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Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Saugventil, in einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, in der das Saugventil eingesetzt ist.
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Stand der Technik
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Eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem Saugventil ist durch die
DE 10 2010 027 745 A1 bekannt. Das Saugventil weist ein Ventilelement auf, das zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung beweglich ist und das mit einem Betätigungselement zumindest mittelbar in Kontakt ist. Durch das Betätigungselement kann eine Betätigungskraft auf das Ventilelement übertragen werden. Die Hochdruckpumpe weist ein Pumpengehäuse mit einem Gehäuseteil auf, in dem in einer Zylinderbohrung ein Pumpenkolben hubbweweglich angebracht ist, der in der Zylinderbohrung einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Der Pumpenarbeitsraum ist über das Saugventil mit einem Kraftstoffzulauf verbindbar und über ein Rückschlagventil mit einem Hochdruckspeicher verbindbar. Das Betätigungselement kann als Magnetanker ausgeführt sein oder als eine Kombination des Magnetankers mit einem Zwischenelement auf das Ventilelement wirkt, insbesondere eines eingepressten Zwischenelements. Der Magnetanker ist Teil eines elektromagnetischen Aktors, der außerdem eine Magnetspule umfasst. Bei Bestromung der Magnetspule bildet sich ein Magnetfeld aus wodurch sich der Magnetanker relativ zur Magnetspule gegen eine Federkraft bewegt um den Arbeitsluftspalt zu schließen.
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Die aus der
DE 10 2010 027 745 A1 bekannte Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems mit Saugventil, bei der alle vorangehend beschriebenen Elemente mit Kraftstoff umgeben sind, weist gewisse Nachteile auf. Im Kontaktbereich des Ventilelements und des Betätigungselements, die in axialer Richtung nicht miteinander verbunden sind, sondern nur durch magnetische Kräfte und Federkräfte in Anlage miteinander gehalten werden, kann eine relativ schnelle Wegbewegung des Betätigungselements vom Ventilelement, durch die Bestromung der Magnetspule, zwischen beiden Elementen zu einem Kontaktverlust und aufgrund des umspülenden Kraftstoffs zu Kavitation im Kontaktbereich führen, insbesondere in Form von Kaviationsblasen. Bei einer Implosion dieser Kavitationsblase können nun die Oberflächen der im Bereich der Kavitation befindlichen Flächen der Elemente beschädigt werden, was zu einer Funktionsbeeinträchtigung oder gar zu einer Verringerung der Lebensdauer des Saugventils und schlussendlich der Hochdruckpumpe führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Saugventils mit den Merkmalen aus Anspruch 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausprägung der konstruktiven Elemente erreicht wird, die eine Schädigung der Oberflächen der beiden Element durch Kavitation und daraus resultierenden Kavitationsblasen verringert und/oder verhindert.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Saugventils möglich.
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Durch eine ringförmige Anordnung des Bereichs des mechanischen Kontaktes um einen annähernd zentral gelegenen Bereich der Kavitation verbindet man den beschriebenen Vorteil des Anspruch 1 mit dem Vorteil einer höheren Belastbarkeit durch geringere Flächenpressung und einem daraus resultierenden geringeren Verschleiß im Kontaktbereich und damit einhergehend einer höheren Lebensdauer der Hochdruckpumpe.
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Speziell durch eine muldenförmige Aussparung am Betätigungselement und/oder am Ventilelement ist es möglich, gezielt durch geometrische Ausformung und Größe der muldenförmigen Ausparung einen Kontakt der beiden Elemente in der Zone der Kavitation zu vermeiden.
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Außerdem kann durch eine ballige Ausformung der Kontaktkontur des Betätigungselementes und/oder Ventilelements dafür gesorgt werden, dass ein tangentialer Kontakt im gesamten Lagefehlertoleranzbereich gewährleistet wird und Winkelfehler und Desaxierungen zwischen Betätigungselement und Ventilelement ausgeglichen werden können.
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Ferner ist es möglich, dass das Betätigungselement des Ventilelements nicht direkt durch den Magnetanker ausgebildet ist, sondern dass ein Zwischenelement verwendet wird, welches formschlüssig mit dem Magnetanker verbunden ist. Das Betätigungselement kann somit entweder nur den Magnetanker aufweisen oder es weißt die Elemente Magnetankers und Zwischenelement auf. Durch die Verwendung eines Zwischenelementes wird es ermöglicht ein Material für das Zwischenelement auszuwählen, dass für die Belastungen im Kontaktbereich zum Ventilelement besser geeignet ist als das Material des Magnetankers, insbesondere im Hinblick auf die Paarung Zwischenelement zum Ventilelement und/oder zum umgebenden Kraftstoff.
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In Weiterbildung der Erfindung ist eine muldenförmige Aussparung am Betätigungselement und/oder am Ventilelement so geartet, dass eine unterschiedlich Ausformung beider Aussparungen erfolgt. Eine weitere Detaillierungsebene dieser unterschiedlichen Ausformung sieht vor, dass die jeweiligen Aussparungen im Randbereich Ihrer Querschnittsausdehnung nicht deckungsgleich auslaufen, insbesondere indem eine der beiden Ausparungen im Randbereich größer ausgeformt ist. Der Vorteil dieser spezifischen Ausgestaltung ist es, dass die Wahrscheinlichkeit eines wandgerichteten Blasenkollapses reduziert werden kann.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Pumpe in einem Längsschnitt,
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2 einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der Pumpe in vergrößerter Darstellung mit einem Saugventil,
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3 einen in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt des Saugventils in vergrößerter Darstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer schematisch dargestellten Hochdruckpumpe 1, die als Kraftstoffhochdruckpumpe ausgebildet ist und vorzugsweise bei einem Common-Rail-Einspritzsystem verbaut ist. Mittels der Hochdruckpumpe 1 wird von einem Kraftstoffniederdrucksystem, das zumindest einen Tank, einen Filter und eine Niederdruckpumpe aufweist, bereitgestellter Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher gefördert, aus dem der dort gespeicherte Kraftstoff von Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine entnommen wird. Die Zubringung des Kraftstoffes zum Pumpenarbeitsraum erfolgt über ein elektro-magnetisches ansteuerbares Saugventil 2, wobei das elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil nachfolgend noch erläutert wird, an der Hochdruckpumpe verbaut ist.
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Die Hochdruckpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 3 mit einem Nockenwellenraum 5 auf. In den Nockenwellenraum 5 ragt eine Nockenwelle 7 mit einem beispielsweise als Doppelnocken ausgebildeten Nocken 9 hinein. Die Nockenwelle 7 ist in zwei beidseits des Nockens 9 angeordnete und als Radiallager ausgebildeten Lagern in Form eines in dem Pumpengehäuse 3 angeordneten Gehäuselagers 11 und eines Flanschlagers 13, das in einem mit dem Pumpengehäuse 3 verbundenen Flansch 15, der den Nockenwellenraum 5 zur Umgebung hin dicht abschließt, gelagert. Der Flansch 15 weist eine durchgehende Öffnung auf, durch die ein antriebsseitiger Endabschnitt 17 der Nockenwelle 7 hindurch ragt. Der antriebsseitige Endabschnitt 17 weist beispielsweise eine Konus auf, auf den ein Antriebsrad aufgesetzt und gesichert ist. Das Antriebsrad ist beispielsweise als Riemenrad oder Zahnrad ausgebildet. Das Antriebsrad wird von der Brennkraftmaschine direkt oder indirekt beispielsweise über einen Riementrieb oder ein Zahnradgetriebe angetrieben.
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In das Pumpengehäuse 3 ist weiterhin eine Stößelführung 19 eingelassen, in die ein eine Laufrolle 21 aufweisender Rollenstößel 23 eingesetzt ist. Die Laufrolle 21 läuft auf dem Nocken 9 der Nockenwelle 7 bei einer Drehbewegung derselben ab und der Rollenstößel 23 wird somit in der Stößelführung 19 translatorisch auf und ab bewegt. Dabei wirkt der Rollenstößel 23 mit einem Pumpenkolben 18 zusammen, der in einer in einem Pumpenzylinderkopf 27 ausgebildeten Zylinderbohrung 29 ebenfalls translatorisch auf und ab bewegbar angeordnet ist.
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In einem von der Stößelführung 19 und der Pumpenbohrung 29 gebildeten Stößelfederraum 31 ist eine Stößelfeder 33 angeordnet, die sich einerseits an dem Pumpenzylinderkopf 27 und andererseits an dem Rollenstößel 23 abstützt und eine dauerhafte Anlage der Laufrolle 21 auf dem Nocken 9 in Richtung der Nockenwelle 7 sicherstellt. In dem Pumpenzylinderkopf 27 ist in Verlängerung des Pumpenkolbens 18 ein Pumpenarbeitsraum 35 gebildet, in den über das elektro-magnetisches ansteuerbares Saugventil 2 Kraftstoff eingebracht wird. Die Einbringung des Kraftstoffs erfolgt bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 18, während bei einer Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 18 in dem Pumpenarbeitsraum 35 befindlicher Kraftstoff über einen Hochdruckauslass 39 mit einem eingesetzten Auslassventil 16 über eine weiterführende Hochdruckleitung in den Hochdruckspeicher gefördert wird. Die Hochdruckpumpe 1 ist insgesamt kraftstoffgeschmiert, wobei der Kraftstoff von dem Niederdrucksystem in den Nockenwellenraum 5 gefördert wird, der mit dem Saugventil 2 strömungsverbunden ist. Dieses elektro-magnetisches ansteuerbare Saugventil 2 und dessen Funktionalität wird im Folgenden beschrieben. Im Saugbetrieb der Hochdruckpumpe 1 ist das elektro-magnetisch ansteuerbare Saugventil 2 geöffnet und eine Verbindung des Pumpenarbeitsraums 35 mit dem Kraftstoffzulauf 26 hergestellt, so dass dem Pumpenarbeitsraum 35 über das Saugventil 2 Kraftstoff zugeführt wird. Im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe 1 wird der dem Pumpenarbeitsraum 35 zugeführte Kraftstoff verdichtet und über das in dem Hochdruckauslass 39 angeordnete Hochdruckventil 16 einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt. Im Verdichtungsbetrieb der Hochdruckpumpe 1, bei dem sich der Pumpenkolben 18 aufwärts bewegt, ist das Saugventil 2 geschlossen, wenn eine Kraftstoffförderung erfolgen soll, und dichtet den Pumpenarbeitsraum 35 gegenüber dem Kraftstoffzulauf 26 ab.
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Das in 2 dargestellte, an die Hochdruckpumpe 1 angebaute elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil 2, weist ein kolbenförmiges Ventilelement 14 auf, welches in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 12 beaufschlagt wird, die daher nachfolgend als Schließfeder 12 bezeichnet wird. Das kolbenförmige Ventilelement 14 weist einen Schaft 25, insbesondere einen zylindrisch geformten Schaft 25, und einen vergrößerten Kopf 34 auf. Zudem weist der Pumpenzylinderkopf 27 im Kontakbereich zum geschlossenen Ventilelement 14 einen Ventilsitz 36 auf. Das kolbenförmige Ventilelement 14 ist über den Schaft 25 in einer Bohrung 38 in dem Pumpenzylinderkopf 27 geführt und weist den im Durchmesser gegenüber dem Schaft 25 vergrößerten Kopf 34 auf. An diesem vergrößerten Kopf 34 des Ventilelements 14 ist eine Dichtfläche 37 ausgebildet, die in Schließstellung des Ventilelements 14 an dem Ventilsitz 36 im Pumpenzylinderkopf 27 zur Anlage kommt. Dadurch ist der Pumpenarbeitsraum 35 vom Kraftstoffzulauf 26 getrennt und es kann kein Kraftstoff zurückströmen.
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In 2 werden zudem die Elemente eines elektromagnetischen Aktors dargestellt: Dieser weist einen Magnetanker 10 mit einer zylindrischen Außenkontur und einer zentrale Bohrung 32 auf. Eine starke Druckfeder 4 ist zudem in diese zentrale Bohrung 32 des Magnetankers 10 eingelassen, die eine axiale Kraft auf den Magnetanker 10 zum Ventilelement 14 hin ausübt. Der Magnetanker 10 wird zudem hubbeweglich in einem Trägerelement 40 axial geführt. In radialer Richtung umgibt den Magnetanker 10 eine Magnetspule 6, die bei Bestromung ein Magnetfeld ausbildet und somit eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 ausüben kann.
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Das Ventilelement 14 steht direkt oder über ein Zwischenelement 8 in Kontakt mit dem Magnetanker 10, wobei beide Elemente in axialer Richtung nicht miteinander verbunden sind, sondern nur durch magnetische Kräfte und Federkräfte in Anlage miteinander gehalten werden. Das Zwischenelement 8 ist in den Magnetanker 10 eingebracht, insbesondere kann das Zwischenelement 8 in den Magnetanker 10 einpresst sein, so dass eine kraftschlüssige Verbindung erzielt wird. Der Magnetanker 10 für sich genommen oder die Kombination des Magnetankers 10 mit dem Zwischenelement 8 bilden ein Betätigungselement 8, 10. In axialer Richtung wirkt die starke Druckfeder 4 auf das Zwischenelement 8 und den Magnetanker 10. Die starke Druckfeder sorgt in unbestromten Zustand dafür, dass das Zwischenelement 8 auf das Ventilelement 14 wirkt und es in geöffneter Position hält. Dem wirkt zwar die Schließfeder 12 entgegen, da jedoch die starke Druckfeder 4 eine höhere Federkraft besitzt wird das Ventilelement 14 in geöffnetem Zustand gehalten. Durch eine Bestromung des Magnetankers 10 mittels der Magnetspule 6 bewegt sich der Magnetanker 10 gegen die Kraft der Druckfeder 4 vom Ventilelement 14 weg, um den Arbeitsluftspalt 28 zu schließen. Durch das Wegbewegen verliert das Zwischenelement 8 den kraftschlüssigen Kontakt zum Ventilelement 14 wodurch sich das Ventilelement 14 durch die Kraft der Schließfeder 12 in Richtung geschlossener Zustand bewegt. In vollständig geschlossenem Zustand des Ventilelements 14 liegt dieses mit der Dichtfläche 37 am Ventilsitz 36 des an und dichtet den Pumpenarbeitsraum 35 gegenüber dem Kraftstoffzulauf 26 ab.
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Der in 3 dargestellte Auschnitt III zeigt den detaillierten Kontaktbereich zwischen dem Zwischelement 8 und dem Ventilelement 14. Beide Elemente haben einander zugewandte Stirnseiten, die zumindest teilweise miteinander in mechanischem Kontakt stehen können. In 3 ist zu erkennen, dass die Bereiche des mechanischen Kontakts 24 zwischen dem Ventilelement 14 und dem Betätigungselement 8, 10 und die Zone 22, in der Kavitation auftreten kann, räumlich voneinander getrennt sind. Dies wird dadurch erreicht, dass der mechanische Kontakt zwischen dem Betätigungselement 8, 10 und dem Ventilelement 14 annähernd zentral unterbrochen ist, da hier die Zone 22 vorhanden ist, in der Kavitation entstehen kann, und dass der Bereich des mechanischen Kontaktes 24 stattdessen mittels einer ringförmigen Kontaktfläche um die zentrale Zone der Kavitation angeordnet ist. Diese Trennung der Bereiche des mechanischen Kontaktes 24 und der Zone der Kavitation 22 kann mittels einer muldenförmigen Aussparung 20 erzielt werden. Diese muldenförmige Aussparung 20 kann sich entweder im Betätigungselement 8, 10 oder im Ventilelement 14 oder aber in den beiden Elementen 8 und 14 befinden.
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Eine weitere Spezifizierung des Bereichs des mechanischen Kontaktes ist durch eine ballige Ausformung der Kontaktkontur 30 gegeben. Da das Ventilelement 14 und des Betätigungselement 8, 10 durch unterschiedliche Elemente geführt und gelagert sind, kann es zu Positionierungsfehlern beider Elemente zueinander kommen, die sich durch Winkelfehler oder durch eine Desaxierung ergeben. Diese ballige Ausformung einer oder beider Flächen jeweils des Ventilelements 14 und des Betätigungselements 8, 10, die miteinander in Kontakt stehen, ermöglicht einen tangentialen Kontakt im gesamten Lagefehlertoleranzbereich und somit besteht eine stets ringförmige Kontaktfläche zwischen den beiden Elementen 8 und 14. Durch diese ringförmige Kontaktfläche werden Flächenpressung und Verschleiss reduziert und die Belastbarkeit durch axiale Kräft erhöht.
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Die jeweilige Gestalt der muldenförmigen Aussparungen kann im Betätigungselement 8, 10 und im Ventilelement 14 jeweils unterschiedlich geartet sein, insbesondere dass die jeweiligen Aussparungen nicht deckungsgleich ausgeformt sind. Diese Ausformung der jeweiligen Aussparungen des Betätigungselements 8, 10 und des Ventilelements 14 kann sich so darstellen, dass die jeweiligen Aussparungen im Randbereich Ihrer Querschnittsausdehnung nicht deckungsgleich auslaufen, insbesondere dass eine der beiden Aussparungen im Randbereich einen größeren Querschnitt aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027745 A1 [0002, 0003]
