DE102011101258A1

DE102011101258A1 - "Druckbegrenzungsventil"

Info

Publication number: DE102011101258A1
Application number: DE201110101258
Authority: DE
Inventors: Ulrich Erb
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US20120285556A1; US8905066B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil (1), insbesondere zur Anordnung in einer Rücklaufleitung eines Common-Rail-Systems eines Verbrennungsmotors, mit einem länglichen Ventilgehäuse (2) mit einer an einem Stirnende vorhandenen, axialen Einlassöffnung (4) und mindestens einer von der Einlassöffnung (4) axial beabstandeten Auslassöffnung (6). An die Einlassöffnung (4) schließt sich ein innerer Ventilsitz (8) für einen kugelförmigen Ventilkörper (10) an, wobei zwischen dem Ventilkörper (10) und einer eine Schließkraft erzeugenden Schließfeder (12) ein Ventilkolben (14) angeordnet ist. Dabei ist eine integrierte hydraulische Drosselung (16) zum Dämpfen der Bewegung des Ventilkolbens (14) in Ventil-Schließrichtung vorgesehen. Ferner betrifft die Erfindung ein Ventilsitz-Einsatzteil (34) für ein solches Druckbegrenzungsventil (1), bestehend aus einem ringförmigen Körper mit der an einem Stirnende gebildeten Einlassöffnung (4), dem sich an die Einlassöffnung (4) anschließenden, sich konisch erweiternden Dichtsitz (8) sowie mit einem sich an den Dichtsitz (8) anschließenden Drosselabschnitt (18) mit einer zylindrischen Innenfläche (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Druckbegrenzungsventil mit einem länglichen, rohrartigen Ventilgehäuse mit einer an einem Stirnende vorhandenen, axialen Einlassöffnung und mindestens einer von der Einlassöffnung axial beabstandeten Auslassöffnung, wobei sich an die Einlassöffnung ein innerer Ventilsitz für einen kugelförmigen Ventilkörper anschließt, wobei zwischen dem Ventilkörper und einer eine Schließkraft erzeugenden Schließfeder ein Ventilkolben angeordnet ist.
Derartige Druckbegrenzungsventile werden in Kraftstoff-Rücklaufleitungen von so genannten Common-Rail-Systemen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Ein solches Common-Rail-System weist eine gemeinsame Druckleitung, die so genannte Rail, für mehrere Injektoren auf. Über die Druckleitung wird Kraftstoff mit hohem Druck zugeführt und über die Injektoren in den Verbrennungsmotor dosiert eingespritzt. Der jeweils nicht eingespritzte Kraftstoff wird über die Rücklaufleitung in die Saugleitung der Kraftstoff-Pumpe bzw. in den Tank zurückgeführt. Dabei ist es in aller Regel erforderlich, einen bestimmten Mindestdruck im Niederdruckbereich der Injektoren aufrechtzuerhalten. Dazu wird in den Rücklauf ein Druckbegrenzungsventil der oben beschriebenen Art, häufig auch Druckhalteventil genannt, eingesetzt, welches die beschriebene Aufgabe hat, den Druck des Kraftstoffes im Niederdruckbereich der Injektoren auf einem definierten Wert zu halten bzw. auf diesen definierten Wert zu begrenzen.
Es hat sich im praktischen Einsatz gezeigt, dass es unter bestimmten Betriebsbedingungen zu Beschädigungen oder gar zu Totalausfällen des Überdruckventils kommen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Druckbegrenzungsventil der beschriebenen, gattungsgemäßen Art hinsichtlich seiner Einsatzsicherheit zu verbessern und dadurch Schäden oder gar Totalausfälle zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Demnach ist das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil mit einer integrierten hydraulischen Drosselung zum Dämpfen der Bewegung des Ventilkolbens in Ventil-Schließrichtung ausgestattet. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass die bei bekannten Ventilen festgestellten Schäden auf schlagartige Ventilbewegungen – bedingt durch Anregungen im Einspritztakt des Verbrennungsmotors – zurückzuführen sind, und zwar insbesondere auf schnelle und schlagartige Schließbewegungen. Diese schlagartigen Bewegungen werden durch die Erfindung effektiv gedämpft, indem vor allem der federbelastete Ventilkolben bei seiner Schließbewegung hydraulisch gebremst wird.
Anhand der Zeichnungen soll im Folgenden die Erfindung beispielhaft genauer erläutert werden. Es zeigen:
1 ein bekanntes, dem oben beschriebenen Stand der Technik entsprechendes Druckbegrenzungsventil im Axialschnitt in seiner durch Federkraft bedingten Schließstellung,
2 ein erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventil im Teil-Axialschnitt, ebenfalls in der Schließstellung,
3 das erfindungsgemäße Ventil gemäß 2 in einer durch einen Öffnungsdruck p bewirkten Öffnungsstellung,
4 und 5 jeweils eine weitere Ansicht des erfindungsgemäßen Ventils analog zu 2 und 3 in verschiedenen Stellungen während eines Schließvorgangs im Übergang von der Öffnungsstellung gemäß 3 zur Schließstellung gemäß 2 und
6 eine gesonderte und stark vergrößerte Darstellung eines den Ventilsitz und einen Drosselabschnitt aufweisenden Einsatzteils im Axialschnitt.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder sich funktionell entsprechende Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dies gilt auch für die bekannte Ausführung gemäß 1.
Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
Gemäß 1 und 2 besteht ein erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventil 1 – ebenso wie ein bekanntes, gattungsgemäßes Druckbegrenzungsventil 1' – aus einem länglichen, rohrartigen Ventilgehäuse 2 mit einer an einem Stirnende vorhandenen, axialen Einlassöffnung 4 und mindestens einer von der Einlassöffnung 4 axial beabstandeten, insbesondere radialen Auslassöffnung 6. An die Einlassöffnung 4 schließt sich ein innerer, konischer Ventilsitz 8 für einen kugelförmigen Ventilkörper 10 an. Zwischen dem Ventilkörper 10 und einer eine Schließkraft erzeugenden Schließfeder 12 ist ein axial beweglich geführter Ventilkolben 14 angeordnet. Dieser Ventilkolben 14 wirkt zum Schließen gegen den Ventilkörper 10, um diesen in den Ventilsitz 8 zu drücken und dadurch die Einlassöffnung 4 zu schließen. Bevorzugt sind der Ventilkörper 10 und der Ventilkolben 14 als zwei separate Einzelteile ausgebildet. Das Ventil wird so in einer nicht dargestellten Kraftstoff-Rücklaufleitung eingesetzt, dass es über die Einlassöffnung 4 mit einem Druck p beaufschlagt wird, der jeweils innerhalb der Rücklaufleitung herrscht. Dabei ist das Ventil hinsichtlich der Schließkraft der Schließfeder 12 so ausgelegt, dass es ab einem bestimmten Druck p öffnet, indem der Ventilkörper 10 gegen die Schließkraft von dem Ventilsitz 8 abhebt. Der Druck p wirkt dann weiter auf den Ventilkolben 14, so dass dieser ebenfalls gegen die Schließkraft verschoben wird, bis er die Auslassöffnung 6 zumindest teilweise freigibt und dadurch öffnet.
Das erfindungsgemäße, in den 2 bis 5 veranschaulichte Druckbegrenzungsventil 1 entspricht insoweit dem bekannten Ventil 1' gemäß 1. Zusätzlich ist nun erfindungsgemäß eine integrierte hydraulische Drosselung 16 zum Dämpfen der Bewegung des Ventilkolbens 14 in Ventil-Schließrichtung vorgesehen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Drosselung 16 durch einen sich an den Ventilsitz 8 auf dessen dem Ventilkolben 14 zugewandter Seite anschließenden Drosselabschnitt 18 gebildet, der eine zylindrische Innenfläche 20 – siehe insbesondere 3 – mit einem derart an den Außendurchmesser des kugelförmigen Ventilkörpers 10 angepassten Innendurchmesser aufweist, dass – wenn sich der Ventilkörper 10 im Bereich des Drosselabschnittes 18 befindet – zwischen dem Ventilkörper 10 und der Innenfläche 20 des Drosselabschnittes 18 ein umfangsgemäßer Drosselspalt 22 gebildet ist. Dazu wird insbesondere auf die Darstellung in 4 verwiesen.
Der Drosselabschnitt 18 ist bezüglich der axialen Länge der Innenfläche 20 derart bemessen, dass in der Ventil-Öffnungsstellung – siehe 3 – der Ventilkörper 10 zur Freigabe eines Strömungsdurchlasses 24 zumindest überwiegend außerhalb des Drosselabschnittes 18 angeordnet ist.
Der Ventilkolben 14 ist mit einer zylindrischen Außenfläche 26 mit geringem Umfangsspiel in einer zylindrischen Innenfläche 28 des Ventilgehäuses 2 axial verschiebbar geführt. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass der Ventilkolben 14 – in einem zur Längsachse senkrechten Schnitt gesehen – eine Außenquerschnittsfläche aufweist, die größer als die Außenquerschnittsfläche des Ventilkörpers 10 ist. Konkret bedeutet dies, dass einerseits der Außendurchmesser D10 des kugelförmigen Ventilkörpers 10 kleiner als der Außendurchmesser D14 des Ventilkolbens 14 ist (siehe dazu 2), und andererseits ist der Innendurchmesser der zylindrischen Innenfläche 20 des Drosselabschnittes 18 ebenfalls kleiner als der Innendurchmesser der zylindrischen Innenfläche 28 des Ventilgehäuses 2.
Durch diese beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung wird folgende Funktion beim Schließen des Ventils erreicht:
Ausgehend von der Öffnungsstellung gemäß 3, die durch den Druck p aus der Schließstellung gemäß 2 erreicht wird, wird bei einem Absinken des Drucks p ab einem bestimmten Druckwert durch die Kraft der Schließfeder 12 der Ventilkolben 14 in Pfeilrichtung 30 in Schließrichtung verschoben. Dadurch schiebt der Ventilkolben 14 durch direkte Anlage den Ventilkörper 10 ebenfalls in Schließrichtung, bis gemäß 4 der Ventilkörper 10 in den Bereich des Drosselabschnittes 18 gelangt. Ab dieser Stellung ist der hydraulische Durchfluss in Richtung der Einlassöffnung 4 auf den Drosselspalt 22 beschränkt. Bei der weitergehenden Schließbewegung ergibt sich dann erfindungsgemäß der Effekt, dass der Ventilkörper 10 relativ zu dem Ventilkolben 14 beschleunigt wird, weil durch die Querschnittsdifferenz der Ventilkolben 14 pro Wegstrecke ein größeres Volumen des im Ventil vorhandenen Kraftstoffes verdrängt als der Ventilkörper 10. Dadurch wird gemäß 5 der Ventilkörper 10 von dem Ventilkolben 14 weg hydraulisch in den Ventilsitz 8 gedrückt, er hebt folglich axial von dem Ventilkolben 14 ab, siehe 5. Dadurch erreicht der Ventilkörper 10 seine Dichtstellung im Ventilsitz 8 noch während der Schließbewegung des Ventilkolbens 14. Das in diesem Zustand noch zwischen dem Ventilkolben 14 und dem Ventilkörper 10 vorhandene Volumen des Kraftstoffes kann dann nicht mehr frei über die Einlassöffnung 4 verdrängt werden, sondern es muss aus dem Raum zwischen Ventilkörper 10 und Ventilkolben 14 durch systembedingte Spalte hauptsächlich zwischen dem Ventilkolben 14 und dem Ventilgehäuse 2 zur Auslassöffnung 6 und gegebenenfalls zu einem geringeren Anteil auch über den Bereich des Ventilsitzes 8 verdrängt werden. Dies bewirkt eine sehr effektive Dämpfung und Bremsung der weiteren Schließbewegung des Ventilkolbens 14 bis zu seiner mechanischen Anlage am Ventilkörper 10, so dass harte Schläge in Schließrichtung und daraus resultierende Schäden wirksam vermieden werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventil 1 ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung die bzw. jede von vorzugsweise zwei diametral gegenüberliegenden Auslassöffnungen 6 als Radialöffnung in einer Umfangswandung 32 des Ventilgehäuses 2 angeordnet. Hierbei sind die Auslassöffnungen 6 und der Ventilkolben 14 relativ zueinander derart angeordnet, dass der Ventilkolben 14 die Auslassöffnungen 6 in einer Öffnungsstellung zumindest bereichsweise in Richtung der Einlassöffnung 4 freigibt (siehe 3) und in einer Schließstellung schieberartig überdeckt (siehe 2, 4 und 5).
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung sind der Ventilsitz 8 und der sich anschließende Drosselabschnitt 18 mit der zylindrischen Innenfläche 20 in einem ring- oder hülsenartigen, in dem Ventilgehäuse 2 befestigten Einsatzteil 34 gebildet. Dieses Einsatzteil 34 ist gesondert und vergrößert in 6 dargestellt. Demnach schließt sich ausgehend von der Einlassöffnung 4 der sich konisch erweiternde Dichtsitz 8 und an diesen die zylindrische Innenfläche 20 des Drosselabschnittes 18 an. Vorzugsweise erweitert sich die Innenfläche 20 auf ihrer dem Dichtsitz 8 gegenüberliegenden Seite über einen trichterartigen Einlaufbereich 35 für den Ventilkörper 10 bis zu einem größten Durchmesser D_max, der etwa dem Innendurchmesser der Innenfläche 28 des Ventilgehäuses 2 entspricht, um sicherzustellen, dass der kugelförmige Ventilkörper 10 aus seiner Öffnungslage (3) beim Schließen ungehindert in die zylindrische Innenfläche 20 des Drosselbereiches 18 eingeführt wird (siehe 3 und 4). Dabei hat der Einlaufbereich 35 bevorzugt eine im Axialschnitt gesehen konvex gerundete Wölbung, er kann aber auch als konische Erweiterung ausgeführt sein. Diese Ausgestaltung hat auch einen positiven Einfluss auf die Strömungseigenschaften in der Öffnungsstellung gemäß 3.
Das Ventilgehäuse 2 ist als so genannte Hohlschraube mit einem sich zumindest über eine Teil-Länge erstreckenden Außengewinde 36 und einem der Einlassöffnung 4 axial gegenüberliegenden Kraftangriff 38 für ein nicht dargestelltes Drehwerkzeug sowie mit einer äußeren Umfangsdichtung 40 im Bereich zwischen der Auslassöffnung 6 und dem Kraftangriff 38 ausgebildet. Dadurch kann das Ventil 1 so in eine nicht dargestellte Aufnahme eingeschraubt werden, dass es über die Einlassöffnung 4 und die Auslassöffnung(en) 6 in der Rücklaufleitung liegt. Gemäß 2 bis 5 kann der Kraftangriff 38 als Außenangriff, wie z. B. als Außensechskant, oder alternativ auch – entsprechend 1 – als Innenangriff, wie z. B. als Innensechskant oder Innenstern ausgebildet sein. Im axial zwischen dem Ventilkolben 14 und der geschlossenen Stirnseite des Ventilgehäuses 2 liegenden, die Schließfeder 12 aufnehmenden Bereich weist das Ventilgehäuse 2 in seiner Umfangswandung 32 mindestens eine radiale Entlastungsöffnung 42 auf, um die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens 14 zu ermöglichen, indem aus dem die Feder 12 aufnehmenden Raum dort enthaltener Kraftstoff entweichen und ebenfalls in den Tank zurückgeführt werden kann.
Abschließend sollen noch für eine bevorzugte, konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils 1 einige Bemessungen beispielhaft angegeben werden, wobei dies die Erfindung natürlich nicht darauf beschränkt:

Der kugelförmige Ventilkörper 10 kann einen Außendurchmesser von 8 mm aufweisen. Mit einem Innendurchmesser der Innenfläche 20 des Drosselabschnittes 18 von 8,03 bis 8,1 mm ergibt sich für den Drosselspalt 22 über den ganzen Umfang eine radial gemessene Spaltweite von 0,015 mm bis 0,05 mm. Der Außendurchmesser des Ventilkolbens 14 sowie der Innendurchmesser der Gehäuse-Innenfläche 28 betragen 9,6 mm, wobei die Toleranzen jedenfalls so ausgelegt sind, dass in jedem Fall ein ausreichendes Bewegungsspiel gegeben ist. Mit diesen bevorzugten Maßen betragen die Querschnittsfläche des Ventilkörpers 10 A₁₀ = π / 4·(8 mm)² = 50,27 mm² und die Querschnittsfläche des Ventilkolbens 14 A₁₄ = π / 4·(9,6 mm)² = 72,38 mm².
Die bzw. jede Auslassöffnung 6 hat einen Durchmesser, der jedenfalls größer als der Durchmesser der Einlassöffnung 4 ist. Bevorzugt hat die/jede Auslassöffnung 6 einen Durchmesser von 5,7 mm, und die Einlassöffnung 4 ist bevorzugt 4,9 mm im Durchmesser. Der Durchmesser der Entlastungsöffnung beträgt bevorzugt 1 mm bis 2,5 mm. Das Außengewinde 36 der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß 2 bis 5 kann als M16 ausgelegt sein. Die Gesamtlänge beträgt 54 mm.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. So können der Ventilkörper 10 und der Ventilkolben 14 auch fest miteinander verbunden, z. B. einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall wird die Dämpfung allein über den Drosselspalt 22 erreicht.
Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims

Druckbegrenzungsventil (1), insbesondere zur Anordnung in einer Rücklaufleitung eines Common-Rail-Systems eines Verbrennungsmotors, mit einem länglichen Ventilgehäuse (2) mit einer an einem Stirnende vorhandenen, axialen Einlassöffnung (4) und mindestens einer von der Einlassöffnung (4) axial beabstandeten Auslassöffnung (6), wobei sich an die Einlassöffnung (4) ein innerer Ventilsitz (8) für einen kugelförmigen Ventilkörper (10) anschließt, wobei zwischen dem Ventilkörper (10) und einer eine Schließkraft erzeugenden Schließfeder (12) ein Ventilkolben (14) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine integrierte hydraulische Drosselung (16) zum Dämpfen der Bewegung des Ventilkolbens (14) in Ventil-Schließrichtung.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung (16) durch einen sich an den Ventilsitz (8) auf dessen dem Ventilkolben (14) zugewandter Seite anschließenden Drosselabschnitt (18) gebildet ist, wobei der Drosselabschnitt (18) eine zylindrische Innenfläche (20) mit einem derart an den Außendurchmesser des kugelförmigen Ventilkörpers (10) angepassten Innendurchmesser aufweist, dass zwischen dem Ventilkörper (10) und der Innenfläche (20) des Drosselabschnittes (18) ein umfangsgemäßer Drosselspalt (22) gebildet ist.
Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselabschnitt (18) bezüglich seiner axialen Länge derart bemessen ist, dass in einer Ventil-Öffnungsstellung der Ventilkörper (10) zur Freigabe eines Strömungsdurchlasses (24) zumindest überwiegend außerhalb des Drosselabschnittes (18) angeordnet ist.
Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (14) mit seiner zylindrischen Außenfläche (26) mit geringem Umfangsspiel in einer zylindrischen Innenfläche (28) des Ventilgehäuses (2) axial verschiebbar geführt ist.
Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (14) einen Außenquerschnitt aufweist, der größer als der Außenquerschnitt des Ventilkörpers (10) ist.
Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die/jede Auslassöffnung (6) als Radialöffnung in einer Umfangswandung (32) des Ventilgehäuses (2) angeordnet ist, wobei der Ventilkolben (14) die/jede Auslassöffnung (6) in einer Öffnungsstellung zumindest bereichsweise in Richtung der Einlassöffnung (4) freigibt und in einer Schließstellung schieberartig überdeckt.
Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (8) und der sich anschließende Drosselabschnitt (18) in einem ringartigen, in dem Ventilgehäuse (2) befestigten Einsatzteil (34) gebildet sind.
Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) als Hohlschraube mit einem Außengewinde (36) und einem der Einlassöffnung (4) axial gegenüberliegenden Kraftangriff (38) für ein Drehwerkzeug sowie mit einer äußeren Umfangsdichtung (40) ausgebildet ist.
Ventilsitz-Einsatzteil (34) für ein Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einem ringförmigen Körper mit der an einem Stirnende gebildeten Einlassöffnung (4), dem sich an die Einlassöffnung (4) anschließenden, sich konisch erweiternden Dichtsitz (8) sowie mit dem sich an den Dichtsitz (8) anschließenden Drosselabschnitt (18) mit der zylindrischen Innenfläche (20).
Ventilsitz-Einsatzteil nach Anspruch 9, wobei sich an die zylindrische Innenfläche (20) des Drosselabschnittes (18) ein sich erweiternder Einlaufbereich (35) anschließt.