben eine Neigung relativ zur Achse 28 zu gestatten. Die Ventilführung 50 umfasst einen Sicherungsring 58, der gegen eine Schulter (shoulder) 60 im Gehäuse 20 benachbart dem Auslass 26 und durch krimping gesichert, angeordnet ist. Eine Spiralfeder 62, angeordnet zwi schen Ventilkörper 40 und Ventilführung 50, presst den Ventilkörper 40 gegen den Ventilsitz 36 in die in 1 dargestellte Position.
Im Betrieb wird Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe 14 zum Motor 18 durch die Kraftstoffleitung 12 gepumpt. Eine Rechnersteuerung regelt den Arbeitszyklus der Kraftstoffpumpe 14 basierend auf dem vorherbestimmten Kraftstoffbedarf. Überschreitet die Abgabe der Kraftstoffpumpe 14 den tatsächlichen Kraftstoffbedarf, erhöht der überschüssige Kraftstoff den Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung 12. Als Reaktion auf den erhöhten Kraftstoffdruck bewegt sich der Druckregler 10 von der geschlossenen Anordnung gemäß 1 zur geöffneten Anordnung gemäß 2 und führt einen Teil des unter Druck stehenden Kraftstoffs zum Kraftstoffvorrat im Kraftstofftank 16 zurück. Der Ventilkörper 40 weist eine kegelstumpfförmige Abschlussfläche auf, die sich in einem ersten Winkel a relativ zur Achse 28 erstreckt. Der Ventilsitz 36 hat bevorzugt eine Kegelstumpfform, die die Achse 38 in einem Winkel b schneidet, der größer als Winkel a ist. Daraus folgend liegt beim Schließen des Druckreglers 10 der Ventilkörper 40 an einer Innenkante 37 des Ventilsitzes 36 an. Hieraus ergibt sich ein nahezu linearer Kontakt in Gegensatz zu Dichtungen mit Fläche-zu-Fläche Kontakten über eine relativ große Fläche was einen gleichmäßigeren Sitz des Ventilkörpers 40 und einen gleichmäßigeren Öffnungsdruck gewährleistet.
Als Reaktion auf einen erhöhten Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung 12 gleitet der Ventilschaft 42 in axialer Richtung, um den Ventilkörper 40 räumlich vom Ventilsitz 36 zu trennen und so eine Öffnung für einen Flüssigkeitsfluss durch den Gang 22 zur Entlastung von Überdruck zu gewähren. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Ventilsitz 36 in der geöffneten Anordnung relativ zur Achse 28 neigen kann. Dieses wird durch den Spielraum in der Ventilführungs-Bohrung 52 über dem Ventilschaft 42 ermöglicht. Der verengte Mittelbereich der Führungs-Bohrung 52 und die Kegelstumpfform des Ventilkörpers 40 sorgen für eine koaxiale Zentrierung des Ventilkörpers in der geschlossenen Anordnung, was ebenfalls zur Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Öffnungsdrucks beiträgt. Nach Öffnung des Druckreglers 10 kann sich der Ventilschaft 42 relativ zur Achse 28 in die in 2 dargestellte geneigte Position neigen. Diese Neigung sorgt für einen relativ großen Bereich für den Kraftstofffluss im Gegensatz zu einer allein durch axiale Verschiebung erzeugten gleichförmig umlaufenden Öffnung. Die geneigte Position reduziert Druckschwankungen in der Kraftstoffleitung 12 die andernfalls durch Vibrationen des Ventilkörpers 40 in dem komprimierten Flüssigkeitsfluss hervorgerufen würden. Die Ausrichtung des Ventilkörpers 40 in die geneigte Position reduziert weiterhin das Verhältnis von Länge zu Querschnitt des Fließbereiches um den Ventilkörper 40 und reduziert so den Druckabfall über das Ventil 10, um Druckschwankungen noch weiter zu vermindern. Dieses sorgt für einen gleichförmigeren Kraftstofffluss durch den Gang 22 und einen konstanteren Druck in der Kraftstoffleitung 12.
In 3 ist ein Graph dargestellt, der die Motor-Kraftstofffluss-Rate als Funktion des Kraftstoffleitungsdrucks P für einen erfindungsgemäßen Druckregler 10 beschreibt. Die Motor-Kraftstofffluss-Rate ist gleich der Abgabemenge der Kraftstoffpumpe 14, vermindert um die Menge des von dem Druckregler 10 zurückgeführten Kraftstoffs. Kurve 70 zeigt eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen Motor-Kraftstofffluss-Rate und Kraftstoffdruck P für den Druckregler 10. Zu Vergleichszwecken repräsentiert Kurve 72 eine Idealsituation die einen im Wesentlichen konstanten, vom Kraftstofffluss unabhängigen Druck liefert, wie es für einen Druckregler vom Diaphragma-Typ angestrebt wird. Ausgehend von der Kraft-Charakteristik der Spiralfeder, die den Ventilkörper spannt, kann der Druck P leicht mit steigenden Flussraten ansteigen. Im allgemeinen umfasst ein Motorsteuerungssystem eines mit einem mechanischen rückführungsfreien Kraftstoffsystem ausgestatteten Kraftfahrzeugmotors bevorzugt einen Sauerstoffsensor oder etwas Vergleichbares Zur Messung des Sauerstoffanteils im Abgas, bzw. des Sauerstoffverhältnisses und zur Generierung eines Rückkopplungssignals für eine Motorsteuerung, die die Öffnungszeit des Einspritzventils anpasst, um die Kraftstoffmenge zu vergrößern oder zu verkleinern, um eine nahezu stöchiometrische Soll-Bedingung zu erreichen. Es wird angenommen, dass die Rechnersteuerung auf diese Weise die Öffnungszeit anpassen kann, um den geringen mit dem Druckregler 10 verbundenen Druckanstieg in der Kraftstoffleitung 12 zu kompensieren. Es wird angenommen, dass der Druckregler 10 den Druck innerhalb akzeptabler Grenzen für die Verwendung mit herkömmlichen Motorsteuerungssystemen hält. Da der Druckregler 10 eine bestimmtes Verhältnis von Motor-Kraftstofffluss-Rate und Kraftstoffleitungsdruck erzeugt kann die Rechnersteuerung den Kraftstoffleitungsdruck ausgehend vom vorhergesagten Motorkraftstoffbedarf einschätzen z.B. anhand einer Referenztabelle, und dem geschätzten (extrapolierten) Kraftstoffleitungsdruck zur Bestimmung des Druckabfalls über die Einspritzventile zur Berechnung einer genaueren Ventilöffnungszeit verwenden.
Die vorliegende Erfindung bietet also einen Druckregler 10, der relativ wenige Bauteile umfasst und leicht mit reduzierten Kosten herzustellen ist, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Druckreglern vom Diaphragma-Typ. Die einfache Konstruktion des Druckreglers 10 beinhaltet einen Ventilkörper 40 mit einer kegelstumpfförmigen Abschlussfläche, der durch eine Spiralfeder gespannt ist. Der kegelstumpfförmige Ventilkörper 40 weist die Fähigkeit zur Selbstzentrierung während des Schließens auf, was einen gleichmäßigeren Öffnungsdruck sicherstellt. Infolge des sicheren Sitzes ist eine Beschränkung auf eine Axialbewegung des Ventilschafts 36 nicht erforderlich und in der bevorzugten Ausführungsform wird für einen Spielraum gesorgt, um eine laterale Verschiebung des Ventilelementes zur Verminderung von Druckschwankungen hervorgerufen durch Vibrationen des Ventilelements zu ermöglichen. Als Folge daraus kann der Druckregler 10 den Kraftstoffdruck in einer gleichförmigen und bestimmten Weise regulieren, die von der Rechnersteuerung zur Berechnung der Ventilöffnungszeiten verwendet werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt diese darauf zu beschränken, der Schutzbereich wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Druckregler (10) für ein mechanisches rückführungsfreies Kraftstoffsystem für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Kraftstoffpumpe (14) mit einem Kraftstoffpumpenauslaß zur Versorgung eines Motors (18) mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffvorrat, wobei der Druckregler (10) umfasst: • einen Gang (22) mit einem Einlass (24), der in Fließverbindung mit dem Pumpenauslaß und mit dem Kraftstoffvorrat steht; • einen Ventilsitz (36), angeordnet innerhalb des Gangs (22); • einen im Gang (22) angeordneten Ventilkörper (40) mit einer kegelförmigen Abschlussfläche, wobei der Ventilkörper (40) entlang einer Achse (28) zwischen einer geschlossener Position, in der die kegelförmige Abschlussfläche am Ventilsitz (36) anliegt, und einer geöffneten Position, in der der Ventilkörper (40) räumlich vom Ventilsitz (36) getrennt ist, um einen Kraftstofffluss durch den Gang (22) zu gestatten, bewegbar ist; und • einer Feder (62) zum Halten des Ventilkörpers 40 in der geschlossenen Position.
Druckregler (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – eine Ventilführung (50), angeordnet im Gang (22) und eine Bohrung (52) definierend und – einen Ventilschaft (42), verbunden mit dem Ventilkörper (40) und in der Bohrung (52) angeordnet.
Druckregler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kegelstumpfförmige Abschlussfläche des Ventilkörpers (40) sich in einem ersten Winkel (a) relativ zur Achse (28) erstreckt und der Ventilsitz (36) kegelstumpfförmig ist und sich in einem zweiten Winkel (b) relativ zur Achse (28) erstreckt, der vom ersten Winkel (a) verschieden ist.
Druckregler (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (a) kleiner als der zweite Winkel (b) ist.