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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Steuerung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere einem Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe mit einer solchen Ventilanordnung.
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Stand der Technik
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In heutigen Kraftstoffeinspritzsystemen bzw. in den hierin eingesetzten Hochdruckpumpen werden Zumesseinheiten zur Steuerung der Fördermenge verwendet. Zumesseinheiten sind elektromagnetisch gesteuerte Drosselventile, die zur Fördermengenbegrenzung im Zulaufbereich einer Hochdruckpumpe stromauf eines Saugventils angeordnet werden. Das Saugventil ist regelmäßig als Rückschlagventil ausgebildet, welches im Förderbetrieb geschlossen ist, um aus der Hubbewegung eines Pumpenkolbens einen Fördereffekt zu erzielen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 081 858 A1 geht eine Anordnung zur Steuerung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe mit einem als Rückschlagventil ausgebildeten Saugventil hervor, das ein axial bewegliches und über die Federkraft einer Feder in Richtung eines Ventilsitzes axial vorgespanntes Ventilglied umfasst. Um die Fördermengensteuerung einfacher und kostengünstiger zu gestalten, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass die Ventilfeder des Saugventils einerseits am Ventilglied und andererseits an einem hubbeweglichen Stellelement eines Stellers abgestützt ist, so dass über eine Hubbewegung des Stellelements der Federweg der Ventilfeder vergrößer- oder verkleinerbar ist. Über eine Hubbewegung des Stellelements kann demnach die axiale Vorspannkraft des Ventilgliedes gegenüber dem Ventilsitz und damit der zum Öffnen des Ventilgliedes erforderliche hydraulische Druck verändert werden. Dies hat zur Folge, dass eine dem Saugventil vorgeschaltete Zumesseinheit entfallen kann.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zur Steuerung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe anzugeben, die einfach und kostengünstig umsetzbar ist. Insbesondere soll die vorgeschlagene Ventilanordnung eine Steuerung der Fördermenge der Hochdruckpumpe ohne die Verwendung einer Zumesseinheit ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus wird eine Hochdruckpumpe mit einer solchen Ventilanordnung vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zur Steuerung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe vorgeschlagene Ventilanordnung umfasst ein Saugventil mit einem in einem Ventilkörper axial beweglich aufgenommenen Ventilglied, das über die Federkraft einer Ventilfeder in Richtung eines Ventilsitzes axial vorgespannt ist. Erfindungsgemäß umfasst die Ventilanordnung ferner wenigstens ein Steuerventil zur Anhebung oder Absenkung eines Drucks in einem Druckraum, der von einer am Ventilglied ausgebildeten Steuerfläche begrenzt wird.
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Das wenigstens eine Steuerventil der vorgeschlagenen Ventilanordnung bildet einen Servomechanismus aus oder ist Bestandteil eines Servomechanismus, der ein aktives Öffnen und Schließen des Saugventils der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ermöglicht. Die Öffnungs- und Schließzeiten des Saugventils sind somit frei wählbar, so dass das Saugventil zur Steuerung der Fördermenge der Hochdruckpumpe einsetzbar ist. Die Steuerung der Fördermenge über das Saugventil macht eine Zumesseinheit, die üblicherweise in Hochdruckpumpen zur Fördermengensteuerung Einsatz findet, entbehrlich. Der Wegfall der Zumesseinheit wirkt sich günstig auf die Herstellungs- und Betriebskosten aus.
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Ferner steigt mit Wegfall der Zumesseinheit die Robustheit und Zuverlässigkeit des Systems zur Fördermengensteuerung.
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Im Unterschied zu einem Saugventil mit vorgeschalteter Zumesseinheit, welche im Betrieb der Hochdruckpumpe permanent bestromt wird, kann die Bestromung des Steuerventils auf die Zeiten reduziert werden, in denen das Saugventil – in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Ventilanordnung – offen oder geschlossen ist. Die Bestromungs- bzw. Ansteuerzeiten können beispielsweise aus dem Signal einer Kurbelwelle generiert werden, über welche die Hochdruckpumpe zumindest mittelbar angetrieben wird.
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Ferner kann die erforderliche Aktorik zur Ansteuerung des Steuerventils derart ausgelegt werden, dass sie unempfindlich gegenüber Druckpulsationen im Zulauf, Erschütterungen und/oder am Ventilglied des Saugventils anliegenden Strömungskräften ist, so dass die Robustheit und die Funktionssicherheit steigen.
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Der vorgeschlagene Servomechanismus weist ferner Vorteile gegenüber einem Elektromagneten zur aktiven Steuerung eines Saugventils auf. Denn aufgrund der geringen Kräfte ist der Bauraumbedarf der Aktorik entsprechend gering. Es kann demnach eine kompakt bauende Ventilanordnung zur Steuerung der Fördermenge geschaffen werden.
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Der Druck im Druckraum, der von einer am Ventilglied ausgebildete Steuerfläche begrenzt wird, kann über das wenigstens eine Steuerventil angehoben oder abgesenkt werden. Vorzugsweise wird das Anheben oder Absenken des Drucks durch Zufuhr oder Abfuhr eines Hydraulikfluids, wie beispielsweise Kraftstoff, bewirkt. Hierzu kann das wenigstens eine Steuerventil an einen Niederdruckbereich der Hochdruckpumpe angeschlossen sein. Der Druck kann – in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Ventilanordnung – in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung des Saugventils wirken.
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Die Steuerfläche des Ventilgliedes ist vorzugsweise an einem kolbenförmigen Endabschnitt des Ventilgliedes ausgebildet. Der kolbenförmige Endabschnitt ist weiterhin vorzugsweise an einem dem Ventilsitz abgewandten Ende des Ventilgliedes angeordnet und in einer Zylinderbohrung des Ventilkörpers oder eines weiteren Gehäuseteils aufgenommen. Anstelle eines kolbenförmigen Endabschnitts kann das Ventilglied auch einen Hilfskolben besitzen, der mit dem Ventilglied fest verbunden ist. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise erst bei der Montage der Ventilanordnung, um das Einsetzen des Ventilgliedes in den Ventilkörper zu erleichtern.
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Vorteilhafterweise ist die Ventilfeder im Druckraum aufgenommen, der von einer am Ventilglied ausgebildeten Steuerfläche begrenzt wird. Das heißt, dass der Ventilfederraum zugleich als Druckraum bzw. Steuerraum dient. Eine entsprechende Anordnung kann besonders kompakt bauend realisiert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Ventilfeder am kolbenförmigen Endabschnitt oder am Hilfskolben abgestützt ist. Die zur Abstützung der Ventilfeder am kolbenförmigen Endabschnitt bzw. am Hilfskolben vorgesehene Fläche bildet vorzugsweise zugleich eine Steuerfläche aus.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ventilanordnung zwei Steuerventile, wobei vorzugsweise ein Steuerventil als stromlos offenes und ein Steuerventil als stromlos geschlossenes 2/2-Wegeventil ausgeführt ist. Beide Steuerventile sind mit einem Druckraum verbunden bzw. verbindbar, so dass bei Bestromung der Ventile Druck im Druckraum aufgebaut bzw. der Druckraum entlastet werden kann. Bei dem Druckraum kann es sich beispielsweise um den Ventilfederraum handeln.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ventilanordnung lediglich ein Steuerventil, das in diesem Fall als 3/2-Wegeproportionalventil ausgebildet ist. Druckaufbau bzw. Druckabbau im Druckraum werden dann über ein Steuerventil bewirkt.
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Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ventilanordnung ein Steuerventil und eine Drossel, wobei das Steuerventil vorzugsweise als stromlos geschlossenes 2/2-Wegeventil ausgeführt ist. Die Drossel ist vorzugsweise als Konstantdrossel ausgeführt und beliefert den Druckraum mit einem Druckmedium. Das Steuerventil dient vorzugsweise der Entlastung des Druckraums. Soll das Saugventil aktiv geöffnet werden, wird das Steuerventil bestromt. Auch bei dieser Ausführungsform dient bevorzugt der Ventilfederraum als Druckraum.
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Gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ventilanordnung ein Steuerventil und einen Druckübersetzer, wobei das Steuerventil vorzugsweise als stromlos offenes 2/2-Wegeventil ausgeführt ist.
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Neben den vier angegebenen bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung sind weitere Ausführungsformen möglich, die zahlreiche Abwandlungen betreffen und daher nicht abschließend aufgeführt werden können. Insbesondere kann die Anordnung der Steuerfläche am Ventilglied und damit die Lage des Druckraums bzw. Steuerraums variiert werden. Hieraus folgt ferner, ob der Steuerdruck, der über das wenigstens eine Steuerventil einstellbar ist, in Öffnungs- oder Schließrichtung des Saugventils wirkt und/oder, ob die Ansteuerung des Saugventils über eine Druckanhebung oder eine Druckabsenkung im Druckraum realisiert wird.
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Die Federvorspannkraft der Ventilfeder des Saugventils ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass das Saugventil bei Anliegen des Drucks aus einem Kraftstoffzulauf geschlossen ist.
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Die ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Hochdruckpumpe umfasst eine erfindungsgemäße Ventilanordnung, wobei die Ventilanordnung der Steuerung der Fördermenge dient. Hierzu ist ein Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe über das Saugventil mit einem Kraftstoffzulauf verbindbar.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1a)einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
b) ein Funktionsschema der Anordnung der 1a,
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2a) einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
b) ein Funktionsschema der Anordnung der 2a,
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3a) einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform und
b) ein Funktionsschema der Anordnung der 3a.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in den 1a und 1b dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung zur Steuerung einer Fördermenge einer Hochdruckpumpe umfasst ein Saugventil 1 mit einem in einem Ventilkörper 2 axial beweglich aufgenommenen Ventilglied 3. Das Ventilglied 3 ist in Richtung eines Ventilsitzes 5 von der Federkraft einer Ventilfeder 4 beaufschlagt. Die Federkraft der Ventilfeder 4 wirkt demnach in Schließrichtung des Saugventils 1. Zur Ausbildung einer mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkenden Dichtfläche 17 weist das Ventilglied 3 einen ersten Endabschnitt mit einem vergrößerten Außendurchmesser auf. An seinem anderen Ende besitzt das Ventilglied 3 einen kolbenförmigen Endabschnitt 12 (siehe 1a) oder einen Hilfskolben 12‘ (siehe 1b), welcher in einer Zylinderbohrung 18 aufgenommen und geführt ist, so dass in der Zylinderbohrung 18 zwei Druckräume 8, 9 ausgebildet werden. Im Druckraum 8 ist die Ventilfeder 4 in der Weise angeordnet, dass sie einerseits am Ventilkörper 2 und andererseits am kolbenförmigen Endabschnitt 12 bzw. dem Hilfskolben 12‘ abgestützt ist. Der kolbenförmige Endabschnitt 12 bzw. der Hilfskolben 12‘ dient auf diese Weise zugleich als Federteller.
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Zur aktiven Steuerrung des Saugventils 1 umfasst die Ventilanordnung der 1a und 1b ferner zwei Steuerventile 6, 7, über welche der Druckraum 8 mit einem Kraftstoffzulauf 16 bzw. einem Kraftstoffrücklauf 19 verbindbar ist. Das Steuerventil 6 ist dabei als stromlos offenes Ventil und das Steuerventil 7 als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Über das Steuerventil 6, das eine Verbindung des Druckraums 8 mit dem Kraftstoffzulauf 16 herstellt, wird der Druck im Druckraum 8 auf dem im Kraftstoffzulauf 16 herrschenden Niveau gehalten. Der gleiche Druck liegt im Druckraum 9 an, da dieser ebenfalls an den Kraftstoffzulauf 16 angeschlossen ist. An den beiden die Druckräume 8, 9 begrenzenden Stirnflächen des kolbenförmigen Endabschnitts 12 bzw. des Hilfskolbens 12‘, welche somit Steuerflächen 10, 11 ausbilden, liegt demzufolge der gleiche hydraulische Druck an. Da an der Steuerfläche 10 zudem die Ventilfeder 4 abgestützt ist, wird das Saugventil 1 in Schließstellung gehalten. Wird nunmehr das Steuerventil 7 bestromt und demzufolge eine Verbindung des Druckraums 8 mit dem Kraftstoffrücklauf 19 hergestellt, wird der Druckraum 8 entlastet. Die Entlastung bewirkt, dass das Saugventil 1 öffnet und Kraftstoff aus dem Kraftstoffzulauf 16 in einen Pumpenarbeitsraum 15 der Hochdruckpumpe strömt.
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Die Steuerventile 6, 7 sind im Ausführungsbeispiel der 1a und 1b derart ausgelegt, dass der Druck im Druckraum 8 möglichst schnell abgesenkt und wieder aufgebaut werden kann. Auf diese Weise ist ein schnelles Öffnen und Schließen des Saugventils 1 gewährleistet. Das Öffnungs- und Schließverhalten des Saugventils 1 kann darüber hinaus durch ein bestimmtes Ansteuermuster der Bestromung der Steuerventile 6, 7 eingestellt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2a und 2b ist das Saugventil 1 gleich dem der 1a und 1b ausgeführt. Im Unterschied zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird vorliegend die aktive Steuerung des Ventilgliedes 3 des Saugventils 1 jedoch nicht über zwei Steuerventile 6, 7, sondern über eine Drossel 13 und ein Steuerventil 7 bewirkt, wobei das Steuerventil 7 als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt ist. Während die Drossel 13 (bei geschlossenem Steuerventil 7) sicherstellt, dass im Druckraum 8 Zulaufdruck herrscht und die Federkraft der Ventilfeder 4 das Saugventil 1 geschlossen hält, kann über das Steuerventil 7 eine Entlastung des Druckraums 8 bewirkt werden, so dass das Saugventil 1 öffnet. Damit der Druck im Druckraum 8 absinken kann, muss der resultierende Massenstrom durch die Drossel 13 kleiner sein als durch das Steuerventil 7. Die Drossel 13 ist vorliegend als Konstantdrossel ausgebildet.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung ist in den 3a und 3b dargestellt. Das Saugventil 1 ist wiederum entsprechend dem Saugventil 1 der vorherigen Ausführungsformen ausgeführt. Die aktive Steuerung des Saugventils 1 wird in diesem Fall jedoch durch ein Steuerventil 6 und einen Druckübersetzer 14 bewirkt. Das Steuerventil 6, das als stromlos offenes Ventil ausgeführt ist, vermag eine Verbindung des Druckraums 9 mit einem Kraftstoffzulauf 16 herzustellen. Zugleich ist der Druckraum 8 an den Kraftstoffzulauf 16 angeschlossen. An den Steuerflächen 10, 11 des kolbenförmigen Endabschnitts 12 bzw. des Hilfskolbens 12‘ des Ventilgliedes 3 liegt demnach der gleiche hydraulische Druck an. Die Steuerfläche 10 wird zudem von der Federkraft der Ventilfeder 4 beaufschlagt, so dass diese das Saugventil 1 geschlossen hält. Zum Öffnen des Saugventils 1 wird das Steuerventil 6 bestromt, das in der Folge schließt. Zugleich kann über den ferner vorgesehenen Druckübersetzer 14 der Druck im Druckraum 9 derart erhöht werden, dass die Federkraft der Ventilfeder 4 überwunden wird und das Saugventil 1 öffnet.
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Im Ausführungsbeispiel der 3a und 3b wird demnach das Öffnen des Saugventils 1 nicht durch ein Absenken des Drucks im Druckraum 8, sondern durch Anheben des Drucks im Druckraum 9 bewirkt. Allen drei dargestellten Ausführungsbeispielen gemein ist jedoch, dass das Saugventil 1 nur öffnet, wenn der Druck im Druckraum 8 kleiner als im Druckraum 9 ist.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Federkraft der Ventilfeder 4 jeweils derart dimensioniert, dass bei unbestromtem Steuerventil bzw. bei unbestromten Steuerventilen 6, 7 das Saugventil geschlossen ist. Die Federkraft der Ventilfeder 4 sowie die am kolbenförmigen Endabschnitt 12 bzw. am Hilfskolben 12‘ anliegenden hydraulischen Kräfte stellen Hauptwirkkräfte dar, die in Relation zu etwaigen Parasitärkräften, wie beispielsweise Reibkräften oder am Ventilglied 3 im Bereich des Ventilsitzes anliegenden hydraulischen Kräfte, hoch auszulegen sind. In entsprechender Weise steigen die Robustheit und Funktionssicherheit der vorgeschlagenen Ventilanordnung zur Steuerung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011081858 A1 [0003]
