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Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckentlastungsventil für ein Hochdruckpumpensystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In der
DE 10 2011 112 947 B3 wird ein Hochdruckpumpensystem für eine mit Kraftstoffeinspritzung arbeitende Brennkraftmaschine beschrieben. Das Hochdruckpumpensystem weist eine mehrzylindrige Hochdruckpumpeneinheit auf, über die ein Hochdruckspeicher mit Druck aufgeladen wird, über den Kraftstoffinjektoren versorgt werden, welche Kraftstoff in die Brennräume einer Brennkraftmaschine einspritzen. Die Pumpeneinheit umfasst vier Einzelpumpen, die jeweils an eine Speicherbohrung angeschlossen sind, wobei zwischen einem ersten Anschlussabschnitt der Speicherbohrung, welcher einer ersten Pumpe zugeordnet ist, und einem zweiten Anschlussabschnitt, welcher den übrigen Pumpen zugeordnet ist, ein einstellbares Ventil angeordnet ist. Dies erlaubt einen Betrieb des Hochdruckpumpensystems zur Kleinstmengenförderung, bei dem nur die erste Pumpe im Pumpenbetrieb arbeitet, wohingegen die übrigen Pumpen in einem Spülbetrieb gefahren werden, bei dem der Druck in diesem Anschlussabschnitt durch Öffnen eines Spülventils auf einem niedrigen Niveau gehalten wird. Das zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussabschnitt angeordnete Ventil ist im Förder- bzw. Pumpenbetrieb nur der ersten Pumpe geschlossen. Werden dagegen sämtliche Pumpen im Förder- bzw. Pumpenbetrieb gefahren, wird das Spülventil geschlossen und das Ventil zwischen den Anschlussabschnitten geöffnet, so dass in beiden Anschlussabschnitten der gleich hohe Druck herrscht.
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Beim Umschalten der drei Pumpen im zweiten Anschlussabschnitt vom Förder- in den Spülbetrieb wird der Druck durch Öffnen des Spülventils abgelassen. Hierbei kann ein hoher Druckimpuls entstehen, der zu einer hohen Belastung in diesen Leitungsabschnitt und in den mit dem Leitungsabschnitt verbundenen Bauteilen führt.
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Die
WO 2013 / 135 450 A1 offenbart ein Druckregelventil mit einem verschieblich angeordneten Ventilkolben, der einen Strömungsweg zwischen einem Ventileingang auf der Hochdruckseite und einem Ventilausgang auf der Niederdruckseite verschließt. Parallel zum Ventilkolben ist in das Gehäuse eine Bohrung eingebracht, die den Ventilausgang auf der Niederdruckseite mit einem Ankerraum verbindet. Hierdurch wird das hydraulische Volumen vergrößert, das zum Ausgleich von Druckschwingungen zur Verfügung steht, wodurch Druckspitzen kompensiert oder zumindest gedämpft werden sollen. Die Stellbewegung des Ventilkolbens wird über die Magnetkraft einer Magnetspule gesteuert, die in das Gehäuse integriert ist. Somit stellt der Ventilkolben das Ventilglied eines aktiven Ansteuerventils dar.
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Die
DE 25 31 022 A1 offenbart ein Ventil mit einem verschieblich gelagerten Ventilstellglied, das den Durchfluss von einer hochdruckseitigen Druckleitung zu einer niederdruckseitigen Leitung steuert, welche zu einem Tank führt. Das Ventilstellglied ist passiv ausgeführt und wird von einem Magnetventil mit einem Stellkolben und einer Magnetspule verstellt. Der Stellkolben des Magnetventils ist in einem Bewegungsraum gelagert, wobei ein stirnseitiger Raum, der vor dem Stellkolben liegt, über eine gedrosselte Leitung mit einem Stauraum verbunden ist, von der die niederdruckseitige Leitung verzweigt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Stellkolbens befindet sich ein weiterer Raum, der mit einer Leitung verbunden ist, die axial durch den Stellkolben und eine Kolbenstange hindurchführt und ebenfalls mit dem Stauraum verbunden ist. Auf diese Weise soll zur Erzielung einer stabilen Regelfunktion eine Systemdämpfung erreicht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckentlastungsventil für ein Hochdruckpumpensystem mit einfachen konstruktiven Maßnahmen so auszubilden, dass Druckimpulse beim Öffnen des Druckentlastungsventils reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Druckentlastungsventil kann in einem Hochdruckpumpensystem eingesetzt werden, das beispielsweise für Brennkraftmaschinen mit Common Rail-Systemen verwendet wird. Das Hochdruckpumpensystem umfasst eine Pumpeneinheit mit zumindest einer Pumpe, über die das geförderte Fluid in einem Hochdruckbereich auf den gewünschten Druck gebracht wird. Über das Druckentlastungsventil kann der Druck auf der Hochdruckseite des Ventils, der mit dem Hochdruckbereich bzw. einem Hochdruckraum zugewandt ist, bei Bedarf abgebaut werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist die Pumpeneinheit mindestens zwei Pumpen auf, die in einstellbarer Weise das Fluid in den Hochdruckbereich fordern können. Die Pumpen können jeweils an einen Anschlussabschnitt angeschlossen sein, wobei mindestens zwei unterschiedliche Anschlussabschnitte mit einem zwischenliegenden, einstellbaren Ventil vorgesehen sind. Bei geöffnetem Ventil sind die Anschlussabschnitte strömungsverbunden; in dieser Situation befinden sich alle Pumpen der Pumpeneinheit im Förderbetrieb und nehmen an der Druckerzeugung teil. Soll dagegen nur eine geringe Menge Fluid auf den gewünschten Druck gebracht werden, kann das Ventil zwischen den Anschlussabschnitten geschlossen werden, wobei zugleich ein Spül- bzw. Druckentlastungsventil eines Anschlussabschnittes zum Druckabbau geöffnet wird. Die Pumpen auf der Niederdruckseite laufen im Spülbetrieb mit, nur die Pumpe bzw. Pumpen auf der Hochdruckseite nehmen an der Förderung des Fluids auf den hohen Druck teil.
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Bei den verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Ventil, das zum Druckabbau in der Anschlussleitung eingesetzt wird, mit der die Pumpe bzw. Pumpen verbunden ist, als erfindungsgemäßes Druckentlastungsventil ausgebildet sein.
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Das Druckentlastungsventil weist einen verstellbaren Ventilkörper auf, der sich zwischen einer Ansteuerseite des Druckentlastungsventils und einer Hochdruckseite befindet und zwischen einer öffnenden und einer schließenden Verbindung zwischen der Hochdruckseite und einer Niederdruckseite zu verstellen ist. Bei geschlossenem Ventilkörper ist der Strömungsweg zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verschlossen, bei geöffnetem Ventilkörper ist dagegen die Verbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite geöffnet, so dass der Druck auf der Hochdruckseite abgebaut wird und sich der Druck auf der Hoch- und der Niederdruckseite angleicht.
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In das Druckentlastungsventil ist zwischen der Niederdruckseite und dem Ventilkörper ein Rückführungskanal integriert. Wird der Ventilkörper geöffnet, entsteht eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite, wobei der Druck auf der Niederdruckseite über den Rückführungskanal einem Bewegungsraum zugeleitet wird, in welchem sich der Ventilkörper im Ventilgehäuse des Druckentlastungsventils bei der Überführung zwischen Schließ- und Öffnungsposition bewegen kann. Durch diese Rückführung entsteht eine Rückkopplung zwischen dem Druckanstieg auf der Niederdruckseite und dem Bewegungsraum des Ventilkörpers, wobei die Rückkopplung der Ventilöffnungsgeschwindigkeit entgegenwirkt, was zu einer Dämpfung der Öffnungsbewegung führt. Dies genügt, um einen Druckimpuls, der beim Öffnen des Ventilkörpers des Druckentlastungsventils entsteht, zu dämpfen, so dass der Druckimpuls nur eine geringere Höhe erreicht und nicht zu einer Schädigung der Bauteile im Druckentlastungsventil oder in einem angrenzenden Bauteil führen kann. Es genügt bereits eine geringe Öffnungsbewegung des Ventilkörpers, wodurch eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite hergestellt wird und der Druck auf der Niederdruckseite ansteigt, wobei dieser Druck über den Rückführungskanal in Richtung der Ansteuerseite geleitet wird und die Öffnungsbewegung des Ventilkörpers dämpft.
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Während der ersten Phase der Öffnungsbewegung fließt aufgrund des großen Druckunterschiedes eine verhältnismäßig große Fluidmenge von der Hochdruck- zur Niederdruckseite, auf der ein Staudruck entsteht, welcher über den Rückführungskanal in Richtung Ansteuerseite geleitet wird. Mit zunehmender Öffnungsbewegung bzw. andauernder Öffnung des Ventilkörpers verringert sich der Relativdruck zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite, was zu einem Abbau des Staudrucks auf der Niederdruckseite und dementsprechend auch zu einer geringeren Dämpfungswirkung führt, mit der der Ventilkörperbewegung entgegengewirkt wird.
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Der Rückführungskanal verzweigt von der Niederdruckseite des Druckentlastungsventils und ist in Richtung der Ansteuerseite des Ventilkörpers geführt. Hierbei wird eine Strömungsverbindung zwischen der Niederdruckseite und dem Bewegungsraum hergestellt, in welchem sich der Ventilkörper im Ventilgehäuse zwischen Öffnungs- und Schließposition bewegen kann. Der Bewegungsraum ist beispielsweise als eine Bohrung im Ventilgehäuse ausgeführt, in der eine Ventilstange des Ventilkörpers aufgenommen ist. Der Ventilkörper weist außerdem einen Stellkolben auf, der mit der Ventilstange verbunden ist und an die Ansteuerseite angrenzt. Der Rückführungskanal ist zu einem Aufnahmeraum geführt, in welchem der mit der Ventilstange verbundene Stellkolben axial geführt ist Hierdurch erhöht sich der Druck in dem Bewegungsraum, in welchem der Ventilkörper geführt wird, und wirkt der Ventilkörperbewegung entgegen. Der Rückführungskanal kann, gemäß einer weiteren Ausführung, bis zur Ansteuerseite weitergeführt sein, beispielsweise dadurch, dass in den Stellkolben ein Kanalabschnitt des Rückführungskanals eingebracht ist, welcher eine Verbindung zwischen der der Ventilstange zugewandten Seite und der der Ventilstange abgewandten Seite am Stellkolben herstellt.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist ein Ableitungskanal im Ventilgehäuse vorgesehen, der sich radial zu der Ventilstange bzw. dem Bewegungsraum für die Ventilstange erstreckt. Bei geöffnetem Ventilkörper pflanzt sich der Druck aus der Hochdruckseite zunächst axial über den Bewegungsraum der Ventilstange und anschließend radial über den Ableitungskanal in Richtung Niederdruckseite fort. Es kann vorteilhaft sein, dass der Rückführungskanal mit dem Ableitungskanal verbunden ist. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass der Rückführungskanal unter einem Winkel von beispielsweise etwa 30° zur Ventilkörperlängsachse im Ventilgehäuse verläuft und die radial außen liegende Stirnseite des Ableitungskanals mit dem Bewegungsraum des Ventilkörpers verbindet.
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Am Stellkolben greift ein Ansteuerventil an, welches den Ventilkörper zwischen der Öffnungs- und der Schließposition verstellt. Bei dem Ansteuerventil handelt es sich beispielsweise um ein elektromagnetisch betätigbares Ventil.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Hochdruckpumpensystem, in welchem das Druckentlastungsventil angeordnet ist, zusätzlich eine Permanentdrossel auf, über die der Druck auf einer Hochdruckseite abgebaut werden kann. Die Permanentdrossel besitzt einen zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite sich erstreckenden Drosselkanal, der spiralförmig ausgebildet und auf der Außenseite eines Drosselkörpers angeordnet ist. Der Drosselkörper ist in einem Aufnahmeraum eines Trägerkörpers der Permanentdrossel aufgenommen. Aufgrund der spiralförmigen Ausführung des Drosselkanals kann bei verhältnismäßig geringer axialer Länge des Drosselkörpers eine verhältnismäßig lange Erstreckung des Drosselkanals erreicht werden, was sich vorteilhaft auf die Kavitationsbildung in der Permanentdrossel auswirkt. Mithilfe der Permanentdrossel ist es möglich, einen hohen Druck kavitationsfrei abzubauen. Aufgrund der verhältnismäßig langen Erstreckung des Drosselkanals kann eine unerwünschte Zwei-Phasen-Strömung während des Druckabbaus vermieden werden, die andernfalls eine Kavitationsbildung begünstigen und die Gefahr einer Zerstörung bergen würde.
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Die Permanentdrossel mit dem spiralförmigen Drosselkanal kann beispielsweise zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruckbereich eines Hochdruckpumpensystems angeordnet sein. Grundsätzlich kommt aber eine Anordnung allgemein in einem Hochdruckbereich eines Hochdruckpumpensystems in Betracht.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine schematisierte Darstellung eines zum Stand der Technik gehörenden mehrzylindrigen Hochdruckpumpensystems für eine Brennkraftmaschine mit Common Rail-System, mit insgesamt vier Pumpen, wobei die erste Pumpe an einen ersten Anschlussabschnitt und die weiteren Pumpen an einen zweiten Anschlussabschnitt angeschlossen sind und die Anschlussabschnitte über ein Ventil verbunden sind, wobei der zweite Anschlussabschnitt zusätzlich ein Spül- bzw. Druckentlastungsventil zum Druckabbau aufweist,
- 2 einen Schnitt längs durch ein Druckentlastungsventil,
- 3 das Hydraulikschema zu dem Druckentlastungsventil gemäß 2,
- 4 ein Druckentlastungsventil in einer Ausführungsvariante,
- 5 ein weiteres Druckentlastungsventil in einer Ausführungsvariante,
- 6 eine Permanentdrossel zum Druckabbau in einem Hochdruckraum, mit einem spiralförmigen Drosselkanal auf der Außenseite eines zylindrischen Drosselkörpers,
- 7 ein weiterer Schnitt durch die Permanentdrossel gemäß 6, dargestellt in einer weiteren Schnittebene,
- 8 das Detail XIII aus 7 in vergrößerter Ansicht.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Hochdruckpumpensystem mit einer mehrzylindrigen Pumpeneinheit 1, deren Pumpen 2 bis 5 durch ihre Zylinder Z1 bis Z4 symbolisiert sind, welche über Kanäle 8 mit einer Speicherbohrung 6 verbunden sind, die eine Anschlussverbindung 7 bildet und einen Niederdruckbereich sowie einen Hochdruckbereich aufweist.
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Die Speicherbohrung 6 ist als eine über das Gehäuse der Pumpeneinheit 1 durchlaufende Bohrung ausgeführt, die zum Niederdruckbereich hin über ein Spülventil 9 absperrbar ist und die gegenüberliegend über einen Stopfen 10 verschlossen ist. Ferner ist in der Speicherbohrung 6, diese axial unterteilend, ein Ventil 11 vorgesehen, das zwischen einem niederdruckseitigen Anschlussabschnitt 12 und einem hochdruckseitigen Anschlussabschnitt 13 der Anschlussverbindung 7 liegt, wobei mit dem hochdruckseitigen Anschlussabschnitt 13 die Pumpe 2 und mit dem niederdruckseitigen Anschlussabschnitt 12 die Pumpen 3 bis 5 verbunden sind. Vom hochdruckseitigen Anschlussabschnitt 13 geht ferner eine Verbindungsleitung 14 zu einem schematisch angedeuteten Common Rail 15 aus, über das Injektoren 16 versorgt werden, über die Kraftstoff auf die angedeuteten Zylinder 17 der Brennkraftmaschine 18 eingespritzt werden.
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Falls über die Speicherbohrung 6 ein ausreichend großes Volumen zur Verfügung gestellt werden kann, so kann anstelle eines Common Rail auch lediglich ein Verteilerrohr vorgesehen werden.
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Bei der dargestellten mehrzylindrigen Pumpeneinheit 1 für ein Hochdruckpumpensystem sind die Pumpen 2 bis 5 kraftstoffgeschmiert und gekühlt. Dies bedingt für die jeweilige Pumpe 2 bis 5 eine entsprechende Mindestfördermenge, damit sie betriebssicher betrieben werden kann. Solche Fördermengen der einzelnen Pumpen 2 bis 5 der Pumpeneinheit 1 sind aber dann nicht erforderlich, wenn für die zugehörige Brennkraftmaschine 18 ein entsprechender Leistungsbedarf nicht gegeben ist. Wird dennoch, um Schmierung und Kühlung sicherzustellen, für die Pumpen 2 bis 5 eine entsprechende Fördermenge vorgegeben, so bedeutet dies nicht nur einen unnötigen Energieverbrauch, sondern insbesondere auch eine zusätzliche Aufheizung und einen entsprechenden Verschleiß. Insbesondere gilt dies auch, wenn nur sehr kleine Einspritzmengen erforderlich sind, wie z.B. bei Dual-Fuel-Motoren.
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Um diese Nachteile zu vermeiden ist die Pumpeneinheit 1, wie strichpunktiert angedeutet, für Arbeitsbereiche, in denen nur geringe Fördermengen für den Betrieb der Brennkraftmaschine 18 benötigt werden, funktional in einen im Spülbetrieb zu betreibenden Niederdruckförderteil oder Spülbereich 19 und einen Hochdruckförderteil 20 unterteilt.
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Ist auf Seiten der Brennkraftmaschine 18 die volle Förderleistung der Pumpeneinheit 1 auf Grund der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gefordert, so kann, bei entsprechender Auslegung der Pumpen 2 bis 5 der Pumpeneinheit 1, der reguläre Pumpenbetrieb gefahren werden. Ist dagegen auf Seiten der Brennkraftmaschine 18, wie z.B. bei Dual-Fuel-Systemen, nur eine Klein- oder Kleinstmengenförderung erforderlich, die einen Betrieb aller Pumpen 2 bis 5 unter Sicherstellung von Schmierung und Ölkühlung nur mit entsprechenden Verlusten möglich macht, so werden die Pumpen 3 bis 5 im Spülbetrieb betrieben, und es wird lediglich die Pumpe 2 des Hochdruckförderteiles 20 zur Förderung auf den Hochdruckbereich herangezogen.
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Um dies bei dem geschilderten Aufbau zu ermöglichen, sind bezogen auf die Anschlussverbindung 7 der hochdruckseitige Anschlussabschnitt 13 und der niederdruckseitige Anschlussabschnitt 12 über das Ventil 11 gegeneinander abgegrenzt, das beispielsweise in einfacher Weise als gegen den niederdruckseitigen Anschlussabschnitt 12 absperrendes Rückschlagventil ausgebildet sein kann und gegen den niederdruckseitigen Anschlussabschnitt 12 geschlossen ist, wenn dieser durch Öffnen des Spülventiles 9 auf einem niedrigen Druckniveau gehalten wird. Dieses Druckniveau lässt sich über ein gesteuertes Spülventil 9, zum Beispiel ein Wegeventil, ein Spülventil mit zusätzlicher Druckregelfunktion oder dergleichen einstellen.
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Für den Klein- oder Kleinstmengenförderbetrieb wird die Pumpeneinheit 1 bezüglich der Pumpen 2 bis 5 somit dahingehend genutzt, dass lediglich die dem Hochdruckförderteil 20 zugehörige Pumpe 2 als Hochdruckförderpumpe eingesetzt wird, die Pumpen 3 bis 5 praktisch aber als Spülpumpen, und dies ohne Eingriff in die Pumpen 2 bis 5 als solche oder in deren Steuerung, bei entsprechender Absperrung des niederdruckseitigen Anschlussabschnittes 12 zum hochdruckseitigen Anschlussabschnitt 13 über das Ventil 11 und Freigabe eines Spülkreislaufes über das Spülventil 9.
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Die beschriebene Lösung bietet den Vorteil, die dem Hochdruckförderteil 20 zugeordnete Pumpe 2, die auf den hochdruckseitigen Anschlussabschnitt 13 der Anschlussverbindung 7 fördert, in ihrer Dimensionierung abweichend von den Pumpen 3 bis 5 gestalten zu können, beispielsweise mit einem geringeren Kolbendurchmesser, so dass ungeachtet der Auslegung der Pumpen 3 bis 5 eine Auslegung der Pumpe 2 auf auch kleinste Fördermengen möglich ist.
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Hierdurch wird eine große Variationsbreite durch die Abteilung des Hochdruckförderteiles 20 innerhalb der Pumpeneinheit 1 erreicht, indem einzelne Zylinder oder Zylindergruppen abgetrennt werden. Damit ist eine Kleinstmengenförderung durch Reduzierung der für die Hochdruckförderung genutzte(n) Pumpe(n) möglich, bei Betrieb der restlichen Pumpen im Spülbetrieb, in dem die Kühlung und Schmierung derer Zylinder gewährleistet ist. Von diesen Möglichkeiten unbeeinflusst bleibt der Betrieb der Pumpeneinheit 1 bei geschlossenem Spülventil 9 unter voller Nutzung der Pumpenleistung aller Pumpen 2 bis 5.
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Wird das gesteuerte Spülventil 9 als Druckventil ausgelegt, so ist damit auch ein verbessertes Ausregeln transienter Vorgänge im Bereich voller Förderung aller Pumpen 2 bis 5 der Pumpeneinheit 1 möglich.
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Es wird somit eine Pumpeneinheit 1 geschaffen, die als Hochdruckpumpeneinheit bei voller Leistung dauerhaft eingesetzt werden kann und die in gleicher Weise auch für eine Kleinstmengenförderung nutzbar und einsetzbar ist. Dies bei einfachem Aufbau ohne zusätzliche Baugruppen und die Notwendigkeit zusätzlicher externer Ventile, wobei ggf. auch auf ein zusätzliches Rail-System verzichtet werden kann.
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2 zeigt einen Schnitt längs durch ein Druckentlastungsventil 30, welches dazu eingesetzt werden kann, den Druck auf einer Hochdruckseite abzubauen. Das Druckentlastungsventil 30 kann beispielsweise als Spülventil 9 im Hochdruckpumpensystem gemäß 1 eingesetzt werden, um im Spülbetrieb den Druck im Niederdruckförderteil 19 abzubauen, wohingegen im Förder- bzw. Pumpenbetrieb der gleich hohe Druck wie im Hochdruckförderteil 20 herrscht. Im Spülbetrieb befindet sich das Druckentlastungsventil im geöffneten Zustand, im Förder- bzw. Pumpenbetrieb im geschlossenen Zustand.
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Das Druckentlastungsventil 30 weist ein Ventilgehäuse 31 auf, in dem ein Ventilkörper 32 axial verstellbar aufgenommen ist. Der Ventilkörper 32 umfasst eine Ventilstange 33 sowie einen mit der Ventilstange 33 fest verbundenen Stellkolben 34, über den der Ventilkörper 32 axial zwischen Schließ- und Öffnungsposition zu verstellen ist. Der Ventilkörper 32 ist in einem Bewegungsraum im Ventilgehäuse 31 verstellbar aufgenommen, der eine Bohrung 35 zur Aufnahme der Ventilstange 33 sowie einen radial vergrößerten Aufnahmeraum 36 zur Aufnahme des Stellkolbens 34 umfasst.
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Der Ventilkörper 32 ist axial zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsposition zu verstellen. In der Schließposition sitzt ein Schließkonus 37, der an der Stirnseite der Ventilstange 33 angeordnet ist, dicht an einer stirnseitigen Öffnung der Bohrung 35 auf und verschließt diese gegenüber einer Hochdruckseite 38. Wird dagegen der Ventilkörper 32 durch Betätigung einer Stelleinheit an dem Stellkolben 34, der an der Ansteuerseite 39 liegt, axial in die Öffnungsposition verstellt, hebt der Schließkonus 37 von der stirnseitigen Öffnung ab, und es wird eine Strömungsverbindung über die Bohrung 35 zu einem Ableitungskanal 41 freigegeben, der die Niederdruckseite 40 bildet bzw. mit der Niederdruckseite 40 verbunden ist. Der Ableitungskanal 41 erstreckt sich bezogen auf die Längsachse des Ventilkörpers 32 in Radialrichtung im Ventilgehäuse 31. Es können, wie in 1 angedeutet, zwei oder mehr Ableitungskanäle 41 in Radialrichtung im Ventilgehäuse 31 vorgesehen sein, wobei jeder Ableitungskanal 41 bis zur Bohrung 35 im Ventilgehäuse 31 reicht.
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Der Ventilkörper 32 ist von einem Federelement 42, das in dem Aufnahmeraum 36 angeordnet ist, in die Schließposition kraftbeaufschlagt. Die Stelleinheit, die an der Ansteuerseite 39 angreift, verstellt den Stellkolben 34 gegen die Kraft des Federelementes 42 von der Schließ- in die Öffnungsposition.
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In das Ventilgehäuse 31 ist des Weiteren ein Rückführungskanal 43 eingebracht, der sich zwischen der Niederdruckseite 40 und dem Aufnahmeraum 36 im Ventilgehäuse 31 erstreckt. Der Rückführungskanal 43 verläuft zwischen dem radial außen liegenden, stirnseitigen Ende des Ableitungskanals 41 und dem Aufnahmeraum 36 und nimmt gegenüber der Längsachse des Ventilkörpers 32 einen Winkel ein, der bei etwa 30° liegt. Benachbart zum Aufnahmeraum 36 weist der Rückführungskanal 43 eine Drosselstelle 44 mit reduziertem Querschnitt auf.
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Mit dem Öffnen des Ventilkörpers 32 hebt der Schließkonus 37 von seinem Ventilsitz ab, wodurch eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckseite 38 und der Niederdruckseite 40 freigegeben wird. Dementsprechend wird der hohe Druck auf der Hochdruckseite 38 abgebaut, zugleich steigt während des dynamisch erfolgenden Abbauvorgangs der Druck auf der Niederdruckseite zumindest geringfügig und zeitweilig auf einen Staudruck an. Der Druck auf der Niederdruckseite 40 wird über den Rückführungskanal 43 in Richtung des Aufnahmeraums 36 übertragen, wodurch die von der Stelleinheit, die am Stellkolben 34 angreift, ausgelöste Öffnungsbewegung des Stellkolbens 34 gedämpft wird. Diese Dämpfung reduziert die Ventilöffnungsgeschwindigkeit und den beim Öffnen des Ventils entstehenden Druckimpuls. Die Ventilöffnungsgeschwindigkeit wird hierdurch dem von der Hochdruckseite 38 zur Niederdruckseite 40 abströmendem Fluid bzw. dem auf der Niederdruckseite 40 erzeugten Staudruck angepasst.
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Die Ventilkörperbewegung wird mit dem Öffnen des Ventilkörpers und dem Herstellen der Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckseite 38 und der Niederdruckseite 40 zusätzlich dadurch gedämpft, dass über die offene Stirnseite der Bohrung, in welcher die Ventilstange 33 geführt ist, Fluid mit hohem Druck in die Bohrung einströmt, was ebenfalls der Öffnungsbewegung entgegengerichtet ist.
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3 zeigt das Hydraulikschema des Druckentlastungsventils 30. An der Ansteuerseite 39 befindet sich als Stelleinheit ein Ansteuerventil 45, das die Bewegung des Stellkolbens 34 des Ventilkörpers zwischen Schließ- und Öffnungsposition steuert.
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4 zeigt eine Ausführungsvariante des Druckentlastungsventils 30, bei der an der Außenseite des Stellkolbens 34 ein sich in Achsrichtung erstreckender Kanal 46 verläuft, der auf der der Ventilstange 32 zugewandten Seite in den Aufnahmeraum 36 mündet und auf der der Ventilstange abgewandten Seite in einen den Stellkolben 34 durchdringenden Kanalabschnitt 47, welcher zur Ansteuerseite 39 führt. In den Kanalabschnitt 47 ist eine Drosselstelle eingebracht. Es besteht somit über den Rückführungskanal 43 und die Drosselstelle 44, über den an der Außenseite des Stellkolbens 34 verlaufenden axialen Kanal 46 und den in den Stellkolben 34 eingebrachten Kanalabschnitt 47 eine durchgehende Strömungsverbindung zwischen der Niederdruckseite 40 und der Ansteuerseite 39.
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Ein weiterer Kanal 48 verläuft zwischen der Außenseite der Ventilstange 33 und der Wandung der aufnehmenden Bohrung 35. Dieser Kanal 48 mündet ebenfalls in den Aufnahmeraum 36 auf der der Ventilstange 33 zugewandten Seite. Bei geöffnetem Ventilkörper 32 - der axiale Öffnungshub ist mit h bezeichnet - entsteht über den Kanal 48 eine zusätzliche Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckseite 38 sowie über den Ableitungskanal 41 der Niederdruckseite 40 und dem Aufnahmeraum 36 auf der der Ventilstange 33 zugewandten Seite. Der Kanal 48 kann optional vorgesehen sein, gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ zu dem Kanal 46 sowie dem Kanalabschnitt 47 im Bereich des Stellkolbens 34.
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5 zeigt eine einfache Ausführungsvariante eines Druckentlastungsventils 30, dessen grundsätzlicher Aufbau mit demjenigen gemäß 2 und 4 übereinstimmt. Jedoch ist in den Ventilkörper 31 kein zwischen der Niederdruckseite 40 und der dem Aufnahmeraum 36 auf der der Ventilstange 33 zugewandten Seite verlaufender Rückführungskanal vorgesehen. Die Dämpfung des Druckimpulses beim Öffnen des Ventilkörpers 32 entsteht dadurch, dass sich auf der Niederdruckseite 40 bei geöffnetem Ventil ein Staudruck einstellt, der über den Ableitungskanal 41 auch in der Bohrung 35 wirksam ist und die Öffnungsbewegung des Ventilkörpers dämpft. Der Staudruck liegt signifikant unter dem Hochdruck auf der Hochdruckseite 38.
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Die 6 bis 8 zeigen eine Permanentdrossel 50 bzw. einen Ausschnitt aus der Permanentdrossel, die dazu eingesetzt werden kann, Druckunterschiede zwischen zwei unterschiedlichen Druckräumen auszugleichen. Beispielsweise wird über die Permanentdrossel 50 der Hoch- bzw. Systemdruck eines Mediums auf Umgebungsdruck abgebaut, zum Beispiel im Ausführungsbeispiel nach 1 bei einem Einsatz der Permanentdrossel als Spülventil 9. Auch eine Verwendung als Ventil 11 zwischen dem niederdruckseitigen Anschlussteil 12 und dem hochdruckseitigen Anschlussteil 13 kommt in Betracht. Mittels der Permanentdrossel 50 ist es möglich, einen hohen Druck abzubauen, ohne dass die Drossel durch Kavitation oder Erosion zerstört wird.
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Wie 6 und 7 zu entnehmen, weist die Permanentdrossel 50, die permanent geöffnet ist, so dass fortlaufend Druck abgebaut wird, einen Trägerkörper 51 auf, in den ein Drosselkörper-Aufnahmeraum 52 sowie ein Abströmkanal 53 eingebracht sind. Der Drosselkörper-Aufnahmeraum 52 ist zylindrisch ausgeführt und nimmt einen ebenfalls zylindrischen Drosselkörper 54 auf. Der Abströmkanal 53 besitzt einen kleineren Durchmesser als der Drosselkörper-Aufnahmeraum 52 und mündet in diesen ein, wobei die gegenüberliegende Stirnseite des Abströmkanals 53 an der Außenseite des Trägerkörpers 51 liegt, so dass über den Aufnahmeraum 52 und den Abströmkanal 53 eine durchgehende Längsverbindung durch den Trägerkörper 51 gegeben ist.
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Der zylindrische Drosselkörper 54 weist auf seiner Mantelfläche bzw. Außenseite einen spiralförmigen Drosselkanal 55 auf, der sich über etwa zweieinhalb Windungen auf der Außenseite erstreckt und dessen Stirnseiten an den axial gegenüberliegenden Stirnflächen des Drosselkörpers 54 enden. Wie der vergrößerten Darstellung gemäß 8 zu entnehmen, ist der Drosselkanal 55 als nutförmige Vertiefung in die Außenseite des Drosselkörpers 54 eingebracht und weist einen teilkreisförmigen, insbesondere halbkreisförmigen Querschnitt auf. Der Drosselkanal 55 ist in Radialrichtung nach außen offen ausgebildet. Über den spiralförmigen Drosselkanal 55 kann Fluid von der am Drosselkörper 54 anliegenden Hochdruckseite in den Abströmkanal 53 und weiter zur gegenüberliegenden Seite mit geringerem Druck abströmen. Aufgrund der Spiralform weist der Drosselkanal 55 bezogen auf die axiale Länge des tragenden Drosselkörpers 54 eine verhältnismäßig große Erstreckung auf, wodurch während des Druckabbaus das Entstehen einer Zwei-Phasen-Strömung vermieden wird, die zu einer Kavitationsbildung und damit zu einer Zerstörung führen könnte. Eine Zwei-Phasen-Strömung wird mit der gezeigten Permanentdrossel 50 mit dem verhältnismäßig langen, spiralförmigen Drosselkanal 55 vermieden.
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Die Länge des Drosselkanals 55 weist bezogen auf die Drosselkanalquerschnittslänge, also die maximale Erstreckung des Querschnittes, ein Verhältnis von mindestens 50, gegebenenfalls von mindestens 100 auf, so dass der Drosselkanal eine um mindestens 50 bzw. 100 größere Länge als Querschnittserstreckung besitzt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die Länge des Drosselkanals 55 mindestens fünffach länger ist als die axiale Erstreckung des Drosselkörpers 54, gegebenenfalls mindestens zehnmal so lang.
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Es kommen sowohl Ausführungen in Betracht, bei denen der Drosselkörper 54 ortsfest im Aufnahmeraum 52 des Trägerkörpers 51 aufgenommen ist, als auch Ausführungen mit einer Verstellbarkeit des Drosselkörpers 54 im Aufnahmeraum 52, insbesondere einer axialen Verstellbarkeit. Dies ist in 6 über eine Stellstange 56 angedeutet, die am Drosselkörper 54 angreift und über die der Drosselkörper 54 axial im Aufnahmeraum 52 verstellbar ist. In den 6 und 7 ist der Drosselkörper 54 vollständig im Aufnahmeraum 52 aufgenommen, so dass der Drosselkanal 55 über seine gesamte Länge innerhalb des Aufnahmeraums 52 liegt und von der Innenwand des Aufnahmeraums 52 begrenzt wird. Somit kann der Drosselkanal 55 über seine gesamte Länge seine Drosselwirkung entfalten.
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Wird der Drosselkörper 55 über die Stellstange 56 axial teilweise aus dem Aufnahmeraum 52 herausgezogen, reduziert sich die für die Drosselwirkung verantwortliche Länge des Drosselkanals 55 innerhalb des Aufnahmeraums 52, so dass die Drosselwirkung entsprechend reduziert wird. Hierdurch kann die Drosselwirkung an die aktuelle Druckdifferenz angepasst werden.
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Gegebenenfalls kann der Permanentdrossel 50 ein geregeltes Ventil nachgeschaltet werden, um den Fluiddurchfluss bzw. die gewünschte Druckdifferenz oder den Druckausgleich einstellen zu können.
