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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares 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 für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem solchen Saugventil.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 220 593 A1 ist ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems bekannt, das ein in einer Axialbohrung eines Ventilkörpers hubbeweglich aufgenommenes Ventilschließelement umfasst, das in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Ferner umfasst das bekannte Saugventil eine Magnetbaugruppe mit einer Magnetspule zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker, der mit dem Ventilschließelement koppelbar ist. Zwei Endlagen des Ankers sind durch Hubanschläge festgelegt, die durch einen die Magnetspule aufnehmenden Magnettopf und einen mit dem Magnettopf verbundenen Magnetdeckel ausgebildet werden. Der Magnettopf und der Magnetdeckel definieren damit den Ankerbewegungsraum. In Richtung des durch den Magnettopf ausgebildeten unteren Hubanschlags wird der Anker von der Federkraft einer Feder beaufschlagt, die der Rückstellung des Ankers nach Beendigung der Bestromung der Magnetspule dient. Mit Erreichen des unteren Hubanschlags schlägt der Anker am Magnettopf an, so dass die jeweiligen Anschlagflächen stark verschleißbehaftet sind. Das Anschlagen führt zudem zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung.
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Ausgehend von dem vorstehend genanntem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe anzugeben, das weniger verschleißbehaftet ist und demzufolge eine höhere Lebensdauer besitzt. Ferner soll die Geräuschentwicklung im Betrieb des Saugventils minimiert werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Saugventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Saugventil 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 betätigbare Saugventil umfasst einen Elektromagneten zur Einwirkung auf einen zwischen zwei Endlagen hubbeweglichen Anker, der zum Öffnen des Saugventils mit einem hubbeweglichen Ventilschließelement mechanisch koppelbar ist. Der Anker ist in Richtung der ersten Endlage, die er bei unbestromtem Elektromagneten einnimmt, von der Federkraft einer Rückstellfeder beaufschlagt. Erfindungsgemäß ist der Anker in Richtung der zweiten Endlage, die er bei bestromtem Elektromagneten einnimmt, von der Federkraft einer Dämpferfeder beaufschlagt, deren Federkraft kleiner als die der Rückstellfeder ist. Die Rückstellung des Ankers über die Federkraft der Rückstellfeder erfolgt demnach entgegen der Federkraft der Dämpferfeder, wobei die Federkraft der Dämpferfeder so klein gewählt ist, dass ein vollständiges Öffnen des Saugventils weiterhin gewährleistet ist. Die Federkraft der Dämpferfeder ist gerade ausreichend groß gewählt, um eine Dämpfung der Rückstellbewegung des Ankers zu bewirken. Die Dämpfung der Rückstellbewegung des Ankers hat einen verminderten Verschleiß am Anker und/oder an einem mit dem Anker anschlagausbildend zusammenwirkenden Kontaktpartner zur Folge. Denn der Anker wird vor Erreichen der ersten Endlage abgebremst, so dass ein stoßartiges Anschlagen des Ankers verhindert wird.
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Verschleißmindernd wirkt sich ferner aus, dass die Gefahr der Kavitationserosion am Anker und/oder an einem mit dem Anker anschlagausbildend zusammenwirkenden Kontaktpartner gemindert wird. Denn die Dämpfung der Rückstellbewegung des Ankers erleichtert einen Druckausgleich zwischen zwei Druckräumen, die durch den Anker getrennt werden und deren Volumen sich bei jeder Bewegung des Ankers ändert. Mit der Volumenänderung geht entweder ein Druckabfall oder ein Druckanstieg einher. Bei einem Hub des Ankers vergrößert sich das Volumen unterhalb des Ankers, so dass in diesem Druckraum ein Unterdruck herrscht, der zur Bildung von Gasblasen führen kann. Wird der Anker anschließend zurückgestellt, verkleinert sich das Volumen und der Druck steigt wieder an, was zur Folge haben kann, dass die Gasblasen implodieren und zu einer Kavitationserosion am Anker und/oder am Kontaktpartner führen. Wird die Rückstellbewegung des Ankers jedoch abgebremst, bleibt mehr Zeit für den erforderlichen Druckausgleich und ein zur Implosion der Gasblasen führender Druckanstieg kann vermieden werden.
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Die bei einem erfindungsgemäßen Saugventil im Bereich des unteren Hubanschlags vorgesehene Dämpferfeder führt somit zu einer reduzierten Bauteilbelastung und einer erhöhten Lebensdauer des Saugventils.
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Bevorzugt ist die Dämpferfeder zwischen dem Anker und einem Ventilkörper des Saugventils angeordnet und unmittelbar am Anker und/oder am Ventilkörper abgestützt. Die Dämpferfeder kann dabei mit dem Anker und/oder mit dem Ventilkörper fest verbunden sein, so dass die Dämpferfeder in ständigem Kontakt mit dem Anker und/oder mit dem Ventilkörper steht. Die Dämpfungswirkung der Dämpferfeder wird dann über den gesamten Rückstellweg des Ankers erzielt. Darüber hinaus kann die Dämpferfeder lose eingesetzt sein, d. h. ohne feste Verbindung zum Anker und/oder zum Ventilkörper. In Abhängigkeit von der Größe der Dämpferfeder kann in diesem Fall die Dämpferfeder den Kontakt mit dem Anker und/oder mit dem Ventilkörper zeitweise verlieren. Die Dämpfungswirkung setzt dann erst ein, wenn der Kontakt der Dämpferfeder sowohl mit dem Anker als auch mit dem Ventilkörper hergestellt ist.
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Vorteilhafterweise besitzt der Ventilkörper einen sich nach radial innen erstreckenden Ringbund zur Abstützung der Dämpferfeder in axialer Richtung. Andernends kann die Dämpferfeder unmittelbar am Anker abgestützt sein. Die Abstützung über den Ringbund besitzt den Vorteil, dass durch die verbleibende zentrale Öffnung, die durch den Ringbund begrenzt wird, das Ventilschließelement zur mechanischen Kopplung mit dem Anker geführt werden kann.
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Bevorzugt besitzt die Dämpferfeder einen kürzeren Federweg als die Rückstellfeder. Dadurch ist sichergestellt, dass die Gesamttoleranz der Federkraft durch sich aufaddierende Federkrafttoleranzen im Rahmen bleibt. Beispielsweise kann die Dämpferfeder als kurze Schraubendruckfeder oder als Tellerfeder ausgebildet sein. In der Ausbildung als Tellerfeder ist ein kurzer Federweg bereits formbedingt vorgegeben.
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Des Weiteren bevorzugt definiert die Dämpferfeder die erste Endlage des Ankers, die dieser bei unbestromtem Elektromagneten einnimmt. Die Dämpferfeder ersetzt damit ein starres Anschlagelement, das oftmals zwischen dem Anker und dem Ventilkörper zur Ausbildung des unteren Hubanschlags angeordnet ist. Im Unterschied zu einem starren Anschlagelement bildet die Dämpferfeder einen „weichen“ Anschlag aus, so dass die Bauteilbelastungen im Bereich des Anschlags sinken und der Verschleiß gemindert wird. Die erste Endlage des Ankers hängt dabei vom Federweg der Dämpferfeder ab.
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Gegenüber einem starren Anschlagelement, wie beispielsweise einer Anschlagscheibe, besitzt die Dämpferfeder ferner den Vorteil, dass die Kontaktfläche im Bereich des unteren Hubanschlags verringert ist. Denn insbesondere in der Form als Schraubendruckfeder oder als Tellerfeder weist die Dämpferfeder eine verminderte Auflagefläche am Anker auf. Dadurch kann die Kavitationsneigung des Saugventils weiter gemindert werden.
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Die zweite Endlage des Ankers ist vorzugsweise durch einen Polkern vorgegeben, der dem Anker an einem Arbeitsluftspalt gegenüberliegt. Das heißt, dass die dem Anker zugewandte Stirnfläche des Polkerns als oberer Hubanschlag für den Anker dient. Der zwischen dem Polkern und dem Anker ausgebildete Arbeitsluftspalt entspricht somit dem Hub des Ankers.
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Bevorzugt ist bzw. sind der Anker und/oder der Polkern zumindest bereichsweise von einer ringförmigen Magnetspule des Elektromagneten umgeben. Vorzugsweise sind sowohl der Anker als auch der Polkern radial innen liegend in Bezug auf die Magnetspule angeordnet. Der Anker ist demnach als Tauchanker ausgebildet, so dass große Ankerhübe realisierbar sind.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rückstellfeder einerseits am Anker und andererseits an einem Einstellelement abgestützt ist. Das Einstellelement ist vorzugsweise in eine Ausnehmung des Polkerns eingesetzt, weiterhin vorzugsweise eingepresst. Über das Einstellelement ist die Federkraft der Ankerfeder einstellbar. Die Einstellung kann über die Einpresstiefe des Einstellelements in die Ausnehmung des Polkerns bewirkt werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Ventilschließelement mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der durch eine in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe eingesetzte Ventilplatte oder durch das Gehäuseteil der Hochdruckpumpe selbst ausgebildet wird. Das Saugventil ist demnach zumindest bereichsweise in einem Gehäuseteil der Hochdruckpumpe aufgenommen. Dadurch wird eine kompaktbauende Anordnung geschaffen.
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In Schließrichtung ist vorzugsweise das Ventilschließelement von der Federkraft einer Ventilfeder beaufschlagt. Die Federkraft der Ventilfeder ist dabei kleiner als die Federkraft der Rückstellfeder abzüglich der Federkraft der Dämpferfeder gewählt, damit sichergestellt ist, dass die Rückstellfeder das Saugventil weiterhin zu öffnen vermag. Die Ventilfeder ist weiterhin vorzugsweise an einem mit dem Ventilschließelement verbundenen Federteller abgestützt. Der Federteller kann nach Montage der Ventilfeder auf das Ventilschließelement aufgepresst werden, so dass die Montage des Saugventils vereinfacht wird.
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Darüber hinaus wird eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Gehäuseteil und einem in das Gehäuseteil integrierten, erfindungsgemäßen Saugventil vorgeschlagen. Das Gehäuseteil bildet dabei den Ventilsitz des Saugventils aus. Das heißt, dass das Saugventil keine eigenständige Baueinheit ausbildet, sondern integraler Bestandteil der Hochdruckpumpe ist. Dies ermöglicht den Verzicht auf eine den Ventilsitz ausbildenden Ventilplatte, wodurch der Aufbau des Saugventils vereinfacht wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein in eine Hochdruckpumpe integriertes, elektromagnetisch betätigbares Saugventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Offenstellung,
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2 das Saugventil der 1 in Schließstellung und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch ein in eine Hochdruckpumpe integriertes, elektromagnetisch betätigbares Saugventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Schließstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in den 1 und 2 schematisch dargestellte Saugventil umfasst ein hubbewegliches Ventilschließelement 5, das mit einem Ventilsitz 15 zusammenwirkt, der durch ein Gehäuseteil 16 einer Hochdruckpumpe ausgebildet wird. In Schließrichtung ist das Ventilschließelement 5 von der Federkraft einer Ventilfeder 17 beaufschlagt, die das dem Ventilsitz 15 abgewandte Ende des Ventilschließelements 5 umgibt und an einem mit dem Ventilschließelement 5 fest verbundenen Federteller 18 abgestützt ist.
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Ferner umfasst das Saugventil der 1 und 2 einen Elektromagneten 1 zur Einwirkung auf einen zwischen zwei Endlagen 2, 3 hubbeweglichen Anker 4, der mit dem Ventilschließelement 5 mechanisch koppelbar ist, um dieses aus dem Ventilsitz 15 zu heben und das Saugventil zu öffnen. Der Anker 4 ist hierzu in Richtung des Ventilschließelements 5 von der Federkraft einer Rückstellfeder 6 beaufschlagt. Die Rückstellfeder 6 ist einerseits am Anker 4 und andererseits an einem hülsenförmigen Einstellelement 13 abgestützt, das in eine Ausnehmung 14 eines Polkerns 10 eingepresst ist. Über die Einpresstiefe des Einstellelements 13 in der Ausnehmung 14 des Polkerns 10 kann die Federkraft der Rückstellfeder 6 eingestellt werden. Der Polkern 10 liegt dem Anker 4 an einem Arbeitsluftspalt 11 gegenüber und bildet somit den oberen Hubanschlag für den Anker 4 aus. Der Polkern 10 definiert somit die obere Endlage 3 des Ankers 4.
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In der 1 ist das Saugventil in der Offenstellung dargestellt, d. h. bei unbestromter Magnetspule 12 des Elektromagneten 1. Wird die Magnetspule 12 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft den Anker 4 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 6 in Richtung des Polkerns 10 zieht, bis dieser am Polkern 10 anschlägt. Dabei löst sich der Anker 4 vom Ventilschließelement 5, so dass dieses entlastet und über die Federkraft der Ventilfeder 17 in den Ventilsitz 15 gezogen wird. Das Saugventil schließt.
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In der 2 ist das Saugventil in der Schließstellung dargestellt. Zum erneuten Öffnen des Saugventils wird die Bestromung der Magnetspule 12 beendet, so dass die Federkraft der Rückstellfeder 6 den Anker 4 in seine Ausgangslage zurückstellt. Dabei schlägt der Anker 4 am Ventilschließelement 5 an, was eine mechanische Kopplung des Ankers 4 mit dem Ventilschließelement 5 bewirkt. Der Anker 4 führt das Ventilschließelement 5 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 6 mit, so dass dieses aus dem Ventilsitz 15 gehoben wird und das Saugventil öffnet.
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Bei geöffnetem Saugventil (siehe 1) strömt Kraftstoff über den Ventilsitz 15 in einen Hochdruck-Elementraum 19 der Hochruckpumpe. Der Hochdruck-Elementraum 19 wird von einem hubbeweglichen Pumpenkolben (nicht dargestellt) begrenzt, der im Förderhub – bei geschlossenem Saugventil – den im Hochdruck-Elementraum 19 vorhandenen Kraftstoff komprimiert. Der komprimierte Kraftstoff wird dann über einen Hochdruckauslass 20 einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zuführt.
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Um den Verschleiß am Anker 4 im Bereich des unteren Hubanschlags zu mindern, ist zwischen dem Anker 4 und einem Ventilkörper 8 eine Dämpferfeder 7 vorgesehen, die vorliegend als Schraubendruckfeder ausgebildet ist. Die Dämpferfeder 7 ist einerseits am Anker 4, andererseits an einem Ringbund 9 des Ventilkörpers 8 abgestützt. Die Dämpferfeder 7 dient als „weiches“ Anschlagelement und gibt somit die untere Endlage 2 des Ankers 4 vor. Um die untere Endlage 2 zu erreichen, muss der Anker 4 die Dämpferfeder 7 zusammendrücken bzw. verformen, so dass ein Teil der Bewegungsenergie in Energie umgewandelt wird, die zur Verformung der Dämpferfeder 7 benötigt wird. In der Folge wird der Anschlag des Ankers 4 am unteren Hubanschlag gedämpft, was sich verschleißmindernd auswirkt. Ferner wird einer unerwünschten Geräuschentwicklung entgegen gewirkt.
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Darüber hinaus verringert die Dämpferfeder 7 die Kavitationsgefahr, da zum Einen ihre Auflagefläche am Anker 4 vergleichsweise klein ist. Zudem Anderen fördert sie einen Druckausgleich über im Anker 4 vorgesehene Strömungskanäle 21, die sich von der einen zur anderen Stirnseite des Ankers 4 erstrecken. Der Druckanstieg im Bereich des unteren Hubanschlags wird somit gemindert, womit sich die Gefahr verringert, dass etwaige im Bereich des unteren Hubanschlags vorhandene Gasblasen implodieren.
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In der 3 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Saugventils dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der 1 und 2 dadurch, dass anstelle einer Schraubendruckfeder eine Tellerfeder als Dämpferfeder 7 vorgesehen ist. Die Tellerfeder besitzt einen besonders kurzen Federweg, so dass die Gesamttoleranz der Federkraft durch sich aufaddierende Federkrafttoleranzen kaum erhöht wird. Im Übrigen führt der Einsatz einer Tellerfeder zu den bereits zuvor in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebenen Vorteilen, so dass hierauf verwiesen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013220593 A1 [0002]
