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Die
Erfindung betrifft ein Ventil und eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine
mit Ventil.
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Zum
Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, kommen Einspritzanlagen
zum Einsatz, die in den letzten Jahren immer mehr als so genannte „Common-Rail"-Anlagen ausgeführt sind.
Bei diesen werden die in den Brennräumen angeordneten Injektoren
aus einem gemeinsamen Kraftstoffspeicher, dem Common-Rail, mit Kraftstoff
versorgt. Der einzuspritzende Kraftstoff liegt dabei im Kraftstoffspeicher
unter einem Druck von bis zu 2000 bar vor.
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Einspritzanlagen
für Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise
verschiedene Pumpen und Ventile auf, mittels derer Brennräumen der
Brennkraftmaschine Kraftstoff zugemessen werden kann. Derartige
Einspritzanlagen für
Brennkraftmaschinen stellen hohe Anforderungen an die Genauigkeit
des zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der
Brennkraftmaschine erforderlichen Einspritzdrucks.
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Dies
ist besonders wichtig, da immer strengere Gesetzesvorschriften bezüglich der
zulässigen Schadstoffemission
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
erlassen werden. Diese machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen,
durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. So ist beispielsweise
die Bildung von Ruß stark
abhängig
von der Aufbereitung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Die
Einspritzanlage kann mit geeigneten Steuer- und Regelaggregaten
wie etwa entsprechenden Ventilen eine hohe Genauigkeit des Einspritzdrucks
des Kraftstoffs in die Brennräume
der Brennkraftmaschine erreichen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zu schaffen, das
einfach aufgebaut ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Einspritzanlage mit einem Ventil zu schaffen, die eine
hohe Genauigkeit des Einspritzdrucks des Kraftstoffs in die Brennräume der
Brennkraftmaschine und einen einfachen Aufbau der Einspritzanlage
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Ventil,
mit einem Ventilgehäuse
mit einer Längsachse,
das eine Ventilgehäuseausnehmung
mit einer Wand aufweist, einer Fluideintrittsöffnung und einer Fluidaustrittsöffnung, die
in dem Ventilgehäuse
angeordnet und mit der Ventilgehäuseausnehmung
hydraulisch koppelbar sind, einem an der Wand der Ventilgehäuseausnehmung
ausgebildeten Dichtsitz, einem in der Ventilgehäuseausnehmung zwischen der
Fluideintrittsöffnung
und der Fluidaustrittsöffnung
axial bewegbar angeordneten Ventilkörper, der einen Sitzbereich aufweist,
der mit dem Dichtsitz so zusammenwirkt, dass in einer Schließposition
ein Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung verhindert und ansonsten
der Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung freigegeben ist, und
einem Federelement, durch das der Ventilkörper in Richtung der Fluideintrittsöffnung mit
Kraft beaufschlagbar ist, wobei der Ventilkörper und das Federelement so
ausgebildet und angeordnet sind, dass in einem ersten Bereich des
Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung unterhalb eines ersten
Fluiddruckwerts der Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung verhindert
ist, dass in einem zweiten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung oberhalb
eines zweiten Fluiddruckwerts ein Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung mit
einem maximalen ersten Fluiddurchsatzwert ermöglicht ist, und dass in einem
dritten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung oberhalb des
ersten Fluiddruckwerts und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
ein Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung mit einem maximalen
zweiten Fluiddurchsatzwert ermöglicht
ist, der größer ist
als der erste Fluiddurchsatzwert.
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Dies
hat den Vorteil, dass bei mittleren Fluiddrücken zwischen dem ersten Fluiddruckwert
und dem zweiten Fluiddruckwert ein großer Fluidstrom durch das Ventil
möglich
ist, während
bei niedrigen und hohen Fluiddrücken
ein kleiner Fluidstrom oder eine Unterbindung des Fluidstroms möglich ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind der Ventilkörper
und der Dichtsitz so ausgebildet und angeordnet, dass in einem vierten Bereich
des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung oberhalb des ersten
Fluiddruckwerts und unterhalb eines dritten Fluiddruckwerts eine
Variation des Fluiddurchsatzes durch die Fluidaustrittsöffnung zwischen
Null und dem maximalen zweiten Fluiddurchsatzwert ermöglicht ist,
und in einem fünften
Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung oberhalb des dritten
Fluiddruckwerts und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts eine Variation
des Fluiddurchsatzes durch die Fluidaustrittsöffnung zwischen dem maximalen
zweiten Fluiddurchsatzwert und dem maximalen ersten Fluiddurchsatzwert
ermöglicht
ist, wobei der vierte Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung kleiner
ist als der fünfte
Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung. Dies hat den Vorteil,
dass ein Anstieg des Fluiddurch satzes von Null auf den zweiten Fluiddruckwert
in einem kleinen Fluiddruckbereich und ein Abfall des Fluiddurchsatzes
von dem zweiten Fluiddruckwert auf den ersten Fluiddruckwert in
einem großen
Fluiddruckbereich möglich
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat
das Ventil einen an der Wand der Ventilgehäuseausnehmung ausgebildeten
ersten Dichtsitz und einen an der Wand der Ventilgehäuseausnehmung
ausgebildeten zweiten Dichtsitz, der von dem ersten Dichtsitz axial
beabstandet ist, wobei der Ventilkörper axial zwischen dem ersten
Dichtsitz und dem zweiten Dichtsitz angeordnet ist, und der Ventilkörper einen
ersten Sitzbereich aufweist, der mit dem ersten Dichtsitz so zusammenwirkt,
dass in dem ersten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung unterhalb
des ersten Fluiddruckwerts ein Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung verhindert
ist, und der Ventilkörper
einen zweiten Sitzbereich aufweist, der mit dem zweiten Dichtsitz
so zusammenwirkt, dass in dem zweiten Bereich des Fluiddrucks an
der Fluideintrittsöffnung
oberhalb des zweiten Fluiddruckwerts ein Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung verhindert
ist. Dies hat den Vorteil, dass ein einfacher Aufbau des Ventils
mit zwei Dichtsitzen und einem Ventilkörper zur Realisierung eines
Fluiddurchsatzes in dem mittleren Druckbereich zwischen dem ersten
Fluiddruckwert und dem zweiten Fluiddruckwert möglich ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
der erste Dichtsitz konusförmig ausgebildet
mit einem ersten Kegelöffnungswinkel und
ist der zweite Dichtsitz konusförmig
ausgebildet mit einem zweiten Kegelöffnungswinkel, und der erste
Kegelöffnungswinkel
des ersten Dichtsitzes ist größer als
der zweite Kegelöffnungswinkel
des zweiten Dichtsitzes. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung
eines Anstiegs des Fluiddurchsatzes von Null auf den zweiten Fluiddruckwert
in einem kleinen Fluiddruckbereich und eines Ab falls des Fluiddurchsatzes
von dem zweiten Fluiddruckwert auf den ersten Fluiddruckwert in
einem großen
Fluiddruckbereich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
der erste Sitzbereich des Ventilkörpers konusförmig ausgebildet
mit einem ersten Kegelöffnungswinkel
und der zweite Sitzbereich des Ventilkörpers ist konusförmig ausgebildet
mit einem zweiten Kegelöffnungswinkel,
und der erste Kegelöffnungswinkel
des ersten Sitzbereichs ist kleiner als der zweite Kegelöffnungswinkel
des zweiten Sitzbereichs. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache
Realisierung eines Anstiegs des Fluiddurchsatzes von Null auf den
zweiten Fluiddruckwert in einem kleinen Fluiddruckbereich und eines
Abfalls des Fluiddurchsatzes von dem zweiten Fluiddruckwert auf
den ersten Fluiddruckwert in einem großen Fluiddruckbereich möglich ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Ventilkörper
einen Zylinderabschnitt auf, und die Wand der Ventilgehäuseausnehmung
weist einen Zylinderabschnitt auf, und der Ventilkörper ist
so in der Ventilgehäuseausnehmung
angeordnet, dass zwischen dem Zylinderabschnitt des Ventilkörpers und
dem Zylinderabschnitt der Wand der Ventilgehäuseausnehmung ein Spalt mit
einer Spaltlänge
ausgebildet ist, derart, dass in dem dritten Bereich des Fluiddrucks
an der Fluideintrittsöffnung
oberhalb des ersten Fluiddruckwerts und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
die Spaltlänge
in Abhängigkeit
von dem Fluiddruck an der Fluideintrittsöffnung variierbar ist, wobei
für den ersten
Fluiddruckwert ein minimaler Spaltlängenwert und für den zweiten
Fluiddruckwert ein maximaler Spaltlängenwert angenommen wird. Dies
hat den Vorteil, dass der Fluiddurchsatz durch das Ventil in dem
dritten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung in
Abhängigkeit
von der Spaltlänge
steuerbar ist.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts umfasst die Erfindung eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
mit mindestens einem mit einem Kraftstoffspeicher gekoppelten Injektor,
einer Vorförderpumpe
zur Förderung
von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank, einer der Vorförderpumpe
stromabwärts nachgeordneten
Hochdruckpumpe zur Förderung des
Kraftstoffs in den Kraftstoffspeicher, einem der Hochdruckpumpe
stromabwärts
nachgeordneten Ventil gemäß des ersten
Aspekts der Erfindung, mit dem der in dem Kraftstoffspeicher herzustellende Druck
einstellbar ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass der in dem Kraftstoffspeicher der Einspritzanlage
herzustellende Druck insbesondere in dem Fluiddruckbereich zwischen
dem ersten Fluiddruckwert und dem zweiten Fluiddruckwert in einfacher
Weise mittels des Ventils einstellbar ist. Unterhalb des ersten
Fluiddruckwerts kann der Fluiddurchsatz durch das Ventil unterbunden
werden, um eine sichere Inbetriebnahme des Einspritzsystems zu ermöglichen.
Oberhalb des zweiten Fluiddruckwerts kann der Fluiddurchsatz durch
das Ventil ebenfalls unterbunden oder sehr klein gehalten werden,
um einen unnötigen
Fluidverlust und damit einen unnötigen
Energieverlust des Einspritzsystems zu vermeiden. Des Weiteren kann mit
dem Ventil ein aufwändiges
Druckregelventil eingespart werden, wodurch auch auf einen Regelkreis zum
Einstellen des Drucks in dem Kraftstoffspeicher der Einspritzanlage
verzichtet werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des zweiten Aspekts der Erfindung ist hydraulisch zwischen der Vorförderpumpe
und der Hochdruckpumpe ein Volumenstromsteuerventil angeordnet,
mit dem der Kraftstofffluß von
der Vorförderpumpe
in die Hochdruckpumpe einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass
das Volumenstromsteuerventil über
den gesamten Regelbereich als aktiv einzustellendes Stellglied arbeiten
kann, wodurch die Regelung einfach ausgebildet sein kann und präzise durchführbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine mit
einem Ventil,
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2 einen
schematischen Querschnitt durch ein Ventil in einer ersten Ausführungsform,
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3a den
Verlauf der effektiven Drosselfläche
der ersten Ausführungsform
des Ventils in Abhängigkeit
vom Eingangsdruck,
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3b den
Verlauf des Fluiddurchsatzes der ersten Ausführungsform des Ventils in Abhängigkeit
vom Eingangsdruck,
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4 ein
schematischer Querschnitt durch ein Ventil in einer zweiten Ausführungsform,
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5a den
Verlauf der Spaltlänge
der zweiten Ausführungsform
des Ventils in Abhängigkeit vom
Eingangsdruck, und
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5b den
Verlauf des Fluiddurchsatzes der zweiten Ausführungsform des Ventils in Abhängigkeit
vom Eingangsdruck.
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In 1 ist
eine Einspritzanlage für
eine Brennkraftmaschine dargestellt, mit einem Kraftstofftank 10,
aus dem Kraftstoff mittels einer Vorförderpumpe 12 gefördert wird.
Die Vorförderpumpe 12 kann
von einer (nicht dargestellten) Antriebswelle mechanisch angetrieben
werden, wobei die An triebswelle mit einer Motorwelle der Brennkraftmaschine fest
gekoppelt sein kann. Alternativ ist es auch möglich, die Vorförderpumpe 12 elektrisch
zu betreiben, wodurch eine Steuerung der Förderleistung der Vorförderpumpe 12 unabhängig von
der Förderleistung weiterer
Pumpen möglich
ist.
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Die
Vorförderpumpe 12 ist
ausgangsseitig mit einem Vordruckregelventil 28 hydraulisch
gekoppelt, das beim Überschreiten
eines vorgegebenen Kraftstoffdrucks an der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 12 einen
Teil des von der Vorförderpumpe 12 geförderten
Kraftstoffs zur Ansaugseite der Vorförderpumpe 12 zurückführt und
damit den Kraftstoffdruck an der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 12 weitgehend
konstant hält.
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Der
Vorförderpumpe 12 ist
stromabwärts eine
Hochdruckpumpe 14 nachgeordnet, die über eine Kraftstoffspeicherzuleitung 44 Kraftstoff
in einen Kraftstoffspeicher 16 fördert. Durch die Hochdruckpumpe 14 kann
der Kraftstoff, der mittels Injektoren 18 in Brennräume der
Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, einen relativ hohen
Einspritzdruck erreichen. Die Hochdruckpumpe 14 kann vorzugsweise
als Radialkolbenpumpe oder als Reihenkolbenpumpe mit mehreren Zylindereinheiten
ausgebildet sein, wie sie zum Einsatz in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen
bekannt sind.
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Die
Hochdruckpumpe 14 ist stromabwärts mit dem Kraftstoffspeicher 16 verbunden,
der wiederum über
Leitungen hydraulisch mit dem einen Injektor 18 oder mehreren
Injektoren 18 gekoppelt ist. Jedem der Injektoren 18 ist
ein Brennraum der Brennkraftmaschine zugeordnet und jeder kann so
angesteuert werden, dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt
wird. Überschüssiger Kraftstoff
kann von den Injektoren 18 über eine Injektorrücklaufleitung 46 zum
Kraftstofftank 10 zurückgeführt werden.
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In
einer stromabwärts
der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigenden
Leitung 42 ist ein Ventil 22 angeordnet. Beim Überschreiten
eines vorgegebenen Kraftstoffdrucks öffnet das Ventil 22,
und ein Teilstrom des von Hochdruckpumpe 14 geförderten
Kraftstoffs kann über
die stromabwärts
der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigende
Leitung 42 in den Kraftstofftank 10 zurückgeführt werden.
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Zwischen
der Vorförderpumpe 12 und
der Hochdruckpumpe 14 ist weiter ein Volumenstromsteuerventil 20 angeordnet,
das eine niederdruckseitige Steuerung des Kraftstoffstroms ermöglicht,
der der Hochdruckpumpe 14 zugeführt werden soll. Das Volumenstromsteuerventil 20 kann
hierzu in Abhängigkeit
von einem in dem Kraftstoffspeicher 16 gemessenen Kraftstoffdruck,
der durch einen Drucksensor 24 bestimmt wird, sowie in
Abhängigkeit
von weiteren Eingangsgrößen gesteuert
werden.
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Zwischen
der Vorförderpumpe 12 und
dem Vordruckregelventil 28 zweigt eine Spülleitung 30 ab, die
ausgangsseitig in das Gehäuse
der Hochdruckpumpe 14 mündet.
Damit kann während
des Betriebs der Hochdruckpumpe 14 das Gehäuse der
Hochdruckpumpe 14 gespült
werden, wodurch eine Kühlung
und Schmierung der Hochdruckpumpe 14 ermöglicht wird.
In der Spülleitung 30 ist
ein Spülleitungsventil 32 und
hydraulisch in Serie hierzu eine Spülleitungsdrossel 34 angeordnet.
Die Spülleitungsdrossel 34 dient
dazu, den zu Spülungszwecken
in die Spülleitung 30 abgezweigten
Kraftstoffstrom zu begrenzen. Das Spülleitungsventil 32 ist
so ausgelegt, dass es den über
die Spülleitung 30 laufenden Kraftstoffstrom
erst beim Überschreiten
eines vorgesehenen Kraftstoffdrucks der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 12 freigibt.
Der Öffnungsdruck
am Spülleitungsventil 32 muss
dabei größer sein
als der Öffnungsdruck
der (nicht dargestellten) Einlassventile der Hochdruckpumpe 14 und
der dazwischen liegenden Leitung. Nur so ist sichergestellt, dass die
Spülung
der Hochdruckpumpe 14 erst dann einsetzt, wenn der Betriebsdruck
der Hochdruckpumpe 14 erreicht ist. Damit wird sichergestellt,
dass der Druckaufbau an der Ansaugseite der Hochdruckpumpe 14 nicht
verzögert
wird. Der zu Spülungszwecken
verwendete Kraftstoff kann die Hochdruckpumpe 14 über eine
Spülrücklaufleitung 35 verlassen
und über diese
in den Kraftstofftank 10 zurückgeführt werden.
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Vorzugsweise
sind zum Schutz vor im Kraftstoffstrom mitgeführten Partikeln oder zum Abscheiden
von Wasser vor der Vorförderpumpe 12 und
dem Volumenstromsteuerventil 20 Filter 36, 38 angeordnet.
So ist zum Schutz der Vorförderpumpe 12 hydraulisch
zwischen dem Kraftstofftank 10 und der Vorförderpumpe 12 ein
erster Filter 36 vorgesehen. Des Weiteren ist zum Schutz
des Volumenstromsteuerventils 20 und der Hochdruckpumpe 14 vor
dem Volumenstromsteuerventil 20 ein zweiter Filter 38 angeordnet.
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Das
Ventil 22 ist in der stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 und
stromaufwärts
des Kraftstoffspeichers 16 abzweigenden Leitung 42 angeordnet,
die ausgangsseitig mit einer Injektorrücklaufleitung 46 des
mindestens einen Injektors 18 gekoppelt ist. Die Spülrücklaufleitung 35,
die abzweigende Leitung 42 und die Injektorrücklaufleitung 46 von
den Injektoren 18 sind vorzugsweise zum Kraftstofftank 10 zurückgeführt.
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2 zeigt
im Detail eine erste Ausführungsform
des Ventils 22, das zwischen der Kraftstoffspeicherzuleitung 44 und
der abzweigenden Leitung 42 stromabwärts der Hochdruckpumpe 14 angeordnet ist.
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Das
Ventil 22 hat ein Ventilgehäuse 50 mit einer Längsachse
X. In dem Ventilgehäuse 50 ist
eine Ventilgehäuseausnehmung 52 ausgebildet.
Stromaufwärts
der Ventilgehäuseausnehmung 52 ist
eine Fluideintrittsöffnung 54 und
stromabwärts
der Ven tilgehäuseausnehmung 52 ist
eine Fluidaustrittsöffnung 56 angeordnet.
Die Fluideintrittsöffnung 54 und die
Fluidaustrittsöffnung 56 sind
hydraulisch mit der Ventilgehäuseausnehmung 52 koppelbar.
In der Ventilgehäuseausnehmung 52 zwischen
der Fluideintrittsöffnung 54 und
der Fluidaustrittsöffnung 56 ist
ein Ventilkörper 58 angeordnet,
der in der Ventilgehäuseausnehmung 52 axial
bewegbar ist. Mittels eines Federelements 60 ist der Ventilkörper 58 in
Richtung der Fluideintrittsöffnung 54 mit
Kraft beaufschlagbar. Die Ventilgehäuseausnehmung 52 weist
eine Wand 66 auf, an der ein erster Dichtsitz 62 und
ein zweiter Dichtsitz 64 ausgebildet sind.
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Der
Ventilkörper 58 hat
in einem bezüglich 2 unteren
Abschnitt einen ersten Sitzbereich 68 und einen bezüglich 2 oberen
Abschnitt einen zweiten Sitzbereich 70.
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Sowohl
der erste Dichtsitz 62 als auch der zweite Dichtsitz 64 der
Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 als
auch der erste Sitzbereich 68 und der zweite Sitzbereich 70 des
Ventilkörpers 58 sind
in der hier dargestellten Ausführungsform
konisch ausgebildet.
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Der
erste Dichtsitz 62 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 und
der erste Sitzbereich 68 des Ventilkörpers 58 können derart
zusammenwirken, dass ein Fluidstrom zwischen der Fluideintrittsöffnung 54 und
der Fluidaustrittsöffnung 56 unterbrochen
ist. Ebenso kann der zweite Dichtsitz 64 an der Wand 66 der
Ventilgehäuseausnehmung 52 so
mit dem zweiten Sitzbereich 70 des Ventilkörpers 58 zusammenwirken,
dass ein Fluiddurchsatz von der Fluideintrittsöffnung 54 zu der Fluidaustrittsöffnung 56 verhindert
ist. In einer Ausgangsstellung, in der der Fluiddruck an der Fluideintrittsöffnung 54 nur eine
kleinen Wert annimmt, wird durch die Federkraft des Federelements 60 der
Ventilkörper 58 derart
gegen die Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 gedrückt, dass
der erste Dichtsitz 62 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 und
der erste Sitzbereich 68 des Ventilkörpers 58 dichtend
einen Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung 56 verhindern.
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Der
erste Dichtsitz 62 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 hat
einen ersten Kegelöffnungswinkel
ALPHA_1. Der zweite Dichtsitz 64 der Wand 66 der
Ventilgehäuseausnehmung 52 hat
einen zweiten Kegelöffnungswinkel
ALPHA_2, wobei der zweite Kegelöffnungswinkel
ALPHA_2 des zweiten Dichtsitzes 64 der Wand 66 kleiner
ist als der erste Kegelöffnungswinkel
ALPHA_1 des ersten Dichtsitzes 62 der Wand 66.
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Der
konusförmig
ausgebildete erste Sitzbereich 68 des Ventilkörpers 58 hat
einen ersten Kegelöffnungswinkel
BETA_1, der konusförmig
ausgebildete zweite Sitzbereich 70 des Ventilkörpers 58 einen zweiten
Kegelöffnungswinkel
BETA_2. Der erste Kegelöffnungswinkel
BETA_1 des ersten Sitzbereichs 68 des Ventilkörpers 58 ist
kleiner als der zweite Kegelöffnungswinkel
BETA_2 des zweiten Sitzbereichs des Ventilkörpers 58.
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3a zeigt
den Verlauf einer effektiven Drosselfläche A des Ventils 22 in
Abhängigkeit
von einem Fluiddruck P an der Fluideintrittsöffnung 54.
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In
einem ersten Bereich des Fluiddrucks P unterhalb eines ersten Fluiddruckwerts
P_1 liegt der erste Dichtsitz 62 der Wand 66 der
Ventilgehäuseausnehmung 52 an
den ersten Sitzbereich 68 des Ventilkörpers 58 an. Die effektive
Drosselfläche
A ist in diesem Bereich also gleich Null.
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In
einem zweiten Bereich des Fluiddrucks P an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
eines zweiten Fluiddruckwerts 22 liegt der zweite Sitzbereich 70 des
Ventilkörpers 58 an
dem zweiten Dichtsitz 64 der Wand 66 der Ventilgehäuseausneh mung 52 an
und die effektive Drosselfläche
A des Ventils 22 ist gleich Null.
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In
einem dritten Bereich des Fluiddrucks P an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
P_2 steigt die effektive Drosselfläche A zunächst von Null auf eine maximale
effektive Drosselfläche
A_MAX an. Bei einem weiteren Anstieg des Fluiddrucks P an der Fluideintrittsöffnung 54 bis
zu einem dritten Fluiddruckwert P_3 ist die effektive Drosselfläche A zunächst weiter
gleich der maximalen effektiven Drosselfläche A_MAX. Schließlich nähert sich
der zweite Sitzbereich 70 des Ventilkörpers 58 dem zweiten
Dichtsitz 64 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 derart
an, dass die effektive Drosselfläche
A kontinuierlich abnimmt, bis sie schließlich für den zweiten Fluiddruckwert
P_2 den Wert Null annimmt.
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Da
der erste Kegelöffnungswinkel
ALPHA_1 des ersten Dichtsitzes 62 der Wand 66 der
Ventilgehäuseausnehmung 52 größer ist
als der zweite Kegelöffnungswinkel
ALPHA_2 des zweiten Dichtsitzes 64 der Wand 66 der
Ventilgehäuseausnehmung 52 beziehungsweise
der erste Kegelöffnungswinkels BETA_1
des ersten Sitzbereichs 68 des Ventilkörpers 58 kleiner ist
als der zweite Kegelöffnungswinkel BETA_2
des zweiten Sitzbereichs 70 des Ventilkörpers 58, kann in
einfacher Weise erreicht werden, dass ein Anstieg der effektiven
Drosselfläche
A bei Durchlaufen eines kleinen Fluiddruckbereichs erfolgt und eine
Reduzierung der effektiven Drosselfläche A bei Durchlaufen eines
großen
Fluiddruckbereichs möglich
ist.
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In 3b ist
ein Verlauf eines Fluiddurchsatzes FR in Abhängigkeit von dem Fluiddruckwert
P dargestellt.
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Entsprechend
dem Verlauf der effektiven Drosselfläche A ist in dem ersten Bereich
des Fluiddrucks P an der Fluideintrittsöffnung 54 unterhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 der Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung 56 verhindert,
so dass der Fluiddurchsatz FR hier gleich Null ist.
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In
dem zweiten Bereich des Fluiddrucks P an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des zweiten Fluiddruckwerts P_2 ist der Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung 56 ebenfalls
verhindert, es wird ein erster Fluiddurchsatzwert FR_1 gleich Null
erreicht.
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In
dem dritten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
P_2 ist ein Fluiddurchsatz durch die Fluidaustrittsöffnung 56 gegeben.
Der Fluiddurchsatz steigt in einem vierten Bereich des Fluiddrucks
an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 und unterhalb eines dritten Fluiddruckwerts
P_3 zunächst
von Null auf einen zweiten Fluiddurchsatzwert FR_2 an. In einem
fünften
Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des dritten Fluiddruckwerts P_3 und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
P_2 nimmt der Fluiddurchsatz FR durch die Fluidaustrittsöffnung 56 schließlich wieder
von dem maximalen zweiten Fluiddurchsatzwert FR_2 auf den Wert Null
ab.
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Da
der erste Kegelöffnungswinkel
ALPHA_1 des ersten Dichtsitzes 62 größer ist als der zweite Kegelöffnungswinkel
ALPHA_2 des zweiten Dichtsitzes 64 beziehungsweise der
erste Kegelöffnungswinkels
BETA_1 des ersten Sitzbereichs 68 kleiner ist als der zweite
Kegelöffnungswinkel
BETA_2 des zweiten Sitzbereichs 70 des Ventilkörpers 58,
wird erreicht, dass der Fluiddurchsatz in einem kleinen Fluiddruckbereich
von Null auf den zweiten Fluiddurchsatzwert FR_2 ansteigt, während der Fluiddurchsatz FR
in einem großen
Fluiddruckbereich von dem zweiten Fluiddurchsatzwert FR_2 auf den
ersten Fluiddurchsatzwert FR_1 (gleich Null) abfällt.
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In 4 ist
das Ventil 22 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das
Ventil 22 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich
von dem Ventil 22 der ersten Ausführungsform darin, dass der Ventilkörper 58 in
seinem der Fluidaustrittsöffnung 56 zugewandten
Bereich einen Zylinderabschnitt 72 aufweist, der mit einem
Zylinderabschnitt 74 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 unter
Ausbildung eines Spalts 76 korrespondiert, wobei eine Spaltlänge L des
Spalts 76 variabel ist.
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Wie
in 5a zu sehen ist, nimmt die Spaltlänge L bei
zunehmendem Fluiddruck P zwischen dem ersten Fluiddruckwert P_1
und dem zweiten Fluiddruckwert P_2 kontinuierlich zu, und zwar von
einer minimalen Spaltlänge
L_MIN bis zu einer maximalen Spaltlänge L_MAX. Oberhalb des zweiten
Fluiddruckwerts P_2 bleibt die Spaltlänge L konstant bei der maximalen
Spaltlänge
L_MAX.
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Da
unterhalb des ersten Fluiddruckwerts P_1 der erste Sitzbereich 68 des
Ventilkörpers 58 an dem
erstem Dichtsitz 62 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 anliegt,
ist hier der Fluiddurchsatz FR gleich Null (5b). Durch
das Ablösen
des ersten Sitzbereichs 68 des Ventilkörpers 58 von dem ersten
Dichtsitz 62 der Wand 66 der Ventilgehäuseausnehmung 52 für den ersten
Fluiddruckwert 21 steigt der Fluiddurchsatz von Null auf
den zweiten Fluiddurchsatzwert FR_2 an. Schließlich fällt der Fluiddurchsatz FR bis
zum Erreichen des zweiten Fluiddruckwerts 22 von dem zweiten
Fluiddurchsatzwert FR_2 auf den ersten Fluiddurchsatzwert FR_1 kontinuierlich
ab. Dies ist möglich
durch die Steuerung des Fluiddurchsatzes FR über die Spaltlänge L zwischen
der minimalen Spaltlänge
L_MIN bis zu der maximalen Spaltlänge L_MAX.
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Ist
der Fluiddruck P größer als
der zweite Fluiddruckwert P_2, so wird erreicht, dass durch das Verbleiben
der Spaltlänge
L bei der maximalen Spaltlänge
L_MAX und das Fehlen des zweiten Dichtsitzes 64 der Wand 66 der
Fluiddurchsatz im Wesentlichen den konstanten ersten Fluiddurchsatzwert FR_1
annimmt.
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Im
Folgenden soll kurz die Funktionsweise der Einspritzanlage erläutert werden:
Die
Vorförderpumpe 12 fördert Kraftstoff
aus dem Kraftstofftank 10. Mittels des Vordruckregelventils 28 wird
der Druck des der Hochdruckpumpe 14 zuzuführenden
Kraftstoffs begrenzt. Die Vorförderpumpe 12 führt den
Kraftstoff über
den zweiten Filter 38 dem Volumenstromsteuerventil 20 zu.
An diesem kann der Kraftstoffvolumenstrom für die Ansaugseite der Hochdruckpumpe 14 eingestellt
werden. Die Hochdruckpumpe 14 liefert dem Kraftstoffspeicher 16 über die
Kraftstoffspeicherzuleitung 44 die für die Injektoren 18 benötigte Kraftstoffmenge.
Der für
den Kraftstoffspeicher 16 erforderliche Druck kann zunächst mittels
des Drucksensors 24 über
eine Volumenstromsteuerung an dem Volumenstromsteuerventil 20 eingestellt
werden. In einem niedrigen und mittleren Bereich des Fluiddrucks,
das heißt
in dem ersten und dem dritten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 kann
jedoch an dem Volumenstromsteuerventil 20 ein Fluidleckagestrom
auftreten. Insbesondere in dem dritten Bereich des Fluiddrucks an
der Fluideintrittsöffnung 54 kann
das Ventil 22 jeweils so weit öffnen, dass dieser Fluidleckagestrom über die
stromabwärts
der Hochdruckpumpe 14 und stromaufwärts des Kraftstoffspeichers 16 abzweigende
Leitung 42 in den Kraftstofftank 10 abfließen kann, zusammen
mit dem Fluid aus der Spülrücklauf leitung 35 und
dem über
die Injektorrücklaufleitung 46 von den
Injektoren 18 abfließenden
Fluid.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn der Fluiddurchsatz FR in einem möglichst
großen
Teilbereich des dritten Bereichs des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
P_2 kontinuierlich abnimmt, da in diesem Fall das Ventil 22 eine
besonders gute Regelcharakteristik im Hinblick auf einen in dem
dritten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
P_2 auftretenden Fluidleckagestrom durch das Volumenstromsteuerventil 20 der
Einspritzanlage hat. Es ist so möglich,
mit Hilfe des Ventils 22 den an dem Volumenstromsteuerventil 20 auftretenden
Fluidleckagestrom in besonders einfacher Weise über die abzweigende Leitung 42 zu
dem Kraftstofftank 10 abzuführen. Da der an dem Volumenstromsteuerventil 20 auftretende
Fluidleckagestrom bei zunehmendem Fluiddruck P einen immer geringeren
Einfluss auf die Regelungsqualität
des Regelkreises des Volumenstromsteuerventils 20 hat, ist
es vorteilhaft, wenn der Fluiddurchsatz FR durch das Ventil 22 in
einem großen
Teilbereich des dritten Bereichs des Fluiddrucks P an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 und unterhalb des zweiten Fluiddruckwerts
P_2 kontinuierlich von dem zweiten Fluiddurchsatzwert FR_2 bis auf
den kleinen ersten Fluiddurchsatzwert FR_1 abnimmt.
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In
dem ersten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 unterhalb
des ersten Fluiddruckwerts P_1 wird der Fluiddurchsatz FR durch das
Ventil 22 und damit über
die abzweigende Leitung 42 unterbunden, um ein ungestörtes Anlaufen der
Einspritzanlage zu ermöglichen.
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In
dem zweiten Bereich des Fluiddrucks an der Fluideintrittsöffnung 54 oberhalb
des zweiten Fluiddruckwerts P_2 wird der Fluiddurchsatz FR durch das
Ventil 22 ebenso unterbunden oder auf den kleinen Fluiddurchsatzwert
FR_1 begrenzt, um den Fluidleckagestrom über die abzweigende Leitung 42 klein
zu halten, da dieser immer auch mit einem Energieverlust an der
Einspritzanlage verbunden ist. Diese Verluste können so mit dem dargestellten
Ventil 22 für
den gesamten Betrieb der Einspritzanlage wirksam klein gehalten
werden.
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Das
Volumenstromsteuerventil 20 ist somit über den gesamten Regelbereich
das aktiv einzustellende Stellglied. Auf mehrere Regelkreise mit
verschiedenen druckabhängigen
Stellgliedern kann so verzichtet werden. Insbesondere kann auf einen
eigenen Regelkreis mit Drucksteuerventil verzichtet werden. Damit
ist eine einfache und gleichwohl präzise Steuerung der Einspritzanlage
möglich.