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Die
Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil und eine Hochdruckpumpe
mit einem Druckbegrenzungsventil.
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Zum
Einspritzen von Kraftstoffen in Brennräume einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, kommen Einspritzanlagen
zum Einsatz, die in den letzten Jahren immer mehr als so genannte „Common-Rail”-Anlagen
ausgeführt
sind. Bei diesen werden die in den Brennräumen angeordneten Injektoren
aus einem gemeinsamen Kraftstoffspeicher, dem Common-Rail, mit Kraftstoff
versorgt. Der einzuspritzende Kraftstoff liegt dabei derzeit im
Kraftstoffspeicher unter einem Druck von bis über 2000 Bar vor.
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Einspritzanlagen
für Brennkraftmaschinen weisen
Hochdruckpumpen auf, mittels derer Kraftstoff gefördert wird,
um in Brennräume
der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Derartige Einspritzanlagen
für Brennkraftmaschinen
stellen hohe Anforderungen an die Genauigkeit des zur Einspritzung
des Kraftstoffs in die Brennräume
der Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdrucks.
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Dies
ist besonders wichtig, da immer strengere Gesetzesvorschriften bezüglich der
zulässigen Schadstoffemissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
erlassen werden. Diese machen es erforderlich, diverse Maßnahmen
vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden.
So ist beispielsweise die Bildung von Ruß stark abhängig von der Aufbereitung des
Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine.
Dabei ist es vorteilhaft für
die Senkung der Schadstoffemissionen, wenn der Kraftstoff sehr präzise in
den Zylinder eingespritzt werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckbegrenzungsventil und eine
Hochdruckpumpe mit einem Druckbegrenzungsventil zu schaffen, welches einen
einfachen Aufbau des Druckbegrenzungsventils beziehungsweise der
Hochdruckpumpe mit einer jeweils geringen Zahl von Bauteilen bei
hoher funktionaler Sicherheit des Druckbegrenzungsventils beziehungsweise
der Hochdruckpumpe ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Druckbegrenzungsventil zur
Begrenzung eines Drucks eines Fluids, mit einem Ventilgehäuse mit
einer Längsachse
und einer Ventilgehäuseausnehmung,
einer Fluideintrittsöffnung
und einer Fluidaustrittsöffnung,
die in dem Ventilgehäuse angeordnet
und mit der Ventilgehäuseausnehmung hydraulisch
gekoppelt sind, einem in der Ventilgehäuseausnehmung axial bewegbar
angeordneten Schließkörper, der
mittels einer Feder in Richtung der Fluideintrittsöffnung mit
Kraft beaufschlagbar ist, und der einen Sitzbereich aufweist, der
in einer Schließposition
des Schließkörpers mit
einem Dichtsitz der Ventilgehäuseausnehmung
fluiddicht zusammenwirkt. In dem Schließkörper ist eine Durchgangsleitung
angeordnet, die unabhängig
von der Position des Schließkörpers die
Fluideintrittsöffnung
mit der Fluidaustrittsöffnung
hydraulisch koppelt.
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Mittels
der Durchgangsleitung ist somit unabhängig von der Position des Schließkörpers mindestens
ein druckabhängig
minimaler Fluiddurchsatz von der Fluideintrittsöffnung zu der Fluidaustrittsöffnung ermöglicht.
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Der
Vorteil eines derartigen Druckbegrenzungsventils besteht darin,
dass in dem Druckbegrenzungsventil eine mittels der Durchgangsleitung realisierte
Drosselfunktion und eine Druckbegrenzungsfunktion zusammengefasst
sind und so ein kompakter Aufbaus des Druckbegrenzungsventils möglich ist.
Durch eine derartige Kombination der Druckbegrenzungsfunktion und
der Drosselfunktion kann druckabhängig ein minimaler Fluiddurchsatz durch
das Druckbegrenzungsventil, beispielsweise für Kühl- oder Schmierzwecke, sichergestellt
werden, und dabei eine sichere Druckbegrenzung ermöglicht werden.
Des Weiteren sind geringe Kosten für das Druckbegrenzungsventil
möglich.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Hochdruckpumpe
mit einem Pumpengehäuse
und einem Druckbegrenzungsventil gemäß des ersten Aspekts, wobei
das Druckbegrenzungsventil in einer Ausnehmung des Pumpengehäuses angeordnet
ist. Dies hat den Vorteil, dass ein kompakter Aufbau der Hochdruckpumpe
zusammen mit der Druckbegrenzungsfunktion und der Drosselfunktion
ermöglicht
ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist das Druckbegrenzungsventil mittels einer Presspassung in der
Ausnehmung des Pumpengehäuses
angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da damit eine sichere Anordnung
des Druckbegrenzungsventils im Pumpengehäuse möglich ist, insbesondere, wenn
das Pumpengehäuse
beispielsweise einen Stahl aufweist. Des Weiteren ergibt sich eine
einfache Montagemöglichkeit
des Druckbegrenzungsventils in dem Pumpengehäuse.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Druckbegrenzungsventil
mittels einer Schraubverbindung in der Ausnehmung des Pumpengehäuses angeordnet.
Dies ist vorteilhaft, da damit eine sichere Anordnung des Druckbegrenzungsventils
im Pumpengehäuse
möglich
ist, insbesondere, wenn das Pumpengehäuse beispielsweise Aluminium
aufweist. Des Weiteren ergibt sich eine einfache Montagemöglichkeit
des Druckbegrenzungsventils in dem Pumpengehäuse.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind nachfolgend anhand der schematischen
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Druckbegrenzungsventils,
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2 ein
Blockschaltbild einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
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3 eine
schematische Ansicht eines in einem Pumpengehäuse angeordneten Druckbegrenzungsventils,
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4 eine
schematische Ansicht des in dem Pumpengehäuse angeordneten Druckbegrenzungsventils
in einer weiteren Ausführungsform,
und
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5 eine
schematische Ansicht des in dem Pumpengehäuse angeordneten Druckbegrenzungsventils
in einer weiteren Ausführungsform.
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Elemente
gleicher Konstruktionen oder Funktionen sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
ein Druckbegrenzungsventil 10 zur Begrenzung eines Drucks
eines Fluids. Das Druckbegrenzungsventil 10 hat ein Ventilgehäuse 12 mit
einer Längsachse
L und einer Ventilgehäuseausnehmung 14.
In dem Ventilgehäuse 12 sind
eine Fluideintrittsöffnung 20 und
eine Fluidaustrittsöffnung 22 angeordnet
und mit der Ventilgehäuseausnehmung 14 hydraulisch
gekoppelt. In der Ventilgehäuseausnehmung 14 ist
ein Schließkörper 16 angeordnet,
der axial bewegbar und mittels einer Feder 18 in Richtung
der Fluideintrittsöffnung 20 mit
einer Kraft beaufschlagt werden kann. Der Schließkörper 16 weist einen
Sitzbereich 24 auf, der in einer Schließposition des Schließkörpers 16 mit
einem Dichtsitz 26 der Ventilgehäuseausnehmung 14 fluiddicht
zusammenwirkt. In dem Schließkörper 16 ist
eine Durchgangsleitung 28 angeordnet, die unabhängig von
der Position des Schließkörpers 16 die
Fluideintrittsöffnung 20 mit
der Fluidaustrittsöffnung 22 hydraulisch
koppelt.
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Mittels
der Durchgangsleitung 28 kann unabhängig von der Position des Schließkörpers 16 mindestens
ein minimaler Fluiddurchsatz von der Fluideintrittsöffnung 20 zu
der Fluidaustrittsöffnung 22 erreicht
werden. Dieser minimale Fluiddurchsatz ist druckabhängig. Liegt
an der Fluideintrittsöffnung 20 ein
Druck an, der ausreicht, den Schließkörper gegen die Druckkraft an
der Fluidaustrittsöffnung 22 und
die Federkraft der Feder 18 derart zu bewegen, dass der Sitzbereich 24 von
dem Dichtsitz 26 der Ventilgehäuseausnehmung 14 abhebt,
so kann ein zusätzlicher Fluiddurchsatz
von der Fluideintrittsöffnung 20 zu
der Fluidaustrittsöffnung 22 erreicht
werden, dessen Größe insbesondere
von dem Abstand zwischen dem Sitzbereich 24 und dem Dichtsitz 26 der
Ventilgehäuseausnehmung 14 abhängt.
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Die
in der 2 dargestellte Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine
weist einen Kraftstofftank 40 auf, aus dem mittels einer
Vorförderpumpe 42 Kraftstoff
gefördert
wird. Die Vorförderpumpe 42 ist
mit Vorzug als Flügelzellenpumpe
ausgeführt.
Es kann jedoch auch eine andere Pumpenart, z. B. eine Zahnradpumpe
oder eine Gerotorpumpe für
die Vorförderung
verwendet werden. Die Vorförderpumpe 42 kann
mit einer nicht dargestellten Antriebswelle, die mit einer Motorwelle
der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, mechanisch angetrieben werden.
Alternativ ist es jedoch auch möglich,
eine elektrisch betriebene Vorförderpumpe
einzusetzen, wodurch eine Steuerung der Förderleistung der Vorförderpumpe 42 unabhängig von
der Förderleistung
weiterer Pumpen möglich
ist.
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Stromabwärts der
Vorförderpumpe 42 ist eine
Hochdruckpumpe 44 zur Förderung
des Kraftstoffs in einen Kraftstoffspeicher 46 angeordnet.
Der Kraftstoffspeicher 46 ist mit der Hochdruckpumpe 44 über eine
Kraftstoffspeicherzuleitung 54 hydraulisch gekoppelt. Die
Hochdruckpumpe 44 kann vorzugsweise als Radialkolbenpumpe
oder als Reihenkolbenpumpe mit mehreren Zylindereinheiten ausgebildet
sein, wie sie zum Einsatz in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen
bekannt sind.
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Der
Kraftstoffspeicher 46 ist des Weiteren mit einem Injektor
oder mehreren Injektoren hydraulisch gekoppelt. Jedem der Injektoren
ist ein Brennraum der Brennkraftmaschine zugeordnet und jeder kann
so angesteuert werden, dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt
wird. Durch die Hochdruckpumpe 44 kann der Kraftstoff,
der mittels der Injektoren in die Brennräume der Brennkraftmaschine
eingespritzt werden soll, einen hohen Einspritzdruck erreichen.
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Zwischen
der Vorförderpumpe 42 und
der Hochdruckpumpe 44 ist ein Volumenstromsteuerventil 50 angeordnet,
mit dem der Kraftstofffluss von der Vorförderpumpe 42 in die
Hochdruckpumpe 44 einstellbar ist. Mittels eines Drucksensors,
durch den der Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffspeicher 46 bestimmt werden
kann, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen, kann
das Volumenstromsteuerventil 50 so angesteuert werden,
dass eine niederdruckseitige Regelung des der Hochdruckpumpe 44 zugeführten Kraftstoffstroms
möglich ist.
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Stromabwärts der
Vorförderpumpe 42 und stromaufwärts des
Volumenstromsteuerventils 50 zweigen Spülleitungen 56 ab,
die in einem Pumpengehäuse 57 der
Hochdruckpumpe 44 angeordnet sind, so dass es möglich ist,
einen in dem Pumpengehäuse 57 angeordneten
Exzenterraum 58 während
des Betriebs mit Kraftstoff zu spülen. In dem Exzenterraum 58 sind
vorzugsweise Teile einer Antriebswelle und ein Exzenter der Hochdruckpumpe 44 angeordnet.
In einer alternativen Ausführungsform
der Hochdruckpumpe 44 kann der Exzenterraum 58 auch
als Kurbelwellenraum ausgebildet sein, in dem eine Kurbelwelle angeordnet
ist. Durch die Spülung
des Exzenterraums 58 mit Kraftstoff kann eine Kühlung und
Schmierung der Hochdruckpumpe 44 bewirkt werden. Der zu
Spülungszwecken verwendete
Kraftstoff kann anschließend
vom Pumpengehäuse 57 über eine
Spülrücklaufleitung 60 in den
Kraftstofftank 40 zurückgeführt werden.
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In
den Spülleitungen 56 sind
ein Spülleitungsventil 62 und
hydraulisch parallel dazu eine Spülleitungsdrossel 64 angeordnet.
Das Spülleitungsventil 62 und
die Spülleitungsdrossel 64 sind bevorzugt
zusammen in einer gemeinsamen Baueinheit 66 ausgebildet.
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Durch
das Spülleitungsventil 62 kann
der über
die Spülleitung 56 abzweigende
Kraftstoffstrom freigegeben werden, wenn ein vorgegebener Kraftstoffdruck
an der Ausgangsseite der Vorför derpumpe 42 überschritten
wird. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Spülung der
Hochdruckpumpe 44 erst dann einsetzt, wenn der Betriebsdruck
der Hochdruckpumpe 44 erreicht ist. Dies ist erforderlich,
da nur so sichergestellt werden kann, dass der Druckaufbau an der
Ansaugseite der Hochdruckpumpe 44 abgeschlossen werden
kann. Durch die Spülleitungsdrossel 64 kann
ein druckabhängig
minimaler Kraftstoffstrom durch die Spülleitung 56 sichergestellt werden.
Dieser minimale Kraftstoffstrom ist derart ausgelegt, dass er den
Druckaufbau an der Ansaugseite der Hochdruckpumpe 44 nicht
behindert.
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In
den 3 bis 5 ist ein Ausschnitt des Pumpengehäuses 57 mit
einer Ausnehmung 72 und einem Fluideintrittskanal 74 sowie
einem Fluidaustrittskanal 76 gezeigt. In der Ausnehmung 72 des Pumpengehäuses 57 ist
das Druckbegrenzungsventil 10 angeordnet, das eine Baueinheit
zusammen mit der als Spülleitungsdrossel
ausgebildeten Durchgangsleitung 28 bildet.
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In 3 ist
das Druckbegrenzungsventil 10 mittels einer Schraubverbindung 78 in
der Ausnehmung 72 des Pumpengehäuses 57 angeordnet,
so dass das Druckbegrenzungsventil 10 fest mit dem Pumpengehäuse 57 gekoppelt
ist.
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In
den 4 und 5 ist das Druckbegrenzungsventil 10 mittels
einer Presspassung 80 in der Ausnehmung 72 des
Pumpengehäuses 57 angeordnet.
Auch in diesen Ausführungsformen
ist das Druckbegrenzungsventil 10 fest mit dem Pumpengehäuse 57 gekoppelt.
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Im
Folgenden soll kurz die Funktion des Druckbegrenzungsventils 10 in
dem Pumpengehäuse 57 der
Hochdruckpumpe beschrieben werden:
Die Durchgangsleitung 28 ermöglicht einen
druckabhängigen
minimalen Fluiddurchsatz von dem Fluideintrittskanal 74 über die
Fluideintrittsöffnung 20 zu der
Fluidaustrittsöffnung 22 und
dem Fluidaustrittskanal 76 zu dem Exzenterraum 58.
Damit kann eine minimale Schmierung und Kühlung in dem Exzenterraum 58 erreicht
werden, solange im Startbetrieb der Brennkraftmaschine der Druckaufbau
an der Ansaugseite der Hochdruckpumpe 44 noch nicht abgeschlossen
ist (siehe auch 2). Falls nach dem Druckaufbau
an der Ansaugseite der Hochdruckpumpe 44 die Druckkraft
in dem Fluideintrittskanal 74 größer ist als die Summe der Druckkraft
an dem Fluidaustrittskanal 76 und der Federkraft der Feder 18, so
ist ein zusätzlicher
Fluiddurchsatz von dem Fluideintrittskanal 74 zu dem Exzenterraum 58 möglich, so
dass die für
den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine und damit der Hochdruckpumpe 44 erforderliche
Schmierung und Kühlung
in dem Exzenterraum 58 durchgeführt werden kann.
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- 10
- Druckbegrenzungsventil
- 12
- Ventilgehäuse
- 14
- Ventilgehäuseausnehmung
- 16
- Schließkörper
- 18
- Feder
- 20
- Fluideintrittsöffnung
- 22
- Fluidaustrittsöffnung
- 24
- Sitzbereich
- 26
- Dichtsitz
- 28
- Durchgangsleitung
- 40
- Kraftstofftank
- 42
- Vorförderpumpe
- 44
- Hochdruckpumpe
- 46
- Kraftstoffspeicher
- 50
- Volumenstromsteuerventil
- 54
- Kraftstoffspeicherzuleitung
- 56
- Spülleitung
- 57
- Pumpengehäuse
- 58
- Exzenterraum
- 60
- Spülrücklaufleitung
- 62
- Spülleitungsventil
- 64
- Spülleitungsdrossel
- 66
- Baueinheit
aus Spülleitungsventil/Spülleitungsdrossel
- 72
- Ausnehmung
des Pumpengehäuses
- 74
- Fluideintrittskanal
- 76
- Fluidaustrittskanal
- 78
- Schraubverbindung
- 80
- Presspassung
- L
- Längsachse