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Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil, insbesondere zur Dämpfung von Druckschwingungen in einem hydraulischen System zur Kraftstoffeinspritzung einer Brennkraftmaschine.
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Diesel-Einspritz-Injektoren von Common-Rail-Systemen (CRS) bei Hubkolbenmaschinen unterschiedlichster Größe für PKW, NFZ und weitere Anwendungen werden grundsätzlich auf der Einlassseite mit einem auf Hochdruck vorgespannten Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff versorgt. Dieser Druck beträgt aktuell bei PKW-Anwendungen zwischen 150 bar und 2500 bar.
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Aufgrund des inneren Aufbaus solcher Injektoren weisen diese in den meisten Fällen eine interne Leckage auf. Der Leckage-Kraftstoff muss von den Injektoren über ein geeignetes Leitungssystem (Injektor-Rücklaufleitung) fortgeleitet und geeignet dem Kraftstoffversorgungskreislauf wieder zugeführt werden.
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Dabei hängt die einwandfreie Funktion der Injektoren am sogenannten Injektor-Rücklaufdruck.
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In der Injektor-Rücklaufleitung muss also ein vom Injektor-Typ abhängiger hydraulischer Druck vorherrschen. Dieser Druck variiert je nach Injektor-Typ zwischen wenigen hundert Millibar bis zu mehreren Bar.
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Um das jeweilig geforderte Druckfenster für einen Injektoren-Typ zu realisieren, wird in der Injektor-Rücklaufleitung ein Stauventil eingesetzt, welches eine geeignete dynamische hydraulische Charakteristik aufweisen soll.
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Ein hydraulisches Stau-/Dämpfungsventil ist aus der Druckschrift
DE 101 21 342 A1 bekannt, welches für hydraulische Kraftfahrzeuglenkungen entwickelt worden ist.
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Ein weiteres als Sitzventil bezeichnetes Ventil zur Kompensation von Strömungskräften innerhalb eines nicht näher spezifizierten hydraulischen Systems ist in der Druckschrift
DE 10 2007 054 655 B3 beschrieben.
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Die beschriebenen Ventile kompensieren Druckschwingungen in den hydraulischen Systemen dadurch, indem die Einlassseite und die Auslassseite miteinander über jeweils mindestens einen unterschiedlich angeordneten und ausgebildeten Bypass verbunden sind, der zur Druckkompensation je nach Anordnung und Ausbildung des Bypasses seine Wirkung entfaltet.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist eine einfache und preiswerte Ausführung eines Stau-/Dämpfungsventiles innerhalb eines hydraulischen Systems, insbesondere innerhalb eines hydraulischen Common-Rail-Systems bei Hubkolbenmaschinen, welches prinzipiell als ein Rückschlagventil aufgebaut ist.
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Es zeigen:
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1 ein Common-Rail-System (CRS) mit einem schematisch dargestellten Rückschlagventil, und
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2 ein herkömmliches Rückschlagventil.
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Eine prinzipielle Anordnung eines schematisch dargestellten Rückschlagventiles 100, 100‘ innerhalb eines Common-Rail-Systems (CRS) bei Hubkolbenmaschinen ist in 1 dargestellt.
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Das Schema zeigt die Hochdruckpumpe 200 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, welche die Injektoren 300 der Brennkraftmaschine mit einem hydraulischen Fluid, insbesondere einer Kraftstoffflüssigkeit [kurz:Kraftstoff] beaufschlagt, die aus einem Kraftstofftank 400 mittels einer Kraftstoffpumpe 401 entnommen und über eine Versorgungsleitung V zu der Hochdruckpumpe 200 und zu den Injektoren 300 gefördert wird. In die Versorgungsleitung V zwischen Kraftstoffpumpe 401 und Hochdruckpumpe 200 mündet eine von den Injektoren 300 kommende Bypassleitung B, in der ein Druckregelventil 500 zur Druckregelung des Einspritzdruckes an den Injektoren 300 angeordnet ist.
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In einer von den Injektoren 300 kommenden Injektor-Rücklaufleitung L1 ist das Rückschlagventil 100 angeordnet. Stromabwärts des Rückschlagventiles 100 mündet eine Abzweigleitung H der Hochdruckpumpe 200 in die zum Kraftstofftank 400 führende Rücklaufleitung L ein.
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Der prinzipielle Aufbau eines herkömmlichen Rückschlagventiles 100 ist in 2 skizzenhaft dargestellt.
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Das herkömmliche Rückschlagventil 100 ist radialsymmetrisch aufgebaut und umfasst ein Gehäuse 9, welches eine Einlassöffnung 1 und eine Auslassöffnung 6 aufweist. Weiterhin ist unmittelbar stromabwärts nach der Einlassöffnung 1 ein Dichtsitz 2 im Gehäuse 9 dargestellt, der beispielsweise kegelförmig ausgeführt ist. In einem einfachen Aufbau wird mittels eines Federelementes 10, das sich stromabwärts am Gehäuse 9 abstützt, ein Dichtkörper 3, der beispielsweise als Kugel ausgeführt ist, in den Dichtsitz 2 gedrückt. In einer in 2 angedeuteten Ausführungsform verhindern angeordnete Führungselemente 4, insbesondere seitliche Führungsrippen/-stege, ein seitliches Ausweichen des Dichtkörpers 3.
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Wird ein solches Rückschlagventil 100 an der zu den Injektoren orientierten Einlassöffnung 1 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt, so wirkt dieser Druck auf die resultierende Fläche des Dichtkörpers 3, welche nicht durch den Dichtsitz 2 begrenzt wird. Das Rückschlagventil 100 bleibt nun so lange geschlossen, der Dichtkörper 3 befindet sich dabei im Dichtsitz 2, bis die hydraulische Kraft, als Produkt des hydraulischen Druckes mal resultierender Fläche, genauso groß ist wie die entgegenwirkende Federkraft des Federelementes 10. Wird die hydraulisch resultierende Kraft größer als die Federkraft des Federelementes 10, öffnet das Rückschlagventil 100 und Kraftstoff kann durch einen Ringspalt zwischen Dichtkörper 3 und Dichtsitz 2 innerhalb des Gehäuses 9 vorbei an dem Federelement 10 zur Auslassöffnung 6 strömen.
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Dieser statische Fall bis zum Öffnen des Rückschlagventiles 100 ist mathematisch leicht beschreibbar und verständlich. Ist das Rückschlagventil 100 jedoch geöffnet, ändern sich die Verhältnisse schlagartig und auch die mathematische Beschreibung ist schwierig.
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Zum einen steigt die mit dem hydraulischen Druck beaufschlagte Fläche des Dichtkörpers 3 an, sobald der Dichtkörper 3 sich aus dem Dichtsitz 2 herausbewegt. Weiterhin setzt eine hydraulische Strömung ein, womit das System nicht mehr statisch, sondern strömungsdynamisch beschrieben werden muss.
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Zum anderen sinkt bei Auftreten der Strömung der statische Druck sofort ab und der dynamische Druck des Kraftstoffs nimmt zu.
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Es hängt von der konkreten Konstruktion, insbesondere der Geometrie des Dichtkörpers und des Dichtsitzes ab, ob die resultierende hydraulische Kraftkomponente nach Öffnen des Rückschlagventiles 100 steigt, sinkt oder konstant bleibt. Dieses grundsätzliche Verhalten des Rückschlagventiles 100, welches aus den Geometrieverhältnissen in der Nähe des Dichtbereiches abzuleiten ist, soll hier jedoch nicht betrachtet werden.
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Das Rückschlagventil 100 wird gemäß den 1 und 2 in der Hauptströmungsrichtung (A) auf der Seite der Einlassöffnung 1 mit periodischen, motordrehzahlabhängigen Mengenwellen aus den Injektoren beaufschlagt, die zu Druckpulsationen an der Einlassöffnung 1 des Rückschlagventiles 100 führen.
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Auf der Seite der Auslassöffnung 6 treten ebenfalls periodisch hydraulische Druckwechsel auf, die ihrerseits aus Mengenwellen der Hochdruckpumpe 200 resultieren.
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Da das Rückschlagventil 100 in Abhängigkeit der zwischen Einlassöffnung 1 und Auslassöffnung 6 vorherrschenden Druckdifferenz arbeitet, wird es durch die genannten periodischen Druckereignisse von außen einström- und ausströmseitig 1, 6 in seiner Funktion gestört.
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Insbesondere führen starke Druckpulsationen an der Auslassöffnung 6 des Rückschlagventiles 100 zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Ventilfunktion. Sinkt der Druck stromabwärts des Rückschlagventiles 100 – auf der Seite der Auslassöffnung 6 – stark ab, erhöht sich damit die Druckdifferenz über dem Rückschlagventil 100 und der Dichtkörper 3 wird weiter aus dem Dichtsitz 2 in die Hauptströmungsrichtung (A) ausgelenkt.
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Der niedrige Druck stromabwärts des Rückschlagventiles 100 pflanzt sich ungehindert stromaufwärts des Rückschlagventiles 100 – bis auf die Seite der Einlassöffnung 1 – fort. Sobald aber mit der nächsten Periode der auftretenden Druckereignisse der Druck stromabwärts des Rückschlagventiles 100 beginnt anzusteigen, verringert sich dadurch die Druckdifferenz über dem Rückschlagventil 100 schnell und stark.
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Daraufhin wird der Dichtkörper 3 durch den sich an der Auslassöffnung 6 schnell ansteigenden „rückwärtigen“ hohen Druck und unterstützt durch das Federelement 10 in den Dichtsitz 2 gedrückt und schließt.
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Der rückwärtige nun hohe Druck an der Auslassöffnung 6 stromabwärts des Rückschlagventiles 100 kann sich nicht genauso wie zuvor der niedrigere Druck über die Einlassöffnung 1 des Rückschlagventiles 100 in den Bereich stromaufwärts fortpflanzen.
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Das geschlossene Rückschlagventil 100 verhindert die Druckfortpflanzung. Wenn in einer weiteren Periode der auftretenden Druckereignisse der Druck stromabwärts an der Auslassöffnung 6 des Rückschlagventiles 100 wieder sinkt, saugt der stromaufwärts an der Einlassöffnung 1 anliegende höhere Druck das Rückschlagventil 100 wieder auf und der beschriebene unerwünschte periodische Druckpulsationsvorgang beginnt von vorn.
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Durch den stark und schnell auftretenden hohen Druck stromabwärts des Rückschlagventiles 100, der das Rückschlagventil 100 zunächst komplett verschließt und das anschließende Öffnen des Rückschlagventiles 100 durch den stromabwärts des Rückschlagventiles 100 wieder sinkenden Druck kommt es innerhalb des sich ständig wiederholenden Druckpulsationsvorgangs zu einem nachteiligen Effekt des „Leersaugens“ der injektorseitigen Injektor-Rücklaufleitung L1 im Bereich zwischen den Injektoren 300 und dem Rückschlagventil 100.
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Es ergibt sich in der Praxis, dass unter den geschilderten Randbedingungen, nämlich deutlichen periodischen Pulsationen stromabwärts des Rückschlagventiles 100, das Rückschlagventil 100 nicht in der Lage ist, seine Funktion einwandfrei zu erfüllen.
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Durch die soeben erläuterte extreme, dynamische Abhängigkeit vom Differenzdruck lässt das Rückschlagventil 100 – strömungsdynamisch betrachtet – die negativen Druckhalbwellen durch, verschließt sich aber, wenn die positiven Druckhalbwellen diesen Effekt ausgleichen könnten.
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Es zeigt sich in der Praxis, dass durch diesen Effekt der Mitteldruck stromaufwärts des Rückschlagventiles 100 sogar deutlich unter den Mitteldruck stromabwärts des Rückschlagventiles 100 absinken kann, obwohl das Rückschlagventil 100 in dieser Richtung – stromaufwärts – für eine Druckerhöhung sorgen soll.
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Ursachen für den auftretenden negativen Effekt sind insbesondere hohe periodische Pulsationen stromabwärts des Rückschlagventiles 100 und ein zu geringer Volumenstrom durch das Rückschlagventil 100. Ein größerer Volumenstrom würde stromaufwärts des Rückschlagventiles 100 für einen entsprechenden neuerlichen Druckaufbau im geschlossenen Zustand des Rückschlagventiles 100 sorgen. Als weitere Ursache für den auftretenden negativen Effekt ist die sehr hohe Reaktionsfähigkeit des Dichtkörpers 3 auf die von außen aufgeprägte hydraulische Schwingung zu nennen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines neuen Ventiles, welches sehr robust ist und auf Druckereignisse aus seiner unmittelbaren Umgebung möglichst nicht oder nur geringfügig reagiert. Insbesondere soll das Rückschlagventil stabil gegen hydraulische Effekte in seinem Inneren reagieren. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, in Abhängigkeit der axialen Auslenkung des Dichtkörpers aus dem Dichtsitz heraus, also in Hauptströmungsrichtung, den Druckverlust am Ventil kontinuierlich zu reduzieren und gleichzeitig den Volumenstrom durch das Ventil kontinuierlich zu erhöhen. Bei der Lösung der Aufgabe soll als treibende Kraft die Druckdifferenz über dem Ventil genutzt werden. Dabei soll ferner sichergestellt werden, dass das Ventil auch robust gegen mechanische Störungen von außen ist und auf pulsierende, periodische Druckereignisse aus seiner unmittelbaren Umgebung möglichst nicht oder nur wenig reagiert.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Rückschlagventil, insbesondere zur Dämpfung von Druckschwingungen in einem hydraulischen System zur Kraftstoffeinspritzung einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Gehäuse, in dem ein mit einem Federelement belasteter Dichtkörper mit einem Dichtsitz zusammenwirkt, wobei der Dichtkörper in Abhängigkeit der an einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung des Rückschlagventiles herrschenden Drücke eines Fluids druckdifferenzabhängig aus dem Dichtsitz des Rückschlagventiles ausgelenkt wird, so dass Fluid in einem Hauptstrom druckdifferenzabhängig in einer Strömungsrichtung von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung strömt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Dichtkörper einen in axialer Richtung des Rückschlagventiles ausgerichteten Kolben/Stößel umfasst, der in einem fest in das Gehäuse integrierten Dämpfungszylinder geführt ist, und innerhalb des Dämpfungszylinders ein mit dem Fluid gefüllter Dämpfungsraum ausgebildet ist, in dem die vom Dichtkörper abgewandte Kolben/Stößel-Stirnseite des Kolbens/Stößels angeordnet ist, und zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung mindestens eine über den Dämpfungszylinder geführte hydraulische Verbindungsöffnung ausgebildet ist, die es erlaubt, dass Fluid in einem Nebenstrom bei einer Druckerhöhung des Fluids auf der Seite der Einlassöffnung druckdifferenzabhängig in der Strömungsrichtung aus dem Dämpfungsraum herausgedrückt oder bei einer Druckerhöhung des Fluids in einem Nebenstrom auf der Seite der Auslassöffnung druckdifferenzabhängig entgegen der Strömungsrichtung in den Dämpfungsraum hineingedrückt wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Kolben/Stößel des Dichtkörpers des sich in Betrieb befindenden Rückschlagventiles in beziehungsweise entgegen der Strömungsrichtung des Hauptstromes des Fluids bewegt wird und der Dichtkörper gegenüber dem Dichtsitz in einem gedämpften Schwebezustand gehalten wird.
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Die Erfindung schlägt in bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung mehrere hydraulische Verbindungsöffnungen vor, die kombiniert zum Einsatz kommen können.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist für den Nebenstrom des Fluids eine über den Dämpfungszylinder geführte hydraulische Verbindungsöffnung durch einen Ringspalt ausgebildet, wobei der Ringspalt zwischen der Außenmantelfläche des Kolbens/Stößels und der Innenmantelfläche des Dämpfungszylinders ausgebildet ist.
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In einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung ist für den Nebenstrom des Fluids eine über den Dämpfungszylinder geführte hydraulische Verbindungsöffnung durch eine Spülbohrung ausgebildet, wobei die Spülbohrung in dem Kolben/Stößel angeordnet ist. Bevorzugt umfasst die Spülbohrung eine Spüldrossel.
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In einer dritten bevorzugten Ausgestaltung ist für den Nebenstrom des Fluids eine über den Dämpfungszylinder geführte hydraulische Verbindungsöffnung durch eine Dämpfungsbohrung ausgebildet, wobei die Dämpfungsbohrung in dem Dämpfungszylinder angeordnet ist. Bevorzugt umfasst die Dämpfungsbohrung eine Dämpfungsdrossel.
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Die bevorzugten Ausgestaltungen und zugehörige alternative Ausführungsformen sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es wird erläutert, wie eine Funktionsbeeinflussung des erfindungsgemäßen Rückschlagventiles 100‘ durch periodisch hydraulische Druckwechselbeanspruchungen von außen vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Vergleichend zu 2 wird nachfolgend die 3 beschrieben, mittels der die erfindungsgemäße Lösung verdeutlicht wird.
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Es zeigt:
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3 ein erfindungsgemäßes Rückschlagventil.
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein Rückschlagventil 100‘, welches eine der oben genannten Ursachen, nämlich die sehr hohe Reaktionsfähigkeit des Dichtkörpers 3 auf die von außen aufgeprägte hydraulische Schwingung (Druckpulsation), beseitigt oder zumindest reduziert.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Rückschlagventil 100‘, welches einen – gedämpft – beweglichen Dichtkörper 3 aufweist, weshalb das Rückschlagventil 100‘ als „Gedämpftes Rückschlagventil“ 100‘ bezeichnet wird.
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Die Dämpfung wird dabei so gewählt, dass der Dichtkörper 3 auf die Änderungen im zeitlichen Mitteldruck reagiert und entsprechend ausweicht, aber den periodischen Druckschwankungen nur noch deutlich reduziert folgt. Mit anderen Worten wird über die Dämpfung dafür gesorgt, dass das Rückschlagventil 100‘ beziehungsweise dessen Dichtkörper 3 innerhalb des Gehäuses 9 in einer Art Schwebeposition gehalten wird, in der es nur langsam auf dynamische einlassseitige oder auslassseitige Druckschwankungen reagiert.
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Dazu umfasst der Dichtkörper 3 im Unterschied zu dem herkömmlichen Rückschlagventil 100 gemäß 2 jetzt einen in axialer Richtung des Rückschlagventiles 100‘ verlaufenden, am Dichtkörper 3 angeordneten Kolben oder Stößel 7.
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Beide Teile – Dichtkörper 3 und Kolben/Stößel 7 – sind fest miteinander verbunden. Der Kolben/Stößel 7 wird in einem in ein Gehäuse 9 integrierten Dämpfungszylinder 5 radial geführt.
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Der Dämpfungszylinder 5 stützt sich axial beispielsweise mittels geeigneter Führungselemente, insbesondere mittels Rippen oder Stegen 4, an dem Gehäuse 9 ab.
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Der Kraftstoff strömt nach Öffnung des Rückschlagventiles 100‘ von der Einlassöffnung 1 zur Auslassöffnung 6, sobald der Druck am Einlass der Einlassöffnung 1 des Rückschlagventils 100‘ größer ist als am Auslass der Auslassöffnung 6.
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Wenn die Druckdifferenz zwischen Einlassöffnung 1 und Auslassöffnung 6 größer ist als ein Öffnungsdruck, öffnet sich das Rückschlagventil 100‘ und der Dichtkörper 3 bewegt sich aus dem Dichtsitz 2 heraus. Der vorgebbare Öffnungsdruck wird durch ein den Dichtkörper 2 in Schließstellung haltendes vorgespanntes Federelement 10 erzeugt. Sobald das Rückschlagventil 100‘ geöffnet ist, fließt Kraftstoff in einem Hauptstrom von der Einlassöffnung 1 zur Auslassöffnung 6 an den als Rippen und Stege ausgebildeten Führungselementen 4 vorbei, in die durch die Pfeile gezeigte Strömungsrichtung (A).
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Zwischen dem Dämpfungszylinder 5 und den als Führungselementen dienenden Rippen/Stegen 4 besteht eine feste Verbindung 8, beispielsweise in Form einer Presspassung, einer Verschraubung oder einem Anguss oder einer Anschweißung.
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Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Dämpfungszylinder 5, die Rippen/Stege 4 und das Gehäuse 9 aus einem Stück zu fertigen. Wesentlich ist, dass der Dämpfungszylinder 5 axial und radial fest mit dem Gehäuse 9 verbunden ist.
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Darüber hinaus wird ein Federelement 10 im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel radial außen am Dämpfungszylinder 5 geführt. Das Federelement 10 stützt sich am Gehäuse 9 axial, insbesondere über die Rippen/Stege 4 ab. Das Federelement 10 wirkt axial auf den Dichtkörper 3 und den mit ihm verbundenen Kolben/Stößel 7.
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Unter eine vorgebbare Vorspannung gestellt, drückt das Federelement 10 den Dichtkörper 3 stets in Richtung Dichtsitz 2 in Schließrichtung des Rückschlagventiles 100‘. Wird das Rückschlagventil 100‘ derart mit einer Druckdifferenz beaufschlagt, dass der Druck am Einlass der Einlassöffnung 1 des Rückschlagventils 100‘ größer ist als am Auslass der Auslassöffnung 6 und ist diese Druckdifferenz größer als der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 100‘, öffnet sich das Rückschlagventil 100‘ und der Dichtkörper 3 bewegt sich aus dem Dichtsitz 2 heraus in die durch die Pfeile gezeigte Strömungsrichtung (A).
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Dabei wird der Kolben/Stößel 7 über die Druckverhältnisse im Nebenstrom des Fluids innerhalb des Dämpfungszylinders 5 derart verschoben, dass sich auf der vom Dichtkörper 3 abgewandten Kolben/Stößel-Stirnseite ein Druck in einem mit dem Kraftstoff gefüllten Dämpfungsraum 11 des Dämpfungszylinders 5 aufbaut.
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Der bei der Verschiebung des Kolben/Stößels 7 im Nebenstrom aus dem Dämpfungsraum 11 verdrängte Kraftstoff wird durch eine Dämpfungsbohrung 5a mit der darin enthaltenen Dämpfungsdrossel 5b, welche einen deutlich geringeren Durchmesser als die Dämpfungsbohrung 5a aufweist, über den Ringspalt 12 aus dem Dämpfungsraum 11 in Strömungsrichtung (A) herausgedrückt.
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Mittels der Dämpfungsdrossel 5b kann in vorteilhafter Weise die gewünschte Bewegungsdämpfung des Dichtkörpers 3 eingestellt werden.
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Statt einer wie in 3 dargestellten Dämpfungsdrossel 5b, bei der definitionsgemäß der Durchmesser der Dämpfungsbohrung 5a deutlich größer ist als die axiale Länge der Dämpfungsbohrung 5a, kann auch eine sogenannte Langdrossel eingesetzt werden, bei der definitionsgemäß der Durchmesser der Dämpfungsbohrung 5a sehr viel kleiner ist als die axiale Länge der Dämpfungsbohrung 5a.
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Eine Drossel hat die grundsätzliche physikalische Eigenschaft, dass sie der viskositätsunabhängigen Bernoulli-Gleichung gehorcht. Das heißt, die Viskosität des Kraftstoffes, welche zum Beispiel von der Temperatur empfindlich abhängt, hat keinen Einfluss auf die Drosselwirkung und damit auf die Dämpfungswirkung des vorgeschlagenen Rückschlagventiles 100‘. Soll eine Viskositätsabhängigkeit berücksichtigt werden, wird erfindungsgemäß eine Langdrossel ausgebildet, die nach dem Hagen-Poiseuille´schen Gesetz für laminare Strömungen von der Fluidviskosität abhängt, wenn der Durchmesser der Dämpfungsbohrung 5a sehr viel kleiner ist als die axiale Länge der Dämpfungsbohrung 5a.
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Damit diese Dämpfungsfunktion Wirkung zeigen kann, ist es weiterhin notwendig, dass im Dämpfungsraum 11 des Dämpfungszylinders 5 unterhalb des Kolbens/Stößels 7 und vor der Bohrung 5a mit der Drossel 5b tatsächlich auch flüssiger Kraftstoff vorhanden ist, der nicht in den gasförmigen Zustand übergehen kann.
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Es ist bekannt, dass in Kraftstoffen, insbesondere in Dieselkraftstoffen, ähnlich wie in Wasser Luft gelöst werden kann. Die Lösungsfähigkeit ist dabei umso größer, je höher die Medientemperatur ist.
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Das bedeutet, dass bei abkühlendem Dieselkraftstoff die zuvor darin gelöste Luft wieder ausgasen kann und druckabhängig im abgekühlten Kraftstoffraum, insbesondere im Dämpfungsraum 11, Luftblasen bildet.
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Da solche Luftblasen die Dämpfungswirkung des vorgeschlagenen Rückschlagventiles 100‘ erheblich reduzieren würden, wird weiterhin vorgeschlagen, in den Dichtkörper 3 und den anschließenden Kolben/Stößel 7 eine/n Spülbohrung/Spülkanal 3a mit einer Spüldrossel 3b derart einzubringen, dass die/der Spülbohrung/Spülkanal 3a mit der integrierten Spüldrossel 3b die Einlassöffnung 1 des Rückschlagventils 100‘ mit dem Dämpfungsraum 11 und der Auslassöffnung 6 verbindet. Somit steht für den Nebenstrom neben der Dämpfungsbohrung 5a mit der Dämpfungsdrossel 5b und dem Ringspalt 12 eine weitere hydraulische Verbindungsöffnung zwischen Einlassöffnung 1 und Auslassöffnung 6 zur Verfügung.
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Dabei wird die Spüldrossel 3b so klein ausgewählt, dass der durch sie hindurchströmende Spülstrom des Nebenstroms des Kraftstoffes ausreichend gering ist, um die Funktion des Rückschlagventils 100‘ nicht zu stören, und der Spülstrom des Nebenstroms des Kraftstoffes ausreichend hoch ist, um eventuelle Luftblasen aus dem Dämpfungsraum 11 auszuspülen.
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Diese Konstruktion ermöglicht in vorteilhafter Weise den Einsatz des Rückschlagventils 100‘ in beliebigen Einbaulagen innerhalb des Schwerkraftfeldes der Erde, da eventuell entstehendes Gas immer aktiv aus dem Dämpfungsraum 11 ausgespült werden kann.
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Zur Einstellung der Gesamtdämpfung ist die Spüldrossel 3b kleiner auszulegen als die Dämpfungsdrossel 5b, damit die Spüldrossel 3b keinen Einfluss auf die Dämpfung nimmt.
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Genau wie für die Dämpfungsdrossel 5b oben bereits beschrieben ist, kann auch die/der Spülbohrung/Spülkanal 3a mit einer viskositätsunabhängig wirkenden Spüldrossel 3b – wie in 3 dargestellt – oder aber mit einer viskositätsabhängigen Langbohrung ausgebildet werden.
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Bei Vorhandensein der Spülbohrung 30 mit der Spüldrossel 3b wird die Leckage über eine Ringspaltabdichtung des Ringspaltes 12 zwischen dem Kolben/Stößel 7 und dem Dämpfungszylinder 5 gering gehalten, damit durch Leckage kein Einfluss auf das Dämpfungsverhalten des Rückschlagventiles 100‘ vorhanden ist und somit das Dämpfungsverhalten nicht reduziert wird.
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Es wird durch Auslegung der Drosseln 3b, 5b dafür gesorgt, dass der Nebenstrom über die Dämpfungsdrossel 5b deutlich größer ist als über die Spüldrossel 3b, welche wiederum größer ist als die einen Nebenstrom ermöglichende Leckage im Ringspalt 12 zwischen dem Dämpfungszylinder 5 und dem Kolben/Stößel 7. Dadurch ist die Dämpfungsdrossel 5b bestimmend für das Maß der Gesamtdämpfung.
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Ein vereinfachter Aufbau des Rückschlagventiles 100‘ kann in einer ersten Ausführungsvariante auf die Dämpfungsbohrung 5a mit der Dämpfungsdrossel 5b oder in einer zweiten Ausführungsvariante auf die Spülbohrung 3a mit der Spüldrossel 3b verzichten. Dabei ist jedoch dann der gerichtete Verbau des Rückschlagventils 100 im Schwerkraftfeld der Erde notwendig.
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Erste Ausführungsvariante:
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Daraus folgt in der vereinfachten ersten Ausführungsvariante die Verbauanweisung des Rückschlagventiles 100‘ innerhalb des Kraftstoffeinspritzsystems wie folgt: Einlass der Einlassöffnung 1 oben, Auslass der Auslassöffnung 6 unten. (Lage im Schwerkraftfeld der Erde, wie in 3 dargestellt.) Hierbei kann auf den Nebenstrom über Dämpfungsbohrung 5a mit der Drossel 5b verzichtet werden. Im Fall einer Gasblase im Dämpfungsraum 11 wird gasförmiger Kraftstoff entweder in dem Nebenstrom über die Ringspaltleckage der Ringspaltabdichtung des Ringspaltes 12 zwischen Zylinder 5 und Kolben/Stößel 7 oder aber in dem Nebenstrom direkt über die Spülbohrung 3a nebst Spüldrossel 3b entfernt.
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Zweite Ausführungsvariante:
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Daraus folgt in der vereinfachten zweiten Ausführungsvariante die Verbauanweisung des Rückschlagventiles 100‘ innerhalb des Kraftstoffeinspritzsystems wie folgt: Einlass der Einlassöffnung 1 unten, Auslass der Auslassöffnung 6 oben. (Lage im Schwerkraftfeld der Erde, Rückschlagventil 100‘ wie in 3 dargestellt um 180° gedreht.) Hierbei kann auf den Nebenstrom über die Spülbohrung 3a und die Drossel 3b verzichtet werden. Eventuell vorhandener gasförmiger Kraftstoff wird über den Nebenstrom durch die nach oben gerichtete Dämpfungsbohrung 5a nebst Drossel 5b entfernt.
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Die Vorschläge zur Strömungsoptimierung eines Rückschlagventiles 100‘ aus einer separaten Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel „Doppeltwirkendes Rückschlagventil“ lassen sich mit dem hier vorgestellten gedämpften Rückschlagventil 100‘ kombinieren.
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Die in dieser Anmeldung beschriebene Lösung ist außerdem mit Lösungen, die ein strömungsoptimiertes Rückschlagventil betreffen, kombinierbar.
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In der Praxis ist nämlich festzustellen, dass durch die auftretende Strömung in den herkömmlichen Rückschlagventilen 100 und die damit einhergehenden dynamischen Effekte stromabwärts des Dichtbereiches innerhalb des Rückschlagventiles 100 seitlich des Dichtkörpers 3 und auf dessen Rückseite weitere hydraulisch-dynamische Kraftkomponenten erzeugt werden, welche die Funktion und Wirkungsweise des Ventils ungünstig beeinflussen.
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Untersuchungen zu den Rückschlagventilen 100 nach dem Stand der Technik haben ergeben, dass durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Fluides zwischen Dichtkörper 3 und Gehäuse 9 seitliche, radiale Kraftkomponenten erzeugt werden, die den Dichtkörper 3 quer zur Strömungsrichtung auslenken und im Gehäuse 9 taumeln lassen. Dadurch schlägt der Dichtkörper 3 radial an den Führungsrippen 4 an, was dort kurzzeitig zu erhöhter Reibung und einer Behinderung der axialen Bewegung des Dichtkörpers 3 führt.
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Zudem wurde festgestellt, dass es im Auslauf des Dichtkörpers 3, wenn dieser zum Beispiel als Kugel ausgeführt ist, zu Verwirbelungen innerhalb der Fluidströmung kommt. Diese Verwirbelungen erzeugen zeitlich und räumlich variable hydraulische Kraftkomponenten auf der Rückseite des Dichtkörpers 3. Diese stochastischen Ereignisse beeinflussen ebenfalls den Dichtkörper 3 und führen zu einem nicht vorhersagbaren störenden Verhalten in der Bewegung des Dichtkörpers 3 und damit zu einer instabilen Ventilfunktion.
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Ein strömungsoptimiertes Rückschlagventil 100‘ der Anmelderin zeichnet sich in alternativen strömungsoptimierten Anpassungen dadurch aus, dass sowohl das Gehäuse 9 als auch der Dichtkörper 3 so ausgeführt sind, dass die resultierenden und entlang der Strömungsrichtung veränderlichen Ringquerschnitte stets nur eine laminare Strömung ohne stochastische Verwirbelungen zulassen. Dazu wird das Gehäuse 9 an der Innenkontur stromabwärts zum Dichtkörper 3 im Durchmesser eingeschnürt, das heißt, der Durchmesser wird kontinuierlich verringert, so dass sich im Bereich des Dichtkörpers 3 der Strömungsquerschnitt des Gehäuses 9 stets nur kontinuierlich und kontrolliert ändert. Dabei werden die Dimensionen so gewählt, dass die axiale Auslenkung des Dichtkörpers um wenige Zehntelmillimeter im Arbeitsbereich des Rückschlagventiles 100‘ keine signifikante Veränderung an den Strömungsverhältnissen verursacht. Durch diese strömungsoptimierte Kontur sowohl am Gehäuse 9 als auch am Dichtkörper 3 wird in jedem dynamischen Betriebszustand des Rückschlagventiles 7 eine stabile laminare Strömung um den Dichtkörper 3 erzeugt. Diese stabile Strömung hält den Dichtkörper 3 zum einen in der radialsymmetrischen Mittenlage und zum anderen verhindert sie stochastische, axiale Kraftkomponenten stromabwärts des Dichtkörpers 3, die den Dichtkörper 3 unkontrolliert axial beeinflussen würden.
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Durch Einbringung eines Stößels zwischen dem Dichtkörper 3 und dem Federelement 10, in Hauptströmungsrichtung (A) gesehen, wird in einer weiteren Lösung zur Strömungsoptimierung des Rückschlagventiles 100’ das Federelement 10 aus dem kritischen Bereich in Richtung stromabwärts verlegt werden. Dadurch werden die Auswirkungen von Verwirbelungen an den Federwindungen des Federelementes 10 auf den Dichtkörper 3 vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Rückschlagventil (Stand der Technik)
- 100‘
- Rückschlagventil
- 1
- Einlassöffnung
- 2
- Dichtsitz
- 3
- Dichtkörper
- 3a
- Spülbohrung/Spülkanal
- 3b
- Spüldrossel
- 4
- Führungselemente
- 5
- Dämpfungszylinder
- 5a
- Dämpfungsbohrung
- 5b
- Dämpfungsdrossel
- 6
- Auslassöffnung
- 7
- Kolben/Stößel
- 8
- Verbindung
- 9
- Gehäuse
- 10
- Federelement
- 11
- Dämpfungsraum
- 12
- Ringspalt/Ringspaltabdichtung
- 200
- Hochdruckpumpe
- 300
- Injektoren
- 400
- Kraftstofftank
- 401
- Kraftstoffpumpe
- 500
- Druckregelventil
- (A)
- Strömungsrichtung
- L
- Hydraulikleitung, Rücklaufleitung
- L1
- Hydraulikleitung, Injektor-Rücklaufleitung
- B
- Hydraulikleitung, Bypassleitung
- H
- Hydraulikleitung, Abzweigleitung
- V
- Hydraulikleitung, Versorgungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10121342 A1 [0007]
- DE 102011078250 A1 [0008]
- DE 102010039501 A1 [0008]
- US 5810330 A [0008]
- DE 102007054655 B3 [0009]
