Druckregelventil mit Umlenkkappe

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, das beispielsweise in einem

Kraftstoffversorgungssystem eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt.

Hintergrund der Erfindung

In Fahrzeugen werden Druckregelventile beispielsweise dazu verwendet, einen Druck in einem Hochdruckbereich eines Common-Rail-Einspritzsystems auf einem bestimmten Niveau zu regeln. Ein derartiges Druckregelventil weist in der

Regel einen Aktuator in der Form eines Elektromagneten auf, der einen Ventilstift bzw. Druckstift in einer Ventilstiftbohrung bewegen kann und der ein

Ventilelement, wie etwa eine Ventilkugel, durch die Magnetkraft in einem

Ventilsitz hält, um das Druckregelventil zu schließen.

Ein Druckregelventil kann dabei eine axiale Eingangsöffnung und eine

Abströmöffnung aufweisen, durch die ein Fluid in das Druckregelventil eintreten und dieses wieder verlassen kann. Die Abströmöffnung kann dabei über den Ventilstiftraum mit der Eingangsöffnung verbunden sein, was zu einer relativ komplizierten Geometrie für die Verbindung zwischen Eingangsöffnung und

Abströmöffnung führen kann. Dies kann zu Verwirbelungen und zu

Reibungsverlusten in dem Fluid führen.

Zusammenfassung der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein flexibles, kostengünstiges bzw. verlustarmes Druckregelventil bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, das beispielsweise in das Gehäuse einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems verbaubar ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil ein Gehäuse mit einer Eingangsöffnung und einer Abströmöffnung; einen im

Gehäuse geführten Ventilstift; ein Ventilelement (beispielsweise eine Ventilkugel) an einem Ende des Ventilstifts, das dazu ausgeführt ist, einen Ventilsitz bei Bewegung des Ventilstifts zu verschließen, so dass ein Fluidstrom zwischen der Eingangsöffnung und der Abströmöffnung unterbrochen wird. Der Ventilstift ist in einen Ankerstift und eine Ventilnadel unterteilt, wobei der Ankerstift einen Hohlkanal und die Ventilnadel wenigstens einen Seitenkanal aufweist, so dass bei geöffnetem Druckregelventil der Fluidstrom von der Eingangsöffnung durch den Seitenkanal in den Hohlkanal und von dort in die Abströmöffnung geführt wird.

Der oder die Seitenkanäle können beispielsweise Längsnuten sein. Auf diese Weise kann die Abströmung des Fluids zum Niederdruckbereich axial an dem Ventilelement vorbei über Längsnuten erfolgen, die außen in die Ventilnadel eingebracht sind. Der Ankerstift kann kostengünstig als Rohr ausgeführt sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil einen Aktuator zum Bewegen des Ventilstifts, der dazu ausgeführt ist, auf den

Ankerstift eine Kraft auszuüben. Der Aktuator kann beispielsweise eine Spule bzw. ein Elektromagnet sein, die bzw. der den Ankerstift mittels eines

Ventilankers in Richtung des Ventilsitzes bewegen kann. Die Ventilnadel kann (beispielsweise über ein Zwischenelement oder eine Kappe auf dem Ankerstift) auf dem Ankerstift abgestützt sein und von diesem mit bewegt werden. Ist das Ventil offen, d.h. sitzt das Ventilelement (beispielsweise eine Ventilkugel) nicht auf dem Ventilsitz (beispielsweise eine kegelförmige Öffnung), kann Fluid, wie etwa Kraftstoff, zwischen der Eingangsöffnung und der Abströmöffnung strömen und ein Druck vor der Eingangsöffnung kann abgebaut werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilnadel einen größeren Durchmesser auf als der Ankerstift. Auf diese Weise kann eine axiale Fluidströmung durch den Seitenkanal ohne große seitliche Bewegung in eine axiale Fluidströmung im Hohlkanal überführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilnadel wenigstens drei axiale Seitenkanäle auf. Die Seitenkanäle bzw. Längsnuten können dabei symmetrisch zu einer Mittelachse der Ventilnadel angeordnet sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ankerstift in einem ersten Gehäuseteil und die Ventilnadel in einem zweiten Gehäuseteil geführt. Die beiden Gehäuseteile können dabei ineinandergesteckt sein. Beispielsweise kann das zweite Gehäuseteil das erste umgreifen. Auf diese Weise kann die Funktion der Führung der Ventilnadel sowie die Funktion des Ventilkörpers in einem einzigen Bauteil (dem zweiten Gehäuseteil) zusammengefasst werden.

Zwischen den beiden Gehäuseteilen kann eine Einstellscheibe zum Einstellen des Abstands der Ventilspitze vom Ventilsitz angeordnet sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil eine Umlenkkappe bzw. Ankerstiftkappe für den Fluidstrom, die zwischen dem Ankerstift und der Ventilnadel angeordnet ist. Die Umlenkkappe kann dabei die Abströmung des Fluids möglichst verlustfrei von außen (d.h. von den

Seitenkanälen) nach innen (d.h. zu dem Hohlkanal) führen. Gleichzeitig gewährleistet die Umlenkkappe die Übertragung der Axialkraft zwischen dem Ankerstift und der Ventilnadel.

Die Umlenkkappe kann als Schnittstelle zwischen Ankerstift und Ventilnadel einerseits eine Übertragung der Magnetkraft in axialer Richtung auf die

Ventilkugel ermöglichen. Anderseits kann die Umlenkkappe die

druckverlustminimierte axiale Niederdruckabströmung von den außen liegenden Seitenkanälen der Ventilnadel nach innen in die rohrförmige Ankernadel ermöglichen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Umlenkkappe am Ankerstift befestigt und an der Ventilnadel abgestützt. Die Umlenkkappe kann stirnseitig auf die Ankernadel aufgesetzt sein und/oder kann auf die Ventilnadel aufdrückt sein. Die Umlenkkappe kann einen tellerförmigen Vorsprung aufweisen, mit dem sie auf einer Stirnseite der Ventilnadel abgestützt ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Umlenkkappe mittels einer Nutverbindung an dem Ankerstift befestigt. Beispielsweise kann die

Umlenkkappe mit einer umlaufenden Nut am Ankerstift befestigt sein. Die Umlenkkappe und der Ankerstift können den gleichen Außendurchmesser aufweisen, so dass die Umlenkkappe zusammen mit dem Ankerstift im ersten Gehäuseteil geführt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Umlenkkappe eine ringförmige Außenwandung auf, deren Inneres von radialen Stegen in

wenigstens zwei Durchtrittsöffnungen unterteilt ist. Beispielsweise kann die Umlenkkappe fünf Stege und somit fünf Durchtrittsöffnungen aufweisen. Die Stege bzw. Durchtrittsöffnungen können symmetrisch zu einer Mittelachse der Umlenkkappe angeordnet sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Durchtrittsöffnungen schräg zu einer axialen Richtung. Auf diese Weise kann der axiale Strom durch den oder die Seitenkanäle der Ventilnadel in den axialen Strom im Hohlkanal umgelenkt werden. Dabei kann auf einer Eingangsseite in der Mitte ein

Vorsprung zwischen den Durchtrittsöffnungen vorgesehen werden, auf dem die Umlenkkappe abgestützt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Stege einen

tropfenförmigen Querschnitt in axialer Richtung auf. Auch dies kann

Reibungsverluste in der Fluidströmung vermindern.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Umlenkkappe mit einem zweiteiligen Presswerkzeug geformt. Beispielsweise kann die Umlenkkappe in MIM-Technik (MIM: Metal Injection Molding) gefertigt werden. Die Umlenkkappe kann so ausgeführt sein, dass sie mit lediglich zwei in Axialrichtung

verschiebbaren Werkzeugen entformbar ist.

Kurze Beschreibung der Figuren

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Fig. 2 vergrößert. Fig. 3A und 3B zeigen die Komponenten eines Ventilstifts für ein Druckregelventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in zwei perspektivischen Ansichten.

Fig. 4A zeigt einen Längsschnitt durch eine Umlenkkappe für ein Druckregelventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4B und 4C zeigen zwei perspektivische Schnittansichten der Umlenkkappe aus der Fig. 4A.

Fig. 5A zeigt eine Draufsicht auf die Umlenkkappe aus Fig. 4A.

Fig. 5B zeigt eine perspektivische Ansicht von oben auf die Umlenkkappe aus der Fig. 4A.

Fig. 6A zeigt eine Ansicht von unten auf die Umlenkkappe aus Fig. 4A.

Fig. 6B zeigt eine perspektivische Ansicht von unten auf die Umlenkkappe aus der Fig. 4A.

Fig. 7A und 7B zeigen Schnittansichten eines Segments der Umlenkkappe aus der Fig. 4A. Fig. 8A zeigt eine Seitenansicht eines Segments der Umlenkkappe aus der Fig. 4A.

Fig. 8B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Segments der Umlenkkappe aus der Fig. 4A.

Fig. 9A und 9B zeigen perspektivische Ansichten von Segmenten eines

Werkzeugs zur Herstellung der Umlenkkappe aus der Fig. 4A.

Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen

Bezugszeichen versehen.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil 10, das einen mehrteiligen Druckstift bzw. Ventilstift 12 umfasst, der mittels Magnetkraft gegen einen Ventilsitz 14 gedrückt werden kann, um ein Fließen eines Fluids (wie etwa Kraftstoff für ein Fahrzeug) von einer Eingangsöffnung 16 in eine Abströmöffnung 18 zu verhindern.

Der Ventilstift 12 weist einen ersten Ventilstiftteil 12a bzw. einen Ankerstift 12a und einen zweiten Ventilstiftteil 12b bzw. eine Ventilnadel 12b auf, die hintereinander in einem mehrteiligen Gehäuse 20 angeordnet sind, von diesem in einer axialen Richtung A geführt werden und in axialer Richtung A axial fluchten.

Der Ankerstift 12a ist in einem ersten Gehäuseteil 20a und die Ventilnadel 12b in einem zweiten Gehäuseteil 20b bzw. Ventilkörper 20b geführt, wobei der Ventilkörper 20a auf das erste Gehäuseteil 20a aufgesteckt ist.

In dem Gehäuseteil 20a ist ein Aktuator 22 in Form einer die Ankernadel 12a umschließenden Spule 22 angeordnet, die bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, das auf eine Ankerplatte 24 wirkt, die an einem Ende der Ankernadel 12a befestigt ist und im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung A der Ankernadel 12a angeordnet ist. Die Ankerplatte 24 ist in einer Öffnung 26 im Gehäuse 20 angeordnet, die von einem Ventildeckel 28 verschlossen ist, der in die Öffnung 26 eingefügt ist. Der Ventildeckel 28 stellt dabei die axiale Abströmöffnung 18 bereit, die der axialen Eingangsöffnung 16 gegenüberliegt. Weiter weist der Ventildeckel 28 eine elektrische Schnittstelle 32 auf, in der elektrische Kontakte 34, wie etwa

Steckerpins, zur Bestromung der Spule 22 angeordnet sind.

Der Ventilsitz 14 ist im Ventilkörper 20b beispielsweise in Form eines Kegelsitzes gebildet. Der Ventilsitz 14 befindet sich dabei in axialer Richtung A

gegenüberliegend einer Spitze 38 der Ventilnadel 12b, auf der sich eine

Ventilkugel 36 befindet. Die Eingangsöffnung 16, die in den Ventilsitz 14 mündet und durch den Ventilkörper 20b in axialer Richtung A verläuft, ist mit einem becherförmigen Filter 40 überdeckt, der an dem Ventilkörper 20b befestigt ist.

Das Druckregelventil 10 kann mittels des Ventilkörpers 20b in einem Railrohr 44 eines Common- Rail-Systems befestigt werden.

Zwischen dem ersten Gehäuseteil 20a und dem zweiten Gehäuseteil 20b bzw. dem Ventilkörper 20b ist eine Einstellscheibe 42 angeordnet, mit der der Abstand zwischen der Ventilspitze 38 und dem Ventilsitz 14 in axialer Richtung eingestellt werden kann.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Fig. 1 vergrößert.

Auf den Ankerstift 12a ist eine Umlenkkappe 46 aufgesteckt, die an einem Ende der Ventilnadel 12b abgesetzt ist.

Ist das Druckregelventil 10 nicht bestromt, drückt eine Ventilfeder 46 (siehe Fig. 1) die Ankerplatte 24 zusammen mit dem Ankerstift 12a in axialer Richtung A vom Ventilsitz 14 weg. Durch den Druck des Fluids in der Eingangsöffnung 16 werden auch die Ventilnadel 12b mit der Ventilkugel 36 in diese Richtung bewegt, so dass sie auf der Umlenkkappe 46 abgesetzt bleiben. Der Ventilstift 12 wie auch seine Komponenten, der Ankerstift 12a, die

Umlenkkappe 46 und die Ventilnadel 12b, dienen nicht nur zur Kraftübertragung, sondern auch zur Fluidleitung. Dazu ist der Ankerstift 12a hohl bzw. rohrförmig gebildet und weist in seinem Inneren einen Hohlkanal 47 auf. Die Ventilnadel 12b weist seitliche, axiale Kanäle 48 bzw. Rillen 48 auf. Die Umlenkkappe 46 ist dazu ausgeführt, einen Fluidstrom aus den Seitenkanälen 48 in den Hohlkanal 47 des Ankerstifts 12a umzuleiten.

Bei geöffnetem Druckregelventil 10 kann nun Fluid in einem im Wesentlichen axialen Fluidstrom 50 aus der Eingangsöffnung 16 an der Ventilkugel 36 vorbei durch die Seitenkanäle 48 strömen, wird dann von der Umlenkkappe 46 in den Hohlkanal 47 des Ankerstifts 12a umgelenkt, um dort in Richtung der

Abströmöffnung 18 zu strömen.

Wird das Druckregelventil 10 bestromt, wird die Ankerplatte 24 und der Ankerstift 12a in axialer Richtung A auf den Ventilsitz 14 zu bewegt, indem die Spule 22 die Ankerplatte 24 anzieht und somit eine Kraft auf den Ventilsitz 22 ausübt. Solange die von der Ventilkugel 38 auf den Ventilsitz 14 ausgeübte Kraft größer ist als die durch den Druck des Fluids in der Eingangsöffnung 16 verursachte Gegenkraft, bleibt das Ventil 10 geschlossen. Die Fig. 3A und 3B zeigen die Komponenten des Ventilstifts 12 in zwei perspektivischen Darstellungen. Die Ventilnadel 12b weist drei Seitenkanäle 48 auf, die in axialer Richtung A verlaufen. Jeder der Seitenkanäle 48 weist einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf. Im Bereich der Spitze 38 der Ventilnadel 12b weitet sich der Querschnitt der Seitenkanäle 48 derart auf, dass sie die Ventilkugel 46 berühren.

Die Umlenkkappe 46 ist mittels einer Nutverbindung 52 auf den Ankerstift 12a gesteckt. Die Umlenkkappe 46 und der Ankerstift 12a weisen den gleichen Außendurchmesser auf, der geringer ist als der Außendurchmesser der

Ventilnadel 12b.

In den Fig. 4A bis 5B ist die Umlenkkappe 46 in verschiedenen Ansichten gezeigt. Die Umlenkkappe 46 weist eine ringförmige Außenwandung 54 mit

Außendurchmesser Di (beispielsweise 5 mm) auf, deren oberes Ende (d.h. näher am Ankerstift 12a) einen großen Innendurchmesser D ₂ (beispielsweise 4 mm) und weiter innen einen kleineren Innendurchmesser D ₃ (beispielsweise 3 mm) aufweist, die dabei dem Außen- und Innendurchmesser des Ankerstifts 12 entsprechen. Der Durchmesser D ₂ mit Höhe h (beispielsweise 1 mm) ermöglicht die Zentrierung des Ankerstifts 12a zur Ventilnadel 12b. Am unteren Ende (d.h. näher an der Ventilnadel 12b) liegt ein zylindrischer Absatz 55 mit Durchmesser D (beispielsweise 2 mm). Die Höhen der Umlenkkappe 46 in Axialrichtung A sind hi (beispielsweise 2,8 mm), h ₂ (beispielsweise 0,4 mm), h ₃ (beispielsweise 0,4 mm), h (beispielsweise 1 mm) und h ₅ (beispielsweise 0,7 mm).

Das Innere der Umlenkkappe 46 ist von radialen Stegen 56 in fünf

Durchtrittsöffnungen 58 unterteilt. Bei dem Durchmesser D ₅ (beispielsweise 0,3 mm) laufen die fünf Stege 56 in Umfangsrichtung zusammen.

Zwischen den Stegen 56 sind die Durchtrittsöffnungen 58 für das Fluid gebildet, die schräg zu einer axialen Richtung A verlaufen. Mittels der beiden

Abströmwinkel αι (beispielsweise 30°) und ßi (beispielsweise 30°) wird das Fluid von radial außen nach radial innen geleitet.

Wie aus den Fig. 5A und 6A hervorgeht, stellt jede der Durchtrittsöffnungen 58 an der Eingangsseite eine erste Durchflussfläche 60 bzw. einen

Eintrittsquerschnitt 60 und an der Abströmseite eine zweite Durchflussfläche 62 bzw. einen Austrittsquerschnitt 62 bereit, die zur Vermeidung eines Druckgefälles möglichst gleich sind. Über die Radien Ri und R ₂ (beispielsweise 0,5 mm) erfolgt die Anbindung der Stege 56 an die äußere zylindrische Wandung 54 der Umlenkkappe 46. Die Verrundungsradien R ₃ sind beispielsweise zu 0,1 mm gewählt. Die Stege 58 stehen in einem Winkel γι νοη 72° zueinander.

Die Stegbreite Si (beispielsweise 50 μηι) an der Oberseite der Stege 58 ist zur Minimierung der Strömungsverluste entsprechend klein. Die fünf

Austrittsquerschnitte 62 ergeben beispielsweise insgesamt eine Gesamtfläche von 6,4 mm ² und entsprechen nahezu der Fläche von 7 mm ² beim

Innendurchmesser D ₃ , was zu einem minimalen Flächenunterschied zum

Innendurchmesser des Ankerstifts 12a führt. Die fünf Eintrittsquerschnitte 60 ergeben beispielsweise insgesamt eine Gesamtfläche von 11 mm ² . Die Fig. 7A bis 8B zeigen ein Segment aus der Umlenkkappe 46, das in der Fig. 5A mit dem Winkel 0 angedeutet ist. Die Fig. 7A und 7B zeigen damit einen Querschnitt durch einen Steg 58 entlang der Line A-A in Fig. 5A. Die Stege 56 weisen einen tropfenförmigen Querschnitt in axialer Richtung (A) auf mit einem Konuswinkel von beispielsweise sowie einen Radius mit R ₄

(beispielsweise 0,35 mm).

Die Fig. 9A und 9B zeigen ein Werkzeug für eine MIM -Technik. Durch die gewählte Form der Umlenkkappe 46 kann die Umlenkkappe 46 mit nur zwei axial verfahrbaren Werkzeughälften 60a, 60b entformt werden. Die untere

Werkzeughälfte 60a wird, wie durch die Pfeile angedeutet, nach unten und die obere Werkzeughälfte 60b nach oben entformt. Die Fig. 8B zeigt die

Werkzeugtrennflächen 62, die durch die Flächen 64 der unteren Werkzeughälfte 60a und durch die Flächen 66 der oberen Werkzeughälfte 60b gebildet werden.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener

Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den

Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.