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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, 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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Eine Hochdruckpumpe der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 218 713 A1 hervor. Sie umfasst ein Gehäuse mit einer Zylinderbohrung und einen in der Zylinderbohrung hubbeweglich aufgenommenen Pumpenkolben, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Zur Verbindung des Pumpenarbeitsraums mit einem Niederdruckbereich ist in das Gehäuse der Hochdruckpumpe ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil eingesetzt. Bei Bestromung eines zur Betätigung des Saugventils vorgesehenen Elektromagneten wird ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Magnetkraft auf einen hubbeweglichen Anker in der Weise einwirkt, dass er sich entgegen der Federkraft einer Feder in Richtung des Elektromagneten bewegt. Dabei löst sich der Anker von einem hubbeweglichen Ventilstößel, der in Richtung eines Ventilsitzes von der Federkraft einer weiteren Feder beaufschlagt ist. Die Federkraft der weiteren Feder zieht den Ventilstößel in den Ventilsitz, so dass das Saugventil schließt. Zum Öffnen des Saugventils wird die Bestromung des Elektromagneten beendet und der Anker wird über die Federkraft der ihn beaufschlagenden Feder in seine Ausgangslage zurückgestellt. Hierbei schlägt der Anker am Ventilstößel an und hebt diesen aus dem Ventilsitz, so dass das Saugventil wieder öffnet.
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Beim Öffnen und Schließen eines Saugventils der vorstehend genannten Art bewegen sich der Anker und der Ventilstößel zueinander hoch dynamisch, d. h. mit enormen Geschwindigkeiten. Das sie umgebende Hydraulikmedium, vorzugsweise Kraftstoff, weist demgegenüber eine gewisse Trägheit auf, so dass es nicht so schnell nachzuströmen vermag, wie sich die Bauteile bewegen. In der Folge kann es lokal zur Ausbildung von Unterdruckgebieten bzw. Dampfblasen kommen, die nach erfolgtem Druckausgleich implodieren und zu Schäden durch Kavitationserosion führen. Besonders gefährdet sind am Anker ausgebildete Anschlag- bzw. Kontaktflächen.
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Durch die hoch dynamische Bewegung von Anker und Ventilstößel werden große Druckdifferenzen in kurzen Zeitabständen generiert. Diese führen zu Druckpulsationen, die wiederum Einfluss auf den Hub des Ankers haben können. Das heißt, dass die Reproduzierbarkeit der Ankerbewegung und damit der Schaltzeiten des Saugventils gefährdet ist.
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Druckpulsationen können ferner über die Hubbewegung eines Pumpenkolbens der Hochdruckpumpe in den Niederdruckbereich des Saugventils eingetragen werden, insbesondere bei Null- oder Teilförderung der Hochdruckpumpe. Denn dann bleibt das Saugventil zumindest zeitweise geöffnet, um eine bereits angesaugte Kraftstoffmenge zurück in den Niederdruckbereich zu schieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile nicht oder nur in deutlich vermindertem Maße auftreten.
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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 in einem Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Saugventil umfasst einen Elektromagneten zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker, der mit einem hubbeweglichen Ventilstößel mechanisch koppelbar ist, um das Saugventil zu öffnen. Ferner umfasst das Saugventil eine den Anker in Richtung des Ventilstößels belastende Rückstellfeder sowie eine den Ventilstößel in Richtung des Ankers belastende Schließfeder, deren Federkraft kleiner als die der Rückstellfeder ist. Erfindungsgemäß ist zur mechanischen Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel zwischen dem Anker und dem Ventilstößel ein Bolzen angeordnet, der in einer Axialbohrung eines Ventilkörpers unter Ausbildung eines Drosselspalts hubbeweglich geführt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil erfolgt die mechanische Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel lediglich mittelbar, und zwar über einen Bolzen, der sowohl gegenüber dem Anker als auch gegenüber dem Ventilstößel axial beweglich ist. Die bewegte Masse verteilt sich demnach auf mindestens drei Bauteile, nämlich den Anker, den Bolzen und den Ventilstößel. Die Verteilung der bewegten Masse auf mindestens drei Bauteile ermöglicht eine Reduzierung der bewegten Masse des Ankers. Auf diese Weise können Anschlagkräfte reduziert werden, was einen verringerten Verschleiß im Bereich der Anschlagflächen zur Folge hat.
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Durch den lediglich mittelbaren Kontakt des Ankers mit dem Ventilstößel werden mindestens zwei Kontaktbereiche geschaffen, die über einen Drosselspalt hydraulisch entkoppelt sind. Der Drosselspalt verhindert eine Ausbreitung von Druckpulsationen, so dass insbesondere der Kontaktbereich zwischen dem Anker und dem Bolzen entlastet wird, da über die Bewegung des Pumpenkolben der Hochdruckpumpe erzeugte Druckpulsationen nicht oder nur in vermindertem Maße übertragen werden.
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Die Folge verminderter Druckpulsationen ist ein verringertes Kavitationsrisiko an den Anschlagflächen des Ankers, so dass die Robustheit des Saugventils gesteigert wird.
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Ferner wird die Funktion des Saugventils optimiert, da die Reproduzierbarkeit der Schaltzeit gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzt der Ventilkörper einerseits einen als Zulauf dienenden Niederdruckraum und andererseits einen Ankerbewegungsraum. Beide Räume sind, vorzugsweise ausschließlich, über den Drosselspalt hydraulisch verbunden. Das heißt, dass die zur Erzielung der gewünschten hydraulischen Entkopplung erforderliche Drosselwirkung über den Drosselspalt einstellbar ist. Einfluss auf die Drosselwirkung hat insbesondere der Drosselquerschnitt, der durch den Radialspalt zwischen dem Ventilkörper und dem Bolzen vorgegeben ist. Einen deutlich geringeren Einfluss hat die Länge des Drosselspalts in axialer Richtung.
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Der Radialspalt zwischen dem Ventilkörper und dem Bolzen ist vorzugsweise möglichst klein gewählt, so dass der Bolzen präzise geführt ist. Die Führung bzw. Lagerung des Ankers und/oder des Ventilstößels kann demgegenüber weniger präzise bzw. stärker toleranzbehaftet sein, so dass über eine Toleranzaufweitung die Fertigungskosten gesenkt werden können.
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Weiterhin bevorzugt weist der Bolzen eine erste als Anschlagfläche dienende Stirnfläche zur mechanischen Kopplung mit dem Anker und eine zweite als Anschlagfläche dienende Stirnfläche zur mechanischen Kopplung mit dem Ventilstößel auf. Die Stirnflächen des Bolzens bilden ebene Kontaktflächen aus, so dass ein fertigungs- und/oder montagebedingter radialer Versatz zwischen dem Bolzen und dem Anker bzw. zwischen dem Bolzen und dem Ventilstößel ausgleichbar ist. Ferner bevorzugt weist auch der Anker und/oder der Ventilstößel jeweils stirnseitig eine ebene Kontaktfläche zur Kontaktierung des Bolzens auf.
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Vorteilhafterweise besitzt der Bolzen zumindest abschnittsweise einen Außendurchmesser, der im Wesentlichen einem Außendurchmesser des Ventilstößels im Bereich der mechanischen Kopplung entspricht. Der Bolzen kann in diesem Fall gemeinsam mit dem Ventilstößel hergestellt und anschließend abgetrennt werden. Dadurch sinken die Herstellungskosten.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Bolzen zumindest abschnittsweise eine Außenkontur besitzt, die gestuft und/oder konisch geformt ist. Über die Stufe oder den konisch geformten Abschnitt kann sich der Bolzen am Ventilkörper abstützen, so dass in axialer Richtung ein Formschluss bewirkt wird, der – zumindest bei der Montage des Saugventils – ein Herausfallen des Bolzens aus dem Ventilkörper verhindert. Um einen derartigen Formschluss zu erreichen, kann alternativ die den Bolzen zumindest abschnittsweise aufnehmende Axialbohrung des Ventilkörpers eine gegengleich ausgebildete Innenkontur besitzen.
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Bevorzugt ist der Anker als Tauchanker ausgeführt und zumindest bereichsweise von einer ringförmigen Magnetspule des Elektromagneten umgeben. Über einen als Tauchanker ausgebildeten Anker sind im Vergleich zu einem als Flachanker ausgebildeten Anker größere Hübe realisierbar. Um einen Druckausgleich bei einer Hubbewegung des Ankers zu ermöglichen, wird ferner vorgeschlagen, dass im Anker mindestens eine axial verlaufende Nut und/oder Bohrung ausgebildet ist. Die Nut und/oder Bohrung gewährleistet, dass bei einer Aufwärtsbewegung des Ankers Fluid oberhalb des Ankers nach unten zu strömen vermag bzw. – bei einer Abwärtsbewegung des Ankers – umgekehrt. Auf diese Weise können den Ankerhub beeinflussende hydraulische Störeinflüsse weiter reduziert werden.
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Der zur Betätigung des Saugventils vorgeschlagene Elektromagnet umfasst bevorzugt einen Innenpolkörper, der einen oberen Hubanschlag für den Anker ausbildet. Der Innenpolkörper begrenzt somit den Ankerbewegungsraum, der über den zwischen dem Ventilkörper und dem Bolzen ausgebildeten Drosselspalt vom Niederdruckbereich des Saugventils hydraulisch entkoppelt ist. Durch die hydraulische Entkopplung verringert sich die Kavitationsgefahr im Bereich des oberen Hubanschlags, d. h. am Innenpolkörper.
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Der untere Hubanschlag des Ankers wird vorzugsweise durch einen Absatz im Ventilkörper ausgebildet. Am Absatz kann auch ein Ringkörper abgestützt sein, der hubanschlagbildend mit dem Anker zusammenwirkt. Da der Absatz und/oder der Ringkörper den Ankerbewegungsraum begrenzen und dieser vom Niederdruckraum hydraulisch entkoppelt ist, wird auch im Bereich des Absatzes bzw. des Ringkörpers die Kavitationsgefahr verringert.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Saugventil vorgeschlagen. Das Saugventil ist vorzugsweise in die Hochdruckpumpe integriert, so dass ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe einen Ventilsitz ausbildet und der mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilstößel in einen Hochdruck-Elementraum der Hochdruckpumpe öffnet. Durch die Integration des Saugventils in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe kann eine besonders kompakt bauende Hochdruckpumpe geschaffen werden. Insbesondere ist eine separate Ventilplatte zur Ausbildung des Ventilsitzes verzichtbar.
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Aufgrund des Wegfalls der Ventilplatte, muss jedoch der Zulauf neu gestaltet werden. Idealerweise erfolgt der Zulauf über einen ringförmigen Niederdruckraum, der im Gehäuseteil der Hochdruckpumpe ausgebildet und ventilseitig vom Ventilkörper des Saugventils begrenzt wird. Über den zwischen dem Ventilkörper und dem Bolzen ausgebildeten Drosselspalt kann dann eine hydraulische Entkopplung des Ankerbewegungsraums vom als Zulauf dienenden Niederdruckraum bewirkt werden. Die Vorteile der Erfindung kommen demnach bei einer Hochdruckpumpe mit integriertem Saugventils besonders gut zum Tragen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigbares Saugventil, das in eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem integriert ist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Das in der Figur schematisch dargestellte elektromagnetisch betätigbare Saugventil dient der Befüllung eines Hochdruck-Elementraums 21 einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Der Hochdruck-Elementraum 21 ist als Zylinderbohrung in einem Gehäuseteil 19 ausgeführt, das zugleich einen Ventilsitz 20 für das Saugventil ausbildet. In der Zylinderbohrung des Gehäuseteils 19 ist ein Pumpenkolben 22 hubbeweglich aufgenommen, der im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe den im Hochdruck-Elementraum 21 befindlichen Kraftstoff verdichtet. Der verdichtete Kraftstoff verlässt den Hochdruck-Elementraum 21 über einen Hochdruckabgang 23 und einem Auslassventil 24.
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Das Saugventil umfasst einen mit dem Ventilsitz 20 zusammenwirkenden hubbeweglichen Ventilstößel 3, der in den Hochdruck-Elementraum 21 öffnet. In Schließrichtung ist der Ventilstößel 3 von der Federkraft einer Schließfeder 5 beaufschlagt, die den Ventilstößel bereichsweise umgibt und einerseits am Gehäuseteil 19, andererseits an einem Federteller 25 abgestützt ist. In Öffnungsrichtung wird der Ventilstößel 3 indirekt über einen Anker 2 und einen Bolzen 6 von der Federkraft einer Rückstellfeder 4 beaufschlagt, deren Federkraft größer als die der Schließfeder 5 ist. Dies hat den Effekt, dass das Saugventil bei unbestromtem Elektromagneten 1 geöffnet ist.
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Wird der Elektromagnet 1 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft den Anker 2 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 4 in Richtung eines Innenpolkörpers 14 zieht, der den oberen Hubanschlag 15 für den Anker 2 ausbildet. Während der Bewegung des Ankers 2 löst sich dieser vom Bolzen 6, so dass der Ventilstößel 3 entlastet wird und die Federkraft der Schließfeder 5 den Ventilstößel 3 in den Ventilsitz 20 zu ziehen vermag. Das Saugventil schließt. Um das Saugventil erneut zu öffnen, wird die Bestromung des Elektromagneten 1 beendet, so dass die Federkraft der Rückstellfeder 4 den Anker 2 in seine Ausgangsstellung zurückbewegt. Dabei schlägt der Anker 2 an einer Stirnfläche 6.1 des Bolzens 6 an, der über eine Stirnfläche 6.2 in Kontakt mit dem Ventilstößel 3 steht und diesen aus dem Ventilsitz 20 hebt.
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Bei geöffnetem Saugventil strömt Kraftstoff aus einem ringförmigen Niederdruckraum 10, der im Gehäuseteil 19 ausgebildet ist, in Richtung des Ventilsitzes 20 und über den Ventilsitz 20 in den Hochdruck-Elementraum 21. Gelangt zu viel Kraftstoff in den Hochdruck-Elementraum 21, kann das Saugventil im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe zeitweise geöffnet bleiben, um einen Teil der angesaugten Kraftstoffmenge zurück in den Niederdruckraum 10 zu schieben. Dies kann zu Druckpulsationen im Niederdruckraum 10 führen. Um zu verhindern, dass sich die Druckpulsationen bis in einen Ankerbewegungsraum 11, in dem der Anker 2 aufgenommen ist, ausbreiten und zu Kavitationsschäden am Anker 2 führen und/oder den Hub des Ankers 2 beeinflussen, ist eine hydraulische Entkopplung des Ankerbewegungsraums 11 vom Niederdruckraum 10 vorgesehen. Die hydraulische Entkopplung wird über einen Drosselspalt 9 bewirkt, der zwischen dem Ventilkörper 8 und dem Bolzen 6 innerhalb einer Axialbohrung 7 des Ventilkörpers 8 ausgebildet ist, in welcher der Bolzen 6 geführt aufgenommen ist. Das Führungsspiel ist entsprechend eng ausgelegt. Indem die Ausbreitung von Druckpulsationen unterbunden wird, wird die Entstehung lokaler Unterdruckgebiete und damit die Entstehung von Gasblasen verhindert, die bei einem abrupte Druckanstieg implodieren und an den benachbarten Bauteilen zu Schäden, der so genannten Kavitationserosion, führen. Ein besonders gefährdeter Bereich stellt der Kontaktbereich des Ankers 2 mit dem Bolzen 6 dar. Gefährdet sind darüber hinaus die Kontaktbereiche mit den Hubanschlägen, d. h. dem am Innenpolkörper 14 ausgebildeten oberen Hubanschlag 15 sowie ein unterer Hubanschlag 18, der vorliegend durch einen Ringkörper 17 ausgebildet wird, der an einem Absatz 16 des Ventilkörpers 8 innerhalb der Axialbohrung 7 abgestützt ist. Da der gesamte Ankerbewegungsraum 11 über den Drosselspalt 9 vom Niederdruckraum 10 hydraulisch entkoppelt ist, kann der durch Kavitation hervorgerufene Verschleiß am Anker 2 deutlich gemindert werden.
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Unterstützend weist der Anker 2 Bohrungen 13 auf, die den Anker 2 durchsetzen und auf diese Weise einen Druckausgleich während der Bewegung des Ankers 2 ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218713 A1 [0002]
