DE10247774B4

DE10247774B4 - Volumenstromregelventil

Info

Publication number: DE10247774B4
Application number: DE2002147774
Authority: DE
Inventors: Martin Werner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: EP1552140B1; EP1552140A1; DE50307301D1; DE10247774A1; WO2004036032A1

Abstract

Volumenstromregelventil (1) mit einem in einem Ventilgehäuse (10) gelagerten Steuerkolben (2), der gegen die Kraft einer Rückstellfeder (4) aus einer ersten Endstellung (5) in eine zweite Endstellung (6) bewegbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (2)
– als Stufenkolben ausgebildet ist,
– außen umströmt wird und
– eine in die Mantelfläche (7) eingebrachte Steuergeometrie (8) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sich in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens unterschiedliche, wenigstens abschnittsweise konstante Steigungen in der Ventil-Kennlinie ergeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Volumenstromregelventil.
Solche Volumenstromregelventile werden insbesondere zur Regelung des Kraftstoffvolumenstroms im Zulauf zu einer Hochdruckpumpe, die Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine fördert eingesetzt. Das Volumenstromregelventil muss zum einen gewährleisten, dass ständig genügend Kraftstoff entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Zum anderen soll jedoch nicht übermäßig viel Kraftstoff in den Hochdruckspeicher gepumpt werden, da der überschüssige Kraftstoff über ein Hochdruckventil in den Tank der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird und somit zu einer Erwärmung des Kraftstoffes im Tank führt. Zudem verringert sich durch das Verdichten von nicht benötigtem Kraftstoff der Wirkungsgrad des Einspritzsystems.

Aus der DE 38 38 914 A1 ist bereits ein Ventil, insbesondere zur Zumessung von Kraftstoff in einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine bekannt. Das Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung. In dem Ventilgehäuse ist ein Steuerkolben mit einer Steuernut bewegbar gelagert. Der Steuerkolben wird über einen Stellmechanismus gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegt. Je nach Lage des Kolbens ist die Auslassöffnung geschlossen oder es wird vom Kolben ein mehr oder wenig großer Durchtrittsquerschnitt in der Auslassöffnung freigegeben. Der Kraftstoff fließt bei einer zumindest teilweise freigegebenen Auslassöffnung von der Einlassöffnung über die Steuernut zum Auslass. Die Steuernut ist durch eine rotationssymmetrische Eindrehung im Steuerkolben ausgebildet. Aufgrund der Form des Steuerkolbens ergibt sich ein linearer Verlauf der Ventilkennlinie. Als Kennlinie wird hierbei das Verhältnis von An steuersignal oder Kolbenhub zum Volumenstrom bezeichnet. Für Common-Rail-Einspritzsysteme wird allerdings häufig eine Kennlinie gewünscht, die bei geringen Werten des Ansteuersignals einen flachen Kennlinienverlauf und bei höheren Werten des Ansteuersignals einen steileren Kennlinienverlauf ermöglicht. Dies lässt sich mit dem üblichen Volumenstromregelventil nicht realisieren.

Um zwei unterschiedliche Steigungen in der Ventilkennlinie zu erreichen wir in der DE 100 23 621 A1 vorgeschlagen, einen innen durchströmten, hülsenförmigen Steuerkolben vorzusehen, in den eine gestufte Steuergeometrie eingebracht wird. Das Einbringen einer derart ausgebildeten Steuergeometrie in den hülsenförmigen Steuerkolben ist allerdings fertigungstechnisch problematisch. Schwierigkeiten ergeben sich auch beim Entgraten der Steuergeometrie, da sich diese im inneren Steuerkolben befindet und nur schwer zugänglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Volumenstromregelventil bereitzustellen, das einfach und kostengünstig zu fertigen ist und das unterschiedlich Steigungen der Ventilkennlinie ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuerkolben als Stufenkolben ausgebildet ist, der außen umströmt wird und in seiner Mantelfläche eine Steuergeometrie aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sich in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens unterschiedliche Steigungen in der Ventilkennlinie ergeben. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass auch komplizierteste Steuergeometrien beispielsweise durch Fräsen einfach in die Mantelfläche des Stufenkolbens eingebracht werden können. Ein Entgraten der Steuergeometrie ist problemlos möglich, da sich die Kante an der Mantelfläche des Steuerkolbens befindet und hierdurch gut zugänglich ist. Durch das einfache Herstellen auch komplizierter Steuergeometrien lassen sich kostengünstig unterschiedlichste Ventilkennlinien realisieren. Der Ein- und Auslass kann durch einfache und preiswerte Bohrungen in das Ventilgehäuse hergestellt werden.

Da sich die Steigung der Ventilkennlinie allein durch die Steuergeometrie ergibt, kann der Kolbenhub proportional zum Ansteuersignal erfolgen. Ein proportionaler Zusammenhang zwischen Kolbenhub und Ansteuersignal lässt sich mit einfachen und kostengünstigen Stellgliedern beispielsweise einem elektromagnetischem Stellglied erreichen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Abströmgeometrie mehrfach radial über den Umfang verteilt in den Steuerkolben einzubringen. Hierdurch lässt sich der Durchfluss erhöhen und zusätzlich werden die Radialkräfte auf den Ventilkolben reduziert.

Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
1a einen Längsschnitt durch das Volumenstromregelventil
1b einen weiteren Längsschnitt durch das Volumenstromregelventil, wobei die Schnittebene radial um 90° versetzt zu 1 liegt.
2 eine typische Ventilkennlinie des Volumenstromregelventils
1a zeigt einen Längsschnitt durch das Volumenstromregelventil 1. Das Volumenstromregelventil besteht im wesentlichen aus dem Ventilgehäuse 10, dem Steuerkolben 2 sowie der Rückstellfeder 4. Das Ventilgehäuse 10 weist einen Einlass 12 und einen Auslass 13 auf, die radial in das Ventilgehäuse 10 eingebracht sind. In axialer Richtung ist das Ventilgehäuse 10 mit einer Gleitbohrung 18 versehen, in der der Steuerkolben 2 axial beweglich geführt ist. In Höhe des Einlasses 12 ist am Innenumfang des Ventilgehäuses eine Einlassnut 16 eingedreht. Der Steuerkolben 2 ist als Stufenkolben ausgebildet. Zwischen einem ersten Endbereichen 28 und einem zweiten Endbereich 29 des Steuerkolbens 2 ist eine Steuernut 15 in den Steuerkolben 2 eingedreht. Die Abströmgeometrie 8 weist eine erste Steuerkante 19 eine zweite Steuerkante 20 und eine dritte Steuerkante 34 auf, durch die ein erster Durchströmungsquerschnitt 21 und ein zweiter Durchströmungsquerschnitt 22 begrenzt werden. In 1 b sind die beiden Durchströmungsquerschnitte 21, 22 durch die gestrichelten Lienen gekennzeichnet. Zur Aufnahme der Rückstellfeder 4 weist der Steuerkolben 2 in seinem ersten Endbereich 28 eine Federaufnahmebohrung 24, die als Sacklochbohrung ausgebildet ist, auf. Die Rückstellfeder 4 stützt sich auf der einen Seite an der Stirnseite der Federaufnahmebohrung 24 und auf der Gegenseite in einem Federteller 25 ab, der in das Ventilgehäuse 10 vorzugsweise durch Einpressen eingesetzt ist. Der Steuerkolben 2 wird durch ein Stellglied 11 und ein Übertragungsglied 27 gegen die Kraft der Rückstellfeder 4 verschoben. Als Stellglied eignet sich beispielsweise eine elektromagnetisches, mechanisches, hydraulisches oder pneumatisches Verstellglied. Das Verstellglied ermöglicht vorzugsweise einen proportionalen Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal und dem Kolbenhub.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Volumenstromregelventils beschrieben. In der dargestellten Ausgangsstellung (1a), die einer ersten Endstellung des Steuerkolbens 2 entspricht, ist der Einlass 12 zunächst vom Steuerkolben 2 vollständig verschlossen, so dass keine Flüssigkeit durch das Volumenstromregelventil fließen kann.
Erhält das Stellglied 11 ein Stellsignal, so verschiebt es den Steuerkolben 2 mit Hilfe des Übertragungsglied 27 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 4. Der Steuerkolben bewegt sich aus seiner ersten Endstellung 5 heraus in Richtung einer zweiten Endstellung 6, die sich in 1a links von der ersten Endstellung befindet. Der Steuerkolben 2 legt zunächst, ausgehend von seiner ersten Endstellung, eine Hublänge s1 (1b) zurück, bei der der Steuerkolben 2 den Einlass 12 weiterhin vollständig verschließt. Nachdem der Steuerkolben 2 die Hublänge s1 zurückgelegt hat kommt es zu einer Überschneidung der ersten Steuerkante 19, der Abströmgeometrie 8 im Steuerkolben 2, mit der Einlasskante 30 der Einlassnut 16 im Ventilgehäuse 10. In Abhängigkeit von dem Wert des Stellsignals wird zunächst ein erster Durchströmungsquerschnitt 21 und nachfolgend zusätzlich der zweite Durchströmungsquerschnitt 22 freigegeben. Die Flüssigkeit strömt vom Einlass 12, durch die Einlassnut 16, die Abströmgeometrie 8, die Steuernut 15 zum Auslass 13.
Die Abströmgeometrie 8 ist in dem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass ein erster und ein zweiter Durchströmungsquerschnitt 21, 22 entsteht. Die beiden Durchströmungsquerschnitte 21, 22 gehen ineinander über, wobei der Übergang durch die zweite Steuerkante 20 gekennzeichnet ist. Aufgrund der geringeren Breite des ersten Durchströmungsquerschnitt 21 ist die Querschnittszunahme im Bereich des ersten Durchströmungsquerschnitt 21 bezogen auf den Kolbenhub geringer als im Bereich des zweiter Durchströmungsquerschnitt 22. Dieses Verhalten veranschaulicht die in 2 dargestellte Ventilkennlinie. Aufgetragen ist dabei der Volumenstrom Q über dem Ansteuerstrom I. Bei sehr niedrigem Ansteuerstrom I, d.h. bei kleinem Kolbenhub, bleibt die Einlassnut 16 noch vollständig verschlossen, so dass keine Flüssigkeit durch das Volumenstrom regelventil fließt. Mit steigendem Anstreuerstrom wird der Steuerkolben 2 weiter nach links gegen die Kraft der Rückstellfeder 4 gedrückt. Der erste Durchströmungsquerschnitt 21 wird freigegeben und Flüssigkeit kann durch das Volumenstromregelventil fließen. Da die Querschnittsflächenzunahme in diesem Bereich nur sehr gering ist, weist die Kennlinie nur eine flache Steigung auf. Erreicht der Steuerkolben 2 mit seiner zweiten Steuerkante 20 den Einlassbereich 12, 16 so wird zusätzlich der zweite Durchströmungsquerschnitt 22 freigegeben. Aufgrund der größeren Breite des zweite Durchströmungsquerschnitt 22, in Bezug zum ersten Durchströmungsquerschnitt 21, kommt es zu einer stärkeren Querschnittsflächenzunahme. Hierdurch kann mehr Flüssigkeit durch das Volumenstromregelventil fließen, dies zeigt sich im steileren Verlauf der Ventilkennlinie.
Die Abströmgeometrie 8 ermöglicht somit bei geringen Ansteuerströmen eine sehr feine Regulierung des Volumenstroms und bei höheren Ansteuerströmen ein schnelles öffnen des Ventils um die benötigte, große Flüssigkeitsmenge bereitzustellen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die im Ausführungsbeispiel gezeigte Abströmgeometrie 8 beschränkt. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt vielmehr darin, das durch das einfache Einbringen der Abströmgeometrie 8 in die Mantelfläche 7 des Steuerkolbens 2 fast jede beliebige Abströmgeometrie realisierbar ist. Durch eine Abströmgeometrie mit vier statt den dargestellten drei Steuerkanten lässt sich beispielsweise eine Ventilkennlinie mit drei unterschiedlichen Steigungen realisieren. Es ist dabei denkbar, dass die Kennlinie beispielsweise zu Beginn und zum Ende einen flachen und im mittleren Bereich einen steilen Verlauf aufweist. In dem man die Abströmgeometrie derart gestaltet, dass der Durch strömungsquerschnitt sich kontinuierlich vergrößert oder verkleinert lässt sich auch ein kurvenförmiger Verlauf der Ventilkennlinie realisieren. Die Erfindung ermöglicht somit die Ventilkennlinie des Volumenstromregelventils einfach und preiswert an die jeweiligen Anforderungen anpassen.

Claims

Volumenstromregelventil (1) mit einem in einem Ventilgehäuse (10) gelagerten Steuerkolben (2), der gegen die Kraft einer Rückstellfeder (4) aus einer ersten Endstellung (5) in eine zweite Endstellung (6) bewegbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (2) – als Stufenkolben ausgebildet ist, – außen umströmt wird und – eine in die Mantelfläche (7) eingebrachte Steuergeometrie (8) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sich in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens unterschiedliche, wenigstens abschnittsweise konstante Steigungen in der Ventil-Kennlinie ergeben.
Volumenstromregelventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Ansteuersignal und dem Kolbenhub ein proportionaler Zusammenhang besteht.
Volumenstromregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmgeometrie (8) mehrfach, radial über den Umfang verteilt in den Steuerkolben (2) eingebracht ist.
Volumenstromregelventil nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (2) elektromagnetisch bewegt wird.
Volumenstromregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (2) mechanisch oder hydraulisch oder pneumatisch bewegt wird.