DE102011101258A1 - "Druckbegrenzungsventil" - Google Patents
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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 gemäß2 in einer durch einen Öffnungsdruck p bewirkten Öffnungsstellung, -
4 und5 jeweils eine weitere Ansicht des erfindungsgemäßen Ventils analog zu2 und3 in verschiedenen Stellungen während eines Schließvorgangs im Übergang von der Öffnungsstellung gemäß3 zur Schließstellung gemäß2 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 und2 besteht ein erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventil1 – ebenso wie ein bekanntes, gattungsgemäßes Druckbegrenzungsventil1' – aus einem länglichen, rohrartigen Ventilgehäuse2 mit einer an einem Stirnende vorhandenen, axialen Einlassöffnung4 und mindestens einer von der Einlassöffnung4 axial beabstandeten, insbesondere radialen Auslassöffnung6 . An die Einlassöffnung4 schließt sich ein innerer, konischer Ventilsitz8 für einen kugelförmigen Ventilkörper10 an. Zwischen dem Ventilkörper10 und einer eine Schließkraft erzeugenden Schließfeder12 ist ein axial beweglich geführter Ventilkolben14 angeordnet. Dieser Ventilkolben14 wirkt zum Schließen gegen den Ventilkörper10 , um diesen in den Ventilsitz8 zu drücken und dadurch die Einlassöffnung4 zu schließen. Bevorzugt sind der Ventilkörper10 und der Ventilkolben14 als zwei separate Einzelteile ausgebildet. Das Ventil wird so in einer nicht dargestellten Kraftstoff-Rücklaufleitung eingesetzt, dass es über die Einlassöffnung4 mit einem Druck p beaufschlagt wird, der jeweils innerhalb der Rücklaufleitung herrscht. Dabei ist das Ventil hinsichtlich der Schließkraft der Schließfeder12 so ausgelegt, dass es ab einem bestimmten Druck p öffnet, indem der Ventilkörper10 gegen die Schließkraft von dem Ventilsitz8 abhebt. Der Druck p wirkt dann weiter auf den Ventilkolben14 , so dass dieser ebenfalls gegen die Schließkraft verschoben wird, bis er die Auslassöffnung6 zumindest teilweise freigibt und dadurch öffnet. - Das erfindungsgemäße, in den
2 bis5 veranschaulichte Druckbegrenzungsventil1 entspricht insoweit dem bekannten Ventil1' gemäß1 . Zusätzlich ist nun erfindungsgemäß eine integrierte hydraulische Drosselung16 zum Dämpfen der Bewegung des Ventilkolbens14 in Ventil-Schließrichtung vorgesehen. - In bevorzugter Ausgestaltung ist die Drosselung
16 durch einen sich an den Ventilsitz8 auf dessen dem Ventilkolben14 zugewandter Seite anschließenden Drosselabschnitt18 gebildet, der eine zylindrische Innenfläche20 – siehe insbesondere3 – mit einem derart an den Außendurchmesser des kugelförmigen Ventilkörpers10 angepassten Innendurchmesser aufweist, dass – wenn sich der Ventilkörper10 im Bereich des Drosselabschnittes18 befindet – zwischen dem Ventilkörper10 und der Innenfläche20 des Drosselabschnittes18 ein umfangsgemäßer Drosselspalt22 gebildet ist. Dazu wird insbesondere auf die Darstellung in4 verwiesen. - Der Drosselabschnitt
18 ist bezüglich der axialen Länge der Innenfläche20 derart bemessen, dass in der Ventil-Öffnungsstellung – siehe3 – der Ventilkörper10 zur Freigabe eines Strömungsdurchlasses24 zumindest überwiegend außerhalb des Drosselabschnittes18 angeordnet ist. - Der Ventilkolben
14 ist mit einer zylindrischen Außenfläche26 mit geringem Umfangsspiel in einer zylindrischen Innenfläche28 des Ventilgehäuses2 axial verschiebbar geführt. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass der Ventilkolben14 – in einem zur Längsachse senkrechten Schnitt gesehen – eine Außenquerschnittsfläche aufweist, die größer als die Außenquerschnittsfläche des Ventilkörpers10 ist. Konkret bedeutet dies, dass einerseits der Außendurchmesser D10 des kugelförmigen Ventilkörpers10 kleiner als der Außendurchmesser D14 des Ventilkolbens14 ist (siehe dazu2 ), und andererseits ist der Innendurchmesser der zylindrischen Innenfläche20 des Drosselabschnittes18 ebenfalls kleiner als der Innendurchmesser der zylindrischen Innenfläche28 des Ventilgehäuses2 . - Durch diese beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung wird folgende Funktion beim Schließen des Ventils erreicht:
Ausgehend von der Öffnungsstellung gemäß3 , die durch den Druck p aus der Schließstellung gemäß2 erreicht wird, wird bei einem Absinken des Drucks p ab einem bestimmten Druckwert durch die Kraft der Schließfeder12 der Ventilkolben14 in Pfeilrichtung30 in Schließrichtung verschoben. Dadurch schiebt der Ventilkolben14 durch direkte Anlage den Ventilkörper10 ebenfalls in Schließrichtung, bis gemäß4 der Ventilkörper10 in den Bereich des Drosselabschnittes18 gelangt. Ab dieser Stellung ist der hydraulische Durchfluss in Richtung der Einlassöffnung4 auf den Drosselspalt22 beschränkt. Bei der weitergehenden Schließbewegung ergibt sich dann erfindungsgemäß der Effekt, dass der Ventilkörper10 relativ zu dem Ventilkolben14 beschleunigt wird, weil durch die Querschnittsdifferenz der Ventilkolben14 pro Wegstrecke ein größeres Volumen des im Ventil vorhandenen Kraftstoffes verdrängt als der Ventilkörper10 . Dadurch wird gemäß5 der Ventilkörper10 von dem Ventilkolben14 weg hydraulisch in den Ventilsitz8 gedrückt, er hebt folglich axial von dem Ventilkolben14 ab, siehe5 . Dadurch erreicht der Ventilkörper10 seine Dichtstellung im Ventilsitz8 noch während der Schließbewegung des Ventilkolbens14 . Das in diesem Zustand noch zwischen dem Ventilkolben14 und dem Ventilkörper10 vorhandene Volumen des Kraftstoffes kann dann nicht mehr frei über die Einlassöffnung4 verdrängt werden, sondern es muss aus dem Raum zwischen Ventilkörper10 und Ventilkolben14 durch systembedingte Spalte hauptsächlich zwischen dem Ventilkolben14 und dem Ventilgehäuse2 zur Auslassöffnung6 und gegebenenfalls zu einem geringeren Anteil auch über den Bereich des Ventilsitzes8 verdrängt werden. Dies bewirkt eine sehr effektive Dämpfung und Bremsung der weiteren Schließbewegung des Ventilkolbens14 bis zu seiner mechanischen Anlage am Ventilkörper10 , 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 Auslassöffnungen6 als Radialöffnung in einer Umfangswandung32 des Ventilgehäuses2 angeordnet. Hierbei sind die Auslassöffnungen6 und der Ventilkolben14 relativ zueinander derart angeordnet, dass der Ventilkolben14 die Auslassöffnungen6 in einer Öffnungsstellung zumindest bereichsweise in Richtung der Einlassöffnung4 freigibt (siehe3 ) und in einer Schließstellung schieberartig überdeckt (siehe2 ,4 und5 ). - In weiterer bevorzugter Ausgestaltung sind der Ventilsitz
8 und der sich anschließende Drosselabschnitt18 mit der zylindrischen Innenfläche20 in einem ring- oder hülsenartigen, in dem Ventilgehäuse2 befestigten Einsatzteil34 gebildet. Dieses Einsatzteil34 ist gesondert und vergrößert in6 dargestellt. Demnach schließt sich ausgehend von der Einlassöffnung4 der sich konisch erweiternde Dichtsitz8 und an diesen die zylindrische Innenfläche20 des Drosselabschnittes18 an. Vorzugsweise erweitert sich die Innenfläche20 auf ihrer dem Dichtsitz8 gegenüberliegenden Seite über einen trichterartigen Einlaufbereich35 für den Ventilkörper10 bis zu einem größten Durchmesser Dmax, der etwa dem Innendurchmesser der Innenfläche28 des Ventilgehäuses2 entspricht, um sicherzustellen, dass der kugelförmige Ventilkörper10 aus seiner Öffnungslage (3 ) beim Schließen ungehindert in die zylindrische Innenfläche20 des Drosselbereiches18 eingeführt wird (siehe3 und4 ). Dabei hat der Einlaufbereich35 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 gemäß3 . - Das Ventilgehäuse
2 ist als so genannte Hohlschraube mit einem sich zumindest über eine Teil-Länge erstreckenden Außengewinde36 und einem der Einlassöffnung4 axial gegenüberliegenden Kraftangriff38 für ein nicht dargestelltes Drehwerkzeug sowie mit einer äußeren Umfangsdichtung40 im Bereich zwischen der Auslassöffnung6 und dem Kraftangriff38 ausgebildet. Dadurch kann das Ventil1 so in eine nicht dargestellte Aufnahme eingeschraubt werden, dass es über die Einlassöffnung4 und die Auslassöffnung(en)6 in der Rücklaufleitung liegt. Gemäß2 bis5 kann der Kraftangriff38 als Außenangriff, wie z. B. als Außensechskant, oder alternativ auch – entsprechend1 – als Innenangriff, wie z. B. als Innensechskant oder Innenstern ausgebildet sein. Im axial zwischen dem Ventilkolben14 und der geschlossenen Stirnseite des Ventilgehäuses2 liegenden, die Schließfeder12 aufnehmenden Bereich weist das Ventilgehäuse2 in seiner Umfangswandung32 mindestens eine radiale Entlastungsöffnung42 auf, um die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens14 zu ermöglichen, indem aus dem die Feder12 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 Ventilkörper10 kann einen Außendurchmesser von 8 mm aufweisen. Mit einem Innendurchmesser der Innenfläche20 des Drosselabschnittes18 von 8,03 bis 8,1 mm ergibt sich für den Drosselspalt22 über den ganzen Umfang eine radial gemessene Spaltweite von 0,015 mm bis 0,05 mm. Der Außendurchmesser des Ventilkolbens14 sowie der Innendurchmesser der Gehäuse-Innenfläche28 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 Ventilkörpers10 A10 = π / 4·(8 mm)2 = 50,27 mm2 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 Einlassöffnung4 ist. Bevorzugt hat die/jede Auslassöffnung6 einen Durchmesser von 5,7 mm, und die Einlassöffnung4 ist bevorzugt 4,9 mm im Durchmesser. Der Durchmesser der Entlastungsöffnung beträgt bevorzugt 1 mm bis 2,5 mm. Das Außengewinde36 der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß2 bis5 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 Ventilkolben14 auch fest miteinander verbunden, z. B. einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall wird die Dämpfung allein über den Drosselspalt22 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 (10)
- 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.
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