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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Druckregelventile werden beispielsweise in Kraftstoffeinspritzsystemen zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Insbesondere werden Druckregelventile bei Common-Rail-Einspritzsystemen für Dieselmotoren verwendet. Bei diesen Systemen fördert eine Hochdruckpumpe den einzuspritzenden Kraftstoff auf Hochdruck und führt ihn einem Hochdruckspeicher, dem so genannten Common Rail, zu. Im Hochdruckspeicher kann ein Druckregelventil vorgesehen sein, um den Druck im Rail abhängig von einem vorgegebenen Solldruck einzustellen und zu halten. Druckregelventile sind häufig als Magnetventile ausgelegt.
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1 zeigt ein herkömmliches Druckregelventil.
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Das Druckregelventil 2 der 1 weist eine Mediumeinlassöffnung 4a sowie eine Mediumauslassöffnung 4b auf. Die Mediumauslassöffnung 4b ist in 1 schematisch aufgeteilt in insgesamt vier angedeutete Mediumauslassöffnungen 4b. Ein Ventilelement 6, ausgebildet aus einer Ventilkugel 6a, die von einem Stabelement 6c in den Ventilsitz 6b gepresst wird, ist weiterhin vorgesehen. Unter Verwendung der Antriebseinheit 8, welche auf Stabelement 6c wirkt, ist ein Öffnen und Schließen des Ventilelementes 6 durch Lösen bzw. Aufpressen der Ventilkugel 6a von/auf Ventilsitz 6b realisierbar.
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Das Druckregelventil 2 zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilkugel 6a mittels des Stabelementes 6c in der Regelposition gehalten wird, der Hub des Kugelventils bzw. Ventilelementes 6 somit derart eingestellt wird, dass über den Ventilsitz die gewünschte Druckdifferenz einstellbar ist. Die Gegenkraft zur hydraulischen Belastung durch das Druckregelventil zu transportierende Medium wird über die Antriebseinheit 8, exemplarisch ausgebildet aus einem Magnetaktor, bereitgestellt. Zur Erzielung einer hohen Regelgüte dürfen die hydraulischen Kräfte in der Nähe des Betriebspunktes nicht signifikant variieren.
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Eine Strömung des Mediums von Mediumeinlassöffnung 4a über das Ventilelement 6 zu den Mediumauslassöffnungen 4b wird jedoch bei einem herkömmlichen Druckregelventil, nachdem das Medium den engsten Querschnitt im Ventilsitz passiert hat, axial entlang des Stabelementes radial nach außen geführt. Hierbei sind zwei Strömungswege möglich. Ein Strömungsweg verläuft entlang der Kugeloberfläche, dem Stabelement folgend bis zu den Mediumauslassöffnungen 4b, ein weiterer entlang des konisch ausgebildeten Ventilsitzes bis zu den Mediumauslassöffnungen 4b.
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Beide Mediumwege sind annähernd gleichberechtigt und können im Betrieb auch laufend wechseln. Hierdurch ändert sich die Krafteinwirkung auf das Stabelement und damit auch die Kraftbilanz. Dies mag zu Instabilitäten führen, insbesondere zur Geräuschbildung oder Ausbildung von Druckwellen im Druckregelventil, die in den angeschlossenen Niederdruckkreis einkoppeln und dadurch Störwirkungen auslösen bzw. verstärken können.
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Das herkömmliche Druckregelventil weist dabei eine lange Führung für das Stabelement zwischen dem eigentlichen Ventilelement 6 und der Antriebseinheit 8 auf. Hierdurch können weitere Störkräfte, zum Beispiel durch Belagsbildung in der Führung, mangelnde Entlüftung bzw. Umpumpverluste von Ankerober- zu -unterseite entstehen, insbesondere dadurch, dass sämtliche Komponenten im Druckregelventil mediumbeaufschlagt sind, somit mit dem zu transportierenden Medium in Kontakt stehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Druckregelventil mit einem veränderten Aufbau bereitzustellen, bei dem einerseits die Antriebseinheit nicht mediumbeaufschlagt wird und andererseits ein verändertes Strömungsverhalten des Mediums aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Druckregelventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Ferner wird ein Hochdruckspeicher mit einem solchen Druckregelventil vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß ist das Druckregelventil derart aufgebaut, dass einerseits ein mediumbeaufschlagter erster Bereich sowie ein nicht-mediumbeaufschlagter zweiter Bereich ausgebildet werden. Dies wird dadurch erzielt, dass das Druckregelventil ein mediumdichtes Dichtelement aufweist, welches den Bereich von Mediumeinlassöffnung, Mediumauslassöffnung und Ventilelement vom restlichen Druckregelventil, insbesondere von der Antriebseinheit, abtrennt. Das Medium durch das Druckregelventil ist somit im Wesentlichen ausschließlich im Bereich von Einlassöffnung über das Ventilelement zur Auslassöffnung hin angeordnet.
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Im geöffneten Zustand des Ventilelementes ist eine Mediumverbindung zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung realisiert. Mediumverbindung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein über die Einlassöffnung eintretendes Medium im Druckregelventil fließen und über die Auslassöffnung austreten mag.
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Erfindungsgemäß wird das mediumdichte Dichtelement beispielsweise dadurch realisiert, dass direkt oberhalb der Ventilkugel das Dichtelement vorgesehen ist, beispielsweise in Form einer elastischen Membran. Damit ist der Aktorteil vom Ventilteil separiert, es kann kein Medium zum Aktor gelangen. Aufgrund der Flexibilität der Membran mag die Antriebseinheit, welche im Wesentlichen herkömmlich aufgebaut sein kann, auf eine Seite des Dichtelementes wirken, während das Ventilelement, insbesondere mit seinen Bestandteilen Ventilkugel und Ventilsitz auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der Membran angeordnet ist.
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Eine Halterung der Ventilkugel kann beispielsweise durch ein geeignetes Aufnahmeelement, beispielsweise ein Kalottenelement, realisiert sein, welches einerseits eine gewisse Führung der Ventilkugel bereitstellt, andererseits auch derart ausgebildet sein kann, dass die Ventilkugel in dem Halteelement gelagert bzw. formschlüssig oder kraftschlüssig gehalten wird. Das Halteelement selbst wiederum kann formschlüssig am Dichtelement angebracht sein.
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Durch ein geeignet ausgestaltetes Dichtelement mit beispielsweise einer Vorspannung kann das Ventilelement in einem Ruhezustand ohne äußere Kraftzufuhr, insbesondere ohne Kraftzufuhr durch die Antriebseinheit, derart ausgebildet sein, dass es in einem geöffneten Zustand verbleibt. Die Kraftbeaufschlagung durch die Antriebseinheit kann somit im Wesentlichen ausschließlich zum Schließen des Ventilelementes verwendet werden.
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Die Antriebseinheit selbst muss dabei nicht kraftschlüssig am Dichtelement angebunden sein, sondern kann lediglich dann eine Kraft auf das Dichtelement aufbringen, welches dieses aufgrund seiner Flexibilität verformt und dadurch das Ventilelement und insbesondere die Ventilkugel bewegt, beispielsweise auf den Ventilsitz presst, um dadurch das Ventilelement und damit das Druckregelventil zu schließen.
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Aufgrund der Mediumtrennung und insbesondere der Nicht-Beaufschlagung der Antriebsseite mit Medium kann somit auch kein Medium zum Antrieb, beispielsweise ausgebildet als ein Magnetantrieb, selbst gelangen, es können sich somit auch keine Luft oder andere Gase einschließen, und auch die Bildung bzw. Ablagerung von zähflüssigem Medium bei tiefen Temperaturen um die Antriebseinheit und insbesondere um das Stabelement der Antriebseinheit wird somit vermieden. Zersetzungsprodukte können sich nicht in der Führung des Stabes ablagern und es gibt keinen Temperatureintrag vom Medium zur Antriebseinheit. Hieraus resultiert, dass auf der Antriebsseite preisgünstigere Materialien verwendet werden können, welche insbesondere nicht medienresistent sein müssen.
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Auf der Antriebsseite kann das umgebende Medium Luft sein, alternativ kann aufgrund der Kapselung des Druckregelventils auch ein (unterschiedliches) geeignetes Medium, wie beispielsweise ein geeignetes Silikonöl, eingefüllt werden. Die dichtende Wirkung der Membran kann durch weitere Dichtelemente, wie beispielsweise ein O-Ring, ergänzt werden.
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Anforderungen an das mediumdichte Dichtelement können als vergleichsweise gering angenommen werden. Eine Membran darf nicht zu dick ausgebildet sein, um noch die Kraft der Antriebseinheit elastisch übertragen zu können. Die Membran benötigt eine ausreichend hohe Druckfestigkeit gegenüber auftretenden Druckstößen und kann zusätzlich die Funktion einer Feder übernehmen, um das Ventil definiert zu öffnen bzw. kraftlos offen zu halten. Das Halteelement bzw. Kalottenelement kann dabei geeignet mit der Membran verbunden sein, insbesondere auch durch eine magnetische Halterung.
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Aufgrund der Trennung des mediumbeaufschlagten Bereiches des Druckregelventils vom nicht-mediumbeaufschlagten Antriebsbereichs des Druckregelventils können unterschiedliche Antriebstechnologien eingesetzt werden. Somit sind Antriebseinheiten, ausgebildet als Tauchanker oder Flachanker, realisierbar, wobei eine jeweilige Bauform insbesondere von einer Betriebskennlinie der Antriebseinheit abhängig ist, die derart ausgebildet sein soll, dass sich zusammen mit der hydraulischen Ventilkennlinie eine größtmögliche Stabilität des Antriebes ergibt.
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Aufgrund der nicht-mediumbeaufschlagten Antriebsseite des Druckregelventils mag ein herkömmlich vorgesehenes Stabelement wesentlich kürzer ausfallen bzw. im Wesentlichen vollständig entfallen. Vollständig entfallen mag insbesondere derart verstanden werden, dass ein Stabelement nur noch eine solche Länge aufweist, welche die herkömmlich geforderte Funktion der Stabilisierung in einer Führung nicht mehr benötigt bzw. nicht mehr aufweist, insbesondere aufgrund der fehlenden Mediumbeaufschlagung. Gleichzeitig mag aufgrund der Halterung der Ventilkugel durch das mediumdichte Dichtelement zusammen mit dem Halteelement eine Zentrierfunktion durch den Stab nicht mehr erforderlich sein.
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Durch eine geeignet ausgebildete Oberfläche des Halteelementes, insbesondere in Zusammenschau mit der Oberfläche der Ventilkugel und des Ventilsitzes, mag sich somit eine stabile Mediumströmung realisieren lassen. Durch die Bereitstellung eines im Wesentlichen eindeutigen Strömungsweges kann die Strömung um die Ventilkugel stabilisierbar sein. Besonders bevorzugt mag dies erreicht werden, indem die Mediumströmung am Ventilsitz entlanggeführt und vom Halteelement daran gehindert wird, die Ventilkugel großflächig zu umströmen. Weiterhin kann der Mediumauslass im Bereich des Ventilsitzes bzw. sogar unterhalb des Ventilsitzes liegen, wodurch im Wesentlichen eine Abführung radial nach außen bereitgestellt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Dichtelement, insbesondere eine Membran, Mittel zur Druckmessung aufweist, mit welchen eine Verformung des Dichtelements erfasst werden kann und wobei über die Verformung des Dichtelements ein Druck ermittelt werden kann. Eine solche Druckmessung liefert eine Information über den Druck im Rail, wobei die Druckmessung über das Dichtelement genauer ist als eine modellbasierte Druckermittlung über den Aktorstrom des Druckregelventils. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Mittel zur Druckmessung Dehnmessstreifen umfassen. Über Dehnmessstreifen lässt sich einfach, kostengünstig und mit hoher Genauigkeit eine Verformung des Dichtelements, insbesondere einer Dichtmembran erfassen, wodurch eine relativ genaue Druckmessung am Druckregelventil möglich ist. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Dehnmessstreifen auf der dem Magnetaktor zugewandten Seite der Membran angeordnet sind. Durch eine Anordnung auf der „trockenen“, d.h. nicht mit dem Medium in Kontakt tretenden Seite ist eine einfache Kontaktierung der Dehnmessstreifen möglich, zudem besteht keine Gefahr von Beschädigung durch Ablagerungen des Mediums.
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Da die Vorteile der vorliegenden Erfindung insbesondere bei Einsatz des Druckregelventils in einem Hochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Tragen kommen, wird ferner ein Hochdruckspeicher mit einem erfindungsgemäßen Druckregelventil angegeben.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine exemplarische Ausgestaltung eines Druckregelventils;
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2a, b exemplarische Ausgestaltungen von Druckregelventilen gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine Detaildarstellung einer exemplarischen Ausgestaltung des mediumbeaufschlagten Bereiches des Druckregelventils gemäß der vorliegenden Erfindung in Gegenüberstellung mit vorbekannten Druckregelventilen.
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4 ein Dichtelement eines erfindungsgemäßen Druckregelventils
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Weiter Bezug nehmend auf 2a, b werden exemplarische Ausgestaltungen von Druckregelventilen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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2a, b sind schematische Darstellungen von unterschiedlichen Ausführungsformen des Druckregelventils 2. Im Wesentlichen unterscheiden sich die Druckregelventile gemäß 2a und 2b durch ihre Antriebseinheit 8, welche in 2a als eine magnetische Antriebseinheit mit Tauchanker und in 2b als eine magnetische Antriebseinheit mit Flachanker ausgebildet ist. Andere Antriebsarten bzw. Antriebseinheiten sind denkbar, beispielsweise ein Piezoaktuator. Allen Antriebseinheiten gemein ist letztendlich, dass diese einen vergleichsweise geringen Hub auf das mediumdichte Dichtelement 12 ausüben müssen, so dass über das Halteelement 14 Ventilkugel 6a auf den Ventilsitz 6b gepresst wird, wodurch das Druckregelventil 2 schließt, dadurch die Mediumverbindung zwischen Mediumeinlassöffnung 4a und Mediumauslassöffnung 4b unterbindet.
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Exemplarisch wird nun das Druckregelventil 2 anhand 2a beschrieben. Ein Medium, beispielsweise Dieselkraftstoff, tritt über Mediumeinlassöffnung 4a in das Druckregelventil 2 ein. In 2a ist das Druckregelventil 2 im geschlossenen Zustand dargestellt, somit das Ventilelement 6 geschlossen, indem Ventilkugel 6a auf dem Ventilsitz 6b aufliegt. Ventilkugel 6a ist in einer geeignet ausgebildeten Haltevorrichtung bzw. Halteelement 14 aufgenommen und in diesem, beispielsweise einem Kalottenelement, form- oder kraftschlüssig gehaltert. Das Halteelement 14 ist angebracht an dem mediumdichten Dichtelement 12, welches eine gewisse Flexibilität einerseits und eine gewisse Vorspannung andererseits aufweist, so dass im Ruhezustand, somit ohne Kraftbeaufschlagung durch die Antriebseinheit 8, das Ventilelement 6 im geöffneten Zustand wäre.
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Das Stabelement 10 der Antriebseinheit 8 greift an der dem Ventilelement 6 gegenüberliegenden Seite des mediumdichten Dichtelementes an und vermag dieses durch geeignete Krafteinwirkung, in 2a nach unten gerichtet, ebenfalls nach unten zu bewegen und so Ventilkugel 6a in Richtung Ventilsitz 6b versetzen bzw. auf diesen aufpressen. Das Druckregelventil 2 bildet dabei aufgrund des mediumdichten Dichtelementes 12 einen ersten Bereich 18a, welcher mediumbeaufschlagt ist, sowie einen zweiten Bereich 18b, welcher im Wesentlichen nicht-mediumbeaufschlagt ist, aus.
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Im geöffneten Zustand des Druckregelventils 2 fließt das Medium über Mediumeinlassöffnung 4a vorbei an Ventilsitz 6b und Ventilkugel 6a und strömt in Richtung der Mediumauslassöffnung 4b, welche in 2a schematisch nach einer Seite, der rechten Seite abgeht, nach außen, anschließend nach unten geführt wird und dann in Umfangsrichtung des Druckregelventils austritt, wobei in 2a, b nur ein einzelner Austritt auf die linke Seite dargestellt ist. Die genaue Anordnung und Aufteilung der Mediumauslassöffnungen 4b ist regelmäßig einer konkreten Implementation und eines konkreten Einsatzzweckes eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 2 geschuldet.
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Durch das mediumdichte Dichtelement 12 ist die Antriebseinheit 8 mediumbefreit. Dadurch mag es z.B. nicht zwingend notwendig sein, eine geeignet ausgebildete Führung, zumindest keine derart lange Führung, wie dies beispielsweise bei herkömmlichen Druckregelventilen ohne mediumfreien zweiten Bereich 18b nötig ist, vorzusehen. Vielmehr kann Stabelement 10 vergleichsweise kurz ausgestaltet sein und im Wesentlichen unmittelbar im Anschluss an die Antriebseinheit 8 auf das mediumdichte Dichtelement 12 wirken. Konstruktionsbedingt mag zumindest eine geringfügige Führung des Stabelementes 10 der Antriebseinheit 8 nötig bzw. vorgesehen sein, wie beispielsweise in 2b dargestellt. Auffällig hierbei ist jedoch, dass die Führung im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verkürzt ausgebildet ist, insbesondere dadurch, dass Stabelement 10 keine Zentrierungsfunktion, wie dies im Stand der Technik notwendig ist, übernehmen muss.
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Weiter Bezug nehmend auf 3 wird eine Detaildarstellung einer exemplarischen Ausgestaltung des mediumbeaufschlagten Bereiches des Druckregelventils gemäß der vorliegenden Erfindung in Gegenüberstellung mit vorbekannten Druckregelventilen dargestellt.
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In 3 wird eine Detaildarstellung des Ventilelementes 6 bzw. des ersten Bereiches 8a des Druckregelventils 2 dargestellt. Die linke Seite der 3 stellt die Anordnung in einem bekannten Druckregelventil dar, während die rechte Seite, rechts der strichlierten Mittelachse, einen Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Bei bekannten Druckregelventilen ist dargestellt, dass das Medium zwei mögliche Strömungsverläufe 1 und 2 aufweist und insbesondere zwischen diesen wechseln kann. Strömungsverlauf 1 erfolgt im Wesentlichen entlang der Oberfläche des Ventilsitzes, während Strömungsverlauf 2 im Wesentlichen der Oberfläche der Kugel folgend ausgebildet ist. Aufgrund dieser zwei möglichen Strömungsverläufe ist der genaue Verlauf nicht vorhersagbar, dadurch schlecht beherrschbar und instabil.
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Im Vergleich hierzu ist rechtsseitig der Verlauf der Strömung im erfindungsgemäßen Druckregelventil 2 dargestellt. Insbesondere dadurch, dass durch das Halteelement 14 bzw. das Kalottenelement 14 Ventilkugel 6a großflächig umschlossen wird, wird der zweite Strömungsverlauf des Mediums unterbunden, da dieses nicht mehr über die Kugeloberfläche strömen kann, sondern nach kurzer Wegstrecke bereits am Halteelement 14 ankommt und von diesem ab bzw. umgeleitet wird.
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Hierdurch und insbesondere durch eine Mediumauslassöffnung 4b im Bereich des Ventilsitzes wird eine, in 3, rechte Seite, nach unten gerichtete stabile Mediumströmung ausgebildet. Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckregelventils 2 kann der Raum neben dem Halteelement 14 strömungstechnisch günstig ausgebildet sein, insbesondere können Hohlräume abgetrennt sein, wie dies in 3 mit Bezugszeichen 20 angedeutet ist. Hierdurch lässt sich eine besonders stabile Mediumströmung bereitstellen.
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In 4 ist ein Dichtelement 12 eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 2 dargestellt. Das Dichtelement 12 ist als Dichtmembran ausgebildet und trägt an seiner Oberfläche Mittel zur Druckmessung 30, in diesem Ausführungsbeispiel drei über den Umfang der Dichtmembran gleichmäßig verteilte Dehnmessstreifen 32. Die Dichtmembran ist so gestaltet, dass auf der einen Seite das Kalottenelement 14 nebst Ventilkugel 6a befestigt ist, auf der anderen Seite ein Stabelement 10 mittels einer regelbaren Magnetkraft auf die Dichtmembran drückt. Wird die Magnetkraft reduziert, hebt sich die Ventilkugel 6a aus dem Ventilsitz 6b und die Membran verformt sich aufgrund dieser Belastung. Die Belastung ist direkt vom Druck im Hochdruckspeicher abhängig. Damit ist es möglich, den Druck im Hochdruckspeicher zusätzlich zu einem Raildrucksensor mit hoher Genauigkeit und unabhängig von diesem Raildrucksensor zu überwachen. Als Aktoren sind sowohl Tauchanker als auch Flachanker gemäß den Ausführungsbeispielen in 2a und 2b denkbar.
