-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckregelventil zum Regeln des Drucks in einem Hochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Kraftstoffleitung, die von dem Hochdruckspeicher zu einem Ventilsitz führt, dessen eine variable Drossel bildender Ventildurchgang zu einer mit einem drucklosen Behälter verbundenen Ventilkammer führt und der durch einen Absperrkörper verschließbar ist, der von dem Druck im Hochdruckspeicher in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist, mit einem Magnetanker, der den Absperrkörper in Schließrichtung beaufschlagt und der von der Druckfeder in Schließrichtung beaufschlagt ist und dem in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers auf seiner dem Absperrkörper abgewandten Seite in einem Abstand feststehend ein Magnetkern gegenüber liegt, wobei der Abstand zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern bei geschlossenem Ventildurchgang größer ist, als ein bestimmter maximal zulässiger Öffnungshub des Absperrkörpers und wobei von einer bestrombaren Magnetspule ein Magnetfeld erzeugbar ist, das entgegen der Kraft der Druckfeder auf den Magnetanker wirkt.
-
Derartige elektrohydraulische direktgesteuerte Druckregelventile besitzen eine fallende Regelkennlinie. Das bedeutet, daß sich bei steigendem Strom zur Bestromung der Magnetspule der auf dem Absperrkörper in Öffnungsrichtung wirkende Druck im Hochdruckspeicher verringert.
-
Die den Absperrkörper in Schließrichtung beaufschlagende Federkraft ist immer größer als die entgegenwirkende Magnetkraft.
-
Der maximal zulässige Öffnungshub des Absperrkörpers ist so, daß dabei der Abstand zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern nicht vollständig überwunden ist, sondern ein Restabstand verbleibt.
-
Wird der Ventildurchgang geöffnet, fließt ein Volumenstrom zwischen dem Absperrkörper und dem Ventilsitz, so daß der krafterzeugende Abstand zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern entsprechend dem Öffnungshub geringer wird. Durch diesen geringeren Abstand zwischen Magnetanker und Magnetkern vergrößert sich die auf den Magnetanker wirkende Magnetkraft.
-
In dem Fall, daß die Magnetkraft größer ist als die entgegenwirkende Federkraft, wird der Magnetanker vollständig in Anlage an den Magnetkern gezogen und der Abstand zwischen Magnetanker und Magnetkern vollständig überwunden.
-
Da die auf den Magnetanker einwirkende Magnetkraft über den Hub des Magnetankers in Richtung auf den Magnetkern aus einem Bereich mit geringerem Steigungsgradienten in einen Bereich permanent größer werdenden Steigungsgradienten übergeht, kommt es leicht zu einem Überspringen über eine Position innerhalb des bis zum bestimmten maximal zulässigen Öffnungshub reichenden Arbeitshubbereich hinaus und durch die dann mit einem stärkeren Steigungsgradienten ansteigenden Magnetkraft, als der entgegenwirkenden Federkraft zu einer Anlage des Magnetankers an dem Magnetkern.
-
Dies kann durch plötzliche Betriebsdruckänderungen und durch dynamische Anregung aufgrund von Druckpulsationen auftreten.
-
Betriebsdruckänderungen treten z. B. auf, wenn der Motorbetrieb von einem Lastbetrieb in einen Schiebebetrieb wechselt und es dabei zu einem „Atmen” und Volumenändern des Hochdruckspeichers kommt.
-
Zusätzlich ändert sich das Volumen des im Hochdruckspeicher befindlichen Kraftstoffs, der erfahrungsgemäß eine Kompressibilität von etwa 5% pro 1000 bar Druck aufweist.
-
Zu Druckpulsationen kann es kommen, wenn der Hochdruckspeicher von einer Kolbenpumpe mit Kraftstoff gespeist wird, die im Hochdruckbereich relativ hohe Druckpulsationen erzeugt.
-
Gelangt der Magnetanker zur Anlage an dem Magnetkern, kommt es zu einem magnetischen Kleben zwischen diesen beiden Teilen. In der Zeit, in der der Magnetanker magnetisch an dem Magnetkern klebt, ist der Ventildurchgang weit offen und es findet keine Druckregelung des Druckregelventils statt.
-
Aus der
DE 101 07 115 A1 ist ein Druckregelventil bekannt, das weitgehend die Merkmale des Druckregelventils der eingangs genannten Art aufweist. Die Druckfeder ist dabei auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite des Magnetkerns angeordnet und fest abgestützt und kraftbeaufschlagt ein sich in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers erstreckendes Druckelement, das mit dem Magnetanker verbunden ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Druckregelventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei geringer Baugröße einen Ausfall der Druckregelung durch plötzliche Betriebsdruckänderungen oder Druckpulsationen vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckfeder auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite des Magnetkerns angeordnet und fest abgestützt ist sowie eine oder mehrere sich in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers erstreckende Druckelemente kraftbeaufschlagt, die mit dem Magnetanker verbunden sind, wobei der Magnetanker um einen Arbeitsbereich zwischen einer Stellung bei geschlossenem Ventildurchgang und einer Stellung maximal zulässigen Öffnungshubes bewegbar ist und im Arbeitshubbereich der Gradient der Magnetkraftkurve plus dem Gradienten der Kurve der auf den Absperrkörper wirkenden hydraulischen Kraft geringer ist, als der Gradient der Kurve der entgegenwirkenden Federkraft.
-
Durch diese Ausbildung wird der magnetisch durchflutete Querschnitt von Magnetanker und Magnetkern und damit auch die wirksame Magnetkraft größer.
-
Um dabei das Kraftniveau des Magneten nicht anzuheben, wird der Abstand zwischen Magnetkern und Magnetanker bei geschlossenem Ventildurchgang vergrößert. Damit wird der Arbeitshubbereich des Druckregelventils in einen Bereich der Magnetkennlinie mit flacherem Steigungsgradienten verschoben.
-
Dies führt dazu, daß die Stabilitätsgrenze, bei der es zu einem Überschnappen aus dem stabilen Regelbereich in einen instabilen Regelbereich und zur Anlage des Magnetankers am Magnetkern kommt, gegenüber einem Druckregelventil nach dem Stand der Technik bei gleicher Baugröße der Magnetkomponenten einen größeren Abstand zum Arbeitshubbereich erhält.
-
Druckstöße und Druckpulsationen können nun den Magnetanker nicht mehr soweit über den bestimmten maximal zulässigen Öffnungshub hinaus auslenken, daß er diese Stabilitätsgrenze überschreitet und zur Anlage an dem Magnetkern gelangt und an diesem magnetisch klebt.
-
Für den Arbeitshubbereich gilt immer, daß der Gradient der Magnetkraftkurve plus dem Gradienten der Kurve der auf den Absperrkörper wirkenden hydraulischen Kraft geringer ist, als der Gradient der Kurve der entgegenwirkenden Federkraft.
-
Die fallende Kennlinie des Druckregelventils, die dadurch gegeben ist, daß der Druck im Hochdruckspeicher bei zunehmender elektrischer Bestromung der Magnetspule sinkt, führt zu Notlaufeigenschaften des Kraftstoffeinspritzsystems. Sollte die Bestromung der Magnetspule ausfallen, wird im Hochdruckspeicher dadurch ein hoher Haltedruck sichergestellt, daß der Absperrkörper mittels maximaler Federkraft in Schließrichtung beaufschlagt wird, da keine Reduzierung dieser Federkraft durch eine entgegenwirkende Magnetkraft erfolgt.
-
Aufgrund des hohen Drucks im Hochdruckspeicher bleibt das Kraftfahrzeug weiterhin fahrtauglich.
-
In einfacher Ausbildung können das oder die Druckelemente Druckstangen sein, die durch Ausnehmungen des Magnetkerns verschiebbar hindurchgeführt sind.
-
Leicht herstellbar ist es, wenn die Ausnehmungen sich axial durch den Magnetkern erstrecken.
-
Sind das oder die die Druckelemente in dem dem Absperrkörper näheren Bereich des Magnetankers mit dem Magnetanker verbunden, so wirken die Magnetkraft und die Federkraft an einander entgegengesetzten Endbereichen auf den Magnetanker, was ein Verkannten des Magnetankers in seiner Führung vermeidet.
-
Eine besonders geringe Reduzierung der magnetisch durchfluteten Querschnitte von Magnetanker und Magnetpol wird dadurch erreicht, daß sich eine einzige durchgehende Ausnehmung koaxial durch den Magnetkern erstreckt, durch die eine einzige Druckstange verschiebbar hindurchgeführt ist.
-
Um eine hohe Federkraft zu erreichen, können das oder die Druckelemente von mehreren Druckfedern kraftbeaufschlagt sein.
-
Dabei wird nur ein geringer Einbauraum benötigt, wenn die Druckfedern koaxial zueinander angeordnet sind.
-
Zur sicheren Beaufschlagung der an sich geringen Beaufschlagungsflächen der Druckelemente können die Druckfeder oder die Druckfedern über einen Druckteller das oder die Druckelemente kraftbeaufschlagen.
-
Vorzugsweise sind die Druckfeder oder die Druckfedern an einem mit einem Gehäuse des Druckregelventils verbundenen Abstützteil abgestützt.
-
Ist dabei das Abstützteil in Federkraftrichtung verstellbar an dem Gehäuse angeordnet, so kann damit die Vorspannung der Druckfeder oder der Druckfedern eingestellt werden.
-
In einfacher Weise sind die Druckfeder und/oder die Druckfedern Schraubendruckfedern.
-
Es versteht sich, daß die Druckfedern auch andere Druckfedern wie z. B. Tellerfedern sein können.
-
Sowohl zu einem sicheren Schließen des Ventildurchgangs als auch zu einer gut definierbaren Drosselwirkung in dem zwischen dem Absperrkörper und dem Ventilsitz bei geöffnetem Ventildurchgang gebildeten Spalt führt es, wenn der Ventilsitz ein konischer Ventilsitz und der Absperrkörper eine Kugel ist.
-
Vorzugsweise ist der Absperrkörper von einer in Bewegungsrichtung des Absperrkörpers verschiebbar geführten Schließstange in Schließrichtung beaufschlagbar, die mit dem Magnetanker verbunden ist.
-
Dabei kann der Absperrkörper frei an der Stirnseite der Schließstange anliegen oder fest an der einen Stirnseite der Schließstange angeordnet sein.
-
Die einander gegenüberliegenden Stirnflächen von Magnetanker und Magnetkern sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet.
-
Dabei können die einander gegenüberliegenden Stirnflächen von Magnetanker und Magnetkern sich rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Magnetankers erstrecken, insbesondere aber konusförmig ausgebildet sein.
-
Grundsätzlich ist es möglich, daß an dem Kraftstoffspeicher ein einziges Einspritzventil angeschlossen ist. Eine rationale Versorgung mehrerer Einspritzventile wird aber dadurch erreicht, daß der Hochdruckspeicher eine Kraftstoffverteilerleiste ist, an der eine Mehrzahl Einspritzventile des Kraftstoffeinspritzsystems angeschlossen sind.
-
Zur Versorgung des Hochdruckspeichers ist vorzugsweise diesem von einer Hochdruckpumpe Kraftstoff unter hohem Druck zuführbar.
-
Eine Kraftstoffzufuhr unter besonders hohem Druck ist dadurch möglich, daß die Hochdruckpumpe eine Kolbenpumpe ist.
-
Dem Hochdruckspeicher kann Kraftstoff mit einem Druck von 1500 bar bis 3500 bar insbesondere von 1600 bar bis 2500 bar zuführbar sein.
-
Zur Erzeugung unterschiedlicher Regelkennlinien kann die Magnetspule mit einem variabel einstellbaren Strom bestrombar sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
-
1 eine Prinzipdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeugs
-
2 einen Querschnitt eines Druckregelventils des Kraftstoffeinspritzsystems nach 1
-
3 ein Kräftebilanzdiagramm des Druckregelventils nach 2.
-
Das in 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem eines Kraftfahrzeugs weist einen drucklosen Kraftstoffbehälter 1 auf, aus dem eine Kraftstofförderpumpe 2 Kraftstoff ansaugt und einer Kolbenpumpe 3 zuführt.
-
Durch die Kolbenpumpe 3 wird der Kraftstoff unter hohem Druck in eine Kraftstoffverteilerleiste 4 gefördert, so daß diese mit Kraftstoff unter einem Druck von etwa 2000 bar gefüllt ist.
-
An die Kraftstoffverteilerleiste 4 sind vier Einspritzventile 5 angeschlossen und werden aus der Kraftstoffverteilerliste 4 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt.
-
Überschüssiger Kraftstoff wird von den Einspritzventilen 5 über eine Rücklaufleitung 6 wieder dem Kraftstoffbehälter 1 zugeführt.
-
An die Kraftstoffverteilerleiste 4 ist weiterhin über eine Kraftstoffleitung 8 ein Druckregelventil 7 angeschlossen, wobei der von dem Druckregelventil 7 abgeregelte Kraftstoff ebenfalls über die Rücklaufleitung 6 dem Kraftstoffbehälter 1 zugeführt wird.
-
Der Ventilsitz 9 ist konisch ausgebildet.
-
Zum Schließen des Ventilsdurchgangs dient eine Kugel 11 als Absperrkörper, die von der einen Stirnseite einer Schließstange 12 in Schließrichtung beaufschlagt ist.
-
In Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz 9 ist eine Ventilkammer 13 angeordnet, die über Anschlüsse 14 mit der Rücklaufleitung 6 verbunden ist.
-
An ihrem der Kugel 11 zugewandten Ende ist die in einer Führungsbohrung 15 eines Ventilkörpers 16 in Schließ- bzw. Öffnungsrichtung verschiebbar geführte Schließstange 12 sich konisch verjüngend ausgebildet.
-
An ihrem der Kugel 11 abgewandten Ende trägt die Schließstange 12 einen Magnetanker 17.
-
Koaxial zum Magnetanker 17 ist auf dessen dem Ventilsitz 9 abgewandten Seite in einem Abstand 23 ein Magnetkern 22 fest in einem Gehäuse 26 des Druckregelventils 7 angeordnet, wobei der Abstand 23 zwischen dem Magnetanker 17 und dem Magnetkern 22 bei geschlossenem Ventildurchgang größer ist, als ein bestimmter maximal zulässiger Öffnungshub der Kugel 11.
-
Durch den Magnetkern 22 erstreckt sich koaxial eine durchgehende Ausnehmung 28, durch die eine Druckstange 29 mit Spiel verschiebbar hindurchgeführt ist, die sich weiterhin mit Spiel durch eine Koaxialausnehmung 30 des Magnetankers 17 bis in dessen dem Ventilsitz 9 näheren Endbereich erstreckt und dort mit dem Magnetanker 17 fest verbunden ist.
-
Auf der dem Magnetanker 17 entgegengesetzten Seite ragt die Druckstange 29 aus der Ausnehmung 28 heraus und ist über einen Druckteller 31 von zwei Schraubendruckfedern 10 und 18 zum Ventilsitz 9 hin kraftbeaufschlagt.
-
Dabei besitzt die zweite Schraubendruckfeder 10 einen kleineren Außendurchmesser als die erste Schraubendruckfeder 18 einen Innendurchmesser besitzt und ist in der Durchgangsöffnung der ersten Schraubendruckfeder 10 angeordnet.
-
Die ortsfeste Abstützung des anderen Endes der Schraubendruckfedern 10 und 18 erfolgt an einem kappenartigen Abstützteil 19, das ein Gewinde 20 aufweist, mit dem es in einer Gewindebohrung 21 eines stirnseitigen Teils des Gehäuses 26 des Druckregelventils 7 eingeschraubt ist.
-
Durch das Maß, um das das Abstützteil 19 in die Gewindebohrung 21 eingeschraubt wird, kann die Vorspannkraft der Schraubendurckfedern 10 und 18 eingestellt werden.
-
Magnetanker 17 und der Magnetkern 22 liegen mit Ringflächen 24, 25 koaxial zur Schließ- und Öffnungsrichtung der Kugel 11 in dem Abstand 23 gegenüber.
-
Die einander gegenüberliegenden Ringflächen 24, 25 sind dabei konusförmig ausgebildet, so daß der Abstand 23 zwischen den Ringflächen 24, 25 gleichmäßig ist.
-
Der Bereich von Magnetanker 17 und Magnetkern 22 ist von einer in dem Gehäuse 26 des Druckregelventils 7 angeordneten Magnetspule 27 umschlossen, bei deren Bestromung ein Magnetfeld erzeugt wird, durch das der Magnetanker 17 und mit ihm die Schließstange 12 entgegen der Kraft der Schraubendruckfeder 18 in Öffnungsrichtung bewegt werden.
-
Dadurch verringert sich auch der Abstand 23 zwischen Magnetanker 17 und Magnetkern 22.
-
Durch die auf die Kugel 11 einwirkende Druckkraft des Kraftstoffs in der Kraftstoffverteilerleiste 4 und die Kraft des auf den Magnetanker 17 einwirkenden, von der Magnetspule 27 erzeugten Magnetfeldes kann die Kugel 11 entgegen der Kraft der Schraubendruckfedern 10 und 18 bis auf den bestimmten maximal zulässigen Öffnungshub ausgelenkt werden.
-
In der Schließstellung liegt die Kugel 11 an dem Ventilsitz 9 an.
-
Der Ventildurchgang zwischen der Kugel 11 und dem Ventilsitz 9 bildet dabei eine Drossel mit einem variablen kegelringförmigen Querschnitt.
-
Der Drosseleffekt dieser Drossel am Ventildurchgang entspricht bei dem maximalen Öffnungshub dem Drosseleffekt der Drossel 28.
-
Wenn sich die Kugel 11 in ihrem bestimmten maximalen Öffnungshub befindet ist der Abstand zwischen den Ringflächen 24, 25 von Magnetanker 17 und Magnetkern 22 zwar reduziert aber die Ringflächen 24, 25 liegen nicht aneinander an.
-
Dies erfolgt auch dann nicht, wenn in der Kraftstoffverteilerleiste 4 Druckspitzen und Druckpulsationen auftreten, so daß diese nicht eine weitere Auslenkung der Kugel 11 in Öffnungsrichtung und damit ein aneinander Anliegen der Ringflächen 24, 25 von Magnetanker 17 und Magnetkern 22 bewirken können.
-
Somit wird auch ein magnetisches Kleben des Magnetankers 17 an dem Magnetkern 22 und ein dadurch hervorgerufenes Stören der Regelfunktion des Druckregelventils 7 vermieden.
-
Bei dem in 3 dargestellten Kräftebilanzdiagramm ist die Kraft F über den Hub S aufgetragen.
-
Dabei besitzt der gemeinsame Kraftverlauf FFeder der Schraubendruckfedern 10 und 18 einen konstanten Kraftanstieg über den Hub.
-
Der Kraftverlauf FHydraulik der auf die Kugel 11 in Öffnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft ist ebenfalls steigend, während die Kraftverläufe der entgegen auf den Magnetanker 17 einwirkenden Magnetkräfte FMagnet 1 und FMagnet 2 degressiver Verläufe mit steigendem Gradienten besitzen.
-
Weiterhin ist auf der x-Achse der Arbeitshubbereich des Magnetankers 17 vom Hub 0 – geschlossener Ventildurchgang – bis zu dem maximal zulässigen Öffnungshub aufgetragen.
-
Zu jeder Magnetkraftkurve FMagnet 1 und FMagnet 2 ist weiterhin die Stabilitätsgrenze 33 und 33' eingetragen, bei der es zu einem Überschnappen aus einem stabilen Regelbereich in einen instabilen Regelbereich kommt, was zu einer Anlage des Magnetankers 17 am Magnetkern 22 führt.
-
FMagnet 1 zeigt die Magnetkurve eines Druckregelventils nach dem Stand der Technik, bei dem die den Magnetanker beaufschlagende Druckfeder in koaxial einander gegenüberliegenden Grundbohrungen für Magnetanker und Magnetkern angeordnet ist.
-
Dadurch besitzen die einander gegenüberliegenden Ringflächen von Magnetanker und Magnetkern eine geringere Größe, was dazu führt, daß die Stabilitätsgrenze 33 nahe am Arbeitshubbereich 32 liegt.
-
Durch Druckspitzen und Druckpulsationen kann es dabei zu einem Überschnappen aus dem stabilen in den instabilen Regelbereich kommen.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist bei gleichen äußeren Abmessungen von Magnetanker 17, Magnetkern 22 und Magnetspule 27 und bei gleichem Abstand 23 aufgrund der größeren magnetisch durchfluteten Querschnitte von Magnetanker 17 und Magnetkern 22 die wirksame Magnetkraft größer.
-
Durch Vergrößern des Abstandes 23 zwischen Magnetanker 17 und Magnetkern 22 wird wieder eine gleich große wirksame Magnetkraft hergestellt.
-
Dies führt auch zu einer Veränderung hin zur Magnetkurve FMagnet 2.
-
Durch die Vergrößerung des Abstandes 23 ist nun auch die neue Stabilitätsgrenze 33' weiter von dem Arbeitsbereich 32 entfernt.
-
Durchspitzen und Druckpulsationen, durch die der Magnetanker 17 über den Arbeitsbereich 32 hinaus ausgelenkt wird, führen nun nicht mehr zu einem Überschnappen aus dem stabilen in den instabilen Regelbereich und zu einem magnetischen Kleben des Magnetankers 17 an dem Magnetkern 22.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kraftstoffbehälter
- 2
- Kraftstofförderpumpe
- 3
- Kolbenpumpe
- 4
- Kraftstoffverteilerleiste
- 5
- Einspritzventile
- 6
- Rücklaufleitung
- 7
- Druckregelventil
- 8
- Kraftstoffleitung
- 9
- Ventilsitz
- 10
- zweite Schraubendruckfeder
- 11
- Kugel
- 12
- Schließstange
- 13
- Ventilkammer
- 14
- Auslässe
- 15
- Führungsbohrung
- 16
- Ventilkörper
- 17
- Magnetanker
- 18
- erste Schraubendruckfeder
- 19
- Abstützteil
- 20
- Gewinde
- 21
- Gewindebohrung
- 22
- Magnetkern
- 23
- Abstand
- 24
- Ringfläche
- 25
- Ringfläche
- 26
- Gehäuse
- 27
- Magnetspule
- 28
- Ausnehmung
- 29
- Druckstange
- 30
- Koaxialausnehmung
- 31
- Druckteller
- 32
- Arbeitsbereich
- 33
- erste Stabilitätsgrenze
- 33'
- zweite Stabilitätsgrenze
