DE102011003089A1

DE102011003089A1 - Überströmventil eines Krafteinspritzsystems

Info

Publication number: DE102011003089A1
Application number: DE201110003089
Authority: DE
Inventors: Francesco Lucarelli; Sylvain Besancon; Marco Lamm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-07-26
Also published as: EP2668391A1; RU2604980C2; WO2012100898A1; CN103339368A; CN103339368B; RU2013139223A

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Überströmventil 7 eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine angegeben, wobei das Überströmventil 7 zumindest ein Ventilgehäuse 8, einen Kolben 9 und einen Ventilfederhalter 11 aufweist. Erfindungsgemäß wird ein solches Überströmventil (7) hinsichtlich eines kraftstoffkritischen Betriebs verbessert. Dies wird dadurch erreicht, dass zumindest ein Bauteil des Überströmventils 7 aus einem Nichtstahl-Werkstoff hergestellt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Überströmventil eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, wobei das Überströmventil zumindest ein Ventilgehäuse, einen Kolben und einen Ventilfederhalter aufweist.
Ein derartiges Überströmventil ist aus der DE 10 2006 018 702 A1 bekannt. Dieses Überströmventil wird bei einer Common-Rail-Pumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine eingesetzt, die über eine saugseitige Mengenregelung verfügt. Dadurch wird im Ergebnis nur so viel Kraftstoff verdichtet und in das Rail weitergeleitet, wie von der Brennkraftmaschine in der jeweiligen Situation benötigt wird. Dadurch werden unnötige Energieaufwände wie bei druckgeregelten Systemen vermieden.
Allgemein ist bekannt, dass die saugseitige Mengenregelung im Niederdruckbereich der Common-Rail-Pumpe über ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil, der sogenannten Zumesseinheit (ZME) erfolgt. Die Zumesseinheit wird von Kraftstoff durchströmt und variiert dessen Mengenstrom durch die elektrisch angesteuerte Verstellung eines Schiebeelements, dem sogenannten Ventilkolben. Um der Zumesseinheit möglichst gleichmäßige Bedingungen bezüglich des Zulaufdruckes des Kraftstoffs zu ermöglichen, ist üblicherweise ein mechanisches Überströmventil installiert. Dieses Überströmventil sorgt dafür, dass der Druck vor der Zumesseinheit möglichst konstant bzw. in einem definierten Druckbereich gehalten wird. Die Einzelkomponenten bekannter Überströmventile bestehen aus Metall.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überströmventil bereitzustellen, das hinsichtlich eines kraftstoffkritischen Betriebs bei geringem Herstellungsaufwand verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Bauteil des Überströmventils aus einem Nichtstahl-Werkstoff hergestellt ist.
Vorteile der Erfindung
Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein bisheriges Überströmventil, das ausschließlich aus Stahlkomponenten hergestellt ist, keinen speziellen Korrosionsschutz besitzt. Dies ist beim Betrieb mit Normalkraftstoffen, die vorgegebenen und genormten Anforderungen genügen, auch nicht nötig. Solche Überströmventile beziehungsweise Kraftstoffeinspritzsysteme finden jedoch zunehmend auch in kraftstoffkritischen Märkten ihren Einsatz. In kraftstoffkritischen Märkten mit erhöhtem Wasseranteil im Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, zeigen Feldversuche, dass speziell der Kolben von im Kraftstoff enthaltenem Wasser angegriffen wird, was zu Korrosion an den Gleitflächen in dem Ventilgehäuse führt. Dadurch kommt es zum Beispiel zu deutlich erhöhten Hystereseeffekten, was wiederum zu Fehlfunktionen in der Hochdruckpumpe und auch im Niederdrucksystem des Kraftstoffeinspritzsystems führt. Durch Korrosion an kraftstoffdurchfluteten Teilen im Überstromventil kann es zusätzlich zu einem erhöhten Eintrag von Rostpartikeln in das Niederdrucksystem kommen. Die Rostpartikel können aber grundsätzlich auch in den Hochdruckkreislauf mit einem Beschädigungsrisiko für die Hochdruckpumpe und für die Kraftstoffinjektoren gelangen.
Der vermehrte Einsatz bzw. die Zumischung von Bio-Dieselkraftstoffen kann ebenfalls zu solchen Fehlfunktionen führen, die durch Verklebungen (zum Beispiel durch gealterte Bio-Kraftstoffe) hervorgerufen werden.
Dadurch, dass zumindest ein Bauteil des Überströmventils, das aufgrund der zuvor aufgeführten unterschiedlichen Einsatzbedingungen und dadurch hervorgerufener Problemfälle entsprechend bestimmt ist, aus einem Nichtstahl-Werkstoff hergestellt ist, kann der Betrieb des Überströmventils und somit des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems hinsichtlich eines kraftstoffkritischen Betriebs verbessert werden. Der Herstellungsaufwand ist dabei zumindest nicht höher als bei einem konventionellen Überströmventil, normalerweise sogar geringer, so dass abhängig von der jeweiligen Materialwahl die Herstellungskosten geringer als bei einem herkömmlichen Überströmventil gehalten werden können.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff resistent gegen Wasser und Chemikalien, die in den kritischen Kraftstoffen enthalten sind. Dadurch ist kein teurer und aufwendig anzubringender zusätzlicher Oberflächenschutz, beispielsweise eine Nitrocarburierung, zur Vermeidung einer Korrosion der entsprechenden Bauteile notwendig. Im Übrigen ist der Kolben das am meisten gefährdete Bauteil, wobei aber grundsätzlich auch sämtliche nachfolgend noch erläuterten Werkstoffkombinationen der einzelnen Bauteile möglich sind.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Oberfläche des Werkstoffs superhydrophobe Eigenschaften auf. Dadurch weist die Oberfläche einen sogenannten Lotus-Effekt auf, wodurch die Neigung zu Ablagerungen deutlich reduziert wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Werkstoff beständig gegenüber Ablagerungen, hervorgerufen durch gealterte Biokraftstoffe.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff ein Kunststoff, zum Beispiel ein Thermoplast oder ein Duroplast. Grundsätzlich kann der Werkstoff in einer allgemeinen Ausführung ein beliebiger Nichtstahl-Werkstoff, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder ähnlicher Werkstoff sein, der gegebenenfalls für die entsprechenden Einsatzbedingungen vergütet oder sonst wie beispielsweise durch eine spezielle Legierung besonders geeignet ist. Es hat sich aber herausgestellt, dass insbesondere ein Kunststoffwerkstoff besonders geeignet ist. Ein Kunststoffwerkstoff führt zudem zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung beispielsweise des Kolbens gegenüber einer Stahlvariante, was sich in einem schnelleren Ansprechen des Überströmventils widerspiegelt. Weiterhin wird die Belastung auf einen Kolbenanschlag, der beispielsweise ein Filter sein kann, gesenkt.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine Ventilfeder an dem Kolben fixiert. Durch diese Ausgestaltung wird ein unnötiger Verschleiß zwischen der Ventilfeder und dem Kolben vermieden. Die Fixierung kann beispielsweise durch ein leichtes Übermaß eines Halteabsatzes des Kolbenendes gegenüber dem Federinnendurchmesser erreicht werden.
Das reduzierte Gewicht des aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellten Kolbens führt zu einem schnelleren Ansprechverhalten und verbessert so die Entlüftung im Startfall und im Leerlauffall.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das insbesondere (Kunststoff)-Bauteil in einem Spritzverfahren hergestellt. Dadurch wird eine Reduzierung der notwendigen mechanischen Nachbearbeitung der Bauteile, insbesondere der axialen Kontaktflächen sowie der Innen- und Außenform durch ein solchermaßen eingesetztes hochgenaues Spritzverfahren bei der Herstellung realisiert. Dadurch ist weiterhin eine Verkürzung der Bearbeitungszeiten aufgrund einer Reduzierung der zu bearbeitenden Oberflächen erreicht. Weiterhin wird eine Reduzierung des Reinigungsaufwandes aufgrund geringerer Bearbeitungsrückstände (Partikelkontamination) erreicht. Insgesamt ergibt sich dadurch eine Reduzierung der Herstellungskosten, aufgrund einerseits einer Kostenreduzierung beim Material und andererseits des Bearbeitungsaufwands.
In Weiterbildung der Erfindung sind folgende Materialkombinationen der einzelnen Bauteile darstellbar:

a) Ventilgehäuse (Stahl), Kolben (Nichtstahl), Ventilfederhalter (Stahl),
b) Ventilgehäuse (Nichtstahl), Kolben (Nichtstahl), Federhalter (Stahl),
c) Ventilgehäuse (Nichtstahl), Kolben (Nichtstahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl),
d) Ventilgehäuse (Nichtstahl), Kolben (Stahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl),
e) Ventilgehäuse (Stahl), Kolben (Nichtstahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl),
f) Ventilgehäuse (Stahl), Kolben (Stahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl).

Von diesen Kombinationen sind insbesondere die Varianten a), b), c) und f) besonders geeignet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Niederdrucksystems eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine und
2 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Überströmventils.
Ausführungsform der Erfindung
Das in 1 dargestellte Niederdrucksystem eines Kraftstoffeinspritzsystems für ein Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, die insbesondere mit Dieselkraftstoff betrieben wird, weist eine Niederdruckpumpe 1 auf, die Kraftstoff aus einem Tank 2 über eine Filtereinrichtung 3 in eine Zumesseinheit 4 fördert. Die Zumesseinheit 4 wird von Kraftstoff durchströmt und variiert dessen Mengenstrom durch die elektrisch angesteuerte Verstellung eines Schiebeelements so, dass eine genau bestimmte Kraftstoffmenge über ein Rückschlagventil 5 in einen Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe gelangt. Diese Kraftstoffmenge wird von der Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems verdichtet und unter einem Druck von bis zu 3000 bar in einen Hochdruckspeicher (Rail) gefördert, von dem der Kraftstoff über Kraftstoffinjektoren gesteuert in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dadurch, dass nur so viel Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gefördert wird, wie von den Kraftstoffinjektoren entnommen wird, wird der Druck in dem Hochdruckspeicher zumindest angenähert konstant gehalten. Dies ist für einen präzisen Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems vorteilhaft.
Der von der Zumesseinheit 4 von der mit einem konstanten Fördervolumen fördernden Niederdruckpumpe 1 nicht benötigte Kraftstoff wird über eine Rückführleitung 6 einem Überströmventil 7 zugeführt, das die nicht benötigte Kraftstoffmenge in den Tank 2 absteuert. Das Überströmventil 7 hält den Kraftstoffdruck vor der Zumesseinheit 4 auf einen zumindest angenähert konstanten Druck.
In 2 ist eine Explosionsdarstellung des Überströmventils 7 dargestellt. Das Überströmventil 7 weist ein Ventilgehäuse 8, einen Kolben 9, eine Ventilfeder 10, einen Ventilfederhalter 11, einen O-Ring 12, einen Filter 13, eine Scheibe 14, einen Halter 15 und einen Runddichtring 16 auf.
Der Kolben 9, der insbesondere aus Kunststoff gefertigt ist, wird zur Montage des Überströmventils 7 in eine das Ventilgehäuse 8 durchdringende Zylinderbohrung 17 eingesetzt und ist über die Ventilfeder 10 gegen den Ventilfederhalter 11, der endseitig auf der linken Seite in die Zylinderbohrung 17 eingesetzt ist, abgestützt.
Auf das Ventilgehäuse 8 ist der O-Ring 12 bis zur Anlage an einen Flansch 18 aufgesetzt, während der Runddichtring 16 in eine Ringnut 19 eingesetzt ist. Der O-Ring 12 und der Runddichtring 16 dichten den später erläuterten Rücklaufbereich des in ein Gehäuse eingesetzten Überströmventils 7 gegen den Zuströmbereich ab. Der Filter 13 liegt an dem rechten Ende des Ventilgehäuses 8 an und ist unter Zwischenschaltung der Scheibe 14 von dem Halter 15, der in die Ringnut 19 eingebördelt ist, gehalten.
Dabei ist die Bördelung so ausgeführt, dass die dichtende Anlage des Runddichtrings 16 in der Ringnut 19 nicht beeinträchtigt ist.
Im entspannten Zustand liegt der Kolben 9 gegen den Filter 13 an und wird von durch den Filter 13 einströmenden Kraftstoff unter Verformung der Ventilfeder 10 in der Zylinderbohrung 17 so weit verschoben, bis Kraftstoff durch Austritte 20 austritt. Eine Druckausgleichsbohrung 21, die im Bereich der Ventilfeder 10 mit der Zylinderbohrung 17 zusammenwirkt, ist außerhalb des Ventilgehäuses 8 mit dem Austritt 20 verschaltet und bildet den in 1 dargestellten Rücklauf des Überströmventils 7 in den Tank 2, während die in 1 dargestellte Rückführleitung 6 in den Filter 13 einmündet. Das ganze Überströmventil 7 ist zur Darstellung kompakter Ausführungen des Kraftstoffeinspritzsystems zusammen mit der Zumesseinheit 4 in die Hochdruckpumpe integriert, die folglich das Gehäuse für das Überströmventil bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006018702 A1 [0002]

Claims

Überströmventil (7) eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine, wobei das Überströmventil (7) zumindest ein Ventilgehäuse (8), einen Kolben (9) und einen Ventilfederhalter (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil des Überströmventils (7) aus einem Nichtstahl-Werkstoff hergestellt ist.
Überströmventil (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nichtstahl-Werkstoff resistent gegen Wasser und Chemikalien ist.
Überströmventil (7) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Werkstoffs superhydrophobe Eigenschaften aufweist.
Überströmventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff beständig gegenüber Ablagerungen, hervorgerufen durch gealterte Biokraftstoffe, ist.
Überströmventil (7) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Kunststoff ist.
Überströmventil (7) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Ventilfeder (10) an dem Kolben fixiert ist.
Überströmventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in einem Spritzverfahren hergestellt ist.
Überströmventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Materialkombinationen der einzelnen Bauteile darstellbar sind: a) Ventilgehäuse (Stahl), Kolben (Nichtstahl), Ventilfederhalter (Stahl), b) Ventilgehäuse (Nichtstahl), Kolben (Nichtstahl), Federhalter (Stahl), c) Ventilgehäuse (Nichtstahl), Kolben (Nichtstahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl), d) Ventilgehäuse (Nichtstahl), Kolben (Stahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl), e) Ventilgehäuse (Stahl), Kolben (Nichtstahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl), f) Ventilgehäuse (Stahl), Kolben (Stahl), Ventilfederhalter (Nichtstahl).