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Stand der Technik
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Bei Förderaggregaten so zum Beispiel bei Zahnradpumpen werden in der Regel Überdruckventile eingesetzt, um auftretende Überdrücke auf der Druckseite der Pumpe zu begrenzen.
DE 44 41 505 A1 bezieht sich auf eine Kraftstoffförderpumpe für eine Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen. Diese umfasst ein in einer Pumpenkammer rotierend angetriebenes Paar miteinander kämmender Zahnräder. Diese fördern Kraftstoff aus einem mit einem Vorratstank verbundenen Ansaugraum entlang einem zwischen der Stirnfläche der Zahnräder und der Umfangswand der Pumpkammer gebildeten Förderkanal in einen mit der Kraftstoffeinspritzpumpe verbundenen Druckraum. Des Weiteren umfasst die Kraftstoffförderpumpe einen den Ansaugraum mit dem Druckraum verbindenden Bypasskanal, der mittels eines darin angeordneten Druckventils aufsteuerbar ist. Der das Druckventil aufnehmende Bypasskanal ist in das Gehäuse der Kraftstoffförderpumpe integriert. Das Druckventil ist über eine Öffnung in das Gehäuse der Kraftstoffförderpumpe einsetzbar, die zugleich dem Anschluss einer zur Kraftstoffförderpumpe oder einer von dieser abführenden Kraftstoffeinleitung als Anschlussöffnung dient.
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Der Druckseite solcher Zahnradpumpen nachgeschaltete Systemkomponenten, wie zum Beispiel Filter oder dergleichen, sind auf einen bestimmten Höchstdruck, der auf der Druckseite der Pumpe herrscht, ausgelegt. Kommt es zu einem Überschreiten dieses Höchstdruckes treten Schäden an diesem Komponenten auf. Treten an dem Förderaggregat funktionsbedingt Druckspitzen auf, so kommt es bei derzeit eingesetzten konventionellen Ventilen funktionsbedingt zu kleinen Leckagen sowie sich stetig einstellendem Verschleiß auf Grund von Mikrobewegungen.
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Darstellung der Erfindung
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, weist ein Ventil, welches insbesondere als Überdruckventil eingesetzt wird, eine digitale Ventilcharakteristik auf. Dies bedeutet, dass nach Erreichen eines bestimmten Öffnungsdrucks das Ventil plötzlich vollständig öffnet. Ist das Ventil mit digitaler Ventilcharakteristik als Überdruckventil in ein Förderaggregat wie zum Beispiel einer Zahnradpumpe eingebaut, ergibt sich ein interner Bypass innerhalb des Förderaggregates, so dass ein weiterer Druckaufbau auf der Druckseite des Förderaggregates verhindert wird. Der Vorteil, der mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einhergeht, – gegenüber konventionellen Ventilen – liegt darin, dass bei einem bestimmten Maximaldruck, der Öffnungsdruck eines Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik deutlich höher liegt, im Vergleich zu Öffnungsdrücken, die mit konventionellen Ventilen zu erreichen sind. Wird bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil mit digitaler Ventilcharakteristik eine Druckfeder eingesetzt, so kann nach Abfallen des Druckes unter dem Öffnungsdruck ein sofortiges Wiederverschließen des Ventils erreicht werden.
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Wird das Ventil mit digitaler Ventilcharakteristik zum Beispiel in einer Zahnradpumpe oder einem Förderaggregat eingesetzt, so kann dies in vorteilhafter Weise im Pumpengehäuse in einer Verbindungsbohrung zwischen der Saug- und der Druckseite des Förderaggregates erfolgen. Auch eine bestehende Leitungsverbindung kann zum Unterbringen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik ausgewählt werden. Diese Verbindung, sei es die Verbindungsbohrung, sei es die separate Leitung, wird durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventil mit digitaler Ventilcharakteristik verschlossen.
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In einer ersten, möglichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakterisitk kann der Ventilkörper zum Beispiel kugelförmig ausgebildet werden. Der kugelförmig ausgebildete, als Schließelement dienende Ventilkörper wird mittels einer Druckfeder gegen den Ventilsitz gedrückt. In vorteilhafter Weise ist in dieser Ausführungsvariante der Ventilsitz komplementär zur sphärischen Geometrie des kugelförmig ausgebildeten Schließelementes ausgebildet. Der Ventilsitz kann zum Beispiel als Hülse ausgebildet sein, wobei diese Hülse insbesondere permanentmagnetische Eigenschaften aufweist. In vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik weist der kugelförmig ausgebildete Ventilkörper ferromagnetische Eigenschaften auf, und wird demnach von dem magnetisiert ausgebildeten hülsenförmigen Ventilsitz angezogen Die erforderliche Kraft zum Öffnen des Ventils muss demnach mindestens der Vorspannkraft der Feder entsprechen, die das kugelförmig ausgebildete ferromagnetische Ventilelement in den Ventilsitz drückt, sowie der Haltekraft des Magneten, d. h. der magnetisiert ausgeführten Hülse.
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In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakterisitk kann das Schließelement plättchenförmig ausgebildet sein. In dieser Ausführungsvariante als Flachsitz ist der als Plättchen ausgebildete Ventilkörper mit ferromagnetischen Eigenschaften versehen und verschließt einen als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz. Der Ventilsitz umfasst analog zur ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik, eine magnetisierte Hülse, die den plättchenförmig ausgebildeten Ventilkörper mit ferromagnetischen Eigenschaften anzieht.
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Im Vergleich zu konventionell ausgebildeten Ventilen liegt, ausgehend von einem bestimmten limitierenden Maximaldruck, der Öffnungsdruck eines Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik deutlich höher als der Öffnungsdruck eines vergleichbaren konventionellen Ventils. Während die Fördermenge des Förderaggregates auf der Druckseite beim Erreichen des Öffnungsdrucks bei einem konventionellen Ventil kontinuierlich abfällt, bleibt die Fördermenge des Förderaggregates bis zum Erreichen des Öffnungsdruckes eines Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik konstant, ehe dieses sich schlagartig komplett öffnet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehenden eingehender beschrieben.
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Es zeigen:
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1 die Lage des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakteristik in einem Hydrauliksystem,
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2 eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils,
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3 eine weitere, zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakterisitk,
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4 Die erforderliche Kraft zum Öffnen eines Ventils mit magnetisiertem Ventilsitz und ferromagnetischen Schließelement anhand einer Kennlinie und
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5 die Ventilkennlinien eines Ventils mit digitale Ventilcharakteristik des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils, sowie eines konventionellen Ventils, anhand der Fördermenge des Förderaggregates aufgetragen über den Druckverlauf.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Lage des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit digitaler Ventilcharakterisitk innerhalb eines Hydrauliksystems.
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Aus Gründen der Vereinfachung ist als Hydrauliksystem ein Förderaggregat 10 dargestellt, zum Beispiel eine Zahnradpumpe oder einer Kolbenpumpe oder dergleichen. Deren Saugseite ist durch Bezugszeichen 12 kenntlich gemacht, während eine Druckseite des Förderaggregates 10 gemäß der Darstellung in 1 mit Bezugszeichen 14 belegt ist. Zwischen der Saugseite 12 und der Druckseite 14 des Förderaggregates 10 erstreckt sich eine Bypass 16, der als eine separate Leitung oder als eine Verbindungsbohrung innerhalb des Gehäuses des Förderaggregates 10 ausgebildet sein kann. Innerhalb dieses Bypasses 16, sei es Verbindungsbohrungsgehäuse, sei es eine separate Leitung, ist ein Überdruckventil 18 angeordnet, welches erfindungsgemäß als Ventil mit digitaler Ventilcharakterisitk ausgeführt ist.
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2 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils mit einer digitalen Öffnungs- bzw. Schließungscharakteristik.
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Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass das Ventil 18, bei dem es sich insbesondere um ein Druckbegrenzungsventil für ein hydraulisches System sowie zum Beispiel eine Vorförderpumpe 10 eines Hochdruckspeichereinspritzsystem handelt, verwirklicht ist. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass ein Schließelement 20 des Ventils 18, insbesondere eines Druckbegrenzungsventils 18 kugelförmig ausgestaltet ist. Das in der Ausführungsvariante gemäß 2 kugelförmig beschaffene Schließelement 20 ist durch ein Federelement 22 beaufschlagt. Ein Ventilsitz 24 ist in der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung als Kugelsitz beschaffen. Das kugelförmig ausgebildete Schließelement 20 weist insbesondere ferromagnetische Eigenschaften auf. Das kugelförmig ausgebildete Schließelement 20 gemäß der ersten Ausführungsvariante in 2 wirkt mit einem hülsenförmig ausgebildeten Ventilsitz 24, der in der Ausführungsvariante gemäß 2 als Kugelsitz ausgebildet ist, zusammen. Der Ventilsitz 24 ist in der Ausführungsvariante gemäß 1 als eine insbesondere magnetisierte Hülse 28 ausgeführt. Die magnetisierte Hülse 28 wirkt als Permanentmagnet, wobei deren Stirnseite, die dem kugelförmig ausgebildeten Schließelement 20 zuweist, komplementär zur sphärischen Kontur des kugelförmigen Schließelements 20 ausgebildet ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante des Ventilsitzes 24 ist die Stirnseite der magnetisierten Hülse 28, die dem kugelförmig ausgebildeten Schließelement 20 zuweist, als Kugelsitz ausgebildet, d. h. komplementär zur sphärischen Kontur des Schließelementes 20 gerundet.
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Der Darstellung gemäß 3 ist eine weitere, zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils zu entnehmen.
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Das insbesondere im Bypass 16 gemäß 1 angeordnete Ventil 18, welches insbesondere als Druckbegrenzungsventil für das Förderaggregat 10 dient, weist in der zweiten, in 3 dargestellten Ausführungsvariante ein Ventilelement 20 auf, welches plattenförmig ausgebildet ist oder eine flache Fläche aufweist, die mit einer magnetisierten Hülse 28 einen als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz 24 darstellt.
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Auch in der weiteren zweiten Ausführungsvariante gemäß 3 ist das Schließelement 20 aus einem Material gefertigt, welches ferromagnetische Eigenschaften aufweist. Analog zur ersten, in 2 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, ist das in der Darstellung gemäß 3 plättchen- oder plattenförmig ausgebildete Ventilelement 20 durch eine Anstellfeder 22 beaufschlagt. Die Anschlagfeder 22 kann – wie in den 2 und 3 angedeutet – als Spiralfeder ausgebildet sein, es können jedoch auch Blattfedern oder Tellerfedern oder andere Vorspannelemente eingesetzt werden.
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Der Darstellung gemäß 3 ist zu entnehmen, dass in einen Ventilkörper 36 des Ventils 18 die magnetisierte Hülse 28 eingelassen ist. Die dem aus einem magnetisierbaren Werkstoff gefertigten Schließelement 20 zuweisende Stirnseite der magnetisierenden Hülse 28 ist plan ausgebildet, so dass sich zwischen der Unterseite des ferromagnetische Eigenschaften aufweisenden Schließelementes 20 und der diesem zuweisenden Stirnseite der magnetisierte Hülse 28 ein als Flachsitz ausgebildeter Ventilsitz 24 ergibt.
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Das in der in 3 dargestellten weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung dargestellte Schließelement 20 ist in Form eines Plättchen 34 ausgebildet, dessen Sitzfläche 30 plan ausgebildet ist, im Gegensatz zu Sitzfläche 30, der in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante des Ventilsitzes 24, welche eine sphärische Kontur aufweisendes Schließelement 20 umfasst.
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Der Darstellung gemäß 4 ist ein Verlauf der Magnetkraft, aufgetragen über den Weg des zu bewegenden Schließelementes, zu entnehmen.
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Mit Bezugszeichen 40 ist die Kennlinie der Kraft bezeichnet, die sich aus der magnetischen Haltekraft zwischen der als Permanentmagnet ausgebildeten magnetischen Hülse 28 und dem ferromagnetisch ausgebildeten Ventilkörper 20, sowie der Federkraft des Federelements 22 zusammensetzt. Ausgehend von einem Weg x = 0 stellt sich eine Kraft FÖffnung,min ein, die zur Öffnung des Ventilssitzes 24, sei er als Kugelsitz oder als Flachsitz beschaffen, erforderlich ist. Bei x = 0, d. h im Ventilsitz 24 ruhenden Schließelement 20 ist die Haltekraft des Magneten, d. h. der magnetisierenden Hülse 28, durch FM gekennzeichnet. Mit FFe ist die Vorspannkraft bezeichnet, die durch das Federelement 22 aufgebracht wird. Die erforderliche Kraft Fmin setzt sich demnach aus der Haltekraft FM des Magneten d. h. der magnetisierten Hülse 28, zuzüglich der durch das Federelement 22 aufgebrachten Vorspannkraft zusammen.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass durch die Überlagerung der Kennlinie 42 der Haltekraft der magnetisierten Hülse 28 und mit der Kennlinie 38 der Anstellfeder 22 sich eine Kennlinie 40 einstellt, welche die Kräfte FM und FFe der Kennlinienverläufe 38 und 42 in einer gemeinsamen Kennlinie 40 zusammenfasst.
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5 ist die sich mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einstellende Ventilcharakteristik des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventils zu entnehmen.
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In der Darstellung gemäß 5 ist die Fördermenge der Fluidpumpe über dem Systemdruck am Pumpenausgang aufgetragen.
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5 zeigt, dass ein konventionelles Ventil bei einem Öffnungsdruck p1 sich allmählich öffnet. Es stellt sich ein Öffnungsdruckverlauf 44 ein, wobei sich zwischen den aufgetragenen Drücken p1 und p2, eine Druckdifferenz Δ p einstellt. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil, stellt sich ein schlagartiges vollständiges Öffnen bei einem Öffnungsdruck p2 ein, der den Öffnungsdruck p1 eines konventionellen Ventils erheblich übersteigt. Bei Erreichen des Öffnungsdruckes p2 bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil 18 stellt sich ein schlagartiges vollständiges Öffnen des Ventilsitzes 24, sei er als Kugelsitz, sei er als Flachsitz beschaffen. Dies bedeutet, dass sich bei Erreichen des Öffnungsdruckers p2 unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilsitzes 24 der vollständige Volumenstrom Q ohne eine weitere Druckerhöhung durch den geöffneten Ventilsitz 24 strömen kann.
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Aus dem Diagramm gemäß 5 lässt sich somit entnehmen, dass bei einem gegebenen limitierenden Maximaldruck der Öffnungsdruck p2 bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventil wesentlich höher liegt, als der Öffnungsdruck p1 bei bisher eingesetzten Ventilen 18. Damit kann der Systemdruck im Normalbetrieb bei gleichem Maximaldruck angehoben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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