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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für einen Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem, das eine solche Ventilvorrichtung aufweist.
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Kraftstoffeinspritzsysteme, die einen Kraftstoff zu wenigstens einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zuführen, sind so ausgelegt, dass sie den Kraftstoff mit einem Hochdruck beaufschlagen, und zwar bei Benzin-Brennkraftmaschinen mit einem Druck zwischen 200 bar und 300 bar und bei Diesel-Brennkraftmaschinen mit einem Druck zwischen 2000 bar und 3000 bar, um so bei der Einspritzung vorgegebene Emissionswerte erfüllen zu können. Die Druckbeaufschlagung erfolgt zumeist über eine Kraftstoffhochdruckpumpe, und der druckbeaufschlagte Kraftstoff wird häufig vor Einspritzung in einem so genannten Common-Rail, d. h. in einem Kraftstoffspeicherbereich, der der Kraftstoffhochdruckpumpe stromabwärts nachgelagert ist, bis zur eigentlichen Einspritzung gespeichert.
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Zur Hochdruckerzeugung wird als Kraftstoffhochdruckpumpe zumeist eine Kolbenpumpe verwendet, die über eine oder mehrere Nocken an beispielsweise einer Nockenwelle angetrieben wird. Zusätzlich wird üblicherweise die Fördermenge des Kraftstoffs bedarfsgerecht eingestellt, beispielsweise über eine Regelung über ein Einlassventil an der Kraftstoffhochdruckpumpe, z. B. über ein digital schaltbares Einlassventil. Um das Kraftstoffeinspritzsystem insgesamt gegen einen Überdruck und somit gegen eine Berstgefahr zu schützen, ist das Kraftstoffeinspritzsystem zumeist mit einer Ventilvorrichtung in Form eines so genannten mechanischen Überdruckventils ausgestattet. Dieses Überdruckventil sollte vorzugsweise so eingestellt sein, dass es bei einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine nicht öffnet, wobei der eingestellte Öffnungsdruck des Überdruckventils unter Berücksichtigung aller Toleranzen und dynamischen Effekte wie beispielsweise eine Hochdrucksensortoleranz und Drucküberschwinger bei Beschleunigungen auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Wird der Öffnungsdruck zu niedrig eingestellt, so kann das zu einem volumetrischen Wirkungsgradverlust der Kraftstoffhochdruckpumpe führen, da das Überdruckventil ständig bei einem maximalen Systemdruck aktiviert wird, und andererseits auf Dauer fest ausgelegt werden muss, was kostenintensiv ist. Bei der Einstellung des Öffnungsdrucks des Überdruckventils ist weiter der maximale Arbeitsdruck von Injektoren zu berücksichtigen, mit denen der Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Wird der Öffnungsdruck des Überdruckventils zu hoch eingestellt, besteht die Gefahr, dass der Injektor nicht mehr öffnen kann. Dies ist besonders kritisch für den Fall, dass das Fahrzeug nach einer Volllastfahrt, z. B. einer Autobahnfahrt, beispielsweise für einen Tankstopp abgestellt wird und aufgrund der Kraftstofferwärmung im Kraftstoffspeicherbereich durch die hohe Motorumgebungstemperatur der Druck sehr schnell auf ein sehr hohes Druckniveau steigt. Ist jedoch der Öffnungsdruck des Überdruckventils höher eingestellt als der maximale Arbeitsdruck der Injektoren, kann das Fahrzeug nicht mehr starten, da sich die Injektoren nicht mehr öffnen lassen.
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Zusätzlich hat das Überdruckventil eine wichtige Funktion bezüglich der Druckbegrenzung im Fehlerfall, denn es ist wichtig, dass der Systemdruck des Kraftstoffeinspritzsystems nicht über den Berstdruck des Kraftstoffeinspritzsystems steigt. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn keine Leckage nach außen auftritt. Daher sollte sichergestellt sein, dass für den Fehlerfall, bei dem die Kraftstoffhochdruckpumpe unter maximaler Förderung fördert und beispielsweise, weil sich das Fahrzeug im Schubbetrieb befindet und die Injektoren keinen Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicherbereich abnehmen, der sich einstellende Systemdruck nicht über den Berstdruck steigt.
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Weiter zu berücksichtigen ist, dass in dem Kraftstoffeinspritzsystem aufgrund einer temperaturabhängigen Veränderung des Elastizitätsmoduls des Kraftstoffs Druckpulsationen entstehen, die selbst ein ideal ausgelegtes Überdruckventil nicht richtig abfedern kann. Das bedeutet, entweder öffnet das Überdruckventil in unerwünschter Weise ständig oder es öffnet gerade dann nicht, wenn es nötig wäre, sodass die Injektoren nicht mehr arbeitsfähig sind oder schlimmstenfalls das Kraftstoffeinspritzsystem bersten kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Ventilvorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzsystem vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem, das eine solche Ventilvorrichtung aufweist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Ventilvorrichtung für einen Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems weist einen mit einem Dichtelement zusammenwirkenden Ventilsitz zum Öffnen und Verschließen einer Hochdruckzulaufbohrung und eine Vorspanneinrichtung zum Vorspannen des Dichtelements mit einer Vorspannkraft in Richtung auf den Ventilsitz entlang einer Längsachse der Ventilvorrichtung auf. Die Vorspanneinrichtung weist ein Vorspannkraftvariierelement zum temperaturabhängigen Variieren der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung auf.
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Dadurch, dass die Vorspanneinrichtung ein Vorspannkraftvariierelement aufweist, welches die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung temperaturabhängig verändert, kann der Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung abhängig von einer Umgebungstemperatur, beispielsweise einer Kraftstofftemperatur, verändert werden. Die Umgebungstemperatur in der Ventilvorrichtung wird insbesondere bestimmt durch den durch die Ventilvorrichtung durchfließenden Kraftstoff, der beispielsweise mit der Ventilvorrichtung aus dem Hochdruckbereich abgesteuert wird. Dabei liegen Temperaturbereiche des durchfließenden Kraftstoffs zwischen –130 °C und 90 °C. Dadurch kann die Ventilvorrichtung, insbesondere wenn sie als Überdruckventil in dem Kraftstoffeinspritzsystem ausgebildet ist, auf veränderte Temperaturen reagieren, sodass einerseits weder die Gefahr besteht, dass die Ventilvorrichtung ständig öffnet, obwohl dies unerwünscht ist, und andererseits dennoch rechtzeitig öffnet, um einen unerwünschten Überdruck in dem Kraftstoffeinspritzsystem zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist das Vorspannkraftvariierelement zum Erhöhen der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung bei einer Temperaturerhöhung und zum Verringern der Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung bei einer Temperaturerniedrigung ausgebildet. Je tiefer entsprechend die Umgebungstemperatur, beispielsweise die Kraftstofftemperatur, sinkt, desto geringer wird vorteilhaft der Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung, denn bei niedrigeren Temperaturen erhöht sich das Elastizitätsmodul des Kraftstoffs gemäß der Formel ΔP = E-Modul × ΔV/VGesamt, wobei ΔV das durch die Kraftstoffhochdruckpumpe gepumpte Volumen und VGesamt das im gesamten Kraftstoffeinspritzsystem vorhandene Kraftstoffvolumen darstellt. Entsprechend dieser Formel erhöht sich demnach bei geringeren Temperaturen und damit einhergehendem größeren Elastizitätsmodul der Druck im Kraftstoffeinspritzsystem. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn insbesondere bei einer Temperaturerniedrigung die Ventilvorrichtung früher öffnet und deshalb die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung, die zum Dichten auf das Dichtelement wirkt, verringert wird. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung durch das Vorspannkraftvariierelement bei einer Temperaturerhöhung erhöht wird und somit der Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung steigt.
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Vorzugsweise weist die Vorspanneinrichtung ein Wachsdehnelement auf, das zum Verändern seiner Längenausdehnung in Richtung der Längsachse der Ventilvorrichtung abhängig von einer Umgebungstemperatur ausgebildet ist. Die Längsachse der Ventilvorrichtung entspricht einer Achse der Vorspannkraft, die auf das Dichtelement über die Vorspanneinrichtung wirkt.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Wachsdehnelement zum Verkürzen seiner Längenausdehnung bei einer Erniedrigung der Umgebungstemperatur vorgesehen ist. Durch das Vorsehen des Wachsdehnelements kann eine optimale temperaturabhängige Ventilvorrichtung mit einem temperaturabhängigen Öffnungsdruckverhalten bereitgestellt werden, das beispielsweise den Druck in dem Kraftstoffeinspritzsystem immer unter dem maximal zulässigen Injektoröffnungsdruck halten kann, und zwar über den gesamten Temperatur- und Arbeitsbereich des Kraftstoffeinspritzsystems. Da das Wachsdehnelement vorzugsweise so ausgebildet ist, dass es seine Längenausdehnung bei einer Erniedrigung der Umgebungstemperatur verkürzt, erhält die Vorspanneinrichtung bei niedrigen Kraftstofftemperaturen mehr Weg, wodurch die Vorspannkraft reduziert wird und so die Ventilvorrichtung früher öffnen kann. Steigt dagegen die Umgebungstemperatur, so dehnt sich das Wachsdehnelement aus, die Vorspanneinrichtung wird mit einer größeren Vorspannkraft beaufschlagt, und der Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung steigt. Das Wachsdehnelement weist über den Temperaturbereich von –30 °C bis 90 °C vorzugsweise eine kontinuierliche Veränderung der Länge auf, sodass das Wachsdehnelement bei jeder spezifischen Temperatur eine spezifische Länge aufweist.
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Vorzugsweise weist die Vorspanneinrichtung eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, auf, die derart angeordnet ist, dass sie entlang der Längsachse der Ventilvorrichtung eine Federkraft als Vorspannkraft auf das Dichtelement in Richtung auf den Ventilsitz aufbringt.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist die Feder als Wachsdehnelement ausgebildet, wobei sich ihre Federsteifigkeit und damit der Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung abhängig von der Temperatur verändert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die Vorspannkraft bzw. die Federsteifigkeit der Feder mit sinkender Temperatur reduziert.
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In einer alternativen Ausführungsform sind das Wachsdehnelement und die Feder als separate Elemente ausgebildet, die lediglich mechanisch miteinander gekoppelt sind. Es wird demgemäß zu der normalen Feder, die als Vorspanneinrichtung in der Ventilvorrichtung vorgesehen ist, und über die der Öffnungsdruck normalerweise eingestellt wird, ein zusätzliches Element vorgesehen, das als das Wachsdehnelement ausgeführt ist. Dieses zusätzliche Wachsdehnelement zieht sich vorzugsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen zusammen und stellt dementsprechend der Feder einen größeren Raum in der Ventilvorrichtung zur Verfügung, sodass diese ihre Vorspannkraft reduziert und der Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung herabgesenkt wird. Bei höheren Umgebungstemperaturen dehnt sich das Wachsdehnelement jedoch aus, nimmt dementsprechend der Feder Raum weg und erhöht damit die Vorspannkraft der Feder, sodass sich die Ventilvorrichtung bei höheren Temperaturen erst bei einem höheren Öffnungsdruck öffnet.
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Vorzugsweise sind dabei das Wachsdehnelement und die Feder entlang der Längsachse der Ventilvorrichtung in Reihe zueinander angeordnet, wobei sich die Feder insbesondere einerseits an einem in einem Bereich des Ventilsitzes angeordneten Federteller und andererseits an einer zu der Feder gerichteten Oberfläche des Wachsdehnelements abstützt. In dieser Anordnung kann vorteilhaft eine gewöhnliche Ventilvorrichtung herangezogen werden, bei der lediglich zusätzlich zu der Feder das Wachsdehnelement von dem Ventilsitz aus gesehen hinter der Feder angeordnet werden muss. Die Dehnungskräfte des Wachsdehnelements werden dabei auf die Feder übertragen, da sich die Feder auf der Oberfläche des Wachsdehnelements abstützt.
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Vorzugsweise ist ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung zum Aufnehmen der Vorspanneinrichtung und des Dichtelements vorgesehen, wobei die Gehäusebohrung entlang der Längsachse der Ventilvorrichtung länger ausgebildet ist als die Feder im ungespannten Zustand. Dies ermöglicht es der Feder, wenn diese als Wachsdehnelement ausgebildet ist, aber auch dem Wachsdehnelement als separatem Element, eine Änderung der Längenausdehnung abhängig von der Umgebungstemperatur. Das grundsätzliche Design der Ventilvorrichtung muss daher vorzugsweise nicht verändert werden, sondern lediglich die Gehäusebohrung, die die Feder und/oder das Wachsdehnelement aufnimmt, verlängert werden.
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Vorzugsweise weist das Vorspannkraftvariierelement einen Formgedächtniswerkstoff auf, der ausgewählt ist aus der Gruppe Formgedächtnislegierung, insbesondere NiTi, CuAlNi, CuZuAl, und Formgedächtnispolymer. Diese Werkstoffe sind gut erforschte Formgedächtniswerkstoffe, die sich insbesondere als Wachsdehnelemente eignen.
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Vorteilhaft ist die Ventilvorrichtung gebildet als ein Überdruckventil zum Entlasten des Hochdruckbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems, das insbesondere dazu ausgelegt ist, einen Hochdruckbereich im Bereich von 200 bar bis 3000 bar, insbesondere 250 bar bis 500 bar, zu entlasten.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einspritzen eines Kraftstoffs in wenigstens einen Brennraum einer Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffhochdruckpumpe zum Beaufschlagen des Kraftstoffs mit Hochdruck und einen der Kraftstoffhochdruckpumpe stromabwärts nachgelagerten Kraftstoffspeicherbereich zum Speichern des druckbeaufschlagten Kraftstoffs auf, wobei an der Kraftstoffhochdruckpumpe und/oder an dem Kraftstoffspeicherbereich eine oben beschriebene Ventilvorrichtung angeordnet ist.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist die Ventilvorrichtung dabei an einem Auslassbereich der Kraftstoffhochdruckpumpe angeordnet. Die Ventilvorrichtung kann dabei den druckbeaufschlagten Kraftstoff entweder in einen Druckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe oder einen stromaufwärts der Kraftstoffhochdruckpumpe vorgelagerten Niederdruckbereich absteuern.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine Längsschnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Ventilvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 schematische Längsschnittdarstellungen der Ventilvorrichtung aus 1 bei a) einer hohen Umgebungstemperatur; b) einer niedrigen Umgebungstemperatur;
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3 eine Längsschnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Ventilvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine Längsschnittdarstellung der Ventilvorrichtung aus 3 im Detail;
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5 ein Diagramm, das einen sich in einem Kraftstoffeinspritzsystem einstellenden Systemdruck abhängig von einer Umgebungstemperatur bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Überdruckventil darstellt;
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6 ein Diagramm, das den sich abhängig von der Temperatur einstellenden Systemdruck in einem Kraftstoffeinspritzsystem darstellt, wenn eine Ventilvorrichtung gemäß 2 oder 4 verwendet wird; und
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7 ein Diagramm, das die Verschiebung eines Öffnungsdrucks der Ventilvorrichtungen gemäß 2 und 4 abhängig von der Temperatur darstellt.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe 12 und einem Kraftstoffspeicherbereich 14. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 12 ist dazu vorgesehen, einen Kraftstoff in einem Druckraum 16 mit Hochdruck zu beaufschlagen und dann über ein Auslassventil 18 in den der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 stromabwärts nachgelagerten Hochdruckbereich 13 zuzuführen, in dem ein Kraftstoffspeicherbereich 14 angeordnet ist. Zum Druckbeaufschlagen weist die Kraftstoffhochdruckpumpe 12 einen Pumpenkolben 20 auf, der mittelbar über einen Rollenstößel 22 von einer Nockenwelle 24 in einer translatorischen Bewegung angetrieben wird, um so das Volumen in dem Druckraum 16 zu vergrößern und zu verkleinern. Der Antrieb des Pumpenkolbens 20 kann jedoch auch anders ausgestaltet sein. Die Fördermenge des Kraftstoffs 56 in der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 wird dabei über ein Einlassventil 26 geregelt, das den Kraftstoff 56 von einem der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 stromaufwärts vorgelagerten Niederdruckbereich 28 über einen Dämpfer 30 zumisst.
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In dem Kraftstoffeinspritzsystem 10 ist weiter eine Ventilvorrichtung 32 vorgesehen, die als Überdruckventil 34 ausgebildet ist, um das Kraftstoffeinspritzsystem 10 vor zu hohen Kraftstoffdrücken zu schützen, wenn die Kraftstoffhochdruckpumpe 12 im Fehlerfall – beispielsweise wenn das Einlassventil 26 nicht mehr wie vorgesehen funktioniert – in Vollförderung geht.
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Die Ventilvorrichtung 32 ist in der vorliegenden Ausführungsform in die Kraftstoffhochdruckpumpe 12 integriert, sie kann jedoch auch in dem Kraftstoffspeicherbereich 14 angeordnet sein. Die Ventilvorrichtung 32 ist in 1 an einem Auslassbereich 36 im Bereich des Auslassventils 18 der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 vorgesehen und als Rückschlagventil 38 ausgebildet. Daher öffnet die Ventilvorrichtung 32 nur dann und steuert einen Kraftstoff 56 aus dem Kraftstoffeinspritzsystem 10 ab, wenn eine vorbestimmte Druckgrenze erreicht wird. Die Ventilvorrichtung 32 kann auf unterschiedliche Arten in das Kraftstoffeinspritzsystem 10 integriert sein. Einerseits ist es möglich, dass die Ventilvorrichtung 32 den überschüssigen Kraftstoff 56 in den Niederdruckbereich 28, d. h. stromaufwärts vor das Einlassventil 26, absteuert. Weiter ist es jedoch auch möglich, und in 1 gezeigt, dass die Ventilvorrichtung 32 überschüssigen Kraftstoff 56 in den Druckraum 16 absteuert, wobei im Pumpenförderhub die Ventilvorrichtung 32 hydraulisch verriegelt ist.
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Selbst wenn die Ventilvorrichtung 32, wenn sie wie üblich ausgebildet ist, ideal ausgelegt ist, und in den Druckraum 16 absteuert, und dabei im Verdichtungshub der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 hydraulisch verriegelt ist, können nicht die Anforderungen über den gesamten Temperaturbereich des Arbeitsbereichs des Kraftstoffeinspritzsystems 10 erfüllt werden. Ursache dafür ist die starke Veränderung des Elastizitätsmoduls des Kraftstoffs 56 abhängig von der Temperatur, denn bei sehr niedrigen Kraftstofftemperaturen führt ein Pumpenhub zu einer deutlich höheren Druckerhöhung im Kraftstoffeinspritzsystem 10 als bei hohen Kraftstofftemperaturen.
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Daher entstehen beim Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 abhängig von der Temperatur des Kraftstoffs 56 unterschiedlich starke Druckpulsationen in dem Kraftstoffeinspritzsystem 10.
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Um diese Kraftstoffpulsationen besser abfedern zu können, ohne jedoch unnötig zu öffnen, wird daher nun eine spezielle Ventilvorrichtung 32 vorgeschlagen, wobei eine erste Ausführungsform mit Bezug auf 1 und 2 und eine zweite Ausführungsform mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben wird.
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Die in beiden Ausführungsformen dargestellte Ventilvorrichtung 32 weist jeweils ein Gehäuse 40 auf, das beispielsweise durch ein Pumpengehäuse 42 der Kraftstoffhochdruckpumpe gebildet sein kann, wobei in dem Gehäuse 40 eine Gehäusebohrung 44 vorgesehen ist, in der eine Vorspanneinrichtung 46 und ein Dichtelement 48 angeordnet sind. Zusätzlich ist in dem Gehäuse 40 ein Ventilsitz 50 gebildet. Die Vorspanneinrichtung 46 drückt das Dichtelement 48 entlang einer Längsachse 52 der Ventilvorrichtung 32 mit einer Vorspannkraft FV auf den Ventilsitz 50, um so eine Hochdruckzulaufbohrung 54 in dem Gehäuse 40 zu verschließen. Über die Hochdruckzulaufbohrung 54 kann Kraftstoff 56 in die Ventilvorrichtung 32 einströmen, wenn ein Kraftstoffdruck ausreichend ist, um die Vorspannkraft FV der Vorspanneinrichtung 46 zu überwinden und damit das Dichtelement 48 vom Ventilsitz 50 abzuheben. Der Kraftstoff 56 strömt dann, nachdem er das Dichtelement 48 und den Ventilsitz 50 passiert hat, über Auslassbohrungen 58 aus der Ventilvorrichtung 32 aus.
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Die Vorspanneinrichtung 46 weist in beiden Ausführungsformen eine Feder 60 auf, die insbesondere als eine Spiralfeder ausgebildet ist, und sich an einem Federteller 62 abstützt, der im Bereich des Ventilsitzes 50 angeordnet ist.
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Zusätzlich ist in beiden Ausführungsformen die Ventilvorrichtung 32 so ausgebildet, dass die Vorspanneinrichtung 46 ein Vorspannkraftvariierelement 64 aufweist, welches temperaturabhängig die Vorspannkraft FV, die auf das Dichtelement 48 wirkt, verändern kann. Dazu ist in beiden Ausführungsformen in der Vorspanneinrichtung 46 ein Wachsdehnelement 66 vorgesehen. Dieses verändert seine Längenausdehnung L abhängig von der Temperatur, insbesondere verkürzt es sich bei einer Erniedrigung der Umgebungstemperatur und verlängert sich bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur.
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1 und 2 zeigen dabei eine erste Ausführungsform der Ventilvorrichtung 32, bei der das Wachsdehnelement 66 und die Feder 60 als getrennt voneinander gebildete Elemente ausgebildet sind, wobei sich die Feder 60 gegenüberliegend zu dem Federteller 62 an einer Oberfläche 68 des Wachsdehnelements 66 abstützt. In der Abbildung a) in 2 ist die Längenausdehnung L der Feder 60 und des Wachsdehnelements 66 bei hohen Umgebungstemperaturen gezeigt, Abbildung b) zeigt die jeweilige Längenausdehnung L bei niedrigeren Umgebungstemperaturen. Es ist zu sehen, dass bei hohen Temperaturen das Wachsdehnelement 66 seine Längenausdehnung L vergrößert, dadurch die Feder 60 zusammengedrückt und damit die Vorspannkraft FV, mit der die Feder 60 auf das Dichtelement 48 wirkt, vergrößert wird, sodass sich die Ventilvorrichtung 32 erst bei einem höheren Kraftstoffdruck öffnet. Dagegen ist das Wachsdehnelement 66 gemäß Abbildung b) bei niedrigeren Umgebungstemperaturen zusammengezogen, was zu einer größeren Längenausdehnung L der Feder 60 führt, wodurch deren Vorspannkraft FV verringert wird und somit die Ventilvorrichtung 32 bereits bei niedrigeren Kraftstoffdrücken öffnen kann.
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In der ersten Ausführungsform sind die Feder 60 und das Wachsdehnelement 66 insbesondere in Reihe zueinander entlang der Längsachse 52 der Ventilvorrichtung 32 angeordnet. Die Gehäusebohrung 44 ist hierbei entlang der Längsachse 52 der Ventilvorrichtung 32 länger ausgebildet als die Feder 60 im ungespannten Zustand, sodass in der Gehäusebohrung 44 noch ausreichend Raum zur Verfügung steht, um das Wachsdehnelement 66 in Reihe zu der Feder 60 vorsehen zu können.
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2 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform, bei der die Feder 60 selbst als Wachsdehnelement 66 ausgebildet ist, d. h. sie ändert ihre Längenausdehnung L selbst abhängig von der Temperatur und somit auch die Federkraft und Vorspannkraft, mit der sie auf das Dichtelement 48 einwirkt.
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Werkstoffe, die geeignet sind, um das Vorspannkraftvariierelement 64 bzw. das Wachsdehnelement 66 bereitzustellen, sind so genannte Formgedächtniswerkstoffe, die als metallische Legierung, aber auch als Polymere vorliegen können, und die in unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können, sodass sie sich auch nach einer starken Verformung an ihre frühere Formgebung „erinnern“ können und diese frühere Formgebung wieder einnehmen können. Beispiele für metallische Legierungen, die geeignet sind, sind NiTi, CuAlNi und CuZnAL.
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5 und 6 sind jeweils Diagramme, die den sich in dem Kraftstoffeinspritzsystem 10 abhängig von der Umgebungstemperatur, insbesondere der Kraftstofftemperatur, einstellenden Systemdruck darstellen. 5 zeigt dabei ein Diagramm, das einem aus dem Stand der Technik bekannten Überdruckventil 34 entspricht, welches kein Vorspannkraftvariierelement 64 aufweist, während in 6 ein Diagramm dargestellt ist, das einer Ventilvorrichtung 32 entspricht, welche ein Vorspannkraftvariierelement 64 aufweist.
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Auf der Abszisse ist dabei jeweils die Temperatur nach rechts ansteigend aufgetragen, während auf der Ordinate nach oben ein ansteigender Druck aufgetragen ist. Die strichpunktierte Linie zeigt den Maximaldruck an, der in dem Kraftstoffeinspritzsystem 10 herrschen darf, sodass die Injektoren immer noch fähig sind, Kraftstoff 56 in den wenigstens einen Brennraum einzuspritzen. Sämtliche Drücke, die oberhalb dieser strichpunktierten Linie liegen, sind daher als zu hoch einzuordnen. Die sinusförmigen Linien in 5 und 6 deuten Druckpulsationen durch den Arbeitszyklus der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 in dem Kraftstoffeinspritzsystem 10 an.
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In 5 kennzeichnet die untere durchgezogene Linie bei dem niedrigeren Druckbereich den festeingestellten Öffnungsdruck des standardmäßigen Überdruckventils 34. Die im höheren Druckbereich angeordnete, zu höheren Temperaturen hin abfallende durchgezogene Linie zeigt den Druckunterschied ΔP an, der durch die Druckpulsationen in dem Kraftstoffeinspritzsystem 10 resultiert. Wie zu sehen ist, ist der Druckunterschied durch die Druckpulsationen im niedrigeren Temperaturbereich, beispielsweise bei etwa –20 °C, deutlich höher als bei höheren Temperaturbereichen, beispielsweise bei 80 °C. Dadurch, dass das Überdruckventil 34 einen festeingestellten Öffnungsdruck aufweist, kann es diese Unterschiede nicht ausgleichen.
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6 zeigt dagegen ein Überdruckventil 34, das das Vorspannkraftvariierelement 64 aufweist, und dessen Öffnungsdruck daher, wie durch die untere durchgezogene Linie angedeutet, über die Temperatur variiert. Der Öffnungsdruck steigt bei steigenden Umgebungstemperaturen und sinkt bei fallenden Umgebungstemperaturen, sodass das Überdruckventil 34 gemäß 6 bei niedrigeren Umgebungstemperaturen schneller öffnet, d. h. bei einem niedrigeren Öffnungsdruck als bei höheren Umgebungstemperaturen. Dadurch werden temperaturbedingte Druckpulsationen ausgeglichen.
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7 zeigt ein Diagramm, welches für zwei unterschiedliche Temperaturbereiche T1 und T2, wobei T1 kleiner ist als T2, den Öffnungsdruck der Ventilvorrichtung 32 gemäß 2 und 4 gegen den Volumenstrom des durch die Ventilvorrichtung 32 durchfließenden Kraftstoffs 56 darstellt. Wie zu sehen, verschiebt sich die jeweilige Kennlinie bei niedrigeren Temperaturen zu einem niedrigeren Öffnungsdruck und bei höheren Temperaturen zu einem höheren Öffnungsdruck hin.
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Durch die beschriebene Anordnung des Vorspannkraftvariierelements 64 in der Ventilvorrichtung 32 kann eine sehr einfache und effiziente Lösung für die Variabilität eines Überdruckventils 34 und dessen Öffnungsdrucks in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur, insbesondere einer Kraftstofftemperatur, erzielt werden. Einerseits ist es möglich, ein zusätzliches Element, welches aus einem Formgedächtniswerkstoff besteht und in Reihe mit der normalen Feder 60 geschaltet ist, zu realisieren.
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Es wird demgemäß das grundsätzliche Design des bekannten Überdruckventils 34 nicht verändert, sondern nur vorteilhaft die Gehäusebohrung 44 verlängert, um zusätzlich zu der Feder 60 das zusätzliche Element, nämlich das Wachsdehnelement 66, mit aufzunehmen. Alternativ ist es auch möglich, die Feder 60 direkt aus dem Formgedächtniswerkstoff herzustellen. In diesem Fall kann das grundsätzliche Design des Überdruckventils 34 sogar vollständig erhalten werden, wobei lediglich die Feder 60 ausgetauscht wird. Diese sehr einfachen Maßnahmen führen dazu, dass die Injektoren immer öffnen können und das Kraftstoffeinspritzsystem 10 nicht bersten kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftstoffeinspritzsystem
- 12
- Kraftstoffhochdruckpumpe
- 13
- Hochdruckbereich
- 14
- Kraftstoffspeicherbereich
- 16
- Druckraum
- 18
- Auslassventil
- 20
- Pumpenkolben
- 22
- Rollenstößel
- 24
- Nockenwelle
- 26
- Einlassventil
- 28
- Niederdruckbereich
- 30
- Dämpfer
- 32
- Ventilvorrichtung
- 34
- Überdruckventil
- 36
- Auslassbereich
- 38
- Rückschlagventil
- 40
- Gehäuse
- 42
- Pumpengehäuse
- 44
- Gehäusebohrung
- 46
- Vorspanneinrichtung
- 48
- Dichtelement
- 50
- Ventilsitz
- 52
- Längsachse
- 54
- Hochdruckzulaufbohrung
- 56
- Kraftstoff
- 58
- Auslassbohrung
- 60
- Feder
- 62
- Federteller
- 64
- Vorspannkraftvariierelement
- 66
- Wachsdehnelement
- 68
- Oberfläche Wachsdehnelement
- FV
- Vorspannkraft
- L
- Längenausdehnung
