DE60208632T2

DE60208632T2 - Kraftstoffabsperrventil

Info

Publication number: DE60208632T2
Application number: DE60208632T
Authority: DE
Inventors: Kai Lehtonen
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: KR20030004056A; EP1270931A2; PL354189A1; DE60208632D1; JP2003035238A; JP4139630B2; US20030000581A1; EP1270931A3; ATE315723T1; FI20011379A0; KR100815374B1; FI114501B; PL201492B1; FI20011379A; CN1395035A; CN100402833C; US6953052B2; EP1270931B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystemabsperrventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die DE-C-665886 beschreibt solch ein Ventil.
Derzeit wird im Allgemeinen ein so genanntes Common-Rail-Speichereinpsritzsystem in Verbindung mit Verbrennungsmotoren verwendet. Bei solch einem System wird unter Einspritzdruck stehender Kraftstoff unter Steuerung eines Einspritzventils in die Brennkammer eines Motors eingespritzt. Wenn das Einspritzventil fehlerhaft ist, kann Kraftstoff unkontrolliert in die Brennkammer des Zylinders lecken. Bekannte Lösungen zur Verhinderung dieses Problems werden in der US-A-3780716 und WO-A-95/17594 offenbart, die die Verwendung eines Absperrventils zur Begrenzung des Kraftstoffflussvolumens vorschlagen. Das Absperrventil weist einen Zylinderraum auf, der weiterhin ein Kolbenmittel enthält, das mit einer in einer Einspritzsituation gegen die Kraftstoffflussrichtung wirkenden Federlast versehen ist. Bei Normalbetrieb entspricht die für jede Einspritzung erforderliche Kraftstoffmenge dem durch die Kolbenbewegung verdrängten Volumen. Wenn aus irgendeinem Grunde das Absperrventil weiter leckt, bewegt sich der Kolben in seine andere Endposition, in der er den Fluss absperrt.
In der GB-A-2317922 wird ein anderes Absperrventil offenbart, das das Flussvolumen begrenzt. In der Anfangssituation wirkt der Druck auf der Kraftstoffzufuhrseite auf eine kleinere Oberfläche, wobei dann bei einem bestimmten Druck die Kraft im Verhältnis zu der Oberfläche, auf die eingewirkt wird, natürlich kleiner ist. Das Problem bei diesem bekannten Absperrventil ist das Erfordernis absoluter Dichtheit, und folglich ist es sehr empfindlich gegenüber Kraftstoffqualität. Wenn die Dichtfläche dieser kleineren Oberfläche leckt, funktioniert die Lösung nicht, und der Druck wird auf die gesamte Oberfläche ausgeübt und der Kolben kann sich in eine zweite End- oder Grenzposition bewegen und so den Fluss sperren. Insbesondere bei großen Antriebsmaschinen- und Schiffsmotoren kann der Kraftstoff derart sein, dass die vorgeschlagene Lösung nicht zuverlässig genug funktioniert.
Absperrventile nach dem Stand der Technik weisen im Allgemeinen in Situationen Probleme auf, in denen die Kraftstoffviskosität groß ist, zum Beispiel, wenn schweres Heizöl verwendet wird und/oder wenn die Kraftstofftemperatur vor dem Start niedriger ist als die normale Betriebstemperatur. Folglich erfolgt der Ausgleich des Kraftstoffdrucks am Kolbenmittel nicht schnell genug, und der Kolben kann sich in seine andere End- oder Grenzposition bewegen und die Einspritzverbindung schließen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung eines Kraftstoffsystemabsperrventils, durch das die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Ein besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Absperrventils, bei dem ein unbeabsichtigtes Schließen während der Startphase vermieden werden kann.
Die Ziele der Erfindung werden auf die in Anspruch 1 und in anderen abhängigen Ansprüchen dargestellte Weise erreicht.
Zweckmäßigerweise enthalten sowohl das Hauptstellglied als auch das Hilfsstellglied auf der Seite des Kraftstoffraumeinlassstutzens eine erste Oberfläche bzw. eine zweite Oberfläche, die den betreffenden Raum begrenzen, wobei die durch das Hilfsstellglied gebildete zweite Oberfläche kleiner ist als die durch das Hauptstellglied gebildete erste Oberfläche.
Zweckmäßigerweise ist das Hauptstellglied beweglich, um das Schließen und Öffnen der Strömungsverbindung zwischen dem Einlass- und Auslassstutzen zu gewährleisten. Dazu ist das Hauptstellglied zweckmäßigerweise mit einer Dichtfläche versehen. Eine Gegenfläche der Hilfsstellglieddichtfläche kann in Abhängigkeit von der Art und Weise der Implementierung des Absperrventils in Verbindung mit dem Auslassstutzen oder auch in Verbindung mit dem Hauptstellglied angeordnet sein.
Die auf das Hauptstellglied wirkende Kraftanordnung zur Erzeugung einer entgegen der Richtung des Kraftstoffhautpflusses wirkenden Kraft erzeugt des Weiteren eine Kraft am Hauptstellglied, und dies bewirkt die Bestimmung der gegenseitigen Position des Hauptstellglieds und des Hilfsstellglieds. Mit anderen Worten, das Haupt- und das Hilfsstellglied teilen vorteilhafterweise eine Kraftanordnung.
Der Kraftstoffraum des Absperrventils ist vorzugsweise zylindrisch, und das Hauptstellglied enthält ein Kolbenmittel, dessen Durchmesser dem Kraftstoffraumdurchmesser im Wesentlichen entspricht, wobei in dem Kolbenmittel ein Loch in Richtung seiner Längsachse vorgesehen und das Hilfsstellglied beweglich in dem Loch des Kolbenmittels angeordnet ist.
Mit der Erfindung werden mehrere Vorteile erzielt. Zunächst ist der Betrieb des Kraftstoffabsperrventils beim Starten des Motors zuverlässig. Der Betriebsdruck des Absperrventilhilfsstellglieds kann leicht nach Wunsch bemessen werden, und der Betrieb des Absperrventils hängt in erster Linie allein von dem Druck ab. Des Weiteren wirkt sich die Qualität des Kraftstoffs nur geringfügig auf diesen Betrieb aus, und die Menge an möglichen Schmutzteilchen im Kraftstoff beeinträchtigt nicht den Startbetrieb.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung rein beispielhaft unter besonderer Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1, wie ein erfindungsgemäßes Absperrventil auf ein Kraftstoffeinspritzsystem angewendet wird;
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils in seiner Grundstellung;
3 das Absperrventil von 2 während der Einspritzung;
4 das Absperrventil von 2 in einer zweiten End- oder Grenzposition;
5 das Absperrventil von 2 in einer geschlossenen Position; und
6 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absperrventils.
Wie in 1 sehr schematisch gezeigt, kann ein Absperrventil 4 gemäß der Erfindung für ein Common-Rail-Kraftstoffspeichereinspritzsystem ausgelegt werden. Das Common-Rail-Speichereinspritzsystem ist an sich bekannt und wird hier nicht ausführlicher erläutert. Das Common-Rail-Speichereinspritzsystem enthält als seine Hauptkomponenten eine Common-Rail-Speichervorrichtung 1, in der unter Hochdruck stehender Kraftstoff zur Einspritzung in einen Motor gespeichert wird und mit der ein Einspritzventil 2 in Strömungsverbindung steht. Von der Common-Rail-Speichervorrichtung 1 ist eine Kraftstoffkanalleitung 3, 3' für das Einspritzventil 2 zur Dosierung von Kraftstoff zu jedem Zylinder (nicht gezeigt) angeordnet. In der Common-Rail-Speichervorrichtung wird während des Betriebs ein Druck aufrechterhalten, durch den ein angemessener Einspritzdruck zum Einspritzventil 2 gewährleistet wird. Jedes Einspritzventil 2 umfasst (nicht dargestellte) Steuermittel zur unabhängigen Steuerung der Einspritzung. In der Kraftstoffkanalleitung 3, 3' ist ein Absperrventil 4 angeordnet, dessen Betrieb unter Bezugnahme auf die 2–5 näher erläutert wird.
In 2 wird das Absperrventil 4 in seinem Anfangszustand gezeigt. Das Absperrventil enthält einen Körperteil 5, in dem ein zylindrischer Kraftstoffraum 6 mit einem Einlassstutzen 7 und einem Auslassstutzen 8 für den Kraftstoff angeordnet ist. Im Kraftstoffraum 6 des Körperteils 5 ist ein Betätigungsmittel angeordnet, das ein Hauptstellglied, das vorteilhafterweise eine Hauptkolbenanordnung 9 oder dergleichen enthält, umfasst. In Abhängigkeit von der Position der Hauptkolbenanordnung 9 kann Kraftstoff entweder über das Absperrventil fließen oder Kraftstofffluss kann verhindert werden. Des Weiteren umfasst das Absperrventil 4 eine Feder 10, unter deren Einfluss die Kolbenanordnung 9 in eine in den 1 und 2 gezeigte Grenzposition gegen eine Schulter 5' des Körperteils 5 gedrückt wird. Unter normalen Betriebsbedingungen zwischen Einspritzungen befindet sich das Absperrventil 4 in der in 2 gezeigten Position.
Wenn das Einspritzventil 2 bei Normalbetrieb den Kraftstoffeinspritzprozess startet, wird am Absperrventil 3, das heißt zwischen dem Einlassstutzen 7 und dem Auslassstutzen 8, eine Druckdifferenz erzeugt, wobei sich dann die Kolbenanordnung 9 von der Grenzposition von 2 weg bewegt, bis die Einspritzung anhält und die Druckdifferenz ausgeglichen wird. Diese Situation wird in 3 dargestellt. In dieser Situation ist die einzuspritzende Kraftstoffmenge gleich dem von der Bewegung der Kolbenanordnung 9 im Kraftstoffraum 6 verdrängten Volumen.
Des Weiteren umfasst das Betätigungsmittel ein Hilfsstellglied, das heißt einen Hilfskolben 12, der in einem in der Hauptkolbenanordnung 9 ausgebildeten axialen Durchgangsloch beweglich aufgenommen ist. Die Hauptkolbenanordnung 9 enthält in dem Abschnitt auf der Seite des Einlassstutzens 7 des Kraftstoffraums 6 einen Bereich 9', der den betreffenden Raum 6 begrenzt, worauf der Kraftstoffraumdruck wirkt, und bei Normalbetrieb bewegt sich der Hilfskolben 12 zusammen mit der Hauptkolbenanordnung 9 ohne gegenseitige Relativbewegung dieser beiden Teile.
Sollte das Einspritzventil 2 lecken oder sich aus irgendeinem Grunde nach der Einspritzung nicht schließen, drückt der Druck der Common-Rail-Speichervorrichtung 1 die Hauptkolbenanordnung 9 zusammen mit dem Hilfskolben 12 in ihre andere End- oder Grenzposition, die in 4 gezeigt wird. In dieser Grenzposition der Hauptkolbenanordnung 9 ist der Kraftstofffluss in das Einspritzventil 2 stark gedrosselt, da der gesamte Fluss über eine Drossel 11 strömt. Diese Drossel wird mit jedem anderen Abschnitt des Kraftstoffraums 6 auf verschiedenen Seiten der Hauptkolbenanordnung 9 verbunden. Die Druckdifferenz an der Kolbenanordnung 9 wird vergrößert, und wenn sie eine bestimmte Grenze erreicht, bewegt sich der Hilfskolben 12 bezüglich der Kolbenanordnung 9, und die Dichtflächen 13, 13' werden geschlossen und sperren den Fluss. Diese Situation wird in 5 gezeigt, in der die Dichtfläche 13 des Hilfskolbens 12 gegen eine an der Mündung des Auslassstutzens 8 angeordnete Gegenfläche 13' abdichtet. Dieser Vorgang erfolgt, damit der Hilfskolben 12 einen Bereich 12' enthält, der einen Raum in dem Abschnitt auf der Seite des Einlassstutzens 7 des Kraftstoffraums 6 begrenzt, und dieser Bereich ist kleiner als der entsprechende Bereich 9' der Kolbenanordnung 9. Somit erfolgt in erster Linie eine gemeinsame Bewegung der Hauptkolbenanordnung 9 und des Hilfskolbens 12, und nur wenn die Druckdifferenz eine bestimmte Grenze überschritten hat, bewegt sich der Hilfskolben 12 axial bezüglich der Hauptkolbenanordnung. Folglich ist der den Hilfskolben 12 bewegende Druck nur auf den Bereich gerichtet, der durch seinen Durchmesser bestimmt wird, und die Bewegung erfordert einen größeren Druck als der Druck, der die Bewegung der ganzen Kolbenanordnung 9 ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Absperrventil 4 wird beim Start des Motors, zum Beispiel bei Schwerölanwendungen, wie folgt betrieben. Wenn die Kraftstoffzirkulation vor Anlassen des Motors gestartet wird, wird der Druck auf der Niederdruckseite des Kraftstoffsystems an den Einlassstutzen 7 angelegt. In dieser Anfangssituation kann die Seite des Auslassstutzens 8 fast druckfrei oder sogar mit Luft gefüllt sein. In der nächsten Phase bewegt sich die Hauptkolbenanordnung 9 des Absperrventils 4 in die in 4 dargestellte Position, mit anderen Worten in ihre zweite End- oder Grenzposition. Es kann zum Beispiel angenommen werden, dass der Druck auf der Niederdruckseite des Kraftstoffsystems ca. 7 bar beträgt. Das Absperrventil 4 kann zum Beispiel so dimensioniert sein, dass die zur Bewegung des Hilfskolbens 12 in die Position in 5 erforderliche Druckdifferenz 25 bar beträgt. Dies bedeutet in der Praxis, dass das Absperrventil 4 geöffnet bleibt und das Füllen des Abschnitts auf der Seite des Auslassstutzens 8 und des daran anschließenden Abschnitts vom Einspritzsystem und den Ausgleich des Drucks zwischen dem Einlassstutzen 7 und dem Auslassstutzen 8 ermöglicht. Wenn der Druck zwischen dem Einlassstutzen und dem Auslassstutzen ausreichend ausgeglichen ist, bewegt sich die Hauptkolbenanordnung 9 des Absperrventils in die in 2 dargestellte Position, und der Motor kann ohne Probleme gestartet werden. Auf diese Weise kann die Drossel 11 nur gemäß der gewünschten Rückkehrgeschwindigkeit der Hauptkolbenanordnung 9 (in normaler Situation bei laufendem Motor) dimensioniert werden. Wenn zum Beispiel bei laufendem Motor ein Rohrbruch auf der Seite des Auslassstutzens 8 des Absperrventils vorliegt, schließt das Absperrventil sofort.
Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils wird in 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Hilfskolben anders angeordnet, damit er mit der Hauptkolbenanordnung 9 selbst als Flussschließmittel funktioniert, aber ansonsten entspricht sie der in den 2–5 gezeigten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform in 6 ist ein Bolzen 12 oder dergleichen vorgesehen, der als Hilfskolben dient, dem Kolbenanordnungsloch angepasst ist und der einen dort hindurch verlaufenden Kanal 11 aufweist, der eine Verbindung zwischen der Einlass- und der Auslassseite des Kraftstoffraums 6 herstellt. Wenn die Druckdifferenz an der Kolbenanordnung 9 nun eine bestimmte Grenze überschreitet, bewegt sich der Bolzen 12 zum Auslassstutzen 8, wobei dann die Dichtflächen 13, 13' aneinander enden. In 6 steht die Ausführung der betreffenden Bewegung kurz bevor. Bei einer Ausführungsform gemäß 6 ist die Gegenfläche 13' der Hilfskolbendichtfläche 13 an der Kolbenanordnung 9 angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind Modifikationen der Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche angemessen.

Claims

Kraftstoffsystemabsperrventil (4) mit einem Körperteil (5), in dem ein Kraftstoffraum (6) mit einem Einlassstutzen (7) und einem Auslassstutzen (8) angeordnet ist, Betätigungsmitteln, die ein im Kraftstoffraum zur Bewegung zwischen einer ersten Grenzposition und einer zweiten Grenzposition angeordnetes Hauptstellglied (9) umfassen, und einer Kraftanordnung (10), die bewirkt, dass eine Kraft auf das Hauptstellglied (9) in entgegengesetzter Richtung zum Kraftstoffhauptfluss wirkt und das Hauptstellglied zur ersten Grenzposition drückt, wobei die Betätigungsmittel weiterhin ein Hilfsstellglied (12) umfassen, das bezüglich des Hauptstellglieds (9) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellglied (12) bezüglich des Hauptstellglieds (9) beweglich ist, um einen Kraftstofffluss vom Einlassstutzen (7) zum Auslassstutzen (8) zu verhindern, wenn sich das Hauptstellglied in der zweiten Grenzposition befindet.
Absperrventil (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Hauptstellglied (9) als auch das Hilfsstellglied (12) in einem Abschnitt des Kraftstoffraums (6) auf der Seite des Einlassstutzens (7) einen den betreffenden Raum begrenzenden ersten Bereich (9') bzw. einen zweiten Bereich (12') enthalten und dass der durch das Hilfsstellglied (12) gebildete zweite Bereich (12') kleiner ist als der durch das Hauptstellglied (9) gebildete erste Bereich (9').
Absperrventil (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellglied (12) zur Bereitstellung des Schließens und Öffnens der Strömungsverbindung zwischen dem Einlassstutzen (7) und dem Auslassstutzen (8) beweglich angeordnet ist.
Absperrventil (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsstellglied (12) mit einer Dichtungsfläche (13) zum Schließen der Strömungsverbindung zwischen dem Einlassstutzen (7) und dem Auslassstutzen (8) versehen ist.
Absperrventil (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftanordnung (10) auf das Hilfsstellglied (12) wirkt, was sich auf die Bestimmung der relativen Positionen des Hauptstellglieds (9) und des Hilfsstellglieds (12) auswirkt.
Absperrventil (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffraum (6) zylindrisch ist und dass das Hauptstellglied (9) ein Kolbenmittel mit einem Durchmesser enthält, der dem Kraftstoffraumdurchmesser im Wesentlichen entspricht, und dass parallel zu seiner Längsachse ein Loch vorgesehen ist und dass das Hilfsstellglied (12) im Loch des Kolbenmittels beweglich angeordnet ist.
Absperrventil (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenfläche (13') der Hilfsstellglieddichtungsfläche im Auslassstutzen (8) angeordnet ist.
Absperrventil (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenfläche (13') der Dichtungsfläche des Hilfsstellglieds (12) am Hauptstellglied (9) oder in Verbindung damit angeordnet ist.