Titel

Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem und Kraftstoffeinspritzsystem mit Überströmventil

Die Erfindung betrifft ein Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem und ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Überströmventil, insbesondere ein Common-Rail- Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Kraftstoffeinspritzsysteme, insbesondere Common-Rail-Einspritzsysteme, weisen eine Hochdruckpumpe zur Druckerzeugung auf. Über eine in einem Niederdruckkreis angeordnete Vorförderpumpe wird die Hochdruckpumpe mit Kraftstoff versorgt. Die Regelung der auf Hochdruck zu fördernden Kraftstoffmenge erfolgt über eine im Niederdruckkreis angeordnete Zumesseinheit. Die Undichtigkeit der Zumesseinheit führt prinzipbedingt in Betriebspunkten mit Nullförderung zu einem unzulässigen Anstieg des Drucks in einem der Hochdruckpumpe nachgeschalteten Hochdruckspeicher (Rail), da die Leckagemenge auf Hochdruck gefördert wird. Um einen unzulässigen Anstieg des Raildrucks zu vermeiden, befindet sich im Niederdruckkreis eine Nullförderdrossel, über welche die Leckagemenge der Zumesseinheit abfließen kann. Zwischen der Vorförderpumpe und der Zumesseinheit ist ein Überströmventil angeordnet, das einen axial verschiebbaren Ventilkolben aufweist, über dessen axiale Verschiebung wenigstens eine Abströmöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Durch das Überströmventil kann von der Vorförderpumpe geförderter überschüssiger Kraftstoff gegenüber der von der Hochdruckpumpe zu fördernden Kraftstoffmenge abgesteuert werden.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsys- tem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, anzugeben, das einen Entfall der separaten Nullförderdrossel ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Überströmventil mit den Merkmalen des An- spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Das vorgeschlagene Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Vorförderpumpe, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Hochdruckpumpe zugeführt wird, ferner eine Zumesseinheit zur Regelung der über einen Zulauf wenigstens einem Pumpenelement der Hochdruckpumpe zuzuführenden Kraftstoffmenge sowie ein Überströmventil mit einem axial verschiebbaren Ventilkolben, über dessen axiale Verschiebung wenigstens eine Abströmöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Erfindungsgemäß ist im Ventilkolben ein axial verlaufender Strömungskanal mit einer Querschnittsverengung ausgebildet, wobei im Bereich der Querschnittsverengung eine im Wesentlichen radial verlaufende Bohrung in den Strömungskanal mündet, über welche der Strömungskanal mit dem Zulauf stromabwärts der Zumesseinheit hydraulisch verbindbar ist. Die in den Zulauf zur Hochdruckpumpe gelangende Leckagemenge der Zumesseinheit kann demnach über den im Ventilkolben des Überströmventils ausgebildeten Strömungskanal abfließen. Die Querschnittsverengung des Strömungskanals unterstützt dabei nach Art einer Venturi-Düse den Abfluss der Leckagemenge, da in der in den Strömungskanal mündenden Bohrung ein Unterdruck bewirkt wird, welcher ein Ansaugen der Leckagemenge bewirkt. Im Startfall dagegen, reduziert sich die Leckagemenge, welche über die Bohrung und den Strömungskanal abfließt, da die Hochdruckpumpe zu fördern beginnt. Indem das Abfließen der Leckagemenge der Zumesseinheit bei Nullförderbetrieb über das Überströmventil sichergestellt ist, kann auf die Ausbildung einer separaten Nullförderdrossel verzichtet werden. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des Kraftstoffeinspritzsystems und die Kosten können gesenkt werden. Als zusätzliche Maßnahme ist lediglich ein im Ventilkolben des Überströmventils ausgebilde- ter Strömungskanal mit einer Querschnittsverengung und einer Querbohrung im

Bereich der Querschnittsverengung zu versehen und der Strömungskanal über die Querbohrung an den Zulauf der Hochdruckpumpe anzuschließen. Aufgrund der Querschnittsverengung des Strömungskanals nach Art einer Venturi-Düse ist ein Abfließen der Leckagemenge der Zumesseinheit bei Nullförderung sichergestellt.

Zur Ausbildung der Querschnittsverengung kann der Strömungskanal zwei gegenläufig konusförmige Abschnitte aufweisen, die mit ihren kleineren Durchmessern direkt oder über einen zwischenliegenden zylinderförmigen Abschnitt anei- nandergesetzt sind. Alternativ kann die Innenkontur des Strömungskanals auch sphärisch ausgebildet sein, wobei sich die Innenkontur vorzugsweise konvex nach innen wölbt. Der Radius der sphärisch ausgebildeten Innenkontur kann in Strömungsrichtung vor und hinter der Querschnittsverengung unterschiedlich gewählt sein. Gleiches gilt in Bezug auf den jeweiligen Konuswinkel, sofern die Querschnittsverengung mittels zweier gegenläufig konusförmiger Abschnitte ausgebildet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilkolben mehrteilig ausgebildet und umfasst wenigstens ein hülsenförmiges Bauteil zur Ausbildung des Strömungskanals. Das hülsenförmige Bauteil kann vor dem Fü- gen der Teile des Ventilkolbens getrennt bearbeitet werden, was die Ausbildung des Strömungskanals erleichtert. Dadurch werden der Fertigungsaufwand sowie die Herstellungskosten weiter reduziert.

Vorzugsweise ist das hülsenförmige Bauteil zur Ausbildung des Strömungskanals in eine zentrale Bohrung des Ventilkolbens eingepresst. Auf diese Weise wird eine kraftschlüssige Verbindung der Teile des Ventilkolbens erreicht. Die zentrale Bohrung zur Aufnahme des hülsenförmigen Bauteils kann beispielsweise in einem weiteren hülsenförmigen Bauteil ausgebildet sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die zentrale Bohrung zumindest teilweise als Strömungskanal ausgebildet und als Durchgangsbohrung ausgeführt. Die Durchgangsbohrung wird vorzugsweise dauerhaft von Kraftstoff durchströmt und ermöglicht somit eine konstante Schmierung und/oder Kühlung der Hochdruckpumpe. Der den Ventilkolben durchströmende Kraftstoff wird über eine Abströmöffnung einem Rücklauf zugeführt. Vorzugsweise ist hierzu die Abströmöffnung unabhängig von der jeweiligen axialen Lage des Ventilkolbens dauerhaft freigegeben, so dass ein kontinuierliches Abfließen gewährleistet ist. Eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens und demzufolge das vollständige Öffnen des Überströmventils wird erst bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdrucks bewirkt (einstufige Ausführung des Überströmventils). Sofern keine konstante Schmierung und/oder Kühlung erwünscht ist, kann das Überströmventil auch als zweistufiges Ventil ausgeführt sein. Die Freigabe der Abströmöffnung zur Rückführung der Schmier- und/oder Kühlmenge (erste Stufe) setzt dann eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens voraus. Mit fortschreitender axialer Verschiebung des Ventilkolbens erfolgt die Freigabe wenigstens einer weiteren Abströmöffnung (zweite Stufe).

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die zentrale Bohrung des Ventilkolbens zumindest teilweise als Strömungskanal ausgebildet und als Sacklochbohrung ausgeführt. Die Sacklochbohrung ist vorzugsweise über eine Querbohrung mit wenigstens einer Abströmöffnung hydraulisch verbindbar. Dabei kann über die Querbohrung eine dauerhafte oder, in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens, eine zeitweise hydraulische Verbindung hergestellt werden, so dass ein ein- oder zweistufiges Konzept realisierbar ist.

Sofern der Ventilkolben einteilig ausgebildet ist, kann die zentrale Bohrung selbst als Strömungskanal dienen. Wie zuvor beschrieben kann die zentrale Bohrung bzw. der Strömungskanal als Durchgangsbohrung oder Sacklochbohrung ausgebildet sein. Ferner sind einstufige, als auch zweistufige Ventile realisierbar.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Ventilkolben in einem Gehäuseteil aufgenommen ist, das wenigstens eine im Wesentlichen radial verlaufende Bohrung besitzt. Die im Wesentlichen radial verlaufende Bohrung ist bevorzugt derart im Gehäuseteil angeordnet, dass sie, ggf. in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens, eine hydraulische Verbindung des Strömungskanals mit einem Zu- oder Rücklauf ermöglicht. Das Gehäuseteil kann beispielsweise hülsenförmig ausgebildet und in eine Bohrung des Gehäuses der Hochdruckpumpe einsetzbar sein. Alternativ kann auch das Gehäuse der Hochdruckpumpe das Gehäuseteil bilden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient die wenigstens eine im Wesentlichen radial verlaufende Bohrung als Abströmöffnung, über wel- che der Strömungskanal des Ventilkolbens mit einem Rücklauf hydraulisch verbindbar ist. Die hydraulische Verbindung kann eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens erfordern, um die Abströmöffnung freizugeben. Die hydraulische Verbindung kann aber auch dauerhaft bestehen, um beispielsweise eine konstante Schmierung und/oder Kühlung der Hochdruckpumpe zu gewährleisten. Die Ausführung als zweistufiges Ventil erfordert die Ausbildung von wenigstens zwei im Wesentlichen radial verlaufenden Bohrungen, über welche Kraftstoff abströmen kann. Darüber hinaus kann wenigstens eine weitere im Wesentlichen radial verlaufende Bohrung ausgebildet sein, welche mit der im Wesentlichen radial verlaufenden Bohrung des Ventilkolbens hydraulisch verbindbar ist, um die Leckagemenge der Zumesseinheit zunächst dem Strömungskanal und über den Strömungskanal einem Rücklauf zuzuführen.

Um die hydraulische Verbindung einer im Wesentlichen radial verlaufender Bohrungen des Gehäuseteils mit einer entsprechenden Bohrung des Ventilkolbens zu erleichtern, ist vorzugsweise am Ventilkolben und/oder im Gehäuseteil eine Umfangsnut zur Ausbildung eines Ringraums zwischen dem Ventilkolben und dem Gehäuseteil ausgebildet. Die hydraulische Verbindung der Bohrungen ist somit unabhängig von der Rotationslage des Ventilkolbens gegenüber dem Gehäuseteil. Alternativ oder ergänzend kann auch am hülsenförmigen Bauteil eines zweiteilig ausgeführten Ventilkolbens eine Umfangsnut ausgebildet sein.

Weiterhin bevorzugt wird der Ventilkolben in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Während das Öffnen des Überströmventils allein über den hydraulischen Druck bewirkt wird, erfolgt die Rückstellung des Ventilkolbens in seine Ausgangslage über die Federkraft eine Feder. Die Feder ist hierzu vorzugsweise einerseits am Ventilkolben, andererseits -zumindest mittelbar- am Gehäuseteil abgestützt, das den Ventilkolben umgibt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem Überströmventil, Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Überströmventil der Fig. 1 , welcher den Ventilkolben in einer Ansicht zeigt,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch den Ventilkolben des Überströmventils der

Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem alternativen erfindungsgemäßen Niederdruckkreis und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch das Überströmventil der Fig. 4, welcher ein hülsenförmiges Bauteil des Ventilkolbens in einer Schnittansicht zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Fig. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Niederdruckkreis. Bestandteile des Niederdruckkreises sind eine Vorförderpumpe 1 , welche Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 2 ansaugt und einer Hochdruckpumpe 3 zuführt, eine zwischen der Vorförderpumpe 1 und der Hochdruckpumpe 3 angeordnete Zumesseinheit 4 zur Mengenregelung sowie ein Überströmventil 7, dessen Aufgabe es ist, den Druck vor der Zumesseinheit 4 möglichst konstant zu halten. Übersteigt der Druck einen bestimmten Grenzdruck, öffnet das Überströmventil 7, so dass Kraftstoff über einen Rücklauf 17 abfließen kann. Zuvor wurde der Kraftstoff bereits als Schmier- und/oder Kühlmittel durch den Niederdruckbereich der Hochdruckpumpe geführt. Um eine konstante Schmierung und/oder Kühlung zu ermöglichen, weist das dargestellte Überströmventil eine weitere Anbindung an einen Rücklauf 17 auf, über welchen Kraftstoff kontinuierlich abfließen kann. Vorzugsweise erfolgt das Abfließen gedrosselt.

Die über die Zumesseinheit zugemessene Menge Kraftstoff wird über einen Zulauf 5 wenigstens einem Pumpenelement 6 der Hochdruckpumpe 3 zugeführt. Vorliegend sind zwei Pumpenelemente 6 dargestellt. In den Pumpenelementen 6 der Hochdruckpumpe 3 wird der Kraftstoff auf Hochdruck gefördert und anschließend einem Hochdruckspeicher 22 zugeführt. Der Hochdruckspeicher 22 weist mehrere Anschlüsse 23 für Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) auf, mittels wel- eher der Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) einspritzbar ist.

Die Komponenten Vorförderpumpe 1 , Zumesseinheit 4 und Überströmventil 7 können in die Hochdruckpumpe 3 integriert bzw. hieran angebaut sein. Ein gemeinsames Gehäuse 24 ist schematisch über die Punkt-Strich-Punkt Linie angedeutet.

Fig. 2 zeigt das Überströmventil 7 des Niederdruckkreises der Fig. 1. Es umfasst ein Gehäuseteil 15, mit welchem es in einer Bohrung (nicht dargestellt) des Gehäuses 24 der Hochdruckpumpe 3 eingesetzt ist. Im Gehäuseteil 15 ist ein axial verschiebbarer Ventilkolben 8 aufgenommen, in welchem ein durchgehender Strömungskanal 10 ausgebildet ist (siehe Fig. 3). Der Strömungskanal 10 weist eine sphärisch geformte Innenkontur auf, so dass eine Querschnittsveren- gung 1 1 nach Art einer Venturi-Düse ausgebildet wird. Im Bereich der Querschnittsverengung 1 1 ist zudem eine radial verlaufende Bohrung 12 durch den Ventilkolben 8 geführt, welche den Strömungskanal 10 mit einem Ringraum 19 verbindet, der zwischen dem Gehäuseteil 15 und dem Ventilkolben 8 ausgebildet ist. Der Ringraum 19 wird durch eine im Gehäuseteil 15 vorgesehene Umfangs- nut 18 gebildet. Eine weitere Umfangsnut 18 ist ferner außenumfangseitig am

Ventilkolben 8 vorgesehen, welche ebenfalls mit dem Ringraum 19 kommuniziert. Eine im Gehäuseteil 15 ausgebildete radial verlaufende Bohrung 16 mündet in den Ringraum 19 und steht ferner in hydraulischer Verbindung mit dem Zulauf 5 der Hochdruckpumpe 3. Die in den Zulauf 5 gelangende Leckagemenge der Zumesseinheit 4 kann demnach über die Bohrung 16, den Ringraum 19, die

Bohrung 12 sowie den Strömungskanal 10 einer Abströmöffnung 9 und hierüber einem Rücklauf 17 zugeführt werden. Die Abströmöffnung 9 ist ebenfalls als radial verlaufende Bohrung im Gehäuseteil 15 ausgeführt. Aufgrund der hydraulischen Verbindung des Strömungskanals 10 mit dem Zulauf 5 der Hochdruck- pumpe 3 ist eine separat ausgebildete Nullförderdrossel entbehrlich.

Vorteilhafterweise ist der Strömungskanal 10 nach Art einer Venturi-Düse ausgebildet, das heißt, dass er eine Querschnittsverengung 11 aufweist. Im Bereich der Querschnittsverengung 11 mündet die Bohrung 12 in den Strömungska- nal 10. Wird nun der Strömungskanal 10 von Kraftstoff durchströmt hat dies zur

Folge, dass in der Bohrung 12 ein Unterdruck entsteht, welcher das Abfließen der Leckagemenge unterstützt. Die Leckagemenge wird zusammen mit dem Kraftstoff einer Abströmöffnung 9 und hierüber einem Rücklauf 17 zugeführt. Die Abströmöffnung 9 steht dauerhaft in hydraulischer Verbindung mit dem Strömungskanal 10, so dass kontinuierlich Kraftstoff den Ventilkolben 8 durchströmt. Dadurch ist eine konstante Schmierung und/oder Kühlung der Hochdruckpumpe 3 gewährleistet.

Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überströmventils 7 für einen Niederdruckkreis ist in der Fig. 5 dargestellt. Im Unterschied zum Ventil der Fig. 2 und 3 ist der Ventilkolben 8 vorliegend zweiteilig ausgeführt. Der Strömungskanal 10 wird durch ein hülsenförmiges Bauteil 13 ausgebildet, das in eine zentrale Bohrung 14 des Ventilkolbens 8 eingepresst ist. Die zentrale Bohrung 14 ist als Sacklochbohrung ausgeführt, so dass der Ventilkolben 8 nicht kontinuierlich von einer Schmier- und/oder Kühlmenge durchströmt wird. Um den An- schluss des Strömungskanals 10 an eine Abström Öffnung 9 zu ermöglichen, bedarf es einer axialen Verschiebung des Ventilkolbens 8 (erste Stufe). Ein fortschreitende axiale Verschiebung des Ventilkolbens 8 bewirkt dann die Freigabe wenigstens einer weiteren Abströmöffnung 9 und damit das vollständige Öffnen des Überströmventils 7 (zweite Stufe). Im Unterschied zum Ventil der Fig. 2 und 3 ist demnach das Überströmventil der Fig. 5 als zweistufiges Ventil ausgeführt.

Neben den als Abströmöffnungen 9 dienenden radial verlaufenden Bohrungen 9 im Gehäuseteil 15 ist wenigstens eine weitere radial verlaufende Bohrung 16 im Gehäuseteil 15 ausgebildet, welche als Zulauf dient bzw. mit dem Zulauf 5 der Hochdruckpumpe 3 hydraulisch in Verbindung steht. Die Bohrung 16 ist mit der radialen Bohrung 12 des Ventilkolbens 8 hydraulisch verbindbar, welche im Bereich der Querschnittsverengung 1 1 in den Strömungskanal 10 mündet. Aufgrund der zweiteiligen Ausführung des Ventilkolbens 8 ist auch die Bohrung 12 zweiteilig ausgeführt. Um die hydraulische Verbindung beider Teile der Bohrung 12 si- cherzustellen, weist das hülsenförmige Bauteil 13 außenumfangseitig eine Um- fangsnut 18 zur Ausbildung eines Ringraums 19 auf. Eine hydraulische Verbindung der Bohrung 12 mit der Bohrung 16 setzt jedoch zunächst eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens 8 voraus. Die axiale Verschiebung des Ventilkolbens 8 wird in Öffnungsrichtung des Ventils über den hydraulischen Druck p bewirkt (siehe Pfeil in Fig. 5). In Schließrichtung wird der Ventilkolben 8 von der Federkraft einer Feder 20 beaufschlagt, welche einerseits am Ventilkolben 8, andererseits an einem Verschlussstopfen 21 abgestützt ist, der in das Gehäuseteil 15 eingepresst ist. Die Feder 20 bewirkt somit die Rückstellung des Ventilkolbens 8.

Die Darstellung der Fig. 4 zeigt das Überströmventil 7 der Fig. 5 als Bestandteil eines Kraftstoffeinspitzsystems bzw. eines Niederdruckkreises eines Kraftstoffeinspritzsystems. Dieses unterscheidet sich von dem der Fig. 1 lediglich dadurch, dass das Überströmventil 7 als zweistufiges Ventil ausgeführt ist.