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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Überströmventil, insbesondere zur Druckbegrenzung
in einem Niederdruckbereich eines Kraftstoffsystems, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
Kraftstoff-Überströmventil
der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt. Es umfasst einen
als Drehteil hergestellten Ventilträger, in den eine Durchgangsbohrung
eingebracht ist. Deren eines Ende ist durch einen eingeschraubten
Verschlussstopfen verschlossen, an dem sich eine Ventilfeder abstützt. An
der Ventilfeder wiederum stützt sich
ein zylindrischer Ventilkolben ab, der mit einer engen Gleitpassung
in die Durchgangsbohrung des Ventilträgers eingepasst ist. Der Ventilkolben
arbeitet mit seitlichen Austrittsöffnungen zusammen, das bekannte
Kraftstoff-Überströmventil
ist also ein Schieberventil.
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Eingesetzt
wird das bekannte Kraftstoff-Überströmventil
vor allem bei Common-Rail-Kraftstoffsystemen:
Dort wird der Kraftstoff zunächst
von einer elektrischen Kraftstoffpumpe auf einen Vorförderdruck
verdichtet und zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe gefördert. Diese
verdichtet den Kraftstoffweiter auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn
zu einer als "Rail" bezeichneten Kraftstoff-Sammelleitung,
an die wiederum die Injektoren angeschlossen sind, die den Kraftstoff
in Brennräume
der Brennkraftmaschine einspritzen. Durch das Kraftstoff-Überströmventil wird der Vorförderdruck eingestellt,
dies insbesondere dann, wenn die Leistung der elektrischen Kraftstoffpumpe
nicht eingestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftstoff-Überströmventil
der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass es möglichst
preiswert hergestellt werden kann, kleine Abmessungen aufweist,
und auch in hochdynamischen Systemen eingesetzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kraftstoff-Überströmventil mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Wichtige Merkmale der Erfindung sind ferner der nachfolgenden Beschreibung
und der Zeichnung entnehmbar, wobei die Merkmale auch in ganz unterschiedlichen
Kombinationen für
die Erfindung wesentlich sein können,
ohne dass hierauf im Einzelnen hingewiesen wird.
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Durch
die Verwendung eines Kraftstoff-Überströmventils
mit einem als Ventilscheibe ausgebildeten Ventilelement und einem
ventilträgerseitigen Flach-
oder Schrägsitz
sind die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schieberventilen
erforderlichen hochgenauen Passungen nicht mehr erforderlich. Hierdurch
werden die Herstellkosten des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Überströmventils
gegenüber
dem Stand der Technik reduziert. Ein als Ventilscheibe ausgebildetes
Ventilelement hat darüber
hinaus eine geringere bewegte Masse als ein zylindrischer Ventilkolben,
was zu einer höheren
Resonanzfrequenz und damit einem sichereren Betriebsverhalten führt. Ferner
wird durch das als flache Ventilscheibe ausgebildete Ventilelement
die axiale Baulänge
des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Überströmventils reduziert, so dass
das erfindungsgemäße Kraftstoff-Überströmventil
insgesamt kleiner gebaut werden kann.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass
Einlass und Auslass zueinander koaxial angeordnet sind. Damit sind
auch die seitlichen Abmessungen des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Überströmventils
gering.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn mindestens der Ventilträger und die Ventilscheibe spanlos, vorzugsweise
als Blechformteil, gefertigt sind. Derartige Bleichformteile sind
in Großserie
mit sehr geringen Kosten herstellbar.
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Die
Ventilscheibe kann einen axial verlaufenden Kragen aufweisen, mit
dem sie im Ventilträger geführt ist.
Auf diese Weise wird die Betriebszuverlässigkeit verbessert.
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Die
Ventilscheibe kann ferner einen Dichtbereich umfassen, der mit dem
Ventilsitz zusammenarbeitet, und mindestens eine radial außerhalb
des Dichtbereichs liegende Öffnung.
Durch eine solche Öffnung
wird erreicht, dass das "hinter" der Ventilscheibe
liegende Totvolumen bei einer Öffnungsbewegung
der Ventilscheibe ausströmen
kann, die Bewegung der Ventilscheibe durch das Totvolumen also nicht
behindert wird. Durch diese Maßnahme
wird die Dynamik des erfindungsgemäßen Überströmventils nochmals verbessert.
Durch die Größe der mindestens
einen Öffnung
kann darüber
hinaus die Dämpfung
so eingestellt werden, dass ein Flattern der Ventilscheibe verhindert
wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Überströmventils zeichnet
sich dadurch aus, dass es eine Membran umfasst, an der die Ventilscheibe
befestigt, vorzugsweise an der diese aufvulkanisiert ist. Dies gestattet eine
sichere "Lagerung" der Ventilscheibe.
Je nach Ausgestaltung der Membran kann sogar auf eine separate Ventilfeder
verzichtet werden, da diese dann durch die Membran realisiert ist.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Membran so dicht am Ventilträger befestigt
ist, dass stromabwärts
vom Flach- bzw. Schrägsitz
zwischen Membran und Ventilträger
ein abgeschlossenes Gasvolumen gebildet wird, welches eine Luftfeder
bildet. Eine solche Befestigung kann beispielsweise mittels eines
Spannrings erfolgen, der in den Ventilträger eingepresst wird. Die Befestigung
der Ventilscheibe an einer Membran gestattet darüber hinaus eine verbesserte
Dämpfung von
Druckspitzen aufgrund der größeren Nachgiebigkeit
bzw. der geringeren Steifigkeit der Membran.
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Die
Ventilfeder kann sich an einem Deckel abstützen, der in einen Abschnitt
des Ventilträgers eingepresst
ist. Anstelle des aus dem Stand der Technik bekannten Schraubverschlusses
kann also auch hier ein einfaches Blechformteil verwendet werden,
und anstelle einer Verschraubung kann ein einfaches Verpressen angewendet
werden, so dass insgesamt die Kosten niedrig bleiben. Der Öffnungsdruck
des Kraftstoff-Überströmventils
kann auf einfache Weise eingestellt werden, indem der Deckel so weit
eingepresst wird, bis der gewünschte Öffnungsdruck
erreicht ist. Nach dem Einpressen des Deckels kann der Rand des
Ventilträgers
umgebördelt
werden, wodurch eine stabile Angriffsfläche für Werkzeuge beim späteren Einpressen
des Kraftstoff-Überströmventils
bzw. von dessen Ventilträger
in ein Ventilgehäuse
zur Verfügung
steht.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn in einen stromaufwärts vom Flach- bzw. Schrägsitz angeordneten rohrförmigen Endbereich
des Ventilträgers
eine Siebeinrichtung eingepresst ist, die ein Sieb umfasst, welches
sich zum Flachsitz hin erstreckt. Vorteilhafterweise erstreckt sich
das Sieb mit einer vergleichsweisen großen Filterfläche bis
kurz vor den Flach- bzw. Schrägsitz,
so dass eine vergleichsweise große Filterfläche realisiert wird. Hierdurch
kann eine gute Filterwirkung bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand
bereitgestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine
mit einem Kraftstoff-Überströmventil;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Kraftstoff-Überströmventils
von 1;
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3 einen
Längsschnitt
durch das Kraftstoff-Überströmventil
von 1 in einem ersten Betriebszustand;
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4 eine
Darstellung ähnlich 3 für einen
zweiten Betriebszustand; und
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5 eine
Darstellung ähnlich 3 einer alternativen
Ausführungsform
eines Kraftstoff-Überströmventils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem
insgesamt das Bezugszeichen 10. Es gehört zu einer Brennkraftmaschine,
die jedoch im einzelnen nicht dargestellt ist.
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Das
Kraftstoffsystem 10 umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe 14 Kraftstoff
zu einer Hochdruckpumpe 16 fördert. Von der elektrischen
Kraftstoffpumpe 14 wird der Kraftstoff auf einen Vorförderdruck,
beispielsweise ungefähr
6 bar, verdichtet. Von einer Verbindungsleitung 17 zwischen
elektrischer Kraftstoffpumpe 14 und Hochdruckpumpe 16,
die insoweit auch als Niederdruckbereich bezeichnet wird, zweigt
eine Überströmleitung 18 ab,
die über
ein Kraftstoff-Überströmventil 20 zum
Kraftstoffbehälter 12 zurückführt. Durch
das Kraftstoff-Überströmventil 20 wird
der Druck im Niederdruckbereich 17 auf einen Maximalwert
begrenzt.
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Die
Hochdruckpumpe 16 verdichtet den Kraftstoff auf einen sehr
hohen Druck und fördert
ihn zu einer als "Rail" bezeichneten Kraftstoff-Sammelleitung 22.
In dieser ist der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert. An das
Rail 22 sind mehrere Injektoren 24 angeschlossen,
die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 26 der
Brennkraftmaschine einspritzen.
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Das
Kraftstoff-Überströmventil 20 ist
folgendermaßen
aufgebaut (vergl. 2 und 3): Ein rohrförmiger Ventilträger 28 umfasst
einen rohrförmigen
Abschnitt 30 mit geringerem Durchmesser und einen rohrförmigen Abschnitt 32 mit
größerem Durchmesser.
Im Übergang
zwischen den beiden Abschnitten 30 und 32 ist
innen im Ventilträger 28 ein als
Schrägsitz 34 ausgebildeter
Ventilsitz vorhanden. Dieser arbeitet mit einem als Ventilscheibe 36 ausgebildeten
Ventilelement zusammen, an deren radial äußeren Rand ein axial verlaufender
Kragen 38 angeformt ist, der durch die innere Mantelfläche des
Abschnitts 32 des Ventilträgers 28 gleitend geführt ist. Die
Ventilscheibe 36 weist einen schrägen Dichtbereich 40 auf,
und radial außerhalb
dieses Dichtbereichs 40 sind Öffnungen 42 in die
Ventilscheibe 36 eingebracht. Die Ventilscheibe 36 ist
ebenso wie der Ventilträger 28 spanlos
als Blechformteil gefertigt.
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In
einen distalen Endbereich des Abschnitts 32 des Ventilträgers 28 ist
ein ebenfalls als Blechformteil hergestellter Deckel 44 eingepresst.
Ein distaler Rand 46 des Abschnitts 32 ist nach
dem Einpressen des Deckels 44 um diesen umgebördelt. Zwischen
dem Deckel 44 und der Ventilscheibe 36 ist eine
Ventilfeder 48 verspannt, die im Bereich der Ventilscheibe 36 einen
kleineren Durchmesser aufweist als im Bereich des Deckels 44.
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Im
stromaufwärts
vom Schrägsitz 34 angeordneten
rohrförmigen
Abschnitt 30 des Ventilträgers 28 ist im Bereich
von dessen distalem Ende eine Siebeinrichtung 50 eingepresst.
Diese umfasst einen Haltering 52, der im Presssitz im Abschnitt 30 gehalten
ist, und einen sich von diesem bis fast zum Schrägsitz 34 hin erstreckenden
Filterabschnitt 54.
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Die
aus Ventilträger 28,
Siebeinrichtung 50, Ventilscheibe 36, Ventilfeder 48 und
Deckel 44 bestehende vormontierte Baugruppe ist in eine
Durchgangsbohrung 56 eines Aufnahmegehäuses 58 mit dem Abschnitt 30 des
Ventilträgers 28 im
Presssitz gehalten. Der für
den Einpressvorgang erforderliche Einpressstempel liegt dabei an
dem umgebördelten Rand 46 des
Ventilträgers 28 an.
In Einbaulage liegt ein radial außerhalb vom Schrägsitz 34 gelegener Übergangsabschnitt 60 des
Ventilträgers 28 an
einer Stirnseite 62 des Aufnahmegehäuses 58 an.
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In
dieser Stirnseite 62 ist, koaxial zur Durchgangsbohrung 56,
eine ringscheibenförmige
Ausnehmung 64 vorhanden, in die ein Dichtring 66 eingelegt ist.
Der Dichtring 66 ist in der in 3 dargestellten Einbaulage
zwischen dem Übergangsabschnitt 60 und
dem Aufnahmegehäuse 58 verklemmt.
Von einem radial innen liegenden Bereich der Ausnehmung 64 erstreckt
sich ebenfalls koaxial zur Durchgangsbohrung 56 in axialer
Richtung eine umlaufende Nut 68, die einen Ringkanal bildet,
von dem in radialer Richtung ein Auslasskanal 70 abzweigt.
Dieser kommuniziert über
die Nut 68 und die Ausnehmung 64 mittels Öffnungen 72 im Übergangsabschnitt 60 des Ventilträgers 28 mit
dem Innenraum des Abschnitts 32 des Ventilträgers 28.
Diese Öffnungen 72 bilden insoweit
einen Auslass des Ventilträgers 28,
wohingegen der Abschnitt 30 des Ventilträgers 28 einen Einlass
bildet.
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Das
Kraftstoff-Überströmventil 20 arbeitet folgendermaßen: Solange
der in dem den Einlass bildenden Abschnitt 30 herrschende
Kraftstoffdruck geringer ist als der durch die Ventilfeder 48 erzeugte Öffnungsdruck,
liegt die Ventilscheibe 36 am Schrägsitz 34 an, das Kraftstoff-Überströmventil 20 ist also geschlossen.
Der Öffnungsdruck
wird dabei dadurch eingestellt, dass der Deckel 44 so weit
in den Abschnitt 32 des Ventilträgers 28 eingepresst
wird, bis die Ventilfeder 48 in der gewünschten Weise vorgespannt ist.
Steigt der Druck im Abschnitt 30 des Ventilträgers 28 auf
einen Druck oberhalb des Öffnungsdrucks,
hebt die Ventilscheibe 36 vom Schrägsitz 34 gegen die
Kraft der Ventilfeder 48 ab, so dass zwischen Ventilscheibe 36 und
Schrägsitz 34 ein
Spalt entsteht. Dieser ist in 4, welches
das Kraftstoff-Überströmventil 20 in
der geöffneten
Betriebsstellung darstellt, mit 74 bezeichnet. Während der Öffnungsbewegung
der Ventilscheibe 36 kann der zwischen Ventilscheibe 36 und
Kragen 38 einerseits und dem Abschnitt 32 des
Ventilträgers 28 und
dem Deckel 44 andererseits eingeschlossene Kraftstoff durch
die Öffnungen 42 aus
dem Innenraum des Abschnitts 32 entweichen. Der Kraftstoff
kann bei geöffnetem
Kraftstoff-Überströmventil 20 durch
den Spalt 74 und die einen Auslass des Ventilträgers 28 bildenden Öffnungen 72 in
die Nut 68 und weiter zum Auslasskanal 70 abströmen.
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Eine
alternative Ausführungsform
zeigt die 5. Dabei gilt, dass solche Elemente
und Bereiche, welche äquivalente
Funktionen zu dem im Zusammenhang mit den 2 bis 4 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals
im Detail erläutert
sind.
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Bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform ist an die Ventilscheibe 36 kein
Kragen angeformt, sondern die Ventilscheibe 36 ist auf
eine Membran 76 aufvulkanisiert. Die Membran 76 ist
in den Abschnitt 32 des Ventilträgers 28 durch einen
eingepressten Ring 78 eingespannt. Die Einspannkraft ist
dabei so groß,
dass der zwischen Membran 76, Abschnitt 32 und
Deckel 44 gebildete Innenraum ein abgeschlossenes Gasvolumen
bildet, welches zusätzlich
zur Ventilfeder 48 als Gasfeder wirkt.