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Dokumentenidentifikation DE10016242B4 13.04.2006
Titel Druckregelventil mit integrierter Sicherheitsfunktion
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Lingener, Uwe, Dr., 93049 Regensburg, DE;
Przymusinksi, Achim, 93049 Regensburg, DE
DE-Anmeldedatum 31.03.2000
DE-Aktenzeichen 10016242
Offenlegungstag 04.10.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G05D 16/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 17/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02M 63/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02M 55/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Einspritzsystem mit einem Druckregelventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.

Druckregelventile werden zur Steuerung eines Drucks beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik bei einem Kraftstoffspeicher eingesetzt. Moderne Dieseleinspritzsysteme weisen einen Kraftstoffspeicher auf, der von einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt wird. Der Kraftstoffspeicher steht mit Einspritzventilen in Verbindung, die Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind.

Ein Steuergerät ist mit dem Druckregelventil, einem Drucksensor und den Einspritzventilen verbunden. Für eine Einspritzung steuert das Steuergerät die Einspritzventile in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine auf, so dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher über die Einspritzventile in die Brennräume gespritzt wird. Für eine optimale Verbrennung ist eine Anpassung des Drucks im Kraftstoffspeicher an verschiedene Betriebsparameter notwendig. Dazu erfasst das Steuergerät über den Drucksensor, der mit dem Kraftstoffspeicher in Verbindung steht, den im Kraftstoffspeicher vorliegenden Kraftstoffdruck und verändert den Druck im Kraftstoffspeicher über eine Öffnung des Druckregelventils, falls dies für eine optimale Einspritzung erforderlich ist.

Ein weiterer Parameter zur Einstellung des Kraftstoffdruckes ist die Einstellung des Kraftstoffvolumenstromes, der über die Hochdruckpumpe dem Kraftstoffspeicher zugeführt wird. Dieser Regelweg wird für die Erhöhung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher eingesetzt. Für die Erniedrigung des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffspeicher ist die Reduzierung des zugeführten Kraftstoffstromes zum Kraftstoffspeicher im allgemeinen zu träge.

Bei Dieseleinspritzsystemen wird mit hohen Kraftstoffdrücken von bis zu 2000 bar gearbeitet, wodurch es erforderlich ist, dass das Schließglied des Druckregelventils von einer relativ starken Feder gegen den Druck des Kraftstoffspeichers auf einen Dichtsitz gedrückt wird. Durch die Vorspannung des Schließgliedes wird eine stabile Steuerung des Schließgliedes ermöglicht. Je nach Anwendungsfall liegt die Vorspannkraft in der Größenordnung, die einem Druck von bis zu 100 bar im Kraftstoffspeicher entspricht. Durch die Vorspannkraft des Federelementes ist der Druckbereich im Kraftstoffspeicher eingeschränkt, wodurch die Flexibilität der Druckanpassung begrenzt ist.

Aus DE 196 05 277 A1 ist ein magnetbetätigtes hydraulisches Steuerventil zur Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors bekannt. Das Steuerventil weist ein stangenförmiges Schließglied auf, das von einer Druckfeder gegen einen Dichtsitz vorgespannt ist. Zum Abheben des Schließgliedes ist ein Elektromagnet vorgesehen, der das Schließglied entgegen der Kraftwirkung der Vorspannfeder vom Dichtsitz abhebt.

Aus DE 198 34 120 A1 ist ein Steuerventil für eine Kraftstoffversorgungsanlage bekannt, das ein stangenförmiges Schließglied aufweist. Das stangenförmige Schließglied wird von einer Spannfeder gegen einen Dichtsitz vorgespannt. Weiterhin ist ein Elektromagnet vorgesehen, mit dem das Schließglied entgegen der Vorspannung der Vorspannfeder vom Dichtsitz abgehoben werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Druckregelventil und ein Einspritzsystem mit einem Druckregelventil bereitzustellen, bei der der im Kraftstoffspeicher vorliegende Druck auch in niedrigeren Bereichen über das Druckregelventil eingestellt werden kann und zudem auch bei hohen Kraftstoffdrücken eine präzise Funktionsweise des Druckregelventils bereitgehalten wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Das Druckregelventil nach dem Anspruch 1 weist den Vorteil auf, dass ein Aktor vorgesehen ist, mit dem das Schließglied von der Vorspannkraft des Federelementes entlastet wird. Auf diese Weise wird ein einfach aufgebautes Druckregelventil erhalten, mit dem niedrige Drücke im Kraftstoffspeicher eingestellt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Vorzugsweise ist der Aktor des Druckregelventils als Elektromagnet ausgebildet, mit dem das Schließglied betätigt wird. Die Ausbildung des Aktors in Form eines Elektromagneten bietet den Vorteil, dass der übliche Aufbau des Druckregelventils verwendet wird, da üblicherweise Druckregelventile bereits Elektromagneten zur Steuerung des Schließgliedes aufweisen. Auf diese Weise wird die zusätzliche Funktion des Druckregelventils ohne größere Kosten realisiert.

Der Anker des Elektromagneten ist vorzugsweise mit dem Schließglied und die Magnetspule des Elektromagneten ist vorzugsweise mit dem Gehäuse des Druckregelventils verbunden. Diese Ausführungsform stellt einen einfachen Aufbau dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert: Es zeigen

1 ein Einspritzsystem mit einem Druckregelventil und

2 ein Druckregelventil.

1 zeigt ein Druckregelventil 1, das an einen Kraftstoffspeicher 2 angeschlossen ist. Der Kraftstoffspeicher 2 wird über eine Vorpumpe 7, ein Vordruckventil 6, ein Volumenstromregelventil 5 und eine Hochdruckpumpe 4 mit Kraftstoff mit einem vorgegebenen Druck versorgt. Der Kraftstoffspeicher 2 steht mit Einspritzventilen 3 in Verbindung, die Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Weiterhin ist ein Drucksensor 15 am Kraftstoffspeicher 2 vorgesehen, der den Druck im Kraftstoffspeicher 2 erfasst und über eine Messleitung 16 an ein Steuergerät 11 weiterleitet. Das Steuergerät 11 steht zudem über eine erste, zweite und dritte Steuerleitung 12, 13, 14 mit dem Druckregelventil 1, den Einspritzventilen 3 und dem Volumenstromregelventil 5 in Verbindung.

Das Druckregelventil 1 kann auch in der Hochdruckpumpe 4 integriert sein und am Hochdrucksystem angeschlossen sein. Das Hochdrucksystem umfasst die Leitungen, die zwischen Hochdruckpumpe 4 und Einspritzventil 3 angeordnet sind und Kraftstoff mit hohem Druck aufweisen.

Das Druckregelventil 1 ist über eine erste Rückleitung 8 mit einem Kraftstofftank 10 verbunden, an den auch die Vorpumpe 7 angeschlossen ist. Weiterhin ist das Vordruckventil 6 über eine zweite Rückleitung 9 an den Kraftstofftank 10 angeschlossen.

Die Funktionsweise des Einspritzsystems der 1 ist wie folgt: Die Vorpumpe 7 und die Hochdruckpumpe 4 sind mechanisch angetriebene Pumpen, deren Förderleistung im allgemeinen von der Drehzahl der Pumpen abhängt. Der von der Vorpumpe 7 geförderte Kraftstoffstrom wird von dem Vordruckventil 6 auf einen vorgegebenen Druck im Bereich von bis zu 10 bar eingestellt. Überflüssig geförderter Kraftstoff wird über die zweite Rückleitung 9 vom Vordruckventil 6 an den Kraftstofftank 10 zurückgeleitet. Der mit dem vorgegebenen Druck zum Volumenstromregelventil 5 geförderte Kraftstoff wird in der Menge über eine entsprechende Ansteuerung des Volumenstromregelventils 5 durch das Steuergerät 11 je nach Anforderung eingestellt, so dass ein volumengeregelter Kraftstoffstrom zur Hochdruckpumpe 4 geleitet wird. Die Hochdruckpumpe 4 erhöht den Druck in dem zugeführten Kraftstoff und fördert den Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 2.

Der Druck, der im Kraftstoffspeicher 2 herrscht, wird vom Drucksensor 15 erfasst und an das Steuergerät 11 weitergeleitet. Das Steuergerät 11 vergleicht den im Kraftstoffspeicher 5 vorliegenden Druck mit vorgegebenen Druckwerten, die von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängen. Der im Kraftstoffspeicher herrschende Druck ist beispielsweise für eine geräuscharme und schadstoffarme Verbrennung der Brennkraftmaschine präzise vorzugeben.

Für eine Einspritzung steuert das Steuergerät 11 die Einspritzventile 3 auf, so dass Kraftstoff mit annähernd dem Druck, der im Kraftstoffspeicher 2 vorliegt, über die Einspritzventile 3 in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Für eine präzise Einstellung des Drucks im Kraftstoffspeicher 2 vergleicht das Steuergerät 11 den im Kraftstoffspeicher 2 vorliegenden Druck mit den für den Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgegebenen Druck. Ist der Druck zu niedrig, so regelt das Steuergerät 11 das Volumenstromregelventil 5 und das Druckregelventil 1, so dass von der Hochdruckpumpe 4 mehr Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 2 gefördert wird, als über die Einspritzventile 3 aus dem Kraftstoffspeicher 2 entnommen wird. Das Druckregelventil 1 ist bei einem zu niedrigem Druck im Kraftstoffspeicher geschlossen, so dass kein Kraftstoff über das Druckregelventil 1 aus dem Kraftstoffspeicher 2 abfließt.

Liegt jedoch ein zu hoher Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 2 vor, so wird das Druckregelventil 1 vom Steuergerät 11 geöffnet, so dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 2 über die erste Rückleitung 8 zum Kraftstofftank 10 zurückgeführt wird. Als Folge sinkt der Druck im Kraftstoffspeicher 2.

Ein genauer Aufbau des Druckregelventils 1 ist in 2 dargestellt. Das Druckregelventil 1 weist ein Gehäuse 20 auf, an dem ein Zulaufanschluss 21 ausgebildet ist. Der Zulaufanschluss 21 ist an das Hochdrucksystem angeschlossen. Der Zulaufanschluss 21 weist einen Zulaufkanal 22 auf, der als zylinderförmiger Kanal ausgebildet ist, und der sich in Richtung auf einen Innenraum 29 des Gehäuses 20 zu einer konischen Form erweitert. Die konische Form stellt gleichzeitig einen Dichtsitz 23 dar.

Das Gehäuse 20 weist einen Ablaufkanal 33 auf, der an die erste Rückleitung 8 angeschlossen ist und die erste Rückleitung 8 mit dem Innenraum 29 verbindet. Der Innenraum 29 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei eine erste Endfläche durch den Zulaufanschluss 21 gebildet ist. An der gegenüberliegenden Endfläche ist eine Anschlagplatte 32 ausgebildet, die in den Innenraum 29 mit einer ebenen Anschlagfläche ragt. Zwischen der Anschlagplatte 32 und dem Dichtsitz 23 ist eine Stange 25 beweglich angeordnet. Eine Spitze der Stange 25 ist dem Dichtsitz 23 zugeordnet, wobei zwischen dem Dichtsitz 23 und der Spitze der Stange 25 ein Schließglied 24 vorgesehen ist. Das Schließglied 24 ist in einer einfachen Ausführungsform als Kugel ausgebildet. An einem Endstück der Stange 25 ist gegenüberliegend zur Spitze eine Stützplatte 30 angeordnet, die der Anschlagplatte 32 zugeordnet ist. Die Stützplatte 30 weist eine mittige zylinderförmige Erhebung 34 auf, deren Querschnitt dem der Anschlagplatte 32 entspricht. Die Erhebung 34 weist eine Anschlagfläche 35 auf, die der Anschlagplatte 32 zugeordnet ist. Zwischen der Stützplatte 30 und der Anschlagplatte 35 des Gehäuses 20 ist ein Federelement 31 eingebracht, das sowohl die Erhebung 34 als auch die Anschlagplatte 32 umfasst. Das Federelement 31 spannt die Stange 25 in Richtung auf den Dichtsitz 23 vor, so dass das Schließglied 24 von der Stange 25 auf den Dichtsitz 23 gedrückt wird. Der Dichtsitz 23, das Schließglied 24 und die Stange 25 stellen ein Ventil 26 dar.

An der Stange 25 ist ein Anker 27 angebracht. Auf der Höhe des Ankers 27 ist eine Magnetspule 28 am Gehäuse 20 befestigt, die den Anker 27 umgibt, und die über die erste Steuerleitung 12 am Steuergerät 11 angeschlossen ist. Der Anker 27 und die Magnetspule 28 bilden einen Elektromagneten, mit dem die Stange 25 vom Steuergerät 11 in Richtung auf den Dichtsitz 23 oder in Richtung auf die Anschlagplatte 32 mit vorgebbaren Kräften beaufschlagbar ist. Die Stange 25 ist zudem in axialer Richtung geführt.

Das Federelement 31 weist in üblichen Anwendungsfällen eine Vorspannkraft auf, die das Schließglied 24 auf den Dichtsitz 23 mit einer Vorspannkraft drückt, so dass im Kraftstoffspeicher 2 ein Kraftstoffdruck im Bereich von 50 bis 100 bar erreicht werden, bevor das Schließglied 24 vom Dichtsitz 23 abhebt und Kraftstoff über das Druckregelventil 1 aus dem Kraftstoffspeicher 2 entweicht.

Für die Einstellung höherer Drücke steuert das Steuergerät 11 die Magnetspule 28 in entsprechender Weise an, so dass über den Anker 27 und die Stange 25 eine entsprechende Vorspannkraft auf das Schließglied 24 übertragen wird. Als Folge davon wird das Schließglied 24 mit einer erhöhten Vorspannkraft auf den Dichtsitz 23 gepresst, so dass Drücke von bis zu 2000 bar im Kraftstoffspeicher gehalten werden, ohne dass das Schließglied 24 vom Dichtsitz 23 abhebt und Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 2 abfließt.

Da das Federelement 31 einen Mindestdruck im Kraftstoffspeicher 2 einstellt, ist es für die Einstellung eines Druckes, der unterhalb des Mindestdrucks liegt, erforderlich, dass das Steuergerät 11 die Magnetspule 28 in der Weise ansteuert, dass der Anker 27 vom Dichtsitz 23 weg in Richtung auf die Anschlagplatte 32 vorgespannt wird. Dadurch wird auch die Stange 25 in Richtung auf die Anschlagplatte 32 gegen die Vorspannkraft des Federelementes 31 vorgespannt. Auf diese Weise können trotz der Vorspannkraft durch das Federelement 31 Drücke unter dem Mindestdruck im Kraftstoffspeicher eingestellt werden. Die Stromstärke, mit der die Magnetspule 28 für die Einstellung von geringen Drücken angesteuert werden muss, sind experimentell ermittelt und in einem Datenspeicher im Steuergerät 11 abgelegt. Das Steuergerät 11 muss für eine Änderung der Vorspannrichtung der Stange 25 die Stromrichtung durch die Magnetspule 28 ebenfalls ändern. Durch die Änderung der Stromrichtung wird ein einfaches Verfahren bereitgestellt, mit dem das Schließglied 24 mindestens teilweise von der Vorspannkraft des Federelementes 31 entlastet wird.

Die Einstellung von geringeren Drücken als dem Mindestdruck sind insbesondere für den Fall notwendig, dass eine Fehlfunktion der Einspritzventile auftritt und deshalb der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher unter den durch das Federelement 31 festgelegten Mindestdruck gesenkt werden muss. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei Erkennen einer Fehlfunktion der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 2 durch ein Öffnen des Druckregelventils auf Umgebungsdruck gesenkt werden kann und damit sicher vermieden wird, dass beispielsweise bei einem geöffneten Einspritzventil 3, das nicht mehr geschlossen werden kann, Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Anstelle des in 2 dargestellten Elektromagneten kann jeder beliebige Aktor verwendet werden, mit dem das Schließglied 24 von der Vorspannkraft des Federelementes 31 entlastet werden kann. Beispielsweise könnte auch direkt am Federelement 31 angegriffen werden und diese in Richtung auf die Anschlagplatte 32 mit einer Kraft beaufschlagt werden, so dass die auf das Schließglied 24 einwirkende resultierende Vorspannkraft reduziert ist.

Das erfindungsgemäße Druckregelventil ist nicht auf die Anwendung bei einem Kraftstoffspeicher in der Kraftfahrzeugtechnik beschränkt, sondern kann bei jeder Art von Druckspeicher, insbesondere Gas oder Flüssigkeitsspeicher, eingesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. Druckregelventil mit einem Zulauf, mit einem Ablauf, mit einem Ventil, das zwischen dem Zulauf und dem Ablauf angeordnet ist,

    wobei bei geöffnetem Ventil der Zulauf mit dem Ablauf verbunden ist,

    wobei das Ventil ein Schließglied mit einem zugeordneten Dichtsitz aufweist,

    wobei ein Federelement angeordnet ist, das das Schließglied auf den Dichtsitz vorspannt,

    mit einem Aktor, der mit dem Schließglied in Verbindung steht, wobei

    der Aktor (27, 28, 25) in der Weise ausgebildet ist, dass der Aktor (27, 28, 25) bei einer entsprechenden Ansteuerung das Schließglied (24) von der Vorspannkraft des Federelementes (31) mindestens teilweise entlastet, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließglied in Form einer Kugel (24) ausgebildet ist, die von einer Stange (25) in den Dichtsitz (23) gedrückt wird.
  2. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (27, 28) als Elektromagnet ausgebildet ist.
  3. Druckregelventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet einen Anker (27) und eine Magnetspule (28) aufweist, dass der Anker (27) mit dem Schließglied (24, 25) und die Magnetspule (28) mit dem Gehäuse (20) des Druckregelventils verbunden sind.
  4. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (31) in der Weise vorgespannt ist, dass ein vorgegebener Haltedruck eingestellt ist.
  5. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (27, 28) bei einer Ansteuerung das Schließglied (24) mit einer vorgegebenen Haltekraft gegen einen Dichtsitz (23) drückt.
  6. Einspritzsystem mit einem Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffspeicher vorgesehen ist, dass an den Kraftstoffspeicher (2) Einspritzventile (3) angeschlossen sind, dass das Druckregelventil (1) mit dem Zulauf (21, 22) an den Kraftstoffspeicher (2) angeschlossen ist,

    dass der Ablauf (33) des Druckregelventils (1) an einen Rücklauf (8) angeschlossen ist,

    dass das Druckregelventil (1) bis zu einem Mindestdruck über die Vorspannkraft des Federelementes (31) geschlossen ist,

    und dass das Druckregelventil (1) zur Senkung des Drucks im Kraftstoffspeicher (2) gegen die Vorspannkraft des Federelementes (31) aufsteuerbar ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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