DE102012205329A1 - Pressure control valve - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckregelventil (10) zur Regelung des Druckes in einem Hochdruckspeicher (12) für ein Kraftstoffeinspritzsystem. Das Druckregelventil (10) ist zweistufig ausgeführt. Das Druckregelventil (10) umfasst eine erste Ventilstufe (20) für einen kleineren Durchfluss innerhalb eines ersten Betriebsbereiches des Druckregelventils (10). Des Weiteren umfasst das Druckregelventil (10) eine weitere, zweite Ventilstufe (42) für einen großen Durchfluss innerhalb eines zweiten Betriebsbereiches des Druckregelventils (10).The invention relates to a pressure regulating valve (10) for regulating the pressure in a high pressure accumulator (12) for a fuel injection system. The pressure control valve (10) is designed in two stages. The pressure regulating valve (10) comprises a first valve stage (20) for a smaller flow within a first operating range of the pressure regulating valve (10). Furthermore, the pressure regulating valve (10) comprises a further, second valve stage (42) for a large flow within a second operating range of the pressure regulating valve (10).
Description
Stand der TechnikState of the art
Heute werden in Kraftstoffeinspritzsystemen wie zum Beispiel im Common Rail System häufig Druckregelventile eingesetzt. Die genannten Druckregelventile müssen in einem sehr großen Arbeitsbereich von sehr kleinen Durchflüssen bei sehr hohen Drücken bis zu sehr großen Durchflüssen bei kleinen Drücken funktionieren und eine hohe Dynamik gewährleisten. Dadurch gestaltet es sich immer schwieriger, bei steigenden Nenndrücken der Hochdruckspeicherräume, eine optimale Ventilauslegung für den gesamten Betriebsbereich zu finden.Today, pressure control valves are frequently used in fuel injection systems, for example in the common rail system. The said pressure control valves have to work in a very large working range of very small flow rates at very high pressures to very high flow rates at low pressures and ensure high dynamics. This makes it increasingly difficult to find an optimal valve design for the entire operating range with increasing nominal pressures of the high-pressure reservoirs.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Druckregelventil vorgeschlagen, welches zur Regelung des Druckes in einem Hochdruckspeicher, beispielsweise in einem Hochdrucksammelraum für ein Kraftstoffeinspritzsystem (Common-Rail) dient, eingesetzt wird. Das Druckregelventil ist zweistufig ausgeführt und weist eine erste Ventilstufe auf, die für einen kleineren Durchfluss innerhalb eines ersten Betriebsbereiches des Druckregelventils ausgelegt ist und ferner eine zweite Ventilstufe, die für einen größeren Durchfluss innerhalb eines zweiten Betriebsbereiches des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventils ausgelegt ist.According to the invention, a pressure regulating valve is proposed, which is used for regulating the pressure in a high-pressure accumulator, for example in a high-pressure accumulator for a fuel injection system (common rail). The pressure control valve is designed in two stages and has a first valve stage, which is designed for a smaller flow within a first operating range of the pressure control valve and also a second valve stage, which is designed for a larger flow within a second operating range of the present invention proposed pressure control valve.
In vorteilhafter Weise handelt es sich bei der ersten Ventilstufe um ein Magnetventil und bei der zweiten Ventilstufe um ein hydraulisches Ventil. Die erste Ventilstufe und die zweite Ventilstufe sind in einem gemeinsamen Ventileinsatz ausgebildet, der an einer Stirnseite eines rohrförmig ausgebildeten Hochdruckspeichers eines Kraftstoffeinspritzsystems für Fahrzeuge aufgenommen werden kann. Bei dem gemeinsamen Ventileinsatz handelt es sich beispielsweise um einen mit einem Außengewinde versehenen massiven Metallkörper.Advantageously, the first valve stage is a solenoid valve and the second valve stage is a hydraulic valve. The first valve stage and the second valve stage are formed in a common valve insert which can be received on an end face of a tubular high-pressure accumulator of a fuel injection system for vehicles. The common valve insert is, for example, a solid metal body provided with an external thread.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Druckregelventil arbeitet zweistufig, wobei es durch die beiden in diesen verwirklichten Ventilstufen unterschiedliche Betriebsbereiche, die durch unterschiedliche Betriebsparameter charakterisiert werden, abdecken kann. Während die erste Ventilstufe, bei der es sich um ein Magnetventil handelt für einen ersten Betriebsbereich optimiert wird, der durch sehr kleine benötigte Ventildurchflüsse charakterisiert werden kann, ist die zweite Ventilstufe, die als hydraulisches Ventil ausgelegt ist, für den Einsatz bei großen Durchflüssen optimiert. Auf diese Weise wird der Betriebsbereich des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventiles in Bezug auf den Durchfluss in zwei Zonen unterteilt, für die die den Zonen jeweils zugeordnete Ventilstufe separat und unabhängig voneinander optimiert werden können. Hinsichtlich steigender Anforderungen bezüglich eines Nenndruckes des Hochdruckspeichers sowie für andere Durchflussbereiche ist eine einfache Skalierbarkeit über die Auslegung eines Servomechanismus im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventil gegeben. Eine sinnvolle Trennung der beiden unterschiedlichen Betriebsbereiche erfolgt am sinnvollsten durch einen maximal stellbaren Drosselquerschnitt. Für die erste Ventilstufe gilt ein maximaler wirksamer Querschnitt von 0,05 mm2, während für die zweite Ventilstufe, die als hydraulisches Ventil ausgelegt ist, ein maximal stellbarer Drosselquerschnitt von bis zu 0,3 mm2 gilt.The pressure regulating valve proposed according to the invention operates in two stages, whereby it can cover different operating ranges, which are characterized by different operating parameters, through the two valve stages realized in these. While the first valve stage, which is a solenoid valve, is optimized for a first operating range that can be characterized by very small required valve flows, the second valve stage, which is designed as a hydraulic valve, is optimized for use at high flow rates. In this way, the operating range of the present invention proposed pressure control valve is divided with respect to the flow in two zones, for which the zones respectively associated valve stage can be optimized separately and independently. With regard to increasing requirements with regard to a nominal pressure of the high-pressure accumulator and for other flow ranges, simple scalability is provided by the design of a servo mechanism in the pressure control valve proposed according to the invention. A sensible separation of the two different operating ranges is made most sensibly by a maximum adjustable throttle cross-section. For the first valve stage applies a maximum effective cross section of 0.05 mm 2 , while for the second valve stage, which is designed as a hydraulic valve, a maximum adjustable throttle cross-section of up to 0.3 mm 2 applies.
Aufgrund der kompakten Bauweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventils lassen sich beide Ventilstufen in ein und demselben mit einem Außengewinde versehenen Ventileinsatz ausbilden, in dem auch ein Steuerraum ausgebildet ist, der über einen sich durch den gemeinsamen Ventileinsatz verlaufenden Zulaufdrosselkanal befüllbar ist. Dieser Steuerraum im gemeinsamen Ventileinsatz wird durch ein erstes Schließelement, welches beispielsweise kugelförmig ausgebildet sein kann, druckentlastet. Das zur ersten Ventilstufe gehörende insbesondere kugelförmig ausgebildete Schließelement wird durch ein stabförmiges Ventilglied betätigt, welches über eine Magnetspule betätigbar ist, die die in vorteilhafter Weise als Magnetventil ausgeführte erste Ventilstufe umfasst. Die genannte erste Ventilstufe realisiert eine direkte Steuerung des Druckes im Druckspeicher insbesondere eines Hochdrucksammelraums eines Kraftstoffeinspritzsystems für Fahrzeuge bei kleinen Durchflüssen und einem sehr hohen Druckniveau. Die erste Ventilstufe, d.h. das Magnetventil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckventils betätigt bei einem entsprechenden Druckabbau im Steuerraum die zweite Ventilstufe, die als hydraulisches Ventil ausgebildet ist, und in einem zweiten Betriebsbereich des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventils aktiviert wird, wenn bei einem geringeren Druckniveau im Hochdrucksammelraum größere Durchflussmengen realisiert werden müssen.Due to the compact construction of the pressure regulating valve proposed according to the invention, both valve stages can be formed in one and the same externally threaded valve insert, in which a control chamber is formed, which can be filled via an inlet throttle passage extending through the common valve insert. This control chamber in the common valve insert is pressure-relieved by a first closing element, which may be spherical, for example. The closing element belonging to the first valve step, in particular a ball-shaped closing element, is actuated by a rod-shaped valve member which can be actuated via a magnet coil which comprises the first valve stage, which is advantageously designed as a solenoid valve. Said first valve stage realizes a direct control of the pressure in the pressure accumulator, in particular a high-pressure accumulation chamber of a fuel injection system for vehicles at low flow rates and a very high pressure level. The first valve stage, i. the solenoid valve of the present invention proposed pressure valve actuated at a corresponding pressure reduction in the control chamber, the second valve stage, which is designed as a hydraulic valve, and is activated in a second operating range of the inventively proposed pressure control valve, if larger flow rates must be realized at a lower pressure level in the high-pressure accumulator.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventils stellt sich derart dar, dass die erste Ventilstufe mittels des elektromechanischen Stellers betätigt wird, d.h. als ein Magnetventil ausgebildet ist, bei dessen Öffnen der Druck im Steuerraum abgebaut wird. Der Steuerraum, der durch die erste Ventilstufe druckentlastbar ist, wird über den erwähnten Zulaufdrosselkanal, der sich durch den gemeinsamen Ventileinsatz erstreckt, wieder mit Kraftstoff befüllt. Bei zur Druckregelung im Hochdruckspeicher benötigten kleinen Durchflüssen, im vorliegenden Zusammenhang < 50 l/h, kann mit der ersten Ventilstufe der Systemdruck, d.h. der im Hochdruckspeicher herrschende Druck direkt geregelt werden, solange der Druck im Steuerraum nicht unterhalb eines Öffnungsdruckes für ein Betätigungselement für die zweite Ventilstufe, die als hydraulisches Ventil ausgebildet ist, absinkt. Im Normalbetrieb ist es erstrebenswert, möglichst wenig Durchfluss einzustellen, um nicht unnötig Energie zu verschwenden. The mode of operation of the pressure regulating valve proposed according to the invention arises in this way in that the first valve stage is actuated by means of the electromechanical actuator, ie is designed as a solenoid valve, at the opening of which the pressure in the control chamber is reduced. The control chamber, which can be relieved of pressure by the first valve stage, is refilled with fuel via the aforementioned inlet throttle channel, which extends through the common valve insert. When required for pressure control in the high-pressure accumulator small flow, in the present context <50 l / h, with the first valve stage, the system pressure, ie the pressure prevailing in the high-pressure accumulator pressure can be controlled directly, as long as the pressure in the control chamber is not below an opening pressure for an actuator for the second valve stage, which is designed as a hydraulic valve, drops. In normal operation, it is desirable to set as little flow as possible so as not to unnecessarily waste energy.
Bei dem erwähnten Betätigungselement handelt es sich in vorteilhafter Weise um einen Druckübersetzer, der im Wesentlichen kolbenförmig ausgebildet ist. Ein Ende des kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzers ragt in den über die erste Ventilstufe druckentlastbaren Steuerraum hinein, während das gegenüberliegende Ende des kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzers ein beispielsweise ebenfalls kugelförmig ausgebildetes Schließelement der zweiten Ventilstufe beaufschlagt. Solange der Druck im Steuerraum nicht unterhalb eines Öffnungsdruckes des kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzers absinkt, wird mit der ersten Ventilstufe das Druckniveau im Hochdruckspeicher direkt geregelt.In the mentioned actuator is advantageously a pressure booster, which is formed substantially piston-shaped. One end of the piston-shaped pressure booster projects into the pressure chamber which can be relieved of pressure via the first valve stage, while the opposite end of the piston-shaped pressure booster acts on a closing element of the second valve stage which, for example, is likewise spherically formed. As long as the pressure in the control chamber does not fall below an opening pressure of the piston-shaped pressure booster, the pressure level in the high-pressure reservoir is controlled directly with the first valve stage.
Der Übergang von den zur Druckregelung benötigten kleinen Durchflussmengen zu größeren Durchflussmengen, d.h. die Durchflussgrenze beziehungsweise ein Durchflussübergangsbereich ist von der Auslegung des Zulaufdrosselkanales für den Steuerraum und der druckbeaufschlagbaren Fläche des kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzers, der in den Steuerraum hineinragt sowie einer Schließfeder sowie dem Sitzdurchmesser des kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzers betätigten hydraulischen Ventiles abhängig.The transition from the small flow rates needed for pressure control to larger flow rates, i. the flow limit or a flow transition region is dependent on the design of the inlet throttle channel for the control chamber and the pressurizable surface of the piston-shaped pressure booster, which projects into the control chamber and a closing spring and the seat diameter of the piston-shaped pressure booster actuated hydraulic valve.
Wird ein höherer Durchfluss benötigt, um den Druck zu regeln, wird die zweite Ventilstufe, d.h. das hydraulisch betätigte Ventil zusätzlich zur ersten Ventilstufe eingesetzt. Dazu muss der Druck im Steuerraum durch Öffnung der ersten Ventilstufe soweit abgebaut werden, dass der Druckübersetzer in den Steuerraum einfährt und demzufolge das zweite Schließelement aus dem zweiten Ventilsitz der zweiten Ventilstufe freigibt, so dass größere Durchflüsse erreicht werden können.If a higher flow is needed to control the pressure, the second valve stage, i. the hydraulically operated valve is used in addition to the first valve stage. For this purpose, the pressure in the control chamber by opening the first valve stage must be reduced so far that the pressure booster enters the control chamber and consequently releases the second closing element from the second valve seat of the second valve stage, so that larger flows can be achieved.
Sobald über die als Magnetventil ausgebildete erste Ventilstufe das erste Schließelement wieder in seinen Ventilsitz gestellt wird, erfolgt ein Druckaufbau im Steuerraum, so dass der kolbenförmig ausgebildete Druckübersetzer unterstützt durch die Wirkung der Schließfeder wieder aus diesem ausfährt und das zweite bevorzugt kugelförmig ausgebildete Schließelement wieder in den zweiten Ventilsitz stellt. Ist das Druckregelventil komplett geschlossen, wird lediglich eine geringe Leckagemenge über einen anfertigungsbedingten Führungsspalt des kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzers abströmen.As soon as the first closing element formed as a solenoid valve is placed back in its valve seat, a pressure build-up in the control chamber, so that the piston-shaped pressure booster again supported by the action of the closing spring and the second preferred spherical-shaped closing element again in the second valve seat poses. If the pressure control valve is completely closed, only a small amount of leakage will escape via a preparation-related guide gap of the piston-shaped pressure booster.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eines zweistufig ausgebildeten Druckregelventils ermöglicht eine Optimierung jeder der beiden Ventilstufen für die betreffenden Arbeitsbereiche. Die beiden Ventilstufen, von denen eine als Magnetventil und die andere als hydraulisches Ventil gestaltet wird, können für die jeweils unterschiedlichen Betriebsbereiche getrennt und unabhängig voneinander optimiert werden. Durch eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Auslegung der einzelnen Ventilstufen und der Verwendung eines Servomechanismus wird eine hohe Skalierbarkeit gewährleistet, d.h. das erfindungsgemäß vorgeschlagene Druckregelventil kann durch entsprechende Parameterwahl auch, so zum Beispiel bei steigendem Nennbetriebssystemdruck, an andere Betriebsbereiche angepasst werden. The inventively proposed solution of a two-stage pressure control valve allows optimization of each of the two valve stages for the respective work areas. The two valve stages, one of which is designed as a solenoid valve and the other as a hydraulic valve, can be optimized for each different operating ranges separately and independently. Higher flexibility in designing the individual valve stages and the use of a servo mechanism ensures high scalability, i. the pressure control valve proposed according to the invention can also be adapted to other operating ranges by appropriate selection of parameters, for example, with increasing nominal operating system pressure.
Ein weiterer hervorstechender Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckregelventils ist die automatische Betätigung des zweiten Ventils, d.h. des hydraulischen Ventils nach Betätigung der ersten Ventilstufe, d.h. des Magnetventils sobald durch das letztgenannte ein bestimmtes Druckniveau im Steuerraum erreicht ist.Another salient advantage of the present invention's proposed pressure control valve is the automatic actuation of the second valve, i. of the hydraulic valve after actuation of the first valve stage, i. the solenoid valve as soon as the latter reaches a certain pressure level in the control chamber.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht des Weiteren eine sehr einfache Skalierbarkeit für geänderte Anforderungen oder Betriebsbereich durch jeweiliges Anpassen der hydraulisch wirksamen Durchmesser des Servomechanismus und der Zulaufdrosseln. Die elektromechanisch betätigte Ventilstufe, d.h. die erste Ventilstufe bleibt dabei unverändert. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Druckregelventil kann ein größerer nutzbarer Betriebsbereich (gegenüber Volumenstrom) durch Optimierung der ersten Ventilstufe auf Durchflüsse unter 50 l/h bei Drücken bis > 3000 bar und der zweiten Ventilstufe bei großen Durchflüssen bis 400 l/h und niedrigen Drücken von 150 bar bis 500 bar dargestellt werden. Eine Proportionalität des Ansteuerstromes in Bezug auf den jeweils dargestellten Druck kann verwendet werden, um den Druck zu steuern (Regelungsprinzip open loop) bei bekanntem Durchfluss.The proposed solution according to the invention further enables a very simple scalability for changing requirements or operating range by respectively adjusting the hydraulically effective diameter of the servo mechanism and the inlet throttles. The electromechanically actuated valve stage, i. the first valve stage remains unchanged. By the inventively proposed pressure control valve, a larger usable operating range (over volume flow) by optimizing the first valve stage to flows below 50 l / h at pressures up to> 3000 bar and the second valve stage at high flow rates up to 400 l / h and low pressures of 150 bar up to 500 bar. A proportionality of the drive current with respect to the pressure shown in each case can be used to control the pressure (control principle open loop) with known flow.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawings, the invention will be described in more detail below.
Es zeigt:It shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Darstellung gemäß
Wie
Der Ventileinsatz
In den durch die erste Ventilstufe druckentlastbaren Steuerraum
Im gemeinsamen Ventileinsatz
Eine Kontaktzone zwischen dem kolbenförmig ausgebildeten Druckübersetzer
In
Im geschlossenen Zustand des Druckregelventils
Wie
In diesem in
Im in
Ausgehend vom Zustand in
Bei dem in
Aus der Darstellung gemäß der
Sobald die erste Ventilstufe
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Druckregelventil
Weise an die darzustellenden größeren Durchflussmengen und das dementsprechende Druckniveau angepasst werden.Be adapted to the displayed larger flow rates and the corresponding pressure level.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |