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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil nach Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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In bisherigen Sicherheitsventilen von Kraftstoffeinspritzsystemen, insbesondere bei Ventilen mit Druckhalte- und Druckentlastungsfunktion, werden zumeist Einfedersysteme verwendet, wobei die Federkraft das Ventil gegen einen Systemdruck geschlossen hält. Hohe Systemdrücke erfordern damit auch große Federkräfte, woraus erhebliche, nachteilig große Bauteildimensionen resultieren. Bei den bekannten Ventilen ist weiterhin nachteilig, dass eine Relaxation der Feder über die Zeit zu einer Änderung des Öffnungsdruckverhaltens führt, was sich besonders bei hohen Federkräften und hohen Arbeitstemperaturen bemerkbar macht, da die Neigung zur Relaxation mit Zunahme des Federdrahtdurchmessers, der Arbeitstemperatur und der Federvorspannung steigt. Mit der Relaxationsneigung der Feder muss der Auslösedruck des Sicherheitsventils jedoch deutlich höher als der Systemdruck eingestellt werden, um ein ungewolltes Öffnen nahe am oder gar bei Systemdruck zu verhindern. Dies führt wiederum zu höheren Bauteilbelastungen im gesamten Hochdrucksystem. Auch nachteilig kann sich darstellen, dass der Öffnungs- und Schließdruck in einem festen Verhältnis voreingestellt sind, es somit keine Möglichkeiten gibt, den Haltedruck zu variieren.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Sicherheitsventil sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen anzugeben, mit welchem vorstehende Nachteile überwunden werden können.
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Diese Aufgabe wird mit einem Sicherheitsventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Sicherheitsventil, insbesondere mit Druckentlastungs- und Druckhaltefunktion, weiterhin insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem, bevorzugt z. B. für ein Common-Rail Kraftstoffeinspritzsystem. Das Sicherheitsventil kann im Rahmen eines Kraftstoffeinspritzsystems dazu vorgesehen werden, den Kraftstoffdruck bei Überschreiten eines vorbestimmten Maximaldruckniveaus, insbesondere Speicher- bzw. Raildruckniveaus (z. B. 2500 bar oder mehr), zu mindern und weiterhin insbesondere auch dazu, einen Haltedruck im System einzustellen.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem, welches das erfindungsgemäße Sicherheitsventil aufweist, kann ein (Hochdruck-)Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine sein, bevorzugt einer Brennkraftmaschine der Dieselbauart (Selbstzünder), insbesondere eines Großmotors (z. B. mit Fördermengen der Hochdruck-Kraftstoffpumpe von bis über 70 l/min), z. B. eines schnell-, mittelschnell oder auch langsamlaufenden Motors. Die Brennkraftmaschine bzw. das Kraftstoffeinspritzsystem können zum Beispiel für ein Kraftfahrzeug wie etwa ein Schiff, eine Lok oder ein Nutzfahrzeug, oder auch für eine stationäre Einrichtung vorgesehen sein, z. B. für ein Blockheizkraftwerk, ein (Not-)Stromaggregat oder auch für Industrieanwendungen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Sicherheitsventil oder eine damit gebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtung neben oder alternativ zu der Verwendung mit Dieselkraftstoff z. B. auch für die Verwendung mit Schweröl, oder Bioöl vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Sicherheitsventil, welches insbesondere hydraulisch geregelt ist, weist eine Anzahl von Ventilen auf, welche bevorzugt je als Einzelventil bereitgestellt sind, umfassend ein Auslöseventil, ein Regelventil, ein Hauptventil und bevorzugt auch ein Zusatzventil (letzteres zur extern steuerbaren Druckentlastung). Mittels der bevorzugt je als Einzelventil bereitgestellten Ventile kann das Sicherheitsventil vorteilhaft modular aufgebaut werden, z. B. auf ohnehin vorhandene Ventile bzw. Ventilbaugruppen – gleichsam einer Baukastenlösung – zurückgegriffen werden, wobei die einzelnen Ventile je nach Bedarf konfiguriert und im Rahmen der Erfindung zu einem vorteilhaft kompakten und weiterhin äußerst robusten Sicherheitsventil zusammengeführt sein können, z. B. durch Montage der Ventile an einem Grundkörper. Ein solcher kann auf einfache Weise, z. B. mittels Bohrkanälen gebildet, auch die Leitungsverbindungen für die Ventile bereitstellen, daneben z. B. geeignete Ventilaufnahmen, welche ebenfalls mittels Bohrungen, insbesondere Gewindebohrungen gebildet sein können. Die Ventile sind bevorzugt sämtlich als federbelastete Ventile ausgeführt und im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sicherheitsventil in einem Wirkverbund angeordnet.
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Das Auslöseventil des – insbesondere hydraulisch wirkenden – Sicherheitsventils ist hierbei zunächst eingerichtet, mit Überschreiten eines vorbestimmten Maximal-Druckniveaus zu öffnen und diese Öffnungsstellung zu halten, insbesondere mit gleichbleibendem Querschnitt, bis ein gegenüber dem Maximal-Druckniveau geringeres, vorbestimmtes Schließdruckniveau anliegt, bei Unterschreiten des Schließdruckniveaus sodann in Schließstellung zu wechseln (Sperrstellung). Bevorzugt liegt das Maximal-Druckniveau hierbei deutlich, z. B. 10% bis 30%, über dem Schließdruckniveau.
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Die Einstellung des Druckniveaus für ein Öffnen, d. h. des Maximal-Druckniveaus, kann auf einfache Weise und unabhängig durch eine Feder bzw. Federvorspannung bewirkt werden, welche hierzu geeignet gewählt bzw. eingestellt wird. Die Feder kann hierbei auf ein Ventilglied des Auslöseventils (welches andererseits einem anliegenden (Hydraulik-)Druckniveau eines Strömungsmediums ausgesetzt ist) wirken. Bevorzugt weist das Auslöseventil im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine weiche Feder auf, welche mit einer vorteilhaft nur geringen Relaxation einhergeht, mit dem Vorteil, den Auslösedruck (Maximal-Druckniveau) näher an einen Systemdruck rücken zu können, insbesondere im Rahmen eines mit dem Sicherheitsventils verwendeten Einspritzsystems. So können die der Sicherheit geschuldeten Belastungen auf Bauelemente vorteilhaft verringert werden.
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Bevorzugt umfasst das Auslöseventil bei vorteilhaft einfach und dennoch zuverlässig und robust realisierbaren Ausgestaltungen des Sicherheitsventils eine Druckstufe, insbesondere am Ventilglied, mittels derer die Einstellung des Schließdruckniveaus des Auslöseventils bewirkt ist. Mit der Druckstufe, insbesondere einer geeignet gewählten Druckangriffsfläche derselben, kann nach einem Öffnen des Auslöseventils eine gegenüber der Schließstellung vergrößerte Fläche druckbeaufschlagt werden, welche einen deutlich verringerten Druck (gegenüber dem Maximal-Druckniveau) für ein Schließen des Auslöseventils erforderlich macht (Schließdruckniveau). Gleichzeitigt wird mittels der Druckstufe ermöglicht, die Öffnungsstellung auch bei Absinken des Drucks bis zum Erreichen des Schließdrucks unverändert einhalten zu können.
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Das Regelventil des Sicherheitsventils wird nunmehr näher erläutert. Das Regelventil ist dem Auslöseventil (strömungsmäßig) nachgeordnet bzw. nachgeschaltet und ist erfindungsgemäß mit der Öffnungsstellung des Auslöseventils ansteuerbar (mithin aktivierbar bzw. in Funktion bringbar), weiterhin insbesondere ausschließlich in der Öffnungsstellung des Auslöseventils, d. h. einhergehend mit einem Druckaufbau am Regelventil (mittels einer Absteuermenge des Auslöseventils). Das Regelventil kann hierbei sodann eine druckabhängige Volumenstromabsteuerung bewirken.
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Das Regelventil kann als einfaches Auf-/Zu-Ventil gebildet sein, d. h. mit der Funktionalität, einen Volumenstrom zu- oder abzuschalten. Ein solches Regelventil kann in der Öffnungsstellung des Auslöseventils mit Überschreitens eines vorbestimmten Öffnungsdruckniveaus des Regelventils einen ersten, unveränderlichen Durchflussquerschnitt freigeben (Öffnen), und nach Unterschreiten des Öffnungsdruckniveaus des Regelventils einen zweiten Durchflussquerschnitt freigeben, welcher hierbei im Wesentlichen gleich Null ist (Schließen).
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Das Regelventil kann weiterhin z. B. als Stetigventil gebildet sein, welches in seiner Offenstellung unterschiedliche Durchflussquerschnitte korrespondierend mit dem anliegenden Druckniveau bzw. druckabhängig abzusteuern vermag. Das aktivierte Regelventil kann z. B. proportional mit dem anliegenden Druckniveau öffnen, z. B. als Proportionalventil gebildet sein.
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Um einen Druckaufbau am Regelventil in beabsichtigter Weise zu ermöglichen, d. h. via die Absteuermenge des Auslöseventils, kann das Sicherheitsventil ferner eine (Stau-)Drossel aufweisen, mittels derer der Druck, der auf das Regelventil wirkt, auch vorteilhaft einfach variiert bzw. eingestellt werden kann.
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Bevorzugt kann eine über die (Stau-)Drossel abgeleitete Hydraulikfluid-Leckagemenge über eine Leckageleitung des Sicherheitsventils abgeführt werden, d. h. an einen Leckageausgang des Sicherheitsventils, welcher zum Beispiel zur strömungsmäßigen Verbindung mit einem Tank vorgesehen ist, insbesondere bei Verwendung mit einem Kraftstoffeinspritzsystem. Daneben kann das Sicherheitsventil eine weitere Drossel aufweisen, welche für eine Pulsationsdämpfung vorgesehen sein kann, insbesondere um Druckwellen nach dem Öffnen des Auslöseventils vor Erreichen des Regelventils zu minimieren.
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Das Sicherheitsventil umfasst weiterhin ein Hauptventil, welches über das Regelventil ansteuerbar ist, d. h. insbesondere über den abgesteuerten Volumenstrom des Regelventils, und mit Ansteuerung, insbesondere an einer Öffnungsseite, (druckabhängig) einen Hauptabflussquerschnitt freigibt, d. h. des Sicherheitsventils. Das Hauptventil öffnet bevorzugt gegen einen Systemdruck (Schließdruck, anliegend insbesondere an einer Schließseite des Hautptventils), wobei der Durchfluss- bzw. Hautpabflussquerschnitt hierbei insbesondere korrespondierend mit einer Druckdifferenz zwischen einem Öffnungsdruck (Öffnungsseite) und einem Schließdruck (Schließseite) variiert, insbesondere z. B. proportional damit. Das Hauptventil kann bei Öffnen gegen den Systemdruck vorteilhaft ohne Zuhaltefeder ausgeführt werden, so dass keine Relaxationsgefahr besteht (mithin keine Gefahr der Änderung des Ventilverhaltens über die Zeit) und kleine Baugrößen vorteilhaft realisierbar sind.
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Das über die Absteuermenge bzw. einen abgesteuerten Volumenstrom des Regelventils ansteuer- bzw. betätigbare Hauptventil ist dem Regelventil insoweit auch strömungsmäßig nachgeordnet, wobei der am Hauptventil, welches insoweit als – indirekt (über das Regelventil) (vor)gesteuertes bzw. geregeltes – Druckentlastungsventil des Sicherheitsventils fungiert – anliegende Steuerdruck maßgeblich durch den abgesteuerten Volumenstrom des Regelventils (sowie bevorzugt eine weitere (Stau-)Drossel des Sicherheitsventils) bestimmt ist.
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Das bevorzugt vorgesehene Zusatzventil des Sicherheitsventils ist separat aktivierbar (z. B. mit Motornotstopp oder Systemwartungsarbeiten), wozu ein Hilfsmedium vorgesehen wird, z. B. Druckluft, weiterhin z. B. von einer separaten (Versorgungs-)Quelle bereitgestellt. Allgemein ist das Zusatzventil insoweit bevorzugt fremdgesteuert, z. B. auch elektrisch betätigbar.
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Das Zusatzventil dient zuvorderst dazu, eine zusätzliche Betätigungsmöglichkeit für das Hauptventil, d. h. zur Druckentlastung zu schaffen, welche die Sicherheit des Sicherheitsventils vorteilhaft weiter erhöht. Bevorzugt ist das Zusatzventil insoweit parallel zu dem Regelventil auf das Hauptventil geschaltet, d. h. insbesondere mit der Möglichkeit, dessen Öffnungsseite – wie auch durch das Regelventil – mit einem Steuerdruck zu beaufschlagen. Bevorzugt kann mit Öffnen bzw. Aktivierung des Zusatzventils ein Hydraulikdruck auf das Hauptventil zu dessen Öffnung wirken, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einem Druckniveau, welches ausgehend vom Regelventil wirkt, z. B. beaufschlagt mittels eines am Zusatzventil anliegenden Systemdrucks.
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Mit dem Sicherheitsventil ist vorteilhaft ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem bildbar, insbesondere derart, dass das Sicherheitsventil mit einem Rail des Kraftstoffeinspritzsystems in Strömungsverbindung steht, z. B. daran verbaut ist.
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Bevorzugt ist das Sicherheitsventil am Kraftstoffeinspritzsystem so angeordnet, dass das Auslöseventil (ständig; bei Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems) mit einem Raildruck beaufschlagt wird und bei Überschreitung eines vorbestimmten, daran anliegenden Raildruckniveaus öffnet (Maximal-Druckniveau), welches Druckniveau bevorzugt über eine Zuhaltekraft einer Ventilfeder eingestellt ist. Ferner ist mit dem Sicherheitsventil vorgesehen, dass das Hauptventil über das durch das geöffnete Auslöseventil angesteuerte bzw. geöffnete Regelventil und das mit Aktivierung geöffnete Zusatzventil je mit einem Öffnungsdruck beaufschlagt werden kann, wobei über das Regelventil und das Zusatzventil insbesondere je eine Öffnungsseite des Hauptventils angesteuert wird, während eine Schließseite des Hauptventils (ständig) mit dem Raildruck beaufschlagt wird, wozu das Sicherheitsventil insbesondere geeignet mit dem Rail kommunizierend verbunden ist (somit kann das Hauptventil vorteilhaft als unter Systemdruck selbstdichtendes Ventil bereitgestellt werden). In Weiterbildung wird hierbei mit Freigabe des Hauptabflussquerschnitts (Öffnen des Hauptventils nach Ansteuerung durch das aktivierte Regelventil und/oder das aktivierte Zusatzventil) eine Kommunikation des Rails mit einer Niederdruckseite für einen Raildruckabbau ermöglicht.
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Mit dem Sicherheitsventil kann insbesondere vorteilhaft unaufwändig die Druckregelung im Kraftstoffeinspritzsystem so eingerichtet sein, dass mittels des Auslöseventils ein Öffnungs- und Schließdruck für die Sicherheitsventil-Druckregelung eingestellt ist und/oder mittels des Regelventils – separat – ein Haltedruck für die Sicherheitsventil-Druckregelung eingestellt ist. Für die Einstellung des Haltedrucks braucht – z. B. mit einem Regelventil in Form eines Auf-/Zu-Ventils – lediglich ein Öffnungsdruckniveau des Regelventils geeignet gewählt werden (z. B. durch geeignete Federeigenschaften der Ventilfeder).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in verschiedener Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch ein Schaubild, welches die Funktionalität des Sicherheitsventils gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung im Rahmen eines Kraftstoffeinspritzsystems veranschaulicht.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt exemplarisch und schematisch das Sicherheitsventil 1 im Rahmen eines Kraftstoffeinspritzsystems (einer Brennkraftmaschine) 3, insbesondere eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems, welches einen Speicher bzw. ein Rail 5 aufweist, welcher z. B. mit wenigstens einem Injektor 7 des Einspritzsystems 3 in Strömungsverbindung steht. In dem Rail 5 ist Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, unter hohem Druck, z. B. mit einem Raildruck über 2000 bar oder sogar 2500 bar speicherbar.
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Bei der Anordnung in dem Kraftstoffeinspritzsystem 3 kann das Sicherheitsventil 1 an dem Rail 5 montiert sein, z. B. auch in dieses integriert sein, alternativ kann das Sicherheitsventil 1 jedoch auch von demselben disloziert angeordnet werden. Neben der Verwendung an einem Rail 5 ist weiterhin auch die Anwendung des Sicherheitsventils 1 analog an einem bzw. mit einem Einzeldruckspeicher (eines Injektors 7) denkbar.
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Das Sicherheitsventil 1, welches sowohl druckentlastend als auch druckhaltend wirkt, weist ein erstes Ventil 9 auf, d. h. am Einlass 11 des Sicherheitsventils 1, welches als Auslöseventil bereitgestellt ist, mit dem Kraftstoffeinspritzsystem 3 insbesondere dazu, einen Raildruckabbau durch das Sicherheitsventil 1 zu initialisieren. Das Auslöseventil 9 ist als Einzelventil ausgestaltet, z. B. als herkömmliche Ventilbaugruppe, und umfasst ein Gehäuse 13 mit einem darin aufgenommenen, axial hubverschieblichen Ventilelement bzw. -kolben 15. Der Ventilkolben 15 ist in Schließrichtung durch eine Ventilfeder 17 belastet, wobei der Ventilkolben 15 weiterhin mit einer Druckstufe 19 ausgeführt ist und gegen einen Ventilsitz 21 des Auslöseventils 9 wirkt. Das derart ausgestaltete Auslöseventil 9 vermag in Abhängigkeit der Kolbenstellung einen Strömungsweg selektiv freizugeben, welcher über den Einlass 11 an einen Auslass 23 des Auslöseventils 9 führt.
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Das Auslöseventil 9 öffnet gegen die Schließkraft der Ventilfeder 17, sobald ein einlassseitig anliegendes Druckniveau, im Rahmen des gezeigten Kraftstoffeinspritzsystems 3 das Raildruckniveau (über Leitung 25), ein Maximaldruckniveau übersteigt. Mit einer Öffnung wird die Druckstufe 19 des Auslöseventils 9 sodann ebenfalls druckbeaufschlagt, so dass das Auslöseventil 9 auch mit sinkendem Druck in seiner Offenstellung unverändert verharrt (Strömungsweg vom Einlass 11 zum Auslass 23 geöffnet), d. h. bis der einlassseitig anliegende Druck unter ein Schließdruckniveau des Auslöseventils 9 fällt. Über die (Schließ-)Feder 17 ist hierbei vorteilhaft unaufwändig die Zuhaltekraft des Ventils 9 eingestellt, d. h. das Maximal-Druckniveau, bei welchem das Auslöseventil 9 öffnet, über die Druckstufe 19 (samt Feder 17) weiterhin vorteilhaft einfach das Schließdruckniveau. Das Schließdruckniveau (z. B. 2000 bar) ist bevorzugt z. B. 20% unter dem Maximaldruckniveau (z. B. 2500 bar) gewählt. Die Feder 17 ist bevorzugt eine weiche Feder, welche vorteilhaft nur eine geringe Relaxationsneigung aufweist.
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Vom Auslass 23 des Auslöseventils 9 abmündend weist das Sicherheitsventil 1, z. B. gebildet in einem (nicht dargestellten) Grundkörper des Sicherheitsventils 1, einen Strömungsweg 27 auf, welcher an einen Leckageauslass 29 des Sicherheitsventils 1 geführt ist (welcher bei der Anordnung im Kraftstoffeinspritzsystem 3 z. B. wiederum in einen Tank 31 ausmündet). In dem Strömungsweg 27 ist eine Drossel 33 angeordnet, welche zur Pulsationsdämpfung bereitgestellt ist, so dass abströmseitige Druckwellen nach Öffnen des Auslöseventils 9 gedämpft werden. In Abströmrichtung nachgeordnet weist der Strömungsweg 27 eine weitere Drossel 35 auf, i. e. eine Staudrossel, welche bereitgestellt ist, um einen Druckaufbau an einem Regelventil 37 des Sicherheitsventils 1 auf einfache Weise zu ermöglichen.
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Nunmehr wird näher auf das Regelventil 37 des Sicherheitsventils 1 eingegangen. Das Regelventil 37 ist ebenfalls als Einzelventil bereitgestellt und umfasst ein Ventilglied bzw. einen Kolben 39, welcher in einem Ventilgehäuse 41 axial hubverschieblich aufgenommen ist, sowie eine Druck- bzw. Schließfeder 43, welche in Schließrichtung auf den Kolben 39 wirkt. Im Gegensatz zu dem Auslöseventil 9 weist das Regelventil 37 keine Druckstufe auf, so dass ein Öffnen des Regelventils 37 mit Überschreiten eines Öffnungsdruckniveaus und ein Schließen mit Unterschreiten des Öffnungsdruckniveaus erfolgt. Das Öffnungsdruckniveau kann auf einfache Weise durch geeignete Wahl der Schließfeder 43 (in Bezug auf die Federeigenschaften wie z. B. die Federhärte) eingestellt werden.
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Das Regelventil 37 weist einen Einlass 45 auf, über welchen mit Ansteuerung seitens des Auslöseventils 9 ein Öffnungsdruck gegen den Kolben 39 ausgeübt werden kann, das Regelventil 37 somit aktiviert werden kann. Hierzu ist bei dem vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzsystem 3 ein Abzweig 47 des Strömungswegs 27 an den Einlass 45 geführt, welcher Abzweig 47 stromabwärts der Drossel 33 und stromaufwärts der weiteren Drossel 35 vom Strömungsweg 27 abmündet. Weiterhin weist das Regelventil 37 einen Auslass 49 auf, wobei in Offenstellung des Regelventils 37 ein Strömungsweg vom Einlass 45 zum Auslass 49 geöffnet, ansonsten versperrt ist. Das Regelventil 37 vermag hierbei einen Volumenstrom in Abhängigkeit des anliegenden Druckniveaus abzusteuern, d. h. an den Auslass 49, wobei mit zunehmendem bzw. abnehmendem Druck und damit einhergehendem größeren bzw. geringerem Kolbenhub (bei überschrittenem Öffnungsdruckniveau) korrespondierend ein größerer bzw. geringerer Durchströmquerschnitt 51 am Regelventil 37 aufsteuerbar ist, mithin ein größerer bzw. geringerer Volumenstrom über den Auslass 49 absteuerbar.
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Der Auslass 49 des Regelventils 37 ist über eine Leitung bzw. einen ersten Ast 53 und einen Stammabschnitt 55 eines sich verzweigenden Strömungswegs 57 mit der Öffnungsseite 59 eines Hauptventils 61 strömungsmäßig verbunden, wobei sich der Strömungsweg 57 stromaufwärts des Hauptventils 61 und stromabwärts eines im Stammabschnitt 55 angeordneten Rückschlagventils 63 verzweigt. Ein zweiter Ast 65 des Strömungswegs 57 ist über eine Staudrossel 67, weiterhin z. B. in den Strömungsweg 27 mündend, an einen Leckageauslass des Sicherheitsventils 1 geführt, bevorzugt an den Leckageauslass 29.
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Mittels der Staudrossel 67 im zweiten Ast 65 kann ein Druckaufbau eines zuvorderst durch den abgesteuerten Volumenstrom des Regelventils 37 bestimmten Steuerdrucks, welcher an der Öffnungsseite 59 an dem Hauptventil 61 anliegt, vorteilhaft einfach geeignet beeinflusst werden.
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Das Hauptventil 61 des Sicherheitsventils 1 wird nunmehr näher erläutert.
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Das Hauptventil 61, welches wiederum bevorzugt als Einzelventil bereitgestellt ist, z. B. in oder an dem Grundkörper des Sicherheitsventils 1 aufgenommen, umfasst ein Ventilgehäuse 69 mit einem darin aufgenommenen, axial hubverschieblichen Ventilglied 71, i. e. einem Schließkolben. Der Schließkolben 71 ist federbelastet und dichtet in Schließstellung gegen einen Ventilsitz 73, welcher an einer Schließseite 75 des Hauptventils 61 gebildet ist.
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Das Hauptventil 61 öffnet bei einem Öffnungsvorgang nach außen, wobei sich der Schließkolben 71 vom Ventilsitz 73 entfernt, z. B. aus dem Gehäuse 69 austaucht. Mit einem Öffnen des Hauptventils 61 wird ein Hauptabflussquerschnitt 77 des Sicherheitsventils 1 freigegeben, d. h. ein Strömungsweg, welcher von einem schließseitigen Einlass 79 zu einem Auslass 81 des Hauptventils 61 führt. Bei der vorgeschlagenen Verwendung des Sicherheitsventils 1 mit dem Kraftstoffeinspritzsystem 3, vgl. 1, kommuniziert der Auslass 81 hierbei mit einem Leckageauslass 29 des Sicherheitsventils 1, z. B. über einen Leitungsabschnitt 83, welcher z. B. in den zweiten Ast 65 oder den Strömungsweg 27 mündet.
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Wie 1 weiter zeigt, ist das Hauptventil 61 im Kraftstoffeinspritzsystem 3, i. e. der Schließkolben 71, schließseitig weiterhin mit dem Raildruck bzw. Systemdruck beaufschlagt, i. e. über eine Leitung 85, während öffnungsseitig der Steuerdruck seitens des Regelventils 37 anliegt, i. e. am Ventilglied 71, i. e. über den Ast 53. In Abhängigkeit dieses Kräftespiels wird das Ventilglied 71 des Hauptventils 61 gesteuert, d. h. falls die mittels des Regelventil-Steuerdrucks erzeugte Öffnungskraft auf die Öffnungsseite 59 gegenüber der mittels des Raildrucks erzeugten Schließkraft überwiegt, öffnet das Hauptventil 61, insbesondere weiterhin derart, dass der Hauptabflussquerschnitt 77 korrespondierend mit dem Kräfteverhältnis auch im Hinblick auf Zwischenstellungen zwischen Öffnen und Schließen variiert.
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Zur Absteuerung von Führungsleckage kann – nicht dargestellt – eine Abfuhrleitung vorgesehen sein, welche einen Ventilraum 87 des Hauptventils 61 mit der Leckageleitung 83 verbindet, i. e. gedrosselt.
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Das Sicherheitsventil 1 weist bevorzugt weiterhin ein Zusatzventil 89 auf, welches nunmehr näher erläutert wird. Das Zusatzventil 89 ist separat betätigbar, insbesondere mittels eines Hilfsmediums, vorliegend z. B. pneumatisch via eine Druckluftquelle 91. Bereitgestellt ist das Zusatzventil 89 dazu, die Sicherheit in einem Hydrauliksystem nochmals zu erhöhen, insbesondere ein Drucklosschalten zu ermöglichen, z. B. im Versagensfall eines der weiteren Ventile 9, 37, 61 zu wirken.
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Das Zusatzventil 89, welches wiederum bevorzugt als Einzelventil bereitgestellt ist, umfasst ein Gehäuse 93, in welchem ein (Zusatzventil-)Ventilglied 95 axial hubverschieblich aufgenommen ist. Das Ventilglied 95 ist in Schließrichtung durch eine Ventilfeder 97 belastet und wirkt gegen einen z. B. am Gehäuse 93 gebildeten Ventilsitz 99.
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Im Gehäuse 93 ist weiterhin eine erste Ventilkammer 101 gebildet bzw. abgeteilt, durch welche hindurch bei Öffnen des Ventils 89 ein Strömungsweg freigebbar ist, welcher über einen Ventileinlass 103 an einen Ventilauslass 105 führt. Eine zweite Ventilkammer 107 ist abgeteilt, in welche das Hilfsmedium über einen zweiten Ventileinlass 109 einbringbar ist. Das eingebrachte Hilfsmedium kann hierbei gegen eine Druckschulter 111 des Ventilglieds 95 in Öffnungsrichtung wirken, d. h. gegen die Schließkraft der Ventilfeder 97. Um ein ungewolltes Öffnen des Strömungswegs zu vermeiden, ist die Federvorspannkraft bevorzugt so ausgelegt, dass der theoretische Öffnungsdruck größer ist als das Maximal-Druckniveau des Auslöseventils 9.
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Im Rahmen des aufgezeigten Kraftstoffeinspritzsystems 3 ist das Sicherheitsventil 1 so angeordnet, dass Raildruck in Öffnungsrichtung wirkend gegen das Ventilglied 95 des Zusatzventils 89 anliegt. Der Auslass 105 des Zusatzventils 89 ist über eine Strömungsverbindung 113 bzw. Leitung des Sicherheitsventils 1 hierbei an die Öffnungsseite 59 des Hauptventils 61 geführt, so dass eine Öffnungskraft auf das Ventilglied 71 des Hauptventils 61 mit Aktivierung des Zusatzventils 89 (über das Hilfsmedium) ausübbar ist, d. h. via über den Strömungsweg der ersten Kammer 101 durchgesteuertes Hydraulikmedium (Dieselkraftstoff). Ein Rückschlagventil 115 kann in der Strömungsverbindung 113 angeordnet sein, welche Strömungsverbindung 113 insoweit parallel zu dem Ast 53 auf die Öffnungsseite 59 geschaltet ist.
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Nachfolgend wird nun die Funktionalität des Sicherheitsventils 1 im Wirkverbund mit dem Kraftstoffeinspritzsystem 3 näher erläutert.
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Das Auslöseventil 9, das Hauptventil 61 und das Zusatzventil 89 sind mit dem Rail 5 strömungsmäßig verbunden, so dass der Systemdruck an diesen Ventilen anliegt. Das Hauptventil 61 ist hierbei so konfiguriert, dass der – schließseitig – anliegende, ordnungsgemäß eingestellte Systemdruck bzw. Raildruck das Ventil 61 geschlossen hält, das heißt das Hauptventil 61 öffnet gegen den Raildruck.
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Steigt der Systemdruck in dem Rail 5 in unzulässiger Weise an, zum Beispiel aufgrund eines Fehlers im Einspritzsystem 3, öffnet zunächst das Auslöseventil 9 sobald der Raildruck das Maximal-Druckniveau übersteigt (eingestellt durch die Zuhaltekraft der Feder 17). Nach dem Öffnen des Auslöseventils 9 bleibt das Ventil 9 bzw. dessen Ventilkolben 15 durch die Druckstufe 19, durch welche ein vom Schließdruckniveau unterschiedliches Öffnungsdruckniveau (Maximal-Druckniveau) umgesetzt wird, im oberen Hubanschlag, d. h. unverändert in der eingenommenen Öffnungsstellung. Die hierbei abgesteuerte Kraftstoffmenge bzw. die Absteuermenge des Auslöseventils 9 gelangt über den Strömungsweg 27 mit der strömungsdämpfenden Drossel 33 zum Regelventil 37. Der hierbei zwischen den Drosseln 33 und 35 herrschende Druck (Steuerdruck) steht somit auch am Kolben bzw. Ventilglied 39 des nunmehr aktivierten Regelventils 37 an.
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Infolge der Einnahme der Öffnungsstellung bzw. mit derselben baut sich am Einlass 45 bzw. Sitz des Regelventils 37 ein Druck auf, welcher das Regelventil 37 mit Überschreiten eines vorbestimmten Öffnungsdruckniveaus des Regelventils 37 öffnet, so dass hierüber druckabhängig ein Volumenstrom abgesteuert wird. Das Regelventil 37, welches keine Druckstufe aufweist, dient zuvorderst dazu, den Öffnungsdruck, welcher auf die Öffnungsseite 59 des Hauptventils 61 wirkt, zu regeln, wodurch wiederum das Öffnen des Hauptventils 61 bzw. die über dessen Hauptabflussquerschnitt 75 abgesteuerte Kraftstoffmenge (in den Tank 31) reguliert wird.
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Der am Hauptventil 61 anliegende Steuerdruck wird somit maßgeblich durch den abgesteuerten Volumenstrom des Regelventils 37 und die Drossel 35 bestimmt, d. h. das Hauptventil 61 mit anderen Worten indirekt geregelt.
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Im Rahmen der Erfindung ist somit eine Regelung des System- bzw. Raildrucks ermöglicht. Das Hauptventil 61 öffnet, wenn die Druckkraft auf der Öffnungsseite 59 größer ist als die Zuhaltekraft auf der Schließseite 75. Öffnet das Hauptventil 61, wird eine gewisse Menge aus dem Rail 5 in den Tank 31 abgesteuert bzw. abgeleitet, d. h. über den Hauptabflussquerschnitt 77. Hierdurch fällt der Druck in dem Rail 5 ab. Dieser Druckabfall führt jedoch nicht zu einem Schließen des Auslöseventils 9, da dessen Druckstufe 19 so ausgelegt ist, dass dieses erst bei einem insbesondere sehr viel niedrigeren Rail-Druckniveau bzw. Schließdruckniveau zu schließen beginnt bzw. schließt.
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Bedingt durch den Druckabfall im Rail 5 wird nunmehr jedoch weniger Kraftstoff bzw. Menge über das Auslöseventil 9 vor den Einlass 45 des Regelventils 37 abgesteuert. In der Folge beginnt das Regelventil 37 (bei gleichzeitig fortdauernder Öffnungsstellung des Auslöseventils 9) zu schließen (Ventilglied 39 bewegt sich in Richtung Schließstellung), so dass entsprechend weniger Menge bzw. ein geringerer Volumenstrom an die Öffnungsseite 59 des Hauptventils 61 abgesteuert wird, das heißt der Steuerdruck an der Öffnungsseite 59 des Hauptventils 61 sinkt.
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Einhergehend mit der Druckabnahme an der Öffnungsseite 59 bewegt sich nunmehr auch der schließseitig raildruckbeaufschlagte Schließkolben 71 des Hauptventils 61 in Richtung Schließstellung. Dadurch wird weniger Menge über das Hauptventil 61 in den Tank 31 abgelassen, so dass der Raildruck wieder ansteigt.
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Durch den erneuten Druckanstieg im Rail 5 öffnet das Regelventil 37 wiederum etwas weiter, so dass wieder mehr Menge bzw. ein größerer Volumenstrom an die Öffnungsseite 59 des Hauptventils 61 abgesteuert wird, so dass dieses in der Folge wieder stärker öffnet und mehr Menge über den Hauptabflussquerschnitt 77 in den Tank 31 abgesteuert wird, das heißt der Raildruck wieder sinkt. Die Regelschleife bzw. ein Regelvorgang ist damit eingeleitet, wobei das Regelventil 37 ersichtlich zu Regelhüben (des Ventilkolbens 39) veranlasst wird, d. h. resultierend aus Druckerhöhung und Druckminderung im Rahmen der druckabhängigen Volumenstromabsteuerung.
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Der Haltedruck im Rail 5 bzw. im Kraftstoffeinspritzsystem 3 wird so auch für große Fördermengen stabil durch das Sicherheitsventil 1, insbesondere mittels des Regelventils 37, geregelt. Zudem kann der Haltedruck durch die Änderung der Federvorspannung am Regelventil 37 eingestellt werden, der Öffnungsdruck weiterhin davon unabhängig durch eine Änderung der Federvorspannung am Auslöseventil 9.
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Der Schließdruck des Sicherheitsventils 1 wird indirekt über die Druckstufe 19 des Auslöseventils 9 eingestellt. Wird der Systemdruck in dem Rail 5 nach Beenden der unzulässigen Betriebsbedingungen, zum Beispiel Behebung des Fehlers, soweit abgesenkt, dass das Schließdruckniveau erreicht ist, schließt das Auslöseventil 9. Dadurch gelang kein Fluid mehr zu dem Regelventil 37 und somit auch nicht zu dem Hauptventil 61.
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Das restliche noch im System befindliche Fluid (Kraftstoff) kann über die Drossel 35 und die Drossel 67 zurück in den Tank 31 fließen (über den Leckageauslass 29). Infolgedessen wird das Hauptventil 61 durch den anliegenden Raildruck, der auf das Ventilglied 71 wirkt, geschlossen. Die beiden Drosseln 35, 67 ermöglichen hierbei, ein zu schnelles Abfließen des Fluids in den Tank 31 zu vermeiden, weiterhin aber einen schnellen Druckaufbau vor den jeweiligen Ventilen 37 bzw. 61.
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Durch die parallel geschaltete Entlastungsmöglichkeit durch das Zusatzventil 89 ist es möglich, das Hauptventil 61 zu öffnen, indem die Absteuermenge des Zusatzventils 89 auf die Öffnungsseite 59 des Hauptventils 61 gesteuert wird. Um ein ungewolltes Öffnen des Zusatzventils 89 bei auftretenden Druckspitzen zu verhindern, ist dessen Federvorspannkraft so ausgelegt, dass der theoretische Öffnungsdruck größer ist als der Öffnungsdruck des Auslöseventils 9.
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Durch die einzelnen Ventile 9, 37, 61, 89 ist ein modularer Aufbau des vorstehend erörterten, hydraulisch geregelten Sicherheitsventils 1 möglich, welches nach dem Prinzip eines vorgesteuerten, indirekt hydraulisch geregelten Ventils arbeitet. Die gewünschten Funktionen können einfach und kostengünstig in einem Baukastensystem, je nach Notwendigkeit der Anwendung, zusammengestellt werden. Außerdem können die einzelnen Ventile, aufgrund des vorgesteuerten Prinzips, mit einer kleinen Baugröße ausgeführt werden. Dies ermöglicht ein kompaktes Sicherheitsventil 1, welches für große Systemdrücke und Volumenströme eine stabile Regelung des Haltedruckes und eine unabhängige, einfache Einstellung der Druckniveaus ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherheitsventil
- 3
- Kraftstoffeinspritzsystem
- 5
- Rail
- 7
- Injektor
- 9
- Auslöseventil
- 11
- Einlass
- 13
- Gehäuse
- 15
- Ventilkolben
- 17
- Ventilfeder
- 19
- Druckstufe
- 21
- Ventilsitz
- 23
- Auslass
- 25
- Leitung
- 27
- Strömungsweg
- 29
- Leckageauslass
- 31
- Tank
- 33
- Drossel
- 35
- Drossel
- 37
- Regelventil
- 39
- Kolben
- 41
- Ventilgehäuse
- 43
- Schließfeder
- 45
- Einlass
- 47
- Abzweig
- 49
- Auslass
- 51
- Durchströmquerschnit
- 53
- erster Ast
- 55
- Stammabschnitt
- 57
- Strömungsweg
- 59
- Öffnungsseite
- 61
- Hauptventil
- 63
- Rückschlagventil
- 65
- zweiter Ast
- 67
- Staudrossel
- 69
- Ventilgehäuse
- 71
- Ventilglied
- 73
- Ventilsitz
- 75
- Schließseite
- 77
- Hauptabflussquerschnitt
- 79
- Einlass
- 81
- Auslass
- 83
- Leitungsabschnitt
- 85
- Leitung
- 87
- Ventilraum
- 89
- Zusatzventil
- 91
- Quelle
- 93
- Gehäuse
- 95
- Ventilglied
- 97
- Ventilfeder
- 99
- Ventilsitz
- 101
- erste Ventilkammer
- 103
- Ventileinlass
- 105
- Ventilauslass
- 107
- zweite Ventilkammer
- 109
- zweiter Ventileinlass
- 111
- Druckschulter
- 113
- Strömungsverbindung
- 115
- Rückschlagventil
