DE102014202957A1

DE102014202957A1 - Druckbegrenzungsventilvorrichtung für ein Hochdrucksystem

Info

Publication number: DE102014202957A1
Application number: DE102014202957.0A
Authority: DE
Inventors: Ulf Steinert
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) für ein Hochdrucksystem, wobei die Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) aufweist: ein als eine Kugel (20) ausgebildetes Dichtelement, das zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verschiebbar ist; einen Ventilsitz (10) mit einem durch eine Kantenlänge (11) aufgespannten Kontaktbereich, auf welchem das Dichtelement in der Schließstellung aufliegt; und einen Kugelträger (30), welcher durch eine Federkraft einer Druckfeder (40) vorgespannt ist und welcher in der Schließstellung einen Abstand (12) zu dem Ventilsitz (20) aufweist, wobei der Abstand (12) und die Kantenlänge (11) derart ausgebildet sind, dass eine vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik der Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckbegrenzungsventilvorrichtung für ein Hochdrucksystem.
Die DE 10 2007 016 134 A1 beschreibt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe umfassend mindestens einen Förderraum und einen Hochdruckauslass. Ferner ist bei der dort beschriebenen Kraftstoff-Hochdruckpumpe ein Druckbegrenzungsventil mit einem druckdifferenzbetätigten Ventilelement vorgesehen, welches vom Hochdruckauslass zum Förderraum öffnen kann.
In einer Hubkolbenpumpe zur Kraftstoffförderung ist ein Druckbegrenzungsventil integriert. Dieses Druckbegrenzungsventil ist dafür vorgesehen, den Druck in der Hockdruckleitung entsprechend der Systemvorgaben im Fehlerfall zu begrenzen.
Das Druckbegrenzungsventil ist im Allgemeinen über ein normal offenes Einlassventil mit dem Niederdruckbereich verbunden. Herkömmliche Druckbegrenzungsventile haben eine Charakteristik, bei welcher der Druck in Abhängigkeit vom Durchfluss (Abhängigkeit Öffnungsdruck vom Durchflussvolumenstrom – Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik) sehr stark ansteigt.
In dem Fehlerfall, dass das Einlassventil verschlossen ist, ist der Rückfluss über das Einlassventil in den Niederdruckbereich nicht mehr möglich. Die Hubkolbenpumpe geht in Selbstförderung.
Dies führt aufgrund der beschriebenen Ventilcharakteristik oder der Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik zu deutlich höheren Drücken in der Hochdruckleitung, Rail, als zulässig.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckbegrenzungsventil mit verbesserter Durchflusscharakteristik bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Demgemäß ist nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe vorgesehen, wobei die Druckbegrenzungsventilvorrichtung aufweist: ein als eine Kugel ausgebildetes Dichtelement, das zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verschiebbar ist; einen Ventilsitz mit einem durch eine Kantenlänge aufgespannten Kontaktbereich, auf welchem das Dichtelement in der Schließstellung aufliegt; und einen Kugelträger, welcher durch eine Federkraft einer Druckfeder vorgespannt ist und welcher in der Schließstellung einen Abstand zu dem Ventilsitz aufweist; wobei der Abstand und die Kantenlänge derart ausgebildet sind, dass eine vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik der Druckbegrenzungsventilvorrichtung einstellbar ist.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Hochdrucksystem mit einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen.
Vorzugsweise wird eine derartige Druckbegrenzungsventilvorrichtung in einem Fluidsystem zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Optimierung der Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik des Druckbegrenzungsventils aus und erreicht dies durch Änderungen an der Ventilsitzgeometrie sowie durch eine entsprechende Anordnung des Ventilsitzes relativ zum Kugelträger.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, dass die optimierte Dimensionierung und die optimale geometrische Ausgestaltung des Ventilsitzes, des Kugelträgers und des Dichtelementes, d.h. der Kugel, eine deutliche Reduzierung des Druckanstiegs und der Druckpulsationen ermöglicht.
Dies hat den Vorteil, dass bei einer entsprechenden Ausbildung der Kantenlänge und des Abstands, dass eine vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik einstellbar ist, die z.B. so einstellbar ist, dass der Druckanstieg über dem Durchfluss möglichst gering ist oder der Druckstieg möglichst groß ist.
Ferner ist die Geometrie des Ventilsitzes, des Kugelträgers und des Dichtelementes, d.h. der Kugel, derart ausgebildet, dass bei einem bestimmten Durchfluss und Druckanstieg die auf Kugel und Kugelträger wirkende hydraulische Kraft begrenzt wird und somit eine hydraulische Ventilhubbegrenzung erzeugt wird.
Es lässt sich durch die vorliegende Erfindung insbesondere ein kompakter Aufbau der Druckbegrenzungsventilvorrichtung realisieren.
Der Ventilsitz ist derart in seiner Geometrie optimiert, dass die Kantenlänge im Kontaktbereich der Kugel auf eine Länge von 0,05 bis 0,2 mm eingeschränkt wurde. Der Abstand zwischen dem Ventilsitz und dem Kugelträger wurde auf einen Bereich von 0,2 bis 0,5 mm eingeschränkt. Durch diese Geometrie wird der Druckeinbruch im Ventilsitzbereich minimiert.
Durch den Abstand des Kugelträgers zum Ventilsitz wird die hydraulische Kraft so beeinflusst, dass das Ventil stets geringe und gleichmäßige Ventilhübe aufweist. Dadurch lassen sich die Druckpulsationen minimieren. Gleichzeilig lässt sich mit dieser Ausformung des Kugelträgers und des Ventilsitzes eine hydraulische Hubbegrenzung realisieren. Das ermöglicht den Entfall der mechanischen Hubbegrenzung.
Das nun kleinere Bauteil in Form des Kugelträgers weist eine geringere Masse auf, wodurch der Verschleiß aufgrund geringerer dynamischer Kräfte reduziert wird. Des Weiteren ist die Herstellung des neuen Designs mit weniger Materialeinsatz kostengünstiger.
Der Begriff Fluid ist hier in seinem weiteren Sinne zu verstehen, das Fluid kann also sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kugel einen dem Kontaktbereich des Ventilsitzes entsprechenden Kontaktbereich aufweist.
Dadurch kann vorteilhaft die Geometrie sowohl des Ventilsitzes als auch der Kugel ausgestaltet werden, um die auf Kugel und Kugelträger wirkende hydraulische Kraft zu begrenzen und somit eine hydraulische Ventilhubbegrenzung zu erzeugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich der Kugel und/oder der Kontaktbereich des Ventilsitzes eine Kantenlänge innerhalb eines Wertebereiches von 10 µm bis 400 µm oder von 20 µm bis 300 µm oder von 50 µm bis 200 µm aufweist.
Dies erlaubt auf einfache Weise, den Druckeinbruch im Ventilsitzbereich zu minimieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand des Kugelträgers zu dem Ventilsitz innerhalb eines Wertebereiches von 50 µm bis 1000 µm oder von 100 µm bis 800 µm oder von 200 µm bis 500 µm liegt.
Dadurch kann vorteilhaft die Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik optimiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Verhältnis von dem Abstand zu der Kantenlänge innerhalb eines Verhältnisbereiches von 1:4 bis 1:2 liegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Druckbegrenzungsventilvorrichtung dazu ausgelegt ist, an ein Hochdrucksystem angekoppelt zu werden, welches einen Nennbetriebsdruck von bis zu 100 bar, vorzugsweise von bis zu 350 bar und besonders bevorzugt von 150 bar bis zu 250 bar aufweist.
Dadurch kann vorteilhaft die Druckbegrenzungsventilvorrichtung in einem Common-Rail-Einspritzung-System betrieben werden.
Bei der Common-Rail-Einspritzung, die auch Speichereinspritzung genannt wird, handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, bei denen eine Hochdruckpumpe den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand und die Kantenlänge derart ausgebildet sind, dass die vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik einem im Wesentlichen konstanten Druck über einen Wertebereich des Durchflusses hinweg aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand und die Kantenlänge derart ausgebildet sind, dass oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes für den Durchfluss und/oder für den Öffnungsdruck eine auf die Kugel und/oder den Kugelträger wirkende hydraulische Kraft begrenzt ist.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der Erfindung.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Liniendiagramms zur graphischen Darstellung des funktionellen Zusammenhangs zwischen Druck und Zeit zur Erläuterung der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Eine Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 für ein Hochdrucksystem weist ein als eine Kugel 20 ausgebildetes Dichtelement, einen Ventilsitz 10, und einen Kugelträger 30 auf.
An dem Kugelträger 30 greift eine Druckfeder 40 an. Die Kugel 20 und/oder der Ventilsitz 10 und/oder der Kugelträger 30 und/oder die Druckfeder 40 sind beispielsweise aus Stahl oder aus Edelstahl oder aus einer Stahllegierung gefertigt.
In der 1 befindet sich oben die Hochdruckseite der Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100, während die Unterseite der Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 der Niederdruckseite entspricht.
Das Dichtelement ist beispielsweise zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verschiebbar.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Abweichend von der in der 1 dargestellten Druckbegrenzungsventilvorrichtung ist die in der 2 dargestellte Druckbegrenzungsventilvorrichtung vergrößert dargestellt und die Begriffe Kantenlänge und Abstand werden nachfolgend erläutert.
Der Ventilsitz 10 weist beispielsweise einen durch eine Kantenlänge 11 aufgespannten Kontaktbereich auf. Das Dichtelement kann ebenfalls einen Kontaktbereich aufweisen und in der Schließstellung treffen beide Kontaktbereich, der Kontaktbereich des Dichtelementes bzw. der Kugel 20 und der Kontaktbereich des Ventilsitzes 10, aufeinander.
Der Kugelträger 30, welcher durch eine Federkraft einer Druckfeder 40 vorgespannt ist, kann in der Schließstellung einen Abstand 12 zu dem Ventilsitz 20 aufweist.
Beispielsweise sind der Abstand 12 und die Kantenlänge 11 bezüglich der geometrischen Formgestaltung und/oder ihrer relativen Anordnung derart ausgebildet, dass eine vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik der Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 einstellbar ist.
Der Ventilsitz 10 und/oder der Kugelträger 30 und/oder die Kugel 20 können beispielsweise als ein rotationssymmetrisches Bauteil bezüglich einer Symmetrieachse ausgebildet sein.
Der Abstand 12 und die Kantenlänge 11 sind beispielsweise derart ausgebildet, dass die vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik einem im Wesentlichen konstanten Druck über einen Wertebereich des Durchflusses hinweg aufweist.
Im Wesentlichen konstanter Druck bedeutet dabei beispielsweise, dass Druckänderungen über den vorgesehen Wertebereich des Durchflusses von weniger als 40 bar oder von weniger als 20 bar auftreten.
Die weiteren in der 2 dargestellten Bezugszeichen sind bereits in der zu der 1 zughörigen Figurenbeschreibung erläutert worden und werden daher nicht weiter beschrieben.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Liniendiagramms zur graphischen Darstellung des funktionellen Zusammenhangs zwischen Druck, Zeit und Durchflussmenge zur Erläuterung der Erfindung. In der schematischen Darstellung wird Abhängigkeit von der Zeit der Durchfluss konstant gesteigert.
Auf der X-Achse ist die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Die Y-Achse gibt den Druck bzw. Öffnungsdruck in bar wieder.
Mit einer gestreiften Flächen hinterlegt ist die zeitliche Druck-Charakteristik der Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 dargestellt. Ein maximaler Druck von 280 bar wird dabei nicht überschritten, ferner fehlen in der dargestellten zeitlichen Druck-Charakteristik stärkere Druckpulsationen, wodurch der Verschleiß aufgrund geringerer Druckpulsationen reduziert wird.
Mit einer vollschwarzen Flächen hinterlegt ist die zeitliche Druck-Charakteristik eines herkömmlichen Druckbegrenzungsventils dargestellt. Ein maximaler Druck von bis zu 340 bar wird erreicht und im Vergleich zu der Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 treten höhere, Verschleiß induzierende Druckpulsationen auf.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Abweichend von den in den 1 bis 2 dargestellten Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 sind bei der in der 4 dargestellten Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 zwei unterschiedliche Kontaktbereich des Ventilsizes 10 als Flächen mit zwei unterschiedlichen Kantenlängen 11A und 11B ausgebildet.
Entsprechend können zwei unterschiedliche Kugeln 20A und 20B verwendet werden, wobei die erste Kugel 20A beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm aufweist, und die zweite Kugel einen Durchmesser von 2 mm aufweist.
Die Kontaktbereiche 11, 12 können beispielsweise schräg zur Symmetrieachse 14 des Ventilstempels 1 angeordnet sein.
Die 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung für eine Hochdruckpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Abweichend von den in den 1 bis 2 dargestellten Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 sind bei der in der 4 dargestellten Druckbegrenzungsventilvorrichtung 100 zwei unterschiedliche Kontaktbereich des Ventilsizes 10 als Flächen mit zwei unterschiedlichen Kantenlängen 11A und 11B ausgebildet.
Der Öffnungswinkel, welcher durch die Kantenlängen 11A im Kontaktbereich des Ventilsizes 10 – zugehörig zur ersten Kugel 20A – gebildet wird, ist in der 5 dargestellt.
Die weiteren in der 5 dargestellten Bezugszeichen sind bereits in der zu der 4 zughörigen Figurenbeschreibung erläutert worden und werden daher nicht weiter beschrieben.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007016134 A1 [0002]

Claims

Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) für ein Hochdrucksystem, wobei die Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) aufweist: – ein als eine Kugel (20) ausgebildetes Dichtelement, das zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verschiebbar ist; – einen Ventilsitz (10) mit einem durch eine Kantenlänge (11) aufgespannten Kontaktbereich, auf welchem das Dichtelement in der Schließstellung aufliegt; und – einen Kugelträger (30), welcher durch eine Federkraft einer Druckfeder (40) vorgespannt ist und welcher in der Schließstellung einen Abstand (12) zu dem Ventilsitz (20) aufweist; wobei der Abstand (12) und die Kantenlänge (11) derart ausgebildet sind, dass eine vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik der Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) einstellbar ist.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Kugel (20) einen dem Kontaktbereich des Ventilsitzes (10) entsprechenden Kontaktbereich aufweist.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Kontaktbereich der Kugel (20) und/oder der Kontaktbereich des Ventilsitzes (10) eine Kantenlänge (11) innerhalb eines Wertebereiches von 10 µm bis 400 µm oder von 20 µm bis 300 µm oder von 50 µm bis 200 µm aufweist.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abstand (12) des Kugelträgers (30) zu dem Ventilsitz (20) innerhalb eines Wertebereiches von 50 µm bis 1000 µm oder von 100 µm bis 800 µm oder von 200 µm bis 500 µm liegt.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Verhältnis von dem Abstand (12) zu der Kantenlänge (11) innerhalb eines Verhältnisbereiches von 1:4 bis 1:2 liegt.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) dazu ausgelegt ist, an ein Hochdrucksystem angekoppelt zu werden, welches einen Nennbetriebsdruck von bis zu 100 bar, bevorzugt von bis zu 350 bar und insbesondere zwischen 150 bar und 250 bar aufweist.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Abstand (12) und die Kantenlänge (11) derart ausgebildet sind, dass die vorbestimmte Öffnungsdruck-Durchfluss-Charakteristik einem im Wesentlichen konstanten Druck über einen Wertebereich des Durchflusses hinweg aufweist.
Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abstand (12) und die Kantenlänge (11) derart ausgebildet sind, dass oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes für den Durchfluss und/oder für den Öffnungsdruck eine auf die Kugel (20) und/oder den Kugelträger (30) wirkende hydraulische Kraft begrenzt ist.
Hochdrucksystem mit einer Druckbegrenzungsventilvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.