DE19959202A1

DE19959202A1 - Überdruckabschaltventil für Hochdruckkolbenpumpen in Common Rail Systemen

Info

Publication number: DE19959202A1
Application number: DE1999159202
Authority: DE
Inventors: Hans Schuetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: DE19959202C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Überdruckabschaltventil (20) zur Verbesserung des Hochdruckpumpenwirkungsgrades. DE 19801355 A1 beschreibt eine Kraftstoffzumesseinheit in der Niederdruckleitung, DE 19756087 A1 offenlegt ein 3/2 Wegeventil von einer gemeinsamen Hochdruckleitung zur Niederdruckleitung mit zusätzlichem Rückschlagventil. Diese Lösungen haben den Hauptnachteil, dass der einzelne Hochdruckkolben im halben Förderhub mit Hochdruck beaufschlagt werden kann, was kaum beherrschbare Belastungen und Beschädigungen hervorruft. DOLLAR A Das Problem wird dadurch gelöst, dass neben den 2 Rückschlagventilen pro Hochdruckpumpenzylinder (4) ein drittes Überdruckabschaltventil (20) vorgesehen ist. Ähnlich eines Überdruckventils wird die Federkraft (21) über einen Kolben (24) auf die Ventilkugel (23) übertragen. Im Förderhub des Kolbens (5) wird zuerst der Brennstoffbedarf im Railsystem gedeckt. Beim Ansprechdruck des Überdruckabschaltventils (20) sinken Druck und Pumpenantriebsleistung um das Verhältnis Kolben (24) zu Kugelventilquerschnitt (23) ab, und der Brennstoff wird im Zylinder (29) zwischengespeichert. Im Saughub des Kolbens (5) fließt die zwischengespeicherte - leistungsverrichtend und die verbrauchte Brennstoffmenge über das Einlassventil (1) in den Zylinder (4). Einfache Raildruckregelungen und die Einsparung einer Vorförderpumpe sind in den Unteransprüchen angemeldet.

Description

Zur Zeit wird für sparsame KFZ-Dieselmotoren eine Hochdruckbrennstoffpumpe eingesetzt, welche über eine gemeinsame Hochdruckleitung die Elektromagnet einspritzventile in jedem Motorzylinder versorgt (Common Rail System). Der hohe Brennstoffdruck erfordert für die Hochdruckkolbenpumpe hohe Kolbenkräfte, und zur Deckung des Brennstoffbedarfes bei hoher Motorleistung eine grosse Brennstoffmenge. Aus diesen Gründen sind die Hochdruckbrennstoff pumpen direkt oder drehzahlproportional vom Dieselmotor angetrieben und fördern auch eine drehzahlproportionale Brennstoffmenge. Da aber der Brenn stoffbedarf keinesfalls proportional zur Motordrehzahl ist, ergibt sich, ausser bei voller Motorleistung, ein sehr schlechter Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe. Der nicht gebrauchte, auf Hochdruck gebrachte Brennstoff fliesst unnötig über ein Überdruckventil in den Brennstofftank zurück. Bei längerer Talfahrt, wenig Tankinhalt und hoher Motordrehzahl kann die Brennstofftemperatur problematisch stark ansteigen, da der umgepumpte Brennstoff zur Kühlung von Hochdruck brennstoffpumpe und Überdruckventil benötigt wird.

Die Lösung dieses Problems beschreibt die Offenlegungsschrift DE 197 56 087 A1. wonach eine 3 Zylinder Hochdruckpumpe mit jeweils 2 Rückschlagventilen pro Zylinder, über die Einlassventile Kraftstoff von der gemeinsamen Niederdruck leitung (5) angesaugt wird und über die Auslassventile in die gemeinsame Leitung (10) gefördert wird. Über ein elektromagnetisch betätigtes 3/2-Wegeventil (12) wird der Kraftstoff je nach Bedarf (Druck im Rail-System) entweder über ein Rückschlag ventil (13) dem Rail-Speicher (14), oder in dis Niederdruckleitung (5) geleitet. Die Niederdruckleitung (5) wird mit einer Vorförderpumpe (2) vom Kraftstofftank (3) gespeist. Das 3/2 Wegeventil taktet je nach Brennstoffbedarf von Leitung (10) zur Hochdruckleitung (11) und (14) oder entlastet Leitung (10) zur Niederdruck leitung (5). Damit wird ein viel besserer Hochdruckpumpenwirkungsgrad erreicht, dieses Lösungsprinzip hat aber folgende Nachteile:

1. Die Schaltfrequenz des 3/2-Wegeventils (12) muss sehr hoch sein, um nicht zu große Druckschwankungen im Railsystem zu verursachen. Ein Rail-Speicher, welcher den Kraftstoffhochdruck lange genug aufrechterhalten kann, und damit die Schaltfrequenz herabsetzen könnte, ist ein großes Problem.
2. Das 3/2-Wegeventil (12) schaltet den Kraftstoff, zeitlich unabhängig, ohne Rück sicht auf die Kolbenstellungen der Pumpe, zum Rückschlagventil (13) um. Das führt zu plötzlichen Druckstößen (hydraulisch und mechanisch) wenn der Hochdruckpumpenkolben gerade im Förderhub, in der Mitte zwischen OT und UT ist, die größte Geschwindigkeit hat und auf die ruhende Massen des Brenn stoffes von Leitung (11) und (14) und des Ventils (13) trifft.
3. Dicht- und Antriebsprobleme der bewegten Teile des 3/2-Wegeventils (12) wegen der hohen Druckdifferenz.
4. Eine Vorförderpumpe ist notwendig.

Eine weitere Lösung des Problems beschreibt die Offenlegungsschrift DE 198 01 355 A1. Eine Hochdruckpumpe (6) mit jeweils 2 Rückschlagventilen, wobei über das Einlassventil (13) Kraftstoff von einer Zumesseinheit (20) dosiert wird und über das Auslassventil (12), über die Leitung (11), einem Common Rail System zugeführt wird. Eine Vorförderpumpe (3) versorgt über das Kraftstoffilter (4) mit dem gesamten Kraftstoffvolumenstrom (14) die Schmierung und Kühlung der Hochdruckpumpe (6). Nach der Schmier- und Kühlfunktion wird der Kraftstoff strom (14) über ein Überdruckventil (18) in den Tank (1) zurückgeleitet, oder der Zumesseinheit (20) zugeführt.

Dieses Prinzip der Kraftstoffdosierung auf der Saugseite der Hochdruckpumpe birgt immer die Gefahr, dass der Zylinder (6) oder andere Hochdruckpumpenzylinder im Saughub bei einem bestimmtem Kraftstoffbedarf nur halb mit Kraftstoff, und halb mit "Vakuum" gefüllt ist. Im anschliessenden Förderhub bewegt sich der Kolben (8) unbelastet bis zur Mitte des Kolbenweges, und trifft dort mit der grössten Geschwindigkeit auf die inkompressible, stehende Kraftstoffsäule vom halben Zylinderinhalt, vom Inhalt der Hochdruckleitungen und des Railsystems mit dem Rail-Druck. Diese ruhenden Massen von Kraftstoff und der beweglichen Teile des Ventils (12) lassen sich nicht plötzlich mit der grössten Kolbengeschwindigkeit beaufschlagen, zumal die Kraftstoffgeschwindigkeit in den Hochdruckleitungen um das Verhältniss der Querschnitte von Kolben zu Leitung noch vergrössert wird. Wegen des enormen Druckstoss, welcher den Raildruck weit übersteigen kann, und den entsprechenden mechanischen Überlastungen können Beschädigungen bei bestimmten Drehzahlen und Kraftstoffbedarf nicht ausgeschlossen werden. Dass in der Offenlegungsschrift durch Verkürzen der Kraftstoffzuleitung beim An saugen eine Verhinderung dieser Beschädigungen (Kavitation?) erreicht wird, ist nicht nachvollziehbar.

Der Erfindung liegt also das Problem zugrunde, den Rail-Druck konstant aufrecht zuerhalten und nur eine Brennstoffmenge auf Hochdruck zu fördern, die der Dieselmotor gerade benötigt. Die beschriebenen Nachteile nach dem Stand der Technik sollten die Entwicklungs- und Herstellungskosten nicht unnötig hoch werden lassen. Eine weitere Problemlösung ist die einfache Regelmöglichkeit des Rail-Druckes, um diesen den Betriebszuständen des Dieselmotors anzu passen. Zusätzlich könnten Kosten für eine Vorförderpumpe eingespart werden.

Die Lösung der Probleme wird durch ein Überdruckabschaltventil pro Hochdruck pumpenzylinder, welches in verschiedenen Bauarten auch für erweiterte Funktionen anwendbar ist, erreicht.

Fig. 1 zeigt einen Ventilkopfanordnung als Schnittzeichnung, und Fig. 4 das dazu gehörige Funktionsschema einer Variante ohne Vorförderpumpe.

Fig. 2 zeigt eine Ventilkopfanordnung als Schnittzeichnung und Fig. 5 das dazu gehörige Funktionsschema, wobei der Rail-Druck mit einer Vorförderpumpe als Stellglied geregelt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Ventilkopfanordnung als Schnittzeichnung, und Fig. 6 das dazu gehörige Funktionsschema mit integrierter Vorförderpumpe und einer Rail-Druck Regelung.

Die Funktionsschemata Fig. 4, 5, und 6 zeigen jeweils zwei Hochdruckpumpen zylinder in der Stellung OT (oberer Totpunkt) oder UT (unterer Totpunkt), oder in der Mitte des Förderhubes oder des Saughubes. Die Lösungen sind auch für ein- und mehrzylindrige Hochdruckpumpen anwendbar. Die Zahlenwerte für die Berechnungen sind nicht bindend für die Patentanmeldung, sondern lediglich Beispielwerte zum besseren Verständnis der Beschreibung.

Funktionsbeschreibung der Lösungsmöglichkeit nach Fig. 1 und Fig. 4:

Beim SAUGHUB des Kolbens (5) wird Brennstoff über die Öffnung (3), die Einlass ventile (1) und (2), vom Brennstofftank (7) angesaugt. Damit beim Ansaugen kein Vakuum entsteht, sind die Ventilfedern, welche die bewegten Teile in den Ventilsitz drücken, nur schwach, und die Massen der bewegten Teile klein. Für die Einlass ventile können auch andere Ventilarten verwendet werden, wenn die Anforderungen, Durchlassdruckabfall möglichst gering, und der Sperrdruck für Ventil (1) ca. 30 Bar und Sperrdruck für Ventil (2) ca. 2000 Bar, erfüllt werden. Am Ende des Saughubes ist der untere Totpunkt UT, so wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Der Ventilraum (29) des Überdruckabschaltventils (20) ist ohne Druck, so dass die ganze Federkraft (21) auf die Ventilkugel (23) drückt. Anschliessend erfolgt der langsam beginnende, sinus förmige Kolbenanstieg des FÖRDERHUBES. Der Brennstoffdruck steigt wegen der inkompressiblen Flüssigkeit sehr schnell an. Überschreitet der Druck im Zylinder (4) den Druck im Hochdrucksystem (18) und den Durchlassdruck des Hochdruck ventils (16), fließt Brennstoff über das Hochdruckventil (16) in das Common Rail- System. Da die Fördermenge der Hochdruckpumpe (6) höher ist und sein muß als der Brennstoffverbrauch auf der Hochdruckseite (18), wird der Druck im System bei jedem Förderhub weiter ansteigen, bis der gewünschte, mit der Schraube (22) ein stellbare Hochdruck am Überdruckabschaltventil (20) erreicht ist. Die Flächen pressung des Brennstoffes auf die Kugel (23) des Ventils (20) ist im Gleichgewicht mit der Druckkraft der Tellerfedern (21). Bei einer Tellerfederkraft F₁ von 500 N und einem Ventilsitzdurchmesser d₁ von 2 mm bzw. Querschnitt A₁ von 3,14 mm², welche der Absperrfläche der Ventilkugel (23) entspricht, ergibt sich ein maximaler Druck P₁ von:

Der Druck im Hochdrucksystem (18) ist um den Druckverlust des Hochdruck ventils (16) von ca. 20 Bar geringer als der Ansprechdruck des Überdruckabschalt ventils (20) also 1590 Bar - 20 Bar = 1570 Bar. Sobald Brennstoff über das Über druckabschaltventil (20) fließt, werden die Tellerfedern (21) über den großflächigen Kolben (24) mit dem Durchmesser D₂ von 24 mm und einem Querschnitt A₂ von 452 mm² zusammengedrückt, und damit das Kugelventil (23) geöffnet. Der Druck im Zylinder (4) fällt nun sofort auf:

Der plötzliche Druckabfall im Verhältnis der Querschnitte A2/A1 = 452 mm²/3,14 mm² = um das 144-fache entlastet den Kolben (5) derart, dass bis zum nächsten Förderhub kaum noch Antriebsleistung benötigt wird. Wegen des Einlassventils (1) kann der Brennstoff unter dem Druck von 11 Bar nicht in den Tank (7) zurück entweichen, und deshalb ist dieses Ventil (1) auch notwen dig. Die Ventilkugel (23) des Überdruckabschaltventils (20) wird nicht mehr in den Ventilsitz gedrückt, solange sich der Pumpenkolben (5) aufwärts bewegt. Im weiteren Verlauf des Förderhubes fließt der Brennstoff in den großflächigen Zylinder (29) und drückt die Tellerfedern (21) weiterhin zusammen. Der Druck steigt dabei verhältnismäßig wenig an, wie folgende Rechnung zeigt.

Annahme: Sehr geringer oder kein Brennstoffverbrauch auf der Hochdruck seite (18). Nach dem unteren Totpunkt bewegt sich der Pumpen kolben (5) sinusförmig nach oben. Der Druck P₁ mit 1570 Bar wird sofort erreicht, das Überdruckabschaltventil (20) öffnet, und das ganze Brennstoffvolumen V_K des Förderhubes h_K fließt in den groß flächigen Zylinder (29) A₂ . h₂ und drückt die Tellerfedern (21) um h₂ weiter zusammen:

Die Zunahme der Tellerfederkraft F₂ nach DIN 2093, Reihe B mit 20 mm Durch messer beträgt bei 0,68 mm für 4 Federn und 0,17 mm pro Feder: F₂ = 316 N. Damit ergibt sich der max. Enddruck P_2MAX. im oberen Totpunkt zu:

Das Brennstoffvolumen V_K ist im großflächigen Zylinder (29) unter dem Tellerfeder druck gespeichert und fließt im nachfolgenden Saughub des Pumpenkolbens (5) wieder in den Zylinder (4) zurück. Die vorher aufgewandte Arbeit wird teilweise wieder zurückgewonnen, weil der Brennstoffdruck den Saughub unterstützt. Die gering verbrauchte, und über den Spalt des Pumpenkolbens (5) und Zylinders (4) abgeflossene Brennstoffmenge ist bei Erreichen des unteren Totpunktes wieder vom Tank (7) über das Filter (8) und die Ventile (1) und (2) angesaugt worden, und damit ist sichergestellt, daß der großflächige Zylinder (29), im unteren Tot punkt des Pumpenkolbens (5), drucklos, und damit wieder die volle Tellerfeder kraft (21) auf die Ventilkugel (23) drückt. Die Tellerfederseite des Kolbens (24) ist ebenfalls über die Leitung (25) ohne Druck und damit ist gewährleistet, daß das Überdruckabschaltventil (20) beim folgenden Förderhub wieder bei P1 = 1590 Bar anspricht.

Der Vorteil ist also, daß bei geringem und normalem Brennstoffverbrauch, wenn der benötigte Druck auf der Hochdruckseite (18) erreicht ist, die Antriebsleistung an der Hochdruckpumpenwelle (9) praktisch abgeschaltet wird. Das hat den Nach teil, daß ab dem Abschaltzeitpunkt von diesem Pumpenzylinder kein Brennstoff mehr auf die Hochdruckseite (18) gepumpt wird, bis wieder ein (in einem anderen Zylinder bei Mehrzylinderpumpen) Förderhub beginnt. Dadurch entsteht auf der Hochdruckseite (18) eine Druckwelligkeit, welche von der Zylinderzahl und vom Volumen des Hochdrucksystems (18) abhängt. Je höher die Zylinderzahl der Hochdruckpumpe (6) ist oder je mehr Speicherkapazität (Materialelastizität und Volumen) das Hochdrucksystem hat, desto kleiner wird die Druckwelligkeit. Da bei geringem Brennstoffverbrauch die Förderzeit des Pumpenkolbens (5) auch klein ist, und bei großem Brennstoffverbrauch die Förderzeit lang ist, dürfte die Druckwelligkeit jedoch unbedeutend sein.

Die Leitung (25) von den Tellerfedern des großflächigen Kolbens (24) zum Niederdruckbrennstoffeingang (3) dient dem Druckausgleich, wenn im groß flächigen Zylinder (29) Brennstoff zwischengespeichert wird.

Der Druckausgleichshohlraum (10) unmittelbar vor dem Einlassventil (1) dient dem Vakuum freien Ansaugen des Brennstoffes auch bei hoher Pumpendrehzahl. Eine Vorförderpumpe wird nicht benötigt, die Hochdruckpumpe sollte aber tiefer liegen als der Brennstoffspiegel. Die weiche Membrane (12) dichtet den Brennstoff gegen aussen ab, und ermöglicht ein plötzliches Ansaugen des Brennstoffes über die Ventile (1) und (2) in den Zylinder (4), ohne dass die gesamte Brennstoff säule der langen Zuleitung (3) mit beschleunigt werden muss. Das Ansaugen über Ventil (1) erfolgt erst, wenn der Druck im Überdruckabschaltventil (20) ab gebaut ist, wobei das Ventil (2) schon offen ist. Die Massen der bewegten Ventil teile des Ventils (1) und die kurze Brennstoffsäule, sowie die günstige Einmün dung der Leitung (26) lassen kein Vakuum entstehen.

Funktionsbeschreibung der Lösungsmöglichkeit nach Fig. 2 und Fig. 5:

Die Hauptfunktionen sind dieselben wie in der Funktionsbeschreibung für Fig. 1 und Fig. 4 mit folgenden Änderungen:

Dem Stand der Technik entsprechend ist eine Vorförderpumpe (15) mit einer veränderlichen Elektromotordrehzahl, welche den Druck in der Niederdruck leitung (3) beispielsweise von 1 Bar bis 3 Bar steuern kann, vorhanden. Der Raum (29) im Überdruckabschaltventil (20) wird bei geschlossenem Ventil (23) durch ein kleines Ventil am Kolben (24) ohne Druck mit dem Inneren der Hoch druckpumpe (6), und von dort über die Rückleitung (17) mit dem Tank (7) ver bunden. Das Einlassventil (1) kann dadurch entfallen. Der veränderliche Druck P_V in der Niederdruckleitung (3) übt über die Leitung (25) einen zusätzlichen Druck zum Federdruck (21) auf den Kolben (24) aus. Wie im vorangehenden Beispiel lässt sich der Rail-Druck über einen elektronischen Regler (35) einem Sollwert (36) in folgenden Grenzen angleichen, welcher für den Dieselmotor erforderlich ist:

Und für den kleineren Vorförderpumpendruck von 0,1 N/mm² wird P₁ 173 N/mm² oder 1730 Bar. Das Druckausdehnungsgefäß (30) dient dazu, dass Druck schwankungen wegen der bewegten Kolben (24) sich nicht wesentlich auf den Rail-Druck auswirken. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber dem Stand der Technik ist der, dass ausser der Druckmessstelle im Rail-System zur Regelung keine weiteren Eingriffe notwendig sind, und dass die Vorförderpumpe (15) als Stell glied ohne Mehraufwand über die gemeinsame Niederdruckleitung (3) die Brennstoffversorgung und die Raildruckeinstellung machbar ist.

Funktionsbeschreibung der Lösungsmöglichkeit nach Fig. 3 und Fig. 6:

Der veränderliche Federraumteil (21) des Überdruckabschaltventils (20) und die zwei Rückschlagventile (37) und (38) bilden zusammen eine Vorförderpumpe.

Am Kolben (24) ist ein weiterer Kolben (34) und das Kugelventil (23) fest verbunden. Nach einem Kolbenweg des Kolbens (34) von beispielsweise 2 mm fliesst der Brenn stoff über die Zylindererweiterung vom Raum (33) in den Raum (29) von welchem eine Leitung (25) zur Niederdruckleitung (31) nach der Vorförderpumpe führt. Der Druck in der Leitung (31) kann mit einem elektromagnetischen Drosselventil (32) beispiels weise von 2 Bar bis 8 Bar verändert werden, wobei die Druckschwankungen mit dem Druckausdehnungsgefäß (30) gedämpft, und eine gewisse Brennstoffreserve bereitgehalten wird. Bei einem Kolbendurchmesser D₃₄ von 7 mm ergibt sich folgen der Funktionsablauf: Im unteren Totpunkt des Kolbens (5) ist der Federraum (21) drucklos, und der Raum (29) und (33) unter dem Druck des Stellgliedes (32) zwi schen P₃₁ = 2 Bar und 8 Bar. Bei einer Federkraft (21) von beispielsweise F₂₁ = 700 N ergibt sich im Förderhub, nach Befriedigung der Brennstoffmenge im Rail-System, ein Ansprechdruck von:

und für 2 Bar Stellglieddruck P₆ = 194 N/mm² = 1940 Bar. Nach erreichen des Ansprechdruckes fällt dieser wegen des Kolbenquerschnitt (34) auf:

und bei 2 Bar Stellglieddruck P₃₃ = 15,8 N/mm² = 158 Bar.

Nach dem Ansprechen des Überdruckabschaltventils (20) sinken der Druck und die Antriebsleistung um das 12,5fache ab, der restliche Förderhub wird nun als Antrieb der Vorförderpumpe genutzt. Da die Querschnitte des Hochdruckpumpen kolbens (5) und des Kolbens (34) gleich sind, bewegt sich dieser mit gleichem Hub nach oben und drückt Brennstoff in die Leitung (31). Nach 2 mm Hub wird die Bewegung durch Überströmen von Raum (33) in Raum (29) be endet, so dass sich ein Fördervolumen von

V_V = h₃₄ . A₂ = 2 mm . 452 mm² = 904 mm³ ergibt, welches etwa dem

3-fachen max. Saugvolumen eines Zylinders (4) entspricht. Um einen Druck von 8 Bar in der gemeinsamen Brennstoffversorgungsleitung (31) zu erreichen, ist im Zylinderraum (33) ein Druck von

notwendig, weil über die Leitung (25) für die restliche Kolbenfläche des Kolbens (24) ein Druckausgleich stattfindet. Im Saughub des Kolbens (5) wird der Brennstoff vom Raum (33) in den Zylinder (4) gedrückt und die restliche Brennstoffmenge über das Einlassventil (2).

Die Vorteile dieser Lösungsmöglichkeit sind, die Einsparung einer separaten Vor förderpumpe, die einfache Regelbarkeit und der grosse Regelbereich des Rail- Druckes mit einem elektromagnetischen Drosselventil als Stellglied mit einem Druckbereich unter 10 Bar.

Bezugszeichenliste Maße zu den Beispielen

1

Einlassventil

1

(Rückschlagventil): Sperrdruck 30 Bar

2

Einlassventil

2

(Rückschlagventil): Sperrdruck 2000 Bar

3

Niederdruckbrennstoff-Leitung, Anschluss

4

Zylinder der Hochdruckpumpe: Durchmesser 7 mm

5

Kolben der Hochdruckpumpe: Hub 8 mm

6

Hochdruckpumpen Gehäuse

7

Brennstofftank

8

Brennstofffilter

9

Antriebswelle der Hochdruckpumpe

10

Druckausgleichshohlraum

11

Entlüftungsleitung zur Atmosphäre

12

Membrane

13

Ventilkopfdeckel

14

Ventilgehäuse

15

Vorförderpumpe

16

Hochdruckrückschlagventil: Sperrdruck 2000 Bar

17

Rückleitung in den Tank

18

Common-Rail-System, Leitung, Anschluss

19

Verschluss-Kugel, Schraube

20

Überdruckabschaltventil

21

Tellerfedern des Überdruckabschaltventils

22

Einstellschraube des Ansprechdruckes

23

Ventilkugel, Absperrteil des Überdruckabschaltventils: Sitzdurchmesser 2 mm

24

Kolben des Überdruckabschaltventils: Durchmesser 24 mm

25

Leitung Druckausgleich Tellerfederraum

26

Leitung von Raum

29

zum Ventil

1

und

2

27

Leitung von Zylinder

4

zum Überdruckabschaltventil: Durchmesser 2 mm

28

Druckausgleichsventil

29

Zylinderraum unter dem Kolben

24

30

Druckausdehnungsgefäß

31

Niederdruckleitung mit Stellglieddruck

32

Elektromagnetisches Drosselventil

33

Zylinderraum der Überdruckabschaltung

34

Vorkolben der Überdruckabschaltung: Durchmesser 7 mm

35

Elektronischer Regler

36

Sollwert des Rail-Druckes

37

Einlassventil der internen Vorförderpumpe

38

Auslassventil der internen Vorförderpumpe

39

Kolben

24

/Zylinderdichtung

Claims

1. Überdruckabschaltventil (20) in Hochdruckpumpen (6) für Kraftstoffeinspritz systeme von Brennkraftmaschinen insbesondere Common-Rail-Systeme, wo bei nach dem Stand der Technik von einem Brennstofftank (7) über ein Filter (8) und eine Vorförderpumpe (15) eine gemeinsame Niederdruckleitung (3) gespeist wird, von wecher jeweils pro Pumpenzylinder (4) zwei Rückschlagventile (2) und (16) vom Pumpenzylinder (4) mit Kolben (5) im Saughub Brennstoff ansaugt und im Förderhub über das Rückschlagventil (16) eine gemeinsame Hochdruck leitung (18), Common Rail genannt, gefördert wird, mit einem Überdruckventil, welches den nicht benötigten Brennstoff über eine Rückleitung (17) im den Brenn stofftank zurückleitet, dadurch gekennzeichnet, daß pro Pumpenzylinder (4) ein Überdruckabschaltventil (20) über die Leitung (27) mit dem Pumpenzylinder (4) verbunden ist, wobei im Förderhub nach dem un teren Totpunkt des Kolbens (5) der Brennstoff über das Ventil (16) in die Hoch druckleitung (18) gefördert wird und dabei der Brennstoffdruck des Pumpen zylinders (4) über die Leitung (27) und dessen Querschnitt gemessen und mit der Federkraft der Feder (21) über einen Kolben (24) welcher eine Ventilkugel (29) gegen diesen Querschnitt drückt, verglichen wird und im Falle einer Überschrei tung des Brennstoffdruckes die Ventilkugel (23) aus dem Ventilsitz drückt, und das Ventil öffnet, so dass der Brennstoff in den Zylinderraum (29) mit dem Kol ben (24) gelangt, wobei der Brennstoffdruck sofort um das Verhältniss des Kol benquerschnittes (24) zum Querschnitt der Leitung (27) abnimmt und damit den Pumpenkolben (5) entlastet, so dass der Brennstoff nun für den restlichen Förder hub bis zum oberen Totpunkt des Pumpenkolbens (5) im Überdruckabschalt ventil (20) unter dem Druck der Feder (21) zwischengespeichert wird und im folgenden Saughub leistungsverrichtend über die Leitung (26) und das Einlass ventil (2) wieder in den Pumpenzylinder (4) zurückströmt, und die, im vorherge henden Förderhub verbrauchte Brenstoffmenge bei noch offenem Einlassventil (2) vom Saugausgleichsraum (10) über das Einlassventil (1) angesaugt, und somit im unteren Totpunkt des Pumpenkolbens (5) über die Druckausgleichsleitung (25) und die Leitung (26) auf beiden Seiten des Kolbens (24) im Überdruckabschalt ventil (20) kaum noch ein Druckunterschied herrscht und der Ansprechdruck des Überdruckabschaltventils (20) bei den folgenden Förderhüben im ganzen Dreh zahlbereich der Hochdruckpumpe (6) konstant bleibt und damit eine Vorförder pumpe, ein Überdruckventil und eine Rückleitung zum Tank nicht benötigt wer den.

2. Überdruckabschaltventil (20) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Federkraft (21) durch eine Stellschraube einstellbar ist, um den Rail- Druck (18) einzustellen, welcher dem Druckansprechwert des Überdruckab schaltventils (20) minus dem konstanten Durchlassdruckabfall des Hochdruck ventils (16) entspricht, oder um Druckansprechunterschiede bei Mehrzylinder pumpen auszugleichen.

3. Überdruckabschaltventil (20) nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß über die Leitung (25) pneumatisch oder hydraulisch, oder über die Leitung (26) hydraulisch, zusätzlich oder als Ersatz zum Federdruck (21), ein Druck auf den Zylinder (24) ausgeübt werden kann, um als Stellglied mit einem geringen Druck den Rail-Hochdruck zu regeln und den Erfordernissen der Brenn kraftmaschine anzupassen.

4. Druckregel- und Leistungsabschaltventil (20) nach Patentanspruch 1 bis 3 da durch gekennzeichnet, daß ein Saugausgleichsraum (10), in unmittelbarer Nähe des Einlassventils (1) angeortnet, mit der gemeinsamen Niederdruckleitung (3) verbunden ist und eine Druckausgleichsleitung (11) zum athmospärischen Druck aufweist, sowie eine weiche Membrane, damit über die Einlassventile (1) und (2) auch bei hoher Pumpendrehzahl (9) kein Saugvakuum entsteht und nicht die ge samte Brenstoffmasse in der Niederdruckleitung (3) beschleunigt werden muss, und dadurch keine Vorförderpumpe und keine Rücklaufleitung (17) zum Brenn stofftank (7) notwendig sind.

5. Überdruckabschaltventil (20) nach Patentanspruch 1 bis 3 dadurch gekenn zeichnet, daß der Anordnung nach Fig. 2 und 5 der Kolben (24) fest mit der Ventil kugel (23) verbunden ist und daß der Kolben (24) im geschlossenen Zustand der Ventilkugel (23) eine kleine Druckausgleichsöffnung (28) besitzt, welche schon nach einem kleinen Ansprechweg beim Öffnen des Ventins (23) geschlossen wird, sowie einer Engstelle zwischen der Kugelführung und der Kugel (23) welche sich beim Öffnen des Ventils (20) erst aufweitet, wenn die Druckausgleichsöffnung (28) durch den Kolben (24) geschlossen ist, so daß diese Ausführung des Überdruckabschalt ventils (20) kein zusätzliches Einlassventil (1) benötigt, und der Rail-Hochdruck über die Leitung (25), welche mit der gemeinsamen Niederdruckleitung (3) verbunden ist, über den veränderlichen Druck der Vorförderpumpe (15) regelbar ausgeführt wer den kann, indem dem Stand der Technik entsprechend ein elektronisches Stellglied die Drehzahl eines Elektromotors steuert, und die damit angetriebene Vorförder pumpe somit einen niedrigeren, bei kleiner Drehzahl, und einen höheren Brenn stoffdruck bei grösserer Drehzahl aufweist, und dabei immer die benötigte Brenstoff menge der gemeinsamen Niederdruckleitung (3) zuführt, an welcher zudem ein klei nes Druckausdehnungsgefäß (30) angeschlossen ist.

6. Überdruckabschaltventil (20) nach den Patentansprüchen 1 bis 5 dadurch ge kennzeichnet, daß der Anordnung nach Fig. 3 und 6 der Federraum des Kolbens (24) mit einem Einlassventil (37) von der gemeinsamen Niederdruckleitung (3) und einem Auslassventil (38) zur gemeinsamen Versorgungs- und Steuerleitung (31) führt als Vorförderpumpe dient, wobei ein zweiter Kolben (34) und die Ventilkugel (23) fest mit dem Kolben (24) verbunden sind, so dass der Federdruck (21) vermindert um der Steuerdruck im Raum (29) auf die Ventilkugel (23) drückt und damit den Ansprech druck des Überdruckabschaltventils (20) bestimmt, wobei im Förderhub des Pum penkolbens (5) zunächst die Brennstoffmenge im Rail-System über Ventil (16) ge fördert wird und beim Ansprechwert des Überdruckabschaltventils (20) der Druck im Zylinder (4) absinkt, und die Kolben (34) und (24) um einen begrenzten Weg bis zum Überströmen des Brennstoffes von Raum (33) in den Raum (29) bewegt werden und dabei eine grössere Brennstoffmengein die Leitung (31) und in das Druckausdehnungsgefäß (30) fördert als der Kolben (5) ansaugt, wobei der Druck zunimmt, aber über das elektromagnetische Drosselventil (32) als Stellglied für den Rail-Druck, welcher in der Hochdruckleitung (18) als Istwert gemessen wird und im elektronischen Regler (35) mit den Anforderungen des Dieselmotors als Sollwert (36) verglichen wird, wieder in die gemeinsame Niederdruckleitung (3) zurückfliesst, wobei eine externe Vorförderpumpe (15) und eine Rückleitung (17) zum Brennstofftank (7) entfallen.