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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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Ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil zur Befüllung eines Pumpenarbeitsraums einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 218 713 A1 hervor. Es umfasst einen hubbeweglichen Ventilstößel, der in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Ferner ist ein Elektromagnet zur Einwirkung auf einen mit dem Ventilstößel mechanisch koppelbaren Anker vorgesehen. Der Anker ist in Richtung des Ventilstößels von der Federkraft einer weiteren Feder beaufschlagt, die derart dimensioniert ist, dass sie das Saugventil bei fehlender Bestromung des Elektromagneten geöffnet hält. Zum Schließen des Saugventils wird der Elektromagnet bestromt. Der Anker führt daraufhin eine Hubbewegung entgegen der Federkraft der weiteren Feder aus, so dass der Ventilstößel entlastet wird und von der Federkraft der in Schließrichtung wirkenden Feder in einen Ventilsitz gezogen wird. Um das Saugventil erneut zu öffnen, wird die Bestromung des Elektromagneten beendet. Die weitere Feder stellt den Anker in seine Ausgangslage zurück, wobei er am Ventilstößel anschlägt und diesen aus dem Ventilsitz hebt.
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Beim Öffnen und Schließen eines elektromagnetisch betätigbaren Saugventils der vorstehend genannten Art bewegen sich Anker und Ventilstößel hoch dynamisch. Dabei kann es zur Ausbildung lokaler Unterdruckbereich kommen. Erreicht der Unterdruck eine kritische Grenze, entsteht Kavitation. Das heißt, dass sich Gasblasen ausbilden, die bei erneutem Druckanstieg implodieren und durch Kavitationserosion zu Schäden an den beweglichen Bauteilen führen können. Ein hinsichtlich Kavitation besonders kritischer Bereich stellt der Kontaktbereich zwischen dem Anker und dem Ventilstößel dar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem anzugeben, das aufgrund eines verringerten Kavitationsrisikos weniger verschleißbehaftet ist und demzufolge eine hohe Lebensdauer besitzt.
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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 in Richtung eines hubbeweglichen Ventilstößels von der Federkraft einer Druckfeder beaufschlagt ist, so dass bei unbestromtem Elektromagneten der Anker mit dem Ventilstößel mechanisch gekoppelt ist und diesen in einer Offenstellung hält. Erfindungsgemäß ist der Anker von einer zentralen Bohrung durchsetzt, die beidseits des Ankers ausgebildete Druckräume verbindet. Ferner ist ein stiftförmiges Verdrängerelement vorgesehen, das zumindest bei einer Hubbewegung des Ankers in die zentrale Bohrung des Ankers eintaucht.
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Das beim Schalten des Saugventils in die zentrale Bohrung des Ankers eintauchende Verdrängerelement führt zu einer gezielten Volumenverdrängung. Hierüber ist ein Druckausgleich herstellbar, welcher der Ausbildung lokaler Unterdruckzonen entgegenwirkt und somit die Kavitationsgefahr mindert.
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Taucht das Verdrängerelement in die zentrale Bohrung des Ankers ein, verkleinert sich das Volumen innerhalb des Ankers und Kraftstoff wird aus der Bohrung in den Druckraum unterhalb des Ankers verdrängt. Hierbei handelt es sich um den Druckraum, der auf der dem Ventilstößel zugewandten Seite des Ankers angeordnet ist, bzw. den Druckraum, dessen Volumen sich aufgrund des Hubs des Ankers vergrößert. Das in den Druckraum verdrängte Volumen verhindert, dass der Druck in diesem Druckraum unter eine kritische Grenze fällt.
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Zusätzlich kann über einen frei bleibenden Strömungsquerschnitt zwischen Verdrängerelement und Anker eine definierte Menge Kraftstoff aus dem oberhalb des Ankers gelegenen Druckraum in die Bohrung und damit in den unterhalb des Ankers liegenden Druckraum verdrängt werden. Die Einstellung der zusätzlich verdrängten Menge ist über den freien Strömungsquerschnitt gezielt einstellbar.
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Vorzugsweise verbleibt demnach zwischen dem Anker und dem Verdrängerelement ein definierter freier Strömungsquerschnitt.
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Die Volumenverdrängung wirkt insbesondere der Kavitation im Kontaktbereich zwischen Anker und Ventilstößel entgegen. Damit sinkt die Belastung von Anker und Ventilstößel, so dass diese aus weniger verschleißfesten Werkstoffen gefertigt sein können bzw. ein Verschleißvorhalt vernachlässigbar ist. Darüber hinaus können aufwendige Wärmebehandlungen der Bauteile zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit entfallen. Dies hat zur Folge, dass die Fertigungskosten gesenkt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Verdrängerelement einen gegenüber dem Innendurchmesser der Bohrung des Ankers reduzierten Außendurchmesser. Dies führt zur Ausbildung eines umlaufenden Ringspalts zwischen dem Verdrängerelement und dem Anker, der den verbleibenden freien Strömungsquerschnitt definiert.
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Alternativ oder ergänzend kann das Verdrängerelement außenumfangseitig mindestens eine Längsnut und/oder Abflachung aufweisen. Der zwischen dem Verdrängerelement und dem Anker verbleibende freie Strömungsquerschnitt kann demnach auch durch einen axial verlaufenden Strömungskanal definiert werden.
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Um eine definierte Menge Kraftstoff über den verbleibenden freien Strömungsquerschnitt zwischen dem Anker und dem Verdrängerelement abzuführen, wirkt vorzugsweise das stiftförmige Verdrängerelement eine Drosselstelle ausbildend mit dem Anker zusammen. Das heißt, dass der verbleibende freie Strömungsquerschnitt zwischen dem Anker und dem Verdrängerelement zumindest in einem Abschnitt einem Drosselquerschnitt entspricht.
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Vorteilhafterweise ist der Anker zumindest abschnittsweise in einem Ventilkörper des Saugventils aufgenommen. Der Ventilkörper kann in diesem Fall zur Führung des Ankers eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Ventilkörper eine erste Endlage des Ankers definieren. Zur Einstellung des Hubs des Ankers kann zwischen dem Anker und dem Ventilkörper ein Einstellelement eingelegt sein, so dass der Ventilkörper lediglich mittelbar die erste Endlage definiert. Sofern ein solches Einstellelement vorgesehen ist, ist dieses bevorzugt ringförmig ausgebildet und an einem ringförmigen Absatz des Ventilkörpers axial abgestützt. Da die Führung des Ankers über den Ventilkörper bewirkt wird, kann der zwischen Anker und Verdrängerelement verbleibende freie Strömungsquerschnitt beliebig ausgelegt werden.
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Alternativ kann der Anker aber auch über das stiftförmige Verdrängerelement geführt sein. In diesem Fall ist der Radialspalt zwischen dem Verdrängerelement und dem Anker möglichst eng ausgelegt. Der zur gezielten Volumenverdrängung vorgesehene freie Strömungsquerschnitt zwischen dem Verdrängungselement und dem Anker kann dann über einen axial verlaufenden Strömungskanal sichergestellt werden. Hierzu kann außenumfangseitig am Verdrängerelement – wie zuvor bereits beschrieben – mindestens eine Längsnut und/oder Abflachung vorgesehen sein. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, über einen ausreichend groß dimensionierten Radialspalt zwischen dem Anker und dem Ventilkörper Kraftstoff zu verdrängen, da das Verdrängerelement zusätzlich die Führung des Ankers übernimmt.
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Das stiftförmige Verdrängerelement ist vorzugsweise ortsfest montiert, so dass sich der Anker relativ zum Verdrängerelement bewegt. Hierzu kann das stiftförmige Verdrängerelement mit einem Polkern des Elektromagneten fest verbunden sein. Beispielsweise kann das stiftförmige Verdrängerelement in eine zentrale Ausnehmung des Polkerns eingepresst sein. Alternativ kann auch der Polkern selbst das stiftförmige Verdrängerelement ausbilden. Zum Beispiel kann der Polkern einen als Verdrängerelement dienenden stiftförmigen Ansatz aufweisen, der auf einer dem Anker zugewandten Stirnfläche des Polkerns ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise ist die den Anker belastende Druckfeder unmittelbar am Polkern abgestützt. Andernends erfolgt die Abstützung der Druckfeder bevorzugt unmittelbar am Anker. Zur Lagefixierung kann die Druckfeder zumindest abschnittsweise in den Polkern und/oder in den Anker eingelassen sein. Auf diese Weise wird zudem eine in axialer Richtung kompakt bauende Anordnung erreicht.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Druckfeder das stiftförmige Verdrängerelement zumindest abschnittsweise umgibt. Über das Verdrängerelement kann in diesem Fall eine Führung der Druckfeder bewirkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Polkern über eine Hülse mit dem Ventilkörper verbunden. Über die Hülse ist der axiale Abstand zwischen dem Polkern und dem Ventilkörper einstellbar. Wird zudem die zweite Endlage des Ankers durch den Polkern vorgegeben, kann über den axialen Abstand der Hub des Ankers eingestellt werden.
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Die ferner vorgeschlagene Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein erfindungsgemäßes Saugventil umfasst. Das Saugventil ist dabei bevorzugt in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe integriert, so dass das Gehäuseteil einen Ventilsitz des Saugventils ausbildet. In dieser Anwendung eines erfindungsgemäßen Saugventils kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen, da der Kontaktbereich zwischen dem Anker und dem Ventilstößel durch Druckpulsationen aus einem als Zulauf für das Saugventil dienenden Niederdruckbereich zusätzlich belastet 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,
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2a, b jeweils einen schematischen Längsschnitt durch das Saugventil der 1 in vergrößerter Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen sowie
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3a, b jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in vergrößerte Darstellung und in unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Saugventil dient der Befüllung eines Hochdruck-Elementraums 19 einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Das Saugventil ist hierzu in ein Gehäuseteil 17 der Hochdruckpumpe integriert, das zugleich einen Ventilsitz 18 ausbildet.
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Das Saugventil umfasst einen mit dem Ventilsitz 18 zusammenwirkenden hubbeweglichen Ventilstößel 3, der in Schließrichtung von der Federkraft einer Schließfeder 21 beaufschlagt ist. Die Schließfeder 21 ist als Schraubendruckfeder ausgebildet, die den Ventilstößel 3 bereichsweise umgibt und einerseits am Gehäuseteil 17, andererseits an einem auf den Ventilstößel 3 aufgepressten Federteller 22 abgestützt ist.
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Im Gehäuseteil 17 ist ferner ein ringförmiger Niederdruckraum 20 ausgebildet, der von einem Ventilkörper 14 des Saugventils begrenzt wird und als Zulauf dient. Der Ventilkörper 14 nimmt zugleich einen Anker 2 auf, der über den Ventilkörper 14 hubbeweglich geführt ist. Der Anker 2 ist in Richtung des Ventilstößels 3 von der Federkraft einer Druckfeder 4 beaufschlagt, die größer als die Federkraft der den Ventilstößel 3 belastenden Schließfeder 21 ist, so dass die Federkraft der Druckfeder 4 das Saugventil geöffnet hält.
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Um das Saugventil zu schließen, muss ein Elektromagnet 1 bestromt werden. Die Bestromung des Elektromagneten 1 führt zum Aufbau eines Magnetfelds, dessen Magnetkraft den Anker 2 – entgegen der Federkraft der Druckfeder 4 – in Richtung eines Polkerns 15 zieht, der die obere Endlage des Ankers 2 definiert. Die untere Endlage ist durch einen Ringkörper 23 vorgegeben, der an einem Absatz 24 des Ventilkörpers 14 abgestützt ist. Der Polkern 15 ist über eine Hülse 16 mit dem Ventilkörper 14 fest verbunden.
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Wie insbesondere den 2a und 2b zu entnehmen ist, ist in den Polkern 15 ein stiftförmiges Verdrängerelement 8 eingepresst. Dieses taucht in eine zentrale Bohrung 5 des Ankers 2 ein, wenn die Magnetkraft des Elektromagneten 1 den Anker 2 in Richtung des Polkerns 15 zieht. Dabei verkleinert das Verdrängerelement 8 das Volumen der Bohrung 5, während sich das Volumen eines unterhalb des Ankers 2 angeordneten Druckraums 7 vergrößert. Aus der Bohrung 5 in den Druckraum 7 verdrängter Kraftstoff bewirkt, dass der Druck im Druckraum 7 nicht unter einen kavitationskritischen Bereich abfällt. Zugleich wird über einen Ringspalt 10 zwischen dem Verdrängerelement 8 und dem Anker 2 eine Drosselstelle 13 ausgebildet, die einen freien Strömungsquerschnitt 9 besitzt, über den eine gezielte Menge Kraftstoff aus einem oberhalb des Ankers 2 gelegenen Druckraum 6 in die Bohrung 5 und damit in den Druckraum 7 unterhalb des Ankers 2 abgeführt wird. Denn mit dem Hub des Ankers 2 verkleinert sich das Volumen des oberhalb des Ankers 2 gelegenen Druckraums 6 und der Druck im Druckraum 6 steigt an. Über die gezielte Volumenverdrängung kann ein Druckausgleich bewirkt werden, der die Kavitationsgefahr im Druckraum 7, insbesondere im Kontaktbereich B des Ankers 2 mit dem Ventilstößel 3, deutlich mindert.
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Die 2a zeigt das Saugventil in Schließstellung, in der der Anker 2 am Ventilstößel 3 anliegt. Das Volumen des oberhalb des Ankers 2 gelegenen Druckraums 6 ist maximal, während das des unterhalb des Ankers 2 gelegenen Druckraums 7 minimal ist. Hat der Anker 2 – wie in der 2b dargestellt – nach einem Hub h entlang einer Längsachse A seine obere Endlage erreicht, verhält es sich umgekehrt.
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Die Eintauchtiefe des Verdrängerelements 8 in die zentrale Bohrung 5 des Ankers 2 entspricht vorliegend dem Hub h des Ankers 2. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall.
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Beispielsweise kann auch bereits in Ruhestellung, d. h. bei geschlossenem Saugventil, das Verdrängerelement 8 in die Bohrung 5 eingreifen, so dass die Eintauchtiefe auch größer als der Hub h des Ankers 2 sein kann.
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Den 3a und 3b ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Saugventils zu entnehmen. Hier bilden Abflachungen 11 am Verdrängerelement 8 axial verlaufende Strömungskanäle 12 aus, welche den zwischen dem Anker 2 und dem Verdrängerelement 8 verbleibenden freien Strömungsquerschnitt definieren. Dieser ist auch hier als Drosselquerschnitt 13 ausgelegt, um bei einem Hub des Ankers 2 eine definierte Menge Kraftstoff aus dem Druckraum 6 in den Druckraum 7 abzuführen. Im Übrigen ist der Außendurchmesser des Verdrängerelements 8 dazu ausgelegt, den Anker 2 zu führen, so dass die Führungsfunktion des Ventilkörpers 14 entfällt. Der Radialspalt 25 zwischen dem Ventilkörper 14 und dem Anker 2 kann dementsprechend groß ausgelegt werden, um hierüber zusätzlich einen Druckausgleich herbeizuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218713 A1 [0002]
