DE10247774A1 - Volumetric flow regulating valve, has control geometry formed in control piston outer surface so different gradients of valve characteristic result depending on position of control piston - Google Patents

Volumetric flow regulating valve, has control geometry formed in control piston outer surface so different gradients of valve characteristic result depending on position of control piston Download PDF

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Abstract

The volumetric flow regulating valve has a control piston in a valve housing movable against the force of a restoring spring from a first end position into a second end position. The control piston is a staged piston, flow passes around its exterior and control geometry is formed in its outer surface (7) so that different gradients of the valve characteristic result depending on the position of the control piston.

Description

Die Erfindung betrifft ein Volumenstromregelventil.The invention relates to a volume flow control valve.

Solche Volumenstromregelventile werden insbesondere zur Regelung des Kraftstoffvolumenstroms im Zulauf zu einer Hochdruckpumpe, die Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine fördert eingesetzt. Das Volumenstromregelventil muss zum einen gewährleisten, dass ständig genügend Kraftstoff entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Zum anderen soll jedoch nicht übermäßig viel Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gepumpt werden, da der überschüssige Kraftstoff über ein Hochdruckventil in den Tank der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird und somit zu einer Erwärmung des Kraftstoffes im Tank führt. Zudem verringert sich durch das Verdichten von nicht benötigtem Kraftstoff der Wirkungsgrad des Einspritzsystems.Such volume flow control valves are particularly to regulate the fuel volume flow in the inlet to a high pressure pump, the fuel in a high-pressure accumulator of a common rail injection system promotes an internal combustion engine used. On the one hand, the volume flow control valve must ensure that constantly enough Fuel according to the operating conditions of the internal combustion engine to disposal stands. On the other hand, there should not be excessive fuel in the High pressure accumulators are pumped because the excess fuel is over one High pressure valve is returned to the tank of the internal combustion engine and thus to warming of fuel in the tank. It also reduces fuel consumption by compressing it the efficiency of the injection system.

Aus der DE 38 38 914 A1 ist bereits ein Ventil, insbesondere zur Zumessung von Kraftstoff in einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine bekannt. Das Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung. In dem Ventilgehäuse ist ein Steuerkolben mit einer Steuernut bewegbar gelagert. Der Steuerkolben wird über einen Stellmechanismus gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegt. Je nach Lage des Kolbens ist die Auslassöffnung geschlossen oder es wird vom Kolben ein mehr oder wenig großer Durchtrittsquerschnitt in der Auslassöffnung freigegeben. Der Kraftstoff fließt bei einer zumindest teilweise freigegebenen Auslassöffnung von der Einlassöffnung über die Steuernut zum Auslass. Die Steuernut ist durch eine rotationssymmetrische Eindrehung im Steuerkolben ausgebildet. Aufgrund der Form des Steuerkolbens ergibt sich ein linearer Verlauf der Ventilkennlinie. Als Kennlinie wird hierbei das Verhältnis von An steuersignal oder Kolbenhub zum Volumenstrom bezeichnet. Für Common-Rail-Einspritzsysteme wird allerdings häufig eine Kennlinie gewünscht, die bei geringen Werten des Ansteuersignals einen flachen Kennlinienverlauf und bei höheren Werten des Ansteuersignals einen steileren Kennlinienverlauf ermöglicht. Dies lässt sich mit dem üblichen Volumenstromregelventil nicht realisieren.From the DE 38 38 914 A1 A valve is already known, in particular for metering fuel in an injection system of an internal combustion engine. The valve consists of a valve housing with an inlet and an outlet opening. A control piston with a control groove is movably mounted in the valve housing. The control piston is moved via an adjusting mechanism against the force of a return spring. Depending on the position of the piston, the outlet opening is closed or the piston opens a more or less large passage cross section in the outlet opening. When the outlet opening is at least partially released, the fuel flows from the inlet opening via the control groove to the outlet. The control groove is formed by a rotationally symmetrical screwing in the control piston. Due to the shape of the control piston, the valve characteristic curve is linear. The ratio of the control signal or piston stroke to the volume flow is referred to as the characteristic curve. For common-rail injection systems, however, a characteristic curve is often desired which enables a flat characteristic curve with low values of the control signal and a steeper characteristic curve curve with higher values of the control signal. This cannot be achieved with the usual volume flow control valve.

Um zwei unterschiedliche Steigungen in der Ventilkennlinie zu erreichen wir in der DE 100 23 621 A1 vorgeschlagen, einen innen durchströmten, hülsenförmigen Steuerkolben vorzusehen, in den eine gestufte Steuergeometrie eingebracht wird. Das Einbringen einer derart ausgebildeten Steuergeometrie in den hülsenförmigen Steuerkolben ist allerdings fertigungstechnisch problematisch. Schwierigkeiten ergeben sich auch beim Entgraten der Steuergeometrie, da sich diese im inneren Steuerkolben befindet und nur schwer zugänglich ist.In order to achieve two different gradients in the valve characteristic we are in the DE 100 23 621 A1 proposed to provide a sleeve-shaped control piston with internal flow, into which a stepped control geometry is introduced. However, the introduction of such a control geometry into the sleeve-shaped control piston is problematic in terms of production technology. Difficulties also arise when deburring the control geometry, since it is located in the inner control piston and is difficult to access.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Volumenstromregelventil bereitzustellen, das einfach und kostengünstig zu fertigen ist und das unterschiedlich Steigungen der Ventilkennlinie ermöglicht.The object of the invention is therefore, to provide a flow control valve that is simple and economical is to be manufactured and that different slopes of the valve characteristic allows.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The task is solved by the characteristics of the independent Claim. Advantageous embodiments of the invention are in the subclaims characterized.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuerkolben als Stufenkolben ausgebildet ist, der außen umströmt wird und in seiner Mantelfläche eine Steuergeometrie aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sich in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens unterschiedliche Steigungen in der Ventilkennlinie ergeben. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass auch komplizierteste Steuergeometrien beispielsweise durch Fräsen einfach in die Mantelfläche des Stufenkolbens eingebracht werden können. Ein Entgraten der Steuergeometrie ist problemlos möglich, da sich die Kante an der Mantelfläche des Steuerkolbens befindet und hierdurch gut zugänglich ist. Durch das einfache Herstellen auch komplizierter Steuergeometrien lassen sich kostengünstig unterschiedlichste Ventilkennlinien realisieren. Der Ein- und Auslass kann durch einfache und preiswerte Bohrungen in das Ventilgehäuse hergestellt werden.The invention is characterized by this from that the control piston is designed as a stepped piston, the Outside flows around and in its outer surface has a control geometry which is designed such that yourself in dependence different slopes in the position of the control piston Valve characteristic curve result. The advantage of the invention is that even the most complicated control geometries are possible mill simply in the outer surface of the stepped piston can be introduced. Deburring the control geometry is easily possible because the edge is on the outer surface of the control piston and thus easily accessible is. By simply manufacturing even complex control geometries can be inexpensive Realize a wide variety of valve characteristics. The inlet and outlet can be made through simple and inexpensive holes in the valve housing become.

Da sich die Steigung der Ventilkennlinie allein durch die Steuergeometrie ergibt, kann der Kolbenhub proportional zum Ansteuersignal erfolgen. Ein proportionaler Zusammenhang zwischen Kolbenhub und Ansteuersignal lässt sich mit einfachen und kostengünstigen Stellgliedern beispielsweise einem elektromagnetischem Stellglied erreichen.Because the slope of the valve characteristic The piston stroke can be proportional solely by the control geometry to the control signal. A proportional relationship between Piston stroke and control signal leaves deal with simple and inexpensive Actuators, for example, an electromagnetic actuator to reach.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Abströmgeometrie mehrfach radial über den Umfang verteilt in den Steuerkolben einzubringen. Hierdurch lässt sich der Durchfluss erhöhen und zusätzlich werden die Radialkräfte auf den Ventilkolben reduziert.A preferred embodiment of the Invention provides for the outflow geometry several times over radially distribute the circumference distributed in the control piston. hereby let yourself increase the flow and additionally are the radial forces reduced to the valve piston.

Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is explained below with reference to the schematic drawings. It shows:

1a einen Längsschnitt durch das Volumenstromregelventil 1a a longitudinal section through the volume flow control valve

1b einen weiteren Längsschnitt durch das Volumenstromregelventil, wobei die Schnittebene radial um 90° versetzt zu l liegt. 1b a further longitudinal section through the volume flow control valve, the sectional plane being offset radially by 90 ° l lies.

2 eine typische Ventilkennlinie des Volumenstromregelventils 2 a typical valve characteristic of the volume flow control valve

1a zeigt einen Längsschnitt durch das Volumenstromregelventil 1. Das Volumenstromregelventil besteht im wesentlichen aus dem Ventilgehäuse 10, dem Steuerkolben 2 sowie der Rückstellfeder 4. Das Ventilgehäuse 10 weist einen Einlass 12 und einen Auslass 13 auf, die radial in das Ventilgehäuse 10 eingebracht sind. In axialer Richtung ist das Ventilgehäuse 10 mit einer Gleitbohrung 18 versehen, in der der Steuerkolben 2 axial beweglich geführt ist. In Höhe des Einlasses 12 ist am Innenumfang des Ventilgehäuses eine Einlassnut 16 eingedreht. Der Steuerkolben 2 ist als Stufenkolben ausgebildet. Zwischen einem ersten Endbereichen 28 und einem zweiten Endbereich 29 des Steuerkolbens 2 ist eine Steuernut 15 in den Steuerkolben 2 eingedreht. Die Abströmgeometrie 8 weist eine erste Steuerkante 19 eine zweite Steuerkante 20 und eine dritte Steuerkante 34 auf, durch die ein erster Durchströmungsquerschnitt 21 und ein zweiter Durchströmungsquerschnitt 22 begrenzt werden. In 1 b sind die beiden Durchströmungsquerschnitte 21, 22 durch die gestrichelten Lienen gekennzeichnet. Zur Aufnahme der Rückstellfeder 4 weist der Steuerkolben 2 in seinem ersten Endbereich 28 eine Federaufnahmebohrung 24, die als Sacklochbohrung ausgebildet ist, auf. Die Rückstellfeder 4 stützt sich auf der einen Seite an der Stirnseite der Federaufnahmebohrung 24 und auf der Gegenseite in einem Federteller 25 ab, der in das Ventilgehäuse 10 vorzugsweise durch Einpressen eingesetzt ist. Der Steuerkolben 2 wird durch ein Stellglied 11 und ein Übertragungsglied 27 gegen die Kraft der Rückstellfeder 4 verschoben. Als Stellglied eignet sich beispielsweise eine elektromagnetisches, mechanisches, hydraulisches oder pneumatisches Verstellglied. Das Verstellglied ermöglicht vorzugsweise einen proportionalen Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal und dem Kolbenhub. 1a shows a longitudinal section through the volume flow control valve 1 , The volume flow rule valve consists essentially of the valve housing 10 , the control piston 2 and the return spring 4 , The valve housing 10 has an inlet 12 and an outlet 13 on that radially into the valve body 10 are introduced. The valve housing is in the axial direction 10 with a slide hole 18 provided in the control piston 2 is guided axially movable. At the entrance 12 is an inlet groove on the inner circumference of the valve housing 16 screwed. The control piston 2 is designed as a stepped piston. Between a first end area 28 and a second end region 29 of the control piston 2 is a tax groove 15 in the control piston 2 screwed. The outflow geometry 8th has a first control edge 19 a second control edge 20 and a third control edge 34 through which a first flow cross-section 21 and a second flow cross-section 22 be limited. In 1 b are the two flow cross-sections 21 . 22 identified by the dashed lines. To accommodate the return spring 4 points the control piston 2 in its first end area 28 a spring receiving hole 24 , which is designed as a blind hole, on. The return spring 4 is supported on one side at the front of the spring mounting hole 24 and on the opposite side in a spring plate 25 starting in the valve body 10 is preferably used by pressing. The control piston 2 is controlled by an actuator 11 and a transmission member 27 against the force of the return spring 4 postponed. An electromagnetic, mechanical, hydraulic or pneumatic adjusting element is suitable as an adjusting element, for example. The adjusting member preferably enables a proportional relationship between the control signal and the piston stroke.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des Volumenstromregelventils beschrieben. In der dargestellten Ausgangsstellung (1a), die einer ersten Endstellung des Steuerkolbens 2 entspricht, ist der Einlass 12 zunächst vom Steuerkolben 2 vollständig verschlossen, so dass keine Flüssigkeit durch das Volumenstromregelventil fließen kann.The operation of the volume flow control valve is described below. In the starting position shown ( 1a ) that a first end position of the control piston 2 is the entrance 12 first from the control piston 2 completely closed so that no liquid can flow through the volume flow control valve.

Erhält das Stellglied 11 ein Stellsignal, so verschiebt es den Steuerkolben 2 mit Hilfe des Übertragungsglied 27 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 4. Der Steuerkolben bewegt sich aus seiner ersten Endstellung 5 heraus in Richtung einer zweiten Endstellung 6, die sich in 1a links von der ersten Endstellung befindet. Der Steuerkolben 2 legt zunächst, ausgehend von seiner ersten Endstellung, eine Hublänge s1 ( 1 b) zurück, bei der der Steuerkolben 2 den Einlass 12 weiterhin vollständig verschließt. Nachdem der Steuerkolben 2 die Hublänge s1 zurückgelegt hat kommt es zu einer Überschneidung der ersten Steuerkante 19, der Abströmgeometrie 8 im Steuerkolben 2, mit der Einlasskante 30 der Einlassnut 16 im Ventilgehäuse 10. In Abhängigkeit von dem Wert des Stellsignals wird zunächst ein erster Durchströmungsquerschnitt 21 und nachfolgend zusätzlich der zweite Durchströmungsquerschnitt 22 freigegeben. Die Flüssigkeit strömt vom Einlass 12, durch die Einlassnut 16, die Abströmgeometrie 8, die Steuernut 15 zum Auslass 13.Receives the actuator 11 an actuating signal, it shifts the control piston 2 with the help of the transmission link 27 against the spring force of the return spring 4 , The control piston moves from its first end position 5 out towards a second end position 6 that are in 1a to the left of the first end position. The control piston 2 first, starting from its first end position, sets a stroke length s1 ( 1 b) back at which the control piston 2 the entrance 12 still completely closed. After the control piston 2 stroke length s1, the first control edge overlaps 19 , the outflow geometry 8th in the control piston 2 , with the inlet edge 30 the inlet groove 16 in the valve housing 10 , Depending on the value of the control signal, a first flow cross-section is first 21 and subsequently the second flow cross-section 22 Approved. The liquid flows from the inlet 12 , through the inlet groove 16 who have favourited Outflow Geometry 8th who have favourited Tax Groove 15 to the outlet 13 ,

Die Abströmgeometrie 8 ist in dem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass ein erster und ein zweiter Durchströmungsquerschnitt 21, 22 entsteht. Die beiden Durchströmungsquerschnitte 21, 22 gehen ineinander über, wobei der Übergang durch die zweite Steuerkante 20 gekennzeichnet ist. Aufgrund der geringeren Breite des ersten Durchströmungsquerschnitt 21 ist die Querschnittszunahme im Bereich des ersten Durchströmungsquerschnitt 21 bezogen auf den Kolbenhub geringer als im Bereich des zweiter Durchströmungsquerschnitt 22. Dieses Verhalten veranschaulicht die in 2 dargestellte Ventilkennlinie. Aufgetragen ist dabei der Volumenstrom Q über dem Ansteuerstrom I. Bei sehr niedrigem Ansteuerstrom I, d.h. bei kleinem Kolbenhub, bleibt die Einlassnut 16 noch vollständig verschlossen, so dass keine Flüssigkeit durch das Volumenstrom regelventil fließt. Mit steigendem Anstreuerstrom wird der Steuerkolben 2 weiter nach links gegen die Kraft der Rückstellfeder 4 gedrückt. Der erste Durchströmungsquerschnitt 21 wird freigegeben und Flüssigkeit kann durch das Volumenstromregelventil fließen. Da die Querschnittsflächenzunahme in diesem Bereich nur sehr gering ist, weist die Kennlinie nur eine flache Steigung auf. Erreicht der Steuerkolben 2 mit seiner zweiten Steuerkante 20 den Einlassbereich 12, 16 so wird zusätzlich der zweite Durchströmungsquerschnitt 22 freigegeben. Aufgrund der größeren Breite des zweite Durchströmungsquerschnitt 22, in Bezug zum ersten Durchströmungsquerschnitt 21, kommt es zu einer stärkeren Querschnittsflächenzunahme. Hierdurch kann mehr Flüssigkeit durch das Volumenstromregelventil fließen, dies zeigt sich im steileren Verlauf der Ventilkennlinie.The outflow geometry 8th is designed in the embodiment such that a first and a second flow cross-section 21 . 22 arises. The two flow cross-sections 21 . 22 merge into each other, with the transition through the second control edge 20 is marked. Due to the smaller width of the first flow cross section 21 is the increase in cross section in the area of the first flow cross section 21 based on the piston stroke less than in the area of the second flow cross-section 22 , This behavior illustrates the in 2 shown valve characteristic. The volume flow Q is plotted against the control current I. At a very low control current I, ie with a small piston stroke, the inlet groove remains 16 still completely closed so that no liquid flows through the volume flow control valve. The control piston increases with increasing excitation current 2 continue to the left against the force of the return spring 4 pressed. The first flow cross section 21 is released and liquid can flow through the volume flow control valve. Since the increase in cross-sectional area in this area is only very small, the characteristic curve has only a flat slope. Reaches the control piston 2 with its second control edge 20 the inlet area 12 . 16 so is the second flow cross-section 22 Approved. Due to the larger width of the second flow area 22 , in relation to the first flow cross-section 21 , there is a greater increase in cross-sectional area. This allows more liquid to flow through the volume flow control valve, which is shown in the steeper course of the valve characteristic.

Die Abströmgeometrie 8 ermöglicht somit bei geringen Ansteuerströmen eine sehr feine Regulierung des Volumenstroms und bei höheren Ansteuerströmen ein schnelles öffnen des Ventils um die benötigte, große Flüssigkeitsmenge bereitzustellen.The outflow geometry 8th thus enables very fine regulation of the volume flow at low control currents and quick opening of the valve at higher control currents in order to provide the required large amount of liquid.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die im Ausführungsbeispiel gezeigte Abströmgeometrie 8 beschränkt. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt vielmehr darin, das durch das einfache Einbringen der Abströmgeometrie 8 in die Mantelfläche 7 des Steuerkolbens 2 fast jede beliebige Abströmgeometrie realisierbar ist. Durch eine Abströmgeometrie mit vier statt den dargestellten drei Steuerkanten lässt sich beispielsweise eine Ventilkennlinie mit drei unterschiedlichen Steigungen realisieren. Es ist dabei denkbar, dass die Kennlinie beispielsweise zu Beginn und zum Ende einen flachen und im mittleren Bereich einen steilen Verlauf aufweist. In dem man die Abströmgeometrie derart gestaltet, dass der Durch strömungsquerschnitt sich kontinuierlich vergrößert oder verkleinert lässt sich auch ein kurvenförmiger Verlauf der Ventilkennlinie realisieren. Die Erfindung ermöglicht somit die Ventilkennlinie des Volumenstromregelventils einfach und preiswert an die jeweiligen Anforderungen anpassen.Of course, the invention is not based on the outflow geometry shown in the exemplary embodiment 8th limited. Rather, the particular advantage of the invention lies in the simple introduction of the outflow geometry 8th in the outer surface 7 of the control piston 2 almost any outflow geometry can be realized. An outflow geometry with four instead of the three control edges shown enables, for example, a valve characteristic curve with three different slopes. It is conceivable that the characteristic curve has a flat course at the beginning and the end and a steep course in the middle area. By designing the outflow geometry in such a way that the flow cross-section increases or decreases continuously, a curve-shaped course of the valve characteristic curve can also be realized. The invention thus enables the valve characteristic of the Volu Adjust the flow control valve easily and inexpensively to the respective requirements.

Claims (5)

Volumenstromregelventil (1) mit einem in einem Ventilgehäuse (10) gelagerten Steuerkolben (2) ), der gegen die Kraft einer Rückstellfeder (4) aus einer ersten Endstellung (5) in eine zweite Endstellung (6) bewegbar ist dadurch gekennzeichnet , dass der Steuerkolben (2) – als Stufenkolben ausgebildet ist, – außen umströmt wird und – eine in die Mantelfläche (7) eingebrachte Steuergeometrie (8) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sich in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens unterschiedliche Steigungen in der Ventil-Kennlinie ergeben.Volume flow control valve ( 1 ) with a in a valve housing ( 10 ) mounted spool ( 2 )) against the force of a return spring ( 4 ) from a first end position ( 5 ) in a second end position ( 6 ) is characterized in that the control piston ( 2 ) - is designed as a stepped piston, - the air flows around the outside and - one into the outer surface ( 7 ) introduced control geometry ( 8th ), which is designed such that different slopes in the valve characteristic result depending on the position of the control piston. Volumenstromregelventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Ansteuersignal und dem Kolbenhub ein proportionaler Zusammenhang besteht.Volume flow control valve according to claim 1, characterized in that a proportional between a control signal and the piston stroke Connection exists. Volumenstromregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmgeometrie (8) mehrfach, radial über den Umfang verteilt in den Steuerkolben (2) eingebracht ist.Volume flow control valve according to one of the preceding claims, characterized in that the outflow geometry ( 8th ) several times, distributed radially over the circumference in the control piston ( 2 ) is introduced. Volumenstromregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (2) elektromagnetisch bewegt wird.Volume flow control valve according to one of the preceding claims, characterized in that the control piston ( 2 ) is moved electromagnetically. Volumenstromregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (2) mechanisch oder hydraulisch oder pneumatisch bewegt wird.Volume flow control valve according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control piston ( 2 ) is moved mechanically or hydraulically or pneumatically.
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