EP2888469B1 - Common-rail-system - Google Patents

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EP2888469B1
EP2888469B1 EP13750553.3A EP13750553A EP2888469B1 EP 2888469 B1 EP2888469 B1 EP 2888469B1 EP 13750553 A EP13750553 A EP 13750553A EP 2888469 B1 EP2888469 B1 EP 2888469B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
pressure pump
ball
pressure
vno
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP13750553.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2888469A1 (de
Inventor
Florian Schulz
Gerd Strobel
Wolfgang Knöbel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kendrion Villingen GmbH
Original Assignee
Kendrion Villingen GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Kendrion Villingen GmbH filed Critical Kendrion Villingen GmbH
Publication of EP2888469A1 publication Critical patent/EP2888469A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2888469B1 publication Critical patent/EP2888469B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F02M63/0265—Pumps feeding common rails
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/20—Varying fuel delivery in quantity or timing
    • F02M59/36—Varying fuel delivery in quantity or timing by variably-timed valves controlling fuel passages to pumping elements or overflow passages
    • F02M59/366—Valves being actuated electrically
    • F02M59/368—Pump inlet valves being closed when actuated
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails
    • F02M63/023—Means for varying pressure in common rails

Definitions

  • the invention relates to a common rail system for an internal combustion engine of a vehicle according to the preamble of patent claim 1.
  • Common rail systems as fuel injection systems which have a high-pressure pump for providing high-pressure fuel for a high-pressure accumulator (common rail) and a low-pressure pump as a prefeed pump, which promotes the fuel from a fuel tank via a delivery line to the high-pressure pump, wherein the controlled by the high-pressure pump the high-pressure accumulator amount of fuel through a flow control valve arranged in the feed line and the measured by the flow control valve amount of fuel is acted upon by the high-pressure pump with the appropriate high pressure.
  • a high-pressure pump for providing high-pressure fuel for a high-pressure accumulator (common rail) and a low-pressure pump as a prefeed pump, which promotes the fuel from a fuel tank via a delivery line to the high-pressure pump, wherein the controlled by the high-pressure pump the high-pressure accumulator amount of fuel through a flow control valve arranged in the feed line and the measured by the flow control valve amount of fuel is acted upon by the high-pressure pump with the appropriate high pressure.
  • Such a common-rail system CRS is schematically shown in FIG FIG. 4 shown. Thereafter, this common rail system CRS consists of a high-pressure accumulator R, from which injectors Inj an internal combustion engine (not shown), for example. A diesel engine are supplied with fuel.
  • the high-pressure accumulator R is connected via a high-pressure line L1 to a high-pressure pump HP, which is driven by an electric motor M1.
  • Fuel is conveyed from a fuel tank KB by means of a low-pressure pump NP driven by an electric motor M2 via a delivery line L2 for a flow control valve VNC, which is designed as an electromagnetic switching valve of the type slide valve and closed in the de-energized state ("normally closed").
  • this slide valve VNC is connected to the high-pressure pump HP.
  • a high-pressure control valve HPV connects the high-pressure accumulator R via a pressure relief line L3 to the output side of the low-pressure pump NP.
  • This designed as an electromagnetic switching valve high pressure control valve HPV is used for rapid pressure reduction of the high-pressure accumulator R.
  • This high-pressure control valve HPV is necessary because disadvantageously, the slide valve VNC has no 100% leakage. This leakage has its cause in the required for the displacement of the slide element game between this slide element and the valve body.
  • fuel enters and is compressed in the high-pressure pump HP, with the result that the pressure in the high-pressure accumulator R increases when the injectors Inj do not deliver fuel to the internal combustion engine, ie no consumer is connected to the high-pressure accumulator R.
  • the HPV high-pressure control valve the pressure is released in such operating states.
  • Both the flow control valve VNC, the high and low pressure pumps HP and NP, the high pressure control valve HPV and the injectors Inj are controlled by a controller (not shown).
  • One of the FIG. 4 appropriate common rail system is, for example, from the DE 60 2005 003 427 T2 known, in which a slide valve is used as a flow control valve, which is closed in the de-energized state.
  • a slide valve is used as a flow control valve, which is closed in the de-energized state.
  • an improved construction of a slide valve is proposed. This improved construction relates to the design of the slider element.
  • the invention has the object of developing a common rail system of the type mentioned in such a way that the disadvantages known from the prior art are avoided, in particular a simple structure with few components is made possible.
  • This common rail system for an internal combustion engine of a vehicle comprises a high-pressure pump which supplies high-pressure fuel to a high-pressure accumulator, from which the fuel is supplied to at least one injection valve of the internal combustion engine, and a low-pressure pump for conveying fuel from a fuel tank via a delivery line to the high-pressure pump and finally a flow control valve as an electromagnetic switching valve, which is arranged in the delivery line for controlling the amount of fuel supplied from the high-pressure pump to the high-pressure accumulator.
  • the flow control valve is formed as a ball seat valve with an inlet port connected to the low pressure pump and an outlet port connected to the high pressure pump, which is open in the de-energized state.
  • Such ball seat valves as electromagnetic switching valves, which are open in the de-energized state, are, for example, from the DE 40 41 377 A1 or the EP 1 241 338 A1 known.
  • DE 102 51 014 A1 discloses an electromagnetic control valve for fuel injection liners of internal combustion engines, which is designed as a slide valve.
  • the valve is controlled by an adjustable valve piston with side openings that interact with the outlet openings of the valve.
  • the sealing of the valve via a sealing ball, which can be pressed by a plunger on the valve piston against a sealing ball seat.
  • the common rail system according to the invention is characterized in that the ball seat valve is formed with a valve seat and a valve ball, such that in the energized state of the ball seat valve by pressurization by the low pressure pump, the valve ball rests against the valve seat under closure of the inlet opening. In addition, pressed in the de-energized state, a valve lifter to the valve ball and lifts it from the valve seat.
  • valve ball Since the valve ball is located on the pressure side and is pressed against the valve seat exclusively by the fluid pressure of the low-pressure pump in the energized state of the ball seat valve, eliminates spring elements on the pressure side and therefore no spring tolerances must be respected or adjusted. It is achieved a high tightness and thus ensures complete freedom from leaks.
  • the ball seat valve is formed with a spring-biased valve tappet, such that for opening the inlet opening of the valve tappet in the de-energized state of the ball seat valve in a valve ball stands by the valve seat lifting operative connection.
  • the ball seat valve has a relative to a pole core displaceable armature, which receives the valve stem centrally.
  • the armature which receives the valve stem, working against a compression spring, which is located on the non-pressurized side.
  • the pole core has a central bore for receiving a compression spring, at one end the compression spring is supported against the armature and the other end against a bore on the armature facing away from the pole core occlusive closure part of the pole core is supported.
  • the spring force of the compression spring acting on the valve tappet can be adjusted depending on the penetration depth of the closure part into the pole core.
  • the armature is formed with a decentralized bore which connects the bore of the pole core with a valve ball-side valve chamber.
  • the common-rail system CRS after FIG. 1 consists of a high-pressure accumulator R with high-pressure fuel, which is supplied by means of injectors Inj an internal combustion engine (not shown).
  • the high-pressure accumulator R is connected via a high-pressure line L1 to a high-pressure pump HP, which is driven by an electric motor M1.
  • a driven by an electric motor M2 low pressure pump NP delivers fuel from a fuel tank KB, which is supplied via a delivery line L2 of the high-pressure pump HP, wherein in this delivery line L2 a ball seat valve VNO is arranged as a flow control valve, which is open as an electromagnetic switching valve in the de-energized state.
  • the high-pressure accumulator R is connected via a mechanical overpressure valve VÜ and a pressure relief line L3 to the delivery line L2 between the low-pressure pump NP and the ball seat valve VNO.
  • This pressure relief valve VÜ is required only for safety reasons in order to be able to discharge an overpressure in the high-pressure accumulator R in the event of a "worst case".
  • this common rail system comprises CRS according to FIG. 1 also a control unit (not shown), which controls the low pressure pump NP, the high pressure pump HP, the ball seat valve VNO and the injectors Inj via control lines (not shown) in response to sensor signals and operating condition of the internal combustion engine.
  • This common rail system CRS is characterized by the use of a ball seat valve VNO as a flow control valve, which is open in the de-energized state and controls the high-pressure pump HP supplied fuel flow.
  • the ball seat valve VNO In the idle state, ie in the de-energized state, the ball seat valve VNO is open, so that in case of failure or failure of this ball seat valve VNO funded by the low-pressure pump NP fuel can be delivered to the high-pressure pump, so that at least malfunctions are excluded with respect to the internal combustion engine.
  • Such a ball seat valve VNO shows FIG. 2 which accommodates in a valve housing 20 a centrally mounted pole core 8, which is partially enclosed by a toroidal coil, consisting of a arranged on a bobbin 15 coil winding 16.
  • a valve body 1 Connected to the pole core 8 via a connecting ring 13 is a valve body 1 with a central bore 1a, which forms a central receiving space 1b for an armature 5 on the pole core side.
  • the armature 5 carries centrally a valve stem 6, the pole core side, the end face of the armature 5 projects beyond and projects into a central bore 8 a of the pole core 8.
  • This bore 8a is closed at the end by a closure 11, wherein a disposed in the bore 8a of the pole core 8 compression spring 9 is supported on the one hand against this closure 11 and on the other hand against the adjacent end face of the armature 5 via a spring plate 7 present there.
  • the bore 8a of the pole core 8 goes on the anchor side in a stepped cylindrical bore 8b, whose diameter corresponds to the diameter of the armature 5, so that the armature 5 in energizing the coil winding 16 in this bore 8b of Polkerns 8 is pulled against the spring force of the prestressed compression spring 9 to the pole face of the pole core 8.
  • the surrounding this cylindrical bore ring 8c is formed as a control cone with an outer cone, which serves to adjust the magnetic force-stroke curve when the armature 5 from its rest position corresponding to the in FIG. 2 shown position is drawn by energizing the coil winding 16 in the direction of the pole face of the pole core 8.
  • the armature 5 is received by a sleeve 10 which extends over the region of the bore 1 b and the connecting ring 13.
  • the bore 1a of the valve body 1 extends into a valve chamber 1c and ends at an inlet port 1d, which is connected to the low-pressure pump NP.
  • valve chamber 1c takes a ball cage 3 for receiving a valve ball 4 and an adjoining valve seat 2 for the valve ball 4.
  • At least two diametrically opposite radial holes 1e are provided as an outlet opening 1e, which are guided on the high-pressure pump HP.
  • valve stem 6 starting from the pole core facing away from the end face of the armature 5 to such a length that in the in FIG. 2 illustrated rest position of the ball seat valve VNO, so in the de-energized state, the compression spring 9 the armature. 5 pushes completely into the bore 1b of the valve body 1 in the direction of the inlet opening 1d, while the valve stem 6 with a needle tip 6a lifts the valve ball 4 from the valve seat 2, so that the passage between the inlet port 1d and the outlet port 1e is released.
  • the armature 5 has a non-centered, parallel to the longitudinal axis extending bore 5a, which connects the two end faces.
  • the valve chamber 1c and the outlet openings 1e are connected to the bore 8a of the pole core 8, so that a pressure equalization between these spaces can take place during operation of the ball seat valve VNO, or builds up no pressure difference between these spaces.
  • a flange 12 is provided on the high pressure pump HP.
  • O-rings 14 and 21 of the valve body 1 are provided as sealing rings.
  • the bobbin 16 is encapsulated to form a connector 18 receiving plastic body 17, wherein a sealing disc 19 makes the seal against the environment.
  • FIG. 3 A schematic characteristic of the ball seat valve VNO according to Figure 2 shows FIG. 3 , which indicates the volume flow Q as a function of the current intensity I.
  • a high flow or volume flow of fluid, ie fuel is achieved, which decreases with increasing current, so with increasing current up to the value zero, ie until the ball seat valve VNO is closed. Because of the hysteresis properties of the electromagnet, the characteristic doubles in the middle range.

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  • Magnetically Actuated Valves (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Common-Rail-System für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Common-Rail-Systeme als Kraftstoffeinspritzsysteme sind bekannt, die eine Hochdruckpumpe zum Bereitstellen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff für einen Hochdruckspeicher (Common Rail) und eine Niederdruckpumpe als Vorförderpumpe aufweisen, welche den Kraftstoff von einem Kraftstofftank über eine Förderleitung an die Hochdruckpumpe fördert, wobei die von der Hochdruckpumpe dem Hochdruckspeicher zugeführte Kraftstoffmenge durch ein in der Förderleitung angeordnetes Durchflussregelventil gesteuert und die von dem Durchflussregelventil bemessene Kraftstoffmenge von der Hochdruckpumpe mit dem entsprechenden Hochdruck beaufschlagt wird.
  • Ein solches Common-Rail-System CRS ist schematisch in Figur 4 dargestellt. Hiernach besteht dieses Common-Rail-System CRS aus einem Hochdruckspeicher R, aus welchem Einspritzventile Inj einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt), bspw. eines Dieselmotors mit Kraftstoff versorgt werden.
  • Der Hochdruckspeicher R ist über eine Hochdruckleitung L1 mit einer Hochdruckpumpe HP verbunden, welche von einem Elektromotor M1 angetrieben wird. Aus einem Kraftstoffbehälter KB wird mittels einer von einem Elektromotor M2 angetriebenen Niederdruckpumpe NP über eine Förderleitung L2 Kraftstoff für ein Durchflussregelventil VNC gefördert, welches als elektromagnetisches Schaltventil in der Bauart Schieberventil ausgebildet und im unbestromten Zustand geschlossen ist ("Normally Closed"). Ausgangsseitig ist dieses Schieberventil VNC mit der Hochdruckpumpe HP verbunden.
  • Schließlich verbindet ein Hochdruckregelventil HPV den Hochdruckspeicher R über eine Druckablassleitung L3 mit der Ausgangsseite der Niederdruckpumpe NP. Dieses als elektromagnetisches Schaltventil ausgebildete Hochdruckregelventil HPV dient zur schnellen Druckverminderung des Hochdruckspeichers R.
  • Dieses Hochdruckregelventil HPV ist deshalb erforderlich, da in nachteiliger Weise das Schieberventil VNC keine 100%ige Leckagefreiheit aufweist. Diese Leckage hat ihre Ursache in dem für die Verschiebbarkeit des Schieberelementes erforderlichen Spiel zwischen diesem Schieberelement und dem Ventilkörper. Das führt dazu, dass im Schiebebetrieb Kraftstoff in die Hochdruckpumpe HP gelangt und dort verdichtet wird, mit der Folge dass im Hochdruckspeicher R der Druck ansteigt, wenn die Injektoren Inj keinen Kraftstoff an die Brennkraftmaschine liefern, also kein Verbraucher mit dem Hochdruckspeicher R verbunden ist. Mit dem Hochdruckregelventil HPV wird in solchen Betriebszuständen der Druck abgelassen.
  • Sowohl das Durchflussregelventil VNC, die Hoch- und Niederdruckpumpe HP bzw. NP, das Hochdruckregelventil HPV als auch die Einspritzventile Inj werden von einem Steuergerät (nicht dargestellt) gesteuert bzw. geregelt.
  • Ein der Figur 4 entsprechendes Common-Rail-System ist bspw. aus der DE 60 2005 003 427 T2 bekannt, bei dem als Durchflussregelventil ein Schieberventil verwendet wird, welches im unbestromten Zustand geschlossen ist. Um den bei Verwendung von üblichen Schieberventilen neben der mangelnden Leckagefreiheit auftretenden Nachteilen, nämlich mangelnde Zentrierung des Schieberelementes im Ventilraum und die dadurch bedingte mangelnde Gleitfähigkeit, welche zu einer höheren Abnutzung mit hohem Abrieb führt, entgegenzuwirken, wird eine verbesserte Konstruktion eines Schieberventils vorgeschlagen. Diese verbesserte Konstruktion betrifft die Ausgestaltung des Schieberelementes.
  • Der Nachteil der mangelnden Leckagefreiheit bei der Verwendung eines Schieberventils in einem Common-Rail-System wird gemäß der DE 198 46 157 A1 dadurch beseitigt, dass ausgangsseitig des Durchflussregelventils sowohl eine auf den Kraftstoffbehälter zurückgeführte Rücklaufleitung vorgesehen ist als auch ein Differenzdruckventil angeschlossen ist, welches mit den Saugventilen einer Hochdruckpumpe verbunden ist. Damit wird erreicht, dass die Hochdruckpumpe im Betriebszustand "Null-Förderung" keinen Kraftstoff fördert, da das Differenzdruckventil vom Leckstrom des Durchflussregelventils nicht überwunden werden kann.
  • Ein weiterer Nachteil der Verwendung von "Normally Closed"-Schieberventilen in Common-Rail-Systemen liegt darin, dass im Falle eines Defektes oder des Ausfalls eines solchen Schieberventils kein Kraftstoff mehr in das Rail, also in den Hochdruckspeicher gefördert werden kann und damit ein weiterer Betrieb der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Common-Rail-System der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden, insbesondere ein einfacher Aufbau mit wenigen Bauteilen ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Common-Rail-System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Dieses Common-Rail-System für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeug umfasst eine Hochdruckpumpe, welche mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff an einen Hochdruckspeicher liefert, von welchem der Kraftstoff mindestens einem Einspritzventil der Brennkraftmaschine zugeführt wird, ferner eine Niederdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter über eine Förderleitung an die Hochdruckpumpe und schließlich ein Durchflussregelventil als elektromagnetisches Schaltventil, welches in der Förderleitung zur Steuerung der von der Hochdruckpumpe dem Hochdruckspeicher zugeführten Kraftstoffmenge angeordnet ist. Außerdem ist das Durchflussregelventil als Kugelsitzventil mit einer mit der Niederdruckpumpe verbundenen Einlassöffnung und einer mit der Hochdruckpumpe verbundenen Auslassöffnung ausgebildet, welches im unbestromten Zustand geöffnet ist.
  • Ein solches erfindungsgemäßes Common-Rail-System mit einem Kugelsitzventil, welches im unbestromten Zustand offen ist ("Normally Open"), führt im Betrieb der Brennkraftmaschine zumindest zu keiner Fehlfunktion des Brennkraftmaschine, wenn dieses Kugelsitzventil defekt wird oder ausfällt.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein solches Kugelsitzventil als elektromagnetisches Schaltventil keine Leckage aufweist, so dass im Betriebszustand "Null-Förderung" kein Kraftstoff über die Hochdruckpumpe in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Dies führt dazu, dass auf das bei dem bekannten Common-Rail-System gemäß Figur 4 erforderliche Hochdruckregelventil HPV entfallen kann. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist es ausreichend, anstelle dieses Hochdruckregelventils HPV nur ein mechanisches Überdruckventil vorzusehen. Dieses mechanische Überdruckventil öffnet nur im "worst case", bspw. wenn das Kugelsitzventil klemmen würde.
  • Damit reduziert sich gegenüber bekannten Common-Rail-Systemen gemäß Stand der Technik die Anzahl der erforderlichen Bauteile, zumindest aber wird mit dem erfindungsgemäßen Common-Rail-System ein einfacherer Aufbau realisiert, da ein aufwendiges Hochdruckregelventil entfällt.
  • Solche Kugelsitzventile als elektromagnetische Schaltventile, die im stromlosen Zustand offen sind, sind bspw. aus der DE 40 41 377 A1 oder der EP 1 241 338 A1 bekannt.
  • DE 102 51 014 A1 offenbart ein elektromagnetisches Regelventil für Kraftstoffeinspritzeinlagen von Brennkraftmaschinen, das als Schieberventil ausgebildet ist. Die Ventilregelung erfolgt durch einen einstellbaren Ventilkolben mit Seitenöffnungen, die mit den Austrittöffnungen des Ventils zusammenwirken. Die Abdichtung des Ventils erfolgt über eine Dichtkugel, die durch einen Stößel über den Ventilkolben gegen einen Dichtkugelsitz gepresst werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Common-Rail-System zeichnet sich dadurch aus, dass das Kugelsitzventil mit einem Ventilsitz und einer Ventilkugel ausgebildet ist, derart, dass im bestromten Zustand des Kugelsitzventils durch Druckbeaufschlagung seitens der Niederdruckpumpe die Ventilkugel am Ventilsitz unter Verschluss der Einlassöffnung anliegt. Außerdem drückt im unbestromten Zustand ein Ventilstößel an die Ventilkugel und hebt diese vom Ventilsitz ab.
  • Da die Ventilkugel auf der Druckseite liegt und ausschließlich vom Fluiddruck der Niederdruckpumpe im bestromten Zustand des Kugelsitzventils gegen den Ventilsitz gedrückt wird, entfallen Federelemente auf der Druckseite und es müssen deshalb keine Federtoleranzen beachtet bzw. eingestellt werden. Es wird eine hohe Dichtheit erreicht und damit auch eine vollständige Leckagefreiheit sichergestellt.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Kugelsitzventil mit einem federvorgespannten Ventilstößel ausgebildet, derart dass zum Öffnen der Einlassöffnung der Ventilstößel im unbestromten Zustand des Kugelsitzventils in einer die Ventilkugel von dessen Ventilsitz abhebenden Wirkverbindung steht. Erfindungsgemäß weist das Kugelsitzventil einen gegenüber einem Polkern verschiebbaren Anker auf, der den Ventilstößel zentrisch aufnimmt. Damit arbeitet der Anker, der den Ventilstößel aufnimmt, gegen eine Druckfeder, die sich auf der drucklosen Seite befindet.
  • Dies führt zu einer mechanischen Entkopplung von Anker bzw. Ventilstößel und Ventilkugel, wodurch die Belastungen des Ankers und des Ventilstößels unter Vibrationen reduziert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Polkern eine zentrische Bohrung zur Aufnahme einer Druckfeder auf, wobei einenends die Druckfeder sich gegen den Anker abstützt und andernends gegen ein die Bohrung an der ankerabgewandten Seite des Polkerns verschließendes Verschlussteil des Polkerns abstützt.
  • Mit einem solchen Verschlussteil, das entweder mittels einer Presspassung oder einer Schraubverbindung in die Bohrung des Polkerns eingeführt wird, lässt sich in Abhängigkeit der Eindringtiefe des Verschlussteils in den Polkern die Federkraft der auf den Ventilstößel wirkenden Druckfeder einstellen.
  • Schließlich ist es gemäß einer letzten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Anker mit einer dezentralen Bohrung ausgebildet ist, welche die Bohrung des Polkerns mit einem ventilkugelseitigen Ventilraum verbindet. Damit wird ein Druckausgleich der beiden Räume über diese dezentrale Bohrung des Ankers erreicht und dadurch Druckpulsationen verhindert und eine gleichmäßige Füllung der Arbeitsräume der Hochdruckpumpe ermöglicht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Systems mit einem Kugelsitzventil als Durchflussregelventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
    Figur 2
    einen axialen Längsschnitt des Kugelsitzventils des Common-Rail-Systems nach Figur 1,
    Figur 3
    eine Kennlinie des Kugelsitzventils nach Figur 2, und
    Figur 4
    eine schematische Darstellung eines Common-Rail-Systems mit einem Schieberventil als Durchflussregelventil gemäß Stand der Technik.
  • Das Common-Rail-System CRS nach Figur 1 besteht aus einem Hochdruckspeicher R mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff, welcher mittels Injektoren Inj einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) zugeführt wird.
  • Der Hochdruckspeicher R ist über eine Hochdruckleitung L1 mit einer Hochdruckpumpe HP verbunden, die von einem Elektromotor M1 angetrieben wird.
  • Eine von einem Elektromotor M2 angetriebene Niederdruckpumpe NP fördert Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter KB, der über eine Förderleitung L2 der Hochdruckpumpe HP zugeführt wird, wobei in dieser Förderleitung L2 ein Kugelsitzventil VNO als Durchflussregelventil angeordnet ist, welches als elektromagnetisches Schaltventil im unbestromten Zustand offen ist.
  • Mit diesem Kugelsitzventil VNO wird die Kraftstoffmenge gesteuert, die die Hochdruckpumpe HP dem Hochdruckspeicher R zuführt.
  • Schließlich ist der Hochdruckspeicher R über ein mechanisches Überdruckventil VÜ und einer Druckablassleitung L3 mit der Förderleitung L2 zwischen der Niederdruckpumpe NP und dem Kugelsitzventil VNO verbunden. Dieses Überdruckventil VÜ ist lediglich aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlich, um im Falle eines "worst case" einen Überdruck im Hochdruckspeicher R ablassen zu können.
  • Schließlich umfasst dieses Common-Rail-System CRS gemäß Figur 1 auch ein Steuergerät (nicht dargestellt), welches die Niederdruckpumpe NP, die Hochdruckpumpe HP, das Kugelsitzventil VNO und die Injektoren Inj über Steuerleitungen (nicht dargestellt) in Abhängigkeit von Sensorsignalen und Betriebszustand der Brennkraftmaschine steuert.
  • Dieses erfindungsgemäße Common-Rail-System CRS zeichnet sich durch die Verwendung eines Kugelsitzventils VNO als Durchflussregelventil aus, welches im unbestromten Zustand offen ist und den der Hochdruckpumpe HP zugeführten Kraftstoff-Volumenstrom steuert.
  • Dadurch dass ein solches Kugelsitzventil VNO leckagefrei ist, wird im Betriebszustand "Null-Förderung" kein Kraftstoff von dem Kugelsitzventil VNO an die Hochdruckpumpe HP geliefert. Deshalb kann auf ein Hochdruckregelventil HPV, wie im Stand der Technik nach Figur 4 erforderlich ist, bei dem erfindungsgemäßen Common-Rail-System CRS gemäß Figur 1 verzichtet werden. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist lediglich ein mechanisches Überdruckventil VÜ vorgesehen, welches eine Verbindung zwischen dem Hochdruckspeicher R und der Förderleitung L2 zwischen der Niederdruckpumpe NP und dem Kugelsitzventil VNO herstellen kann.
  • Im Ruhezustand, also im unbestromten Zustand ist das Kugelsitzventil VNO offen, so dass bei einem Defekt oder bei einem Ausfall dieses Kugelsitzventils VNO trotzdem der von der Niederdruckpumpe NP geförderte Kraftstoff an die Hochdruckpumpe geliefert werden kann, so dass zumindest Fehlfunktionen betreffend die Brennkraftmaschine ausgeschlossen sind.
  • Ein solches Kugelsitzventil VNO zeigt Figur 2, welches in einem Ventilgehäuse 20 einen zentrisch gelagerten Polkern 8 aufnimmt, der teilweise von einer Ringspule, bestehend aus einer auf einem Spulenkörper 15 angeordneten Spulenwicklung 16 umschlossen wird.
  • An den Polkern 8 schließt sich über einen Verbindungsring 13 ein Ventilkörper 1 mit einer zentrischen Bohrung 1a an, der polkernseitig einen zentrischen Aufnahmeraum 1b für einen Anker 5 bildet. Der Anker 5 trägt zentrisch einen Ventilstößel 6, der polkernseitig die Stirnfläche des Ankers 5 überragt und in eine zentrische Bohrung 8a des Polkerns 8 hineinragt. Diese Bohrung 8a wird endseitig durch einen Verschluss 11 verschlossen, wobei eine in der Bohrung 8a des Polkerns 8 angeordnete Druckfeder 9 sich einerseits gegen diesen Verschluss 11 und andererseits gegen die benachbarte Stirnseite des Ankers 5 über einen dort anliegenden Federteller 7 abstützt.
  • Die Bohrung 8a des Polkerns 8 geht ankerseitig in eine abgesetzte zylindrische Bohrung 8b über, deren Durchmesser dem Durchmesser des Ankers 5 entspricht, so dass der Anker 5 bei einer Bestromung der Spulenwicklung 16 in diese Bohrung 8b des Polkerns 8 gegen die Federkraft der vorgespannten Druckfeder 9 an die Polfläche des Polkerns 8 gezogen wird. Der diese zylindrische Bohrung umgebende Ring 8c ist als Steuerkonus mit einem Außenkonus ausgebildet, der dazu dient, die Magnetkraft-Hub-Kennlinie einzustellen, wenn der Anker 5 aus seiner Ruhestellung entsprechend der in Figur 2 dargestellten Position durch Bestromung der Spulenwicklung 16 in Richtung der Polfläche des Polkerns 8 gezogen wird.
  • Der Anker 5 wird von einer Hülse 10 aufgenommen, die sich über den Bereich der Bohrung 1b und des Verbindungsringes 13 erstreckt.
  • Auf der polkernabgewandten Seite des Ankers 5 erstreckt sich die Bohrung 1a des Ventilkörpers 1 bis in einen Ventilraum 1c und geht endseitig in eine Einlassöffnung 1d über, die an die Niederdruckpumpe NP angeschlossen ist.
  • Der sich an diese Einlassöffnung 1d anschließende Ventilraum 1c nimmt einen Kugelkäfig 3 zu Aufnahme einer Ventilkugel 4 und einen sich daran anschließenden Ventilsitz 2 für die Ventilkugel 4 auf.
  • In einem an den Ventilraum 1c anschließenden Bereich der zentralen Bohrung 1a des Ventilkörpers 1 sind wenigstens zwei diametral gegenüberliegende radiale Bohrungen 1e als Auslassöffnung 1e vorgesehen, die auf die Hochdruckpumpe HP geführt werden.
  • Der Ventilstößel 6 weist ausgehend von der polkernabgewandten Stirnseite des Ankers 5 eine solche Länge auf, dass in der in Figur 2 dargestellten Ruhestellung des Kugelsitzventils VNO, also im unbestromten Zustand die Druckfeder 9 den Anker 5 vollständig in die Bohrung 1b des Ventilkörpers 1 in Richtung der Einlassöffnung 1d drückt und dabei der Ventilstößel 6 mit einer Nadelspitze 6a die Ventilkugel 4 von dem Ventilsitz 2 abhebt, so dass der Durchgang zwischen der Einlassöffnung 1d und der Auslassöffnung 1e freigegeben wird.
  • Der Anker 5 weist eine nichtzentrische, parallel zur Längsachse verlaufende Bohrung 5a auf, die dessen beiden Stirnflächen verbindet. Damit werden der Ventilraum 1c und die Auslassöffnungen 1e mit der Bohrung 8a des Polkerns 8 verbunden, so dass ein Druckausgleich zwischen diesen Räumen während des Betriebes des Kugelsitzventils VNO erfolgen kann, bzw. sich keine Druckdifferenz zwischen diesen Räumen aufbaut.
  • Zur Montage des Kugelsitzventils VNO, bspw. an der Hochdruckpumpe HP ist ein Flansch 12 vorgesehen. Bei einem entsprechenden Anschluss sind O-Ringe 14 und 21 des Ventilkörpers 1 als Dichtringe vorgesehen. Der Spulenkörper 16 ist zur Bildung eines einen Anschlussstecker 18 aufnehmenden Kunststoffkörpers 17 umspritzt, wobei eine Dichtscheibe 19 die Dichtheit gegenüber der Umgebung herstellt.
  • Wird ausgehend der Ruhelage des Kugelsitzventils VCO gemäß Figur 2 die Spulenwicklung 16 bestromt, wird der Anker 5 zusammen mit dem Ventilstößel 6 in Richtung des Polkerns 8 gegen die Federkraft der Druckfeder 9 gezogen, so dass aufgrund des einlassseitigen Druckes die Ventilkugel 4 in den Ventilsitz 2 gedrückt und dadurch das Kugelsitzventil VNO geschlossen wird.
  • Bei der Montage des Kugelsitzventils VNO kann eine Federkrafteinstellung der Druckfeder 9, mit welcher der Anker 5 vorgespannt wird, durchgeführt werden. Hierzu kann der die Bohrung 8a des Polkerns 8 endseitig verschließende Verschluss 11 unterschiedlich tief in die Bohrung 8a eingeführt werden oder mit unterschiedlichen Längen ausgebildet werden, so dass hierdurch unterschiedliche Einbaulängen für die Druckfeder 9 entstehen. Zum Einbringen des Verschlusses 11 in die Bohrung 8a kann ein Presspassung oder auch eine Gewindeverbindung vorgesehen werden.
  • Durch unterschiedliche Tellerfedern 7 kann auch leicht eine Hubeinstellung des Ankers 5 vorgenommen werden.
  • Eine schematische Kennlinie des Kugelsitzventils VNO gemäß Figur 2 zeigt Figur 3, die in Abhängigkeit der Stromstärke I den Volumenstrom Q angibt. Im unbestromten Zustand bzw. bei geringen Stromstärken wird ein hoher Durchfluss bzw. Volumenstrom an Fluid, also an Kraftstoff erzielt, der mit zunehmender Bestromung, also mit zunehmender Stromstärke bis auf den Wert Null abnimmt, d. h. bis das Kugelsitzventil VNO geschlossen ist. Wegen Hystereseeigenschaften des Elektromagneten verdoppelt sich die Kennlinie im mittleren Bereich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ventilkörper
    1a
    zentrische Bohrung des Ventilkörpers 1
    1b
    Aufnahmeraum des Ventilkörpers 1
    1c
    Ventilraum
    1d
    Einlassöffnung
    1e
    Auslassöffnung
    2
    Ventilsitz
    3
    Kugelkäfig
    4
    Ventilkugel
    5
    Anker
    5a
    dezentrale Bohrung des Ankers 5
    6
    Ventilstößel
    7
    Federteller
    8
    Polkern
    8a
    Bohrung des Polkerns 8
    8b
    Bohrung des Polkerns 8
    8c
    Steuerkonus des Polkerns 8
    9
    Druckfeder
    10
    Hülse
    11
    Verschluss des Polkerns 8
    12
    Flansch
    13
    Verbindungsring
    14
    O-Ring
    15
    Spulenkörper
    16
    Spulenwicklung
    17
    Kunststoffkörper
    18
    Anschlussstecker
    19
    Dichtscheibe
    20
    Ventilgehäuse
    21
    O-Ring
    CRS
    Common-Rail-System
    HP
    Hochdruckpumpe
    HPV
    Hochdruckregelventil
    Inj
    Injektor
    KB
    Kraftstoffbehälter
    M1
    Elektromotor der Hochdruckpumpe HP
    M2
    Elektromotor der Niederdruckpumpe NP
    NP
    Niederdruckpumpe
    L1
    Hochdruckleitung
    L2
    Förderleitung
    L3
    Druckablassleitung
    R
    Hochdruckspeicher
    VNC
    Schieberventil
    VNO
    Kugelsitzventil
    VÜ
    mechanisches Überdruckventil

Claims (4)

  1. Common-Rail-System (CRS) für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, umfassend:
    - eine Hochdruckpumpe (HP), welche mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff an einen Hochdruckspeicher (R) liefert, von welchem der Kraftstoff mindestens einem Einspritzventil (Inj) der Brennkraftmaschine zugeführt wird,
    - eine Niederdruckpumpe (NP) zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter (KB) über eine Förderleitung (L2) an die Hochdruckpumpe (HP),
    - ein Durchflussregelventil als elektromagnetisches Schaltventil, welches in der Förderleitung (L2) zur Steuerung der von der Hochdruckpumpe (HP) dem Hochdruckspeicher (R) zugeführten Kraftstoffmenge angeordnet ist, wobei das Durchflussregelventil als Kugelsitzventil (VNO) mit einer mit der Niederdruckpumpe (NP) verbundenen Einlassöffnung (1d) und einer mit der Hochdruckpumpe (HP) verbundenen Auslassöffnung (1e) ausgebildet ist, welches im unbestromten Zustand geöffnet ist, wobei das Kugelsitzventil (VNO) einen gegenüber einem Polkern (8) verschiebbaren Anker (5) aufweist, der den Ventilstößel (6) zentrisch aufnimmt,
    wobei der Polkern (8) eine zentrische, zylindrische Bohrung (8b) mit einem umgebenden Ring (8c) aufweist, der als Steuerkonus zum Einstellen einer Magnetkraft-Hub-Kennlinie ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kugelsitzventil (VNO) mit einem Ventilsitz (2) und einer Ventilkugel (4) ausgebildet ist, derart, dass im bestromten Zustand des Kugelsitzventils (VNO) durch Druckbeaufschlagung seitens der Niederdruckpumpe (NP) die Ventilkugel (4) am Ventilsitz (2) unter Verschluss der Einlassöffnung (1d) anliegt, wobei im unbestromten Zustand ein Ventilstößel (6) an die Ventilkugel (4) drückt und diese vom Ventilsitz (2) abhebt.
  2. Common-Rail-System (CRS) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kugelsitzventil (VNO) mit einem federvorgespannten Ventilstößel (6) ausgebildet ist, derart dass zum Öffnen der Einlassöffnung (1d) der Ventilstößel (6) im unbestromten Zustand des Kugelsitzventils (VNO) in einer die Ventilkugel (4) von dessen Ventilsitz (2) abhebenden Wirkverbindung steht.
  3. Common-Rail-System (CRS) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Polkern (8) eine zentrische Bohrung (8a) zur Aufnahme einer Druckfeder (9) aufweist, wobei einenends die Druckfeder (9) sich gegen den Anker (5) abstützt und andernends gegen ein die Bohrung (8a) an der ankerabgewandten Seite des Polkerns (8) verschließendes Verschlussteil (11) des Polkerns (8) abstützt.
  4. Common-Rail-System (CRS) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anker (5) mit einer dezentralen Bohrung (5a) ausgebildet ist, welche die Bohrung (8a) des Polkerns (8) mit einem ventilkugelseitigen Ventilraum (1c) verbindet.
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