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Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-System für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Common-Rail-Systeme als Kraftstoffeinspritzsysteme sind bekannt, die eine Hochdruckpumpe zum Bereitstellen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff für einen Hochdruckspeicher (Common Rail) und eine Niederdruckpumpe als Vorförderpumpe aufweisen, welche den Kraftstoff von einem Kraftstofftank über eine Förderleitung an die Hochdruckpumpe fördert, wobei die von der Hochdruckpumpe dem Hochdruckspeicher zugeführte Kraftstoffmenge durch ein in der Förderleitung angeordnetes Durchflussregelventil gesteuert und die von dem Durchflussregelventil bemessene Kraftstoffmenge von der Hochdruckpumpe mit dem entsprechenden Hochdruck beaufschlagt wird.
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Ein solches Common-Rail-System CRS ist schematisch in 4 dargestellt. Hiernach besteht dieses Common-Rail-System CRS aus einem Hochdruckspeicher R, aus welchem Einspritzventile Inj einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt), bspw. eines Dieselmotors mit Kraftstoff versorgt werden.
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Der Hochdruckspeicher R ist über eine Hochdruckleitung L1 mit einer Hochdruckpumpe HP verbunden, welche von einem Elektromotor M1 angetrieben wird. Aus einem Kraftstoffbehälter KB wird mittels einer von einem Elektromotor M2 angetriebenen Niederdruckpumpe NP über eine Förderleitung L2 Kraftstoff für ein Durchflussregelventil VNC gefördert, welches als elektromagnetisches Schaltventil in der Bauart Schieberventil ausgebildet und im unbestromten Zustand geschlossen ist („Normally Closed“). Ausgangsseitig ist dieses Schieberventil VNC mit der Hochdruckpumpe HP verbunden.
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Schließlich verbindet ein Hochdruckregelventil HPV den Hochdruckspeicher R über eine Druckablassleitung L3 mit der Ausgangsseite der Niederdruckpumpe NP. Dieses als elektromagnetisches Schaltventil ausgebildete Hochdruckregelventil HPV dient zur schnellen Druckverminderung des Hochdruckspeichers R.
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Dieses Hochdruckregelventil HPV ist deshalb erforderlich, da in nachteiliger Weise das Schieberventil VNC keine 100%ige Leckagefreiheit aufweist. Diese Leckage hat ihre Ursache in dem für die Verschiebbarkeit des Schieberelementes erforderlichen Spiel zwischen diesem Schieberelement und dem Ventilkörper. Das führt dazu, dass im Schiebebetrieb Kraftstoff in die Hochdruckpumpe HP gelangt und dort verdichtet wird, mit der Folge dass im Hochdruckspeicher R der Druck ansteigt, wenn die Injektoren Inj keinen Kraftstoff an die Brennkraftmaschine liefern, also kein Verbraucher mit dem Hochdruckspeicher R verbunden ist. Mit dem Hochdruckregelventil HPV wird in solchen Betriebszuständen der Druck abgelassen.
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Sowohl das Durchflussregelventil VNC, die Hoch- und Niederdruckpumpe HP bzw. NP, das Hochdruckregelventil HPV als auch die Einspritzventile Inj werden von einem Steuergerät (nicht dargestellt) gesteuert bzw. geregelt.
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Ein der
4 entsprechendes Common-Rail-System ist bspw. aus der
DE 60 2005 003 427 T2 bekannt, bei dem als Durchflussregelventil ein Schieberventil verwendet wird, welches im unbestromten Zustand geschlossen ist. Um den bei Verwendung von üblichen Schieberventilen neben der mangelnden Leckagefreiheit auftretenden Nachteilen, nämlich mangelnde Zentrierung des Schieberelementes im Ventilraum und die dadurch bedingte mangelnde Gleitfähigkeit, welche zu einer höheren Abnutzung mit hohem Abrieb führt, entgegenzuwirken, wird eine verbesserte Konstruktion eines Schieberventils vorgeschlagen. Diese verbesserte Konstruktion betrifft die Ausgestaltung des Schieberelementes.
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Der Nachteil der mangelnden Leckagefreiheit bei der Verwendung eines Schieberventils in einem Common-Rail-System wird gemäß der
DE 198 46 157 A1 dadurch beseitigt, dass ausgangsseitig des Durchflussregelventils sowohl eine auf den Kraftstoffbehälter zurückgeführte Rücklaufleitung vorgesehen ist als auch ein Differenzdruckventil angeschlossen ist, welches mit den Saugventilen einer Hochdruckpumpe verbunden ist. Damit wird erreicht, dass die Hochdruckpumpe im Betriebszustand „Null-Förderung“ keinen Kraftstoff fördert, da das Differenzdruckventil vom Leckstrom des Durchflussregelventils nicht überwunden werden kann.
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Ein weiterer Nachteil der Verwendung von „Normally Closed“-Schieberventilen in Common-Rail-Systemen liegt darin, dass im Falle eines Defektes oder des Ausfalls eines solchen Schieberventils kein Kraftstoff mehr in das Rail, also in den Hochdruckspeicher gefördert werden kann und damit ein weiterer Betrieb der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Common-Rail-System der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden, insbesondere ein einfacher Aufbau mit wenigen Bauteilen ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Common-Rail-System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Dieses Common-Rail-System für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeug umfasst eine Hochdruckpumpe, welche mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff an einen Hochdruckspeicher liefert, von welchem der Kraftstoff mindestens einem Einspritzventil der Brennkraftmaschine zugeführt wird, ferner eine Niederdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter über eine Förderleitung an die Hochdruckpumpe und schließlich ein Durchflussregelventil als elektromagnetisches Schaltventil, welches in der Förderleitung zur Steuerung der von der Hochdruckpumpe dem Hochdruckspeicher zugeführten Kraftstoffmenge angeordnet ist und zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Durchflussregelventil als Kugelsitzventil mit einer mit der Niederdruckpumpe verbundenen Einlassöffnung und einer mit der Hochdruckpumpe verbundenen Auslassöffnung ausgebildet ist, welches im unbestromten Zustand geöffnet ist.
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Ein solches erfindungsgemäßes Common-Rail-System mit einem Kugelsitzventil, welches im unbestromten Zustand offen ist („Normally Open“), führt im Betrieb der Brennkraftmaschine zumindest zu keiner Fehlfunktion des Brennkraftmaschine, wenn dieses Kugelsitzventil defekt wird oder ausfällt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein solches Kugelsitzventil als elektromagnetisches Schaltventil keine Leckage aufweist, so dass im Betriebszustand „Null-Förderung“ kein Kraftstoff über die Hochdruckpumpe in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Dies führt dazu, dass auf das bei dem bekannten Common-Rail-System gemäß 4 erforderliche Hochdruckregelventil HPV entfallen kann. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist es ausreichend, anstelle dieses Hochdruckregelventils HPV nur ein mechanisches Überdruckventil vorzusehen. Dieses mechanische Überdruckventil öffnet nur im „worst case“, bspw. wenn das Kugelsitzventil klemmen würde.
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Damit reduziert sich gegenüber bekannten Common-Rail-Systemen gemäß Stand der Technik die Anzahl der erforderlichen Bauteile, zumindest aber wird mit dem erfindungsgemäßen Common-Rail-System ein einfacherer Aufbau realisiert, da ein aufwendiges Hochdruckregelventil entfällt.
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Solche Kugelsitzventile als elektromagnetische Schaltventile, die im stromlosen Zustand offen sind, sind bspw. aus der
DE 40 41 377 A1 bekannt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Kugelsitzventil mit einem Ventilsitz und einer Ventilkugel ausgebildet, derart, dass im bestromten Zustand des Kugelsitzventils durch Druckbeaufschlagung seitens der Niederdruckpumpe die Ventilkugel am Ventilsitz unter Verschluss der Einlassöffnung anliegt.
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Da die Ventilkugel auf der Druckseite liegt und ausschließlich vom Fluiddruck der Niederdruckpumpe im bestromten Zustand des Kugelsitzventils gegen den Ventilsitz gedrückt wird, entfallen Federelemente auf der Druckseite und es müssen deshalb keine Federtoleranzen beachtet bzw. eingestellt werden. Es wird eine hohe Dichtheit erreicht und damit auch eine vollständige Leckagefreiheit sichergestellt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Kugelsitzventil mit einem federvorgespannten Ventilstößel ausgebildet, derart dass zum Öffnen der Einlassöffnung der Ventilstößel im unbestromten Zustand des Kugelsitzventils in einer die Ventilkugel von dessen Ventilsitz abhebenden Wirkverbindung steht. Vorzugsweise weist das Kugelsitzventil einen gegenüber einem Polkern verschiebbaren Anker auf, der den Ventilstößel zentrisch aufnimmt. Damit arbeitet der Anker, der den Ventilstößel aufnimmt, gegen eine Druckfeder, die sich auf der drucklosen Seite befindet.
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Dies führt zu einer mechanischen Entkopplung von Anker bzw. Ventilstößel und Ventilkugel, wodurch die Belastungen des Ankers und des Ventilstößels unter Vibrationen reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Polkern eine zentrische Bohrung zur Aufnahme einer Druckfeder auf, wobei einenends die Druckfeder sich gegen den Anker abstützt und andernends gegen ein die Bohrung an der ankerabgewandten Seite des Polkerns verschließendes Verschlussteil des Polkerns abstützt.
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Mit einem solchen Verschlussteil, das entweder mittels einer Presspassung oder einer Schraubverbindung in die Bohrung des Polkerns eingeführt wird, lässt sich in Abhängigkeit der Eindringtiefe des Verschlussteils in den Polkern die Federkraft der auf den Ventilstößel wirkenden Druckfeder einstellen.
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Schließlich ist es gemäß einer letzten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Anker mit einer dezentralen Bohrung ausgebildet ist, welche die Bohrung des Polkerns mit einem ventilkugelseitigen Ventilraum verbindet. Damit wird ein Druckausgleich der beiden Räume über diese dezentrale Bohrung des Ankers erreicht und dadurch Druckpulsationen verhindert und eine gleichmäßige Füllung der Arbeitsräume der Hochdruckpumpe ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Systems mit einem Kugelsitzventil als Durchflussregelventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen axialen Längsschnitt des Kugelsitzventils des Common-Rail-Systems nach 1,
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3 eine Kennlinie des Kugelsitzventils nach 2, und
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4 eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Systems mit einem Schieberventil als Durchflussregelventil gemäß Stand der Technik.
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Das Common-Rail-System CRS nach 1 besteht aus einem Hochdruckspeicher R mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff, welcher mittels Injektoren Inj einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) zugeführt wird.
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Der Hochdruckspeicher R ist über eine Hochdruckleitung L1 mit einer Hochdruckpumpe HP verbunden, die von einem Elektromotor M1 angetrieben wird.
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Eine von einem Elektromotor M2 angetriebene Niederdruckpumpe NP fördert Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter KB, der über eine Förderleitung L2 der Hochdruckpumpe HP zugeführt wird, wobei in dieser Förderleitung L2 ein Kugelsitzventil VNO als Durchflussregelventil angeordnet ist, welches als elektromagnetisches Schaltventil im unbestromten Zustand offen ist.
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Mit diesem Kugelsitzventil VNO wird die Kraftstoffmenge gesteuert, die die Hochdruckpumpe HP dem Hochdruckspeicher R zuführt.
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Schließlich ist der Hochdruckspeicher R über ein mechanisches Überdruckventil VÜ und einer Druckablassleitung L3 mit der Förderleitung L2 zwischen der Niederdruckpumpe NP und dem Kugelsitzventil VNO verbunden. Dieses Überdruckventil VÜ ist lediglich aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlich, um im Falle eines „worst case“ einen Überdruck im Hochdruckspeicher R ablassen zu können.
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Schließlich umfasst dieses Common-Rail-System CRS gemäß 1 auch ein Steuergerät (nicht dargestellt), welches die Niederdruckpumpe NP, die Hochdruckpumpe HP, das Kugelsitzventil VNO und die Injektoren Inj über Steuerleitungen (nicht dargestellt) in Abhängigkeit von Sensorsignalen und Betriebszustand der Brennkraftmaschine steuert.
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Dieses erfindungsgemäße Common-Rail-System CRS zeichnet sich durch die Verwendung eines Kugelsitzventils VNO als Durchflussregelventil aus, welches im unbestromten Zustand offen ist und den der Hochdruckpumpe HP zugeführten Kraftstoff-Volumenstrom steuert.
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Dadurch dass ein solches Kugelsitzventil VNO leckagefrei ist, wird im Betriebszustand „Null-Förderung“ kein Kraftstoff von dem Kugelsitzventil VNO an die Hochdruckpumpe HP geliefert. Deshalb kann auf ein Hochdruckregelventil HPV, wie im Stand der Technik nach 4 erforderlich ist, bei dem erfindungsgemäßen Common-Rail-System CRS gemäß 1 verzichtet werden. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist lediglich ein mechanisches Überdruckventil VÜ vorgesehen, welches eine Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher R und der Förderleitung L2 zwischen der Niederdruckpumpe NP und dem Kugelsitzventil VNO herstellen kann.
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Im Ruhezustand, also im unbestromten Zustand ist das Kugelsitzventil VNO offen, so dass bei einem Defekt oder bei einem Ausfall dieses Kugelsitzventils VNO trotzdem der von der Niederdruckpumpe NP geförderte Kraftstoff an die Hochdruckpumpe geliefert werden kann, so dass zumindest Fehlfunktionen betreffend die Brennkraftmaschine ausgeschlossen sind.
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Ein solches Kugelsitzventil VNO zeigt 2, welches in einem Ventilgehäuse 20 einen zentrisch gelagerten Polkern 8 aufnimmt, der teilweise von einer Ringspule, bestehend aus einer auf einem Spulenkörper 15 angeordneten Spulenwicklung 16 umschlossen wird.
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An den Polkern 8 schließt sich über einen Verbindungsring 13 ein Ventilkörper 1 mit einer zentrischen Bohrung 1a an, der polkernseitig einen zentrischen Aufnahmeraum 1b für einen Anker 5 bildet. Der Anker 5 trägt zentrisch einen Ventilstößel 6, der polkernseitig die Stirnfläche des Ankers 5 überragt und in eine zentrische Bohrung 8a des Polkerns 8 hineinragt. Diese Bohrung 8a wird endseitig durch einen Verschluss 11 verschlossen, wobei eine in der Bohrung 8a des Polkerns 8 angeordnete Druckfeder 9 sich einerseits gegen diesen Verschluss 11 und andererseits gegen die benachbarte Stirnseite des Ankers 5 über einen dort anliegenden Federteller 7 abstützt.
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Die Bohrung 8a des Polkerns 8 geht ankerseitig in eine abgesetzte zylindrische Bohrung 8b über, deren Durchmesser dem Durchmesser des Ankers 5 entspricht, so dass der Anker 5 bei einer Bestromung der Spulenwicklung 16 in diese Bohrung 8b des Polkerns 8 gegen die Federkraft der vorgespannten Druckfeder 9 an die Polfläche des Polkerns 8 gezogen wird. Der diese zylindrische Bohrung umgebende Ring 8c ist als Steuerkonus mit einem Außenkonus ausgebildet, der dazu dient, die Magnetkraft-Hub-Kennlinie einzustellen, wenn der Anker 5 aus seiner Ruhestellung entsprechend der in 2 dargestellten Position durch Bestromung der Spulenwicklung 16 in Richtung der Polfläche des Polkerns 8 gezogen wird.
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Der Anker 5 wird von einer Hülse 10 aufgenommen, die sich über den Bereich der Bohrung 1b und des Verbindungsringes 13 erstreckt.
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Auf der polkernabgewandten Seite des Ankers 5 erstreckt sich die Bohrung 1a des Ventilkörpers 1 bis in einen Ventilraum 1c und geht endseitig in eine Einlassöffnung 1d über, die an die Niederdruckpumpe NP angeschlossen ist.
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Der sich an diese Einlassöffnung 1d anschließende Ventilraum 1c nimmt einen Kugelkäfig 3 zu Aufnahme einer Ventilkugel 4 und einen sich daran anschließenden Ventilsitz 2 für die Ventilkugel 4 auf.
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In einem an den Ventilraum 1c anschließenden Bereich der zentralen Bohrung 1a des Ventilkörpers 1 sind wenigstens zwei diametral gegenüberliegende radiale Bohrungen 1e als Auslassöffnung 1e vorgesehen, die auf die Hochdruckpumpe HP geführt werden.
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Der Ventilstößel 6 weist ausgehend von der polkernabgewandten Stirnseite des Ankers 5 eine solche Länge auf, dass in der in 2 dargestellten Ruhestellung des Kugelsitzventils VNO, also im unbestromten Zustand die Druckfeder 9 den Anker 5 vollständig in die Bohrung 1b des Ventilkörpers 1 in Richtung der Einlassöffnung 1d drückt und dabei der Ventilstößel 6 mit einer Nadelspitze 6a die Ventilkugel 4 von dem Ventilsitz 2 abhebt, so dass der Durchgang zwischen der Einlassöffnung 1d und der Auslassöffnung 1e freigegeben wird.
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Der Anker 5 weist eine nichtzentrische, parallel zur Längsachse verlaufende Bohrung 5a auf, die dessen beiden Stirnflächen verbindet. Damit werden der Ventilraum 1c und die Auslassöffnungen 1e mit der Bohrung 8a des Polkerns 8 verbunden, so dass ein Druckausgleich zwischen diesen Räumen während des Betriebes des Kugelsitzventils VNO erfolgen kann, bzw. sich keine Druckdifferenz zwischen diesen Räumen aufbaut.
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Zur Montage des Kugelsitzventils VNO, bspw. an der Hochdruckpumpe HP ist ein Flansch 12 vorgesehen. Bei einem entsprechenden Anschluss sind O-Ringe 14 und 21 des Ventilkörpers 1 als Dichtringe vorgesehen. Der Spulenkörper 16 ist zur Bildung eines einen Anschlussstecker 18 aufnehmenden Kunststoffkörpers 17 umspritzt, wobei eine Dichtscheibe 19 die Dichtheit gegenüber der Umgebung herstellt.
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Wird ausgehend der Ruhelage des Kugelsitzventils VCO gemäß 2 die Spulenwicklung 16 bestromt, wird der Anker 5 zusammen mit dem Ventilstößel 6 in Richtung des Polkerns 8 gegen die Federkraft der Druckfeder 9 gezogen, so dass aufgrund des einlassseitigen Druckes die Ventilkugel 4 in den Ventilsitz 2 gedrückt und dadurch das Kugelsitzventil VNO geschlossen wird.
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Bei der Montage des Kugelsitzventils VNO kann eine Federkrafteinstellung der Druckfeder 9, mit welcher der Anker 5 vorgespannt wird, durchgeführt werden. Hierzu kann der die Bohrung 8a des Polkerns 8 endseitig verschließende Verschluss 11 unterschiedlich tief in die Bohrung 8a eingeführt werden oder mit unterschiedlichen Längen ausgebildet werden, so dass hierdurch unterschiedliche Einbaulängen für die Druckfeder 9 entstehen. Zum Einbringen des Verschlusses 11 in die Bohrung 8a kann ein Presspassung oder auch eine Gewindeverbindung vorgesehen werden.
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Durch unterschiedliche Tellerfedern 7 kann auch leicht eine Hubeinstellung des Ankers 5 vorgenommen werden.
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Eine schematische Kennlinie des Kugelsitzventils VNO gemäß 2 zeigt 3, die in Abhängigkeit der Stromstärke I den Volumenstrom Q angibt. Im unbestromten Zustand bzw. bei geringen Stromstärken wird ein hoher Durchfluss bzw. Volumenstrom an Fluid, also an Kraftstoff erzielt, der mit zunehmender Bestromung, also mit zunehmender Stromstärke bis auf den Wert Null abnimmt, d. h. bis das Kugelsitzventil VNO geschlossen ist. Wegen Hystereseeigenschaften des Elektromagneten verdoppelt sich die Kennlinie im mittleren Bereich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilkörper
- 1a
- zentrische Bohrung des Ventilkörpers 1
- 1b
- Aufnahmeraum des Ventilkörpers 1
- 1c
- Ventilraum
- 1d
- Einlassöffnung
- 1e
- Auslassöffnung
- 2
- Ventilsitz
- 3
- Kugelkäfig
- 4
- Ventilkugel
- 5
- Anker
- 5a
- dezentrale Bohrung des Ankers 5
- 6
- Ventilstößel
- 7
- Federteller
- 8
- Polkern
- 8a
- Bohrung des Polkerns 8
- 8b
- Bohrung des Polkerns 8
- 8c
- Steuerkonus des Polkerns 8
- 9
- Druckfeder
- 10
- Hülse
- 11
- Verschluss des Polkerns 8
- 12
- Flansch
- 13
- Verbindungsring
- 14
- O-Ring
- 15
- Spulenkörper
- 16
- Spulenwicklung
- 17
- Kunststoffkörper
- 18
- Anschlussstecker
- 19
- Dichtscheibe
- 20
- Ventilgehäuse
- 21
- O-Ring
- CRS
- Common-Rail-System
- HP
- Hochdruckpumpe
- HPV
- Hochdruckregelventil
- Inj
- Injektor
- KB
- Kraftstoffbehälter
- M1
- Elektromotor der Hochdruckpumpe HP
- M2
- Elektromotor der Niederdruckpumpe NP
- NP
- Niederdruckpumpe
- L1
- Hochdruckleitung
- L2
- Förderleitung
- L3
- Druckablassleitung
- R
- Hochdruckspeicher
- VNC
- Schieberventil
- VNO
- Kugelsitzventil
- VÜ
- mechanisches Überdruckventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602005003427 T2 [0008]
- DE 19846157 A1 [0009]
- DE 4041377 A1 [0017]
