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Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem, das ein solches Rückschlagventil aufweist.
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In einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine können an verschiedenen Positionen des Weges, den der Kraftstoff von einem Tank zu der jeweiligen Brennkammer nimmt, Rückschlagventile vorgesehen sein. Beispielsweise können solche Rückschlagventile als Auslassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe vorgesehen sein, die den Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt. Es ist auch denkbar, solche Rückschlagventile als sog. Druckbegrenzungsventile vorzusehen, die einen unerwünschten Überdruck aus einem beispielsweise der Kraftstoffhochdruckpumpe nachgelagerten Hochdruckspeicher (Common-Rail) absteuern.
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Diese Rückschlagventile sind zumeist als passive Ventile ausgebildet, öffnen bei einer vordefinierten Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass, und sichern somit eine korrekte Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzsystems. Die Rückschlagventile öffnen dabei bei Überschreiten der vordefinierten Druckdifferenz, und schließen, sobald die Kräfte, die von beiden Seiten auf das Rückschlagventil wirken, sich ändern, so dass ein Rückfließen des Kraftstoffes verhindert wird. Die Rückschlagventile sind in der Regel federunterstützte Ventile, die den Vorteil haben, dass ihre Schließzeit gering ist, und somit der Wirkungsgrad des Kraftstoffeinspritzsystems hoch gehalten werden kann.
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Bei diesen Rückschlagventilen, die federunterstützt arbeiten, ist es vorteilhaft, wenn die verwendete Vorspannfeder korrekt funktioniert und dauerhaltbar ist, weswegen diverse Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise die Führung der Vorspannfeder, ein möglichst geringer mechanischer Kontakt zu angrenzenden Teilen, um einen übermäßigen Verschleiß zu vermeiden, der zur Verfügung stehende Bauraum u. a.
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Bislang ist es beispielsweise bekannt, Druckfedern in Form von Zylinderfedern oder Trichterfedern zu verwenden.
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DE 198 16 289 A1 offenbart ein Druckventil für eine Kolbenpumpe, das eine im Wesentlichen planare Spiralfeder aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Rückschlagventil mit einer korrekt funktionierenden und dauerhaltbaren Vorspannfeder für ein Kraftstoffeinspritzsystem vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rückschlagventil mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem, das ein solches Rückschlagventil aufweist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Rückschlagventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine weist einen Ventilsitz und ein Schließelement auf, das mit dem Ventilsitz zum Schließen des Rückschlagventiles zusammenwirkt. Zusätzlich ist eine Vorspannfeder zum Vorspannen des Schließelementes entlang einer Bewegungsachse auf den Ventilsitz in eine Schließposition vorgesehen, wobei die Vorspannfeder als Flachspiralfeder ausgebildet ist. Die Flachspiralfeder weist dabei mehrere Windungen auf, wobei eine innerste Windung als Führungsbereich zum Führen des Schließelementes bei einer Bewegung entlang der Bewegungsachse ausgebildet ist, wobei der Führungsbereich einen Aufnahmeraum für das Schließelement mit einem Durchmesser d begrenzt. Die Windungen der Flachspiralfeder sind in einem Querschnitt entlang der Bewegungsachse rechtwinklig mit einer axialen Querschnittslänge a und einer radialen Querschnittslänge b ausgebildet. Der Durchmesser d des Aufnahmeraumes ist kleiner als die axiale Querschnittslänge a der Windungen.
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Unter „rechtwinklig“ sollen dabei Querschnitte verstanden werden, deren Seiten im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die Übergänge der einzelnen Seiten zueinander müssen dabei jedoch nicht scharfkantig sein. Es ist denkbar, dass die Ecken beispielsweise abgerundet ausgebildet sind oder andere Formen aufweisen, die technisch sinnvoll sind.
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Die Idee besteht darin, in einem Rückschlagventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem als Vorspannfeder statt einer konventionellen Druckfeder in Form einer Zylinderfeder oder Trichterfeder eine Flachspiralfeder zu verwenden. Abhängig von dem jeweiligen Design des Kraftstoffeinspritzsystems steht oft nur ein gewisser Bauraum für solche Rückschlagventile zur Verfügung. Dabei kann abhängig vom Design des Kraftstoffeinspritzsystems der Bauraum für die Vorspannfeder in radialer Richtung eher gegeben sein als in axialer Richtung. Flachspiralfedern werden beispielsweise in mechanischen Uhren eingesetzt, werden hier jedoch in der Regel radial beansprucht. Im Gegensatz dazu wird bei dem Rückschlagventil die Flachspiralfeder axial beansprucht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckfedern weist die Flachspiralfeder keine überlappenden Windungen auf, d. h. bei axialer Auf- und Abwärtsbewegung der Windungen wird ein Kontakt zwischen den einzelnen Windungen vermieden. Im Gegensatz zu Druckfedern gehen also die einzelnen Windungen der Flachspiralfeder nicht auf Block, wodurch ein Risiko von Verschleiß an den Windungen und schließlich ein Federbruch vermieden werden kann. Zusätzlich werden Druckfedern innen oder außen geführt und neigen im Betrieb zu einem Ausbauchen. Dadurch kommt es gewöhnlich zu mechanischem Kontakt zwischen Druckfeder und Federführung, wobei aufgrund der entstehenden Reibung mechanischer Verschleiß entstehen kann. Dadurch kann die Druckfeder brechen und das Kraftstoffeinspritzsystem mit Partikeln kontaminiert werden. Bei Einsatz der Flachspiralfeder kann dieses Risiko stark minimiert werden. Der Einbauraum für die Vorspannfeder und somit das gesamte Rückschlagventil können daher bei der Verwendung einer Flachspiralfeder hinsichtlich axialer Länge sehr gering gehalten werden.
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Die Flachspiralfeder hat zusätzlich den Vorteil, dass damit auch gleichzeitig durch das Vorsehen eines Führungsbereiches an der Flachspiralfeder das Schließelement bei seiner Bewegung vom Ventilsitz weg entlang der Bewegungsachse geführt werden kann.
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Die Flachspiralfeder erfüllt daher zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Vorspannung des Schließelementes auf den Ventilsitz, und andererseits die Führung des Schließelementes bei seiner Bewegung vom Ventilsitz weg. Bei solchen Führungen ist ein großes Längen-Durchmesser-Verhältnis in der Regel von Vorteil. Daher ist die axiale Querschnittslänge a der Windungen größer als der Durchmesser d des Führungsbereiches bzw. des Aufnahmeraumes, in dem das Schließelement geführt ist.
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Das Schließelement kann dabei durch Elemente mit verschiedenen Geometrien, beispielsweise eine Kugel alleine, aber auch einen Führungsstift mit Kugel, gebildet sein.
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Durch Veränderung des Querschnittes und/oder der Anzahl der Windungen der Flachspiralfeder können die Federrate und die Vorspannkraft entsprechend beeinflusst werden. Daher können in einem selben Bauraum auf relativ einfache Weise, nämlich durch die Modifikation der Windungen oder des Querschnittes, unterschiedliche Flachspiralfedern verbaut werden, um beispielsweise unterschiedliche Öffnungsdrücke zu realisieren.
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Beispielsweise kann die Flachspiralfeder einseitig oder auch beidseitig geschliffen sein.
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Das Schließelement kann beispielsweise als Kugel ausgebildet sein und in den Aufnahmeraum teilweise hineinragen, es ist jedoch auch denkbar, dass ein Führungsstift vorgesehen ist, der durch den Aufnahmeraum hindurchragt und durch den Führungsbereich geführt wird, wobei der Führungsstift das Schließelement in der gewünschten Position hält. Bei der Verwendung eines solchen Führungsstiftes ist das Verhältnis der Durchschnittslänge a zum Durchmesser d besonders vorteilhaft, weil der Führungsstift durch den Führungsbereich hindurchragt, und dadurch eine besonders gute Führung des Führungsstiftes realisiert werden kann.
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Vorzugsweise ist die innerste Windung zumindest über einen Winkelbereich von 200° als kreisförmiger Führungskreisring ausgebildet, wobei die sich an die innerste Windung anschließenden Windungen spiralförmig verlaufen.
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Die Flachspiralfeder weist daher zwei Bereiche mit unterschiedlicher Formgebung auf, nämlich einerseits einen ausschließlich kreisförmigen Bereich, der zur Führung des Schließelementes bzw. eines entsprechenden Führungsstiftes vorgesehen ist, und einen sich daran anschließenden nicht kreisförmig, sondern spiralförmig ausgebildeten Bereich, der im Wesentlichen die Vorspannkraft bereitstellt. Um eine gute Führung des Schließkörpers bzw. des Führungsstiftes zu realisieren, ist der Führungskreisring über einen Winkelbereich von mindestens 200° kreisförmig ausgebildet. Beispielsweise kann zwischen dem kreisförmig gebildeten Führungskreisring und den sich anschließenden Windungen, die spiralförmig verlaufen, einen Übergangsbereich vorgesehen sein, der die Kreisform in die Spiralform überführt.
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„Kreisförmig“ umfasst dabei nicht ausschließlich einen vollständig geschlossenen massiven Kreis, sondern auch Geometrien, bei denen wenigstens drei Auflagepunkte für das Schließelement einen Kreis bilden.
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Vorzugsweise ist der Führungsbereich an einer zu dem Schließelement zu richtenden Seite nach innen angefast, wobei die Fase eine Konusform oder eine Kalottenform ausbildet. Dadurch kann beispielsweise der Führungsstift entfallen, weil der Führungsbereich eine Form aufweist, die einen sicheren Halt für das Schließelement bildet.
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Vorteilhaft ist der Führungsbereich konzentrisch zur Ventillängsachse angeordnet. Eine exzentrische Ausführungsform ist jedoch auch möglich.
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Insbesondere für den Fall, dass das Schließelement aus technischen Gründen exzentrisch zu der Ventillängsachse, die beispielsweise durch die Längsachse des Ventilsitzes bestimmt ist, angeordnet ist, kann die Führung des Schließelementes bei Verwendung der Flachspiralfeder und einer entsprechenden Auslegung relativ einfach realisiert werden. Bei Verwendung einer Druckfeder wäre dies komplizierter und aufwändiger und evtl. mit einem zusätzlich erforderlichen Bauteil verbunden.
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Vorzugsweise ist die radiale Querschnittslänge b kleiner als die axiale Querschnittslänge a, wobei insbesondere b < 1/2a ist. Die Flachspiralfeder wird im Betrieb axial beansprucht, so dass in axialer Richtung eine erforderliche Vorspannkraft sichergestellt werden soll. Je nach Einsatz der Flachspiralfeder, d. h. je nach Art des Rückschlagventils, in dem sie eingebaut wird, kann eine sehr hohe Vorspannkraft erforderlich sein. Um die axiale Steifigkeit im Vergleich zur radialen Steifigkeit signifikant zu erhöhen, ist daher eine deutlich größere axiale Querschnittslänge a im Vergleich zur radialen Querschnittslänge b von Vorteil. Beispielsweise kann für die Herstellung einer solchen Flachspiralfeder mit einem solchen Querschnitt auf einfache Weise ein herkömmlicher Flachdraht verwendet werden. Es sind jedoch auch jegliche sonstigen profilierten Querschnitte denkbar.
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Vorzugsweise ist die Flachspiralfeder in einem Querschnitt entlang der Bewegungsachse plan ausgebildet, wobei die benachbarten radialen Flächen aller Windungen in einer Ebene angeordnet sind.
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Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Flachspiralfeder in einem Querschnitt entlang der Bewegungsachse konisch oder parabelförmig ausgebildet ist, wobei die benachbarten radialen Flächen der Windungen stufenförmig angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist die Flachspiralfeder zum Positionieren und/oder Fixieren der Flachspiralfeder an einem Ende an der äußersten Windung eine Lasche zum Zusammenwirken mit einem Gegenlager auf. Die Lasche kann dabei jegliche Form aufweisen und beispielsweise durch einen gebogenen Vorsprung gebildet sein. Es soll durch die Lasche lediglich eine Positionierung bzw. Fixierung der Flachspiralfeder, beispielsweise bei einer exzentrischen Lage des Schließelementes, ermöglicht werden. Denkbar ist es auch, dass die Lasche axial über die Ebene, in der sich die radialen Flächen aller Windungen befinden, hinausragt und z.B. ein Loch aufweist, in das von außen ein Eingreifelement einrastet. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn ein entsprechendes Gegenlager, beispielsweise an einer der anderen Komponenten des Rückschlagventiles oder an einem Ventilgehäuse, vorgesehen ist, um mit der Lasche zusammenzuwirken. Dies kann beispielsweise das vorerwähnte Eingreifelement sein, jedoch auch eine Nut, in die die Lasche eingreift.
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Vorteilhaft ist ein axiales Anschlagelement vorgesehen, an dem sich die Flachspiralfeder gegenüberliegend zu dem Schließelement abstützt, wobei das Anschlagelement einen Anschlagsvorsprung aufweist, an dem sich die Flachspiralfeder vorzugsweise mit der äußersten Windung abstützt. Das Rückschlagventil weist somit vorteilhaft mindestens einen axialen Anschlag auf, welcher als Kontaktfläche für die Flachspiralfeder im äußersten Bereich der Flachspiralfeder dient. Durch eine axiale Positionsänderung dieses Anschlagelementes kann die Flachspiralfeder somit vorgespannt werden, womit eine gewünschte Vorspannkraft und somit ein gewünschter Öffnungsdruck des Rückschlagventils eingestellt werden kann. Das Anschlagelement kann dabei vorteilhaft in eine Bohrung, in der das Rückschlagventil eingebaut ist, oder auch in ein entsprechendes Ventilgehäuse eingepresst sein.
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Optional kann das Rückschlagventil neben dem axialen Anschlagelement für die Flachspiralfeder einen weiteren axialen Anschlag aufweisen. Dieser kann beispielsweise durch dem Ventilsitz gebildet sein, an dem sich die Flachspiralfeder beispielsweise mit ihrer äußersten Windung abstützt.
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Beispielsweise ist das Anschlagelement als Ring mit einem als Ringkreis über 360° ausgebildeten Anschlagsvorsprung gebildet. Das Anschlagelement muss jedoch nicht zwangsläufig einen über 360° verlaufenden Anschlagsvorsprung aufweisen, es ist auch möglich, dass der Anschlagsvorsprung als Teilringsegment ausgebildet ist, wobei beispielsweise auch mehrere Teilringsegmente vorgesehen sein können, die insgesamt als axialer Anschlag dienen.
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Optional kann das Anschlagelement jedoch auch ähnlich wie ein Sprengring ausgeführt sein, d. h. kreisförmig, jedoch mit einer Aussparung, so dass ein Bereich des Kreises fehlt. Auch dadurch wird der Anschlagsvorsprung so ausgebildet, dass er ein Teilringsegment bildet.
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Ist der Anschlagsvorsprung als Teilringsegment ausgebildet, ist es durch eine Drehung des Anschlagelementes, und somit eine Änderung der Position des Anschlagsvorsprungs, möglich, die Flachspiralfeder an unterschiedlichen Stellen zu spannen. Somit können die Anzahl der federnden Windungen, die Federrate und die Vorspannkraft in gewissem Maß verändert werden. Es ist auch möglich, eine Veränderung der Vorspannkraft der Flachspiralfeder durch eine axiale Positionsänderung des Anschlagelementes zu bewirken.
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Ist das Anschlagelement ähnlich wie ein Sprengring ausgeführt, kann auch dies z. B. für die Montage genutzt werden, da das Anschlagelement wie ein Sprengring beispielsweise in eine Bohrung eingesetzt werden kann. Dadurch ergeben sich geringere Anforderungen an Durchmessertoleranzen des Anschlagelementes bzw. des Gehäuses, z. B. eines Hochdruckanschlusses, in das das Anschlagelement eingesetzt wird. Weiterhin könnte dieser Bereich genutzt werden, um das Anschlagelement und die Flachspiralfeder so zueinander zu positionieren, dass beim Federn der Flachspiralfeder der Bereich der Flachspiralfeder, der nach innen gesehen über den Innendurchmesser des Anschlagelementes ragt, nicht an der Kante des Anschlagelementes reibt, sondern sich stattdessen in diesem fehlenden Teilsegment bzw. in der Aussparung des Anschlagelementes befindet.
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Ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem Druckraum zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Hochdruck, einen Niederdruckbereich zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Druckraum und einen Hochdruckbereich zum Speichern des in dem Druckraum druckbeaufschlagten Kraftstoffes auf, wobei die Kraftstoffhochdruckpumpe ein Auslassventil zum Auslassen des druckbeaufschlagten Kraftstoffes aus dem Druckraum in den Hochdruckbereich aufweist, wobei ein Druckbegrenzungsventil zum Absteuern eines unerwünschten Überdruckes aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich und/oder in den Druckraum vorgesehen ist, wobei das Auslassventil und/oder das Druckbegrenzungsventil als Rückschlagventil wie oben beschrieben ausgebildet ist.
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Ist das Rückschlagventil beispielsweise als Auslassventil ausgebildet, kann die Vorspannkraft der Flachspiralfeder gering ausfallen, so dass entsprechend die axiale Querschnittslänge a im Vergleich zur radialen Querschnittslänge b der einzelnen Windungen rechteckig ausgeführter Windungen kleiner gewählt werden kann.
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Ist das Rückschlagventil jedoch als Druckbegrenzungsventil ausgebildet, ist es vorteilhaft, eine sehr hohe Vorspannkraft vorzusehen, so dass die axiale Querschnittslänge a im Vergleich zur radialen Querschnittslänge b deutlich größer sein sollte.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das an verschiedenen Positionen Rückschlagventile aufweist;
- 2 eine Schnittdarstellung eines der Rückschlagventile aus 1 mit einer Flachspiralfeder als Vorspannfeder für ein Schließelement in einer ersten Ausführungsform;
- 3 eine perspektivische Darstellung der Flachspiralfeder aus 2;
- 4 eine Draufsicht auf die Flachspiralfeder aus 2 in einer ersten Ausführungsform;
- 5 eine Draufsicht auf die Flachspiralfeder aus 2 in einer zweiten Ausführungsform;
- 6 eine Draufsicht auf die Flachspiralfeder aus 2 in einer dritten Ausführungsform;
- 7 eine perspektivische Darstellung der Flachspiralfeder aus 2 in einer vierten Ausführungsform;
- 8 eine Schnittdarstellung der Flachspiralfeder aus 7;
- 9 eine Schnittdarstellung der Flachspiralfeder entsprechend 2 in einer vergrößerten Darstellung;
- 10 eine Schnittdarstellung eines der Rückschlagventile aus 1 in einer zweiten Ausführungsform;
- 11 eine Schnittdarstellung eines der Rückschlagventile aus 1 in einer dritten Ausführungsform;
- 12 eine Schnittdarstellung eines der Rückschlagventile aus 1 in einer vierten Ausführungsform;
- 13 eine perspektivische Darstellung eines Anschlagelementes für die Flachspiralfeder aus 2; und
- 14 eine perspektivische Darstellung eines Anschlagelementes für die Flachspiralfeder aus 2.
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1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 einer Brennkraftmaschine, das einen Kraftstoff 12 aus einem Tank 14 über eine Vorförderpumpe 16, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 18 und einen Kraftstoffhochdruckspeicher 20 zu Injektoren 22 fördert, die den Kraftstoff 12 dann in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
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Die Vorförderpumpe 16 transportiert den Kraftstoff 12 aus dem Tank 14 heraus durch einen Niederdruckbereich 24 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 zu einem Druckraum 26 der Kraftstoffhochdruckpumpe 18. In dem Niederdruckbereich 24 ist beispielsweise ein Zumessventil 28 vorgesehen, das aktiv angesteuert werden und somit eine Befüllung des Druckraumes 26 mit Kraftstoff 12 aus dem Niederdruckbereich 24 steuern kann.
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In dem Druckraum 26 bewegt sich ein Pumpenkolben 30 translatorisch auf und ab und verändert dabei periodisch das Volumen des Druckraumes 26, sodass darin befindlicher Kraftstoff 12 verdichtet und somit mit Hochdruck beaufschlagt wird.
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Über ein Auslassventil 32 wird der in dem Druckraum 26 druckbeaufschlagte Kraftstoff 12 dann in einen Hochdruckbereich 34 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 ausgelassen, wo er dann in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 20, dem sogenannten Common-Rail, bis zu einer Einspritzung über die Injektoren 22 in Brennräume der Brennkraftmaschine gespeichert wird.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 weist weiter ein Druckbegrenzungsventil 36 auf, das Kraftstoff 12 aus dem Hochdruckbereich 34 absteuern kann, wenn in dem Hochdruckbereich 34 ein unerwünscht hoher Druck entsteht, beispielsweise bei einer Temperaturerhöhung. Das Druckbegrenzungsventil 36 kann dabei so ausgelegt sein, dass es den Kraftstoff 12 aus dem Hochdruckbereich 34 in den Druckraum 26 zurück absteuert (Weg a)), oder dass es den überschüssigen Kraftstoff 12 zurück in den Niederdruckbereich 24 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 absteuert (Weg b)).
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Wie in 1 zu sehen ist, sind sowohl das Auslassventil 32 als auch das Druckbegrenzungsventil 36 jeweils als Rückschlagventil 38 und damit als passives Ventil ausgeführt, bei denen ein Schließelement 40 von einer Vorspannfeder 42 auf einen Ventilsitz 44 vorgespannt wird.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 bzw. die Kraftstoffhochdruckpumpe 18 weisen für die korrekte Funktionsweise sowie die Erfüllung von kundenspezifischen Anforderungen in der Regel das Auslassventil 32 und das Druckbegrenzungsventil 36 auf. Dabei ist das Auslassventil 32 ein Hochdruckventil, das den Druckanstieg im Druckraum 26 regelt, wobei bei einer Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 30 das Auslassventil 32 öffnet, und Kraftstoff 12 in den Kraftstoffhochdruckspeicher 20 gefördert werden kann. Bei der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 30 schließt das Auslassventil 32, sodass ein Rückfließen des verdichteten Kraftstoffes 12 in den Druckraum 26 verhindert wird. Das Druckbegrenzungsventil 36 verhindert einen zu großen Druckanstieg im Kraftstoffhochdruckspeicher 20. Übersteigt der Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 20 einen bestimmten Wert, so wird über das Druckbegrenzungsventil 36 ein gewisser Volumenstrom entweder in den Druckraum 26 oder in den Niederdruckbereich 24 abgesteuert.
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Bei beiden Rückschlagventilen 38 gilt, dass, wenn die Kraft des Druckes, die von dem Ventilsitz 44 her auf das Schließelement 40 wirkt, größer ist als die Vorspannkraft FV der Vorspannfeder 42 zuzüglich der auf der zum Ventilsitz 44 gegenüberliegenden Seite auf das Schließelement 40 wirkenden Kraft des Druckes, das Schließelement 40 von dem Ventilsitz 44 abhebt, und somit das Rückschlagventil 38 öffnet.
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Bei bislang verwendeten Rückschlagventilen 38 in Kraftstoffeinspritzsystemen 10 wurden als Vorspannfedern 42 für gewöhnlich Zylinderfedern oder Trichterfedern als Druckfedern verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie in der Regel innen oder außen geführt werden müssten und durch eine zwischen Druckfeder und Federführung auftretende Reibung ein mechanischer Verschleiß entstehen kann. Dadurch kann die Druckfeder brechen, und dies kann zu einer Kontamination des Kraftstoffeinspritzsystems 10 mit Partikeln führen. Zusätzlich benötigen solche Druckfedern einen relativ großen Einbauraum in axialer Richtung, das heißt bezüglich ihrer Erstreckungslänge. Daher wird nun vorgeschlagen, statt der üblichen verwendeten Zylinder- bzw. Trichterfedern eine Flachspiralfeder 46 als Vorspannfeder 42 in den Rückschlagventilen 38 zu verwenden.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Rückschlagventiles 38 entsprechend den in 1 gezeigten Rückschlagventilen 38 in einer ersten Ausführungsform, wobei das Rückschlagventil 38 eine Flachspiralfeder 46 als Vorspannfeder 42 aufweist. Die Flachspiralfeder 46 ist dabei an einem Anschlagelement 48 abgestützt, und spannt das Schließelement 40 entlang einer Bewegungsachse 50 auf den Ventilsitz 44 vor.
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Wie in 2 in der Querschnittdarstellung zu erkennen ist, sind die einzelnen Windungen 52 der Flachspiralfeder 46 in einem Querschnitt entlang der Bewegungsachse 50 rechtwinklig ausgebildet, und weisen bezüglich der Bewegungsachse 50 eine axiale Querschnittslänge a und eine radiale Querschnittslänge b auf. Der Übergang von jeweils der axialen Querschnittslänge a zu der radialen Querschnittslänge b und umgekehrt ist dabei vorteilhaft abgerundet ausgebildet. Eine innerste Windung 54 der Flachspiralfeder 46 ist als Führungsbereich 56 ausgebildet, um das Schließelement 40, wenn es vom Ventilsitz 44 abhebt, bei seiner Bewegung entlang der Bewegungsachse 50 zu führen. Der Führungsbereich 56 bildet einen Aufnahmeraum 58 aus, in den in der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform das Schließelement 40 zumindest teilweise hineinragt. Dieser Aufnahmeraum 58 hat einen Durchmesser d, der, wie in 2 zu sehen ist, kleiner ist als die axiale Querschnittslänge a. Dadurch kann eine besonders gute Führung für das Schließelement 40 bereitgestellt werden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung der Flachspiralfeder 46 aus 2. Es ist zu erkennen, dass der Führungsbereich 56 für das Schließelement 40 an der innersten Windung 54 gebildet ist. Dabei ist der Führungsbereich 56 an einer zu dem Schließelement 40 zu richtenden Seite 60 nach innen angefast, wobei die dadurch gebildete Fase 62 eine Konusform aufweist. Alternativ könnte die Fase 62 auch eine Kalottenform ausbilden. Durch die Fase 62 kann das Schließelement 40 sicher in dem Führungsbereich 56 gehalten werden.
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Wie weiter aus der perspektivischen Darstellung in 3 und aus der Draufsicht der Flachspiralfeder 46 in 4 hervorgeht, ist der Führungsbereich 56 als kreisförmiger Führungskreisring 64 ausgebildet, wobei dieser Führungskreisring 64 sich mindestens über einen Winkelbereich von 200° erstreckt, um so eine sichere Führung des Schließelementes 40 zu gewährleisten. Die weiteren Windungen 52 der Flachspiralfeder 46 schließen sich nach außen hin an diesen Führungskreisring 64 an, wobei ein Übergangsbereich 66 vorgesehen ist, der die Kreisform der innersten Windung 54 in die Spiralform der sich daran anschließenden Windungen 52 überführt.
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4 zeigt dabei eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Flachspiralfeder 46 mit lediglich drei Windungen 52.
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In 5 ist eine zweite Ausführungsform der Flachspiralfeder 46 in Draufsicht gezeigt, wobei sechs Windungen 52 vorgesehen sind. Über die Anzahl der Windungen 52 können die Federkonstante und die Vorspannkraft Fv der Flachspiralfeder 46 eingestellt werden. Das bedeutet, bei einem gleichen zur Verfügung stehenden Bauraum für die Flachspiralfeder 46 können unterschiedliche Vorspannkräfte Fv und somit unterschiedliche Öffnungsdrücke des Rückschlagventiles 38 realisiert werden.
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6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Flachspiralfeder 46 in einer Draufsicht. In dieser dritten Ausführungsform weist die Flachspiralfeder 46 an der äußersten Windung 68 eine Lasche 70 auf, mit der die Flachspiralfeder 46 positioniert bzw. fixiert werden kann, insbesondere, indem die Lasche 70 mit einem Gegenlager zusammenwirken kann.
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7 zeigt eine vierte Ausführungsform der Flachspiralfeder 46 in einer perspektivischen Darstellung, wobei die Lasche 70' nicht, wie in 6 einfach als umgebogener Vorsprung am Ende, sondern als eine durch die Windungen 52 definierte Ebene 74 (s. 8) in axialer Richtung überragende Lasche 70' gebildet ist, die außerdem ein Loch aufweist, in das ein entsprechendes Gegenlager eingreifen kann.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung der Flachspiralfeder 46 aus 7. Hier ist zu erkennen, dass die Windungen 52 gemeinsam mit ihren im Querschnitt radialen Flächen 72 die Ebene 74 definieren.
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Insgesamt ist daher die Flachspiralfeder 46 plan ausgebildet. Die Lasche 70' steht über diese Ebene 74 in axialer Richtung über.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform der Flachspiralfeder 46 entsprechend 2, bei der die Flachspiralfeder 46 im Querschnitt entlang der Bewegungsachse 50 nicht plan, sondern konisch ausgebildet ist, weil die benachbarten radialen Flächen 72 der Windungen 52 stufenförmig angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung der Windungen 52 zueinander ist es auch möglich, dass die Flachspiralfeder 46 im Querschnitt parabelförmig ausgebildet sein kann. In 9 wird auch deutlich, dass die radiale Querschnittslänge b der im Querschnitt rechteckig ausgebildeten Windungen 52 deutlich kürzer ist als die axiale Querschnittslänge a, wobei b < 1/2a ist. Dadurch kann eine hohe Federsteifigkeit und somit eine hohe Federrate und Vorspannkraft Fv der Flachspiralfeder 46 realisiert werden. Der Durchmesser d des Aufnahmeraumes 58 ist ebenfalls kleiner als die axiale Querschnittslänge a der Windungen 52, um so eine gute Führung des Schließelementes 40 bzw. eines Führungsstiftes 76 (s. 10) realisieren zu können.
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10 und 11 zeigen eine zweite bzw. eine dritte Ausführungsform des Rückschlagventiles 38 jeweils in einer Schnittdarstellung. In beiden Ausführungsformen weist das Rückschlagventil 38 den Führungsstift 76 auf, der einen Haltebereich 78 für das Schließelement 40 aufweist, und durch den Aufnahmeraum 58 hindurchragt. Durch die große axiale Querschnittslänge a, insbesondere der inneren Windung 54, kann eine besonders gute Führung bzw. Halterung für diesen Führungsstift 76 bereitgestellt werden.
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2, 10 und 11 zeigen unterschiedlich stark konisch ausgebildete Flachspiralfedern 46. Je nachdem, wie stark die Konizität der jeweiligen Flachspiralfeder 46 ist, verändert sich auch die Vorspannkraft Fv, die von der jeweiligen Flachspiralfeder 46 auf das Schließelement 40 aufgebracht werden kann, und somit auch der Öffnungsdruck des jeweiligen Rückschlagventiles 38.
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In den drei Ausführungsformen in 2, 10 und 11 ist das Anschlagelement 48 jeweils als Ring 80 ausgebildet und weist einen Anschlagsvorsprung 82 auf, der ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Der Anschlagsvorsprung 82 ist dabei so an dem Ring 80 angeordnet, dass er lediglich mit der äußersten Windung 68 der Flachspiralfeder 46 in Kontakt ist, mit der sich die Flachspiralfeder 46 an dem Anschlagsvorsprung 82 abstützt.
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12 zeigt eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform des Rückschlagventiles 38, wobei der Anschlagvorsprung 82 nicht als vollständig über 360° umlaufend vorgesehen ist, sondern lediglich ein Teilringsegment 84 bildet. In 13 ist das Anschlagelement 48 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Dadurch, dass die Flachspiralfeder 46 sich nur an diesem Anschlagvorsprung 82 abstützt, ist es möglich, die Vorspannkraft FV gezielt über diesen Anschlagvorsprung 82, der lediglich ein Teilringsegment 84 bildet, einzustellen. Denn wird das Anschlagelement 48 um die Bewegungsachse 50 gedreht, kommt der als Teilringsegment 84 ausgebildete Anschlagsvorsprung 82 an verschiedenen Stellen mit der äußersten Windung 68 in Kontakt und erhöht die Steifigkeit der Flachspiralfeder 46, wenn er weiter nach innen gedreht wird bzw. er verringert die Steifigkeit der Flachspiralfeder 46, wenn er weiter nach außen gedreht wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorspannkraft FV der Flachspiralfeder 46 gezielt einzustellen.
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14 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung des Anschlagelementes 48 in der Form ähnlich eines Sprengringes 86, wobei das Anschlagelement 48 wieder ein Ring 80 ist, der jedoch eine Aussparung 88 aufweist, sodass ein Teilsegment des Ringes 80 fehlt. Wie auch bei der Ausführungsform in 13 kann diese Aussparung 88 dazu genutzt werden, die Vorspannkraft FV der Flachspiralfeder 46 gezielt einzustellen. Zusätzlich kann die Aussparung 88 aber auch genutzt werden, das Anschlagelement 48 und die Flachspiralfeder 46 so zueinander zu positionieren, dass beim Federn der Flachspiralfeder 46 der Bereich der Flachspiralfeder 46, der nach innen gesehen über den Innendurchmesser des Anschlagelementes 48 ragt, nicht an der Kante des Anschlagelementes 48 reibt, sondern sich stattdessen in diesem fehlenden Segment, das heißt in der Aussparung 88, des Anschlagelementes 48 befindet.
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In allen Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben worden sind, ist der Führungsbereich 56 konzentrisch zu einer Ventillängsachse 90, das heißt zu einer Achse des Ventilsitzes 44, angeordnet.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass der Führungsbereich 56 exzentrisch zu der Ventillängsachse 90 vorgesehen wird, was bei der Verwendung der Flachspiralfeder 46 im Gegensatz zu einer üblichen Druckfeder problemlos möglich ist.
