[0001] Die Erfindung betrifft ein Schalt- oder Druckregelventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem,
insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 027 841 A1 geht ein Schalt- bzw. Steuerventil für ein Kraftstoffeinspritzventil hervor, das
der Steuerung eines hubbeweglichen Einspritzventilgliedes des Kraftstoffeinspritzventils
dient. Das bekannte Steuerventil weist ein Schließelement mit einer zentralen Bohrung
auf, in welcher ein Druckstift aufgenommen und geführt ist. Ferner besitzt das Schließelement
eine ringförmige Dichtkante, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser der
zentralen Bohrung entspricht, so dass das Schließelement in der Schließstellung, in
der die Dichtkante dichtend an einem Ventilsitz anliegt, im Wesentlichen druckausgeglichen
ist. Um im Unterschied zu sonstigen druckausgeglichenen Steuerventilen ein selbständiges
Öffnen bei einem fehlerhaften Überdruck im System zu ermöglichen, ist der Druckstift
derart innerhalb der zentralen Bohrung des Schließelements aufgenommen und geführt,
dass er bei einer definierten Druckkraft an seiner dem Ventilsitz zugewandten Stirnfläche
eine axiale Lageveränderung erfährt und auf diese Weise eine hydraulische Verbindung
der Bohrung mit einem Rücklauf bewirkt. Das Steuerventil besitzt somit ferner eine
Druckbegrenzungsfunktion, so dass ein in der Regel zusätzlich vorgesehenes Druckbegrenzungsventil
entfallen kann.
[0003] Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 000 284 A1 ist ferner ein Schalt- bzw. Steuerventil zur Steuerung eines Einspritzventilgliedes
eines Kraftstoffeinspritzventileinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt,
das zusätzlich eine Druckhaltefunktion besitzt, um ein schnelles Starten der Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere im Start-Stopp-Betrieb, zu ermöglichen. Hierzu weist das Steuerventil
einen Druckhaltkörper auf, der gegen eine Öffnung eines Verbindungskanals, der einen
Steuerraum mit einem Ventilraum verbindet, vorgespannt ist. Die Vorspannkraft wird
über eine Druckhaltefeder bewirkt, die derart ausgelegt bzw. dimensioniert ist, dass
der Druckhaltekörper schließt, sobald ein gewünschter Haltedruck erreicht ist.
[0004] Darüber hinaus sind Druckregelventile zur Regelung des Drucks in einem Kraftstoffhochdruckspeicher
bekannt, über welchen ein Kraftstoffeinspritzventil der vorstehend genannten Art mit
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird. Ein solches Druckregelventil
geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 043 097 A1 hervor. Es weist einen Magnetaktor und einen Anker zur Einwirkung auf ein hubbewegliches
Ventilschließelement auf, über dessen Hubbewegung eine hydraulische Verbindung vom
Hochdruckspeicher zu einem an einen Niederdruckbereich angeschlossenen Ventilraum
freigebbar oder verschließbar ist. Bei derart direkt betätigbaren Ventilen stellt
sich prinzipbedingt eine Permanentleckage ein, die bei gängigen Anforderungen nur
durch enge Fertigungstoleranzen auf ein tolerierbares Maß begrenzbar ist. Der Betrieb
eines Start-Stopp-Systems oder eines Hybridfahrzeugs erfordert jedoch höhere Anforderungen
an die zulässige Leckage.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schalt- oder Druckregelventil
für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben,
das diese höheren Anforderungen zu erfüllen vermag und zudem einfach und kostengünstig
herzustellen ist.
[0006] Zur Lösung der Aufgabe wird das Schalt- oder Druckregelventil mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
[0007] Das für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem,
vorgeschlagene Schalt- oder Druckregelventil umfasst ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes,
hubbewegliches Ventilschließelement, das mittels eines Aktors betätigbar ist und entgegen
der Wirkrichtung des Aktors von der Federkraft einer Ventilfeder beaufschlagt ist.
Ferner umfasst das vorgeschlagene Ventil einen Druckstift, der in einer zentralen
Bohrung des Ventilschließelements zumindest bereichsweise aufgenommen und in Richtung
eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Druckhaltefeder beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß
ist vorgesehen, dass die Federkraft der Ventilfeder das Ventilschließelement in Öffnungsrichtung
beaufschlagt. Das heißt, dass das vorgeschlagene Ventil als stromlos offenes Ventil
ausgeführt ist. Als stromlos offenes Ventil erfüllt das vorgeschlagene Ventil die
Sicherheitsanforderungen, die regelmäßig an ein Druckregelventil in einem Kraftstoffeinspritzsystem
gestellt werden. Denn bei Ausfall des Aktors drückt die Ventilfeder das Ventilschließelement
aus dem Ventilsitz, so dass das Ventil öffnet und einen unzulässigen Druckanstieg
im System verhindert.
[0008] Neben dieser Sicherheitsfunktion besitzt das Ventil weitere Funktionen, die auch
eine Druckhaltefunktion beinhalten. Die Druckhaltefunktion wird vorliegend durch den
federbelasteten Druckstift in Verbindung mit dem zusätzlich vorgesehen Dichtsitz realisiert.
Druckstift und Dichtsitz bilden somit eine Druckhalteventil aus, das einen Mindestdruck
im System sicherstellt, um beispielsweise einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine
zu ermöglichen. Erst bei höheren Drücken öffnet das Druckhalteventil entgegen der
Federkraft der Druckhaltefeder, so dass die Druckhaltefunktion nur bis zu einem vorgegebenen
Grenzdruck realisiert wird. Der Grenzdruck entspricht dabei dem Öffnungsdruck des
Druckhalteventils, der über die Federkraft der den Druckstift in Richtung des Dichtsitzes
beaufschlagenden Druckhaltefeder einstellbar ist.
[0009] Darüber hinaus besitzt das vorgeschlagene Ventil eine Schalt- oder Druckregelfunktion,
welche die eigentliche Ventilfunktion darstellt.
[0010] Das vorgeschlagene Ventil ist einfach und kostengünstig herstellbar, da es vorrangig
auf Komponenten zurückgreift, die üblicherweise bereits in einem solchen Ventil vorhanden
sind. Ggf. muss bzw. müssen lediglich ein weiterer Dichtsitz und/oder eine zusätzliche
Feder vorgesehen werden. Darüber hinaus gilt es die Federn, d. h. die Ventilfeder
und die Druckhaltefeder, hinsichtlich ihrer Anordnung und Federkraft aufeinander abzustimmen.
[0011] Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Druckhaltefeder, deren Federkraft
den Druckstift in Richtung des Dichtsitzes beaufschlagt, einerseits am Druckstift,
vorzugsweise an einem Bundabschnitt des Druckstifts, und andererseits gehäuseseitig
abgestützt. Diese Anordnung erlaubt eine besonders einfache und leicht zu montierende
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils, da die Druckhaltefeder und der am
Druckstift ausgebildete Bundabschnitt zur Abstützung der Druckhaltefeder außerhalb
der zentralen Bohrung des Ventilschließelements angeordnet werden können.
[0012] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Druckhaltefeder einerseits
am Druckstift, vorzugsweise an einem Bundabschnitt des Druckstifts, und andererseits
am Ventilschließelement abgestützt. Vorzugsweise erfolgt die Abstützung am Ventilschließelement
mittelbar über einen mit dem Ventilschließelement verbundenen Federteller. Die Druckhaltefeder
und der am Druckstift ausgebildete Bundbereich zur Abstützung der Druckhaltefeder
sind in diesem Fall innerhalb der zentralen Bohrung des Ventilschließelements angeordnet.
Um weiterhin eine einfache Montage zu gewährleisten wird der Federteller vorzugsweise
erst nach dem Einsetzen des Druckstifts und der Druckhaltefeder in die zentrale Bohrung
des Ventilschließelements mit dem Ventilschließelement verbunden. Zur Herstellung
der Verbindung kann der Federteller beispielsweise in die zentrale Bohrung des Ventilschließelements
eingepresst werden.
[0013] Die Abstützung der Druckhaltefeder am Ventilschließelement besitzt den Vorteil, dass
über die Federkraft der Druckhaltefeder eine zusätzliche Öffnungskraft auf das Ventilschließelement
bewirkt werden kann, welche ein sicheres Öffnen des Ventils gewährleistet.
[0014] Die Druckhaltefeder ist vorzugsweise als Druckfeder, insbesondere als Schraubendruckfeder
ausgeführt. Des weiteren bevorzugt umgibt die Druckhaltefeder den Druckstift zumindest
bereichsweise, um eine Führung der Druckhaltefeder über den Druckstift zu bewirken.
[0015] Vorteilhafterweise ist die zentrale Bohrung des Ventilschließelements als Stufenbohrung
ausgeführt, so dass ein Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser ausgebildet wird,
in dem die Druckhaltefeder, der Bundabschnitt des Druckstifts und/oder der Federteller
einsetzbar sind.
[0016] Ferner wird vorgeschlagen, dass der Druckstift an seinem dem Dichtsitz abgewandten
Ende eine mit einem Gehäuseanschlag zusammenwirkende Anschlagfläche besitzt. Der Gehäuseanschlag
dient der Abstützung des Druckstifts, wenn dieser aufgrund eines Druckanstiegs im
System vom Dichtsitz abhebt. Damit ist auch die Druckhaltefunktion des Ventils aufgehoben,
so dass die eigentliche Funktion des Ventils nicht beeinträchtigt wird.
[0017] Liegt der Duckstift am Gehäuseanschlag an, ist vorzugsweise das Ventil druckausgeglichen
oder zumindest druckangeglichen. Das heißt, dass sich die auf das Ventilschließelement
wirkenden Druckkräfte ausgleichen oder zumindest nahezu ausgleichen. Damit sinkt der
zur Betätigung des Ventils erforderliche Kraftbedarf und es kann ein deutlich kleinerer
Aktor eingesetzt werden. Zudem wird der Energiebedarf des Aktors gesenkt.
[0018] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilschließelement
als Hohlnadel ausgeführt. Die Hohlnadel ist vorzugsweise an ihrem dem Ventilsitz zugewandten
Ende konisch zulaufend ausgebildet. Diese Ausgestaltung führt zur Ausbildung einer
ringförmigen Dichtkante, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser der
zentralen Bohrung entspricht, wodurch das Ventilschließelement weitgehend druckausgeglichen
ist.
[0019] Ferner wird vorgeschlagen, dass der Ventilsitz kegelförmig ausgebildet ist. Das sich
verjüngende Ende des Kegels ist dabei bevorzugt in Richtung des Ventilschließelements
orientiert, so dass bei geschlossenem Ventil die vorzugsweise ringförmige Dichtkante
des Ventilschließelements den kegelförmig ausgebildeten Ventilsitz umgreift. Die abzudichtende
Öffnung kommt somit innerhalb der zentralen Bohrung des Ventilschließelements zu liegen,
wodurch sich die Ausbildung des Druckhalteventils vereinfacht.
[0020] Der Dichtsitz des Druckhalteventils ist vorzugsweise als Flachsitz oder Kegelsitz
ausgeführt und/oder unmittelbar angrenzend an den Ventilsitz ausgebildet. Zur Ausbildung
eines unmittelbar an einen kegelförmigen Ventilsitz angrenzenden Dichtsitzes, der
als Flach- oder Kegelsitz ausgebildet ist, kann beispielsweise der kegelförmige Ventilsitz
endseitig abgeflacht oder gefast sein. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung
des Dichtsitzes kann ferner am Druckstift eine flache, kegelförmige oder teilkugelförmige
Dichtkontur ausgebildet sein. Grundsätzlich sind alle bekannten Sitzgeometrien möglich.
[0021] Vorteilhafterweise ist der Aktor ein Magnetaktor und umfasst eine Magnetspule zur
Einwirkung auf einen mit dem Ventilschließelement gekoppelten oder koppelbaren Anker.
In dieser Ausgestaltung ermöglicht der Aktor eine direkte Betätigung des Ventils.
Im Falle eines druckausgeglichenen oder zumindest druckangeglichenen Ventils kann
zudem ein kleiner Magnetaktor eingesetzt werden, da der Kraftbedarf gering ist.
[0022] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schalt- oder Druckregelventil
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schalt- oder Druckregelventil
gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schalt- oder Druckregelventil
im Bereich seines Ventilsitzes und
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schalt- oder Druckregelventil
im Bereich seines Ventilsitzes als Variante zum Ventilsitz der Fig. 3.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0023] Das in der Fig. 1 dargestellte Druckregelventil ist insbesondere zur Regelung des
Drucks in einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) eines Kraftstoffeinspritzsystems
einsetzbar. Der Hochdruckspeicher ist hierzu über einen Zulaufkanal 16 und einen Ablaufkanal
20 des Druckregelventils mit einem Rücklauf (nicht dargestellt) verbindbar.
[0024] Das dargestellte Druckregelventil ist als druckausgeglichenes Ventil ausgeführt.
Es umfasst ein mit einem Ventilsitz 1 zusammenwirkendes, hubbewegliches Ventilschließelement
2 sowie einen Aktor 3, mittels dessen das Ventilschließelement 2 direkt betätigbar
ist. Bei dem Aktor 3 handelt es sich um einen Magnetaktor mit einer Magnetspule 13
zur Einwirkung auf einen mit dem Ventilschließelement 2 verbundenen Anker 14, der
vorliegend als Tauchanker ausgebildet ist. Bei einer Bestromung der Magnetspule 13
bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 14 in Richtung des Ventilsitzes
1 zieht. Dabei drückt der Anker 14 das Ventilschließelement 2 gegen den Ventilsitz
1. Zum Öffnen des Ventils wird die Bestromung der Magnetspule 13 unterbrochen, so
dass eine das Ventilschließelement 2 in Öffnungsrichtung beaufschlagende Ventilfeder
4 das Ventil zu öffnen vermag. Die Ventilfeder 4 ist hierzu einerseits an der dem
Ventilsitz 1 zugewandten Stirnfläche des Ankers 14 und andererseits an einer Stirnfläche
einer das Ventilschließelement 2 bereichsweise umgebenden Führungshülse 15 abgestützt,
die der Führung des Ventilschließelements 2 dient. Die Führungshülse 15 wird von dem
Ablaufkanal 20 durchsetzt.
[0025] Um neben der Druckregelfunktion ferner eine Druckhaltefunktion zu realisieren, ist
im Ventilschließelement 2 eine zentrale Bohrung 6 ausgebildet, in der ein Druckstift
5 bereichsweise aufgenommen und geführt ist. Der Druckstift 5 überragt an seinem dem
Ventilsitz 1 abgewandten Ende das Ventilschließelement 2 und bildet einen Bundabschnitt
11 aus, an dem eine Druckhaltefeder 8 abgestützt ist. Das andere Ende der Druckhaltefeder
8 ist gehäuseseitig abgestützt. Die Federkraft der Druckhaltefeder 8 spannt den Druckstift
5 in Richtung eines Dichtsitzes 7 vor, der radial innen liegend unmittelbar an den
Ventilsitz 1 angrenzt und von dem Zulaufkanal 16 durchsetzt wird. Liegt der Druckstift
5 am Dichtsitz 7 an (siehe Fig. 1), ist der Zulaufkanal 16 verschlossen. Das heißt,
dass keine Verbindung des Hochdruckspeichers mit dem Rücklauf (nicht dargestellt)
herstellbar ist. Der Druckstift 5 hebt erst vom Dichtsitz 7 ab, wenn der Druck im
Hochdruckspeicher und damit der Druck im Zulaufkanal 16 einen über die Federkraft
der Druckhaltefeder 8 vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Auf diese Weise wird eine
Druckhaltefunktion realisiert, die insbesondere dazu dienen kann, einen Mindestdruck
in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffeinspritzsystems zu gewährleisten, der
einen Start-Stopp-Betrieb ermöglicht.
[0026] Beim Abheben vom Dichtsitz 7 bewegt sich der Druckstift 5 in Richtung eines Gehäuseanschlags
9, bis eine am Druckstift 5 ausgebildete Anschlagfläche 10 zur Anlage am Gehäuseanschlag
9 kommt. In dieser Lage nimmt der Druckstift 5 an der Druckregelfunktion des Ventils
nicht mehr teil. Denn das Ventilschließelement 2 vermag unbeeinflusst zu öffnen und
zu schließen.
[0027] Eine Abwandlung des Druckregelventils der Fig. 1 ist in der Fig. 2 dargestellt. Die
Druckhaltefeder 8 ist hier innerhalb der zentralen Bohrung 6 des Ventilschließelements
2 angeordnet, die hierzu als Stufenbohrung ausgeführt ist und ferner den Bundabschnitt
11 des Druckstifts 5 sowie einen Federteller 12 zur Abstützung der Druckhaltefeder
8 aufnimmt. Über die Stufenbohrung wird zugleich eine Anschlagfläche 17 für den Bundabschnitt
11 des Druckstifts 5 ausgebildet, so dass die Federkraft der Druckhaltefeder 8 auch
auf das Ventilschließelement 2 wirkt. Hebt der Druckstift 5 vom Dichtsitz 7 ab, führt
dies zu einer zusätzlichen Öffnungskraft auf das Ventilschließelement 2, so dass ein
sicheres Öffnen gewährleistet ist, wenn die Bestromung der Magnetspule 13 beendet
wird.
[0028] Im Übrigen entspricht das Druckregelventil der Fig. 2 dem der Fig. 1, so dass auf
die vorstehenden Ausführungen zur Fig. 1 verwiesen wird.
[0029] Die Fig. 3 und 4 zeigen beispielhaft mögliche Sitzgeometrien des Ventilsitzes 1 und
des Dichtsitzes7. In beiden Varianten ist der Ventilsitz 1 kegelförmig ausgebildet
und wird von einer ringförmigen Dichtkante 18 des Ventilschließelements 2 umgriffen.
Die abzudichtende Öffnung des Zulaufkanals 16 kommt somit innerhalb der zentralen
Bohrung 6 des Ventilschließelements 2 zu liegen.
[0030] Zur Ausbildung des Dichtsitzes 7 ist in der Fig. 3 der kegelförmige Ventilsitz 1
endseitig abgeflacht, so dass ein Flachsitz ausgebildet wird. Der Druckstift 5 weist
eine mit dem Dichtsitz 7 zusammenwirkende flache Dichtkontur 19 auf.
[0031] Bei der Variante der Fig. 4 ist die Dichtkontur 19 am Druckstift 5 teilkugelförmig
ausgebildet und wirkt mit einem als Kegelsitz ausgeführten Dichtsitz 7 zusammen. Die
Kegelform des Dichtsitzes 7 wird vorliegend durch eine Fase ausgebildet, über welche
der Ventilsitz 1 in den Zulaufkanal 16 übergeht.
[0032] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen eines Druckregelventils
beschränkt, sondern grundsätzlich auf alle druckausgeglichenen oder nahezu druckausgeglichenen
Ventile innerhalb eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems,
anwendbar.
1. Schalt- oder Druckregelventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein
Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend ein mit einem Ventilsitz (1) zusammenwirkendes,
hubbewegliches Ventilschließelement (2), das mittels eines Aktors (3) betätigbar ist
und entgegen der Wirkrichtung des Aktors (3) von der Federkraft einer Ventilfeder
(4) beaufschlagt ist, ferner umfassend einen Druckstift (5), der in einer zentralen
Bohrung (6) des Ventilschließelements (2) zumindest bereichsweise aufgenommen und
in Richtung eines Dichtsitzes (7) von der Federkraft einer Druckhaltefeder (8) beaufschlagt
ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Ventilfeder (4) das Ventilschließelement (2) in Öffnungsrichtung
beaufschlagt.
2. Schalt- oder Druckregelventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckhaltefeder (8) einerseits am Druckstift (5), vorzugsweise an einem Bundabschnitt
(11) des Druckstifts (5), und andererseits gehäuseseitig abgestützt ist.
3. Schalt- oder Druckregelventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckhaltefeder (8) einerseits am Druckstift (5), vorzugsweise an einem Bundabschnitt
(11) des Druckstifts (5), und andererseits am Ventilschließelement (2), vorzugsweise
mittelbar über einen mit dem Ventilschließelement (2) verbundenen Federteller (12),
abgestützt ist.
4. Schalt- oder Druckregelventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Bohrung (6) des Ventilschließelements (2) als Stufenbohrung ausgeführt
ist und einen Abschnitt mit vergrößertem Innendurchmesser zur Aufnahme der Druckhaltefeder
(8) und/oder des Bundabschnitts (11) des Druckstifts (5) und/oder des Federtellers
(12) besitzt.
5. Schalt- oder Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstift (5) an seinem dem Dichtsitz (7) abgewandten Ende eine mit einem Gehäuseanschlag
(9) zusammenwirkende Anschlagfläche (10) besitzt.
6. Schalt- oder Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließelement (2) als Hohlnadel ausgeführt ist, die vorzugsweise an ihrem
dem Ventilsitz (1) zugewandten Ende konisch zulaufend ausgebildet ist.
7. Schalt- oder Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (1) kegelförmig ausgebildet ist.
8. Schalt- oder Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (7) als Flachsitz oder Kegelsitz ausgeführt ist und/oder unmittelbar
angrenzend an den Ventilsitz (1) ausgebildet ist.
9. Schalt- oder Druckregelventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (3) ein Magnetaktor ist und eine Magnetspule (13) zur Einwirkung auf einen
mit dem Ventilschließelement (2) gekoppelten oder koppelbaren Anker (14) umfasst.