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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Saugventil sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochdruckpumpe.
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Stand der Technik
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Eine Hochdruckpumpe mit einem elektromagnetisch ansteuerbaren Saugventil geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 041 031 A1 hervor. Die Hochdruckpumpe umfasst ein Pumpengehäuse und einen Pumpenzylinder, der von einem Zylinderkopf unter Bildung eines Arbeitsraums abgedeckt ist. In dem Pumpenzylinder ist ein auf und ab beweglicher Pumpenkolben aufgenommen. Der Arbeitsraum ist über ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil und eine Niederdruckpumpe mit einem Kraftstofftank verschaltet und über ein Rückschlagventil mit einem Hochdruckspeicher verbindbar. Zur Funktions- und Kostenoptimierung ist das Saugventil im Arbeitsraum angeordnet. Das Saugventil umfasst ein kugelförmiges Schließelement und einen am Schließelement anliegenden Betätigungsbolzen, der an seinem dem Schließelement abgewandten Ende mit einem Anker verbunden ist. Bei Bestromung einer Magnetspule eines Elektromagneten werden der Anker und der Betätigungsbolzen in Richtung des Arbeitsraums bewegt, wobei der Betätigungsbolzen das Schließelement aus seinem Sitz drückt. Das Saugventil öffnet und der Arbeitraum wird mit Kraftstoff befüllt. Bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule wird das kugelförmige Schließelement über die Federkraft einer im Arbeitraum angeordneten Feder zurück in den Sitz gedrückt. Das Ventil schließt. Das Saugventil ist demnach als stromlos geschlossenes Ventil ausgebildet.
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Elektromagnetisch ansteuerbare Saugventile der vorstehend genannten Art erfordern zum vollständigen Öffnen große Schaltwege und/oder hohe Schaltkräfte. Entsprechend hoch ist der Energiebedarf des zur Betätigung vorgesehenen Elektromagneten. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe anzugeben, das einen reduzierten Energiebedarf besitzt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner werden eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Saugventil sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochdruckpumpe vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, vorgeschlagene elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil umfasst eine Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden hubbeweglichen Anker zur Betätigung eines mit dem Anker koppelbaren Ventilsschließelements, das in Schließrichtung unmittelbar oder mittelbar von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß ist das Ventilschließelement ein in einem Ventilkörper hubbeweglich aufgenommener Ventilstößel. Ferner erfindungsgemäß ist ein Anschlag zur Begrenzung des Hubes des Ankers in Öffnungsrichtung und zur Entkopplung des Ventilstößels vom Anker vorgesehen, so dass auf den Ventilstößel wirkende hydraulische Kräfte das vollständige Öffnen des Saugventils in der Saugphase der Hochdruckpumpe bewirken.
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Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil vollzieht sich das Öffnen in mehreren Phasen. In einer ersten Phase wird ein erstes Anheben des Ventilstößels mittels der Magnetspule und des Ankers bewirkt. Hierzu wird die Magnetspule bestromt, so dass der Anker in Richtung der Magnetspule gezogen wird. In dieser Phase sind der Anker und der Ventilstößel gekoppelt, so dass der Anker den Ventilstößel mitführt. Mit Anschlagen des Ankers am Anschlag wird von der ersten Phase in eine zweite Phase umgeschaltet. In der zweiten Phase ist die Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel aufgehoben und der Ventilstößel führt einen Freihub aus, der durch die am Ventilstößel anliegenden hydraulischen Kräfte bewirkt wird. Denn nach dem ersten Anheben hat der Ventilstößel eine Lage erreicht, in der eine Drosselung des zulaufenden Kraftstoffs im Bereich eines Ventilsitzes des Saugventils erzielt wird. Dies führt zur Ausbildung einer Druckstufe, welche wiederum zur Folge hat, dass die in Öffnungsrichtung auf den Ventilstößel wirkenden hydraulischen Kräfte größer als die in Schließrichtung auf den Ventilstößel wirkenden hydraulischen Kräfte sind. In der zweiten Phase kann demnach die Bestromung der Magnetspule beendet werden, so dass der Energiebedarf des Saugventils verringert wird.
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Bevorzugt wird die Kopplung des Ventilstößels mit dem Anker mechanisch über am Ventilstößel und am Anker ausgebildete Anschlagflächen bewirkt. Über die Anschlagflächen wird demnach eine Mitnehmerfunktion realisiert. Der Anker und der Ventilstößel sind hierzu bevorzugt koaxial zueinander angeordnet und weisen jeweils eine radial verlaufende Fläche als Anschlagfläche auf. Vorzugsweise durchsetzt der Ventilstößel den Anker und weist im Bereich eines Durchmesserversprungs einen radial verlaufenden ringförmigen Absatz auf. Die Anschlagfläche am Anker kann über eine Stirnfläche oder einen radial verlaufenden ringförmigen Absatz einer den Ventilstößel aufnehmenden Bohrung ausgebildet sein.
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Weiterhin bevorzugt besitzt der Ventilstößel einen Führungsdurchmesser, der im Wesentlichen gleich groß wie ein Sitzdurchmesser eines Ventilsitzes ist, so dass der Ventilstößel in Schließstellung des Ventils im Wesentlichen kraftausgeglichen ist. Zum Öffnen des Ventils muss dann lediglich die Federkraft der den Ventilstößel in Schließrichtung beaufschlagenden Feder überwunden werden, so dass die über den Elektromagneten bewirkte Schaltkraft reduziert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Anker als Flachanker ausgebildet und auf einer dem Ventilkörper abgewandten Seite der Magnetspule angeordnet. Beim Öffnen des Ventils bewegen sich somit der Anker und der Ventilstößel in die gleiche Richtung, so dass eine Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel zur Realisierung einer Mitnehmerfunktion in einfacher Weise umsetzbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Stirnfläche eines die Magnetspule umgebenden Magnetkerns oder eine auf der Stirnfläche des Magnetkerns abgestützte Restluftspaltscheibe den Anschlag ausbildet, der den Ankerhub beim Öffnen des Ventils begrenzt. Es bedarf demnach keiner separaten Anschlagausbildung. Sofern eine Restluftspaltscheibe als Anschlag vorgesehen ist, wird durch diese ferner ein magnetisches Kleben des Ankers am Magnetkern verhindert.
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Die den Ventilstößel in Schließrichtung beaufschlagende Feder ist vorzugsweise einerseits unmittelbar oder mittelbar über einen Federteller am Ventilstößel und andererseits am Anker abgestützt. Um die Rückstellung des Ankers bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule sicherzustellen, wird ergänzend vorgeschlagen, dass auch der Anker in Schließrichtung des Ventils von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, deren Federkraft vorzugsweise größer als die Federkraft der den Ventilstößel in Schließrichtung beaufschlagenden Feder ist. Die Ausgestaltung mit zwei Federn weist den Vorteil auf, dass die Lage des Ankers immer definiert ist.
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Alternativ kann die den Ventilstößel in Schließrichtung beaufschlagende Feder einerseits unmittelbar oder mittelbar über einen Federteller am Ventilstößel und andererseits unmittelbar oder mittelbar über eine Platte an einem Gehäuseteil abgestützt sein. Auf diese Weise entfällt eine Abstützung der Schließfeder am Anker, so dass auch eine den Anker in Schließrichtung belastende weitere Feder entfallen kann.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Anker in Öffnungsrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, deren Federkraft vorzugsweise kleiner als die Federkraft der Feder gewählt ist, die den Ventilstößel in Schließrichtung beaufschlagt. Andernfalls würde die in Öffnungsrichtung auf den Anker wirkende weitere Feder – aufgrund der Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel – das Saugventil dauerhaft offen halten. Die den Anker in Öffnungsrichtung beaufschlagende Feder unterstützt den Ankerhub bei einer Bestromung der Magnetspule, so dass die erforderliche Schaltkraft weiter reduziert wird.
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Die darüber hinaus angegebene Hochdruckpumpe weist ein erfindungsgemäßes Saugventil zur Verbindung eines Pumpenarbeitsraums der Hochdruckpumpe mit einem Kraftstoffzulauf auf, wobei der Ventilkörper des Saugventils in eine Gehäusebohrung der Hochdruckpumpe eingesetzt ist. Vorzugsweise bildet die Gehäusebohrung zugleich den Pumpenarbeitsraum aus, so dass der Ventilkörper den Pumpenarbeitsraum in axialer Richtung begrenzt und das Saugventil in den Pumpenarbeitsraum öffnet. Auf diese Weise kann ein sich im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe im Pumpenarbeitsraum einstellender Druckanstieg als hydraulische Schließkraft genutzt werden.
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Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochdruckpumpe vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird das Öffnen des Saugventils im Saugbetrieb der Hochdruckpumpe in einer ersten Phase elektromagnetisch und in einer zweiten Phase hydraulisch bewirkt wird. In der zweiten Phase kann demnach die Bestromung der Magnetspule beendet werden, so dass der Energiebedarf gesenkt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird in der ersten Phase die Magnetspule des Saugventils bestromt, so dass der Anker in Richtung der Magnetspule gezogen wird, wobei der Anker den Ventilstößel mitführt. Mit Anschlagen des Ankers am Anschlag wird von der ersten Phase in die zweite Phase umgeschaltet, in der die Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel aufgehoben ist und das vollständige Öffnen des Saugventils über auf den Ventilstößel wirkende hydraulische Kräfte bewirkt wird. Der Ventilstößel führt demnach in der zweiten Phase einen Freihub, d. h. eine Hubbewegung relativ zum Anker, aus, so dass das vollständige Öffnen des Saugventils sichergestellt ist. Dies setzt jedoch voraus, dass der Ventilstößel vom Anker entkoppelt ist. Die Kopplung wird daher nur in der ersten Phase bewirkt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Saugventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 ein Diagramm zur Darstellung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Saugventils,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Saugventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
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4 einen vergrößerten Ausschnitt der 3 und
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5 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Saugventil gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte, in eine Gehäusebohrung 18 einer Hochdruckpumpe eingesetzte Saugventil 1 weist einen plattenförmigen Ventilkörper 5 mit einer Axialbohrung auf, in welcher ein Ventilstößel 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Der Ventilkörper 5 begrenzt einen in der Gehäusebohrung 18 ausgebildeten Pumpenarbeitsraum 16 der Hochdruckpumpe, so dass das Saugventil 1 unmittelbar in den Pumpenarbeitsraum 16 öffnet.
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Im Saugbetrieb der Hochdruckpumpe ist das Saugventil 1 geöffnet und eine Verbindung des Pumpenarbeitsraums 16 mit einem Kraftstoffzulauf 17 hergestellt, so dass dem Pumpenarbeitsraum 16 über das Saugventil 1 Kraftstoff zugeführt wird. Im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe wird der dem Pumpenarbeitsraum 16 zugeführte Kraftstoff verdichtet und über ein in einer Hochdruckbohrung 19 angeordnetes Hochdruckventil (nicht dargestellt) einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt. Im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe ist das Saugventil 1 geschlossen und dichtet den Pumpenarbeitsraum 16 gegenüber dem Kraftstoffzulauf 17 ab.
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In Schließrichtung wird der Ventilstößel 4 von der Federkraft einer Feder 6 beaufschlagt, die daher nachfolgend als Schließfeder 6 bezeichnet wird. Die Schließfeder 6 ist einerseits an einem mit dem Ventilstößel 4 verbundenen Federteller 12 und andererseits an einem hubbeweglichen Anker 3 abgestützt, der von dem Ventilstößel 4 durchsetzt wird und mit einer Magnetspule 2 in der Weise zusammenwirkt, dass bei Bestromung der Magnetspule 2 der Anker 3 in Richtung der Spule 2 gezogen wird. Über Anschlagflächen A1 und A2 am Anker 3 und am Ventilstößel 4 wird eine Kopplung des Ankers 3 mit dem Ventilstößel 4 bewirkt, so dass der Anker 3 den Ventilstößel 4 mitführt. Der Ventilstößel 4 wird dabei aus einem im Ventilkörper 5 ausgebildeten Ventilsitz 8 gehoben.
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Der Hub h des Ankers 3 wird durch einen Anschlag 7 begrenzt, der vorliegend durch eine Restluftspaltscheibe 11 ausgebildet wird, die an einer Stirnfläche 9 eines die Magnetspule 2 umgebenden Magnetkerns 10 anliegt. Mit Anschlagen des Ankers 3 am Anschlag 7 wird eine Entkopplung des Ventilstößels 4 vom Anker 3 bewirkt. Aufgrund der am Ventilstößel 4 anliegenden hydraulischen Kräfte, die in Öffnungsrichtung größer als in Schließrichtung sind und auch die Schließkraft der Schließfeder 6 zu überwinden vermögen, führt der Ventilstößel 4 einen den Hub h des Ankers 3 übersteigenden Freihub aus, der zum vollständigen Öffnen des Saugventils 1 führt. Denn mit Anschlagen des Ankers 3 hat der Ventilstößel 4 eine Lage erreicht, welche zur Ausbildung einer Druckstufe im Bereich des Ventilsitzes 8 führt.
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Das Öffnen des Saugventils 1 vollzieht sich demnach in zwei Phasen. In der ersten Phase wird das Öffnen – aufgrund der Kopplung des Ankers 3 mit dem Ventilstößel 4 – elektromagnetisch und in der zweiten Phase hydraulisch bewirkt. In der zweiten Phase ist der Ventilstößel 4 vom Anker 3 entkoppelt, um den Freihub ausführen zu können. Lediglich ein Vorhub des Ventilstößels 4 wird demnach elektromagnetisch bewirkt.
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Indem ein Führungsdurchmesser DF des Ventilstößels 4 gleich dem Sitzdurchmesser DS des Ventilsitzes 8 gewählt ist, ist der Ventilstößel 4 in Schließstellung des Saugventils 1 weitgehend kraftausgeglichen. Dies hat zur Folge, dass die in der ersten Phase zum Öffnen erforderliche Schaltkraft reduziert ist. Das vollständige Öffnen des Saugventils 1 kann demnach mit geringem Schalthub und geringer Schaltkraft bewirkt werden.
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Wird zum Schließen des Saugventils 1 die Bestromung der Magnetspule 2 beendet, wird der Anker 3 über die Federkraft einer weiteren Feder 15 in seine Ausgangslage zurückgestellt. Die weitere Feder 15 ist hierzu einerseits am Anker 3 und andererseits am Ventilkörper 5 abgestützt. Um die Rückstellung des Ankers 3 entgegen der Federkraft der Schließfeder 6 zu ermöglichen, ist die Federkraft der weiteren Feder 15 größer als die der Schließfeder 6 gewählt. Die Rückstellung des Ventilstößels 4 in den Ventilsitz 8 wird wiederum hydraulisch über den Druckanstieg im Pumpenarbeitsraum 16 mit Umschalten der Hochdruckpumpe vom Saugbetrieb in den Förderbetrieb bewirkt.
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Das Diagramm der 2 zeigt die Phasen der elektromagnetischen Ansteuerung (Kurve a) des Saugventils 1 in Bezug zum Hub eines Nockens einer Antriebswelle der Hochdruckpumpe (Kurve b) und zum Hub des Ventilstößels 4 (Kurve c). Die elektromagnetische Ansteuerung, d h. die Bestromung der Magnetspule 2, erfolgt lediglich zu Beginn des Öffnungshubs des Ventilstößels 4, da nach einem elektromagnetisch bewirkten Vorhub des Ventilstößels 4 das vollständige Öffnen hydraulisch bewirkt wird. Neben einer Reduzierung des Schalthubes und der Schaltkraft (bei kraftausgeglichenem Ventilstößel 4) wird demzufolge auch die Dauer der Bestromung der Magnetspule 2 reduziert. Die Folge ist eine deutliche Senkung des Energiebedarfs des Saugventils 1.
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In der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Saugventils 1 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der 1 dadurch, dass nur eine Feder 6 vorgesehen ist, deren Federkraft den Ventilstößel 4 in Schließrichtung beaufschlagt. Die Feder 6 ist hierzu einerseits an einem mit dem Ventilstößel 4 verbundenen Federteller 12 und andererseits an einer Platte 13 abgestützt, die fest mit einem Gehäuseteil 14 der Hochdruckpumpe verbunden ist. Die Platte 13 ist hierzu in einer Ringnut 20 des Gehäuseteils 14 eingelassen. Der Anker 3 ist somit nicht federbelastet. Wird die Magnetspule 2 bestromt, bewegt sich der Anker 3 nach unten, d. h. in Richtung der Magnetspule 2. Eine am Anker 3 ausgebildete Anschlagfläche A2 liegt dabei an einer Anschlagfläche A1 des Ventilstößels 4 an, welche über einen ringförmigen Absatz im Bereich eines Durchmesserversprungs des Ventilstößels 4 ausgebildet wird (siehe 4). Denn an den Führungsdurchmesser DF schließt sich ein Abschnitt mit verringertem Durchmesser an. Der Führungsdurchmesser DF ist vorzugsweise wiederum gleich dem Sitzdurchmesser DS des Ventilsitzes 8 gewählt, so dass der Ventilstößel 4 in Schließstellung des Saugventils 1 kraftausgeglichen ist.
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Eine Abwandlung der Ausführungsform der 3 ist in der 5 dargestellt. Ergänzend zur Feder 6 ist eine Feder 15' vorgesehen, deren Federkraft den Anker 3 in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Hierzu ist die Feder 15' einerseits am Anker 3 und andererseits an der Platte 13 abgestützt. Die Feder 15' unterstützt den Anker 3 bei Ausführung seines Hubes h, so dass die erforderliche Schaltkraft weiter reduziert wird. Ferner wird der Anker 3 über die Federkraft der Feder 15' in Anlage mit dem Anschlag 7 gehalten, so dass die Ankerlage definiert ist. Die Feder 15' kann daher auch als Haltefeder bezeichnet werden. Um eine Rückstellung des Ankers 3 über den Schließhub des Ventilstößels 4 beim Schließen des Saugventils 1 zu ermöglichen, ist die Federkraft der Haltefeder 15' kleiner als die der Feder 6 gewählt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041031 A1 [0002]
