DE102007054496A1

DE102007054496A1 - Hochdruckventil für Dieseleinspritzanlagen mit Gleichdruckverhalten

Info

Publication number: DE102007054496A1
Application number: DE102007054496A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bleeck; Dietmar Schulze; Klaus Geiger; Erik Gruber
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: DE102007054496B4

Abstract

Ein Druckregelventil (1) eines Hochdruckkraftstoffsystems, wie einem Hochdruckdieselsystems, insbesondere als Common-Rail-System, hat einen hydraulischen (3) und einen magnetischen Teil (5). Das Ventil (1) umfasst einen längsgeführten (33) Kolben (7), der endlings eine Anströmfläche (9) und eine Kolbenspitze (11) aufweist, wobei die Kolbenspitze (11) zusammen mit einer Kugel (13) ein Kegelsitzventil (17) gegenüber einem Hochdruckkraftstoffsystemanschluss (A) erzeugt. Die Anströmfläche (9) des Kolbens (7), die insbesondere flachwinklig (alpha) über eine Laufbreite (25) des Kolbens (7) zentral auf einen Punkt (19) zuläuft, der eine Ruheanlagestelle (27) der Kugel (13) gegen den Kolben (7) ist, wirkt der Schließkraft (FS) der Kugel (13) entgegen, so dass ein Druckausgleich (FS, FM, FF, FH, FI, FZ) in einem eingestellten Betriebspunkt (B, B1) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil eines Hochdruckdieselsystems. Bekannte Hochdruckdieselsysteme, insbesondere für Common-Rail-Anwendung, sehen so aus, dass das Druckregelventil den Druck in dem Rail auf einen bestimmten Druckniveau, bisher üblich 1600 bar, in neueren Anwendungen z. B. 2000 bar oder sogar 2200 bar, aufrecht hält. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Druckregelventil, das in zuvor bezeichneten Hochdruckdieselsystemen eingesetzt werden kann.
Die Druckregelung kann sowohl passiv, das bedeutet einmal durch eine mechanische Einstellung bestimmt, oder auch aktiv, das heißt durch einen Magneten oder sonstwie geeignete Stromsteuerung, durchgeführt werden. Aus der DE 198 22 671 A1 ist ein Druckbegrenzungsventil bekannt, das in möglichst vielen Betriebssituationen einen pulsierenden Druck vermeiden soll. Das Ventil arbeitet mit einer Feder und einem spitz zulaufenden, langen Kolben, der in einem entsprechenden Kolbensitz, mit oder ohne Kugel, mündet. Untersuchungen an vergleichbaren Systemen zu 3 der DE 198 22 671 A1 durch die Anmelderin haben gezeigt, dass selbst mit Einbau einer Drosselung – innerhalb des Kolbens zum Tank hin – kein stabilisierter Druckausgleich herstellbar ist.
In einem Hochdruckdieselsystem, das z. B. als LKW-Dieselsystem mit Volumenströmen von bis zu 7 l pro Minute arbeitet, wird von einem Druckausgleich dann gesprochen, wenn zwischen den Druckverhältnissen und dem hydraulischen Volumenstrom nahezu eine vollständige Entkopplung vorliegt. Bei einer aktiven Steuerung über einen elektrischen Strom lassen sich mittels Strom auch ausgewählte Druckniveaus einstellen. Selbst wenn der Volumenstrom variiert, sollte das jeweilige Druckniveau innerhalb eines schmalen Bandes erhalten bleiben.
Nach einem bekannten Ausgestaltungsbeispiel kann ein Kolbenschieberventil benutzt werden, dessen Kolben im hydraulischen Teil des Ventils längsgeführt ist. Unterhalb eines bestimmten Druckniveaus bleibt das Ventil in einer Schließstellung. Diese Stellung kann als Ruhelage des Ventils bezeichnet werden. Übersteigt der Druck des einzuspritzenden Mediums, des Diesels, ein bestimmtes Druckniveau, z. B. 2200 bar, muss das Ventil in eine Öffnungsstellung gehen. Über den elektrischen Strom lässt sich ein bestimmter Betriebspunkt des Ventils einstellen. Aus der 3 der DE 198 22 671 A1 lässt sich die Kombination eines längs im Gehäuse geführten Kolbenschieberventils zusammen mit einem Kugelsitzventil im konischen Kugelsitz entnehmen. Wenn der Druck am Arbeitsanschluss ein bestimmtes Niveau übersteigt, reißt die Verlängerung des Kolbens, der an der Kugel anliegt, auf. Aufgrund der instabilen Verhältnisse flattert ein so aufgebautes passives Ventil, obwohl ein konstanter Druckausgleich erwünscht ist. Somit wird der Hochdruckdieselsystemanschluss regelmäßig oberhalb eines über die Feder einmal eingestellten Betriebspunktes auf- und zugemacht.
Ein funktionstüchtiges Hochdruckdieseldruckregelventil lässt sich nach Anspruch 1 realisieren. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Ein erfindungsgemäßes Ventil lässt sich, denn selbst bei LKW-Anwendungen im Common-Rail-Bereich ist der Bauraum begrenzt, kompakt aufbauen. Gleichzeitig soll in Abhängigkeit der Programmierung des Steuergerätes, vorzugsweise durch einen Programmierstrom, ein beliebiges Druckniveau innerhalb einer bestimmten Druckbandbreite einstellbar sein.
Das Druckregelventil, das in einem Hochdruckdieselsystem eingesetzt werden kann, besteht aus einem hydraulischen und einem magnetischen Teil. Durch den magnetischen Teil kann ein elektrischer Strom geschickt werden. Durch den hydraulischen Teil kann je nach Stellung bzw. Öffnungsstellung das unter Druck stehende Medium, der Diesel, durchströmen. Im hydraulischen Teil kann sich ein Kolben bewegen. Der Kolben wird durch das Gehäuse des hydraulischen Teils geführt. Der Kolben ist an seinen Seiten geführt. Der Kolben ist längsgeführt. Der Kolben mündet an einem Ende in einer Anströmfläche. Am gleichen Ende weist der Kolben eine Kolbenspitze auf. Der Kolben wählt eine Stellung in Abhängigkeit des an ihn angreifenden Kräftegleichgewichts. Das Kräftegleichgewicht stellt sich auf Grund der statischen und dynamischen Druckverhältnisse am Kolben und den Krafteinleitungen, z. B. aus einer Feder und einem Anker, ein. Die Anströmfläche geht in eine Kolbenspitze über. Vor der Kolbenspitze, im Bereich der Kolbenspitze, also um die Kolbenspitze herum, befindet sich eine Kugel, die ihre relative Position zur Kolbenspitze dann verändert, wenn die Position des Kolbens sich verändert und somit das Ventil öffnet oder schließt. Die Kugel lagert in einer Ruhestellung in einem Kegelsitz. Liegt die Kugel im Kegelsitz, so wird unter Druck des Kolbens der Hochdruckdieselsystemanschluss des Common-Rail-Systems gegenüber dem Tank abgesperrt. Der Kolben füllt auch in seinem Endbereich nahezu die gesamte Breite der Kolbenbohrung, in der der Kolben hin- und herfahren kann, aus. Die Laufbreite erstreckt sich somit senkrecht zur Vorzugsbewegungsrichtung des Kolbens. Die geometrischen Verhältnisse der Anströmflächen, der Kolbenspitzen und der vorgelagerten Kugel zueinander und im Bezug auf den Kugelsitz sind so gewählt, dass der Bernoulli-Effekt hydraulisch genutzt werden kann, um einen Druckausgleich zu erzeugen. Der Betriebspunkt wird vorzugsweise über den elektrischen Strom durch den magnetischen Teil, wie z. B. der Spule, eingestellt. Die Anströmfläche ist gleichmäßig gestaltet. Die Anströmfläche kann als flachwinklig bezeichnet werden. Von den Rändern des Kolbens ausgehend, läuft unter einem flachen Winkel die Anströmfläche auf ihren Kummulationspunkt, das ist der am höchsten hinausstehende Punkt, hin zu, der gleichzeitig als Ruheanlagestelle für die Kugel dient. Es wird mit Kräftegleichgewichten bei einem gewählten oder eingestellten Betriebspunkt gearbeitet. Die Strömungsverhältnisse in der Spitze des hydraulischen Teils des Ventils erzeugen eine natürliche Schließkraft der Kugel. Die Kugel tendiert von sich aus in ihren Kegelsitz. Gleichzeitig wird der Impuls auf die Anströmfläche aus dem Medium heraus genutzt, um den Kolben anzuheben.
Zwar herrschen vor dem Druckregelventil, am Arbeitsanschluss, so hohe Drücke im regulären Betrieb, dass das Medium nicht mehr als inkompressible Flüssigkeit zu betrachten ist, jedoch erfolgt nach Öffnung des Ventils ein größerer Druckabbau des Mediums in einem Druckausgleichsraum, dass bei Betrachtung des Mediums im Druckausgleichsraum (vereinfachend) von einem kompressiblen Medium auszugehen ist. Vereinfacht kann somit der Kolben des Ventils so ausgelegt werden, dass unter Nutzung des Bernoulli-Effekts aus statischem Druck und dynamischen Druck (über die Staudruckfläche betrachtet bzw. projiziert) ein Kräftegleichgewicht an der Kolbenspitze einzustellen ist. An dem Kolben greifen weitere Kräfte an, die zum Kräftegleichgewicht beitragen. Im Druckausgleichsraum wird daher vorteilhaft der Staudruck für die Lagewahl bzw. Stellung des Kolbens ebenfalls genutzt. Durch Drosseln lässt sich eine Druckartumwandlung realisieren. Hierzu liegt ein mehrstufiges Hydrauliksystem vor und in dem Ventil vor. Die einzelnen Hydraulikstufen sorgen für einen kontinuierlichen Druckabfall. An Hand der Öffnungsweiten der Drosseln, die über Bohrungsdurchmesser einstellbar sind, findet eine statische Druckumwandlung genauso wie eine dynamische Druckumwandlung statt. Hierzu sind am Kolbenboden, das ist das eine Ende des Kolbens, Drosseln vorgesehen. Das Ventil findet seine Einstellung durch die Drosseln.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung lassen sich gegenläufig funktionierende Elemente mit einander kombinieren. Der Kolbenschieber arbeitet unter Bestromung als Öffner, das ist ein Ventil, das bei Betätigung öffnet, während das Kugelsitzventil als Schließer arbeitet. Der Kolben lässt sich durch den Strömungsimpuls aus dem Medium, dem Diesel, verschieben. Der Magnet öffnet den Kolben. Die an den Kolben angreifende Feder schließt den Kolben. Durch die gegenläufig arbeitenden Elemente bildet sich ein Druckausgleich.
Durch die geschickte, flache Geometrie lässt sich der Hub des Druckbegrenzungsventils minimieren. Hierzu wird eine Kugelsitzgeometrie in Verbindung mit einer Anströmfläche verwendet. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt die Impulskraft an der Anströmfläche der hydraulischen Schließkraft der Kugel als Schließelement entgegen. Dadurch kann ein Gleichdruckverhalten annähernd unabhängig vom Volumenstrom erzielt werden. Der Hub, der vom Volumenstrom abhängt, wird also minimiert. Aus dem Druck heraus wird ein Kräftegleichgewicht zwischen der Kugel im Kugelsitz und dem Kolben mit seiner Anströmfläche eingestellt.
Der Druckausgleich wird unter Nutzung des hydraulischen Impulses auf die Anströmfläche eingestellt. Eine möglichst breite Fläche als Unterströmfläche des Kolbens wird innerhalb der Kolbenwirkung, im Bereich eines Druckausgleichsraums, der vorzugsweise im Inneren des Ventils vor der Kolbenspitze angeordnet ist, angeboten.
Der Druckausgleich wird als Summe von von außen einzustellenden und sich aufgrund der Geometrie ergebenden Kräften hergestellt. Die äußeren einzustellenden Kräfte können z. B. von einem Steuerstrom abhängen. Eine weitere von außen einzustellende Kraft kann eine gewählte Federkraft sein. Die Kraft aus dem magnetischen Teil, die magnetische Kraft, kann vorzugsweise ziehend benutzt werden. Das bedeutet, mit steigender magnetischer Kraft entfernt sich der Kolben zunehmend von seiner Ruheposition. Die Federkraft kann vorzugsweise in die vollkommen entgegengesetzte Richtung auf den Kolben beaufschlagt werden. Die Impulskraft über die Anströmfläche wirkt in eine ähnliche Richtung bzw. in die gleiche Richtung wie die ziehende magnetische Kraft. Die Schließkraft der Kugel wirkt wiederum in eine von der Impulskraft abgewendete Richtung.
Die Anströmfläche wird als Prallfläche benutzt. Auf die Anströmfläche kann das unter Hochdruck stehende Medium, der Diesel, aufschlagen. Die Anströmfläche dient als Prallfläche, wenn das Ventil in einer geöffneten Stellung ist. In einer Ruhestellung ist das Ventil in der Regel in der korrespondierenden Schließstellung. Es stellt sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den Kräften an der Kugel und an dem Kolben ein. Die Kräfte sind insbesondere hydraulische und mechanische Kräfte. Die Kugel verschwindet in geschlossener Stellung nicht vollständig im Kegelsitz, der an einem Ende des hydraulischen Teils angeordnet ist. Ein Teil der Kugel schaut aus dem Kegelsitz heraus. Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung schaut wenigstens die Hälfte der Kugel aus dem Kegelsitz in den Ausgleichsraum hinein. Der Druckausgleichsraum bildet sich aus dem mit Diesel zu füllenden Raum, der durch einen Teil des hydraulischen Teils, insbesondere der Außenwand, und einer Kolbenlängsführungswand unterhalb des Kugelsitzventils gebildet wird.
Technisch lassen sich die Verhältnisse in dem vorderen Teil des hydraulischen Teils des Ventils über den Bernoulli-Effekt oder die Bernoulli-Gleichung beschreiben. Während die Kugel des Kugelsitzventils von sich aus in die Dichtstellung gelangt, unterspült das Medium, vorzugsweise in dem Druckausgleichsraum, die Anschlagsfläche des Kolbens.
Nach einem Ausgestaltungsbeispiel lässt sich der Bernoulli-Effekt an dem Hochdruckdieselventil dadurch einstellen, dass ein möglichst kleiner, flacher Winkel an der Anströmfläche gewählt wird. Ein flacher Winkel kann zum Beispiel unterhalb von 15° liegen. In diesem Falle ist nur eine minimale Erhöhung der Ruheanlagestelle gegenüber dem Rand des Kolbens zu bemerken. Demgegenüber ist der Kegelsitz spitzzulaufend. Der Winkel des Kegelsitzes kann in einem Winkelbereich von 70° bis 90° gewählt werden.
Insbesondere beim Überschreiten des einzustellenden Druckes schlägt der Dieseltreibstoff gegen die Anströmfläche. Aus diesem Grunde ist die Anströmfläche aus besonders gehärtetem Material oder aus besonders hartem Material gefertigt. Der zu erwartende Druck, der Regeldruck, des Hochdruckmediums darf an dem Ende des Kolbens, der zum Druckausgleichsraum hinweist, keine Kavitationen oder Ausspülungen hinterlassen.
Ein erfindungsgemäß flaches Kolbenende erlaubt einen Kolben, der bei einer Kolbenbreite von 10 bis 12 mm, also ca. 11 mm Kolbenbreite, Hübe des Kolbens im Bereich von 100 μm durchführt, um einen Druck von 2200 bar sicher einzustellen.
Die Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei
1 das grundsätzliche Prinzip eines Druckregelventils für eine Common-Rail-Anwendung zeigt,
2 ein Ausführungsbeispiel von geometrischen Verhältnissen des Kolbens zum Kugelsitzventil zeigt,
3 das Ende in 2 größer darstellt,
4 eine stromabhängige, erfindungsgemäße Druck-Volumen-Kennlinie darstellt und
5 bei konstantem Volumenstrom eine Druck-Strom-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Ventils darstellt.
1 zeigt ein Druckregelventil 1, das im oberen Bereich einen magnetischen Teil 5 mit Stecker 37 darstellt und zum Arbeitsanschluss A bzw. Hochdrucksystemanschluss A hinweisenden hydraulischen Teil 3 zeigt. Das Druckregelventil 1 lässt Überdrücke in Rail gegenüber dem Tank über einen Tankanschluss T ab. Das Druckregelventil für ein Dieselhochdrucksystem wird in der Regel fest eingeschraubt. Es kann in einem weiteren Bauteil eingeschraubt sein. So bietet es sich an, das Druckregelventil 1 an der Kraftstoffhochdruckpumpe oder direkt an das Rail anzuschrauben.
Eine Ausgestaltung des hydraulischen Teils 3 wird auszugsweise in 2 dargestellt. Ein Kolben 7 weist an seinem einen Ende eine Anströmfläche 9 auf. Die Anströmfläche 9 kann mit Durchgangslöchern zum Kolbeninneren ausgestattet sein. Die Durchgangslöcher sind so gestaltet, dass sie die Drosseln darstellen. Über das Kolbeninnere durch seitliche Bohrungen lässt sich der Diesel zum Tankanschluss T seitlich herausführen. Die Anströmfläche 9 läuft in die Kolbenspitze 11 zu. Das Ende des Kolbens 7 ist an seiner Anströmfläche 9 flach ausgestaltet. Die Anströmfläche 9 erstreckt sich wenigstens nahezu, wenn nicht sogar tatsächlich, über die gesamte Laufbreite 25 des Kolbens 7, der im Gehäuse entlangläuft.
3 zeigt das Kugelsitzventil 17 in der Ruhestellung deutlicher, indem der hintere Teil des hydraulischen Teils 3 des Druckregelventils 1 weggelassen worden ist. Der Kugelsitz 15 für die Kugel 13 unterhalt der Kolbenspitze 11, die aus der Anströmfläche 9 herausgeht, liegt in einer Endwand des Hydraulikteils 3 des Druckregelventils 1.
2 deutet über die Kraftpfeile F_M für die Magnetkraft und F_F für die Federkraft das Kräftegleichgewicht an, das von außen auf den Kolben aufgebracht wird. Weiterhin stellt sich ein Kräftegleichgewicht durch die hydraulische Kraft F_H und die Impulskraft F_I ein. Insgesamt soll eine solche resultierende Kraft sich ergeben, dass unterhalb des Betriebspunktes B das Druckregelventil 1 in seiner Schließstellung S_S verharrt. Bei Drucküberschreitung muss sich eine Abhängigkeit des Magnetstroms, so wie in den 4 und 5 dargestellt, ein möglichst konstanter Arbeitsdruck oder Druck P einstellen, der nicht wesentlich durch den Volumenstrom V beeinflussbar ist.
Anstelle der Herausleitung des Tankanschlusses T aus dem Innenraum des Kolbens 7, so wie in 2 dargestellt, kann nach einer alternativen Ausführung der Tankanschluss auch direkt aus dem Druckausgleichsraum 29 abgeleitet werden. Nach einem Aspekt lässt sich unter Nutzung des Bernoulli-Effekts der durch den elektrischen Strom I eingestellte Betriebspunkt B durch ein Kräfte- oder Druckgleichgewicht zwischen Kolben und Kugel im unteren Ende des hydraulischen Teils des Druckregelventils einstellen. Mit steigendem Druck und damit steigender ziehenden Kraft an dem Kolben 7 sinkt das einzustellende Druckniveau T ab.
Nach einem weiteren Aspekt ist es hervorzuheben, dass eine besondere Drosselwirkung zur Nutzung des Staudrucks im Druckausgleichsraum 29 von Interesse ist. Hierzu ist an einer geeigneten Stelle wenigstens eine Drossel 41, 43, 45, oder auch mehrere Drosseln, vorzusehen. In dem zuvor dargelegten Ausführungsbeispiel ist die Drossel 41, 43 zweifach vertreten in dem Kolben 7 ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich lässt sich auch wenigstens eine Drossel 45 in der Ableitung anordnen. Es werden durch die Drosseln 41, 43, 45 drei Druckbereiche geschaffen.
Es hat sich gezeigt, dass – aus produktionstechnischen Erwägungen – eine Drossel 45 zwischen Gehäuse und Kolben 7 in Form eines Ringspalts vorgesehen werden kann. Weil die Ausführung mehrerer am Kolbenboden 47 vorgesehener Bohrungen möglichst präzise durchzuführen ist, lässt sich mit geringeren Toleranzanforderungen der gleiche technische Effekt, der Abstufung der Hydraulikdruckbereiche, durch die gleichmäßige Ausformung eines Ringspalts im Gehäuse, seitlich an dem Kolben, erzielen. Bei ausreichender Gehäusewandstärke kann also die Gestaltung der Drossel als ableitungsnahe Ringspaltdrossel bevorzugt sein.
Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, gibt es drei Druckbereiche i, ii, iii in und um das Ventil 1 verteilt. Der erste Druckbereich i ist der Hochdruckbereich. Der zweite Druckbereich ii ist der Mitteldruckbereich. Der dritte Druckbereich iii ist der Niederdruckbereich. Der Druck, der im Mitteldruckbereich ii herrscht, und als Staudruck P_S gilt, beträgt bei geöffnetem Ventil 1, also in der Stellung S_O (nicht graphisch dargestellt), nur zwischen 1/20 bis zu 1/30 des Hochdrucks am Arbeitsanschluss A. Der Arbeitsanschluss A hat einen Druck von mehr als 1600 bar, z. B. 2200 bar. Ein in der 1 zu sehendes Druckausgleichsglied oder Druckausgleichsventil 100 befindet sich in dem vorderen Bereich, dem hydraulischen Bereich, des Ventils 1. Das Druckausgleichsventil 100 kompensiert Unterdrücke im Hochdruckbereich i, insbesondere in der Abkühlphase des Kraftstoffs. Nachfolgend wird insbesondere auf die 2, und 3 verwiesen.
Die Drosseln 41, 43, die sich im Kolbenboden 47 befinden, sind bohrungsähnlich und durchgehend gestaltet. Über die Breite oder Größe der Drosseln 41, 43 wird der Staudruck P_S in dem Druckausgleichsraum 29 mechanisch eingestellt. Eine weitere, mögliche Drosselstelle zeigt die Drossel 45, die sich im Bereich der Kolbenführungswand 33 am Rand des Kolbens 31 ausbildet. Der Kolben 7 hat an seinem vorderen Ende eine Anströmfläche 9, die zur hydraulischen Nutzung des Bernoulli-Effekts gestaltet ist. Im Bereich der Kolbenspitze 11 befindet sich eine Kugel 13, die mit ihrem Kugelsitz 15 ein Kugelsitzventil 17 bildet. Auf der von der Kolbenspitze 11 abgewendeten Seite wirkt auf den Kolben eine Federkraft F_F ein, die durch eine Magnetkraft F_M in Abhängigkeit eines Stroms durch einen Magneten I (siehe 4 und 5) elektrisch reduzierbar ist. Die sich insgesamt einstellende Schließkraft F_S (nicht graphisch eingezeichnet) ist so lange größer, wie die hydraulische Kraft F_H (ebenfalls nicht graphisch eingezeichnet) den in Abhängigkeit des Stroms I durch den Magneten einen gewählten Druckwert P und den sich hieraus ergebenden Betriebspunkt B nicht überschreitet. Am Arbeitsanschluss A, der der Hochdrucksystemanschluss ist, herrscht der Druck des Rails.
Der Kolben 7 läuft zu einem Punkt 19 zusammen. Der Punkt 19 ist die längste Erstreckung des Kolbens 7 im Ventil 1 (siehe 1), der eine Längsrichtung 21 und eine Querrichtung 23 hat. Die Querrichtung 23 umfasst einen inneren Hohlraum des Kolbens 7. Die Laufbreite 25 des Kolbens 7 ist so eng gefasst, dass eine Gleitlagerung des Kolbens 7 (eine so genannte Baulagerung) möglich ist. Die hierdurch bedingten Reibkräfte werden wiederum vorteilhaft zur Einstellung des Gleichdruckverhaltens genutzt. Der höchste Punkt 19 des Kolbens 7 ist als Anlagestelle 27 für eine teilweise in einem Kugelsitz 15 sitzende Kugel 13 gestaltet, so dass der Kolben 7 zusammen mit der Kugel 13 im Kugelsitz 15 ein steuerbares Kugelsitzventil 17 bildet. Die Anlagestelle 27 erhebt sich unter einem Winkel α aus dem Kolbenboden 47 hervor. Das Kugelsitzventil 17 ist in einer Ventilsitzplatte 49 eingeformt. Die Ventilsitzplatte 49 stellt das vordere Ende des Ventils 1 dar. Somit ist das Kugelsitzventil 17 Teil der Endplatte 19 des Ventils 1. Das Ventil 1 steckt mit der Seitenwand 35 des Hydraulikteils 3 in der ihn umschließenden Wandung eines weiteren Bauteils eingeschraubt (1). Die Endplatte 39 schließt das Rail ab. Der Punkt 19 des Kolbens 7 bietet die Ruheanlagestelle 27 für die Kugel 13 des Kugelsitzventils 17 in der Schließstellung S_S.
Ein Ventil 1 mit verschiedenen Hydraulikdruckbereichen i, ii, iii schafft es (4), in einem Hochdrucksystem, wie einem Dieselhochdruckrailsystems, nahezu unabhängig vom Volumenstrom V in Abhängigkeit der elektrischen Bestromung I einen konstanten Druck P einzustellen. Der Strom I bedingt die Einstellung der Betriebspunkte B, B₁. Soll demgegenüber ein konstanter Volumenstrom V durch das Ventil 1 geregelt werden, so sackt der Druck P ab. Mit steigendem elektrischen Strom über den Stecker 37 des Ventils 1 kann sich ein erniedrigender Betriebspunkt des einzustellenden Druckniveaus im Rail bilden.
In der Öffnungsstellung S_O reicht die Schließkraft F_S nicht mehr aus, weil Magnetkraft F_M und Federkraft F_F zusammen mit der hydraulischen Kraft F_F bzw. der Impulskraft F_I ein Kräftegleichgewicht in Abhängigkeit der Strömungsverhältnisse des Volumenstroms V in dem Ventil 1 einstellen. Somit wirkt die ziehende Kraft F_Z der Federkraft F_F entgegen.
Nach einem erfinderischen Aspekt wird unter Nutzung der sich aus dem Bernoulli-Effekt ergebenden dynamischen und statischen Druckverhältnisse in einem Druckausgleichsraum vor einer Prallplatte eines Kolbens, deren Abfluss gedrosselt gestaltet sein kann, ein sich in Abhängigkeit des Volumenstrom einstellender Druck- bzw. Kraftausgleich genutzt, um ein nahezu statisches Druckniveau in einem Rail eines Kraftstoffeinspritzsystems aufzubauen.

1: Druckregelventil
3: hydraulischer Teil
5: magnetischer Teil
7: Kolben
9: Anströmfläche
11: Kolbenspitze
13: Kugel
15: Kugelsitz
17: Kugelsitzventil
19: Punkt des Kolbens
21: Längsrichtung
23: Querrichtung
25: Laufbreite, insbesondere Laufbreite des Kolbens
27: Ruheanlagestelle
29: Druckausgleichsraum
31: Rand des Kolbens
33: Kolbenführungswand
35: Seitenwand des Hydraulikteils
37: Stecker
39: Endplatte
41: Erste Drossel, insbesondere im Kolbenboden
43: Zweite Drossel, insbesondere im Kolbenboden
45: Dritte Drossel, insbesondere im Abstrom zum Tankanschluss
47: Kolbenboden
49: Ventilsitzplatte
100: Druckausgleichsglied wie ein in Sperrrichtung eingebautes Rückschlagsventil
A: Arbeitsanschluss bzw. Hochdrucksystemanschluss
B: Betriebspunkt
B₁: erster Betriebspunkt
F_S: Schließkraft
F_M: Magnetkraft
F_F: Federkraft
F_H: Hydraulische Kraft
F_I: Impulskraft
F_Z: Ziehende Kraft
I: Magnetstrom
P: Druck
P_S: Staudruck
S_O: Öffnungsstellung
S_S: Schließstellung
T: Tankanschluss
V: Volumenstrom
i: Hochdruckbereich
ii: Mitteldruckbereich
iii: Niederdruckbereich
α: Winkel

Claims

Druckregelventil (1) eines Hochdruckkraftstoffsystems, wie einem Hochdruckdieselsystems, insbesondere als Common-Rail-System, einen hydraulischen (3) und einen magnetischen Teil (5) umfassend, mit einem längsgeführten (33) Kolben (7), der endlings eine Anströmfläche (9) und eine Kolbenspitze (11) aufweist, wobei die Kolbenspitze (11) zusammen mit einer Kugel (13) ein Kegelsitzventil (17) gegenüber einem Hochdruckkraftstoffsystemanschluss (A) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmfläche (9) des Kolbens (7), die insbesondere flachwinklig (α) über eine Laufbreite (25) des Kolbens (7) zentral auf einen Punkt (19) zuläuft, der eine Ruheanlagestelle (27) der Kugel (13) gegen den Kolben (7) ist, der Schließkraft (F_S) der Kugel (13) entgegenwirkt, so dass ein Druckausgleich (F_S, F_M, F_F, F_H, F_I, F_Z) in einem eingestellten Betriebspunkt (B, B₁) erfolgt.
Druckregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckausgleich (F_S, F_M, F_F, F_H, F_I, F_Z) unter Nutzung des hydraulischen Impulses (F_I) auf die Anströmfläche (9) ergibt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Druckausgleich (F_S, F_M, F_F, F_H, F_I, F_Z) einstellt, der sich aus der Summe von eingestellten und sich ergebenden Kräften (F_S, F_M, F_F, F_H, F_I, F_Z) bildet, wobei in die Summe eine magnetische Kraft (F_M) auf den Kolben (7), insbesondere eine ziehende magnetische Kraft (F_Z), eine Federkraft (F_F) auf den Kolben (7), insbesondere eine schließende Kraft (F_S), eine Impulskraft (F_I) über die Anströmfläche (9) und eine hydraulische Schließkraft (F_H) durch die Kugel (13) eingeht.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmfläche (9) als Prallfläche für das unter Hochdruck (P) stehende Medium dient, das insbesondere von dem Hockdruckdieselsystemanschluss (A) auf den Kolben (7) bei einer geöffneten Ventilstellung (S_O) gelangt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckausgleich (F_S, F_M, F_F, F_H, F_I, F_Z) als Gleichgewicht zwischen den Kräften (F_S, F_M, F_F, F_H, F_I, F_Z) an der Kugel (13) und an dem Kolben (7), insbesondere hydraulische und mechanische Kräfte, einstellt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (13) in vollständig geschlossener Stellung (S_S) so in dem Kegelsitz (15) liegt, dass wenigstens die Hälfte der Kugel (13) aus dem Kegel herausragt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckausgleichsraum (29) geformt ist, der sich aus einem den Kegelsitz (15) aufweisenden Gehäuseabschnitt, einer Kolbenlängsführungswand (33) und dem Kolbenendbereich (47) bildet, in den in Schließstellung (S_S) wenigstens ein Teil der Kugel (13) hineinragt und in dem in Öffnungsstellung (S_O) die Kugel (13) unterströmt liegt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmfläche (9) unter einem Winkel (α) von maximal 20°, vorzugsweise von maximal 15°, von der Ruheanlagestelle (27) ausgehend zum Rand (31) des Kolbens (7) hin abfällt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel des Kegelsitzes (15) ein spitzzulaufender Sitz ist, der vorzugsweise in einem Winkelbereich von 70° bis 90° liegt, besonders bevorzugt in einem Winkelbereich von 75° und 85° liegt.
Druckregelventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (47) des Kolbens (7) aus einem so harten Material besteht, das insbesondere nachträglich fertigungsgehärtet ist, so dass der Regeldruck (P) des Hochdruckmediums während der Betriebszeit des Druckregelventils (1) keine Kavitationen oder Ausspülungen hinterlassen kann.
Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruheanlagestelle (27) maximal 2 mm, insbesondere 1 mm, aus dem Kolben (7) in Längsrichtung (21) gegenüber den Randbereichen des Kolbens (7) hervorragt.