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Die Erfindung betrifft ein Saugventil für einen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems.
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Diesel-Kraftfahrzeuge, die ein Common-Rail-Einspritzsystem enthalten, sind bereits bekannt. Bei diesen Systemen ist der Raildruck einer der Hauptparameter, die die Kraftstoff-Einspritzmenge beeinflussen. Aus diesem Grund ist das Vorliegen eines möglichst stabilen Raildrucks eine wesentliche Voraussetzung für eine genaue Dosierung der Kraftstoff-Einspritzmenge.
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Bei einer sogenannten VCV-Closed-Loop-Regelung ist der Raildruck abhängig von der Zylinderbefüllung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe. Eine ungleichmäßige Befüllung der Zylinder in einer Zwei-Zylinder-Pumpe oder einer Drei-Zylinder-Pumpe führt zu Druckschwankungen im Rail. Eine derartige ungleichmäßige Befüllung der Zylinder ist unter anderem auf unterschiedliche Volumenstromcharakteristiken der Einlassventile der Zylinder zurückzuführen. Die unterschiedlichen Volumenstromcharakteristiken der Einlassventile werden insbesondere durch unterschiedliche Öffnungsdrücke der als Saugventil realisierten Einlassventile der Zylinder verursacht. Die unterschiedlichen Öffnungsdrücke sind beispielsweise auf produktionsbedingte unterschiedliche Federvorspannungen der Einlassventile und/oder auf undefinierte Kontaktlinien zwischen dem Schließkörper und dem Ventilsitz der Einlassventile zurückzuführen. Des Weiteren kann sich die genannte Kontaktlinie eines Einlassventils in den ersten Betriebsstunden des Einlassventils durch eine Verformung des Ventilsitzes in unerwünschter Weise verändern.
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Ein Beispiel für die Abhängigkeit der Zylinderbefüllung vom Öffnungsdruck des Einlassventils ist in der 1 dargestellt. Dabei ist längs der Abszisse die Druckdifferenz dP in bar und längs der Ordinate die Kraftstoff-Einlassmenge Q in Litern pro Minute dargestellt. Die Kurve K1 beschreibt einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck einer Druckdifferenz dP von 1,2 bar entspricht, die Kurve K2 einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck einer Druckdifferenz dP von 1,4 bar entspricht. Es ist ersichtlich, dass beim Vorliegen einer Druckdifferenz dP von 1,5 bar die Einlassmenge bei einem Öffnungsdruck des Einlassventils von 1,2 bar um ΔQ ≈ 0,1 l/min größer ist als die Einlassmenge bei einem Öffnungsdruck des Einlassventils von 1,4 bar. Des Weiteren ist aus der 1 ersichtlich, dass die Volumenstromcharakteristik herkömmlicher Einlassventile linear ist, d. h. die Veränderung der Einlassmenge verläuft linear zu einer Veränderung der Druckdifferenz dP.
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Die 2 zeigt ein Diagramm, in welchem das Fördervolumen der Zylinder in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Dabei ist längs der Ordinate das Fördervolumen in Litern und längs der Abszisse die Zeit in Sekunden aufgetragen. Die Kurve K2' mit den durchgezogenen Linien ist einem Zylinder zugeordnet, dessen Einlassventil einen Öffnungsdruck von 1,4 bar aufweist, die Kurve K1' mit den gestrichelten Linien ist einem Zylinder zugeordnet, dessen Einlassventil einen Öffnungsdruck von 1,2 bar aufweist. Es ist ersichtlich, dass das Fördervolumen beider Zylinder um ΔQ ≈ 0,02 Liter pro Einlassvorgang abweicht.
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Die vorstehend beschriebene ungleiche Befüllung der Zylinder einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann im Extremfall zu einem Ausfall eines Zylinders führen. Dies bedeutet, dass bei sehr kleinen Einlassmengen eine Zwei- oder Drei-Zylinder-Pumpe wie eine Ein-Zylinder-Pumpe arbeitet.
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Der Öffnungsdruck eines Einlassventils liegt im Bereich zwischen 1,2 bar und 1,7 bar. Bei einem Öffnungsdruck, der kleiner ist als 1,2 bar, steigt das Risiko, dass ein Luft/Flüssigkeitsgemisch entsteht und durch das Saugventil in den Kompressionsraum gesaugt würde. Durch die mitgeführte, kompressible Luft würde keine vollständige Befüllung erreicht und die Druckpulsationen im Rail steigen.
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Bei einem Öffnungsdruck, der größer ist als ca. 1,7 bar, steigen die Verluste beim Startvorgang des Motors. Diese äußern sich derart, dass durch ein verspätetes Öffnen der Saugventile die Befüllung des Kompressionsraums der Hochdruckpumpe eingeschränkt wird, wodurch sich die Startzeit wegen verringerter Mengen bzw. Druckverfügbarkeit verlängert.
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Im Rahmen der Produktion derartiger Einlassventile erfolgt eine Vermessung derselben und eine Einteilung derselben in verschiedene Klassen. In der Praxis treten mit aktuellem Design Produktionsausfälle in der Größenordnung von bis zu 50% auf.
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Aus der
DE 199 02 259 A1 ist eine Radialkolbenpumpe mit mehreren in einem Pumpengehäuse aufgenommenen Pumpengehäusen bekannt, deren Kolben von einer Antriebswelle angetrieben sind und die jeweils ein Saug- und ein Druckventil haben, über das Druckmittel aus einer Saugleitung ansaugbar bzw. an einen Sammelkanal abgebbar ist, wobei die Saugventile jeder Pumpeneinheit innerhalb eines vorbestimmten Saugventilöffnungsdruckintervalles öffnen.
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Aus der
EP 1 557 559 A1 ist bereits ein Saugventil bekannt, welches einen eine Einlassöffnung aufweisenden Ventilkörper und einen relativ zur Einlassöffnung bewegbaren Schließkörper aufweist, welcher in einer ersten Endposition die Einlassöffnung verschließt, wobei die Volumenstromcharakteristik des Saugventils nicht linear ist. Dies wird durch eine spezielle Ausbildung der Ventilfeder erreicht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Einlassventil für einen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems anzugeben, bei welchem die oben beschriebenen Nachteile verringert sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Saugventil gelöst, welches eine Einlassöffnung und einen Schließkörper aufweist, wobei der Schließkörper in einer ersten Endposition die Einlassöffnung verschließt und in Abhängigkeit einer Druckdifferenz relativ zur Einlassöffnung bewegbar ist und wobei das Saugventil eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik aufweist.
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Diese nichtlineare Volumenstromcharakteristik kann in einfach zu realisierender Weise durch eine entsprechende Gestaltung der Kontur des Schließkörpers des Saugventils erreicht werden. Vorzugsweise weist der Schließkörper auf seiner der Einlassöffnung zugewandten Seite eine Abschrägung und/oder eine Abstufung auf. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Öffnungsfläche des Einlassventils in einem nichtlinearen Zusammenhang mit der Druckdifferenz steht.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Einlassöffnung um einen hohlzylindrischen Einlasskanal und bei dem Schließkörper um einen in den Einlasskanal ragenden zylinderförmigen Fortsatz. Dies hat den Vorteil, dass eine jeweils gewünschte nichtlineare Volumenstromcharakteristik des Einlassventils besonders genau einstellbar ist.
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Diese Genauigkeit kann – wie es im Anspruch 8 angegeben ist – dadurch weiter erhöht werden, dass der Schließkörper einen zylindrischen Kragen aufweist, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des zylindrischen Fortsatzes, wobei die übergangsstellen zwischen dem zylindrischen Fortsatz und dem Kragen rechtwinklig ausgebildet sind.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der weitere Figuren. Dabei zeigt
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3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Zylinderbefüllung von der Steilheit der Volumenstromkennlinie,
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4 eine Skizze zur Veranschaulichung einer linearen und einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik eines Saugventils,
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5 eine Skizze eines Saugventils mit einer linearen Volumenstromcharakteristik,
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6 eine Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik,
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7a und 7b vergrößerte Ausschnitte des Saugventils gemäß 6 in unterschiedlichen Öffnungsstellungen des Schließkörpers und
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8 eine Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Saugventil für einen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems. Ein Saugventil gemäß der Erfindung weist eine Einlassöffnung auf, durch welche aus einem Tank mittels einer Vorförderpumpe in einen Kraftstoff-Ringkanal geförderter Kraftstoff in den Ventilkörper gelangt. Von dort aus wird der Kraftstoff über eine Auslassöffnung des Saugventils in einen zugehörigen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe transportiert. Danach erfolgt ein Schließen des Einlassventils, ein Verdichten des im Zylinder befindlichen Kraftstoffs mittels eines im Zylinder bewegten Kolbens und eine Ausgabe des verdichteten Kraftstoffs über eine Railleitung in das Rail.
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Ein Saugventil gemäß der Erfindung weist des Weiteren einen mit einer Feder verbundenen Schließkörper auf, welcher in einer ersten Endposition bei entspannter Feder die Einlassöffnung des Saugventils verschließt.
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Des Weiteren ist der Schließkörper in Abhängigkeit von der Druckdifferenz, die zwischen dem im Kraftstoff-Ringkanal bestehenden Druck und der Summe des Druckes im Zylinder und dem durch die Schließkraft der Feder verursachten Druck besteht, relativ zur Einlassöffnung bewegbar, um das Saugventil zu öffnen bzw. zu schließen. Wird der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoff-Ringkanal größer als die Summe aus dem Druck im Zylinder und dem durch die Schließkraft der Feder verursachten Druck, dann wird das Einlassventil geöffnet. Ist der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoff-Ringkanal kleiner als die Summe aus dem Druck im Zylinder und dem durch die Schließkraft der Feder verursachten Druck, dann ist das Einlassventil geschlossen.
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Ein Saugventil gemäß der Erfindung weist eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik auf, wie es nachfolgend erläutert wird.
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Unterschiedliche Befüllungen der Zylinder einer Kraftstoffhochdruckpumpe hängen in hohem Maße von der Steilheit der Volumenstromcharakteristik der als Saugventile realisierten Einlassventile der Zylinder ab. Beim Vorliegen eines übereinstimmenden Druckes bekommt man bei steileren Volumenstromcharakteristiken deutliche kleinere Abweichungen der Einlassmengen.
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Dies ist in der 3 veranschaulicht. In dieser ist längs der Abszisse die Druckdifferenz dP in bar und längs der Ordinate die Einlassmenge Q in Litern pro Minute aufgetragen. Die Kurve K1 beschreibt einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck einer Druckdifferenz dP von 1,2 bar entspricht, die Kurve K2 einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck einer Druckdifferenz dP von 1,4 bar entspricht. Die Kurve K3 beschreibt einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck ebenfalls einer Druckdifferenz von 1,2 bar entspricht, die Kurve K4 einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck einer Druckdifferenz dP von 1,4 bar entspricht. Die Kurven K1 und K2 weisen eine geringere Steilheit auf als die Kurven K3 und K4.
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Aus einem Vergleich der Kurven ist ersichtlich, dass beispielsweise beim Vorliegen einer Druckdifferenz dP = 1,58 bar die Einlassmengenabweichung ΔQ1 bei einem flacheren Verlauf der Volumenstromcharakteristik, wie er durch die Kurven K1 und K2 beschrieben wird, wesentlich kleiner ist als die Einlassmengenabweichung ΔQ2 bei einem steileren Verlauf der Volumenstromcharakteristik, wie er durch die Kurven K3 und K4 beschrieben wird: ΔQ1 < ΔQ2.
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Eine flache Volumenstromcharakteristik, die beispielsweise unter Verwendung einer Feder mit größerer Steifigkeit realisiert werden kann, verursacht jedoch größere Druckverluste und ist für eine Kraftstoff-Vollförderung nicht akzeptabel.
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Gemäß der Erfindung wird durch eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik der Einlassventile erreicht, dass die Einlassmengenabweichungen der Einlassventile einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind.
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Dies wird anhand der 4 veranschaulicht, in welcher längs der Abszisse die Druckdifferenz dP und längs der Ordinate die Einlassmenge Q aufgetragen ist. Die Kurve K5 beschreibt eine lineare Volumenstromcharakteristik, die Kurve K6 eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik. Die Kurve K6 hat bei Kraftstoff-Einlassmengen, die kleiner sind als QG, einen wesentlich flacheren Verlauf als die Kurve K5 und bei Kraftstoff-Einlassmengen, die größer sind als QG sind, einen steileren Verlauf als die Kurve K5. Dies bewirkt, dass die Einlassventile der Zylinder einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe größere Druckdifferenzen dP benötigen, um die Einlassmenge Q zu erhöhen, und führt bei kleineren Einlassmengen zu kleineren Abweichungen der Befüllung der verschiedenen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
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Die Volumenstromcharakteristik eines konventionellen Einlassventils kann mit der Bernoulli-Gleichung beschrieben werden: Q = μ·A·sqrt(2·dP/rho), wobei Q die Kraftstoffmenge, μ eine Konstante, A die Öffnungsfläche des Einlassventils, dP die Druckdifferenz und rho die Dichte des Mediums ist. Die Öffnungsfläche A eines konventionellen Einlassventils ist eine lineare Funktion der Druckdifferenz.
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Um die erfindungsgemäße nichtlineare Charakteristik zu erreiche, wird entweder eine nichtlineare Funktion für die Öffnungsfläche A = f(dP) durch eine geeignete geometrische Kontur des Schließkörpers oder durch eine geeignete Innengeometrie des Ventilkörpers realisiert. Dabei wird die gewünschte Nichtlinearität durch eine Kombination aus der Bernoulli-Strömung und der Spalt-Strömung erreicht. Dies wird nachfolgend anhand der 5–8 näher erläutert.
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Die 5 zeigt eine Skizze eines bekannten Saugventils mit einer linearen Volumenstromcharakteristik. Das dargestellte Saugventil weist einen Ventilkörper 1 auf, der eine hohlzylindrische Einlassöffnung 1a und eine Auslassöffnung 1b enthält. Des Weiteren weist das gezeigte Saugventil einen Schließkörper 2 auf. Der Schließkörper 2 ist mit einer nicht gezeichneten Feder verbunden und verschließt im entspannten Zustand dieser Feder die Einlassöffnung 1a, so dass kein Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Ringkanal in das Innere des Ventilkörpers 1 und von dort aus über die Auslassöffnung 1b in den zugehörigen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangen kann. Der Schließkörper 2 ist in Richtung zu der Einlassöffnung 1a flach ausgebildet. Wird der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoff-Ringkanal größer als die Summe des Drucks des Kraftstoffs im Zylinder und dem durch die Schließkraft der Feder verursachten Druck, dann wird der Schließkörper 2 in der 5 nach rechts bewegt, wodurch das Saugventil geöffnet wird. Die Volumenstromcharakteristik eines derart aufgebauten Saugventils ist linear.
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Die 6 zeigt eine Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik. Auch dieses Saugventil weist einen Ventilkörper 1 auf, der eine hohlzylindrische Einlassöffnung 1a und eine Auslassöffnung 1b enthält. Des Weiteren weist auch das in der 6 dargestellte Saugventil einen Schließkörper 2 auf. Auch dieser Schließkörper ist mit einer nicht gezeichneten Feder verbunden und verschließt im entspannten Zustand dieser Feder die Einlassöffnung 1a, so dass kein Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Ringkanal in das Innere des Ventilkörpers 1 und von dort aus über die Auslassöffnung 1b in das Innere des zugehörigen Zylinders der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangen kann. Der Schließkörper 2 ist im Unterschied zu dem in der 5 gezeigten Schließkörper in Richtung der Einlassöffnung 1a nicht flach ausgebildet, sondern weist an seiner der Einlassöffnung 1a zugewandten Seite eine umlaufende Stufe 2a und eine umlaufende Abschrägung 2b auf. Aufgrund dieser Stufe und der Abschrägung weist das in der 6 gezeigte Saugventil eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik auf.
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Dies wird nachfolgend anhand der 7a und 7b veranschaulicht, wobei diese Figuren vergrößerte Ausschnitte des Saugventils gemäß 6 in unterschiedlichen Öffnungsstellungen des Schließkörpers 2 zeigen. Dabei ist der Schließkörper 2 in der 7a in einem teilweise geöffneten Zustand gezeigt, der einem Hub von 20 μm entspricht, und in der 7b in einem weiter geöffneten Zustand gezeigt, der einem Hub von 100 μm entspricht. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Öffnungsfläche des Ventils einen nichtlinearen Zusammenhang mit dem Druck bzw. der Druckdifferenz aufweist.
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Die 8 zeigt eine Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik. Auch dieses Saugventil weist einen Ventilkörper 1 auf, der eine hohlzylindrische Einlassöffnung 1a und eine Auslassöffnung 1b enthält. Des Weiteren weist auch das in der 8 dargestellte Saugventil einen Schließkörper 2 auf, der mit einer nicht gezeichneten Feder verbunden ist und im entspannten Zustand dieser Feder die Einlassöffnung 1a verschließt, so dass kein Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Ringkanal in das Innere des zugehörigen Zylinders der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangen kann. Der Schließkörper 2 weist bei diesem Ausführungsbeispiel auf seiner der Einlassöffnung 1a zugewandten Seite einen rechtwinkligen Übergang 2c auf, welcher zwischen einem zylindrischen Kragen 2d des Schließkörpers 2 und einem in die hohlzylindrische Einlassöffnung 1a hineinragenden zylinderförmigen Fortsatz 2e des Schließkörpers 2 vorgesehen ist. Die Länge des zylinderförmigen Fortsatzes 2e des Schließkörpers 2 ist mit dem Buchstaben L bezeichnet. Der Durchmesser DK des zylindrischen Kragens 2d ist größer als der Durchmesser DE der hohlzylindrischen Einlassöffnung 1a und auch größer als der Durchmesser DF des zylinderförmigen Fortsatzes 2e des Schließkörpers 2. Der Durchmesser DF des zylinderförmigen Fortsatzes ist etwas kleiner als der Durchmesser DE der hohlzylindrischen Einlassöffnung 1a. Es gilt DF = DE – δ.
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Dabei ist DF der Durchmesser des zylindrischen Fortsatzes des Schließkörpers, DE der Durchmesser der hohlzylindrischen Einlassöffnung und δ die Differenz zwischen den vorgenannten beiden Durchmessern.
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Auch aus der 8 ist ersichtlich, dass bei einem Öffnen des Ventils der Zusammenhang zwischen dem Druck und der Öffnungsfläche des Ventils nichtlinear ist.
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Alternativ zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik auch durch Saugventile realisiert werden, bei denen der Ventilkörper und der Schließkörper in ihrem Kontaktbereich jeweils kegelförmig ausgebildet sind, wobei die Flanken nicht parallel zueinander verlaufen.
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Eine weitere alternative Ausführungsform besteht darin, eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik durch ein Saugventil zu realisieren, bei welchem im Kontaktbereich zwischen dem Ventilkörper und dem Schließkörper ein Kugel-/Kegel-Übergang vorliegt.
