Titel: Überströmventil, insbesondere zur Verwendung in einem

Kraftstoffeinspritzsystem, Hochdruckpumpe sowie Kraftstoffeinspritzsystem Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überströmventil, insbesondere zur

Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem, eine Hochdruckpumpe, insbesondere zur Erzeugung eines Kraftstoffeinspritzdrucks, sowie ein

Kraftstoffeinspritzsystem, wobei dessen Überströmventil eine in einem mit Zulauf- und Rücklaufanschluss versehenen Ventilgehäuse längs gegen die Kraft mindestens einer Ventilfeder verschiebbar angeordnete Kolbeneinheit aufweist, gemäß der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik Die DE 10 2009 027 146 AI offenbart eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem saugseitigen Niederdruckbereich, in dem ein Überströmventil angeordnet ist, welches ein in einem Pumpengehäuse befestigtes Ventilgehäuse mit einem Einlass, einem oder mehreren Auslässen, eine Kolbeneinheit als Ventilelement und eine Ventilfeder aufweist. Das im Ventilgehäuse untergebrachte

Ventilelement ist in Axialrichtung parallel zur Längsachse des Überströmventils verschiebbar und wird durch die zugeordnete Ventilfeder in einer das Ventil schließenden Ausgangsposition gehalten. Strömt Kraftstoff stirnseitig auf das federrückgestellte Ventilelement ein, so verschiebt sich dieses entsprechend, bis durch fortschreitende Axialverschiebung der seitliche Auslassquerschnitt freigegeben wird. Die Federsteifigkeit der Ventilfeder sowie die Kolbenfläche des

Überströmventils bestimmen dabei den vom Überströmventil erzeugten

Pumpenzulaufdruck.

Bei derartigen Überströmventilen des Standes der Technik kann durch eine Leckage in der dynamischen Abdichtung zwischen Ventilelement und Ventilgehäuse ungewollt Kraftstoff in den rückwärtigen Federraum gelangen. Ein mit Kraftstoff befüllter Federraum würde ein Einfedern des Ventilelements erschweren und im Extremfall blockieren. Um den Federraum zu entleeren, ist bereits versucht worden, diesen über eine Drosselbohrung mit dem Rücklauf zu verbinden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die hieraus ausströmende Drosselmenge in entgegengesetzter Richtung wieder in den Federraum zurückfließen kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem der gattungsgemäßen Art mit einem Überströmventil auszustatten, welches ein Einfedern des Ventilelements zuverlässig gewährleistet.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Überströmventil, einer

Hochdruckpumpe, und einem Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen hinsichtlich des Überströmventils wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Federraum eines Überströmventils mit Mitteln zum Entfernen dort eindringenden Kraftstoffs verbunden ist, um im Federraum eine Gasblase zu erzeugen oder zu bewahren.

Mit anderen Worten wird ein Überströmventil mit technischen Mitteln ergänzt, welche ein zuverlässiges Abführen von durch Leckage der dynamischen Abdichtung in den Federraum eingedrungenen Kraftstoffs gewährleisten. Dies kann beispielsweise durch Abpumpen oder Absaugen des eingedrungenen Kraftstoffs umgesetzt werden. Hierdurch wird eine verbesserte Dämpfung durch Gasblasenbildung im Federraum erzielt. Durch die Gasblase im Federraum wird das Ansprechverhalten des Feder-Kolben-Systems verbessert und dieses kann mehr Hub aufnehmen, was zu der verbesserten Dämpfung führt. Die

Einstellparameter des Rückschlagventils lassen sich in Folge dessen besser steuern und die Pulsation des Hydrauliksystems zur Befüllung der

Hochdruckpumpe wird kompensiert. Durch die verringerte Pulsation entsteht auch weniger Kavitation im Pumpenzulaufkreis. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Entfernen von in den Federraum eindringenden Kraftstoffs ein Rückschlagventil, welches einlassseitig mit dem Federraum verbunden ist, um in Durchlassrichtung den Kraftstoff zur Rücklaufleitung hin abzuführen. In der umgekehrten

Sperrrichtung wird ein Rückfließen von durch eine Pumpwirkung abgeführten Kraftstoff in den Federraum verhindert. Hierdurch kann sich im Federraum durch das Ausgasen des hierin eindringenden und wieder abgeführten Kraftstoffs die gewünschte Gasblase bilden bzw. erhalten werden.

In einer ersten Variante der Kraftstoffentleerung des Federraums mittels

Rückschlagventil wird vorgeschlagen, dieses in oder an der Kolbeneinheit anzuordnen. Der aus dem Federraum hierüber abgeführte Kraftstoff gelangt dann über eine Durchgangsbohrung der Kolbeneinheit in Richtung des

Rücklaufanschlusses. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass der abzuführende Kraftstoff auf kurzem Wege dem Rücklaufanschluss des

Überströmventils zugeführt werden kann.

Gemäß einer zweiten Variante wird vorgeschlagen, das Rückschlagventil im bodenseitigen Gehäusestopfen zu integrieren oder im Ventilgehäuse, also an nicht beweglichen Teilen des Überströmventils. Der aus dem Federraum hierüber abgeführte Kraftstoff wird dann wiederum der Rücklaufleitung zugeführt. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die mit der Integration des

Rückschlagventils verbundene zusätzliche Masse nicht die Dynamik des

Überströmventils beeinträchtigt. Dies schafft die Voraussetzung dafür, besonders leichte Kolbeneinheiten einzusetzen und auf Ventilfedern mit einer geringeren Federsteifigkeit zurückgreifen zu können. Je geringer die Federsteifigkeit der Rückstellfeder ist, desto besser lässt sich die Pulsation des Hydraulikkreises kompensieren. Eine Rückstellfeder mit einer Federsteifigkeit von nur 3N/mm bis 4N/mm sind so bei einem gattungsgemäßen Kraftstoffe inspritzsystem machbar.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Rückschlagventil selbst den bodenseitigen Gehäusestopfen des Ventilgehäuses bildet. Durch diese Funktionsintegration sind separate Bauteile entbehrlich. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, ein vorgefertigtes Rückschlagventil in eine Grundbohrung eines herkömmlichen Gehäusestopfens einzusetzen, in welchen zusätzlich vorzugsweise quer verlaufende Abflusskanäle eingebracht werden müssten.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird

vorgeschlagen, dass die Kolbeneinheit topfförmig ausgebildet ist, wobei der Innenraum der topfförmigen Kolbeneinheit zur Führung der Ventilfeder genutzt werden kann. Ein derartiger topfförmiger Kolben ist bauformbedingt besonders leicht, wodurch eine Ventilfeder mit geringerer Federrate eingesetzt werden kann. Zusätzlich ist es denkbar, die Kolbeneinheit aus einem

Leichtmetallmaterial, vorzugsweise Aluminium, herzustellen. Eine zumindest mantelflächenseitige Gleitbeschichtung, beispielsweise eine eloxierte Oberfläche, erhöht die Verschleißbeständigkeit und wirkt sich reibungsminimierend gegenüber der Innenoberfläche des Ventilgehäuses als Dichtungspartner aus.

Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird

vorgeschlagen, dass die Kolbeneinheit eine außenradial umlaufende

Leckagefangnut aufweist. Die axiale Ausdehnung der Leckagefangnut außen an der Kolbeneinheit sowie deren Positionierung relativ zum Rücklaufanschluss seitens des Ventilgehäuses sind dabei auf die abzuführende

Kolbenleckagemenge abzustimmen, derart, dass vorzugsweise bei jeder

Kolbenstellung eine Verbindung der Leckagefangnut zum Rücklaufanschluss gewährleistet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Mittel zum Entfernen von in den Federraum

eindringenden Kraftstoffs mit einer Venturidüse umgesetzt werden. Die

Venturidüse saugt vorzugsweise über eine Querbohrung an der Engstelle des Düsenkörpers den Federraum hinsichtlich des hierin eingedrungenen Kraftstoffs ab. Die Venturidüse wird dabei von hindurchlaufenden Kraftstoff des

Pumpenzulaufdruckkreises angetrieben. Hierdurch wird also ein aktives

Absaugen des Federraums realisiert. Die Venturidüse fungiert gleichzeitig als eine Art Bypass-Kühldrossel, wodurch eine Druckregelung im

Pumpenzulaufdruckkreis möglich ist. Der hierdurch erzeugte separate

Kühlvolumenstrom steigert die Robustheit des Systems. Es ist denkbar, die Venturidüse in den Gehäusestopfen des Ventilgehäuses zu integrieren, was jedoch bauraumbedingte Grenzen hinsichtlich der machbaren Saugleistung nach sich zieht. Vorzugsweise wird daher vorgeschlagen, die Venturidüse in ein Venturi-Gehäuse des Gehäusestopfens zu integrieren, das sich schaftförmig koaxial längs des Federraums erstreckt und einstückig mit dem Gehäusestopfen ausgeführt sein kann oder hiermit gekoppelt. Es wird also der Federraum als Bauraum zur Unterbringung der Venturidüse genutzt. Um

Bauteiltoleranzen zu kompensieren, wird vorgeschlagen, dass das Venturi- Gehäuse seitens des proximalen Endes über eine Gelenkverbindung, vorzugsweise Kugelgelenkverbindung, mit dem Gehäusestopfen gekoppelt ist. Hierüber lassen sich Rechtwinkligkeitsabweichungen ausgleichen.

Koaxialitätsabweichungen lassen sich bei dieser Bauform dadurch ausgleichen, dass das Venturi-Gehäuse seitens des distalen Endes über eine Gleitbuchse seitens der Kolbeneinheit geführt ist, die an der Kolbeneinheit unter

Gewährleistung eines Radialspiels für das Venturi-Gehäuse zur Anlage kommt. Hierdurch ragt das distale Ende des Venturi-Gehäuses aus dem Ventilgehäuse hinaus und kann zum Betrieb der Venturidüse an den Zulaufanschluss mit angeschlossen werden. Das gegenüberliegende Ende des Venturi-Gehäuses bildet den Abfluss der Venturidüse, welcher durch Kanäle innerhalb des

Gehäusestopfens mit dem Rücklaufanschluss gekoppelt ist.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit Hochdruckpumpe,

Figur 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Überströmventil gemäß einer ersten Ausführungsform mit in der Kolbeneinheit integriertem

Rückschlagventil, Figur 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Überströmventil gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem in einem Gehäusestopfen integriertem Rückschlagventil,

Figur 4 eine Detailansicht des Überströmventils nach Art von Figur 3 mit einem im Gehäusestopfen integriertem Rückschlagventil,

Figur 5 eine Detailansicht des Überströmventils nach Art von Figur 3 mit einem Rückschlagventil als Gehäusestopfen,

Figur 6 einen teilweise Längsschnitt durch ein Überströmventil im Bereich der Kolbeneinheit, umfassend eine Leckagefangnut, und

Figur 7 einen schematischen Längsschnitt durch ein Überströmventil einer zweiten Ausführungsform mit integrierter Venturidüse.

Das Kraftstoffeinspritzsystem nach Figur 1 fördert über einen Filter 1 aus einem Kraftstofftank 2 mittels einer Kraftstoffförderpumpe 3 über eine Kraftstoffleitung 4 Kraftstoff zu einer Hochdruckpumpe 5, die hier als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist.

Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst weiterhin eine Zumesseinheit 6 und einen Hochdruckspeicher 7, der auch als Rail bezeichnet wird, welcher wiederum mit hier nicht weiter dargestellten Einspritzventilen verbunden ist, die den Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzen.

Die Zumesseinheit 6 dient dazu, den Zufluss an Kraftstoff von der

Kraftstoffförderpumpe 3 zu der Hochdruckpumpe 5 bedarfsabhängig variabel einzustellen. In der Zuleitung von der Kraftstoffförderpumpe 3 zu der

Zumesseinheit 6 ist ein Überströmventil 8 angeordnet, das dazu dient, von der Kraftstoffförderpumpe 3 zu viel geförderten Kraftstoff, welcher bei ganz oder teilweise geschlossener Zumesseinheit 6 nicht zur Hochdruckpumpe 5 gelangen kann, abzusteuern und über die Rücklaufleitung 9 in den Kraftstofftank 2 zurückzuführen. Die Kraftstoffförderpumpe 3, die Zumesseinheit 6 und das Überströmventil 8 sind einem Niederkreislauf des Kraftstoffeinspritzsystems zugeordnet. Die Hochdruckpumpe 5 und der Hochdruckspeicher 7 sind dagegen einem Hochdruckkreislauf zugeordnet.

Das Überströmventil 8 umfasst ein mit Zulaufanschluss 11 und Rücklauf- anschluss 12 versehenes Ventilgehäuse 10, in dem eine längs verschiebbar angeordnete Kolbeneinheit 13 untergebracht ist, die als Ventilelement mit dem Rücklaufanschluss 12 zusammenwirkt. Die Kolbeneinheit 13 ist rückwärtig von einer in einem Federraum 15 des Ventilgehäuses 10 untergebrachten Ventilfeder 14 zur Erzeugung des Schaltdrucks beaufschlagt.

Das in Figur 2 detailliert dargestellte Überströmventil 8' einer ersten

Ausführungsform besteht aus einer in dem Ventilgehäuse 10 untergebrachten Kolbeneinheit 13, in welcher ein Rückschlagventil 16a eingesetzt ist, das einlassseitig mit dem Federraum 15 in Verbindung steht und in Durchlassrichtung den Kraftstoff aus dem Federraum 15 zum Rücklaufanschluss 12 hin abführt, welcher mit der - hier nicht weiter gezeigten - Rücklaufleitung verbunden ist. Dabei gelangt der Kraftstoff vom Rückschlagventil 16a aus über eine

Durchgangsbohrung 17 der Kolbeneinheit 13 an den Rücklaufanschluss 12. Die in Federraum 15 untergebrachte Ventilfeder 14 stützt sich einerseits koaxial an der Kolbeneinheit 13 ab und andererseits an einem zum Ventilgehäuse 10 gehörigen Gehäusestopfen 18, der bodenseitig in das Ventilgehäuse 10 eingepresst ist.

Gemäß der in der Figur 3 dargestellten Variante ist das Rückschlagventil 16b im bodenseitigen Gehäusestopfen 18 angeordnet und nicht seitens der

Kolbeneinheit 13. Der über das Rückschlagventil 16b aus dem Federraum 15 abgeführte Kraftstoff gelangt durch eine - hier nicht weiter dargestellte - Bypassleitung zur Rücklaufleitung 9.

Bei der in Figur 4 dargestellten Variante des mit einem Rückschlagventil 16c ausgebildeten Gehäusestopfens 18 ist dieser im topfförmigen Gehäusestopfen 18 integriert und besteht aus einem Rückschlagventilgehäuse 19, einem

Verschlusskörper 20 sowie einer hierauf einwirkenden Ventilfeder 21. Über in dem Rückschlagventilgehäuse 19 angeordnete Querbohrungen 22 wird der Kraftstoff Richtung Rücklaufleitung 9 abgeführt.

Bei der Variante nach Figur 5 bildet das Rückschlagventil 16d selbst den Gehäusestopfen 18. Eine Grundbohrung im Gehäusestopfen 18 dient gleichzeitig als Rückschlagventilgehäuse und ist über eine Schraubhülse 23 verschlossen, welche den Zufluss zum Rückschlagventil 16d bildet. Die an sich bekannte Ventilmechanik ist ebenfalls innerhalb der besagten Grundbohrung des

Rückschlagventils 16d in üblicher Weise angeordnet.

Gemäß Figur 6 kann die Kolbeneinheit 13' topfförmig ausgebildet sein. Der Innenraum 24 der topfförmigen Kolbeneinheit 13' dient dabei der Führung der Ventilfeder 14. An dieser leichtbauenden topfförmigen Kolbeneinheit 13' ist außenradial eine umlaufende Leckagefangnut 25 ausgebildet. Die Kolbeneinheit 13' besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminium und ist zumindest mantelflächenseitig eloxiert, um die Gleitreibung gegenüber dem Ventilgehäuse 10 zu minimieren sowie den hiermit in Verbindung stehenden Verschleiß zu reduzieren. Es bietet sich an, diese Kolbeneinheit 13' in Verbindung mit einem gehäuseseitig integrierten Rückschlagventil zu nutzen.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 7 zeichnet sich durch eine im

Überströmventil 8"' integrierte Venturidüse 26 aus. Die Venturidüse 26 entfernt aktiv den in den Federraum 15 eindringenden Kraftstoff. Hierfür strömt ein kontinuierlicher Volumenstrom an Kraftstoff aus dem Zulauf 11 durch die

Venturidüse 26 hindurch in Richtung Rücklaufleitung 9 und erzeugt dabei einen

Druckabfall gemäß Bernoulli-Gesetz im Bereich der Engstelle 28, so dass es in der hiervon abzweigenden Querbohrung 27 zu einer Saugwirkung kommt. Die Querbohrung 27 ist zur Absaugung von Kraftstoff an den Federraum 15 des Überströmventils 8"' angebunden, so dass ein entsprechend kontinuierliches Evakuieren des Federraums 15 erzielt wird.

Die Venturidüse 26 ist in einem sich längs und koaxial des Federraums 15 erstreckenden Venturi-Gehäuse 29 integriert. Das Venturi-Gehäuse 29 ist über einen Gehäusestopfen 18 gegenüber dem Ventilgehäuse 10 fixiert. Der

Gehäusestopfen 18 ist bodenseitig in den Federraum 15 eingepresst. Um die während der axialen Bewegung der Kolbeneinheit 13 relativ zum Ventilgehäuse 10 fertigungstoleranzbedingt auftretenden Bauteilpositionsabweichungen hinsichtlich der Koaxialität und Rechtwinkligkeit auszugleichen, sind hier besondere Maßnahmen getroffen. Die Rechtwinkligkeitsabweichung bezüglich der Längsachse des Venturi-Gehäuses 29 wird über eine Gelenkverbindung 30 zwischen dem proximalen Ende des Venturi-Gehäuses 29 und dem

Gehäusestopfen 18 kompensiert. Das proximale Ende des Venturi-Gehäuses 29 ist dasjenige Ende, welches dem Gehäusestopfen 18 zugewandt ist und hieran dichtend zu Anlage kommt. Die Koaxialitätsabweichung wird hingegen durch eine seitens des diesem proximalen Ende gegenüberliegenden distalen Endes des Venturi-Gehäuses 29 kompensiert. Die hierfür vorgesehene Gleitbuchse 31 ist mit einer engen Führung entlang der Mantelfläche des Venturi-Gehäuses 29 ausgestattet und besitzt einen radialen Freiheitsgrad auf der inneren Stirnfläche des napfförmigen Kolbenelements 13. Dieser radiale Freiheitsgrad wird durch eine großzügige Spielpassung bezüglich der Durchdringung des Venturi- Gehäuses 29 durch das Kolbenelement 13 ermöglicht. Eine im Federraum 15 um das Venturi-Gehäuse 29 herum angeordnete und in Axialrichtung wirkende Ventilfeder 14 stützt sich seitens des distalen Endes an der Gleitbuchse 31 ab, wodurch beim Komprimieren der Ventilfeder 14 eine axiale Dichtkraft im

Kontaktbereich zwischen der Gleitbuchse 31 und dem Kolbenelement 13 erzeugt wird, so dass trotz des radialen Freiheitsgrads eine Abdichtung vor

eindringendem Kraftstoff aus dem Zulauf 11 in den Federraum 15 entsteht.

Somit strömt der die Venturidüse 26 antreibende Kraftstoff ausgehend vom Zulaufanschluss 11 über die Engstelle 28 der Venturidüse 26 und die

Gelenkverbindung 30 in den Gehäusestopfen 18 und von der hierin

eingebrachten Kanalführung über den Rücklaufanschluss 12 im Ventilgehäuse 10 zur Rücklaufleitung 9 des Kraftstoffförderkreislaufs.

Im Rahmen der Überströmventilfunktion wirkt die längs entgegen der

Kraftventilfeder 14 verschiebbar angeordnete Kolbeneinheit 13 gemäß des von Kraftstoff über den Zulaufanschluss 11 ausgeübten Drucks als Ventilelement mit dem Rücklaufanschluss 12' zusammen, welcher ebenfalls mit der

Rücklaufleitung 9 verbunden ist. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So können die Zumesseinheit 6 und das Überströmventil 8 auch als Teil der Hochdruckpumpe ausgeführt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, ein Rückschlagventil direkt im Ventilgehäuse 10 zu integrieren oder die Venturidüse 26 des letzten Ausführungsbeispiels bodennah quer durch das Ventilgehäuse 10 anzuordnen, sofern der Kolbenhub hierdurch nicht beeinträchtigt wird. Ebenfalls ist es denkbar, die Venturidüse 26 des letzten Ausführungsbeispiels auch in den Gehäusestopfen 18 fest einzupressen, falls eng realisierbare

Fertigungstoleranzen dies zulassen. Ferner kann zur Vereinfachung der Montage das Venturi-Gehäuse 29 in eine korrespondierende Ausnehmung des

Gehäusestopfens 18 auch eingeclipst werden. Genauso kann auch die

Gleitbuchse 31 die zugeordnete Kolbeneinheit 13 eingeclipst werden, um die Montage zu vereinfachen.