DE102014214778A1

DE102014214778A1 - Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102014214778A1
Application number: DE102014214778.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Es wird ein Überströmventil (40) für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Das Überströmventil weist ein Ventilgehäuse (41) auf, in dem eine Führungsbohrung (42) für ein Ventilelement (43) angeordnet ist, wobei das Ventilelement (43) mit einem Führungsspalt (50) axial verschiebbar in der Führungsbohrung (42) geführt ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Hochdruckbereich (10), einen Niederdruckbereich (20) und einen mit einem Kraftstofftank (17) verbundenen und im Wesentlichen unter Atmosphärendruck stehenden Atmosphärendruckbereich (30). Das Ventilelement (43) weist zwei sich axial gegenüberliegende Stirnflächen (44, 45) auf, wobei die eine Stirnfläche (44) einem Druck des Niederdruckbereiches (20) und die gegenüberliegende zweite Stirnfläche (45) einem Druck des Atmosphärendruckbereiches (30) ausgesetzt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Neben den heute üblichen Kraftstoffinjektoren, die zur Ansteuerung der Düsennadel ein Servo-Ventil verwenden, über welches im geöffneten Zustand zum Betätigen der Düsennadel eine Absteuermenge zum Kraftstofftank zurückgeführt wird, sind Kraftstoffinjektoren mit einer direkt angesteuerten Düsennadel bekannt, bei denen die Düsennadel durch unmittelbare Einwirkung des Aktors aus dem Düsennadelsitz gehoben wird. Derartige Kraftstoffinjektoren arbeiten nach dem sogenannten Direktschalterprinzip. Bei diesen Kraftstoffinjektoren ist keine Steuermenge erforderlich. Vielmehr fließt lediglich nur eine geringe Leckagemenge über einen Rücklaufanschluss zum Kraftstofftank zurück. Diese Leckagemenge entsteht üblicherweise aufgrund von einem oder mehreren druckbeaufschlagten Führungsspalten im Kraftstoffinjektor. Andererseits sind auch Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren mit Direktschalterprinzip bekannt, die völlig leckagefrei arbeiten.
Weiterhin nutzen einige Kraftstoffinjektoren nach dem Direktschalterprinzip zur Kraftübertragung vom Aktor auf die zu betätigende Düsennadel einen hydraulischen Koppler. Dieser dient sowohl der Kraft-/Wegübersetzung als auch zum Längenausgleich aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Aktors und des umgebenden Gehäusematerials. Der hydraulische Koppler kann dabei je nach Konstruktionsprinzip des Kraftstoffinjektors entweder hochdruckseitig oder niederdruckseitig angeordnet sein. Bei einer hochdruckseitigen Anordnung bestehen keinerlei besondere Anforderungen an das Druckniveau am Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors. Ist der hydraulische Koppler dagegen niederdruckseitig angeordnet, muss sowohl für dessen Befüllung mit Kraftstoff als auch für dessen korrekte Funktion ein Mindestdruck am Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors zur Verfügung stehen. Dieser Mindestdruck kann in der Größenordnung von bis zu 30 bar liegen. Dieses Druckniveau im Niederdruckbereich wird üblicherweise erreicht, indem die Rücklaufmengen der Kraftstoffinjektoren eines Verbrennungsmotors zusammengefasst und über ein Überdruckventil, das sogenannte Druckhalteventil geführt werden. Bei dem Druckhalteventil handelt es sich um ein Ventil, das den Rückfluss vom Rücklaufanschluss zum Kraftstofftank zunächst versperrt und erst bei Erreichen eines Solldrucks auf der Niederdruckseite öffnet. Derartige Systeme haben aber bei einer geringen Rücklaufmenge der Kraftstoffinjektoren den Nachteil, dass der Aufbau des Niederdruckniveaus nach einem Start sehr langsam erfolgt. Daher sind derartige Systeme für heute übliche Systeme mit Start-Stopp-Automatik oder für Hybrid-Systeme nur unzureichend geeignet. Ein zusätzlicher Nachteil ist, dass aufgrund der gesetzlich vorgeschriebenen Biodiesel-Beimischungen im Kraftstoff in den Führungsspalten der Kraftstoffinjektoren Ablagerung entstehen können, die die Leckagemenge über die Lebensdauer nochmals drastisch reduzieren. Im Extremfall kann die Leckage sogar vollständig ausbleiben, so dass ein ausreichendes Druckniveau auch längere Zeit nach dem Systemstart nicht erreicht wird.
Um unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine am Rücklaufanschluss der Kraftstoffinjektoren im Niederdruckbereich das erforderliche Druckniveau bereitzustellen, ist aus DE 10332484 A1 bekannt, ein Überströmventil zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich anzuordnen. Das Überströmventil weist ein Ventilelement mit einem Ventilsitz zwischen einem Hochdruckraum und einem mit dem Rücklaufanschluss verbundenen Niederdruckraum auf. Bei ruhender Brennkraftmaschine ist der Ventilsitz geöffnet. Bei einem Start der Brennkraftmaschine wird zunächst gleichzeitig Druck im Hochdruckbereich und im Niederdruckbereich aufgebaut. Der Aufbau des Rücklaufdrucks im Niederdruckbereich geschieht, indem bei geöffnetem Ventilsitz die von der Hochdruckpumpe geförderte Menge sowohl in den Hochdruckraum als auch in den Niederdruckraum des Überströmventils fließt und von diesem Niederdruckraum zu den Rücklaufanschlüssen der Kraftstoffinjektoren und damit zu deren Niederdruckbereichen gelangt. Erreicht der Druck eine bestimmte, einstellbare Schwelle von beispielsweise 10 bis 30 bar, so schließt der Ventilsitz und ein weiterer Druckaufbau erfolgt nur noch auf der Hochdruckseite. Das Überströmventil bleibt folglich im Normalbetrieb des Kraftstoffeinspritzsystems aufgrund des im Hochdruckbereich herrschenden Drucks (Raildruck) geschlossen und kann somit nicht zur Bereitstellung zusätzlicher Menge für den Niederdruckbereich dienen, auch nicht, wenn nach dem Start der Rücklaufdruck im Niederdruckbereich, z.B. wegen zu geringer Leckage der Kraftstoffinjektoren wieder unter die Mindestdruckschwelle sinkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, an den Rücklaufanschlüssen der Kraftstoffinjektoren unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine das erforderliche Druckniveau im Niederdruckbereich bereitzustellen und darüber hinaus auch während des Betriebes der Brennkraftmaschine ständig für das erforderliche Druckniveau im Niederdruckbereich zu sorgen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei einem zu geringen Rücklaufdruck an den Rücklaufanschlüssen der Kraftstoffinjektoren automatisch ein geringer Volumenstrom aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich geführt wird, wobei dieser Volumenstrom automatisch unterbunden wird, wenn der Druck im Niederdruckbereich einen Sollwert erreicht. Die technische Lösung kommt ohne zusätzliche Drucksensoren auf der Niederdruckseite aus sowie ohne eine aufwändige elektrische Ansteuerung oder Regelung. Das Öffnen und Schließen des Überströmventils wird ausschließlich durch den Druck auf der Niederdruckseite der Kraftstoffinjektoren beeinflusst und nicht durch den Druck im Hochdruckbereich und erfüllt somit während der gesamten Betriebszeit der Brennkraftmaschine die Funktion, für das erforderliche Druckniveau im Niederdruckbereich zu sorgen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Ventilelement stabförmig ausgeführt ist, wobei es mit einer Stirnfläche dem einzustellenden Rücklaufdruck ausgesetzt ist, während es an der anderen, gegenüberliegenden Stirnfläche einem Kraftstoffvolumen ausgesetzt ist, das mit dem Kraftstofftank verbunden ist und im Wesentlichen unter Atmosphärendruck steht.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche möglich.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, wenn im Ventilgehäuse ein mit dem Niederdruckbereich verbundener Niederdruckraum und ein mit dem Atmosphärendruckbereich verbundener Atmosphärendruckraum angeordnet sind, wenn die eine Stirnfläche des Ventilelements dem Niederdruckraum und die gegenüberliegende zweite Stirnfläche des Ventilelements dem Atmosphärendruckdruckraum ausgesetzt ist, wenn das Ventilelement in einer Führungsbohrung des Ventilgehäuses mit geringem Führungsspiel geführt und mit einer Federkraft in Richtung des Niederdruckraums beaufschlagt ist. Bei einem Rücklaufdruck im Niederdruckbereich, der geringer als ein Sollwert ist, wird das Ventilelement durch die Federkraft der Druckfeder in Richtung des Niederdruckraums verschoben. Die hydraulische Verbindung des Niederdruckraums mit dem Hochdruckbereich erfolgt, indem zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen des Ventilelements eine an den Hochdruckbereich angeschlossene Hochdruckzuführung mit einem Einlass in den zwischen Führungsbohrung und Ventilelement ausgebildeten Führungsspalt mündet.
Entscheidend für die Funktion des Überströmventils ist, dass sich der hydraulische Widerstand des Führungsspaltes zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich verringert, wenn das Ventilelement in Richtung des Niederdruckraums verschoben wird. Dazu ist im Bereich des Einlasses eine Erweiterung des Führungsspaltes vorgesehen. Die Erweiterung des Führungsspaltes kann durch eine am Ventilelement und/oder an der Führungsbohrung ausgebildete Ausnehmung gebildet sein. Der Erweiterung ist zweckmäßigerweise niederdruckraumseitig eine in die Erweiterung einlaufende konische Aufweitung des Führungsspalts vorgelagert. Die Ausführung der konischen Aufweitung des Führungsspaltes wird zweckmäßigerweise realisiert, indem das Ventilelement niederdruckraumseitig zwischen Niederdruckraum und Erweiterung einen ersten, im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt und einen sich in Richtung der Erweiterung anschließenden zweiten, konischen Abschnitt aufweist, wobei sich der zweite, konische Abschnitt bis zur Erweiterung hin verjüngt. Durch die teilweise konische Aufweitung des Führungsspalts nimmt mit zunehmender Verschiebung des Ventilelements in Richtung Niederdruckbereich die Drosselung im Führungsspalt ab und der Leckagestrom vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich nimmt zu. Mit zunehmendem Druck im Niederdruckbereich wird das Ventilelement durch eine zum Rücklaufdruck proportionale hydraulische Kraft wieder in Richtung seiner ursprünglichen Position verschoben, wodurch der Leckagestrom zum Niederdruckbereich hin wieder abnimmt. Die Federkraft einer Druckfeder ist derart eingestellt, dass das Ventilelement seine Normalposition dann erreicht, wenn der Druck im Niederdruckbereich seinen Sollwert erreicht hat. In dieser Stellung taucht vorzugsweise der zylindrische Abschnitt des Ventilelements in die Führungsbohrung zwischen Hochdruckeinmündung und Niederdruckraum ein und der Leckagestrom zum Niederdruckbereich hin wird wieder minimal.
Dadurch, dass das Ventilelement neben dem niederdruckraumseitigen zylindrischen Abschnitt ebenfalls zwischen dem Atmosphärendruckraum und der Erweiterung im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt ist und an diesen zylindrischen Abschnitten ein im Wesentlichen konstantes und geringes Führungsspiel vorliegt, ist das Ventilelement völlig druckausgeglichen bezüglich des im Führungsspalt anliegenden Drucks des Hochdruckbereiches.
Um Schwingungen des Ventilelements zu unterbinden und die Druckfeder vor Überlastung zu schützen, kann vorgesehen sein, zwischen Ventilelement und Ventilgehäuse einen Hubanschlag auszubilden, welcher den axialen Hub des Ventilelements in Richtung des Atmosphärendruckraums begrenzt. Der Hubanschlag kann dabei durch einen am niederdruckraumseitigen Ende des Ventilelements ausgebildeten Bund ausgeführt sein, der eine Anschlagschulter bezüglich einer am Ventilgehäuse ausgebildeten und in den Niederdruckraum weisenden Anschlagfläche bildet. Es ist aber auch möglich, den Hubanschlag durch einen an der Führungsbohrung ausgebildeten Durchmessersprung auszuführen, der eine atmosphärendruckraumseitige Anschlagfläche für die atmosphärendruckraumseitige Stirnfläche des Ventilelements bildet. Zur Durchleitung des Kraftstoffs weisen die Kontaktflächen des Hubanschlags zumindest zum Niederdruckraum hin zweckmäßigerweise eine Unterbrechung auf.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Überströmventil,
2 ein erfindungsgemäßes Überströmventil gemäß einer ersten Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
3 das Überströmventil aus 2 in einer zweiten Schaltstellung,
4 eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Überströmventils aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
5 ein erfindungsgemäßes Überströmventil gemäß einer dritten Ausführungsform und
6 ein erfindungsgemäßes Überströmventil gemäß einer vierten Ausführungsform.
Bei dem in 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine wird Kraftsoff aus einem Kraftstofftank 11 über eine Zuführleitung 12 einer Hochdruckpumpe 13 zugeführt. Die Hochdruckpumpe 13 pumpt den Kraftstoff über eine Hochdruckzuleitung 14 weiter zu einem Hochdruckspeicher 15 (Rail). Dabei wird der Kraftstoff auf einen Druck p_Rail von beispielsweise 100 bis 3000 bar verdichtet, so dass im Hochdruckspeicher 15 der erforderliche Einspritzdruck vorliegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Hochdruckpumpe 13 um eine Hochdruckpumpeneinheit mit einer integrierten Vorförderpumpe. Aus dem Hochdruckspeicher 15 wird der verdichtete Kraftstoff Kraftstoffinjektoren 16 zugeführt, die den Kraftstoff in nicht dargestellte Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
Die Kraftstoffinjektoren 16, bei denen es sich um von Aktoren direkt angesteuerte Kraftstoffinjektoren der eingangs genannten Art handelt, sind jeweils über einen Rücklaufanschluss 21 an eine Niederdruckleitung 22 angeschlossen. Der Rücklaufanschluss 21 dient dazu, Leckage aus dem Kraftstoffinjektor 16 abzuleiten. Um einen zur Kraft- und Wegübersetzung zwischen Aktor und Düsennadel eingesetzten hydraulischen Koppler im Kraftstoffinjektor 16 mit Kraftstoff zu befüllen und den Gleichgewichtsdruck in diesem hydraulischen Koppler auf einem vorbestimmten Druckniveau von beispielsweise 10 bis 30 bar zu halten, muss dieser Druck von beispielsweise 10 bis 30 bar an den Rücklaufanschlüssen 21 der Kraftstoffinjektoren 16 bereitgestellt werden. Dazu wird in der Niederdruckleitung 22 mittels eines Druckhalteventils 24 das vorbestimmte Druckniveau eingestellt, wobei bei einem Druck in der Niederdruckleitung 22 oberhalb eines Öffnungsdrucks des Druckhalteventils 24 der Kraftstoff aus der Niederdruckleitung 22 über das Druckhalteventil 24 und eine Rücklaufleitung 32 in den Kraftstofftank 11 zurückgeleitet wird, während bei einem Druck in der Niederdruckleitung 22 unterhalb eines Öffnungsdrucks des Druckhalteventils 24 dieses Druckhalteventil schließt und so die Verbindung zwischen der Niederdruckleitung 22 und der Rücklaufleitung 32 trennt. Im zuletzt genannten Fall dient dann die Rücklaufmenge der Kraftstoffinjektoren 16 ausschließlich zum weiteren Aufbau des Drucks in der Niederdruckleitung 22. Das Druckhalteventil 24 baut somit in der Niederdruckleitung 22 einen Staudruck auf, der als Rücklaufdruck p_RL erforderlich ist, um eine korrekte Funktion der hydraulischen Koppler der Kraftstoffinjektoren 16 zu gewährleisten.
Der von der Hochdruckpumpe 13 mit Kraftstoff versorgte Abschnitt des Kraftstoffeinspritzsystems wird nachfolgend mit Hochdruckbereich 10 und der mit dem aus den Kraftstoffinjektoren 16 zurückgeführten Kraftstoff versorgte Abschnitt des Kraftstoffeinspritzsystems, in dem der Rücklaufdruck p_RL anliegt, mit Niederdruckbereich 20 bezeichnet. Weiterhin verfügt das beschriebene Kraftstoffeinspritzsystem stromab vom Druckhalteventil 24 und stromauf der Hochdruckpumpe 12 über einen mit dem Kraftstofftank 11 hydraulisch in Verbindung stehenden und im Wesentlichen drucklosen bzw. unter Atmosphärendruck stehenden Rücklaufabschnitt, der nachfolgend als Atmosphärendruckbereich 30 bezeichnet wird.
Der Niederdruckbereich 20 und damit die hydraulischen Koppler der Kraftstoffinjektoren 16 werden durch den Leckagestrom der Kraftstoffinjektoren 16 mit Kraftstoff versorgt. Zum raschen Aufbau des erforderlichen Rücklaufdrucks p_RL im Niederdruckbereich 20 ist zwischen dem Hochdruckbereich 10 und dem Niederdruckbereich 20 ein Überströmventil 40 angeordnet, das eine hydraulische Verbindung vom Hochdruckbereich 10 zum Niederdruckbereich 20 ermöglicht. Dadurch liegt an den Rücklaufanschlüssen 21 der Kraftstoffinjektoren 16 schnell und ständig der für die Funktion der Kraftstoffinjektoren 16 erforderliche Rücklaufdruck p_RL vor.
Das Überströmventil 40 weist ein Ventilgehäuse 41 auf, in der ein Ventilkolben in Form eines stabförmigen Ventilelements 43 geführt ist. Im Ventilgehäuse 41 sind weiterhin ein mit dem Niederdruckbereich 20 verbundener Niederdruckraum 53 und ein mit dem Atmosphärendruckbereich 30 verbundener Atmosphärendruckraum 54 ausgebildet. Zur hydraulischen Verbindung des Niederdruckraums 53 mit dem Niederdruckbereich 20 ist am Ventilgehäuse 41 ein Niederdruckanschluss 47 vorgesehen, der über eine Niederdruckverbindung 26 mit der Niederdruckleitung 22 in Verbindung steht. Zur hydraulischen Verbindung des Atmosphärendruckraums 54 mit dem Atmosphärendruckbereich 30 ist am Ventilgehäuse 41 ein Rücklaufanschluss 48 vorgesehen, der über eine Verbindungsleitung 33 mit der in den Kraftstofftank 11 führenden Rücklaufleitung 32 verbunden ist. Das Ventilgehäuse 41 verfügt weiterhin über ein an den Hochdruckbereich 10 angeschlossenen Hochdruckanschluss 46, der über eine Überströmleitung 18 mit der Hochdruckleitung 14 des Hochdruckbereichs 10 hydraulisch verbunden ist.
In den 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele und Schaltzustände des Überströmventils 40 im Detail dargestellt. Das Ventilelement 43 ist mit einem Durchmesser d in einer Führungsbohrung 42 mit einem möglichst engen Führungspalt 50 axial verschiebbar geführt. Dabei ist das Ventilelement 43 mit einer niederdruckraumseitigen Stirnfläche 44 dem Druck im Niederdruckraum 53 und mit einer am gegenüberliegenden Ende ausgebildeten atmosphärendruckraumseitigen Stirnfläche 45 dem Atmosphärendruckraum 54 ausgesetzt. In etwa der Mitte der Führungsbohrung 42 mündet eine Hochdruckzuführung 51 mit einem Einlass 52 in die Führungsbohrung 42 bzw. in den Führungsspalt 50. Im Bereich des Einlasses 52 weist der Führungsspalt 50 zwischen Führungsbohrung 42 und Ventilelement 43 eine Erweiterung 55 auf. Die Erweiterung 55 ist über die Hochdruckzuführung 51 mit dem Hochdruckbereich 10 hydraulisch verbunden. Weiterhin ist das Ventilelement 43 mittels einer Druckfeder 49 in Richtung des Niederdruckraums 53 vorgespannt, so dass die Druckfeder 49 einer Verschiebung des Ventilelements 43 in Richtung der Atmosphärendruckraums 54 entgegenwirkt.
Um eine gleichmäßige Druckverteilung um den Umfang des Ventilelements 43 zu erreichen, ist die Erweiterung 55 umlaufend ausgeführt. Die umlaufende Erweiterung 55 des Führungsspaltes 50 wird zweckmäßigerweise mittels einer am Ventilelement 43 ausgebildeten, umlaufenden Ausnehmung realisiert. Die umlaufende Erweiterung 55 kann alternativ oder zusätzlich an der Führungsbohrung 42 ausgeführt sein. Zweckmäßigerweise ist der Erweiterung 55 niederdruckraumseitig eine konisch verlaufende Aufweitung des Führungsspaltes 50 vorgelagert, wobei die konische Aufweitung des Führungsspaltes 50 in die Erweiterung 55 übergeht. Auf die Realisierung der vorgelagerten konischen Aufweitung des Führungsspaltes 50 wird später eingegangen. Es ist aber auch denkbar, auf eine Erweiterung 55 des Führungsspaltes 50 ganz zu verzichten.
Wie in den 2 bis 6 gezeigt wird, ist das Ventilelement 43 zwischen der Erweiterung 55 und dem Atmosphärendruckraum 51 zylindrisch ausgeführt, so dass dort ein im Wesentlichen konstantes und geringes Führungsspiel zwischen Führungsbohrung 45 und Ventilelement 46 vorliegt. Zwischen der Erweiterung 55 und dem Niederdruckraum 53 weist das Ventilelement 42 gemäß 2 und 3 vorzugweise zwei Abschnitte auf. Von der niederdruckseitigen Stirnseite her betrachtet weist das Ventilelement 43 einen ersten zylindrischen Abschnitt 57 auf, wobei der erste zylindrische Abschnitt 57 in der Normalposition des Ventilelements 43 von außen in die Führungsbohrung 42 hineinragt. In diesem Abschnitt liegt somit auch ein im Wesentlichen konstantes und geringes Führungsspiel zwischen Führungsbohrung 42 und Ventilelement 43 vor. In Richtung der Erweiterung 55 schließt sich an den ersten zylindrischen Abschnitt 57 ein zweiter, konischer Abschnitt 58 an, der in die Erweiterung 55 übergeht und den besagten konischen Abschnitt des Führungsspaltes 50 bildet. Der konische Abschnitt 58 muss nicht zwingend eine linear konische Form haben, sondern kann über die Länge einen beliebigen Verlauf aufweisen.
Durch die hydraulische Anbindung des Atmosphärendruckraums 54 an den Atmosphärendruckbereich 30 herrscht im Atmosphärendruckraum 54 der Tankdruck bzw. der Atmosphärendruck p₀. Im Niederdruckraum 48 herrscht dagegen der Rücklaufdruck p_RL des Niederdruckbereiches 20. Folglich wirkt auf das Ventilelement 46 eine hydraulische Kraft F_hyd = (p_RL – p₀)π/4·d². Der hydraulischen Kraft F_hyd wirkt die Federkraft der Druckfeder 49 entgegen, die zwischen dem Ventilgehäuse 41 und dem Ventilelement 43 in Richtung des Niederdruckraums 53 vorgespannt ist, wobei die Vorspannkraft abnimmt, je weiter das Ventilelement 43 in Richtung des Niederdruckraums 53 verschoben ist.
Bei den Ausführungsbeispielen in 1 bis 5 ist die Druckfeder 49 im Niederdruckraum 53 angeordnet. Dazu weist das Ventilelement 43 am niederdruckraumseitigen Ende einen Bund 61 auf, der eine Stützfläche 62 ausbildet, an dem sich die Druckfeder 49 abstützt. Zur Auflage am Ventilgehäuse 41 ist am Eingang der Führungsbohrung 42 eine Ringfläche ausgebildet, an der sich die Druckfeder 49 ventilgehäuseseitig abstützt.
In 2 ist das Ventilelement 43 in seiner Normalposition gezeigt, in der die Vorspannkraft der Druckfeder 49 der hydraulischen Kraft F_hyd entspricht, die sich einstellt, wenn der Druck im Niederdruckbereich 20 seinem Sollwert entspricht. In diesem Zustand fließt nur ein geringer Leckagestrom vom Hochdruckbereich 10 zum Niederdruckbereich 20, da das geringe Führungsspiel im zylindrischen Abschnitt 57 des Ventilelements 43 den Leckagestrom stark drosselt. Sinkt der Druck p_RL im Niederdruckbereich 20 unter den Sollwert ab, so sinkt auch die hydraulische Kraft F_hyd auf das Ventilelement 43 und das Kräftegleichgewicht zwischen der hydraulischen Kraft F_hyd und der Federkraft der Druckfeder 49 ist gestört. In der Folge wird das Ventilelement 43 durch die Federkraft der Druckfeder 49 in Richtung Niederdruckraum 53 hin verschoben, bis sich die Druckfeder 49 soweit entspannt hat, dass das Kräftegleichgewicht wieder hergestellt ist. Je geringer der Rücklaufdruck p_RL im Niederdruckbereich 20, desto weiter wird das Ventilelement 43 in den Niederdruckraum 53 hinein verschoben. Der zylindrische Abschnitt 57 taucht dabei immer weiter aus der Führungsbohrung 42 heraus, so dass sich der in der Führungsbohrung 42 geführte zylindrische Abschnitt 57 mit abnehmendem Rücklaufdruck p_RL immer weiter verkürzt, bis schließlich der zylindrische Abschnitt 57 vollständig aus der Führungsbohrung 42 heraustritt. Ab dieser Position vergrößert sich durch den konischen Abschnitt 58 der Führungsspalt 50 am Bohrungseintritt, wodurch der Volumenstrom vom Hochdruckbereich 10 zum Niederdruckbereich 20 weiter ansteigt.
Die Charakteristik des Leckagestroms zur Erhöhung des Rücklaufdrucks p_RL im Niederdruckbereich 20 kann durch die geometrische Gestaltung des zylindrischen Abschnitts 57 und des konischen Abschnitts 58 des Ventilelements 43 sowie durch die Wahl der Federkonstante der Druckfeder 49 eingestellt werden. Sobald der Rücklaufdruck p_RL im Niederdruckbereich 20 unter seinen Sollwert absinkt, nimmt der Leckagestrom in Richtung des Niederdruckbereichs 20 zu, so dass im Niederdruckbereich 20 der Rücklaufdruck p_RL wieder ansteigt, bis der Sollwert erreicht ist. Das Ventilelement 43 weist dabei keinen Dichtsitz auf. Vielmehr ist das Ventilelement 43 dadurch, dass es in den beiden Endabschnitten in durchgehenden Führungsbohrungen 42 mit im Wesentlichen konstantem Durchmessern geführt ist, bezüglich des Drucks p_Rail im Hochdruckbereich 10 völlig druckausgeglichen. Der Druck p_Rail im Hochdruckbereich 10 hat somit keine Auswirkungen auf die Position des Ventilelements 43. Die Funktion des Überströmventils 40 und insbesondere der Rücklaufdruck p_RL im Niederdruckbereich 20, bei dem Kräftegleichgewicht am Ventilelement 43 herrscht, wird somit durch den Druck p_Rail im Hochdruckbereich 10 nicht beeinflusst.
Die beschriebene Verringerung des hydraulischen Widerstands im Führungsspalt 50 kann aber auch durch andere konstruktive Gestaltungen des Führungsspalts 50 erreicht werden. Ist am Ventilelement 43 eine Druckkammer im Bereich des Einlasses 52 ausgebildet, so kann auch auf den konischen Abschnitt 58 verzichtet werden, da bereits die Reduktion der Dichtlänge bei einer Verschiebung des Ventilelements 43 zu einer Reduktion des hydraulischen Widerstandes führt. Andererseits kann das Ventilelement 43 vom Einlass 52 ausgehend mit einer oder mehreren Längsnuten versehen sein, die in der Normalposition des Ventilelements 43 innerhalb der Führungsbohrung enden und bei der Verschiebung des Ventilelements 43 gemeinsam oder nacheinander aus der Führungsbohrung 42 austreten.
Bei den Ausführungsbeispielen in 4, 5 und 6 weist das Überströmventil 40 jeweils einen Hubanschlag für das Ventilelement 43 auf, wenn der Grenzdruck überschritten wird. Der Grenzdruck kann dabei knapp unterhalb oder oberhalb des Öffnungsdrucks des Druckhalteventils 24 liegen. Dadurch können Schwingungen des Ventilelements 43 unterbunden werden und die Druckfeder 49 wird vor Überlastung geschützt.
In 4 wird der Hubanschlag durch eine am Bund 61 des Ventilelements 43 ausgebildete Anschlagschulter 63 gebildet, die an einer am Ventilgehäuse 41 ausgebildete und in den Niederdruckraum 53 weisende Anschlagfläche 64 anschlägt. Dabei bildet beispielsweise die Stützfläche 62 für die Druckfeder gleichzeitig die Anschlagschulter 63 aus. Da beim Abstützen an der Anschlagfläche 64 keine Abdichtung erfolgen darf, weist die Kontaktlinie zwischen Anschlagschulter 63 und Anschlagfläche 64 mindestens an eine Stelle eine Unterbrechung auf, beispielsweise in Form einer Nut 65, wobei die Nut 65 gemäß 4 am Ventilgehäuse 41 angeordnet ist. Es ist aber genauso möglich, die Nut 65 am Bund 61 des Ventilelements 43 anzuordnen. Alternativ oder zusätzlich kann auch bezüglich der Auslenkung des Ventilelements 43 in Richtung des Niederdruckanschlusses 47 ein zusätzlicher Hubanschlag vorgesehen sein.
Beim Ausführungsbeispiel in 5 wird der Hubanschlag durch einen am Eingang zum Atmosphärendruckraum 54 ausgebildeten Durchmessersprung der Führungsbohrung 42 gebildet, der eine atmosphärendruckraumseitige Anschlagfläche 66 für das Ventilelement 43 ausgebildet, an die das Ventilelement 43 mit seiner atmosphärendruckraumseitigen Stirnfläche 45 anschlägt. Die Kontaktlinie an diesem Hubanschlag kann wiederum zur Durchleitung eines Leckagestroms unterbrochen ausgeführt sein. Die Kontaktlinie kann an dieser Stelle jedoch auch umlaufend geschlossen sein. Wenn die Kontaktfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche der Führungsbohrung 42, baut sich dann zwischen den Kontaktflächen bei Erreichen des Hubanschlags ein Druck auf, der das Ventilelement 43 geringfügig vom Hubanschlag fern hält. Auf diese Weise entsteht ein hydraulisches Polster, welches ein mechanisches Anschlagen am Hubanschlag verhindert und so eine Geräuschentstehung oder Verschleiß an dieser Stelle unterbindet.
Beim Ausführungsbeispiel in 6 ist zusätzlich zur Ausbildung des Hubanschlags gemäß 5 die Druckfeder 49 innerhalb des Atmosphärendruckraums 54 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel entfällt die Ausbildung eines Bundes 61 am Ventilelement 43 und das Ventilelement 43 kann durchgehend stabförmig ausgeführt werden. Die Druckfeder 49 wird dabei zwischen einer Endwand 68 des Atmosphärendruckraums 54 und der atmosphärendruckraumseitigen Stirnfläche 45 des Ventilelements 43 vorgespannt.
Weiterhin kann an der Führung zwischen Hochdruckbereich 10 und Atmosphärendruckbereich 30 zusätzlich ein Dichtelement angebracht werden, das die Leckage zum Atmosphärendruckbereich 30 hin unterbindet. Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind weitere Ausführungsformen denkbar, bei denen beispielsweise die Merkmale der aufgeführten Ausführungsbeispiele kombiniert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10332484 A1 [0004]

Claims

Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Ventilgehäuse (41), in dem eine Führungsbohrung (42) für ein Ventilelement (43) angeordnet ist, wobei das Ventilelement (43) mit einem Führungsspalt (50) axial verschiebbar in der Führungsbohrung (42) geführt ist, und wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen Hochdruckbereich (10), einen Niederdruckbereich (20) und einen mit einem Kraftstofftank (11) verbundenen und im Wesentlichen unter Atmosphärendruck stehenden Atmosphärendruckbereich (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (43) zwei sich axial gegenüberliegende Stirnflächen (44, 45) aufweist, und dass die eine Stirnfläche (44) einem Druck p_RL des Niederdruckbereiches (20) und die gegenüberliegende zweite Stirnfläche (45) einem Druck p₀ des Atmosphärendruckbereiches (30) ausgesetzt ist.
Überströmventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilgehäuse (41) ein mit dem Niederdruckbereich (20) verbundener Niederdruckraum (53) und ein mit dem Atmosphärendruckbereich (30) verbundener Atmosphärendruckraum (54) angeordnet sind, dass die eine Stirnfläche (44) dem Niederdruckraum (53) und die gegenüberliegende zweite Stirnfläche (45) dem Atmosphärendruckdruckraum (54) ausgesetzt ist, und dass Ventilelement (43) mit einer Federkraft in Richtung des Niederdruckraums (53) beaufschlagt ist.
Überströmventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen (44, 45) eine an den Hochdruckbereich (10) angeschlossene Hochdruckzuführung (51) mit einem Einlass (52) in den zwischen Führungsbohrung (42) und Ventilelement (43) ausgebildeten Führungsspalt (50) mündet.
Überströmventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (52) der Führungspalt (50) eine Erweiterung (55) aufweist.
Überströmventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (55) umlaufend zwischen Ventilelement (43) und Führungsbohrung (42) ausgebildet ist.
Überströmventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (55) durch eine am Ventilelement (43) und/oder an der Führungsbohrung (42) ausgebildete Ausnehmung gebildet ist.
Überströmventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erweiterung (55) niederdruckraumseitig eine in die Erweiterung (55) einlaufende konische Aufweitung des Führungsspalts (50) vorgelagert ist.
Überströmventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (43) zwischen dem Niederdruckraum (53) und der Erweiterung (55) niederdruckraumseitig einen ersten im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt (57) und einen in Richtung der Erweiterung (55) sich anschließenden zweiten konischen Abschnitt (58) aufweist, wobei sich der zweite konische Abschnitt (58) bis zur Erweiterung (55) hin verjüngt und die konische Aufweitung des Führungsspaltes (50) bildet.
Überströmventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (46) zwischen dem Atmosphärendruckraum (54) und der Erweiterung (55) im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt ist, so dass dort ein im Wesentlichen konstantes und geringes Führungsspiel zwischen Führungsbohrung (42) und Ventilelement (43) vorliegt.
Überströmventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ventilelement (43) und Ventilgehäuse (41) ein Hubanschlag ausgebildet ist, welcher den axialen Hub des Ventilelements (43) in Richtung des Atmosphärendruckraums (30) begrenzt.
Überströmventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubanschlag durch einen am niederdruckraumseitigen Ende des Ventilelements (43) ausgebildeten Bund (61) ausgeführt ist, der eine Anschlagschulter (63) bezüglich einer am Ventilgehäuse (41) ausgebildeten und in den Niederdruckraum (53) weisenden Anschlagfläche (64) bildet.
Überströmventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubanschlag durch einen an der Führungsbohrung (42) ausgebildeten Durchmessersprung ausgeführt ist, der eine atmosphärendruckraumseitige Anschlagfläche (66) für die in den Atmosphärendruckraum (30) weisende Stirnfläche (45) des Ventilelements (43) bildet.
Überströmventil nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen des Hubanschlages eine Unterbrechung (64) zur Durchleitung von Kraftstoff aufweisen.