DE102014220670A1

DE102014220670A1 - Elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil sowie Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil

Info

Publication number: DE102014220670A1
Application number: DE102014220670.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Imhof; Tobias Landenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe, umfassend einen Elektromagneten (1) zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker (2), der unmittelbar oder mittelbar über einen Stößel (3) mit einem in einer Axialbohrung (4) eines Magnetkerns (5) axial verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben (6) gekoppelt ist, wobei der Magnetkern (5) zumindest im Bereich einer Zulaufbohrung (7), die in die Axialbohrung (4) mündet, von einem Filterelement (8) umgeben ist. Erfindungsgemäß ist das Filterelement (8) in radialer Richtung am Magnetkern (5) abgestützt und besitzt einen nach radial außen vorspringenden Abschnitt, der einen Konus (9, 10) ausbildet, mittels dessen eine Zentrierung des Proportionalventils beim Einsetzen des Magnetkerns (5) in eine Aufnahmebohrung (11) eines Gehäuseteils (12) einer Kraftstoffhochdruckpumpe bewirkbar ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch bestätigbares Proportionalventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 017 495 A1 ist eine Zumesseinheit für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, bekannt, die ein Magnetventil umfasst. Das Magnetventil besitzt einen Magnetkern mit einer zentralen Bohrung, in der ein Ventilkolben hin und her bewegbar aufgenommen ist. Der Ventilkolben weist mantelseitig angeordnete Steuerschlitze auf, die in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens einen definierten Durchflussquerschnitt freigeben oder verschließen. Die axiale Lage des Ventilkolbens ist mittels eines Elektromagneten veränderbar, der hierzu mit einer Anker-Stößel-Einheit zusammenwirkt. Der Stößel dient der Kopplung des Ankers mit dem Ventilkolben und ist hierzu durch den Magnetkern geführt. Wird eine Magnetspule des Elektromagneten bestromt, bewegt sich der Anker in Richtung des Ventilkolbens. Dabei führt er den Stößel mit, der den Ventilkolben entgegen der Federkraft einer Feder, die an dem Ventilkolben abgestützt ist, axial verstellt. Die Verbindung der Zumesseinheit mit der Hochdruckpumpe erfolgt über den Magnetkern, indem dieser in eine Gehäusebohrung der Hochdruckpumpe in der Weise eingesetzt wird, dass die den Ventilkolben aufnehmende Bohrung innerhalb der Gehäusebohrung zu liegen kommt. Zur Abdichtung nach außen weist der Magnetkern zwei O-Ringe auf, von denen ein erster in radialer Richtung und ein zweiter in axialer Richtung abdichtet. Zur Abdichtung nach innen ist der Magnetkern von einem dritten O-Ring umgeben, der im Bereich der Verbindung des Magnetkerns mit der Magnetspule des Elektromagneten angeordnet ist.
Der Anbau einer solchen Zumesseinheit an eine Hochdruckpumpe erweist sich regelmäßig als problematisch. Denn in Ermangelung einer Zentriervorrichtung, die sicherstellt, dass der radial abdichtende O-Ring eine gleichmäßige Pressung erfährt, kann dieser beim Einsetzen des Magnetkerns in die Gehäusebohrung der Hochdruckpumpe leicht beschädigt werden. Bei der manuellen Montage besteht zudem die Gefahr der Partikelbildung durch den Kontakt des Magnetkerns mit dem Pumpengehäuse. In der Folge kann es zu einem hydraulischen Bypass kommen, so dass eine korrekte Zumessung nicht mehr gewährleistet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe anzugeben, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Proportionalventilen robuster ist. Insbesondere soll das Proportionalventil derart an eine Kraftstoffhochdruckpumpe anbaubar sein, dass eine über die Lebensdauer zuverlässige Abdichtung nach außen gegeben ist, um die Funktionsfähigkeit des Ventils zu erhalten.
Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge angegeben. Das vorgeschlagene Proportionalventil soll insbesondere als Zumesseinheit einsetzbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Das zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil umfasst einen Elektromagneten zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker, der unmittelbar oder mittelbar über einen Stößel mit einem in einer Axialbohrung eines Magnetkerns axial verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben gekoppelt ist. Der Magnetkern ist dabei zumindest im Bereich einer Zulaufbohrung, die in die Axialbohrung mündet, von einem Filterelement umgeben. Erfindungsgemäß ist das Filterelement in radialer Richtung am Magnetkern abgestützt und besitzt einen nach radial außen vorspringenden Abschnitt, der einen Konus ausbildet, mittels dessen eine Zentrierung des Proportionalventils beim Einsetzen des Magnetkerns in eine Aufnahmebohrung eines Gehäuseteils einer Kraftstoffhochdruckpumpe bewirkbar ist. Das Filterelement des vorgeschlagenen Proportionalventils besitzt demnach neben der Filterfunktion zusätzlich eine Zentrierfunktion. Über die Zentrierfunktion des Filterelements ist sichergestellt, dass beim Einsetzen des Magnetkerns in eine Aufnahmebohrung eines Gehäuseteils einer Kraftstoffhochdruckpumpe ein radial abdichtendes Dichtelement, beispielsweise in Form eines O-Rings, eine gleichmäßige Pressung erfährt. Die gleichmäßige Pressung verringert die Belastung des Dichtelements und gewährleistet eine sichere Abdichtung. Ferner verhindert der mittelbare Kontakt des Magnetkerns mit dem Pumpengehäuse über das Filterelement die Partikelbildung. Dies gilt insbesondere, wenn, wie bevorzugt der Fall, das Filterelement aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist.
Über die Zentrierfunktion des Filterelements kann somit der Ausbildung eines hydraulischen Bypasses entgegengewirkt werden, was sich wiederum günstig auf die Funktionalität des Proportionalventils auswirkt.
Die Ausbildung eines Konus im Bereich eines nach radial außen vorspringenden Abschnitts des Filterelements schließt nicht aus, dass das Filterelement in mindestens einem Abschnitt eine weitere konische Außenkontur besitzt.
Bevorzugt ist der nach radial außen vorspringende Abschnitt des Filterelements, der den Konus ausbildet, ein Endabschnitt des Filterelements. Der Konus ist weiterhin bevorzugt derart angeordnet, dass er von einer Stirnfläche des Filterelements begrenzt wird. Bei dem Endabschnitt kann es sich sowohl um den dem Anker zugewandten oder den dem Anker abgewandten Endabschnitt des Filterelements handeln.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem nach radial außen vorspringenden und den Konus ausbildenden Abschnitt um den dem Anker zugewandten Endabschnitt des Filterelements. Der Konus kann in diesem Fall derart ausgestaltet werden, dass er mit einer Fase der Aufnahmebohrung des Gehäuseteils zusammenwirkt. Eine solche Fase ist regelmäßig vorgesehen, so dass die Realisierung der Zentrierfunktion keine konstruktiven Änderungen am Gehäuseteil der Kraftstoffhochdruckpumpe erfordert.
Ergänzend kann das Filterelement im Bereich des anderen Endabschnitts, d. h. dem Anker abgewandten Endabschnitt, ebenfalls eine konische Außenkontur besitzen, um beispielsweise eine Einführschräge auszubilden, die das Einsetzen des Magnetkerns in eine Aufnahmebohrung eines Gehäuseteils einer Kraftstoffhochdruckpumpe erleichtert.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem nach radial außen vorspringenden und den Konus ausbildenden Abschnitt um den dem Anker abgewandten Endabschnitt des Filterelements. Der Konus kann in diesem Fall zugleich als Einführschräge dienen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Magnetkern einen über das Filterelement vorstehenden Endabschnitt besitzt, in dem eine Ringnut zur Aufnahme eines Dichtelements ausgebildet ist. Über ein in der Ringnut aufgenommenes Dichtelement ist eine radiale Abdichtung bewirkbar, wenn der Magnetkern derart in die Aufnahmebohrung eines Gehäuseteils einer Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt wird, dass das Dichtelement unter einer radialen Vorspannung an einer Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung anliegt. Hier kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen, da die Zentrierfunktion des Filterelements eine über den Umfang gleichmäßige radiale Vorspannung des Dichtelements sicherstellt.
Vorteilhafterweise besitzt der Konus einen Konuswinkel ≥ 45° bezogen auf eine Längsachse des Filterelements. Der Konuswinkel ist demzufolge eher flach gewählt. Ein flacher Konuswinkel wirkt sich günstig auf die Prozesssicherheit aus.
Die ferner für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagene Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst ein erfindungsgemäßes Proportionalventil sowie ein Gehäuseteil mit einer Aufnahmebohrung, in die der Magnetkern des Proportionalventils eingesetzt ist, so dass der Magnetkern mittelbar über das Filterelement im Bereich eines Konus an einer korrespondierend hierzu ausgebildeten Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung abgestützt ist. Die Abstützung des Magnetkerns über den Konus des Filterelements bewirkt eine Zentrierung des Proportionalventils in Bezug auf die Aufnahmebohrung. Dies wiederum stellt sicher, dass radial dichtende Dichtelemente im Bereich der Aufnahmebohrung einer über den Umfang gleichmäßigen Pressung unterliegen. Der Verschleiß der Dichtelemente kann auf diese Weise gemindert und die Zuverlässigkeit der Abdichtung erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ist die korrespondierend zum Konus des Filterelements ausgebildete Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung unmittelbar angrenzend an eine die Aufnahmebohrung begrenzende Stirnfläche ausgebildet. Bei der mit dem Konus zusammenwirkenden Innenumfangsfläche kann es sich insbesondere um eine Fase handeln, die in der Regel bereits aus fertigungstechnischen Gründen im Bereich der Aufnahmebohrung vorgesehen wird. Zur Realisierung der Zentrierfunktion bedarf es in diesem Fall keiner konstruktiven Änderungen am Gehäuseteil der Kraftstoffhochdruckpumpe, was sich kostensenkend auswirkt.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe ist die korrespondierend zum Konus des Filterelements ausgebildete Innenumfangsfläche im Bereich eines Durchmesserversprungs der Aufnahmebohrung ausgebildet. Die konisch verlaufende Innenumfangsfläche kann in diesem Fall zugleich als Einführschräge dienen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Aufnahmebohrung als Stufenbohrung ausgeführt ist und einen Abschnitt mit verringertem Innendurchmesser besitzt, in den vorzugsweise der das Dichtelement aufweisende Endabschnitt des Magnetkerns eingepresst ist. In dieser Ausgestaltung kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Proportionalventils besonders gut zum Tragen, da die Zentrierfunktion des Filterelements eine gleichmäßige Pressung des Dichtelements über den Umfang und damit eine sicherer Abdichtung gewährleistet.
Die Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung begrenzt vorzugsweise einen Ringraum, über den das Proportionalventil mit Kraftstoff versorgbar ist. Im Bereich dieses Ringraums kommt vorzugsweise auch das Filterelement bzw. die mindestens eine Zulaufbohrung des Proportionalventils zu liegen. Die den Ringraum begrenzende Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung kann dabei zumindest abschnittsweise konisch geformt sein, um den Ringraum zu vergrößern und auf diese Weise das Einsetzen des Magnetkerns in die Aufnahmebohrung zu erleichtern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, das an einer Kraftstoffhochdruckpumpe angebaut ist,
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei die Darstellung auf den Bereich des Filterelements beschränkt ist und
3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, wobei die Darstellung analog zur 2 auf den Bereich des Filterelements beschränkt ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Proportionalventil ist an eine Kraftstoffhochdruckpumpe angebaut. Die Kraftstoffhochdruckpumpe besitzt ein Gehäuseteil 12 mit einer Aufnahmebohrung 11, in welcher ein Magnetkern 5 des Proportionalventils eingesetzt ist. Der Magnetkern 5 weist eine Axialbohrung 4 auf, in der ein Ventilkolben 6 axial verschiebbar aufgenommen ist. Über eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens 6 sind radial verlaufende Zulaufbohrungen 7, die in die Axialbohrung 4 münden, freigebbar und verschließbar. Über die jeweilige axiale Lage des Ventilkolbens 6 wird demnach der Durchfluss durch das Ventil bestimmt.
Im Bereich der Zulaufbohrungen 7 ist der Magnetkern 5 von einem Filterelement 8 umgeben, das in radialer Richtung am Magnetkern 5 abgestützt ist und einen nach radial außen vorspringenden Abschnitt besitzt, der einen Konus 10 ausbildet. Im Bereich des Konus 10 liegt das Filterelement 8 an einer Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung 11 an, die korrespondierend zum Konus 10 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird über den Konus 10 eine Zentrierung des Proportionalventils und in der Folge eine über den Umfang gleichmäßige Pressung eines Dichtelements 17 bewirkt, das in einer Ringnut 16 eingelassen ist, welche in einem über das Filterelement 8 vorstehenden Endabschnitt 15 des Magnetkerns 5 ausgebildet ist.
Der Konus 10 ist an einem Endabschnitt des Filterelements 8 ausgebildet, der beim Einsetzen des Magnetkerns 5 in die Aufnahmebohrung 11 vorne zu liegen kommt. Das heißt, dass dieser Endabschnitt dem Dichtelement 17 am nächsten ist. Dies wirkt sich günstig auf die Zentrierfunktion des Filterelements 8 aus. Der Konus 10 ist derart angeordnet, dass er von einer Stirnfläche 14 des Filterelements 8 begrenzt wird.
Das Filterelement 8 kommt vollständig in einem Ringraum 19 innerhalb der Aufnahmebohrung 11 zu liegen, der als Kraftstoffzulauf dient. Das heißt, dass das Proportionalventil über den Ringraum 19 mit Kraftstoff versorgt wird. Ausgehend vom Ringraum 19 über die Zulaufbohrungen 7 gelangt der Kraftstoff bei geöffnetem Ventil in die Axialbohrung 4 des Magnetkerns 5. Um das Ventil zu öffnen oder zu schließen, ist ein Elektromagnet 1 vorgesehen, mittels dessen auf einen hubbeweglichen Anker 2 eingewirkt werden kann. Über einen Stößel 3 ist der Anker 2 mit dem axial verschiebbaren Ventilkolben 6 gekoppelt, so dass eine Hubbewegung des Ankers 2 eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens 6 bewirkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Proportionalventils ist schematisch in der 2 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 weist hier der Ringraum 19 einen im Wesentlichen gleichbleibenden Außendurchmesser auf. Im Übergang zu einer Stufe der Aufnahmebohrung 11 bildet die den Ringraum 19 begrenzende Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung 11 jedoch eine konische Innenkontur aus, die mit dem Konus 10 zentrierend zusammenwirkt. Dies wiederum gewährleistet, dass das in die Ringnut 16 eingesetzte Dichtelement 17 eine über den Umfang gleichmäßige Pressung erfährt.
Bei der Ausführungsform gemäß der 3 ist ein eine Zentrierung bewirkender Konus 9 an dem Endabschnitt des Filterelements 8 ausgebildet, der dem Anker 2 zugewandt ist. Der Konus 9 ist dabei derart angeordnet, dass er von einer Stirnfläche 13 des Filterelements 8 begrenzt wird. Der Konus 9 wirkt hier mit einer Fase des Gehäuseteils 12 zusammen, die im Bereich des Übergangs der Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung 11 in eine Stirnfläche 18 ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011017495 A1 [0002]

Claims

Elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe, umfassend einen Elektromagneten (1) zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker (2), der unmittelbar oder mittelbar über einen Stößel (3) mit einem in einer Axialbohrung (4) eines Magnetkerns (5) axial verschiebbar aufgenommenen Ventilkolben (6) gekoppelt ist, wobei der Magnetkern (5) zumindest im Bereich einer Zulaufbohrung (7), die in die Axialbohrung (4) mündet, von einem Filterelement (8) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (8) in radialer Richtung am Magnetkern (5) abgestützt ist und einen nach radial außen vorspringenden Abschnitt besitzt, der einen Konus (9, 10) ausbildet, mittels dessen eine Zentrierung des Proportionalventils beim Einsetzen des Magnetkerns (5) in eine Aufnahmebohrung (11) eines Gehäuseteils (12) einer Kraftstoffhochdruckpumpe bewirkbar ist.
Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nach radial außen vorspringende Abschnitt des Filterelements (8), der den Konus (9, 10) ausbildet, ein Endabschnitt ist, wobei vorzugsweise der Konus (9, 10) von einer Stirnfläche (13, 14) des Filterelements (8) begrenzt wird.
Proportionalventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (5) einen über das Filterelement (8) vorstehenden Endabschnitt (15) besitzt, in dem eine Ringnut (16) zur Aufnahme eines Dichtelements (17) ausgebildet ist.
Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konus (9, 10) einen Konuswinkel ≥ 45° bezogen auf eine Längsachse (A) des Filterelements (8) besitzt.
Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend ein Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie ein Gehäuseteil (12) mit einer Aufnahmebohrung (11), in die der Magnetkern (5) des Proportionalventils eingesetzt ist, so dass der Magnetkern (5) mittelbar über das Filterelement (8) im Bereich eines Konus (9, 10) an einer korrespondierend hierzu ausgebildeten Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung (11) abgestützt ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die korrespondierend zum Konus (9, 10) des Filterelements (8) ausgebildete Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung (11) unmittelbar angrenzend an eine die Aufnahmebohrung (11) begrenzende Stirnfläche (18) oder im Bereich eines Durchmesserversprungs ausgebildet ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebohrung (11) als Stufenbohrung ausgeführt ist und einen Abschnitt mit verringertem Innendurchmesser besitzt, in den vorzugsweise der das Dichtelement (17) aufweisende Endabschnitt (15) des Magnetkerns (5) eingepresst ist.
Kraftstoffhochdruckpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenumfangsfläche der Aufnahmebohrung (11) einen Ringraum (19) begrenzt, über den das Proportionalventil mit Kraftstoff versorgbar ist.