-
Die Erfindung betrifft ein Wegeventil zur Steuerung des Hubs eines Pumpenkolbens einer Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Die Kolbenpumpe kann insbesondere in einer Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe zum Einsatz gelangen. Bei dem kryogenen Kraftstoff kann es sich Beispielsweise um Erdgas („Natural Gas“ = NG) handeln, das an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betreiben einer Brennkraftmaschine in flüssiger Form („Liquefied Natural Gas“ = LNG) in einem speziell dafür ausgelegten Tank bevorratet wird. Mit Hilfe der Kraftstofffördereinrichtung wird der Kraftstoff dem Tank entnommen und anschließend mit Hochdruck beaufschlagt.
-
Stand der Technik
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2017 222 202 A1 ist bereits eine Kraftstofffördereinrichtung für kryogene Kraftstoffe mit einer Kolbenpumpe zur Förderung des kryogenen Kraftstoffs auf Hochdruck bekannt. Die Kolbenpumpe weist hierzu einen hin und her beweglichen Pumpenkolben auf, der einerseits einen Kompressionsraum und andererseits einen mit einem hydraulischen Druckmittel beaufschlagbaren Antriebsraum begrenzt, der in zwei Kammern unterteilt ist. Über ein in die Kolbenpumpe integriertes 4/2-Wegeventil können beide Kammern gegengleich mit Hochdruck beaufschlagt bzw. entlastet werden. Auf diese Weise kann der Pumpenkolben allein über den anliegenden hydraulischen Druck in Förderrichtung bewegt sowie in seine Ausgangslage zurückgestellt werden.
-
Das aus der
DE 10 2017 222 202 A1 bekannte 4/2-Wegeventil weist einen in einer Hülse hin und her beweglich aufgenommenen Schieberkolben mit zwei außenumfangseitig angeordneten ringförmigen Strömungskanälen auf, die in axialer Richtung jeweils von Ringflächen angrenzender Führungsabschnitte begrenzt werden. In Abhängigkeit von der axialen Lage des Schieberkolbens wird ein Strömungskanal mit Hochdruck beaufschlagt und der jeweils andere Strömungskanal entlastet. Da jeder Strömungskanal mit einer der beiden Kammern des Antriebsraums kommuniziert, können somit die beiden Kammern gegengleich mit Hochdruck beaufschlagt bzw. entlastet werden, und das im Wechsel.
-
Im Betrieb eines derartigen 4/2-Wegeventils hat sich gezeigt, dass beim Umschalten des Ventils aufgrund der hohen Volumenströme an den jeweiligen Steuerkanten des Ventilkolbens neben den gewünschten axialen Stellkräfte gegengleich wirkende Stellkräfte erzeugt werden, welche die Dynamik des Ventilkolbens beim Umschalten negativ beeinflussen. Die Folge ist eine unerwünschte Streuung der Schaltzeiten. Der Effekt ist darauf zurückzuführen, dass sich an den Strömungskanälen jeweils zwei Ringflächen gegenüberliegen. Auf diese Ringflächen wirkt eine Axialkraft, die sich durch den jeweils anliegenden statischen Druck und die Größe der Fläche ergibt. Während an der sich öffnenden Steuerkante eine hohe radiale Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht, ist an der gegenüberliegenden, bereits geschlossenen Steuerkante die Strömungsgeschwindigkeit sehr niedrig. Der statische Druck an der sich öffnenden Steuerkante ist demzufolge gering und an der bereits geschlossenen Steuerkante vergleichsweise hoch. Dies hat zur Folge, dass auf beide Ringflächen unterschiedliche und einander entgegengesetzte Axialkräfte wirken. Dies gilt es zu vermeiden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen bzw. eine Streuung der Schaltzeiten zu verhindern.
-
Zur Lösung der Aufgabe werden das Wegeventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das vorgeschlagene Wegeventil, das insbesondere zur Steuerung des Hubs eines Pumpenkolbens einer Kolbenpumpe einsetzbar ist, weist einen in einer Hülse axial verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben mit mindestens zwei Führungsabschnitten und einem zwischen den Führungsabschnitten angeordneten ringförmigen Strömungskanal auf. Der Strömungskanal wird in axialer Richtung durch Ringflächen der Führungsabschnitte begrenzt, die Steuerkanten zum Freigeben und Verschließen von in der Hülse ausgebildeten Radialbohrungen ausbilden. Erfindungsgemäß liegt jeder Ringfläche eines Führungsabschnitts eine Ringfläche eines am Ventilkolben ausgebildeten Ringbunds gegenüber, mittels welcher der Durchfluss durch mindestens eine weitere in der Hülse ausgebildete Radialbohrung steuerbar ist, so dass in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens ein erster über sich gegenüberliegende Ringflächen führender Strömungsweg oder ein zweiter über sich gegenüberliegende Ringflächen führender Strömungsweg freigegeben ist.
-
Um den Durchfluss durch die mindestens eine weitere Radialbohrung zu steuern, ist der am Ventilkolben ausgebildete zusätzliche Ringbund auf Höhe der mindestens einen weiteren Radialbohrung angeordnet, und zwar in der Weise, dass in beiden Endlagen des Ventilkolbens die mindestens eine weitere Radialbohrung einen Strömungsquerschnitt freigibt, um weiterhin die gewünschte Hochdruckbeaufschlagung bzw. Entlastung des Strömungskanals bewirken zu können. Die Lage und Dimensionierung der mindestens einen weiteren Radialbohrung ist zudem derart gewählt, dass mit Hilfe der am Ringbund ausgebildeten Ringfläche der Strömungsquerschnitt verändert, insbesondere gedrosselt, werden kann. Auf diese Weise erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich dieser Ringfläche bzw. im Bereich der an dieser Ringfläche ausgebildeten Steuerkante. Dies wiederum hat den Effekt, dass der an dieser Ringfläche anliegende statische Druck sinkt und sich die der eigentlichen axialen Stellkraft entgegenwirkende Axialkraft verringert. Im Ergebnis wird somit eine Strömungskraftkompensation erzielt, die eine Streuung der Schaltzeiten des Wegeventils verhindert.
-
Die zur Strömungskraftkompensation vorgeschlagene mindestens eine weitere in der Hülse ausgebildete Radialbohrung kann zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Radialbohrungen oder eine Radialbohrung mit einem länglichen Querschnitt umfassen. Der Begriff „Radialbohrung“ ist demnach nicht auf Bohrungen mit kreisrundem Querschnitt beschränkt, sondern umfasst auch solche, die beispielsweise einen Querschnitt in Form eines Langlochs aufweisen. Die Längsachse des länglichen Querschnitts verläuft dabei in axialer Richtung, das heißt parallel zur Bewegungsrichtung des Ventilkolbens. Da eine Radialbohrung mit kreisrundem Querschnitt in der Regel einfacher zu fertigen ist, wird die Lösung mit zwei in einem axialen Abstand zueinander angeordneten Radialbohrungen bevorzugt.
-
Des Weiteren bevorzugt sind die Radialbohrungen der Hülse und der Strömungskanal des Ventilkolbens in der Weise miteinander verschaltet, dass in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens der erste Strömungsweg mit einer Niederdruckleitung oder der zweite Strömungsweg mit einer Hochdruckleitung verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Antriebsraum der Kolbenpumpe abwechselnd mit Hochdruck beaufschlagt und entlastet werden.
-
Um die gewünschte Strömungskraftkompensation zu optimieren, wird vorgeschlagen, dass die sich jeweils gegenüberliegenden Ringflächen im Bereich eines Strömungswegs im Wesentlichen gleich groß sind.
-
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die sich jeweils gegenüberliegenden Ringflächen geneigt sind, und zwar gegengleich, so dass der Strömungskanal sich nach radial außen weitet. Über die geneigten Ringflächen kann die Umleitung der Strömung verbessert und damit eine Optimierung der Strömung erreicht werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wegeventil hydraulisch vorgesteuert. In diesem Fall muss nur ein Hydraulikmedium vorgehalten bzw. jeweils nur ein Anschluss an eine Hochdruckleitung und an eine Niederdruckleitung eines Hydraulikkreises vorgesehen werden. Alternativ kann das Wegeventil direkt gesteuert sein, beispielsweise mit Hilfe eines elektromagnetischen Aktors. In diesem Fall müssen entsprechende elektrische Anschlüsse vorgesehen werden, die bei der hydraulischen Vorsteuerung entfallen können.
-
Das vorgeschlagene Wegeventil kann insbesondere als 3/2-Wegeventil oder als 4/2-Wegeventil ausgeführt sein. Im Falle eines 3/2-Wegeventils kann insbesondere der Förderhub eines Pumpenkolbens einer Kolbenpumpe hydraulisch bewirkt werden, während die Rückstellung des Pumpenkolbens mit anderen Mitteln, beispielsweise mechanisch mit Hilfe einer Feder, bewirkt wird. Im Falle eines 4/2-Wegeventils können zwei Kammern eines Antriebsraums abwechselnd mit Hochdruck beaufschlagt und entlastet werden, so dass nicht nur der Förderhub des Pumpenkolbens, sondern auch seine Rückstellung hydraulisch bewirkt werden können.
-
Das das vorgeschlagene Wegeventil vorzugsweise in einer Kolbenpumpe zum Steuern des Hubs eines Pumpenkolbens zum Einsatz gelangt, wird ferner Kolbenpumpe für eine Kraftstofffördereinrichtung vorgeschlagen, die einen hubbeweglichen Pumpenkolben sowie ein erfindungsgemäßes Wegeventil zur Steuerung des Hubs des Pumpenkolbens umfasst. Der Pumpenkolben begrenzt dabei einen Antriebsraum, der mit Hilfe des Wegeventils abwechselnd mit Hochdruck beaufschlagbar und entlastbar ist.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Pumpenkolben über einen ringförmigen Absatz einen Ringraum begrenzt, der mit Hilfe des Wegeventils gegengleich zum Antriebsraum abwechselnd mit Hochdruck beaufschlagbar und entlastbar ist. Der Ringraum bildet demnach ebenfalls einen Antriebsraum bzw. eine zweite Kammer des Antriebsraums aus. Somit kann nicht nur der Förderhub des Pumpenkolbens hydraulisch bewirkt werden, sondern auch seine Rückstellung.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wegeventil in einer ersten Schaltstellung,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch das Wegeventil der 1 in einer zweiten Schaltstellung, und
- 3 eine schematische Darstellung einer Kraftstofffördereinrichtung, umfassend eine Kolbenpumpe, in die das Wegeventil der 1 und 2 integriert ist.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Das in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Wegeventil 1 ist als 4/2-Wegeventil ausgeführt. Es steuert die Bewegung eines Pumpenkolbens 2 einer Kolbenpumpe 3, die weiter unten anhand der 3 näher erläutert wird. Das Wegeventil 1 ist hierzu in die Kolbenpumpe 3 integriert bzw. an diese angebaut. Ferner ist das Wegeventil 1 hydraulisch vorgesteuert.
-
Das dargestellte Wegeventil 1 umfasst eine Hülse 4 und einen in der Hülse 4 axial verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben 5, der in einem unteren Außenumfangsbereich einen ersten ringförmigen Strömungskanal 8 ausbildet. Ein weiterer Strömungskanal 8' ist in einem oberen Außenumfangsbereich angeordnet. Der Strömungskanal 8 ist einem Antriebsraum 24 der Kolbenpumpe 3 zugeordnet und der Strömungskanal 8' einem Ringraum 26, der durch einen Absatz 25 des Pumpenkolbens 2 begrenzt wird (siehe 3). Da die Volumenströme in den Strömungskanal 8' bzw. aus dem Strömungskanal 8' deutlich geringer als die Volumenströme in den Strömungskanal 8 bzw. aus dem Strömungskanal 8 sind, können die vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erzielung einer Strömungskraftkompensation - wie dargestellt - auf den unteren Strömungskanal 8 beschränkt werden.
-
Die Maßnahmen zur Erzielung einer Strömungskraftkompensation sehen einen zusätzlichen Ringbund 17 am Ventilkolben 5 vor, so dass der Strömungskanal 8 in einen ersten Kanalabschnitt 8.1 und einen zweiten Kanalabschnitt 8.2 unterteilt wird. Die beiden Kanalabschnitte 8.1, 8.2 werden andernends jeweils durch einen Führungsabschnitt 6, 7 des Ventilkolbens 5 begrenzt. Dem Ringbund 17 liegen zwei in der Hülse 4 ausgebildete Radialbohrungen 18, 19 gegenüber. Der axiale Abstand zwischen den beiden Radialbohrungen 18, 19 ist derart gewählt, dass mit Hilfe zweier am Ringbund 17 ausgebildeter Ringflächen 15, 16 der Durchfluss durch die beiden Radialbohrungen 18, 19 steuerbar ist. Den beiden Ringflächen 15, 16 des Ringbunds 17 wiederum liegt jeweils eine Ringfläche 9, 10 der angrenzenden Führungsabschnitte 6, 7 gegenüber, wobei die Ringflächen 9, 10 Steuerkanten 11, 12 zum Freigeben und Verschließen von Radialbohrungen 13, 14 dienen, die ebenfalls in der Hülse 4 ausgebildet sind. Während die Radialbohrung 13 an eine Niederdruckleitung 22 angeschlossen ist, ist die Radialbohrung 14 mit einer Hochdruckleitung 23 verbunden. In Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens 5 in Bezug auf die Hülse 4 kann demnach der Strömungskanal 8 mit Hochdruck beaufschlagt oder entlastet werden. Entsprechend wird der Antriebsraum 24 mit Hochdruck beaufschlagt oder entlastet.
-
1 zeigt das Wegeventil 1 in einer Schaltstellung, in welcher der Strömungskanal 8 und der Antriebsraum 24 jeweils mit Hochdruck beaufschlagt werden. Die Hochdruckbeaufschlagung des Antriebsraums 24 hat einen Förderhub des Pumpenkolbens 2 zur Folge. Beim Umschalten in die dargestellte Schaltstellung bewegt sich der Ventilkolben 5 aus einer unteren Endlage in eine obere Endlage, so dass die Steuerkante 11 die Radialbohrung 13 schließt und die Steuerkante 12 die Radialbohrung 14 öffnet. Über die Hochdruckleitung 23 und die Radialbohrung 14 strömt somit ein Hydraulikmedium in den Strömungskanal 8 ein, so dass an der Steuerkante 12 hohe Volumenströme herrschen. Der an der zugehörigen Ringfläche 10 anliegende statische Druck ist dementsprechend niedrig. Erst wenn der Pumpenkolben 2 seinen Förderhub beendet bzw. seine Endstellung erreicht hat, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit an der Steuerkante 12 ab. Auf die den Strömungskanal 8 andernends begrenzende Ringfläche 9 wirkt demgegenüber - aufgrund der geschlossenen Radialbohrung 13 - ein hoher statischer Druck, der eine unerwünschte axiale Gegenkraft erzeugt. Diese Gegenkraft kann jedoch mit Hilfe der vorgeschlagenen Strömungskraftkompensation ausgeglichen werden, so dass die Dynamik des Ventilkolbens 5 nicht negativ beeinflusst wird.
-
Die Strömungskraftkompensation wird mit Hilfe der am Ringbund 17 ausgebildeten Ringflächen 15, 16 bewirkt. Bewegt sich der Ventilkolben 5 - wie in der 1 dargestellt - nach oben, drosselt die am Ringbund 17 ausgebildete Ringfläche 16 den Durchfluss durch die Radialbohrung 19, so dass die Strömungsgeschwindigkeit steigt und der an der Ringfläche 16 anliegende statische Druck abnimmt (siehe Strömungsweg 21). Demgegenüber nimmt der an der Ringfläche 15 anliegende statische Druck zu und erzeugt eine Kraft, die entgegengesetzt zur unerwünschten Gegenkraft an der Ringfläche 9 wirkt, so dass diese kompensiert wird.
-
Nach dem Umschalten des Wegeventils 1 bewegt sich der Ventilkolben 5 - wie in der 2 dargestellt - nach unten und die Steuerkante 12 schließt die Radialbohrung 14. Demgegenüber öffnet die Steuerkante 11 die Radialbohrung 13, während die am Ringbund 17 ausgebildete Ringfläche 15 den Durchfluss bzw. Volumenstrom durch die Radialbohrung 18 drosselt (siehe Strömungsweg 20). Damit sinkt der an der Ringfläche 15 anliegende statische Druck, während der an der Ringfläche 16 anliegende statische Druck ansteigt und somit eine Axialkraft erzeugt, mittels welcher eine über die Ringfläche 10 bewirkte unerwünschte Gegenkraft kompensiert wird.
-
Bei der vorgeschlagenen Strömungskraftkompensation wirken demnach immer zwei sich gegenüberliegende Ringflächen als Paar zusammen. Vorliegend bilden die Ringflächen 9 und 15 ein erstes Paar und die Ringflächen 16 und 10 ein zweites Paar aus. Da die Ringflächen gleich groß sind und an den sich jeweils gegenüberliegenden Ringflächen im Wesentlichen stets der gleiche statische Druck anliegt, heben sich die auf die Ringflächen wirkenden hydraulischen Kräfte gegenseitig auf.
-
Das in den 1 und 2 dargestellte Wegeventil 1 kann insbesondere in einer Kolbenpumpe 3 einer Kraftstofffördereinrichtung zum Einsatz gelangen, wie sie beispielhaft in der 3 dargestellt ist.
-
Die in der 3 dargestellte Kolbenpumpe 3 umfasst einen hin und her beweglichen Pumpenkolben 2, der einenends den Antriebsraum 24 und andernends einen Kompressionsraum 28 begrenzt. Der Kompressionsraum 28 ist über ein Einlassventil 29 mit einem kryogenen Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas befüllbar. Im Kompressionsraum 28 vorhandener Kraftstoff wird während eines Förderhubs des Pumpenkolbens 2 verdichtet und anschließend über ein Rückschlagventil 30 abgeführt. Um den Förderhub des Pumpenkolbens 2 zu bewirken, wird der Antriebsraum 24 über das Wegeventil 1 mit einer Hochdruckleitung 23 eines Hydraulikkreises 31 verbunden. Dieser umfasst neben einer Hydraulikpumpe 32 und einen Tank 33 für das Hydraulikmedium einen in der Hochdruckleitung 23 angeordneten Zwischenspeicher 34 sowie eine Rücklaufleitung 35, die von der Kolbenpumpe 3 zurück in den Tank 33 führt. An die Rücklaufleitung 35 ist eine Niederdruckleitung 22 angeschlossen, mit welcher der Antriebsraum 24 verbunden wird, um nach einem Förderhub die Rückstellung des Pumpenkolbens 2 zu ermöglichen. Denn über den Anschluss des Antriebsraums 24 an die Niederdruckleitung 22 wird dieser entlastet. Zugleich wird über das Wegeventil 1 eine Verbindung des Ringraums 26 mit der Hochdruckleitung 23 hergestellt, so dass der Druck im Ringraum 26 steigt und den Pumpenkolben 2 in seine Ausgangslage zurückstellt.
-
Das Wegeventil 1 der dargestellten Kolbenpumpe 3 ist hydraulisch vorgesteuert. Hierzu liegt stirnseitig am Ventilkolben 5 ein Vorsteuerkolben 27 an, der andernends einen Steuerraum 36 begrenzt. Durch Schalten eines Steuerventils 37 kann der Steuerraum 36 wahlweise mit der Niederdruckleitung 22 oder der Hochdruckleitung 23 verbunden werden. Da der Vorsteuerkolben 27 einen größeren Durchmesser als der Ventilkolben 5 aufweist, vermag der Vorsteuerkolben 27 den Ventilkolben 5 entgegen den andernends am Ventilkolben 5 anliegenden Hochdruck nach unten zu drücken.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017222202 A1 [0003, 0004]
