DE102013208707A1

DE102013208707A1 - Überstromventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102013208707A1
Application number: DE102013208707.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Langenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-11-13
Also published as: WO2014183904A1; CN105408619A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Überströmventil für eine Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend ein in einer Gehäusebohrung (1) verschiebbar aufgenommenes Ventilelement (2) zur Verbindung eines Ventileingangs (3) mit wenigstens einem Ventilausgang (4, 5) sowie eine in einem Federraum (6) aufgenommene Feder (7), deren Federkraft das Ventilelement (2) in Richtung des Ventileingangs (3) beaufschlagt. Erfindungsgemäß sind mehrere Ventilausgänge (4, 5) jeweils in Form einer radial in die Gehäusebohrung (1) mündenden Bohrung vorgesehen, die zur Ausbildung eines mehrstufigen Überströmventils, umfassend wenigstens eine erste Stufe (A) und eine zweite Stufe (B), unterschiedliche freie Strömungsquerschnitte besitzen und/oder in unterschiedlichen axialen Abständen zum Ventileingang (3) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Überströmventil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Überströmventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Überströmventil.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 027 146 A1 geht eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem saugseitigen Niederdruckbereich hervor, in dem ein Überströmventil als Drucksteuerventil angeordnet ist. Das Überströmventil weist ein Ventilgehäuse mit einem Einlass und zwei Auslässen, einen beweglichen Ventilkörper und eine Ventilfeder auf, welche den Ventilkörper in Schließrichtung mit einer Druckkraft beaufschlagt. Um die Herstellung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zu vereinfachen, ist das Ventilgehäuse des Überströmventils in einer Bohrung des Gehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe verpresst und/oder verstemmt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 042 089 A1 ist des Weiteren ein Überströmventil für die Zuleitung einer Zumesseinheit einer Hochdruckpumpe einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung bekannt, welches ein Ventilgehäuse mit einem Eingang und zumindest einem Ausgang umfasst, wobei der Ausgang durch einen gegen die Kraft einer Druckfeder verschiebbaren Steuerkolben verschließbar ist. Die Druckfeder ist in einem im Ventilgehäuse ausgebildeten Federraum aufgenommen, welcher durch zumindest eine Druckausgleichsleitung mit dem Eingang des Ventilgehäuses verbunden ist. Somit herrscht im Federraum der gleiche Druck wie am Eingang des Überströmventils, was ferner dazu führt, dass die Kumulation von Gasblasen im Federraum sowie damit einhergehende Funktionsstörungen des Überströmventils vermieden werden. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass zur Vermeidung resonanzbedingter Fehlfunktionen in der Druckausgleichsleitung eine Drossel ausgebildet ist.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Überströmventil für eine Hochdruckpumpe anzugeben, das zur Druck- und Mengenregelung einsetzbar ist und darüber hinaus eine Druckvariation ermöglicht. Ferner soll das Überströmventil eine hohe Funktionssicherheit besitzen.
Zur Lösung der Aufgaben wird ein Überströmventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Überströmventil angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Überströmventil umfasst ein in einer Gehäusebohrung verschiebbar aufgenommenes Ventilelement zur Verbindung eines Ventileingangs mit wenigstens einem Ventilausgang sowie eine in einem Federraum aufgenommene Feder, deren Federkraft das Ventilelement in Richtung des Ventileingangs beaufschlagt. Erfindungsgemäß sind mehrere Ventilausgänge jeweils in Form einer radial in die Gehäusebohrung mündenden Bohrung vorgesehen, die zur Ausbildung eines mehrstufigen Überströmventils, umfassend wenigstens eine erste Stufe und eine zweite Stufe, unterschiedliche freie Strömungsquerschnitte besitzen und/oder in unterschiedlichen axialen Abständen zum Ventileingang angeordnet sind. Das vorgeschlagene Überströmventil öffnet demnach in mehreren Stufen, wobei in den mehreren Stufen die Anzahl und/oder der freie Strömungsquerschnitt der mit dem Ventileingang verbundenen Ventilausgänge variiert bzw. variieren. Dies hat zur Folge, dass auch der Durchfluss in den verschiedenen Stufen variiert. Der Durchfluss kann auf diese Weise an bestimmte Betriebsparameter der Hochdruckpumpe angepasst werden. Bei steigender Temperatur kann die über das Überströmventil abgeführte, vorzugsweise einem Rücklauf zugeführte Kraftstoffmenge erhöht werden, um beispielsweise eine verbesserte Wärmeabfuhr zu bewirken.
Bei einem erfindungsgemäßen Überströmventil wird der Durchfluss bevorzugt durch die Anzahl der Ventilausgänge und/oder durch den freien Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Ventilausgangs einer Stufe festgelegt.
Vorzugsweise ist der Durchfluss in der ersten Stufe geringer als der Durchfluss in der zweiten Stufe. Ein erhöhter Durchfluss in der zweiten Stufe ist gegeben, wenn die Anzahl der mit dem Ventileingang verbundenen Ventilausgänge in der zweiten Stufe größer als in der ersten Stufe ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Erhöhung des Durchflusses über eine entsprechende Vergrößerung des freien Strömungsquerschnitts des wenigstens einen Ventilausgangs der zweiten Stufe erreicht werden. Der Durchfluss in der ersten Stufe ist vorzugsweise derart gewählt, dass eine Mengenbegrenzung erzielt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die erste Stufe lediglich einen mit dem Ventileingang verbindbaren Ventilausgang. Die zweite Stufe kann demgegenüber mehrere und/oder größere Ventilausgänge besitzen, die – zusätzlich zu dem Ventilausgang der ersten Stufe – mit dem Ventileingang verbindbar sind.
Sofern die zweite Stufe mehrere Ventilausgänge umfasst, beträgt die Anzahl der Ventilausgänge vorzugsweise 2, 3 oder 4. Darüber hinaus können aber auch mehr als 4 Ventilausgänge vorgesehen sein. Die mehreren Ventilausgänge sind weiterhin bevorzugt in einer Radialebene und/oder in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Durchströmung des Ventils erreicht. Der freie Strömungsquerschnitt der mehreren Ventilausgänge der zweiten Stufe ist vorzugsweise jeweils gleich gewählt.
Um eine Mengenbegrenzung in der ersten Stufe zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der über wenigstens einen Ventilausgang geschaffene freie Strömungsquerschnitt der ersten Stufe 0,15 mm² bis 0,5 mm² beträgt. Sofern die erste Stufe mehrere mit dem Ventileingang verbindbare Ventilausgänge umfasst, beträgt die Summe der freien Strömungsquerschnitte 0,15 mm² bis 0,5 mm².
Um die Mengenbegrenzung in der zweiten Stufe weitgehend aufzuheben, wird ferner vorgeschlagen, dass der über wenigstens einen Ventilausgang geschaffene freie Strömungsquerschnitt der zweiten Stufe 3 mm² bis 50 mm² beträgt. Auf diese Weise kann in der zweiten Stufe eine deutliche Erhöhung des Durchflusses bewirkt werden. Dies ermöglicht im Bedarfsfall eine schnelle Durchspülung und/oder Entlüftung der Hochdruckpumpe.
Die angestrebte Erhöhung des Durchflusses in der zweiten Stufe lässt sich an der Kennlinie des Überströmventils ablesen. Ein erfindungsgemäßes Überströmventil weist vorzugsweise eine Kennlinie auf, die zum Ende hin steil ansteigt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Öffnungsdruck des Überströmventils in der ersten Stufe 2,0 bar bis 4,0 bar beträgt. In der zweiten Stufe liegt der Öffnungsdruck vorzugsweise 1 bar bis 3 bar, weiterhin vorzugsweise 1 bar bis 2 bar, über dem Öffnungsdruck der ersten Stufe.
Vorteilhafterweise ist im Betrieb der Hochruckpumpe der Federraum des Überströmventils überwiegend frei von flüssigem Kraftstoff. Dadurch ist sichergestellt, dass die Beweglichkeit des Ventilelements nicht eingeschränkt wird. Das Überströmventil weist somit eine hohe Dynamik und Funktionssicherheit auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist das Überströmventil derart ausgelegt, dass das Ventilelement den Federraum gegenüber dem Ventileingang abdichtet. Dass eine geringe Leckagemenge am Ventilelement vorbei in den Federraum gelangt, wird in Kauf genommen. Zum Abführen der Leckagemenge ist vorzugsweise der Federraum über eine Bohrung an eine Rücklaufleitung angeschlossen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement kolbenförmig ausgebildet ist. Ein solches Ventilelement ist einfach und kostengünstig herstellbar. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das kolbenförmige Ventilelement an seinem dem Ventileingang zugewandten Ende eine ringförmige Steuerkante besitzt. Die Lage der Steuerkante in Bezug auf die mehreren Ventilausgänge bestimmt den freien Strömungsquerschnitt wenigstens eines Ventilausgangs einer Stufe und damit den Ventildurchfluss.
Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben vorgeschlagene Hochdruckpumpe umfasst ein erfindungsgemäßes Überströmventil. Das Überströmventil ist hierbei in einem Niederdruckbereich der Hochdruckpumpe angeordnet. Vorzugsweise verbindet das Überströmventil einen Triebwerksraum der Hochdruckpumpe mit einer Rücklaufleitung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Hochdruckpumpe mit einem erfindungsgemäßen Überströmventil,
2 einen Schnitt durch das Überströmventil der Hochdruckpumpe der 1 und
3 ein Diagramm zur Darstellung der Kennlinie eines erfindungsgemäßen Überströmventils.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 dargestellte Hochdruckpumpe umfasst ein Gehäuse 12 mit einem Triebwerksraum 9, in dem eine Antriebswelle 13 mit einem Nocken 14 aufgenommen ist. An dem Nocken 14 ist mittelbar über einen Rollenstößel 15 ein Pumpenkolben 16 abgestützt. Das dem Nocken 14 abgewandte Ende des Pumpenkolbens 16 ist in einer Zylinderbohrung 17 des Gehäuses 12 aufgenommen, so dass der Pumpenkolben 16 einen Pumpenarbeitsraum 18 begrenzt. Der Pumpenarbeitsraum 18 ist über ein Einlassventil 19 mit einem Kraftstoffzulauf 20 und über ein Auslassventil 21 mit einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) verbindbar. Im Saugbetrieb der Hochdruckpumpe wird der Pumpenarbeitsraum 18 über das Einlassventil 19 mit Kraftstoff befüllt. Im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe wird der Kraftstoff im Pumpenarbeitsraum 18 verdichtet und anschließend dem Hochdruckspeicher zugeführt.
In das Gehäuse 12 der Hochdruckpumpe ist ein Überströmventil 11 integriert, über welches der Triebwerksraum 9 mit einer Rücklaufleitung 10 verbindbar ist. Auf diese Weise kann das Überströmventil 11 zur Druck- und Mengenregelung im Triebwerksraum 9 eingesetzt werden. Ferner ermöglicht das Überströmventil 11 den Ausgleich von Druckpulsationen. Denn es umfasst ein in einer Gehäusebohrung 1 verschiebbar aufgenommenes Ventilelement 2, das in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 7 beaufschlagt ist und somit in der Lage ist, zumindest einen Teil der Volumenunförmigkeit des Triebwerksraums 9 aufzunehmen.
Wie aus der 2 ersichtlich ist das Überströmventil 11 der Hochdruckpumpe der 1 mehrstufig ausgebildet. In einer ersten Stufe A ist ein einziger als Radialbohrung ausgebildeter Ventilausgang 4 mit einem Ventileingang 3 verbindbar, so dass der Durchfluss gering ist. Der Durchfluss in der ersten Stufe A – bei einem Druck von 4,0 bar – kann beispielsweise 30 l/h betragen. Wird das Überströmventil 11 weiter geöffnet, gibt das Ventilelement 2 weitere, jeweils als Radialbohrung ausgebildete Ventilausgänge 5 frei, die eine zweite Stufe B definieren. Durch die Verbindung der weiteren Ventilausgänge 5 mit dem Ventileingang 3 kann der Durchfluss deutlich erhöht werden. Beispielsweise kann der Gesamtdurchfluss in der zweiten Stufe B – bei einem Druck von 5,0 bar–200 l/h betragen.
Die Erhöhung des Durchflusses in der zweiten Stufe B wird einerseits durch die erhöhte Anzahl der Ventilausgänge 4, 5 und andererseits durch den freien Strömungsquerschnitt der Ventilausgänge 5 erreicht, der im Vergleich zum freien Strömungsquerschnitt des Ventilausgangs 4 jeweils größer gewählt ist.
Um einen Ventilausgang 4, 5 freizugeben, muss das Ventilelement 2 entgegen der Federkraft der Feder 7 verschoben werden, bis eine ringförmige Steuerkante 8 des Ventilelements 2 eine den Ventilausgang 4, 5 zum Ventileingang 3 hin begrenzende Kante überfahren hat. Über die Federkraft der Feder 7, die in einem Federraum 6 aufgenommen ist, ist der Öffnungsdruck des Überströmventils einstellbar. Der Öffnungsdruck in der ersten Stufe A kann beispielsweise 2,5 bar und in der zweiten Stufe B 4, 5 bar betragen.
In der 3 ist eine mögliche Kennlinie eines erfindungsgemäßen Überströmventils 11 dargestellt. In einem ersten Abschnitt weist die Kennlinie einen sehr flachen Verlauf auf. In dieser Stellung ist das Überströmventil geschlossen und lediglich eine geringe Leckagemenge vermag am Ventilelement 2 vorbei in die Rücklaufleitung 10 abzuströmen. Mit Übersteigen des Öffnungsdrucks der ersten Stufe A steigt der Durchfluss Q erstmalig deutlich an. Der Verlauf der Kennlinie hängt in diesem Abschnitt von der konkreten Ausgestaltung der ersten Stufe A, insbesondere von der Anzahl und/oder dem freien Strömungsquerschnitt der Ventilausgänge 4 ab. Eine signifikante Erhöhung des Durchflusses Q wird jedoch erst mit Überschreiten des Öffnungsdrucks der zweiten Stufe B erreicht. In diesem Abschnitt steigt die Kennlinie steil an. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der freie Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Ventilausgangs 5 und/oder die Anzahl der Ventilausgänge 5 der zweiten Stufe B deutlich größer ist.
Ein alternativer Verlauf der Kennlinie nach Überschreiten des Öffnungsdrucks der zweiten Stufe B ist in der 3 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Der Anstieg der Kennlinie ist hier weniger steil und verläuft in einer Kurve.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009027146 A1 [0002]
DE 102008042089 A1 [0003]

Claims

Überströmventil für eine Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend ein in einer Gehäusebohrung (1) verschiebbar aufgenommenes Ventilelement (2) zur Verbindung eines Ventileingangs (3) mit wenigstens einem Ventilausgang (4, 5) sowie eine in einem Federraum (6) aufgenommene Feder (7), deren Federkraft das Ventilelement (2) in Richtung des Ventileingangs (3) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventilausgänge (4, 5) jeweils in Form einer radial in die Gehäusebohrung (1) mündenden Bohrung vorgesehen sind, die zur Ausbildung eines mehrstufigen Überströmventils, umfassend wenigstens eine erste Stufe (A) und eine zweite Stufe (B), unterschiedliche freie Strömungsquerschnitte besitzen und/oder in unterschiedlichen axialen Abständen zum Ventileingang (3) angeordnet sind.
Überströmventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss in der ersten Stufe (A) geringer als der Durchfluss in der zweiten Stufe (B) ist.
Überströmventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe (B) mehrere Ventilausgänge (5) umfasst, die in einer Radialebene und/oder in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
Überströmventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der über wenigstens einen Ventilausgang (4) geschaffene freie Strömungsquerschnitt der ersten Stufe (A) 0,15 mm² bis 0,5 mm² beträgt.
Überströmventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der über wenigstens einen Ventilausgang (5) geschaffene freie Strömungsquerschnitt der zweiten Stufe (B) 3 mm² bis 50 mm² beträgt.
Überströmventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdruck des Überströmventils in der ersten Stufe (A) 2,0 bar bis 4,0 bar beträgt.
Überströmventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdruck des Überströmventils in der zweiten Stufe (B) 1 bar bis 3 bar, vorzugsweise 1 bar bis 2 bar, über dem Öffnungsdruck der ersten Stufe (A) liegt.
Überströmventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (2) den Federraum (6) gegenüber dem Ventileingang (3) abdichtet.
Überströmventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (2) kolbenförmig ausgebildet ist und/oder an seinem dem Ventileingang (3) zugewandten Ende eine ringförmige Steuerkante (8) besitzt.
Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Überströmventil (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Überströmventil (11) in einem Niederdruckbereich der Hochdruckpumpe angeordnet ist und vorzugsweise einen Triebwerksraum (9) der Hochdruckpumpe mit einer Rücklaufleitung (10) verbindet.