Durchflussbegrenzungsvorrichtung für ein Kraftstoffabsperrventil

Die Erfindung betrifft eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung für ein Kraftstoffabsperrventil mit einem Strömungsgehäuse, welches einen Kanal ausbildet, einem Durchflussbegrenzungselement, welches im Kanal angeordnet ist, und einer Feder, die eine Kraft auf das Durchflussbegrenzungselement in eine Öffnungsrichtung des Durchflussbegrenzungselementes ausübt, die einer durch den Strömungsdruck entstehenden Kraft, die in Schließrichtung auf das Durchflussbegrenzungselement wirkt, entgegengerichtet ist, wobei das Durchflussbegrenzungselement in einer ersten Endposition, in der die auf das Durchflussbegrenzungselement wirkende Kraft der Feder größer ist als die Kraft durch den Strömungsdruck einen größeren

Durchströmungsquerschnitt freigibt als in einer zweiten Endposition, in der die auf das Durchflussbegrenzungselement wirkende Kraft durch den Strömungsdruck größer ist als die Kraft der Feder.

Derartige Durchflussbegrenzungsvorrichtungen werden in Tankentlüftungssystemen verwendet, um sicherzustellen, dass der Druck durch im Tank verdampfenden Kraftstoff nicht zu hoch wird. Flierzu wird der Kraftstoffdampf über ein Tankentlüftungsventil einem Aktivkohlefilterbehälter zugeführt, über den die im Dampf enthaltenen Kohlenwasserstoffe gespeichert werden, um deren Austreten in die Umgebung zu verhindern. Der Aktivkohlefilter kann entweder mit der angesaugten Luft des Verbrennungsmotors aus dem Saugrohr oder überseparate Sekundärluftgebläse regeneriert werden. Durch die Durchflussbegrenzungsvorrichtungen wird sichergestellt, dass nachfolgende Ventile nicht durch zu hohe Drücke belastet werden, die zu einer Fehlfunktion führen können. Um dies zu realisieren sind mechanische Systeme zur Drosselung des Volumenstroms bekannt, bei denen als kraftgebendes Element eine Feder genutzt wird, durch die eine Mindestaktivierungskraft durch den anstehenden Volumenstrom festgelegt wird. Die Aktivierungskraft entsteht somit durch das Anströmen einer Stirnfläche des Begrenzungselementes, die als Kraft am Staupunkt entgegen der Federkraft wirkt. Entsprechend weisen die bekannten Durchflussbegrenzungsvorrichtungen einen Schaltpunkt auf, an dem der zur Verfügung stehende Durchströmungsquerschnitt bei zu stark ansteigendem Druck durch Verschiebung des Durchflussbegrenzungselementes verringert wird, um den durchtretenden Volumenstrom zu reduzieren. In den meisten bekannten Ausführungen entsteht jedoch gerade bei geringen Durchflüssen, als vor dem Schaltpunkt des Durchflussbegrenzers ein sehr hoher Druckverlust.

Ein Kraftstoffabsperrventil mit einem Durchflussbegrenzer, bei dem der Druckverlust bei geringen Volumenströmen verringert wird, ist beispielsweise aus der EP 2 665 913 Bl bekannt. Wenn das Absperrventil öffnet kann Kraftstoffdampf durch eine innere kleine Düse des Durchflussbegrenzers und durch einen zusätzlichen Querschnitt, der durch ein axial verschiebbares Schließglied beherrscht wird strömen. Wird die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass zu groß, übersteigt die auf das Schließglied wirkende Kraft die Kraft der entgegengesetzt wirkenden Feder und das Schließglied wird gegen seinen Ventilsitz gedrückt, so dass nur noch der innere Querschnitt der Düse durchströmt werden kann, wodurch der maximale Durchfluss zuverlässig begrenzt wird. Problematisch an einer derartigen Ausführungsform ist es jedoch, dass der Schaltpunkt dieses Durchflussbegrenzers nur sehr schwierig festzulegen ist, da im geöffneten Zustand des Durchflussbegrenzers hohe Druckverluste durch verstärkte Wirbelbildung beim Durchströmen außerhalb des kleinen inneren Querschnitts entstehen, die dazu führen, dass kein eindeutiger Öffnungszeitpunkt in Abhängigkeit des anliegenden Staudruckes festgelegt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftstoffabsperrventil zur Verfügung zu stellen, bei der einerseits der Gesamtdruckverlust gering ist und andererseits ein Schaltpunkt und der maximale Volumenstrom eindeutig festgelegt werden können. Des Weiteren soll ein Schalten bereits bei relativ geringen Durchflüssen möglich sein, ohne das Federelement in seiner Federstärke zu weit verringern zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Flauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass der Durchströmungsquerschnitt in beiden Endpositionen durch einen umlaufenden Spalt zwischen dem Durchflussbegrenzungselement und dem umliegenden

Strömungsgehäuse angeordnet ist, wobei der freie Querschnitt zwischen dem Durchflussbegrenzungselement und dem umliegenden Strömungsgehäuse in Axialrichtung bis zum engsten freien Querschnitt stetig abnimmt und ab dem engsten freien Querschnitt stetig zunimmt, wird in beiden Endstellungen eine reine Düsenströmung geschaffen, bei der keine Druckverlustsprünge beim Öffnen oder Schließen des Durchflussbegrenzungselementes entstehen, so dass ein eindeutiger Schaltpunkt festgelegt werden kann. So wird zunächst eine druckverlustarme Beschleunigung zwischen den beiden Oberflächen erzielt, durch welche eine Niederdruckzone geschaffen wird, welche den Differenzdruck vergrößert und so den Öffnungszeitpunkt hin zu geringeren Absolutdrücken an der Anströmseite verschiebt. Durch die folgende allmähliche Entspannung bleiben die Gesamtdruckverluste sehr gering. Durch diese Ausführung kann das Schaltverhalten sehr präzise abgestimmt werden.

Vorzugsweise ist eine Funktion des freien Querschnitts aufgetragen über die Länge des Durchflussbegrenzungselements von einer Anströmkante zu einer Abströmkante des Durchflussbegrenzungselements differenzierbar, was bedeutet, dass keine Querschnittssprünge auftreten, die zu einer Wirbelbildung führen würden. Entsprechend werden die auftretenden Totaldruckverluste deutlich reduziert. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Strömungsgehäuse die Form einer Venturidüse aufweist, wobei das Durchflussbegrenzungselement über den engsten Querschnitt der Venturidüse hinaus in den anschließenden Diffusor ragt. Auch dies führt zu einer Strömungsberuhigung mit geringen Druckverlusten. Durch die Venturidüse wird der Differenzdruck zwischen der Frontseite und der Rückseite des Durchflussbegrenzungselementes noch einmal erhöht, so dass die Öffnungskraft bei gleicher Federkennlinie gesenkt werden kann, da die Staudruckfläche und die Federkennlinie nicht mehr die einzigen Variablen zur Bestimmung des Öffnungsdruckes sind. Entsprechend kann das Durchflussbegrenzungselement kleiner gebaut werden, da bei gleichen Durchmessern höhere Öffnungskräfte wirken.

Vorzugsweise ist eine radiale Außenwand des Durchflussbegrenzungselements stetig zulaufend ausgebildet, wodurch der Strömungswiderstand verringert wird. So kann bei nicht geschaltetem Durchflussbegrenzungselement, also größerem Öffnungsquerschnitt bei Förderung des Gases mittels einer Pumpe deren Drehzahl und damit auch deren Stromverbrauch bei gleichem Volumenstrom reduziert werden.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung bildet die radiale Außenwand des Durchflussbegrenzungselements von der Anströmkante zur Abströmkante einen Strömungskörper mit einem ersten konvexen Abschnitt, einen sich daran anschließenden zweiten konkaven Abschnitt sowie einen sich daran anschließenden dritten konvexen Abschnitt. So kann mit geringen Druckverlusten bei einfacher Herstellbarkeit, der verringerte Schaltdruck erreicht werden.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Strömungskörper rotationssymmetrisch ist, so dass sich dieser an übliche runde Rohre anpasst, ohne dass über den Querschnitt verschiedene Strömungen entstehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite, konkave Abschnitt des Strömungskörpers des Durchflussbegrenzungselementes in beiden Endpositionen innerhalb des engsten Querschnitts der Venturidüse des Strömungsgehäuses angeordnet. Auch diese Ausführung führt zu einer bevorzugten wirbelfreien Strömung in beiden Schaltzuständen.

Des Weiteren sind vorteilhafterweise am Durchflussbegrenzungselement zumindest drei Stege ausgebildet, die durch einen sich über den Umfang erstreckenden Radialspalt an einer Innenwand des Strömungsgehäuses nach radial außen ragen und auf die die Kraft der Feder wirkt. Entsprechend erfolgt die Befestigung und Beaufschlagung des Durchflussbegrenzungselementes außerhalb des durchströmten Bereiches, was erneut den Druckverlust reduziert. Zusätzlich besteht eine zuverlässige Befestigung des Durchflussbegrenzungselementes im Kanal. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Feder zwischen der Innenwand des Strömungsgehäuses und einer Außenwand des Strömungsgehäuses vorgespannt angeordnet ist, da bei der Ausführung einerseits eine zuverlässige Führung der Feder erreicht wird und andererseits auch die Feder außerhalb des durchströmten Bereiches angeordnet ist. Auch die Montage der Feder wird auf diese Weise vereinfacht.

Zur Fierstellung eines zentral ausgebildeten Staupunktes weist das Durchflussbegrenzungselement eine sich von der Anströmkante in das radial Innere des Durchflussbegrenzungselementes erstreckende rotationssymmetrische Einbuchtung auf.

Es wird somit eine Durchflussbegrenzungsvorrichtung geschaffen, mit der bei exakter Auslegung des Schaltpunktes die Druckverluste minimiert und die Öffnungsdrücke reduziert werden können, so dass das Durchflussbegrenzungselement auch in seiner Größe reduziert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchflussbegrenzungsvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend am Beispiel der Verwendung als Durchflussbegrenzer für ein Kraftstoffabsperrventil beschrieben, wobei auch andere Verwendungen selbstverständlich möglich sind. Die Figur 1 zeigt schematisch eine Fließbild eines Kraftstofftankentlüftungssystems eines Verbrennungsmotors.

Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Durchflussbegrenzungsvorrichtung in geschnittener Darstellung in einem ersten Schaltzustand. Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Durchflussbegrenzungsvorrichtung aus Figur 2 in geschnittener Darstellung in einem zweiten Schaltzustand. Das in der Figur 1 dargestellte Kraftstofftankentlüftungssystem besteht aus einem Kraftstofftank 10, in dem Kraftstoff gespeichert wird und der über einen Einfüllstutzen 12 mit Kraftstoff befüllbar ist. Im Kraftstofftank ist eine Kraftstoffpumpe 14, über die ein nicht dargestellter Verbrennungsmotor mit dem Kraftstoff versorgt werden kann. Vom Einfüllstutzen 12 zweigt eine Entlüftungsleitung 16 ab, in der ein Kraftstoffabsperrventil 18 mit einer nachgeschalteten Durchflussbegrenzungsvorrichtung 20 als Tankdruckventil 22 eine Einheit bilden. Die Entlüftungsleitung 16 mündet in einem Aktivkohlefilterbehälter 24, in dem der im Tank 10 entstehende Kraftstoffdampf mit den darin enthaltenen Kohlenwasserstoffen gespeichert wird. Aufgrund der endlichen Speicherfähigkeit des Aktivkohlefilters muss dieser regelmäßig gespült werden. Flierzu ist der Aktivkohlefilter über eine Regenerationsleitung 26 mit dem Saugrohr 28 verbunden, wobei in der Regenerationsleitung 26 ein Regenerierventil 30 angeordnet ist, über welches die Regenerierleitung geöffnet oder geschlossen werden kann. Bei Öffnung des Ventils 30 wird der gespeicherte Kraftstoffdampf wieder dem Saugrohr 28 und somit der Verbrennung im Motor zugeführt, so dass ein Austreten der Kraftstoffdämpfe zuverlässig verhindert wird. Das treibende Druckgefälle zur Förderung des Kraftstoffdampfs aus dem Aktivkohlefilterbehälter 24 und zum Saugrohr 28 wird entweder durch den Saugrohrdruck selbst zur Verfügung gestellt oder mittels eines zusätzlichen Regeneriergebläses erzeugt. Je nach gewähltem Kraftstofftank und angeschlossenem Motor sind unterschiedliche Dampfdrücke im Kraftstofftank 10 zugelassen. Überschreitet dieser Druck einen vorgegebenen Schwellwert wird zunächst das Kraftstoffabsperrventil 18 geöffnet, so dass der Kraftstoffdampf über die Durchflussbegrenzungsvorrichtung 20 zum Aktivkohlebehälter 24 strömen kann. Diese Durchflussbegrenzungsvorrichtung 20 dient dazu, zu große Durchflüsse zu verhindern, die dazu führen könnten, dass nachfolgende Ventile beschädigt werden oder eine plötzliche Überladung des Aktivkohlefilters stattfindet, bevor dieser regeneriert werden kann. Eine solche erfindungsgemäße Durchflussbegrenzungsvorrichtung 20 ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Sie besteht aus einem umliegenden Strömungsgehäuse 32, in dem ein Kanal 34 ausgebildet ist, der vom Kraftstoffdampf bei geöffnetem Kraftstoffabsperrventil 18 durchströmt wird, sowie einem im Kanal angeordneten im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Durchflussbegrenzungselement 36.

Das Durchflussbegrenzungselement 36 wird durch eine Feder 38 in eine Richtung vorgespannt, die der Strömungsrichtung des Kraftstoffdampfes entgegen gerichtet ist. Die Feder 38 ist zwischen einer Innenwand 40 des Strömungsgehäuses 32 und einer Außenwand 42 des Strömungsgehäuses 32 in einem im Wesentlichen nicht durchströmten Bereich angeordnet, der fluidisch lediglich über einen umlaufenden Radialspalt 44 an der Innenwand 40 mit dem durch die Innenwand 40 begrenzten durchströmten Kanal 34 verbunden ist. Durch diesen Radialspalt 44 ragen drei Stege 46, die sich vom Durchflussbegrenzungselement 36 nach radial außen erstrecken und an deren radial äußeren Enden ein Ring 48 ausgebildet ist, gegen den die Feder 38 anliegt. Der Radialspalt 44 entsteht durch das Zusammenfügen zweier Gehäuseteile 50, 52, die über eine Flanschverbindung 54 miteinander verbunden sind, wobei das eine Gehäuseteil 50 lediglich die Innenwand 40 aufweist, während am gegenüberliegenden zweiten Gehäuseteil 52 eine ringförmige, sich in axialer Richtung erstreckende Ausnehmung 56 zwischen der Innenwand 40 und der Außenwand 42 ausgebildet ist, deren Rückwand 58 als Gegenanschlag für die Feder 38 dient und in der die Feder 38 aufgenommen wird.

Die Innenwand 40 des zweiten Gehäuseteils 52 ist als Venturidüse 60 mit einem sich daran anschließenden Diffusor 62 ausgeformt, in deren Inneren das Durchflussbegrenzungselement 36 aufgenommen ist.

Die Stege 46 erstrecken sich von einer Anströmkante 64 des Durchflussbegrenzungselementes 36, an der eine rotationssymmetrische, etwa halbkugelförmige Einbuchtung 66 ausgebildet ist, die sich in das Innere eines Strömungskörpers 68 des Durchflussbegrenzungselementes 36 erstreckt.

Dieser Strömungskörper 68 bildet den umströmten beziehungsweise angeströmten Bereich des Durchflussbegrenzungselementes 36 und weist eine rotationssymmetrische Außenwand 70 auf, die sich stetig in ihrem Durchmesser verringert und deren erster Abschnitt 72 sich von der Anströmkante 64 aus konvex erstreckt, was bedeutet, dass eine Tangente an jeden Punkt dieses Abschnitts 72 im zu diesem Abschnitt 72 des Strömungskörpers 68 radial außen liegenden Bereich angeordnet ist. An diesen ersten Abschnitt 72 schließt sich ein zweiter, konkaver Abschnitt 74 des Strömungskörpers 68 an, der jedoch konkav geformt ist, was entsprechend bedeutet, dass eine Tangente an jeden Punkt dieses Abschnitts 74 im zu diesem Abschnitt 74 des Strömungskörpers 68 radial innen liegenden Bereich angeordnet ist.

Flieran schließt sich wiederum ein dritter, erneut konvexer Abschnitt 76 an, dessen Ende schließlich punktförmig als Abströmkante des Strömungskörpers 68 zusammenläuft. Die jeweiligen Übergänge zwischen den konvexen und konkaven Abschnitten 72, 74, 76 verlaufen jeweils stetig differenzierbar, also ohne jegliche Querschnittssprünge. Würde entsprechend eine Kante der Außenwand 70 von der Anströmkante 64 zur Abströmkante 78 als Funktion aufgetragen, so wäre auch die Ableitung dieser Funktion eine stetige, sprungfreie Funktion.

Dieser Strömungskörper 68 des Durchflussbegrenzungselementes 36 ist sowohl in einer ersten Endposition als auch in einer zweiten Endposition mit seinem zweiten, konkaven Abschnitt 74 radial innerhalb des engsten Querschnitts der Venturidüse 60 angeordnet.

Entsprechend wird der Strömungskörper 68 bei geöffnetem vorgeschalteten Kraftstoffabsperrventil vollständig umströmt. In der in der Figur 2 dargestellten ersten Endposition ist der entstehende Durchströmungsquerschnitt zwischen der Innenwand 40 des

Strömungsgehäuses 32 und dem Strömungskörper 68 größer als in der in der Figur 3 dargestellten zweiten Endposition. Dies bedeutet, dass bei geschlossenem vorgeschalteten Kraftstoffabsperrventil 18 kein Druck aus dem Durchflussbegrenzungselement 36 wirkt, so dass dieses durch die Kraft der Feder 38 in seine erste Endposition gedrückt wird. Es strömt jedoch kein Kraftstoffdampf. Bei Öffnung des Kraftstoffabsperrventils 18 strömt Kraftstoffdampf zum Durchflussbegrenzungselement 36, wodurch eine Kraft in Schließrichtung auf das Durchflussbegrenzungselement 36 ausgeübt wird. Übersteigt dieser Druck einen eingestellten

Schwellendruck wird das Durchflussbegrenzungselement 36 in seine zweite Endposition verschoben, in der der Durchströmungsquerschnitt reduziert ist. Dies hat zur Folge, dass der Volumenstrom, der in Richtung zum Aktivkohlebehälter 24 strömen kann, reduziert wird, der Durchfluss also begrenzt wird. Der Schwellendruck ist somit abhängig von der Kraft der Feder, der Form und Größe der Anströmkante 64 sowie der Form des Strömungskörpers 68.

Durch die besondere Form der Innenwand 40 des Strömungsgehäuses 32 und des Strömungskörpers 68 mit dem den Strömungskörper 68 umgebenden zunächst kontinuierlich sich verringernden und in Strömungsrichtung sich dann allmählich wieder aufweitenden Spalt 80 sowie den angeschlossenen Diffusor 62 hinter der Venturidüse 60, in dem der Strom auf sein vorheriges Geschwindigkeitsniveau langsam wieder verzögert wird, bleibt der entstehende Druckverlust der Durchflussbegrenzungsvorrichtung 20 sehr gering. Es findet stattdessen zunächst eine druckverlustarme Beschleunigung des Kraftstoffdampfes statt, wodurch eine Niederdruckzone geschaffen wird, welche den Differenzdruck und damit die Kraft, die zum Verschieben des Durchflussbegrenzungselementes 36 von der ersten Endposition in die zweite Endposition erforderlich ist, erhöht. Der Schaltzeitpunkt kann somit zu niedrigeren Drücken verschoben werden, ohne die Robustheit des Systems zu ändern, also beispielsweise kleinere Federn verwenden zu müssen. Es wird entsprechend eine zusätzliche Auslegungsvariable geschaffen, wodurch die Auslegung des Schaltverhaltens noch präziser erfolgen kann und gegebenenfalls das Ventil kleiner gebaut werden kann, weil nicht mehr die Feder und die Größe der Staudruckfläche die einzigen Variablen sind. Durch den geringen Druckverlust kann bei aktiver Durchflussbegrenzungsvorrichtung die Pumpendrehzahl oder Größe einer angeschlossenen Pumpe reduziert werden. Auch nachfolgende Ventile werden somit zuverlässig vor Überlastung geschützt.

Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf dieses beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen in der Form des Strömungskörpers und dem Aufbau des umliegenden Gehäuses möglich sind. Auch kann die vorliegende Durchflussbegrenzungsvorrichtung unmittelbar in ein vorgeschaltetes Kraftstoffabsperrventil integriert werden. Zusätzlich kann eine derartige Durchflussbegrenzungsvorrichtung selbstverständlich auch für andere Anwendungen verwendet werden.