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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Druckbegrenzungsventil gerichtet und insbesondere auf ein mehrstufiges Druckbegrenzungsventil.
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Hintergrund
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Viele unterschiedliche Brennstoffsysteme werden verwendet, um Brennstoff in die Brennkammern eines Motors einzuleiten. Eine Art eines Brennstoffsystems ist als das Common-Rail-System bekannt. Ein typisches Common-Rail-Brennstoffsystem bzw. System mit gemeinsamer Druckleitung verwendet ein oder mehrere Pumpmechanismen, um Brennstoff unter Druck zu setzen und den unter Druck gesetzten Brennstoff zu einer gemeinsamen Sammelleitung zu leiten, die auch als die Common-Rail bekannt ist. Einzelne Einspritzvorrichtungen ziehen unter Druck gesetzten Brennstoff aus der Common-Rail und spritzen ein oder mehrere Brennstoffschüsse pro Zyklus in die Brennkammern ein. Um den Motorbetrieb zu optimieren, wird der Brennstoff innerhalb der Rail innerhalb eines erwünschten Druckbereiches durch die präzise Steuerung der Pumpmechanismen gehalten.
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Es können Situationen auftreten, in denen diese präzise Steuerung unterbrochen wird, Druckfluktuationen oder Druckspitzen auftreten oder verschiedene Teile des Brennstoffsystems versagen. In diesen Situationen gibt es eine Möglichkeit, dass Brennstoffdrücke innerhalb der Common-Rail Niveaus erreichen können, die das Potenzial haben, die Komponenten des Brennstoffsystems zu schädigen. Ein Weg zum Schutz der Common-Rail vor solch übermäßig großen Drücken ist es, selektiv Brennstoff aus der Common-Rail zu ziehen, wenn der Druck des Brennstoffes innerhalb dieser einen vorbestimmten maximalen Schwellenwert überschreitet. Wenn jedoch zu viel Brennstoff abgeleitet wird, kann der Druck des Brennstoffes innerhalb der Common-Rail unter einen gewissen minimalen Druck abfallen, bei dem die Brennstoffeinspritzvorrichtungen und der Motor fähig sind, weiter in zumindest einem eingeschränkten Betriebszustand oder in einem ”Notlaufbetriebszustand” (limp home mode) arbeiten kann, und der Motor abschalten kann. Wenn der Motor plötzlich abschaltet, kann die Maschine, der Lastwagen oder eine andere Einrichtung, die der Motor antreibt, in einem unerwünschten Zustand, an einer unerwünschten Position oder Stelle zurückgelassen werden. Abhängig von dem Problem oder den Problemen, die zu dem übermäßigen Druck innerhalb des Brennstoffsystems führen, kann die Rate, mit der der Brennstoff aus der Common-Rail abgelassen werden muss, um den minimalen Druck aufrecht zu erhalten, variieren.
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Das offenbarte Druckbegrenzungsventil ist darauf gerichtet, ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme oder andere Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist ein Druckbegrenzungsventil einen Körper, ein Ventilglied und ein elastisches Glied auf. Der Körper weist eine Führungsbohrung, eine Sitzfläche, einen Einlass, einen ersten Auslass und einen zweiten Auslass auf. Das Ventilglied ist in zumindest einem Teil des Körpers aufgenommen und weist einen Führungsteil auf, der verschiebbar innerhalb der Führungsbohrung aufgenommen ist, einen Ventilsitz, der konfiguriert ist, um in dichtender Weise mit der Sitzfläche in Eingriff zu kommen, und einen inneren Durchlass. Das elastische Glied ist zwischen dem Körper und dem Ventilglied angekoppelt bzw. eingesetzt und spannt den Ventilsitz des Ventilgliedes in Eingriff mit der Sitzfläche des Körpers vor. Das Ventilglied ist bewegbar zwischen einer ersten Position, in der der Ventilsitz dichtend mit der Sitzoberfläche in Eingriff ist und der Einlass strömungsmittelmäßig vom ersten Auslass und vom zweiten Auslass abgeblockt ist, einer zweiten Position, in der der Ventilsitz außer Eingriff mit der Sitzfläche ist und der Einlass strömungsmittelmäßig mit dem ersten Auslass, jedoch nicht mit dem zweiten Auslass gekoppelt bzw. verbunden ist, und einer dritten Position, in der der Einlass strömungsmittelmäßig mit dem ersten Auslass verbunden ist und der innere Durchlass des Ventilgliedes strömungsmittelmäßig den Einlass mit dem zweiten Auslass verbindet.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist ein Verfahren zum selektiven Leiten eines Strömungsmittels aus einer ersten Quelle mit einem ersten Druck zu einer zweiten Quelle mit einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste Druck, den Schritt auf, ein Ventilglied an einer ersten Position zu halten, an der ein Einlass, der strömungsmittelmäßig mit der ersten Quelle verbunden ist, strömungsmittelmäßig von einem ersten Auslass abgeblockt ist, der strömungsmittelmäßig mit der zweiten Quelle verbunden ist, bis der erste Druck eine erste Druckschwelle erreicht. Das Verfahren weist auch den Schritt auf, das Ventilglied zu einer zweiten Position zu bewegen, in der der Einlass strömungsmittelmäßig mit dem ersten Auslass verbunden ist, wenn der erste Druck die erste Druckschwelle erreicht. Das Verfahren weist auch den Schritt auf, das Ventilglied von der zweiten Position zu einer dritten Position zu bewegen, in der der Einlass strömungsmittelmäßig mit dem ersten Auslass und einem zweiten Auslass, der vom ersten Auslass getrennt ist, verbunden ist und strömungsmittelmäßig mit der zweiten Quelle verbunden ist, wenn ein Druck, der auf das Ventilglied wirkt, eine zweite Druckschwelle erreicht.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist ein Common-Rail-Brennstoffsystem eine Hochdruckbrennstoffpumpe, eine Common-Rail bzw. gemeinsame Druckleitung, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung und ein Druckbegrenzungsventil auf. Die Hochdruckbrennstoffpumpe ist so konfiguriert, dass sie strömungsmittelmäßig mit einer Brennstoffquelle verbunden ist. Die Common-Rail ist strömungsmittelmäßig mit der Hochdruckpumpe verbunden. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung ist strömungsmittelmäßig mit der Common-Rail verbunden. Das Druckbegrenzungsventil ist strömungsmittelmäßig mit der Common-Rail verbunden und weist einen Körper, ein Ventilglied und ein elastisches Glied auf. Der Körper weist eine Führungsbohrung, einen Einlass, einen ersten Auslass und einen zweiten Auslass auf. Die Führungsbohrung weist ein erstes Ende und ein zweites Ende gegenüberliegend zum ersten Ende auf. Der erste Auslass ist strömungsmittelmäßig mit dem zweiten Ende der Führungsbohrung verbunden und ist so konfiguriert, dass er mit einem Ablauf verbunden ist. Der zweite Auslass ist so konfiguriert, dass er strömungsmittelmäßig mit dem Ablauf verbunden ist, und er ist strömungsmittelmäßig mit der Führungsbohrung an einer Stelle zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende verbunden. Der Einlass ist strömungsmittelmäßig mit der Common-Rail und der Führungsbohrung an einer Stelle zwischen dem ersten Auslass und dem zweiten Auslass verbunden. Das Ventilglied ist in zumindest einem Teil des Körpers aufgenommen und weist einen Führungsteil auf, der verschiebbar innerhalb der Führungsbohrung aufgenommen ist, weiter einen ausgenommenen Teil, einen Ventilsitz, der konfiguriert ist, um dichtend mit dem zweiten Ende der Führungsbohrung in Eingriff zu kommen und einen inneren Durchlass, der sich vom vorderen Ende des Ventilsitzes zum Führungsteil erstreckt. Das elastische Glied spannt das Ventilglied zum zweiten Ende der Führungsbohrung hin vor. Das Ventilglied ist bewegbar zwischen einer ersten Position, in der der Ventilsitz des Ventilgliedes dichtend mit dem zweiten Ende der Führungsbohrung in Eingriff kommt und der Einlass strömungsmittelmäßig vom ersten Auslass und vom zweiten Auslass abgeblockt ist, einer zweiten Position, in der der Ventilsitz außer Eingriff mit dem zweiten Ende der Führungsbohrung ist und der Einlass strömungsmittelmäßig mit dem ersten Auslass, jedoch nicht mit dem zweiten Auslass verbunden ist, und einer dritten Position, in der der Einlass strömungsmittelmäßig mit dem ersten Auslass verbunden ist, und der innere Durchlass des Ventilgliedes strömungsmittelmäßig den Einlass mit dem zweiten Auslass verbindet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Druckbegrenzungsventils gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wobei das Druckbegrenzungsventil in einer geschlossenen Position gezeigt ist.
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3 ist eine schematische Darstellung des Druckbegrenzungsventils der 2, welches in einer zweiten Position gezeigt ist.
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4 ist eine schematische Darstellung des Druckbegrenzungsventils der 2, welches in einer dritten Position gezeigt ist.
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Obwohl die Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen oder Merkmale der vorliegenden Offenbarung abbilden, sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise im Maßstab, und gewisse Merkmale können übertrieben sein, um eine bessere Darstellung oder Erklärung vorzusehen. Die beispielhaften Darstellungen, die hier gezeigt sind, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen oder Merkmale, und solche beispielhaften Darstellungen sollen nicht als in irgendeiner Weise einschränkend für den Umfang der Erfindung angesehen werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Es wird nun im Detail auf spezielle Ausführungsbeispiele oder Merkmale Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Im Allgemeinen werden die gleichen oder entsprechende Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf gleiche oder entsprechende Teile zu beziehen.
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Im Allgemeinen mit Bezug auf 1 ist ein Brennstoffsystem 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das Brennstoffsystem 10 ist ein System von Komponenten, die zusammenarbeiten, um Brennstoff (beispielsweise Diesel, Benzin, Schwerbrennstoff und so weiter) von einer Stelle, wo Brennstoff gelagert wird, zu der Brennkammer (den Brennkammern) eines Motors 12 zu liefern, wo er verbrennen wird und wo die von dem Verbrennungsprozess abgegebene Energie vom Motor 12 aufgenommen wird und verwendet wird, um eine mechanische Leistungsquelle zu erzeugen. Obwohl es in 1 als ein Brennstoffsystem für einen Dieselmotor abgebildet ist, kann das Brennstoffsystem 10 das Brennstoffsystem von irgendeiner Art eines Motors sein (beispielsweise eines Verbrennungsmotors wie eines Motors für gasförmigen Brennstoff oder eines Benzinmotors, einer Turbine und so weiter). Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Brennstoffsystem 10 einen Tank 14, eine Transferpumpe 16, eine Hochdruckpumpe 18, eine Common-Rail bzw. gemeinsame Druckleitung 20, Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22 und ein elektronisches Steuermodul (ECM = electronic control module) 24 und ein Druckbegrenzungsventil 26 auf.
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Der Tank 14 ist ein Lagerbehälter oder eine Strömungsmittelquelle, die den Brennstoff speichert, welchen das Brennstoffsystem 10 liefern wird. Die Transferpumpe 16 pumpt Brennstoff vom Tank 14 und liefert ihn mit einem im Allgemeinen niedrigen Druck zur Hochdruckpumpe 18. Die Hochdruckpumpe 18 bringt wiederum den Brennstoff auf einen hohen Druck und liefert den Brennstoff zur Common-Rail 20. Die Common-Rail 20, die auf dem hohen Druck, der von der Hochdruckpumpe 18 erzeugt wurde, gehalten werden soll, dient als die Quelle für Hochdruckbrennstoff (beispielsweise Strömungsmittelquelle) für jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22 sind innerhalb des Motors 12 an einer Position gelegen, die es ermöglicht, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22 Hochdruckbrennstoff in die Brennkammern des Motors 12 (oder in einigen Fällen in Vorkammern oder Anschlüsse stromaufwärts der Brennkammern) einspritzen und im Allgemeinen als Zumessvorrichtungen dienen, die steuern, wann Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt wird, wie viel Brennstoff eingespritzt wird, und die Art und Weise, in der der Brennstoff eingespritzt wird (beispielsweise den Winkel des eingespritzten Brennstoffes, das Sprühmuster und so weiter). Jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 22 wird kontinuierlich mit Brennstoff von der Common-Rail 20 versorgt, so dass irgendwelcher Brennstoff, der von der Brennstoffeinspritzvorrichtung 22 eingespritzt wird, schnell durch zusätzlichen Brennstoff ersetzt wird, der von der Common-Rail 20 geliefert wird. Das elektronische Steuermodul 24 ist ein Steuermodul, welches mehrere Eingangssignale von Sensoren aufnimmt, die mit verschiedenen Systemen des Motors 12 assoziiert sind (einschließlich des Brennstoffsystems 10) und die die Betriebsbedingungen dieser verschiedenen Systeme anzeigen (beispielsweise den Common-Rail-Brennstoffdruck, die Brennstofftemperatur, die Drossel- bzw. Gaspedalposition, die Motordrehzahl und so weiter). Das elektronische Steuermodul 24 verwendet diese Eingangsgrößen, um unter Anderem Motorkomponenten, den Betrieb der Hochdruckpumpe 18 und jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22 zu steuern. Der allgemeine Zweck des Brennstoffsystems 10 ist es, sicherzustellen, dass der Brennstoff konstant zum Motor 12 in geeigneten Mengen, zu den richtigen Zeitpunkten und in der richtigen Weise geliefert wird, um den Betrieb des Motors 12 zu unterstützen.
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Nun mit Bezug auf 2 ist das Druckbegrenzungsventil 26 eine Vorrichtung oder Anordnung, welche selektiv Brennstoff von der Common-Rail 20 zum Tank 14 leitet, wenn der Druck des Brennstoffes innerhalb der Common-Rail 20 eine gewisse Schwellengröße überschreitet, die von den Charakteristiken bzw. Merkmalen von jedem speziellen Brennstoffsystem abhängen wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Druckbegrenzungsventil 26 einen Körper 28, ein Ventilglied 30 und ein elastisches Glied 32 auf.
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Der Körper 28 ist ein im Allgemeinen starres Glied oder eine starre Anordnung, die das Ventilglied 30 und das elastische Glied 32 aufnimmt und Flussdurchlässe definiert, die gestatten, dass Brennstoff von einem Hochdruckbereich (beispielsweise der Common-Rail 20) zu einem Niederdruckbereich (beispielsweise dem Tank 14) fließt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist der Körper 28 eine Bohrung 34, einen Einlass 36, einen ersten Auslass 38, einen zweiten Auslass 40 und eine Federkammer 42 auf.
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Die Bohrung 34 ist eine im Allgemeinen zylindrische Kammer oder Öffnung innerhalb des Körpers 28, die konfiguriert ist, um zumindest einen Teil des Ventilgliedes 30 aufzunehmen. Die Bohrung 34 weist ein Ende 44 auf, welches nahe der Federkammer 42 gelegen ist, und ein entgegengesetztes Ende 46. Nahe dem Ende 46 weist die Bohrung 34 eine Sitzfläche 48 auf, die konfiguriert ist, um in Eingriff mit einem Teil des Ventilgliedes 30 zu kommen, um eine abgedichtete Schnittstelle zu erzeugen, die irgendeinen Fluss eines Strömungsmittels von einem Bereich um das Ventilglied 30 in den ersten Auslass 38 verhindert (oder im Wesentlichen verhindert). Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist die Sitzfläche 48 eine im Allgemeinen kegelförmige Oberfläche, die konfiguriert ist, um in Eingriff mit einer entsprechenden Oberfläche an dem Ventilglied 30 zu kommen. Gemäß anderer alternativer Ausführungsformen kann die Sitzfläche jegliche Konfiguration von einer Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen annehmen, die für den Eingriff mit dem entsprechenden Teil des Ventilgliedes 30 geeignet sind.
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Der Einlass 36 ist ein Durchlassweg, eine Leitung oder eine Öffnung innerhalb des Körpers 28, der sich in die Bohrung 34 öffnet und dazu dient, strömungsmittelmäßig die Quelle für Hochdruckströmungsmittel (beispielsweise die Common-Rail 20) mit der Bohrung 34 zu verbinden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform tritt der Einlass 36 in radialer Richtung in die Bohrung 34 ein. Der erste Auslass 38 ist ein Durchgangsweg, eine Leitung oder eine Öffnung innerhalb des Körpers 28, die dazu dient, strömungsmittelmäßig die Bohrung 34 mit einem Niederdruckreservoir, einem Ablauf oder einer Strömungsmittelquelle (beispielsweise dem Tank 14) zu koppeln bzw. zu verbinden, wie beispielsweise über eine Ablaufleitung 27. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Auslass 38 nahe dem Ende 46 der Bohrung 34 gelegen und ist auf der entgegengesetzten Seite der Sitzfläche 48 als der Einlass 36 positioniert, so dass der Eingriff des Ventilgliedes 30 mit der Sitzfläche 48 strömungsmittelmäßig den Einlass 36 vom ersten Auslass 38 abblockt. Der zweite Auslass 40 ist ein Durchgangsweg, eine Leitung oder eine Öffnung innerhalb des Körpers 28, der dazu dient, strömungsmittelmäßig die Bohrung 34 mit einem Niederdruckreservoir, einem Ablauf oder einer Strömungsmittelquelle zu verbinden (beispielsweise mit dem Tank 14), wie beispielsweise über eine Ablaufleitung 27. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist der zweite Auslass 40 im Allgemeinen nahe dem Ende 44 der Bohrung 34 gelegen, so dass der Einlass 36 entlang der Länge der Bohrung 34 zwischen dem ersten Auslass 38 und dem zweiten Auslass 40 gelegen ist. Um den Fluss von Brennstoff in den zweiten Auslass 40 von unterschiedlichen Positionen um den Umfang der Bohrung 34 zu erleichtern bzw. zu ermöglichen, kann eine ringförmige oder umlaufende Nut 50 innerhalb der Bohrung 34 vorgesehen sein. Die Federkammer 42 ist eine Öffnung oder ein Hohlraum innerhalb des Körpers 28, die bzw. der konfiguriert ist, um einen Teil des Ventilgliedes 30 und des elastischen Gliedes 32 aufzunehmen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich die Federkammer 42 vom Ende 44 der Bohrung 34.
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Gemäß verschiedenen alternativen und beispielhaften Ausführungsformen kann der Körper eine von einer Vielzahl von unterschiedlichen Formen oder Ausgestaltungen annehmen oder in einer Vielzahl von unterschiedlichen Größen vorgesehen sein, die ihn zum Einbau in ein spezielles Brennstoffsystem oder ein anderes Strömungsmittelsystem geeignet machen oder die ihn zum Anordnen innerhalb eines gewissen physischen Raums geeignet machen. Beispielsweise kann der Körper ein oder mehrere unterschiedliche Schnittstellen oder Eingriffspunkte (beispielsweise Gewindeschnittstellen und so weiter) aufweisen, welche gestatten, dass er mit einer oder mehreren anderen Strömungsmittelsystemkomponenten verbunden ist. Der Körper kann auch ein oder mehrere Bügel, Flansche, Vorsprünge, Ausnehmungen, Nuten oder andere Strukturen aufweisen, die das physische Verbinden des Körpers mit ein oder mehreren anderen Strukturen gestatten, wie beispielsweise mit einem Motor, mit der Common-Rail, mit einem Rahmenglied oder einer anderen Struktur. Gemäß weiteren beispielhaften und alternativen Ausführungsformen kann der Körper aus einem einzelnen einheitlichen Teil aufgebaut sein oder kann aus zwei oder mehr Elementen oder Strukturen geformt sein, die miteinander verbunden sind.
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Das Ventilglied 30 ist ein im Allgemeinen starres Glied, welches konfiguriert ist, um innerhalb der Bohrung 34 zu gleiten, um selektiv den Einlass 36 mit dem ersten Auslass 38 oder sowohl mit dem ersten Auslass 38 als auch mit dem zweiten Auslass 40 zu verbinden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist das Ventilglied 30 einen Kopf 52, einen Führungsteil 54, einen ausgenommenen Teil 56, einen Ventilsitz 58 und einen inneren Durchlass 60 auf.
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Der Kopf 52 ist ein im Allgemeinen vergrößerter Teil des Ventilgliedes 30, der konfiguriert ist, um mit dem elastischen Glied 32 in Eingriff zu kommen, um zu gestatten, dass das Ventilglied 30 in einer speziellen Richtung vorgespannt wird. Der Kopf 52 kann auch als ein Teil des Ventilgliedes 30 dienen, der mit einer Stopp- bzw. Anschlagfläche am Körper 28 in Eingriff kommt oder damit verbunden ist, welche das Ausmaß begrenzt, in dem das Ventilglied 30 sich innerhalb der Bohrung 34 bewegen oder ”heben” kann. Der Führungsteil 54 erstreckt sich vom Kopf 52 und weist eine im Allgemeinen zylindrische Oberfläche auf, die mit der Oberfläche des Körpers 28 in Eingriff kommt, welche die Bohrung 34 definiert, um die Bewegung des Ventilgliedes 30 innerhalb der Bohrung 34 zu ermöglichen. Der Führungsteil 54 hat einen Durchmesser D1, der gestattet, dass das Ventilglied 30 innerhalb der Bohrung 34 gleitet und gleichzeitig die Erzeugung einer im Wesentlichen strömungsmitteldichten Abdichtung zwischen dem Führungsteil 54 und der Oberfläche des Körpers 28 gestattet, welcher die Bohrung 34 definiert. Der ausgenommene Teil oder Bereich 56 erstreckt sich vom Führungsteil 54 und bildet einen Teil mit verringertem Durchmesser des Ventilgliedes 30, der einen Flussdurchlass oder ein Volumen 57 zwischen dem Ventilglied 30 und der entsprechenden Oberfläche der Bohrung 34 erzeugt. Der Ventilsitz 58 ist am Ende des ausgenommenen Bereiches vorgesehen, der dem Führungsteil 54 gegenüberliegt. Der Ventilsitz 58 ist konfiguriert, um mit der Sitzfläche 48 der Bohrung 34 in Eingriff zu kommen, um eine Dichtung zwischen dem Ventilglied 30 und der Sitzfläche 48 zu bilden, so dass im Wesentlichen kein Strömungsmittel aus dem Bereich um den ausgenommenen Teil 56 über das Ventilglied 30 und in den ersten Auslass 38 leckt. Wenn sie in Eingriff sind, definieren der Ventilsitz 58 und die Sitzfläche 48 eine Eingriffsfläche oder einen Eingriffsring 55, über den kein Strömungsmittel von innerhalb des Flussdurchlasses 57 laufen kann. Die Eingriffsfläche 55 hat einen Durchmesser D2, der geringer ist als der Durchmesser D1 des Führungsteils 54. Der innere Durchlass 50 ist eine Leitung, ein Kanal oder ein Durchlass, der bei einem Ende 62 des Ventilgliedes 30 beginnt, der sich über den ausgenommenen Bereich 56 erstreckt und der aus dem Ventilglied 30 vom Führungsteil 54 austritt. Am Ende 62 ist der innere Durchlass 60 innerhalb des Durchmessers D2 vorgesehen, so dass ein Hochdruckströmungsmittel vom Volumen, welches den ausgenommenen Bereich 56 umgibt, nicht in den Durchlass 60 laufen kann, wenn der Ventilsitz 58 und die Sitzfläche 48 in Eingriff sind. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist der innere Durchlass 60 einen axialen Teil 66 auf, der sich im Allgemeinen entlang einer Längsachse 68 des Ventilgliedes 30 vom Ende 62 zu einem Punkt entlang der Achse 68 erstreckt, der dem Führungsteil 54 entspricht, und zumindest einen radialen Teil 70, der sich nach außen vom Ende des axialen Teils 66 erstreckt. Gemäß verschiedener beispielhafter und alternativer Ausführungsformen kann das Ventilglied mehr als einen inneren Durchlass aufweisen, und jeder innere Durchlass kann mehr als einen radialen Teil aufweisen. Beispielsweise kann der innere Durchlass zwei radiale Teile aufweisen (wie sie beispielsweise mit einer diametralen Bohrung erzeugt werden würden), er kann drei radiale Teile, vier radiale Teile oder mehr als vier radiale Teile aufweisen. Gemäß weiterer beispielhafter und alternativer Ausführungsformen können die inneren Durchlässe andere Konfigurationen annehmen. Beispielsweise kann der innere Durchlass aus einer einzigen oder aus mehreren geraden Bohrungen gebildet werden, die sich diagonal vom Ende 62 zu einem Teil des Führungsteils 54 erstrecken. Gemäß weiteren verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann das Ventilglied aus einem einzigen einheitlichen Teil aufgebaut sein oder es kann aus zwei oder mehreren Elementen oder Strukturen geformt sein, die miteinander verbunden sind.
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Das elastische Glied oder Element 32 ist ein elastisches Element oder eine Anordnung, welche das Ventilglied 30 zu der Position hin vorspannt, in der der Ventilsitz 58 des Ventilgliedes 30 mit der Sitzfläche 48 des Körpers 28 in Eingriff kommt und welches gestattet, dass das Ventilglied 30 sich anhebt (und dadurch den Ventilsitz 58 außer Eingriff von der Sitzfläche 48 bringt), wenn darauf ein gewisser vorbestimmter Druck wirkt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist das elastische Glied 32 eine Schraubendruckfeder. Gemäß weiteren beispielhaften und alternativen Ausführungsformen kann das elastische Glied ein Element, Glied oder eine Vorrichtung sein, die dazu dient, das Ventilglied 30 zur Sitzfläche 48 derart vorzuspannen, dass die Vorspannung überwunden werden kann, wenn das Ventilglied 30 einem gewissen vorbestimmten Druck unterworfen ist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Gründen sind viele Strömungsmittelsysteme einschließlich unterschiedlicher Arten von Brennstoffsystemen, anfällig für Druckspitzen oder können in anderer Weise Situationen erfahren, in denen Drücke innerhalb des Systems erzeugt werden könnten, die von ausreichender Größe sind, um das Strömungsmittelsystem zu beschädigen, oder die zu unerwünschten Konsequenzen bei der Leistung führen. Das Vorsehen des Druckbegrenzungsventils 26 in einem solchen System kann dabei helfen, die nachteiligen Effekte oder den übermäßigen Strömungsmitteldruck des Strömungsmittelsystems abzumildern, zu verringern oder sogar zu eliminieren. Wenn der Druck des Strömungsmittels innerhalb des Systems einen maximalen Schwellenwert erreicht, kann das Druckbegrenzungsventil 26 Strömungsmittel vom System ableiten, wodurch der Druck des Strömungsmittels im System verringert wird. Der Druck des Strömungsmittels im System kann gerade genügend abgesenkt werden, um das System zu schützen, ohne eine Instabilität zu erzeugen oder vollständig das System abzuschalten. Der Betrieb des Druckbegrenzungsventils 26 wird nun in Verbindung mit dem Brennstoffsystem 10 erklärt.
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Während des Betriebs des Brennstoffsystems 10 zieht die Transferpumpe 16 Brennstoff vom Tank 14 und liefert den Brennstoff zur Hochdruckpumpe 18. Die Hochdruckpumpe 18 bringt dann den Brennstoff auf einen hohen Druck und leitet den Hochdruckbrennstoff zur Common-Rail 20. Der Brennstoff wird dann von der Common-Rail 20 zu jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 22 geleitet. Das Druckbegrenzungsventil 26 kann innerhalb des Brennstoffsystems 10 so angeschlossen sein, dass der Einlass 36 in Strömungsmittelverbindung mit dem Brennstoff innerhalb der Common-Rail 20 ist und der erste Auslass 38 und der zweite Auslass 40 beide letztendlich mit dem Tank 14 verbunden sind (wie beispielsweise durch die Ablaufleitung 27, wie sie in 1 gezeigt ist).
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Weil der Einlass 36 mit der Common-Rail 20 verbunden ist, wird Brennstoff von der Common-Rail 20 in die Bohrung 34 vom Einlass 36 her eintreten und wird das Volumen füllen, welches von der Wand definiert wird, die durch die Bohrung 34, den ausgenommenen Bereich 56 und die Eingriffsfläche 55 definiert wird (beispielsweise den Flussdurchlass 57). Wenn das Ventilglied 30 in einer geschlossenen Position ist (wie in 2 veranschaulicht), in welcher der Ventilsitz 58 mit der Sitzfläche 48 in Eingriff ist, um im Wesentlichen den Fluss des Brennstoffes durch die Eingriffsfläche 55 zu verhindern, wird die Kraft, die auf das Ventilglied 30 gegen die von dem elastischen Glied 32 vorgesehene Vorspannung wirkt, gleich dem Druck innerhalb des Flussdurchlasses 57 (der im Wesentlichen gleich dem Druck des Brennstoffes innerhalb der Common-Rail 20 sein wird) multipliziert mit der Fläche sein, auf welche der Druck wirkt. Wenn das Ventilglied 30 in der geschlossenen Position ist, wird diese Fläche (bezeichnet als ”Öffnungsfläche”) gleich der Fläche des Führungsteils 54 (mit einem Durchmesser D1) abzüglich der Fläche der Eingriffsfläche 55 (mit einem Durchmesser D2) sein. Wenn der Druck innerhalb der Common-Rail 20 einen gewissen Schwellendruck überschreitet (als der ”Öffnungsdruck” bezeichnet), welcher, wenn er mit der Öffnungsfläche multipliziert wird, eine Öffnungskraft erzeugt, die die Vorspannkraft überschreitet, die von dem elastischen Glied 32 geliefert wird, wird sich das Ventilglied 30 weg von der Sitzfläche 48 bewegen, und die von dem Eingriff des Ventilsitzes 58 mit der Sitzfläche 48 erzeugte Abdichtung wird unterbrochen. Wenn das Ventilglied 30 sich zu seiner zweiten Position bewegt (wie in 3 veranschaulicht), in der der Eingriff des Ventilsitzes 58 mit der Sitzfläche 48 unterbrochen worden ist, wird gestattet, dass Brennstoff vom Flussdurchlass 57 zwischen dem Ventilsitz 58 und der Sitzfläche 48 hindurch fließt und in den ersten Auslass 38 abläuft.
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Wenn das Ventilglied 30 in der zweiten Position ist, wird die Kraft, die auf das Ventilglied 30 gegen die von dem elastischen Glied 32 vorgesehene Vorspannung wirkt, gleich dem Druck des Brennstoffes unter dem Ventilglied 30 multipliziert mit der Fläche sein, auf die der Druck wirkt. Wenn das Ventilglied 30 in der zweiten Position ist, wird diese Fläche (als die ”Bohrungsfläche” bezeichnet) gleich der Fläche des Führungsteils 54 (mit einem Durchmesser D1) sein. Weil die Bohrungsfläche (die die Fläche der Eingriffsfläche 55 aufweist) größer ist als die Öffnungsfläche, wird ein geringerer Druck als der Öffnungsdruck ausreichen, um die Vorspannkraft zu überwinden, die von dem elastischen Glied 32 vorgesehen wird, und wird das Ventilglied 30 weiter weg von der Sitzfläche 48 bewegen. Abhängig von den Charakteristiken bzw. Eigenschaften des elastischen Gliedes 32 (beispielsweise der Federkonstante k im Fall einer Druckfeder), vom Brennstofffluss, der versucht, durch das Druckbegrenzungsventil 26 zu laufen, und abhängig von der Größe des ersten Auslasses 38, kann der Druck unter dem Ventilglied 30 auf ein Niveau ansteigen, welches bewirkt, dass sich das Ventilglied 30 weiter weg von der Sitzfläche 48 bewegt, bis es zu einer Distanz von mehr als der Distanz H läuft (siehe 2). Wenn das Ventilglied 30 zu dieser Position läuft, die als die dritte Position bezeichnet wird (die in 4 veranschaulicht ist), hat es sich genügend angehoben, um zu gestatten, dass der innere Durchlass 60 des Ventilgliedes 30 strömungsmittelmäßig mit dem zweiten Auslass 40 in Verbindung kommt. Wenn das Ventilglied 30 die dritte Position erreicht, wird entsprechend zumindest ein Teil des Brennstoffes, der zwischen der Sitzfläche 48 und dem Ventilsitz 58 läuft, in den inneren Durchlass 60 und dann in den zweiten Auslass 40 fließen können. Wenn das Ventilglied die dritte Position erreicht, wird somit ein zweiter Auslass für Brennstoff erzeugt, was es möglich macht, dass ein größerer Brennstofffluss durch das Druckbegrenzungsventil 26 zum Tank 14 läuft. Wenn das Ventilglied 30 sicher weiter weg von der Sitzfläche 48 bewegt, wird der Querschnitt zwischen dem inneren Durchlass 60 und dem zweiten Auslass 40, wodurch der Brennstoff fließen können wird, zunehmen, wenn der innere Durchlass 60 mehr mit dem zweiten Auslass 40 ausgerichtet wird. In dieser Weise kann das Ventilglied 30 zumindest teilweise als ein Proportionalventil wirken.
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Sobald das Ventilglied 30 aus der ersten Position heraus bewegt ist, wird es sich nicht wieder schließen, bis die Kraft, welche durch den Brennstoffdruck, der unter dem Ventilglied 30 über die Bohrungsfläche wirkt, geringer ist als die Vorspannkraft, die von dem elastischen Glied 32 geliefert wird. Die Größe des Druckes, die gestatten wird, dass das Ventilglied 30 schließt (als der ”Ventilverschlussdruck” bezeichnet) wird von der Vorspannkraft abhängen, die von dem elastischen Glied 32 geliefert wird und von der Größe der Bohrungsfläche. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden ein elastisches Glied und die Bohrungsfläche bzw. der Bohrungsquerschnitt so ausgewählt, dass das Ventilglied 30 schließen wird, bevor der Druck des Brennstoffes innerhalb der Common-Rail 20 unter einen Notlaufdruck (limp home pressure) oder eine Druckschwelle abfällt, die nicht gestatten wird, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 32 zumindest in einem ”Notlaufbetriebszustand” arbeiten.
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Das Druckbegrenzungsventil 26 der vorliegenden Offenbarung kann im Allgemeinen zumindest drei Betriebsarten ausführen. Zuerst gestattet es, dass Brennstoff dort hindurch läuft und dann zum Tank 14 (einen Niederdruckablauf), wenn der Brennstoffdruck in der Common-Rail 20 über einen gewissen Schwellendruck geht. Dies hilft dabei, sicherzustellen, dass die Komponenten des Brennstoffsystems 10 vor einem Schaden geschützt werden, der durch Drücke verursacht wird, die höher sind als der, dem das Brennstoffsystem 10 widerstehen soll oder wofür es ausgelegt ist. Zweitens kann das Druckbegrenzungsventil 26 so ausgelegt sein, dass es einen Ventilverschlussdruck besitzt, der gestattet, dass das Ventilglied 30 sich zurück zu seiner geschlossenen Position bewegt, bevor der Brennstoffdruck innerhalb der Common-Rail 20 unter ein Niveau abfällt, welches verhindern wird, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungen (und der Motor) zumindest in einem ”Notlaufbetriebszustand” oder in einem begrenzten Betriebszustand arbeiten. Dies hilft dabei sicherzustellen, dass der Motor weiter arbeiten kann, wenn auch in einem begrenzten Betriebszustand, um einem Bediener die Chance zu geben, die Maschine, den Lastwagen oder die andere Einrichtung, für die der Motor die Leistung liefert, zu bewegen oder in einer anderen Weise zu betreiben, und zwar zu einer besseren Stelle oder zu einem Punkt, wo der Motor leichter abgeschaltet oder in Stand gehalten werden kann. Drittens ist das Druckbegrenzungsventil 26 fähig, die Druckregelungsfunktion für den Notlauf über einen größeren Bereich von Motor- und Hochdruckpumpenbetriebsdrehzahlen und Brennstoffflüsse vorzusehen, und zwar durch Aktivieren oder Verwenden des zweiten Auslasses 40 während Situationen, wo die Flussrate des Brennstoffes durch das Druckbegrenzungsventil 26 größer ist als das, was der erste Auslass 38 alleine bewältigen kann.
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Die Betriebscharakteristiken des Druckbegrenzungsventils 26 (beispielsweise der Ventilöffnungsdruck, der Ventilverschlussdruck und so weiter) können eingestellt werden durch Verändern der Parameter des elastischen Elementes 32, der Fläche des Führungsteils 54 und der Fläche des Eingriffsbereiches bzw. der Eingriffsfläche 55, um zu einer speziellen Anwendung zu passen. In einem Ausführungsbeispiel, welches zur Verwendung bei einem Common-Rail-Brennstoffsystem geeignet sein kann, ist der Durchmesser D1 des Führungsteils 54 des Ventilgliedes 30 beispielsweise 4 Millimeter, der Durchmesser D2 der Eingriffsfläche 55 ist 3,3 Millimeter und das elastische Glied 32 ist eine Schraubendruckfeder mit einer Federlast von 940 Newton. Bei dieser Konfiguration ist der Ventilöffnungsdruck (beispielsweise der Druck, der bewirken wird, dass das Ventilglied 30 sich von der geschlossenen Position zu ersten Position bewegt) ungefähr 235 Megapascal, und der Ventilverschlussdruck (beispielsweise der Druck, der gestatten wird, dass das Ventilglied 30 sich zurück in die geschlossene Position bewegt) ist ungefähr 75 Megapascal. In anderen alternativen Ausführungsbeispielen kann das Druckbegrenzungsventil so konfiguriert sein, dass es einen anderen Ventilöffnungsdruck und einen anderen Ventilverschlussdruck hat, und zwar abhängig von den Notwendigkeiten der Anwendung, bei der das Druckbegrenzungsventil verwendet wird.
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Obwohl das Druckbegrenzungsventil 26 oben in Verbindung mit einem Common-Rail-Brennstoffsystem beschrieben worden ist, kann das Druckbegrenzungsventil 26 auch in irgendeinem von einer Vielzahl von unterschiedlichen Strömungsmittelsystemen und mit irgendeinem von einer Vielzahl von unterschiedlichen Strömungsmitteln verwendet werden. Beispielsweise kann das Druckbegrenzungsventil mit anderen Arten von Brennstoffsystemen, Schmiersystemen, Arbeitswerkzeugbetätigungssystemen, Getriebesystemen, Kühlsystemen und anderen Hydrauliksystemen verwendet werden, wo ein Schutz vor übermäßig großen Drücken erwünscht sein kann.
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Es ist wichtig zu bemerken, dass der Aufbau und die Anordnung der Elemente des Druckbegrenzungsventils, wie es in den beispielhaften und alternativen Ausführungsformen gezeigt ist, nur veranschaulichend ist. Obwohl nur einige Ausführungsbeispiele des Druckbegrenzungsventils im Detail in dieser Offenbarung beschrieben worden sind, wird der Fachmann, der diese Offenbarung durchsieht, leicht erkennen, dass viele Modifikationen möglich sind (beispielsweise Variationen der Größe, der Abmessungen, der Strukturen, der Formen und der Proportionen der verschiedenen Elemente, Parameterwerte, Befestigungsanordnungen, der Verwendung der Materialien, der Orientierungen und so weiter) ohne von den neuartigen Lehren und Vorteilen des hier dargelegten Gegenstandes abzuweichen. Beispielsweise können Elemente, die als integral geformt gezeigt sind, aus mehreren Teilen aufgebaut sein, oder Elemente, die als mehrere Teile gezeigt sind, können integral geformt sein, wobei der Betrieb der Schnittstellen (beispielsweise des Ventils und des Sitzes und so weiter) umgekehrt oder in anderer Weise variiert werden können, und/oder die Länge, die Breite, der Durchmesser oder andere Abmessungen der Strukturen und/oder der Glieder oder Verbindungen oder andere Elemente des Systems können variiert werden. Es sei bemerkt, dass die Elemente und/oder Anordnungen des Druckbegrenzungsventils aus irgendeinem von einer großen Vielzahl von Materialien aufgebaut sein können, welche ausreichende Festigkeit oder Haltbarkeit bieten und auch in irgendeiner von einer großen Vielzahl von Kombinationen. Es sei auch bemerkt, dass das Druckbegrenzungsventil in Assoziation mit irgendeinem von einer großen Vielzahl von Strömungsmittelsystemen oder Strömungsmitteluntersystemen in irgendeiner von einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann. Entsprechend sollen alle diese Modifikationen in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung mit eingeschlossen sein. Andere Ersetzungen, Modifikationen, Veränderungen und Weglassungen können beim Aufbau, bei den Betriebsbedingungen und bei der Anordnung der beispielhaften und alternativen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
