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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil für einen Hochdruckspeicher, wobei ein Drucksensor in das Druckregelventil integriert ist, sowie einen Hochdruckspeicher mit einem solchen Druckregelventil.
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Stand der Technik
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Bei modernen Diesel- und Benzinmotoren werden heute sogenannte Speicher-Einspritz-Systeme verwendet, bei denen Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher gefördert wird und aus diesem Speicher über Injektoren in die Brennräume des Verbrennungsmotors eindosiert wird. Für die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum des Verbrennungsmotors wird der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe auf bis zu 300bar (Benzinmotor) bzw. 2500 bar (Dieselmotor) verdichtet. Die Regelung des Drucks kann dabei über einen Drucksensor und ein Druckregelventil erfolgen, die jeweils am Hochdruck-Speicher montiert sind. Ein solcher Kraftstoff-Hochdruckspeicher ist aus der
DE 10 2008 040 901 bekannt. Dabei sind das Druckregelventil und der Drucksensor am Kraftstoff-Hochdruckspeicher räumlich getrennt angeordnet.
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Bei den bislang bekannten Konzepten für Speicher-Einspritz-Systeme werden zwei gesonderte Komponenten für die Erfassung des Drucks (Drucksensor) und für die Steuerung des Drucks (Druckregelventil) im Hochdruckspeicher verwendet. Bei den aktuell verwendeten Druckregelventilen scheitert eine Integration des Drucksensors in das Druckregelventil daran, dass im Druckregelventil nur extrem wenig Bauraum zur Verfügung steht und dass der Druck an vielen Stellen des Druckregelventils vom Druck im Hochdruckspeicher durch Drosseleffekte deutlich abweicht. Daher kommt in bestehenden Druckregelventilen nur eine Positionierung eines Drucksensors an der Schnittstelle zwischen Druckregelventil und Hochdruckspeicher in Frage, was jedoch aus Gründen des Bauraums ausscheidet. Zusätzlich kommt es durch das Abströmend es Kraftstoffs über den Ventilsitz des Druckregelventils zu einer extremen Erwärmung der Komponenten. Ein dort befindlicher Drucksensor wäre damit großen Temperaturbelastungen ausgesetzt.
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Aus der bislang unveröffentlichten
DE 10 2013 219 418 A1 ist ein Druckregelventil mit integriertem Drucksensor bekannt, bei dem das Schließglied auf eine Membran drückt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Druckregelventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber den Vorteil, dass an dem Ventilstück eine zweite, von der ersten Bohrung verschiedene, Bohrung ausgebildet ist, dass an dem Ventilkörper in Fortsetzung der zweiten Bohrung ein Hohlraum ausgebildet ist, und dass zwischen der zweiten Bohrung und dem Hohlraum eine Membran angeordnet ist, wobei an der Membran ein Drucksensor angeordnet ist. Dadurch kann eine Druckmessung im Druckregelventil entkoppelt von dem Schließglied erfolgen, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Durch die Integration des Drucksensors in das Druckregelventil kann die insgesamt verwendete Anzahl von Bauteilen reduziert werden, wodurch die Kosten reduziert werden. Zudem limitiert bei bekannten Drucksensoren die Schweißnaht zwischen dem Drucksensor und der Gewindebohrung am Hochdruckspeicher den maximalen Druck. Diese Schweißnaht kann durch einen vorgeschlagenes Druckregelventil mit integriertem Drucksensor entfallen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Druckregelventils möglich.
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Eine erste vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Membran in Form einer Kreisscheibe mit einem zentrischen Loch ausgebildet ist. Eine solche Membran weist eine Aussparung für das Schließglied auf, so dass die Entkoppelung von Schließglied und Membran leiht erfolgen kann. Ferner kann sich eine solche Membran über nahezu den kompletten Querschnitt des Ventilstücks bzw. des Ventilkörpers abstützen, so dass eine möglichst geringe Belastung der Membran erreicht werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Membran zwischen dem Ventilstück und dem Ventilkörper verpresst ist. Dadurch kann eine einfache und sichere Fixierung der Membran zwischen Ventilstück und Ventilkörper erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Membran mit dem Ventilstück und/oder dem Ventilkörper verschweißt ist. Durch eine Verschweißung der Membran mit zumindest einem der Bauteile lässt sich ebenfalls eine kostengünstige und sichere Verbindung herstellen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Membran seitlich über den Ventilkörper und/oder das Ventilstück vorsteht. Dadurch entsteht ein „Kragen“, an dem die Membran bei einem Fixierprozess, insbesondere einem Verpressen oder Verschweißen, in Position gehalten werden kann. Zusätzlich kann der „Kragen“, also das seitlich überstehende Stück der Membran während oder nach dem Fixierprozess entlang einer Mantelfläche des Ventilstücks oder des Ventilkörpers angepresst werden, wodurch sich die Qualität der Fixierung weiter steigern lässt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Membran aus einem Stahl, insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Stahl, besteht. Der Werkstoff der Membran muss zum einen stabil genug sein, um einer Beaufschlagung mit Hochdruck aus dem Hochdruckspeicher standzuhalten, und zum anderen korrosionsbeständig gegenüber dem Kraftstoff im Hochdruckspeicher. Chrom-Nickel-Stähle haben den Vorteil, dass sie beide Anforderungen hinreichend gut erfüllen, so dass sie einen geeigneten Werkstoff für eine solche Membran zur Druckmessung darstellen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Hohlraum im Ventilkörper über einen Kanal mit einer dem Ventilstück abgewandten Stirnseite des Ventilkörpers verbunden ist. Durch den Kanal ist eine einfache und sichere Kabelführung zu dem Drucksensor an der Membran möglich. Da keine Kabel seitlich aus dem Ventilkörper austreten, ist die Gefahr eine Beschädigung der Kabel bei der Montage reduziert. Ferner wird die Dauerhaltbarkeit der Kabel erhöht, da sie nicht äußeren Witterungseinflüssen ausgesetzt sind.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass an einer Mantelfläche des Ventilkörpers eine Ausnehmung ausgebildet ist, wobei in der Ausnehmung eine Auswerteeinheit für den Drucksensor angeordnet ist. Durch eine Auswerteeinheit in einer seitlichen Aussparung des Körpers des Druckregelventil ist ein Druckregelventil möglich, welches gegenüber einem Druckregelventil ohne Druckmessung keinen zusätzlichen Bauraum benötigt. Somit ist ein sehr kompaktes und platzsparendes Druckregelventil mit integriertem Drucksensor möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass der Drucksensor eine Messbrücke oder ein MEMS umfasst. Eine Messbrücke oder eine MEMS sind einfache und kostengünstige Möglichkeiten, um die Verformung der Membran unter dem Druck des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher zu erfassen und daraus den Druck zu ermitteln.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Drucksensor als optischer Sensor ausgebildet ist, welcher eine Verformung der Membran erfasst. Ein optischer Sensor bietet den Vorteil, dass die Druckmessung berührungslos erfolgt und der Sensor somit keinem Verschleiß durch die Verformung der Membran unterliegt.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckregelventils mit integriertem Drucksensor.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckregelventils mit einem integrierten Drucksensor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In 1 ist ein Hochdruckspeicher 1 mit einem erfindungsgemäßen Druckregelventil 10 dargestellt. Der Hochdruckspeicher 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches einen Fluidraum 3 zur Bevorratung eines Fluids 5, insbesondere eines Kraftstoffs, aufweist. An einer Stirnseite 4 des Gehäuses 2 ist eine Öffnung 8 ausgebildet, in welche das erfindungsgemäße Druckregelventil 10 eingesetzt werden kann. Zur Fixierung des Druckregelventils 10 in der Öffnung 8 sind sowohl an einem Ventilkörper 20 des Druckregelventils 10 als auch in der Öffnung 8 jeweils korrespondierende Gewinde 6, 16 vorgesehen, mit denen das Druckregelventil 10 in den Hochdruckspeicher 1 eingeschraubt werden kann. Alternativ kann der Ventilkörper 20 auch in einer Einschraubhülse 17 aufgenommen sein, welche in die Öffnung 8 des Hochdruckspeichers eingeschraubt wird. Der Hochdruckspeicher 1 weist in seinem Gehäuse 2 ferner eine Abströmöffnung 7 auf, an welche eine Rücklaufleitung 9 angeschlossen ist.
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Das Druckregelventil 10 weist ein Ventilstück 22 auf, welcher durch ein Schließglied 30 verschlossen ist. Dabei liegt das Schließglied 30 derart an einem Ventilsitz 23 des Ventilstücks 22 an, dass eine erste Bohrung 27 zwischen dem Fluidraum 3 und der Abströmöffnung 7 des Hochdruckspeichers 1 unterbrochen ist. Zwischen dem Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 und der erste Bohrung 27 ist ein Filter 61 angeordnet, welcher den Eintrag von Partikeln oder sonstigen Verschmutzungen in das Ventilstück 22 verhindern soll.
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Der Ventilkörper 20 des Druckregelventils 10 weist ferner mindestens eine Öffnung 18 auf, welche das Abströmen eines Fluids aus einer Kammer 14 des Druckregelventils 10 über die Abströmöffnung 7 in die Rücklaufleitung 9 ermöglicht. In dem Ventilkörper 20 des Druckregelventils 10 sind ferner eine Magnetspule 55 sowie ein Feder 56 angeordnet, welche in Wirkverbindung mit dem Schließglied 30 stehen. Dazu ist am Schließglied 30 ein Magnetanker 58 angeordnet, über welchen das Schließglied 30 mittels der Magnetspule 55 bewegt werden kann. Dem entgegen wirkt die Feder 56, welche sich auf der eine Seite am Magnetanker 58 und auf der anderen Seite am Ventilkörper 20 des Druckregelventils 10 abstützt. Ferner ist am Ventilkörper 20 eine Führung 57 für das Schließglied 30 ausgebildet.
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An dem Ventilstück 22 ist ferner eine zweite Bohrung 29 ausgebildet, welche sich parallel zur ersten Bohrung 27 durch das Ventilstück 22 erstreckt. Ein dem Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 abgewandtes Ende 32 des Ventilstücks 22 ist die zweite Bohrung 29 hydraulisch dicht durch eine Membran 40 verschlossen. Dabei ist an der Membran 40 ein Drucksensor 41 angeordnet, welcher eine Verformung der Membran 40 aufnimmt und daraus einen Rückschluss auf den Druck im Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 erlaubt. Die Membran 40 ist dabei aus einem Stahl, beispielsweise einem Chrom-Nickel-Stahl hergestellt, so dass die Membran zum einen die notwendige Festigkeit aufweist, um die zweite Bohrung 29 gegen den Druck im Fluidraum 3 bzw. in der zweiten Bohrung 29 hochdruckdicht zu verschließen, und zum anderen korrosionsbeständig gegen das Fluid 5 im Fluidraum 3 ist. Die Membran 40 ist dabei als in Form einer Kreisscheibe 46 ausgebildet, wobei die Kreisscheibe ein zentrisches Loch 47 aufweist, durch welches das Schließglied 30 gesteckt ist. Dabei steht die Membran 40 seitlich über das Ventilstück 22 über, so dass sie an diesem Überstand bei einem Fixierprozess von Ventilstück 22 und Membran 40 gehalten werden kann. Der seitliche Überstand wird dann nach dem Verbinden an eine Mantelfläche des Ventilstücks 22 angepresst.
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Zum Verbinden von Membran und Ventilstück eignen sich zum einen ein Verschweißen der Membran 40 und des Ventilstücks 22, oder ein Verpressen von der Membran 40 zwischen dem Ventilstück 22 und dem Ventilkörper 20. Alternativ kann die Membran auch mit dem Ventilkörper 20 verschweißt werden, und/oder der seitliche Überstand an eine Mantelfläche 38 des Ventilkörpers 20 angelegt werden. Es sind auch Ausführungsformen ohne einen seitlichen Überstand der Membran über Ventilstück 22 oder Ventilkörper 20 denkbar.
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An dem Ventilkörper 22 ist in Fortsetzung der zweiten Bohrung 29 ein Hohlraum 31 ausgebildet, so dass sich die Membran 40 entsprechend verformen kann. Ferner ist an der Mantelfläche 38 des Ventilkörpers 20 eine Ausnehmung 39 vorgesehen, in welcher eine Auswerteeinheit 50 für den Drucksensor 41 angeordnet ist. Alternativ kann auch im Ventilkörper 20 eine Kanal 37, insbesondere eine Durchgangsbohrung, vorgesehen sein, die von der Membran 40 zu einer dem Ventilstück 22 abgewandten Stirnseite 36 des Ventilkörpers 20 führt. Durch den Kanal 37 kann eine Verkabelung des Drucksensors 41 geführt werden, so dass diese Verkabelung vor mechanischen, thermischen oder chemischen Beschädigungen geschützt ist. Der Drucksensor 41 ist beispielsweise als eine Messbrücke 42 ausgeführt. Alternativ ist auch ein Drucksensor 41 vorgesehen, welcher ein oder mehrere mikroelektro-mechanischen Elemente (MEMS) 43 umfasst. Alternativ kann die Auswerteeinheit 50 auch außerhalb des Ventilkörpers 22 angeordnet sein.
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Die zweite Bohrung 29 ist als gestufte Bohrung ausgeführt, welche einen ersten Abschnitt 48 mit einem kleineren Querschnitt und einen zweiten Abschnitt 49 mit einem größeren Querschnitt aufweist. Durch den ersten Abschnitt 48 mit geringerem Querschnitt ist ein leichterer Anschluss an den Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 möglich. Dabei ist für die Druckmessung die größere Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 49 vorteilhaft, da so die Auflagefläche für die Membran 40 geringer ist und es so bei gleichem Druck zu einer größeren Verformung der Membran 40 kommt, die leichter detektiert werden kann. Zudem ist es Vorteilhaft, wenn der Durchmesser des Hohlraums 31 gleich dem Durchmesser der zweiten Bohrung 29 ist, um der Membran 40 eine entsprechende Verformung zu ermöglichen. Ferner sollte der Hohlraum 31 so groß sein, dass der Drucksensor 41 dort auf der Membran 40 hinreichend Platz findet.
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Im Ausgangszustand ist das Druckregelventil 10 geöffnet. Dabei wird das Schließglied 30 durch die Feder 56 aus dem Ventilsitz 23 abgehoben, so dass zwischen Ventilsitz 23 und Schließglied 30, insbesondere zwischen der Sitzkante und dem Ventilsitz 23 eine Drosselstelle ausgebildet wird, durch die der Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 1 über den Ventilsitz 20, die Kammer 14, eine die Öffnung 18 und die Abströmöffnung 7 in die Rücklaufleitung 9 gelangen kann. Zum Druckaufbau im Hochdruckspeicher 1 wird die Magnetspule 55 angesteuert, so dass eine entgegen der Federkraft der Feder 56 wirkende Magnetkraft entsteht. Die Magnetkraft drückt die Sitzkante des Schließglieds 30 gegen den Ventilsitz 23, so dass die erste Bohrung 27 als fluidische Verbindung zwischen Fluidraum 3 und Rücklaufleitung 9 unterbrochen wird. Dadurch kann ein Druck im Hochdruckspeicher 1 aufgebaut werden. Der Druck im Hochdruckspeicher 1 drückt das Schließglied 30 ebenfalls in den Ventilsitz 20, so dass die Magnetkraft reduziert werden kann. Dabei ist die Federkraft der Feder 56 so gewählt, dass sie das Schließglied 20 gegen den Druck im Fluidraum 3 öffnen kann, wenn die Magnetkraft der Magnetspule 55 entfällt, d.h. wenn die Magnetspule nicht bestromt wird. Zur Druckregelung kann nun das Druckregelventil 10 in Abhängigkeit von dem vom Drucksensor 40 gemessenen Druck geöffnet und geschlossen werden. Dabei kommt es durch die Drosselverluste beim Durchströmen des Kraftstoffs zwischen Schließglied 30 und Ventilsitz 23 zu einer starken Erwärmung. Um diese Erwärmung als Fehlergröße für die Druckmessung auszuschließen, ist der Drucksensor 40 in einer getrennten, zweiten Bohrung 29 angeordnet. Unter dem Druck in der zweiten Bohrung 29, welcher zumindest näherungsweise dem Druck im Fluidraum 3 des Hochdruckspeicher 1 entspricht verformt sich die Membran 40 zwischen Ventilstück 22 und Ventilkörper 20. Die Verformung kann durch den Drucksensor 41 erfasst werden und an die Auswerteeinheit 50 weitergegeben werden. Über das Signal der Auswerteeinheit 50 kann das Druckregelventil 10 über die Magnetspule 55 angesteuert werden, und somit den Druck des Fluids 5 im Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 regeln.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 10 dargestellt. Bei weitestgehend ähnlicher Funktion wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in 1 eingegangen. Bei dem Druckregelventil 10 gemäß 2 wurde der Drucksensor 41 als optischer Sensor 44 ausgeführt, wobei eine optische Aufnahme eine Verformung der Membran 40 detektiert. Der Optische Sensor 44 umfasst dabei einen Emitter, welcher ein Licht in einer bestimmten Signalstärke auf die Membran 40 senden, und einen optischen Aufnehmer, welcher das an der Membran 40 reflektierte Licht aufnimmt und eine Signalstärke misst. Die in Richtung des optischen Aufnehmers fallende Reflektion des Lichts ist abhängig von der Verformung der Membran 40, welche sich in Abhängigkeit des Drucks in der zweiten Bohrung 29 bzw. im Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 verformt.
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Auch wenn die beiden Ausführungsbeispiels Druckregelventile 10 zeigen, bei denen das Schließglied 30 jeweils im stromlosen Zustand aus dem Ventilsitz 23 abgehoben wird (sogenannte stromlos offene Ventile), so ist es durch eine bekannte Umordnung von Magnetspule 55, Feder 56 und Magnetanker 58 möglich, die entsprechenden Druckregelventile 10 als sogenannte stromlos geschlossene Ventile auszuführen, bei denen die Feder 56 das Schließglied 30 in den Ventilsitz 23 drückt und es durch ein Bestromen der Magnetspule 55 zu einem Öffnen des Druckregelventils 10, d.h. zu einem Abheben des Schließglieds 30 von Ventilsitz 23 kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040901 [0002]
- DE 102013219418 A1 [0004]
