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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sicherheitsventilsystem, insbesondere für ein Hochdruckpumpensystem.
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Bekannt sind Druckentlastungsventile, beispielsweise in Hochdruckpumpensystemen für Brennkraftmaschinen mit Common Rail-Systemen, die mit dem Überschreiten eines Druckschwellenwertes geöffnet werden, um den Druck auf der Hochdruckseite abzubauen. Ein Hochdruckpumpensystem der genannten Art wird beispielsweise in der
DE 10 2011 112 947 B3 beschrieben, das eine mehrzylindrige Hochdruckpumpeneinheit aufweist, über die ein Hochdruckspeicher mit Druck aufgeladen wird, um Kraftstoffinjektoren mit Kraftstoff zu versorgen. Die Hochdruckpumpeneinheit umfasst mehrere Einzelpumpen, von denen zur Kleinstmengenförderung nur eine Pumpe betrieben wird, wohingegen die übrigen Pumpen im Spülbetrieb gefahren werden, bei dem der Druck durch Öffnen des Druckentlastungsventils auf einem niedrigen Niveau gehalten wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen ein auf einen langen Betriebszeitraum ausgelegtes Sicherheitsventilsystem zu schaffen.
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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 Sicherheitsventilsystem kann in hydraulischen Hochdrucksystemen zum Druckabbau eingesetzt werden, wenn ein oberer Druckschwellenwert erreicht wird. Das Sicherheitsventilsystem wird bevorzugt ausschließlich von dem anliegenden hydraulischen Druck angesteuert, es ist passiv ausgelegt und benötigt keinen externen Energieeintrag und keine Ansteuerung durch ein aktives Stellglied. Das Sicherheitsventilsystem wird beispielsweise in einem Hochdruckpumpensystem eingesetzt, insbesondere für Brennkraftmaschinen mit Common Rail-Systemen. Ein derartiges Hochdruck-Pumpensystem umfasst vorzugsweise eine Pumpeneinheit mit zumindest einer Pumpe, über die das geförderte Fluid in einem Hochdruckbereich auf den gewünschten Druck gebracht wird. Das Sicherheitsventilsystem kann den Druck auf der Hochdruckseite bei Bedarf selbsttätig abbauen.
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Das Sicherheitsventilsystem umfasst zwei Einzelventile, bei denen es sich um ein Druckentlastungsventil und um ein Steuerventil handelt, über das der Ventilkörper des Druckentlastungsventils selbsttätig zwischen Öffnungs- und Schließposition verstellt wird. In der Öffnungsposition des Ventilkörpers des Druckentlastungsventils ist die Hochdruckseite des Druckentlastungsventils mit einer Niederdruckseite verbunden, so dass der Druck auf der Hochdruckseite abgebaut werden kann.
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Das Steuerventil befindet sich in einer Verbindungsleitung zwischen der Hochdruckseite und dem Steuerraum des Druckentlastungsventils und wird insbesondere von dem Druck auf der Hochdruckseite zwischen Öffnungs- und Schließposition verstellt. In der Öffnungsposition des Steuerventils ist die Verbindungsleitung zwischen Hochdruckseite und Steuerraum des Druckentlastungsventils offen und in der Schließposition geschlossen. Dementsprechend wird bei offenem Steuerventil der hohe Druck von der Hochdruckseite über die Verbindungsleitung zum Steuerraum des Druckentlastungsventils durchgeleitet, woraufhin das Druckentlastungsventil in die Öffnungsstellung versetzt und über das geöffnete Druckentlastungsventil der hohe Druck auf der Hochdruckseite abgebaut wird.
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Zusätzlich weist das Sicherheitsventilsystem eine Strömungsverbindung zwischen dem Steuerraum des Druckentlastungsventils und der Niederdruckseite auf. Über die Strömungsverbindung wird der zum Steuerraum des Druckentlastungsventils durchgeleitete hohe Druck wieder abgebaut, woraufhin der Ventilkörper des Druckentlastungsventils insbesondere durch die Kraft eines auf ihn wirkenden Federelementes von der Öffnungs- in die Schließposition zurückverstellt und ein weiterer Druckabbau unterbunden wird.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass bei verhältnismäßig kleiner und kompakter Bauweise des Sicherheitsventilsystems die bei einem Öffnen des Druckentlastungsventils entstehenden hohen Druckimpulse ohne Bauteilschädigungen aufgenommen werden können. Der Druckabbau erfolgt zum einen über die Verbindungsleitung, in der das Steuerventil angeordnet ist, und zum andern unmittelbar über das Druckentlastungsventil, das in geöffneter Position eine Verbindung zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite freigibt. Auf diese Weise entstehen geringere Druckimpulse im Druckentlastungsventil, die andernfalls zu einer Bauteilschädigung, insbesondere einer Kavitätsbildung beitragen.
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Der Druckimpuls dämpft zudem die Öffnungsbewegung des Ventilkörpers des Druckentlastungsventils, wodurch der hydrauliche Volumenstrom von der Hochdruck- zur Niederdruckseite reduziert wird. Der Druckimpuls wird hierdurch zusätzlich abgeschwächt.
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Vorteilhaft ist es des Weiteren, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung die Durchflussmengen durch das Druckentlastungsventil trotz eines raschen Druckabbaus verhältnismäßig klein sind, so dass entsprechend auch klein dimensionierte Druckentlastungsventile verwendet werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Strömungsverbindung zwischen dem Steuerraum des Druckentlastungsventils und der Niederdruckseite von einer vom Steuerraum abzweigenden, externen Rückführleitung gebildet, die außerhalb des Druckentlastungsventils verläuft. In dieser Rückführleitung befindet sich vorteilhafterweise eine Drossel, welche einem zu raschen Druckabbau im Steuerraum des Druckentlastungsventils entgegenwirkt, so dass der im Steuerraum anliegende Druck bei geöffnetem Steuerventil über einen längeren Zeitraum auf einem verhältnismäßig hohen Niveau verbleibt und den Ventilkörper des Druckentlastungsventils in der offenen Position halten kann.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist auch in die Verbindungsleitung zwischen dem Steuerventil und dem Steuerraum des Druckentlastungsventils eine Drossel integriert. Die Durchflussquerschnitte der Drosseln stromauf des Steuerraums, also zwischen dem Steuerventil und dem Steuerraum, und stromab des Steuerraums, also zwischen dem Steuerraum und der Niederdruckseite, sind entweder gleich groß oder unterscheiden sich voneinander, wobei im letztgenannten Fall der Durchflussquerschnitt der Drossel stromab des Steuerraums vorzugsweise größer ist als der Durchflussquerschnitt der Drossel stromauf des Steuerraums. Über die Durchflussquerschnitte der Drosseln stromauf und stromab des Steuerraums kann das Druckniveau zwischen den Drosseln eingestellt werden. Dieses Druckniveau entspricht dem Steuerdruck, über den das Druckentlastungsventil geöffnet wird.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Strömungsverbindung zwischen dem Steuerraum des Druckentlastungsventils und der Niederdruckseite von einem in das Druckentlastungsventil integrierten Rückführkanal gebildet. Der integrierte Rückführkanal erstreckt sich insbesondere im Gehäuse des Druckentlastungsventils zwischen dem Steuerraum und vorzugsweise einem radial gerichteten, ebenfalls in das Gehäuse des Druckentlastungsventils eingebrachten Ableitungskanal, über den bei geöffnetem Ventilkörper des Druckentlastungsventils der Druckabbau von der Hochdruck- zur Niederdruckseite erfolgt. In den Rückführkanal kann gegebenenfalls eine Drosselstelle integriert sein.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung unterscheidet sich der Öffnungsdruck, bei dem das Steuerventil öffnet und die Verbindungsleitung von der Hochdruckseite zum Steuerraum freigibt, von dem Schließdruck, bei dem das Steuerventil insbesondere durch die Kraft eines auf ihn wirkenden Federelementes wieder schließt. Der Öffnungsdruck ist höher als der Schließdruck, so dass der Ventilkörper des Steuerventils nach Art einer Hysterese zwischen Öffnungs- und Schließposition verstellt wird. Die Hysteresefunktion wird beispielsweise durch eine hydraulische Druckstufe in dem Steuerventil eingestellt. Die unterschiedlich hohen Drücke zum Öffnen und Schließen des Steuerventils haben zur Folge, dass das Steuerventil in der Öffnungsstellung verbleibt, auch wenn der hydraulische Druck wieder unter den Öffnungsdruck abgesunken ist, jedoch noch nicht den Schließdruck unterschritten hat. Aufgrund des Druckabbaus im Steuerraum schließt das Druckentlastungsventil wieder, auch wenn das Steuerventil noch in der Öffnungsposition steht. Hierdurch kann ein weiterer Druckabbau der Hochdruckseite erreicht werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung eines Sicherheitsventilsystems mit einem Druckentlastungsventil und einem Steuerventil,
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2 ein Hydraulikschema zu dem Sicherheitsventilsystem gemäß 1.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 und 2 ist ein Sicherheitsventilsystem 1 dargestellt, das passiv ausgebildet ist und dazu eingesetzt werden kann, einen hydraulischen Druck, der in einem Hochdrucksystem einen Druck-Grenzwert übersteigt, abzubauen. Das Sicherheitsventilsystem 1 umfasst ein Druckentlastungsventil 10 sowie ein Steuerventil 30, welches das Druckentlastungsventil 10 zwischen Öffnungs- und Schließposition steuert. Maßgebend für die Öffnungs- und Schließfunktion sowohl des Druckentlastungsventils 10 als auch des Steuerventils 30 ist der Druck auf der Hochdruckseite 18, der an einem Schließkonus 17 des Ventilkörpers 12 des Druckentlastungsventils 10 anliegt und über eine Verbindungsleitung 40 einem Steuerraum 19 des Druckentlastungsventils 10 zugeführt wird. Am Steuerraum 19 befindet sich ein Stellkolben 14, der im Druckentlastungsventil 10 axial verschieblich gelagert ist und Teil des Ventilkörpers 12 ist. Das Steuerventil 30 ist in die Verbindungsleitung 40 zwischen der Hochdruckseite 18 und dem Steuerraum 19 des Druckentlastungsventils 10 integriert.
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Der Stellkolben 14 ist mit einer Ventilstange 13 verbunden, die in einer Bohrung im Ventilgehäuse 11 axial verschieblich geführt und an deren freien Stirnseite der Schließkonus 17 angeordnet ist, welcher von dem Druck der Hochdruckseite 18 in Richtung der Schließposition beaufschlagt wird. Der Ventilkörper 12 des Druckentlastungsventils 10 wird auch von einem Federelement 22 in die Schließposition kraftbeaufschlagt, in der der Schließkonus 17 an der Stirnseite der Ventilstange 13 dicht an der stirnseitigen Öffnung der Bohrung im Ventilgehäuse 11 anliegt und eine unmittelbare Strömungsverbindung zwischen der Hochdruckseite 18 und einer Niederdruckseite 20 verschlossen ist.
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In der Öffnungsposition des Ventilkörpers 12 ist dagegen eine Strömungsverbindung von der Hochdruckseite 18 über die Bohrung, in welcher die Ventilstange 13 geführt ist, zu einem Ableitungskanal 21 freigegeben, der in dem Gehäuse 11 des Druckentlastungsventils 10 radial verläuft und mit der Niederdruckseite 20 verbunden ist. Die Niederdruckseite 20 ist über eine Leitung mit einem Niederdruckrücklauf 42 verbunden.
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In das Ventilgehäuse 11 ist des Weiteren ein Rückführungskanal 23 eingebracht, der sich zwischen der Niederdruckseite 20 und dem Steuerraum 19 im Ventilgehäuse 11 erstreckt. Der Rückführungskanal 23 verläuft zwischen dem radial außen liegenden, stirnseitigen Ende des Ableitungskanals 21 und dem Steuerraum 19 und nimmt gegenüber der Längsachse des Ventilkörpers 12 einen Winkel ein, der bei etwa 30° liegt. Benachbart zum Steuerraum 19 weist der Rückführungskanal 23 eine Drosselstelle 24 mit reduziertem Querschnitt auf.
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Übersteigt der Druck auf der Hochdruckseite 18 einen oberen Druck-Grenzwert, wird der Ventilkörper 31 des Steuerventils 30 gegen die Kraft eines in Schließrichtung wirkenden Federelementes 32 geöffnet und die Strömungsverbindung zum Steuerraum 19 des Druckentlastungsventils 10 freigegeben. In der Verbindungsleitung 40 befindet sich zwischen dem Steuerventil 30 und dem Steuerraum 19 eine erste Drossel 43.
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Der Steuerraum 19 ist über eine Rückführleitung 41, in die eine zweite Drossel 44 integriert ist, mit dem Niederdruckrücklauf 42 verbunden. Der Durchflussquerschnitt der zweiten Drossel 44 stromab des Steuerraums 19 ist mindestens so groß, gegebenenfalls größer als der Durchflussquerschnitt der ersten Drossel 43 stromauf des Steuerraums 19. Bei geöffnetem Steuerventil 30 stellt sich zwischen den Drosseln 43, 44 im Steuerraum 19 ein Steuerdruck ein, welcher den Stellkolben 14 gegen die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes 22 in die Öffnungsposition beaufschlagt.
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Ein bei der Öffnungsbewegung des Ventilkörpers 12 des Druckentlastungsventils 10 entstehender Druckimpuls dämpft die Öffnungsbewegung, so dass der hydraulische Volumenstrom von der Hochdruck- zur Niederdruckseite reduziert und der Druckimpuls abgeschwächt wird.
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Die Öffnungs- und Schließfunktion des passiven Steuerventils 30 folgt einer Hysteresefunktion, indem der Druck, welcher für die Öffnungsbewegung des Steuerventils 30 erforderlich ist, höher ist als der hydraulische Druck in der Verbindungsleitung 40, bei dem das Steuerventil 30 wieder schließt. Die Hysterese wird beispielsweise durch Reibung oder hydraulische Beaufschlagung in den beweglichen Bauteilen des Steuerventils eingestellt.
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Nachdem das Steuerventil 30 in die Öffnungsstellung überführt ist, strömt das Hydraulikmedium durch die Verbindungsleitung 40 und die erste Drossel 43 in den Steuerraum 19 des Druckentlastungsventils 10, wobei der Steuerdruck im Steuerraum 19 von den Durchflussquerschnitten der ersten Drossel 43 und der zweiten Drossel 44 abhängt. Übersteigt der Steuerdruck im Steuerraum 19 den Öffnungsgrenzdruck zum Überführen des Druckentlastungsventils 10 in die Öffnungsposition, wird das Druckentlastungsventil geöffnet, woraufhin ein Druckabbau unmittelbar von der Hochdruckseite 18 über den geöffneten Ventilkörper 12 zur Niederdruckseite 20 am Druckentlastungsventil 10 erfolgt. Zugleich wird der Druck im Steuerraum 19 über die Rückführleitung 41 abgebaut.
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Sinkt der Druck auf der Hochdruckseite 18 unter einen unteren Druck-Grenzwert ab, so schließt das Steuerventil 30, so dass der Steuerraum 19 von der Hochdruckseite 18 abgetrennt ist. Der Ventilkörper 12 des Druckentlastungsventils 10 wird durch die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes 22 wieder in die Schließposition zurückverstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011112947 B3 [0002]
