EP3008327B1

EP3008327B1 - Mengenbegrenzungsventil

Info

Publication number: EP3008327B1
Application number: EP14729857.4A
Authority: EP
Inventors: Robby Gerbeth; Michael Walder; Andreas Mehr; Markus Staudt; Frank MLICKI
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: CN105264216B; DE102013210983A1; JP2016520767A; CN105264216A; HK1220243A1; US9909547B2; EP3008327A1; WO2014198387A1; DE102013210983B4; US20160084210A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mengenbegrenzungsventil für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mengenbegrenzungsventile der hier angesprochenen Art sind bekannt. Typischerweise wird in eine Leitungsverbindung zwischen einer Hochdruckquelle und einem Injektor ein Mengenbegrenzungsventil vorgesehen, um eine dem Injektor maximal während eines Öffnungszyklus zuführbare und damit in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eindüsbare Kraftstoffmenge zu begrenzen. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der Brennkraftmaschine durch eine zu große Menge eingespritzten Kraftstoffs verhindert werden, beispielsweise wenn der Injektor einen Defekt aufweist, sodass er nicht mehr oder nicht mehr vollständig schließt. Ein solches Mengenbegrenzungsventil weist üblicherweise einen Zuströmbereich und einen Abströmbereich auf. Es umfasst außerdem einen Kolben, der in einem Zylinder verlagerbar geführt ist. Durch den Kolben wird der Zuströmbereich von dem Abströmbereich separiert, wobei eine Fluidverbindung zwischen dem Zuströmbereich und dem Abströmbereich über einen den Kolben bereichsweise durchsetzenden Überströmkanal und einen zwischen einer Umfangsfläche des Kolbens und einer Innenfläche des Zylinders angeordneten Strömungspfad besteht. Der Kolben ist in einer ersten Funktionsstellung mit einer Stirnfläche gegen eine Anschlagsfläche eines Anschlagelements vorgespannt. Das Mengenbegrenzungsventil ist - in Strömungsrichtung gesehen - zwischen der Hochdruckquelle und dem Injektor angeordnet oder stromaufwärts einer eigentlichen Injektionseinrichtung in den Injektor integriert. Solange der Injektor geschlossen ist, wobei eine Fluidverbindung zu einer dem Injektor zugeordneten Brennkammer gesperrt ist, ist das Mengenbegrenzungsventil in seiner ersten Funktionsstellung angeordnet. Wird der Injektor geöffnet, strömt Kraftstoff aus dem Abströmbereich in die Brennkammer aus. Daher fällt der Druck in den Abströmbereich, und es bildet sich eine Druckdifferenz über dem Kolben zwischen dem Zuströmbereich und dem Abströmbereich aus. Aufgrund der Druckdifferenz wird der Kolben von der Anschlagsfläche gelöst und in den Abströmbereich hinein verlagert. Dabei strömt Kraftstoff aus dem Zuströmbereich über die Fluidverbindung in den Abströmbereich nach. Der limitierende Strömungsquerschnitt der Fluidverbindung ist so gewählt, dass pro Zeiteinheit weniger Kraftstoff über diese aus dem Zuströmbereich in den Abströmbereich strömen kann, als der Brennkammer über den Injektor aus dem Abströmbereich zugeführt wird. Der Druckunterschied zwischen dem Zuströmbereich und dem Abströmbereich bleibt demnach bestehen, und der Kolben verlagert sich weiter in Richtung des Abströmbereichs, solange der Injektor geöffnet ist. Wird dieser geschlossen, strömt aufgrund des zunächst fortbestehenden Druckunterschieds weiterhin Kraftstoff aus dem Zuströmbereich über die Fluidverbindung in den Abströmbereich nach, wobei der Druckunterschied zunehmend ausgeglichen wird. Ist schließlich die aufgrund der Vorspannung auf den Kolben wirkende Kraft größer als die aufgrund des Druckunterschieds ihr entgegengesetzt wirkende Kraft, wird der Kolben in Richtung der Anschlagsfläche zurückverlagert, bis er wiederum mit seiner Stirnfläche an diese anschlägt und somit erneut in seiner ersten Funktionsstellung angeordnet ist. Ist dagegen der Injektor aufgrund eines Defekts dauerhaft geöffnet, erreicht der Kolben im Zuge seiner Bewegung in den Abströmbereich hinein eine Dichtfläche, an welcher er dichtend anliegt. Er gelangt so in eine zweite Funktionsstellung, in welcher der Zuströmbereich von dem Abströmbereich oder zumindest von einem Ausströmbereich des Injektors, aus dem Kraftstoff in die Brennkammer ausströmt, fluidisch getrennt ist. Es kann dann kein Kraftstoff mehr aus dem Zuströmbereich in den Ausströmbereich gelangen. Dieser läuft daher in die Brennkammer leer, was zugleich den Druckunterschied über den Kolben zu dem Zuströmbereich maximiert. Der Kolben wird daher dauerhaft von dem im Zuströmbereich herrschenden Druck gegen die Dichtfläche gedrängt, sodass kein Kraftstoff mehr in die Brennkammer gelangen kann. Die Brennkraftmaschine ist wirksam vor einer Beschädigung durch eine zu große Kraftstoffmenge geschützt.
Nachteilig bei einem bekannten Mengenbegrenzungsventil ist, dass sich der Kolben zu Beginn einer Einspritzung in Hinblick auf den Einspritzbeginn verspätet und schlagartig von seinem Sitz in der ersten Funktionsstellung löst. Insbesondere dann, wenn ein Druckverlauf in einem dem Injektor zugeordneten Einzelspeicher zur Bestimmung des Einspritzbeginns verwendet wird, führt das schlagartige Lösen des Kolbens zu einer dem Druckverlauf überlagerten Öffnungswelle, nämlich einer zeitlich lokalen Drucküberhöhung, die zu einer Fehlauswertung des Druckverlaufs und damit zu einer fehlerhaften Bestimmung des Einspritzbeginns führt. Der Verlauf der Öffnungswelle ändert sich typischerweise über die Lebensdauer des Mengenbegrenzungsventils. Dementsprechend sind Fehlauswertungen des in dem Einzelspeicher erfassten Drucksignals unvermeidbar.
Aus der WO 2004/063558 A1 ist ein Mengenbegrenzungsventil für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in Ergänzung zur vorherigen Beschreibung in einem Berührungsbereich der Stirnfläche mit der Anschlagsfläche in der ersten Funktionsstellung eine Unterströmungsstruktur ausgebildet ist, die mindestens einen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Anschlagelement umfasst, der mit dem Zuströmbereich in Fluidverbindung ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mengenbegrenzungsventil zu schaffen, welches die genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll mit dem Mengenbegrenzungsventil ein verspätetes und schlagartiges Lösen des Kolbens von seinem Sitz in der ersten Funktionsstellung und mithin die Ausbildung einer Öffnungswelle vermieden werden. Hierdurch soll insbesondere die Möglichkeit geschaffen werden, ein Drucksignal in einem Einzelspeicher, der einem Injektor zugeordnet ist, fehlerfrei und reproduzierbar auszuwerten, wobei insbesondere ein Einspritzbeginn sicher erkannt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Mengenbegrenzungsventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Unterströmungsstruktur mindestens einen sich zu der Anschlagsfläche hin erstreckenden Vorsprung, der die Stirnfläche zumindest bereichsweise aufweist, und/oder mindestens eine sich in die Stirnfläche hinein erstreckende Ausnehmung umfasst.
Anstelle großflächiger Plananlagen zwischen der Stirnfläche und der Anschlagsfläche ist so im Berührungsbereich eine Geometrie geschaffen, in der Kraftstoff aus dem Zuströmbereich in den mindestens einen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Anschlagelement strömen und somit quasi den Berührungsbereich unterströmen kann. Hierdurch ist eine größere Fläche des Kolbens bereits in der ersten Funktionsstellung mit dem in dem Zuströmbereich herrschenden Druck belastet, sodass sich der Kolben schneller von seinem gegen die Anschlagsfläche vorgespannten Sitz löst. Vorzugsweise steht der mindestens eine Zwischenraum mit der Fluidverbindung, insbesondere mit dem zwischen der Umfangsfläche des Kolbens und der Innenfläche des Zylinders angeordneten Strömungspfad in Fluidverbindung, sodass unmittelbar beim Öffnen des Injektors bereits eine geringe Menge Kraftstoff von dem Zuströmbereich in den Abströmbereich strömen kann, beziehungsweise ein zusätzlicher Fluidpfad von dem Zuströmbereich zu dem Abströmbereich über den Kolben eröffnet ist. Hierdurch ergibt sich ein sanfteres Herausverlagern des Kolbens aus seiner ersten Funktionsstellung, wobei dieser sich nicht mehr schlagartig, sondern vielmehr stetig und in einem sanften Übergang von seinem Sitz löst. Auf diese Weise wird die Ausbildung einer Öffnungswelle wirksam vermieden. Ein vorzugsweise in einem Einzelspeicher des Injektors erfasster Druckverlauf weist keine Störung durch das Ansprechverhalten des Mengenbegrenzungsventils auf. Er ist somit ohne Weiteres fehlerfrei und reproduzierbar auswertbar. Es ergibt sich kein über die Lebensdauer veränderliches Ansprechverhalten des Mengenbegrenzungsventils.
Beim Mengenbegrenzungsventil gemäß der Erfindung ist anstelle einer planen Stirnfläche ist also mindestens ein dem Anschlagelement zugewandter Vorsprung - in axialer Richtung gesehen - an dem Kolben vorgesehen, wobei die Stirnfläche zumindest bereichsweise an einem dem Anschlagelement zugewandten, axialen Ende des Vorsprungs angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Unterströmungsstruktur mehr als einen Vorsprung, wobei an jedem Vorsprung ein Bereich der Stirnfläche angeordnet ist. In seiner ersten Funktionsstellung liegt der Kolben mit dem mindestens einen Vorsprung unter Vorspannung an der Anschlagsfläche an, wobei dem mindestens einen Vorsprung benachbart, insbesondere - in Umfangsrichtung gesehen - zwischen den Vorsprüngen, der mindestens eine Zwischenraum ausgebildet ist, in den in der ersten Funktionsstellung Kraftstoff aus dem Zuströmbereich gelangt.
Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Unterströmungsstruktur mindestens eine sich in die Stirnfläche hinein erstreckende Ausnehmung umfasst. Vorzugsweise weist die Unterströmungsstruktur mehr als eine Ausnehmung auf. In diesem Fall ist der mindestens eine Zwischenraum durch die Ausnehmung gebildet, wobei in der ersten Funktionsstellung Kraftstoff aus dem Zuströmbereich in die Ausnehmung gelangt.
Es wird auch ein Mengenbegrenzungsventil bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Unterströmungsstruktur mindestens einen sich zu der Stirnfläche hin erstreckenden Vorsprung umfasst, der die Anschlagsfläche zumindest bereichsweise aufweist. In diesem Fall ist demnach die Unterströmungsstruktur zumindest nicht ausschließlich an dem Kolben, sondern auch oder gegebenenfalls vollständig an dem Anschlagelement vorgesehen, nämlich in Form mindestens eines Vorsprungs, an dem die Anschlagsfläche zumindest bereichsweise angeordnet ist. Vorzugsweise ist an dem Anschlagelement mehr als ein Vorsprung vorgesehen, wobei jeder Vorsprung einen Bereich der Anschlagsfläche aufweist. Auch in diesem Fall ist der mindestens eine Zwischenraum zu dem mindestens einen Vorsprung benachbart und besonders bevorzugt - in Umfangsrichtung gesehen - zwischen den Vorsprüngen ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Unterströmungsstruktur bevorzugt mindestens eine sich in die Anschlagsfläche hinein erstreckende Ausnehmung. Der mindestens eine Zwischenraum wird in diesem Fall durch die mindestens eine Ausnehmung gebildet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Unterströmungsstruktur sowohl mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung im Bereich des Kolbens, als auch mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung im Bereich des Anschlagelements. Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können also miteinander kombiniert werden.
Es wird auch ein Mengenbegrenzungsventil bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Anschlagelement als Anschlaghülse ausgebildet ist, die bereichsweise in den Zylinder eingreift. Bevorzugt liegt die Anschlaghülse mit einem Kragen, der entlang eines äußeren Umfangs derselben umläuft, auf einer Wandung des Zylinders - in axialer Richtung gesehen - auf. Das Anschlagelement ist also bevorzugt als separates, von dem Zylinder getrenntes Bauteil ausgebildet, was vorteilhaft in Hinblick auf eine einfache Bearbeitung der Anschlagsfläche ist. Insbesondere mit der Anschlagsfläche ragt die Anschlaghülse vorzugsweise in den Zylinder hinein, sodass der Berührungsbereich der Stirnfläche mit der Anschlagsfläche in einem Inneren des Zylinders angeordnet ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Kolben zu jedem Zeitpunkt sicher in dem Zylinder geführt wird.
Es wird auch ein Mengenbegrenzungsventil bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Kolben mindestens einen sich in Richtung auf die Anschlagsfläche hin erstreckenden Vorsprung aufweist, an welchem die Stirnfläche angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Kolben drei solche Vorsprünge auf. Alternativ oder zusätzlich weist der Kolben bevorzugt mindestens eine Ausnehmung, vorzugsweise drei Ausnehmungen auf, die in der Stirnfläche vorgesehen beziehungsweise in die Stirnfläche eingebracht ist/sind. Durch die Wahl von drei Vorsprüngen und/oder drei Ausnehmungen ergibt sich eine besonders lagestabile Berührung zwischen dem Kolben einerseits und dem Anschlagelement andererseits.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt, dass die Anschlaghülse mindestens einen sich in Richtung auf die Stirnfläche des Kolbens erstreckenden Vorsprung, der die Anschlagsfläche aufweist, vorzugsweise drei solche Vorsprünge, die gemeinsam die Anschlagsfläche aufweisen, und/oder mindestens eine Ausnehmung, vorzugsweise drei Ausnehmungen in der Anschlagsfläche aufweist. Auch diese Konfiguration ergibt eine besonders lagestabile Anlage in dem Berührungsbereich.
Vorzugsweise sind die drei Vorsprünge symmetrisch um eine Längsachse des Mengenbegrenzungsventils angeordnet, wobei sie besonders bevorzugt einen Winkelabstand von 120° zueinander aufweisen. Entsprechend sind die drei Ausnehmungen bevorzugt symmetrisch um die Längsachse des Mengenbegrenzungsventils angeordnet, wobei sie besonders bevorzugt einen Winkelabstand von 120° zueinander aufweisen. Auch bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kolben und/oder das Anschlagelement weniger als drei oder mehr als drei Vorsprünge und/oder Ausnehmungen umfasst/umfassen, sind diese bevorzugt symmetrisch, insbesondere in gleichen Winkelabständen, um die Längsachse des Mengenbegrenzungsventils herum angeordnet.
Mit einer Längsachse des Mengenbegrenzungsventils ist eine sich in die Richtung erstreckende Achse angesprochen, in der sich der Kolben bei einer Betätigung dess Mengenbegrenzungsventils verlagert. Die entsprechende Längsrichtung entspricht zugleich der Strömungsrichtung des Kraftstoffs von dem Zuströmbereich in den Abströmbereich. Eine Umfangsrichtung ist eine Richtung, welche die Längsrichtung konzentrisch umgreift. Eine radiale Richtung ist eine Richtung, die auf der Längsrichtung senkrecht steht.
Es wird auch ein Mengenbegrenzungsventil bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass mindestens eine Ausnehmung als sich in radialer Richtung erstreckende Nut ausgebildet ist. Eine solche Nut ist besonders einfach zu fertigen und weist strömungstechnische Vorteile auf.
Es wird auch ein Mengenbegrenzungsventil bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Anschlaghülse eine - sich in Längsrichtung erstreckende - Durchgangsbohrung aufweist, die zumindest bereichsweise den Zuströmbereich bildet. Die Durchgangsbohrung ist also bevorzugt zumindest Teil eines Kraftstoffreservoirs beziehungsweise dient der Durchleitung von Kraftstoff zu dem Injektor. Somit ist sie bevorzugt Teil der sich von der Hochdruckquelle zum Injektor erstreckenden Hochdruckleitung.
Schließlich wird ein Mengenbegrenzungsventil bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die mindestens eine Nut mit dem Zuströmbereich einerseits und mit dem Strömungspfad zwischen der Umfangsfläche des Kolbens und der Innenfläche des Zylinders andererseits in Fluidverbindung steht. Insofern bildet die mindestens eine Nut nicht nur einen Zwischenraum der Unterströmungsstruktur, sondern zugleich einen Fluidpfad, über den unmittelbar beim Öffnen des Injektors Kraftstoff aus dem Zuströmbereich über die Nut und den Strömungspfad in den Abströmbereich fließen kann. Hierdurch trägt die mindestens eine Nut wesentlich dazu bei, dass der Kolben sich weder verspätet noch schlagartig von seinem Sitz in der ersten Funktionsstellung löst, sondern vielmehr ein sanftes, kontinuierliches Öffnungsverhalten des Mengenbegrenzungsventils verwirklicht ist, welches sich insbesondere nicht störend auf eine Druckmessung im Bereich eines dem Injektor zugeordneten Einzelspeichers auswirkt.
Auch ein zwischen zwei Vorsprüngen angeordneter Zwischenraum kann als Nut im hier ausgeführten Sinne betrachtet werden, wobei sich der Zwischenraum bevorzugt in radialer Richtung erstreckt. In diesem Fall steht der Zwischenraum vorzugsweise mit dem Zuströmbereich einerseits und mit dem Strömungspfad andererseits in Fluidverbindung, wodurch sich die gleichen Vorteile ergeben, die in Zusammenhang mit der Nut erläutert wurden.
Das Mengenbegrenzungsventil wird vorzugsweise in einem Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine verwendet, das einen gemeinsamen Hochdruckspeicher, nämlich eine sogenannte gemeinsame Leiste aufweist, und das demnach als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist. Dabei stehen einzelne Injektoren der Brennkraftmaschine mit dem gemeinsamen Hochdruckspeicher in Fluidverbindung. Besonders bevorzugt wird das Mengenbegrenzungsventil in Zusammenhang mit einem Injektor verwendet, der als zusätzliches Puffervolumen einen Einzelspeicher aufweist. Dabei ist das Mengenbegrenzungsventil vorzugsweise in den Injektor integriert und besonders bevorzugt stromabwärts des Einzelspeichers angeordnet, sodass während einer Einspritzung Kraftstoff von dem Einzelspeicher in den Zuströmbereich nachströmt. Das Mengenbegrenzungsventil ist dabei für beliebige Kraftstoffe einsetzbar, die mittels eines Injektors in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine oder auch im Wege einer Einpunkteinspritzung in ein gemeinsames Saugrohr oder im Wege einer Mehrpunkteinspritzung in einzelnen Brennkammern zugeordnete Ansaugstutzen der Brennkraftmaschine eingedüst werden können. Fluide Kraftstoffe der hier relevanten Art umfassen dabei sowohl flüssige als auch gasförmige Kraftstoffe. So ist das Mengenbegrenzungsventil beispielsweise geeignet zur Einspritzung von Benzin, Diesel, Schweröl, Methanol, Ethanol oder höheren Alkoholen, sowie methanhaltigen Gasen, insbesondere Erdgas, Magergas oder Sondergas, sowie von jedem anderen geeigneten flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff. Auch Wasserstoff oder Synthesegas, nämlich ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, ist mit Hilfe des Mengenbegrenzungsventils eindüsbar. Besonders bevorzugt wird das Mengenbegrenzungsventil allerdings in Zusammenhang mit unter Normalbedingungen flüssigen Kraftstoffen eingesetzt.
Eine Brennkraftmaschine, in der das Mengenbegrenzungsventil eingesetzt wird, ist bevorzugt als Hubkolbenmaschine ausgebildet und kann dem Antrieb von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen dienen. Insbesondere ist es möglich, dass es sich hierbei um schwere Landmaschinen, um Minenfahrzeuge oder große Baumaschinen handelt. Es ist auch möglich, dass durch die Brennkraftmaschine der Verteidigung dienende Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Panzer, angetrieben werden. Auch die Verwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Zügen, beispielsweise in Triebwagen oder Lokomotiven, ist möglich. Weiterhin ist es möglich, eine entsprechende Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Schiffs einzusetzen. Auch stationäre Anwendungen, insbesondere zur Energieerzeugung beispielsweise in einem Blockheizkraftwert, sind möglich. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere als Notstromaggregat, für den Dauerlastbetrieb oder den Spitzenlastbetrieb eingesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine stationär Neben- oder Hilfsaggregate antreibt, beispielsweise Feuerlöschpumpen auf einer Bohrinsel.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Mengenbegrenzungsventils im Längsschnitt;
Figur 2A: eine schematische Unteransicht eines Anschlagelements des ersten Ausführungsbeispiels;
Figur 2B: eine schematische Seitenansicht des Anschlagelements gemäß Figur 2A, und
Figur 3: eine dreidimensionale, schematische Explosionsdarstellung von Teilen eines zweiten Ausführungsbeispiels des Mengenbegrenzungsventils.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Mengenbegrenzungsventils 1 im Längsschnitt. Das Mengenbegrenzungsventil 1 ist hier in einen Injektor 3 integriert, wobei der Injektor 3 einen Einzelspeicher 5 aufweist. Dabei ist der Injektor 3 Teil eines Einspritzsystems 6 einer Brennkraftmaschine 8, wobei das Einspritzsystem 6 einen gemeinsamen Hochdruckspeicher aufweist. Der Einzelspeicher 5 dient als zusätzliches Puffervolumen.
Das Mengenbegrenzungsventil 1 weist einen Zuströmbereich 7 sowie einen Abströmbereich 9 auf. In einem Zylinder 11 ist ein Kolben 13 - in axialer Richtung beziehungsweise in Längsrichtung, nämlich in Figur 1 in vertikaler Richtung - verlagerbar geführt, wobei durch den Kolben der Zuströmbereich 7 von dem Abströmbereich 9 abgeteilt ist.
Allerdings besteht eine Fluidverbindung zwischen dem Zuströmbereich 7 und dem Abströmbereich 9. Diese umfasst einen zumindest bereichsweise den Kolben 13 durchsetzenden Überströmkanal 15, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel diagonal verläuft. Dabei mündet der Überströmkanal 15 einerseits in den Zuströmbereich 7 und andererseits in einen Strömungspfad 17, der zwischen einer Umfangsfläche 19 des Kolbens 13 und einer Innenfläche 21 des Zylinders 11 angeordnet ist.
Dabei weist der Kolben 13 hier an der Umfangsfläche 19 Vorsprünge 23 auf, die sich - in Umfangsrichtung gesehen - nicht vollständig entlang der Umfangsfläche 19 erstrecken. Dabei ist es möglich, dass die Vorsprünge 23 sich - in Umfangsrichtung gesehen - überlappen, oder dass Freiräume zwischen den Vorsprüngen 23 vorgesehen sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Vorsprünge 23 - in Längsrichtung gesehen - versetzt zueinander angeordnet, wobei sie sich - ebenfalls in Längsrichtung gesehen - nicht über die gesamte Länge der Umfangsfläche 19 erstrecken. Alternativ ist es möglich, dass die Vorsprünge 23 als in Längsrichtung verlaufende Stege an der Umfangsfläche 19 vorgesehen sind, wobei jeweils - in Umfangsrichtung gesehen - zwischen den Stegen der Strömungspfad 17 frei bleibt. Sind dagegen die Vorsprünge 23 axial zueinander versetzt und in Umfangsrichtung gesehen überlappend ausgebildet, ergibt sich ein gewundener Strömungspfad 17, entlang dessen der vorbeiströmende Kraftstoff um die Vorsprünge 23 herum in Windungen fließt.
In Figur 1 ist der Kolben 13 in seiner ersten Funktionsstellung dargestellt, in der er mit einer Stirnfläche 25 an einer Anschlagsfläche 27 eines Anschlagelements 29 unter Vorspannung anliegt. Dabei wird der Kolben 13 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Feder 31 unter Vorspannung gegen das Anschlagelement 29 gedrängt.
Der Kolben 13 verharrt in seiner ersten Funktionsstellung, solange der Injektor 3 geschlossen ist. Wird der Injektor 3 geöffnet, strömt Kraftstoff aus dem Abströmbereich 9 durch einen Ausströmbereich 33 zu einer eigentlichen Injektionseinrichtung, beispielsweise einer Injektionsnadel, des Injektors 3 hin ab. Hierdurch fällt der Druck in dem Abströmbereich 9. Solange sich der Kolben 13 in der ersten Funktionsstellung befindet, kann lediglich Kraftstoff aus dem Zuströmbereich 7 über den Überströmkanal 15 und weiter über den Strömungspfad 17, der sich - in Strömungsrichtung gesehen - an den Überströmkanal 15 anschließt, in den Abströmbereich 9 fließen. Aufgrund des sich ergebenden Druckunterschieds zwischen dem Zuströmbereich 7 und dem Abströmbereich 9 wirkt auf den Kolben 13 eine Kraft, die schließlich die durch die Feder 31 bewirkte Vorspannkraft überschreitet. Der Kolben 13 wird dann in Längsrichtung auf den Abströmbereich 9 hin beziehungsweise in diesen hinein - in Figur 1 nach unten - verlagert. Sobald keine Berührung mehr zwischen dem Kolben 13 und dem Anschlagelement 29 gegeben ist, kann zusätzlich Kraftstoff unmittelbar in den Strömungspfad 17 einströmen, sodass sich zwei Fluidpfade zwischen dem Zuströmbereich 7 und dem Abströmbereich 9 ergeben, nämlich ein Fluidpfad, in welchem der Überströmkanal 15 stromaufwärts des Strömungspfads 17 vorgesehen ist, und ein anderer, in dem der Kraftstoff unmittelbar aus dem Zuströmbereich 7 in den Strömungspfad 17 einströmt.
Dabei sind die Strömungsquerschnitte dieser Strömungspfade so bemessen, dass stets mehr Kraftstoff aus dem Abströmbereich 9 über den Ausströmbereich 33 ausströmt, als über die Fluidpfade aus dem Zuströmbereich 7 nachströmen kann. Der Druckunterschied zwischen dem Zuströmbereich 7 und dem Abströmbereich 9 bleibt so erhalten, und der Kolben 13 bewegt sich weiter - in Längsrichtung gesehen - in den Abströmbereich 9 hinein, solange die Einspritzung andauert.
Schließt der Injektor 3 wieder, bleibt der Druckunterschied zunächst bestehen, und es strömt weiter Kraftstoff über die Fluidpfade aus dem Zuströmbereich 7 in den Abströmbereich 9, wobei sich jedoch der Druckunterschied nun kontinuierlich ausgleicht, weil kein Kraftstoff mehr über den Ausströmbereich 33 aus dem Abströmbereich 9 ausströmt. Schließlich erreicht der Druckunterschied einen Grenzwert, ab dem die durch die Feder 31 auf den Kolben 13 ausgeübte Vorspannkraft größer ist als die durch den Druckunterschied bewirkte, entgegengerichtete Kraft, sodass der Kolben 13 umkehrt und sich wieder in Richtung auf das Anschlagelement 29 hin bewegt. Schließlich erreicht er - vorzugsweise vor dem nächsten Einspritzereignis - wiederum seine erste Funktionsstellung.
Ist der Injektor 3 defekt, sodass dauerhaft Kraftstoff aus ihm austritt, bleibt der Druckunterschied über dem Kolben 13 bestehen, sodass dieser sich bis zu einer Dichtfläche 35 verlagert, an der er schließlich mit einer axialen Endfläche 37 dichtend anliegt. Der Kolben 13 ist dann in einer zweiten Funktionsstellung angeordnet. In dieser ist der Zuströmbereich 7 stromaufwärts des Kolbens 13 von dem Abströmbereich 9 stromabwärts des Kolbens 13 beziehungsweise von dem Ausströmbereich 33 fluidisch getrennt, sodass kein Kraftstoff mehr von dem Zuströmbereich 7 in den Abströmbereich 9 beziehungsweise in den Ausströmbereich 33 gelangen kann. In der Folge laufen der Abströmbereich 9 und der Ausströmbereich 33 leer, wobei der Druckunterschied zu dem Zuströmbereich 7 maximiert wird. Der Kolben wird so dauerhaft gegen die Vorspannung der Feder 31 in seine zweite Funktionsstellung gedrängt und in dieser gehalten. Es kann kein Kraftstoff mehr über den Injektor 3 in die Brennkammer nachströmen, sodass die Brennkraftmaschine vor Beschädigungen aufgrund einer zu hohen Kraftstoffzufuhr wirksam geschützt ist.
Problematisch ist, dass sich der Kolben eines derart aufgebauten, herkömmlichen Mengenbegrenzungsventils bei einer Öffnung des Injektors, mithin bei Einspritzbeginn, verspätet und schlagartig aus seiner ersten Funktionsstellung löst. Dabei entsteht eine sogenannte Öffnungswelle, nämlich eine zeitlich lokale Drucküberhöhung in einem im Bereich des Einzelspeichers 5 erfassten Drucksignal.
Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Mengenbegrenzungsventils 1 vermieden, indem hier eine Unterströmungsstruktur 39 ausgebildet ist, wobei mindestens ein Zwischenraum 41 zwischen dem Kolben 13 und dem Anschlagelement 29 angeordnet ist. Der Zwischenraum 41 ist mit dem Zuströmbereich 7 in Fluidverbindung. In der ersten Funktionsstellung des Kolbens 13 gelangt daher Kraftstoff aus dem Zuströmbereich 7 in den Zwischenraum 41 und unterströmt somit quasi den Berührungsbereich zwischen der Stirnfläche 25 und der Anschlagsfläche 27. Es ist daher ein größerer Flächenbereich des Kolbens 13 mit dem Hochdruck in dem Zuströmbereich 7 beaufschlagt, als dies bei einem herkömmlichen Mengenbegrenzungsventil der Fall ist. Daher bewegt sich der Kolben 13 bei Spritzbeginn rascher, mithin nicht verspätet, aus seiner ersten Funktionsstellung hinaus. Zudem ist über den Zwischenraum 41 eine Fluidverbindung zu dem Strömungspfad 17 eröffnet, insbesondere weil sich die Vorsprünge 23 nicht entlang des gesamten Umfangs des Kolbens 13 erstrecken. Zusätzlich zu dem über den Überströmkanal 15 eröffneten Fluidpfad kann also unmittelbar bei Spritzbeginn auch Kraftstoff über den Zwischenraum 41 in den Strömungspfad 17 einströmen. Es ergibt sich also ein weiterer Fluidpfad, wodurch das Ansprechverhalten des Mengenbegrenzungsventils 1 positiv beeinflusst wird, und wobei sich der Kolben 13 insbesondere nicht mehr schlagartig, sondern vielmehr sanft und kontinuierlich aus seiner ersten Funktionsstellung löst.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Unterströmungsstruktur 39 vollständig an dem Anschlagelement 29 angeordnet, wobei insbesondere Vorsprünge 43 vorgesehen sind, die sich in Richtung auf die Stirnfläche 25 hin erstrecken, und an denen bereichsweise die Anschlagsfläche 27 angeordnet ist. Zwischen den Vorsprüngen 43, von denen in Figur 1 nur einer dargestellt ist, sind die Zwischenräume 41 ausgebildet, von denen in Figur 1 ebenfalls nur einer dargestellt ist. Alternativ ist es möglich, dass in die Anschlagsfläche 27 Ausnehmungen, insbesondere Nuten eingebracht sind, die als Zwischenräume 41 fungieren.
Fig. 2A zeigt eine schematische Ansicht des Anschlagelements 29 gemäß Figur 1 von unten. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Hierbei sind die Vorsprünge 43 erkennbar, wobei das Anschlagelement 29, das hier als Anschlaghülse 48 ausgebildet ist, drei Vorsprünge 43 aufweist, die - in Umfangsrichtung gesehen - symmetrisch und insbesondere in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet sind. Zwischen den Vorsprüngen 43 sind - in Umfangsrichtung gesehen - die Zwischenräume 41 angeordnet. Dabei ist es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch möglich, die Zwischenräume 41 als Ausnehmungen 44 zu deuten, welche in der Anschlagsfläche 27 vorgesehen sind. Ebenfalls zeigt sich, dass die Anschlagsfläche 27 an den Vorsprüngen 43 angeordnet und durch die Ausnehmungen 44 beziehungsweise die Zwischenräume 41 unterbrochen ist.
Es zeigt sich, dass das Anschlagelement 29 eine - sich in Längsrichtung erstreckende - Durchgangsbohrung 45 aufweist, die auch in Figur 1 dargestellt ist. Die Durchgangsbohrung 45 bildet bereichsweise den Zuströmbereich 7.
Fig. 2B zeigt eine schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels eines Anschlagelements 29 gemäß Figur 2A. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Hier ist dargestellt, dass das Anschlagelement 29 vorzugsweise einen entlang eines äußeren Umfangs 47 umlaufenden Kragen 49 aufweist, der auch in Figur 1 dargestellt ist. Dabei zeigt sich in Figur 1, dass die Anschlaghülse 48 beziehungsweise das Anschlagelement 29 mit dem Kragen 49 auf einer Wandung 51 des Zylinders 11 aufliegt.
Der effektive Strömungsquerschnitt der Fluidverbindung zwischen dem Zuströmbereich 7 und dem Abströmbereich 9 über den Kolben 13 ist kleiner als der Strömungsquerschnitt stromabwärts des Abströmbereichs 9. Entsprechend weisen die Vorsprünge 43 eine geringe Höhe h auf. Diese beträgt vorzugsweise von mindestens einigen Zehntel mm bis höchstens 2 mm, besonders bevorzugt wenige Zehntel mm, besonders bevorzugt fünf Zehntel mm.
Fig. 3 zeigt eine schematische, dreidimensionale Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Mengenbegrenzungsventils 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Darstellung gemäß Figur 3 entspricht einer schematischen Explosionsdarstellung, wobei nur ausgewählte Teile des Mengenbegrenzungsventils 1 dargestellt sind. Im oberen Bereich von Figur 3 ist das als Anschlaghülse 48 ausgebildete Anschlagelement 29 mit dem Kragen 49 dargestellt.
Im darunter liegenden Bereich von Figur 3 sind der Zylinder 11 mit dem darin verlagerbar geführten Kolben 13 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die Umfangsfläche 19 des Kolbens 13 nicht überall an der Innenfläche 21 dicht anliegt, sondern vielmehr Aussparungen aufweist, die letztlich den Strömungspfad 17 bilden. In Figur 3 ist dem Betrachter eine solche Aussparung 53 zugewandt. In deren Bereich ist Umfangsfläche 19 abgeflacht, sodass ein Zwischenraum zwischen ihr und der Innenfläche 21 besteht.
Zur sicheren Führung des Kolbens 13 in dem Zylinder 11 weist dieser die Vorsprünge 23 auf, von denen hier zumindest einer neben der Aussparung 53 dem Betrachter zugewandt dargestellt ist.
Ebenfalls in Figur 3 dargestellt ist der Überströmkanal 15, der einerseits in einen zentralen Bereich 55 des Kolbens 13 mündet, wobei der zentrale Bereich 55 auch in Figur 1 dargestellt ist, und der andererseits in den Bereich einer Aussparung 53 mündet, die hier in Figur 3 dem Betrachter abgewandt angeordnet ist.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in die Stirnfläche 25 des Kolbens 13 drei Ausnehmungen 56 in Form von Nuten 57 eingebracht, die als Radialnuten ausgebildet sind. Liegt der Kolben 13 mit der Stirnfläche 25 an der Anschlagsfläche 27 in seiner ersten Funktionsstellung unter Vorspannung an, bilden die Nuten 57 Zwischenräume 41, die von Kraftstoff unterströmt werden, wobei die Nuten 57 eine Fluidverbindung zwischen dem Zuströmbereich 7 und dem Strömungspfad 17 bereitstellen. Somit ergibt sich ein größerer, mit Hochdruck beaufschlagter Flächenanteil im Bereich der Stirnfläche 25, und es wird ein zusätzlicher Fluidpfad in der ersten Funktionsstellung eröffnet, durch den der Zuströmbereich 7 mit dem Abströmbereich 9 in Fluidverbindung steht. Ein verspätetes Ansprechen des Kolbens 13 sowie ein schlagartiges Lösen aus der ersten Funktionsstellung wird so wirksam vermieden. Die zwischen den Nuten 57 verbleibenden Stege, an denen die Stirnfläche 25 angeordnet ist, können bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch als Vorsprünge 59 aufgefasst werden, an denen die Stirnfläche 25 bereichsweise angeordnet ist.
Wie bereits angedeutet, ist es möglich, das erste Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 sowie das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 miteinander zu kombinieren. Insbesondere ist es möglich, dass sowohl im Bereich der Stirnfläche 25 Vorsprünge 59 und/oder Ausnehmungen 56 vorgesehen sind, als auch im Bereich der Anschlagsfläche 27.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Strömungsventils 1 das Problem einer Öffnungswelle insbesondere bei einer Einzelspeicherdruckanalyse zur Bestimmung eines Einspritzbeginns beseitigt wird. Das hier vorgeschlagene Mengenbegrenzungsventil 1 öffnet sanft, pünktlich und kontinuierlich. Die Druckmessung im Bereich des Einzelspeichers 5 wird nicht negativ beeinflusst, sodass eine korrekte und reproduzierbare Bestimmung des Einspritzbeginns aus dem im Bereich des Einzelspeichers 5 gemessenen Druckverlaufs möglich ist. Das Mengenbegrenzungsventil 1 wird vorzugsweise in Zusammenhang mit Injektoren 3 eingesetzt, die zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in Brennkammern der Brennkraftmaschine 8 vorgesehen sind. Es ist jedoch ebenso möglich, das Mengenbegrenzungsventil 1 in Zusammenhang mit einem Einpunkt-Injektor zur Eindüsung von Kraftstoff in ein gemeinsames Saugrohr der Brennkraftmaschine 8, oder in Zusammenhang mit Mehrpunkt-Injektoren zur Eindüsung von Kraftstoff in den Brennkammern der Brennkraftmaschine 8 einzeln zugeordnete Ansaugstutzen einzusetzen. Dabei ändert der konkrete Einsatz nichts an der hier grundsätzlich beschriebenen Funktionsweise des Mengenbegrenzungsventils 1.

Claims

Mengenbegrenzungsventil (1) für ein Einspritzsystem (6) einer Brennkraftmaschine (8), mit einem Zuströmbereich (7) und einem Abströmbereich (9), und mit einem in einem Zylinder (11) verlagerbar geführten Kolben (13), durch den der Zuströmbereich (7) von dem Abströmbereich (9) separiert ist, wobei eine Fluidverbindung zwischen dem Zuströmbereich (7) und dem Abströmbereich (9) über einen den Kolben (13) bereichsweise durchsetzenden Überströmkanal (15) und einen zwischen einer Umfangsfläche (19) des Kolbens (13) und einer Innenfläche (21) des Zylinders (11) angeordneten Strömungspfad (17) besteht, wobei der Kolben (13) in einer ersten Funktionsstellung mit einer Stirnfläche (25) gegen eine Anschlagsfläche (27) eines Anschlagelements (29) vorgespannt ist, wobei in einem Berührungsbereich der Stirnfläche (25) mit der Anschlagsfläche (27) in der ersten Funktionsstellung eine Unterströmungsstruktur (39) ausgebildet ist, die mindestens einen Zwischenraum (41) zwischen dem Kolben (13) und dem Anschlagelement (29) umfasst, der mit dem Zuströmbereich (7) in Fluidverbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterströmungsstruktur (39) mindestens einen sich zu der Anschlagsfläche (27) hin erstreckenden Vorsprung (43), der die Stirnfläche (25) zumindest bereichsweise aufweist, und/oder mindestens eine sich in die Stirnfläche (25) hinein erstreckende Ausnehmung (44) umfasst.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterströmungsstruktur (39) mindestens einen sich zu der Stirnfläche (25) hin erstreckenden Vorsprung (59), der die Anschlagsfläche (27) zumindest bereichsweise aufweist, und/oder mindestens eine sich in die Anschlagsfläche (27) hinein erstreckende Ausnehmung (56) umfasst.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (29) als bereichsweise in den Zylinder (11) eingreifende Anschlaghülse (48) ausgebildet ist, die bevorzugt mit einem entlang eines äußeren Umfangs (47) umlaufenden Kragen (49) auf einer Wandung (51) des Zylinders (11) aufliegt.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) mindestens einen sich in Richtung auf die Anschlagsfläche (27) hin erstreckenden Vorsprung (59), welcher die Stirnfläche (25) aufweist, vorzugsweise drei Vorsprünge (59), und/oder mindestens eine Ausnehmung (56), vorzugsweise drei Ausnehmungen (56), in der Stirnfläche (25) aufweist.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlaghülse (48) mindestens einen sich in Richtung auf die Stirnfläche (25) hin erstreckenden Vorsprung (43), welcher die Anschlagsfläche (27) aufweist, vorzugsweise drei Vorsprünge (43), und/oder mindestens eine Ausnehmung (44), vorzugsweise drei Ausnehmungen (44), in der Anschlagsfläche (27) aufweist.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (44, 56) als sich in radialer Richtung erstreckende Nut (57) ausgebildet ist.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlaghülse (48) eine - sich in Längsrichtung erstreckende - Durchgangsbohrung (45) aufweist, die zumindest bereichsweise den Zuströmbereich (7) bildet.
Mengenbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut (57) mit dem Zuströmbereich (7) einerseits und mit dem Strömungspfad (17) zwischen der Umfangsfläche (19) und der Innenfläche (21) andererseits in Fluidverbindung steht.