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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind Kraftstoffversorgungsanlagen für
Brennkraftmaschinen bekannt, die einen Niederdruckbereich und einen
Hochdruckbereich umfassen. Der Niederdruckbereich enthält
zum Beispiel eine Niederdruckpumpe und mindestens einen Kraftstofffilter,
der gefilterte Kraftstoff wird einer Hochdruckpumpe zugeführt,
welche das Einspritzsystem mit Kraftstoff versorgt.
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Das
System ist dabei so oft ausgelegt, dass insbesondere im Teillast-
oder Schubbetrieb von der Hochdruckpumpe ein höherer Volumenstrom
gefördert wird, als vom Einspritzsystem in die Brennräume abgegeben
wird. Der überschüssige Volumenstrom von Einspritzsystem
und Hochdruckpumpe wird über einen Rücklauf wieder
dem Kraftstoffbehälter zu geführt. Die für
die Kompression des Kraftstoffs aufgewendete Energie bleibt damit
ungenutzt.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 021 445 A1 ist ein Mengenregler
für Kraftstoffversorgungsanlagen bekannt, der ein Gehäuse
aufweist, in welchem ein Mengen-Begrenzungselement verschiebbar
angeordnet ist, welches durch Verschieben die Querschnittsfläche
eines Durchflusskanals verändert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffsystem so auszubilden,
dass es energieeffizient betrieben werden kann.
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Dies
wird durch ein Ventil gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil umfasst einen Zulauf,
einen Ablauf, eine Rohrleitung, eine in der Rohrleitung verschiebbar
angeordnete Hülse und eine Feder, welche ebenfalls in der
Rohrleitung angeordnet ist und eine entgegen der Durchflussrichtung gerichtete
Kraft auf die Hülse ausübt. Die Hülse
weist axial einen offenen Querschnitt auf, durch welchen Kraftstoff
hindurchfließen kann. Das Ventil weist weiter eine am Umfang
der Rohrleitung angeordnete Umgehungsöffnung auf, welche
in unbelastetem Zustand von der Hülse zumindest teilweise
verdeckt wird.
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Die
Hülse ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie gegenüber
den angrenzenden Bereichen der Rohrleitung teilweise einen geringeren
offenen Querschnitt aufweist. Die Hülse kann dadurch vorteilhaft als
Drossel wirken. Wird die Hülse von Flüssigkeit durchströmt,
wirkt aufgrund des Strömungswiderstandes eine vom Volumenstrom
abhängige Kraft in Durchströmungsrichtung auf
die Hülse. Die Federkraft der Feder wirkt dieser strömungsinduzierten Kraft
entgegen. Überschreitet die strömungsinduzierte
Kraft die Federkraft, wird die Hülse in Strömungsrichtung
bis zu dem Punkt verschoben, bei welchem ein Gleichgewicht der Kräfte
vorhanden ist. Durch das Verschieben der Hülse kann der
zuvor von der Hülse verdeckte Öffnungsquerschnitt
der Umgehungsöffnung freigegeben werden. Durch diese Umgehungsöffnung
kann somit ein Teil des Volumenstroms abfließen.
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In
einer Ausführungsform ist die Hülse als Drossel
ausgeführt. Hierzu wird vorteilhaft in einem Bereich der
Hülse der Strömungsquerschnitt in Durchflussrichtung
reduziert. Besonders vorteilhaft wird die Querschnittsverringerung
spiegelbildlich an beiden Enden der Hülse vorgesehen, um
keine Einbaurichtung vorgeben zu müssen.
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In
einer Ausführungsform ist der Umfang der Hülse über
ihre gesamte Länge geschlossen ausgeführt und
die Hülse so angeordnet, dass durch Verschieben der Hülse
in Strömungsrichtung die Umgehungsöffnung stromauf
der Hülse freigegeben wird.
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In
einer Ausführungsform weist die Hülse an ihrem
Umfang eine Öffnung auf. Die Öffnung ist dabei vorteilhaft
so positioniert, dass sie durch Verschieben der Hülse in
Durchflussrichtung mit der Umgehungsöffnung der Rohrleitung
in Überdeckung gebracht werden kann.
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In
einer Ausführungsform ist das Ventil Teil eines Kraftstoffkanals,
wobei der dem Ventil zugeordnete Teil der Rohrleitung durch einen
geraden Bereich mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt gebildet
wird, wobei der Bereich so ausgeführt ist, dass die Bestandteile
des Ventils von einer Seite eingefügt werden können.
Das Ventil kann dabei vorteilhaft in einem Guss- oder Spritzgussteil
aus Metall oder Kunststoff angeordnet sein, zum Beispiel in einem
Kraftstofffiltermodul.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Teil
der Kraftstoffleitung, in welchem das Ventil angeordnet ist, als
Senkbohrung in einen Kanal ausgeführt, welche den Querschnitt
des Kanals erweitert, wobei das Ende der Bohrung als Anschlag für
die Feder dient und am stromauf gelegenen Ende des für
das Ventil vorgesehenen Bereichs eine Aufnahme für ein
Sicherungsmittel vorgesehen ist. Die Aufnahme kann z. B. als Innengewinde oder
Nut ausgeführt sein.
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In
einer Ausführungsform ist der Durchmesser der Kraftstoffleitung über
die gesamte Länge des Ventils konstant. Ablaufseitig wird
das Ventil vorteilhaft von einem Absatz in Form einer Querschnittsverminderung
oder eines Sicherungsrings begrenzt, auf welchem sich die Feder
abstützt.
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In
einer Ausführungsform umfasst das Ventil ein Sicherungsmittel,
z. B. einen Sicherungsring, welcher in eine Nut eingebracht wird,
oder eine Hülse mit Außengewinde, welche in die
Rohrleitung eingeschraubt wird. Das Sicherungsmittel bildet stromauf der
Hülse einen Anschlag für die Hülse, um
diese am Herausfallen zu hindern.
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In
einer Ausführungsform ist die Hülse mit der Feder
verbunden, wodurch Hülse und Feder in einem Arbeitsschritt
montiert werden können. Die Verbindung erfolgt zum Beispiel
durch Verklemmen der Feder, beispielsweise auf der Außenseite
oder der Innenseite der Hülse.
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In
einer Ausführungsform ist das Sicherungsmittel mit der
Hülse verbunden, wodurch Sicherungsmittel und Hülse
in einem Arbeitsschritt montiert werden können. Die Verbindung
erfolgt zum Beispiel durch Verklemmen des Sicherungsmittels mit der
Hülse.
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In
einer Ausführungsform ist das Sicherungsmittel einstückig
mit der Hülse ausgeführt. Vorteilhaft wird bei
einer solchen Ausführungsform das Sicherungsmittel beim
Montagevorgang von der Hülse getrennt. Der das Sicherungsmittel
und die Hülse verbindende Querschnitt ist dabei besonders
vorteilhaft als Sollbruchstelle ausgeführt. Dies kann zum Beispiel
durch kleine Stege oder sehr dünne kreisringförmige
Verbindungsabschnitte realisiert sein.
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Vorteilhaft
sind zur Montage Feder, Hülse und Sicherungsmittel verbunden
und besonders vorteilhaft in einem Arbeitsgang montierbar. Bei der Montage
wird der Verbund in den Kanal eingeführt und mit dem Sicherungsmittel
(z. B. durch Einschnappen des Sicherungsrings oder Verschrauben der
Gewindehülse) fixiert. In einem nächsten Teil-Arbeitsschritt
kann anschließend durch ein weiteres Hineindrücken
der Hülse, z. B. mit einem Dorn, die Verbindung zwischen
Hülse und Sicherungsmittel gelöst werden.
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In
einer Ausführungsform ist die Hülse aus Kunststoff
im Spritgießverfahren hergestellt, besonders vorteilhaft
einstückig mit dem Sicherungsmittel.
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In
einer anderen Ausführungsform ist die Hülse aus
Metall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung oder Stahl gefertigt.
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In
einer Ausführungsform ist der Zulauf des Ventils mit dem
Rücklauf eines Kraftstoffeinspritzsystems (z. B. Rücklauf
der Einspritzventile oder Rücklauf des sog. Common rails)
und/oder dem Rücklauf der Kraftstoffhochdruckpumpe verbunden.
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In
einer Ausführungsform ist das Ventil in ein Kraftstofffiltermodul
integriert, wobei Ventilfeder, Hülse und Sicherungsmittel
in einen dafür vorgesehenen Teil eines Kraftstoffkanals
eingesetzt werden, wobei der Kraftstoffkanal in diesem Bereich Mittel
zum Abstützen der Feder (z. B. einen Absatz), einen konstanten
Durchmesser, in welchem die Hülse aufnehmbar ist, eine
Umgehungsöffnung und Mittel zur Aufnahme des Sicherungsmittels
(z. B. Nut zur Aufnahme eines Sprengrings oder Gewinde zur Aufnahme
einer einschraubbaren Hülse) aufweist.
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In
einer Ausführungsform ist die Umgehungsöffnung
des Ventils mit einem Rücklauf zum Kraftstofftank verbunden.
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In
einer Ausführungsform ist der Ablauf des Ventils mit dem
Zulauf eines Kraftstoffvorfilters oder dem Zulauf einer Niederdruckpumpe
verbunden.
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Die
Erfindung betrifft weiter ein Kraftstoffversorgungssystem für
Brennkraftmaschinen und ein Filtermodul für ein solches
Kraftstoffversorgungssystem, umfassend ein Ventil gemäß einer
der beschriebenen Ausführungsformen sowie eine Hoch- und eine
Niederdruckpumpe, einen Vorfilter und einen Hauptfilter.
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Das
erfindungsgemäße Ventil hat den Vorteil, dass
auf günstige Weise ein volumenstromgeregeltes Umgehungsventil
realisiert wird. Dieses ermöglicht es, den die Hülse
durchfließenden Volumenstrom auf einen bei der Auslegung
festgelegten Wert zu beschränken. Wird der Ablauf des Ventils
mit dem Zulauf von Vorfilter oder Niederdruckpumpe verbunden, kann
der rückgeführten Volumenstrom auf einen Maximalwert
beschränkt werden. Dadurch wird erreicht, dass dem System
neben dem erhitzten Volumenstrom, welcher von Hochdruckpumpe oder
Einspritzsystem zurückgeführt wird auch kontinuierlich ein
kühlerer Teilvolumenstrom aus dem Kraftstofftank zugeführt
wird. Damit verbleibt einerseits ein möglichst großer
Teil der für die Kompression des Kraftstoffs aufgewendeten
Energie im System, wobei gleichzeitig ein Überhitzen des
Kraftstoffversorgungssystems verhindert wird.
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Wird
z. B. bei Schubbetrieb der Brennkraftmaschine ein hoher Volumenstrom
von Hochdruckpumpe und/oder Einspritzsystem rückgeführt,
kann der rückgeführte Volumenstrom schnell einen
Maximalwert übersteigen. Sobald dieser Maximalwert am Ventil
erreicht wird, öffnet das Ventil die Umgehungsöffnung
und ein Teil des Volumenstroms kann in den Vorratsbehälter
abfließen. Liegt der rückgeführte Volumenstrom
unter dem Maximalwert, wird er vollständig über
den Ablauf des Ventils dem Vorfilter oder der Niederdruckpumpe zugeführt.
Liegt der rückgeführte Volumenstrom über
dem Maximalwert, wird nur der maximal zulässige Volumenstrom
rückgeführt.
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Die
einfache Ausführung einer Ausgestaltung des Ventils erlaubt
vorteilhaft in einem Arbeitsgang die Montage der Einzelteile von
einer Seite aus. Durch die Anordnung des Ventils in einem bestehenden
Teil der Kraftstoffleitung entstehen keine Kosten für den
Ventilkörper und kein zusätzlicher Bauraumbedarf.
Für die Integration des Ventils sind lediglich z. B. eine
Senkbohrung, ein zusätzliches Innengewinde sowie eine Verbindungsöffnung
zwischen Kraftstoffleitung und Ablauf nötig. Durch eine
Standardisierung der Außenmaße des Ventils mit
der Kombination von Federn unterschiedlicher Federkonstante und Hülsen
mit unterschiedlichem Durchflussquerschnitt lässt sich
ein standardisiertes, an die jeweiligen Einsatzbedingungen anpassbares
Standard-Konstruktionselement realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a zeigt
eine Ausführungsform eines Ventils mit geschlossener Umgehungsöffnung.
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1b zeigt
eine Ausführungsform eines Ventils mit offener Umgehungsöffnung.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Ventils mit geschlossener
Umgehungsöffnung.
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3 zeigt
schematisch einen Teil des Kraftstoffversorgungssystems einer Brennkraftmaschine.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des Ventils.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1a +
b zeigen ein erfindungsgemäßes Ventil, wobei in 1a das
Ventil mit geschlossener Umgehungsöffnung und 1b das
Ventil mit offener Umgehungsöffnung gezeigt ist. Das Ventil 1 umfasst
einen geraden, rohrförmigen Teil der Kraftstoffleitung 2,
welcher gegenüber dem stromabwärts gelegenen Teil
der Leitung einen größeren Querschnitt aufweist,
einen Zulauf 8 und einen Ablauf 9, sowie eine
Ventilfeder 3 und eine Hülse 4, welche
in die Kraftstoffleitung eingeschoben werden. Die Hülse weist
in einem Bereich einen in Strömungsrichtung kleiner werdenden
Querschnitt auf. Das Ventil umfasst weiter ein Sicherungselement 5,
welches stromauf der Hülse in die Kraftstoffleitung eingeschraubt
ist und die Hülse am Herausrutschen hindert. Abzweigend
von der Kraftstoffleitung ist eine Umgehungsöffnung 6 angeordnet,
deren Öffnung in 1a von
der Hülse verdeckt wird.
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Wird
die Hülse von einem Fluid durchströmt, entsteht
ein dynamischer Druck, durch welchen die Hülse entgegen
der Kraft der Feder 3 in Strömungsrichtung 7 verschoben
wird.
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In 1b ist
die auf diese Weise um einen Weg s verschobene Hülse dargestellt,
die einen Teil der Umgehungsöffnung 6 freigibt,
wodurch ein Teil des Volumenstroms durch die Umgehungsöffnung 6 abfließt.
Die Montage von Feder, Hülse und Sicherungselement erfolgt
von einer Seite.
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2 zeigt
analog zu 1 ein erfindungsgemäßes
Ventil, mit einem Sicherungsring als Sicherungselement 5 und
mit einer Hülse 4, welche einen zur ihrer senkrechten
Mittelebene spiegelsymmetrischen Querschnittsverlauf aufweist.
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3 zeigt
schematisch die Anordnung eines erfindungsgemäßen
Ventils in einem Kraftstoffversorgungssystem 100. Das Ventil 1 ist
in einem Filtermodul 101 angeordnet, welches weiter einen
Vorfilter 102, eine Niederdruckpumpe 103, einen
Hauptfilter 104 und eine Hochdruckpumpe 105 umfasst. Der
Zulauf des Vorfilters 102 und die Umgehungsöffnung 6 des
Ventils 1 sind jeweils mit einem Vorratsbehälter 106 verbunden.
Der Zulauf 8 des Ventils 1 ist mit dem Rücklauf 107 der
Hochdruckpumpe 105 sowie mit dem Rücklauf 108 des
Hochdruckeinspritzsystems 109 verbunden. Wird z. B. bei
Schubbetrieb der Brennkraftmaschine ein hoher Volumenstrom von Hochdruckpumpe 105 und
Einspritzsystem 109 rückgeführt, kann
der rückgeführte Volumenstrom schnell einen Maximalwert übersteigen.
Sobald dieser Maximalwert am Ventil 1 erreicht wird, öffnet
das Ventil die Umgehungsöffnung 6 und ein Teil
des Volumenstroms kann in den Vorratsbehälter 106 abfließen.
Liegt der rückgeführte Volumenstrom unter dem Maximalwert,
wird er vollständig über den Ablauf 9 des
Ventils 1 dem Vorfilter 102 zugeführt.
Liegt der rückgeführte Volumenstrom über
dem Maximalwert, wird nur der maximal zulässige Volumenstrom
rückgeführt.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Ventils. Bei dieser
weist die Hülse 4 an ihrem Umfang eine Öffnung 11 auf.
Die Öffnung 11 ist dabei so positioniert, dass
sie durch Verschieben der Hülse 4 in Durchflussrichtung
mit der Umgehungsöffnung 6 der Rohrleitung in Überdeckung
gebracht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0004]