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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem dient der Förderung von Kraftstoff auf Hochdruck. Die Hochdruckpumpe weist hierzu mindestens ein Pumpenelement mit einem Hochdruck-Elementraum und einem hubbeweglichen Pumpenkolben auf. Über die Hubbewegung des Pumpenkolbens wird im Hochdruck-Elementraum vorhandener Kraftstoff komprimiert und anschließend über einen Hochdruckabgang einem Hochdruckspeicher zugeführt. Die Befüllung des Hochdruck-Elementraums mit Kraftstoff erfolgt über ein Saugventil, das als mechanisches Saugventil oder als elektromagnetisch betätigbares Saugventil ausgebildet sein kann.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 218 713 A1 ist ein Saugventil für eine Hochdruckpumpe bekannt, das elektromagnetisch ansteuerbar ist und auf diese Weise die Zumessung einer definierten Kraftstoffmenge ermöglicht. Bei Nullförderung oder Teilförderung der Hochdruckpumpe bleibt das Saugventil zumindest zeitweise geöffnet, um einen Teil der angesaugten Kraftstoffmenge wieder zurück in einen als Zulauf dienenden Niederdruckbereich zu pressen. Dabei treten im Niederdruckbereich Druckpulsationen auf, die zur Ausbildung lokaler Unter- und Überdruckgebiete führen. Erreicht der Unterdruck eine kritische Grenze, bilden sich Gasblasen aus, die bei erneutem Druckanstieg implodieren und zu Schäden an den angrenzenden Bauteilen führen können. Dieser Effekt wird Kavitation bzw. Kavitationserosion genannt.
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Ein hinsichtlich Kavitation besonders kritischer Bereich stellt bei einem elektromagnetisch betätigbaren Saugventil der Kontaktbereich zwischen einem Anker und einem Ventilstößel dar. Denn ein erhöhter Verschleiß im Kontaktbereich kann Auswirkungen auf die Befüllung und damit auf den Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe haben.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 218 713 A1 wird daher bereits eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Druckpulsationen vorgeschlagen, die zumindest teilweise in das Saugventil integriert ist. Die Dämpfungseinrichtung umfasst ein gasgefülltes Ausgleichsvolumen, das von einem Druckraum des Saugventils mittels einer elastischen Membran abgetrennt ist.
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Derartige Dämpfungseinrichtungen erfordern zusätzlichen Bauraum, der nicht immer vorhanden ist. Dies gilt insbesondere, wenn das Saugventil in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe integriert ist, wie dies beispielhaft in der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 210 107 A1 dargestellt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe mit integriertem Saugventil anzugeben, bei der das Kavitationsrisiko, insbesondere im Kontaktbereich zwischen einem Anker und einem Ventilstößel des Saugventils, deutlich gemindert ist. Dadurch soll die Robustheit des Saugventils bzw. der Hochdruckpumpe gesteigert werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagene Hochdruckpumpe umfasst ein Gehäuseteil mit einer Zylinderbohrung, in der ein Hochdruck-Elementraum ausgebildet ist, wobei in das Gehäuseteil zur Befüllung des Hochdruck-Elementraums mit Kraftstoff ein Saugventil integriert ist. Das Saugventil umfasst einen hubbeweglichen und von der Federkraft einer Ventilfeder in Schließrichtung belasteten Ventilstößel, der im Bereich eines mit einem hubbeweglichen Anker koppelbaren Endabschnitts von einem Ventilkörper umgeben ist. Erfindungsgemäß weist der Ventilkörper einen Kragenabschnitt auf, der in einen im Gehäuseteil ausgebildeten, ringförmigen Druckraum hineinragt und mit einer den ringförmigen Druckraum radial innen begrenzenden Erhebung des Gehäuseteils einen Drosselspalt ausbildend zusammenwirkt. Der Kragenabschnitt des Ventilkörpers bewirkt eine Abschirmung eines innerhalb des Kragenabschnitts ausgebildeten Druckraums gegenüber dem ringförmigen Druckraum des Gehäuseteils. Denn ein Volumenausgleich zwischen den beiden Druckräumen ist nur über den Drosselspalt möglich. Dieser verhindert, dass im ringförmigen Druckraum des Gehäuseteils auftretende Druckpulsationen in den Druckraum des Ventilkörpers eingetragen werden. Damit sinkt das Kavitationsrisiko im Druckraum des Ventilkörpers. Da der Ventilkörper den Endabschnitt des Ventilstößels umgibt, kommt dieser in dem abgeschirmten Druckraum zu liegen. In der Folge wird durch die Abschirmung des Druckraums der Kontaktbereich des Ankers mit dem Endabschnitt des Ventilstößels vor Kavitationserosion geschützt. Auf diese Weise steigt die Robustheit des Saugventils. Darüber hinaus werden am Anker ausgebildete weitere Kontakt- und/oder Anschlagflächen vor Kavitationserosion geschützt, so dass eine deutliche Robustheitssteigerung erzielbar ist. Die Robustheitssteigerung des Saugventils wiederum wirkt sich günstig auf die Lebensdauer der Hochdruckpumpe aus.
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Die Abschirmung des innerhalb des Kragenabschnitts des Ventilkörpers ausgebildeten Druckraums erfordert kein zusätzliches Bauteil. Es muss lediglich die Ausgestaltung des Ventilkörpers und/oder des Gehäuseteils geringfügig verändert werden. Der Bauraumbedarf des Saugventils bleibt somit weitgehend unverändert. Ferner bleibt der Montageaufwand gleich.
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Vorteilhafterweise ist der Drosselspalt als Radialspalt ausgebildet. In diesem Fall ist der Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts unabhängig von etwaigen axialen Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen. Ferner kann die erforderliche Hubeinstellung des Saugventils ohne Einfluss auf den Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts vorgenommen werden.
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Zur Ausbildung des Radialspalts ist vorzugsweise der Kragenabschnitt des Ventilkörpers zumindest im Bereich des Drosselspalts hohlzylinderförmig ausgebildet. Der hohlzylinderförmige Abschnitt des Kragenabschnitts des Ventilkörpers bildet eine Art „Spoiler“ aus, der einerseits eine abweisende bzw. abschirmende Funktion hat, andererseits die Strömung im ringförmigen Druckraum des Gehäuseteils der Hochdruckpumpe optimiert.
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Des Weiteren bevorzugt ist zur Ausbildung des Radialspalts die Erhebung des Gehäuseteils zumindest im Bereich des Drosselspalts zylinderförmig ausgebildet. Die Zylinderform der Erhebung gewährleistet einen definierten und konstanten Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der im Gehäuseteil ausgebildete ringförmige Druckraum einen im Wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweist, so dass die den Druckraum radial innen begrenzende Erhebung eine kegelstumpfförmige Basis besitzt. Die kegelstumpfförmige Basis gewährleistet eine optimale Lastabtragung der auf die Erhebung einwirkenden Abstütz- und/oder Anschlagkräfte in das Gehäuseteil, so dass die mechanische Festigkeit der Hochdruckpumpe steigt.
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Vorzugsweise ist die Erhebung des Gehäuseteils von einer Bohrung durchsetzt, die koaxial zur Zylinderbohrung angeordnet ist und über mindestens eine schräg und/oder radial verlaufende Zulaufbohrung mit dem ringförmigen Druckraum verbunden ist. Der Zulauf der Hochdruckpumpe erfolgt somit über den ringförmigen Druckraum des Gehäuseteils, die mindestens eine schräg und/oder radial durch die Erhebung verlaufende Zulaufbohrung und die die Erhebung durchsetzende Bohrung. Als Teil des Zulaufs ist dieser Bereich besonders stark von Druckpulsationen belastet, so dass die Abschirmung des innerhalb des Kragenabschnitts des Ventilkörpers ausgebildeten Druckraums gegenüber diesem Bereich besonders wirkungsvoll ist.
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Die koaxial zur Zylinderbohrung angeordnete Bohrung geht weiterhin vorzugsweise über einen Ventilsitz in den Hochdruck-Elementraum über. Das heißt, dass der mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilstößel zumindest abschnittsweise in der Bohrung aufgenommen ist. Vorzugsweise ist die Bohrung als Stufenbohrung ausgeführt und weist einen Abschnitt mit einem Innendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser des Ventilstößels angepasst ist. Auf diese Weise wird eine Führung des Ventilstößels erreicht. Im Mündungsbereich der mindestens einen schräg und/oder radial verlaufenden Zulaufbohrung stromaufwärts des Ventilsitzes ist der Innendurchmesser der Bohrung aufgeweitet, um den Zulauf von Kraftstoff zu gewährleisten.
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Zur Abstützung und/oder Führung der Ventilfeder weist die Erhebung des Gehäuseteils bevorzugt einen ringförmigen Absatz oder eine in den Absatz eingearbeitete Ringnut auf. Die Ringnut besitzt den Vorteil, dass ferner eine Zentrierung und radiale Lagefixierung der Ventilfeder bewirkt wird. Über die Flanken der Ringnut wird die Ventilfeder zugleich geführt. Der Absatz bzw. die Ringnut sind zur gehäuseseitigen Abstützung und/oder Führung der Ventilfeder innerhalb des Kragenabschnitts des Ventilkörpers angeordnet. Andernends ist die Ventilfeder bevorzugt an einem Federteller abgestützt, der den Ventilstößel umgibt und mit diesem fest verbunden ist.
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Der zur Abstützung und/oder Führung vorgesehene Absatz wird vorzugsweise radial außen von einem zylinderförmigen Wandabschnitt begrenzt. Die Ringnut, sofern vorgesehen, wird vorzugsweise radial außen von einem hohlzylinderförmigen Wandabschnitt begrenzt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wirkt die Erhebung des Gehäuseteils im Bereich dieses zylinderförmigen bzw. hohlzylinderförmigen Wandabschnitts den Drosselspalt ausbildend mit dem Kragenabschnitt des Ventilkörpers zusammen. Die zur Ausbildung des Drosselspalts erforderlichen baulichen Veränderungen am Gehäuseteil der Hochdruckpumpe können auf diese Weise minimal gehalten werden. Zugleich wird ein genau definierter, konstanter Radialspalt als Drosselspalt geschaffen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ventilkörper zumindest abschnittsweise in das Gehäuseteil eingesetzt und mittels einer am Ventilkörper abgestützten und mit einem Kragenabschnitt des Gehäuseteils verschraubten Überwurfmutter gegen das Gehäuseteil axial vorgespannt ist. Die Überwurfmutter erleichtert die Montage der Hochdruckpumpe. Ferner kann über die Anziehkraft der Überwurfmutter eine axiale Vorspannung des Ventilkörpers gegenüber dem Gehäuseteil bewirkt werden, welche die Abdichtung nach außen verbessert. Bevorzugt ist zwischen dem Ventilkörper und dem Gehäuseteil ein ringförmiges Einstellelement zur Hubeinstellung angeordnet. Über das Einstellelement können axiale Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen ausgeglichen werden, so dass eine exakte Hubeinstellung möglich ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anker als Tauchanker ausgeführt ist. Das heißt, dass der Anker während seines Hubs in eine zentrale Ausnehmung des Elektromagneten eintaucht. Der Bauraumbedarf in axialer Richtung kann auf diese Weise gesenkt werden. Zugleich können große Hübe realisiert werden.
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Vorteilhafterweise ist in den Anker ein Kontaktstift zur Kopplung mit dem Endabschnitt des Ventilstößels eingesetzt. Die mehrteilige Ausführung des Ankers besitzt den Vorteil, dass unterschiedliche Werkstoffe einsetzbar sind. Der Werkstoff eines Teils kann somit der jeweiligen Funktion des Teils optimal angepasst werden. Beispielsweise kann der Kontaktstift aus einem besonders harten Werkstoff gefertigt sein, so dass der Kontaktbereich weniger verschleißbehaftet ist. Der Anker kann demgegenüber aus einem weniger verschleißfesten Werkstoff gefertigt sein, so dass insbesondere ein Werkstoff wählbar ist, der hervorragende magnetische Eigenschaften besitzt.
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Der Kontaktstift ist vorzugsweise in den Anker eingepresst, so dass der Anker und der Kontaktstift fest verbunden sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe im Bereich eines in die Hochdruckpumpe integrierten Saugventils.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Der Figur ist ein Gehäuseteil 1 einer Hochdruckpumpe mit einer Zylinderbohrung 2 zu entnehmen, in der ein Hochdruck-Elementraum 3 ausgebildet ist. Zur Befüllung des Hochdruck-Elementraums 3 mit Kraftstoff ist in das Gehäuseteil 1 ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil 4 integriert. Dieses umfasst einen hubbeweglichen Ventilstößel 6, der in Schließrichtung von der Federkraft einer Ventilfeder 5 beaufschlagt ist. Die Ventilfeder 5 ist hierzu einerseits an einem mit dem Ventilstößel 6 fest verbundenen Federteller 24, andererseits an einer zentralen Erhebung 12 des Gehäuseteils 1 abgestützt, die einen im Gehäuseteil 1 ausgebildeten ringförmigen Druckraum 11 begrenzt.
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Der Ventilstößel 6 ist entgegen der Federkraft der Ventilfeder 5 von der Federkraft einer weiteren Feder 25 beaufschlagt, deren Federkraft größer als die der Ventilfeder 5 ist. Die weitere Feder 25 ist einerseits an einem Anker 7 bzw. an einem in den Anker 7 eingesetzten Kontaktstift 23 zur Kontaktierung des Ventilstößels 6, andererseits an einem Polkern 26 eines Elektromagneten 27 abgestützt. Bei unbestromtem Elektromagneten 27 hält die Federkraft der Feder 25 das Saugventil 4 geöffnet. Wird der Elektromagnet 27 bestromt, bewegt sich der Anker 7 entgegen der Federkraft der Feder 25 in Richtung des Polkerns 26, wobei er sich vom Ventilstößel 6 löst. Die Federkraft der Ventilfeder 5 vermag nunmehr den Ventilstößel 6 in einen Ventilsitz 17 zu ziehen, so dass das Saugventil 4 schließt. Zum erneuten Öffnen des Saugventils 4 wird die Bestromung des Elektromagneten 27 beendet, so dass die Rückstellung des Ankers 7 über die Feder 25 bewirkt wird. Dabei gelangt der Anker 7 bzw. der in den Anker 7 eingesetzte Kontaktstift 23 in Kontakt mit dem Ventilstößel 6 und hebt diesen – entgegen der Federkraft der Ventilfeder 5 – aus dem Ventilsitz 17. Das Saugventil 4 öffnet.
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Zur Aufnahme und Führung des Ventilstößels 6 ist in der zentralen Erhebung 12 des Gehäuseteils 1 der Hochdruckpumpe eine koaxial zur Zylinderbohrung 2 angeordnete Bohrung 15 ausgebildet, die dem Ventilsitz 17 vorgelagert und als Stufenbohrung ausgeführt ist. Ein zur Kopplung mit dem Anker 7 bzw. dem Kontaktstift 23 vorgesehener Endabschnitt 8 des Ventilstößels 6 ist durch die Bohrung 15 hindurch geführt. Der Endabschnitt 8 ist von einem Ventilkörper 9 umgeben, der auch den Anker 7 aufnimmt. Hierzu weist der Ventilkörper 9 eine zentrale Ausnehmung auf, die einen Druckraum 28 ausbildet.
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Zur Abschirmung des Druckraums 28 gegenüber dem ringförmigen Druckraum 11 des Gehäuseteils 1 weist der Ventilkörper 9 einen Kragenabschnitt 10 auf, der in den ringförmigen Druckraum 11 hineinragt. Das heißt, dass die zentrale Erhebung 12 des Gehäuseteils 1 in den Kragenabschnitt 10 eingreift. Die jeweiligen Durchmesser sind so gewählt, dass zwischen dem Kragenabschnitt 10 und der Erhebung 12 ein Drosselspalt 13 ausgebildet wird. Der Drosselspalt 13 verhindert den Eintrag von Druckpulsationen in den Druckraum 28 des Ventilkörpers 9 und gewährleistet zugleich einen Volumenausgleich. Da Druckpulsationen aus dem ringförmigen Druckraum 11 des Gehäuseteils 1 nicht in den Druckraum 28 des Ventilkörpers 9 eingetragen werden, verringert sich die Kavitationsgefahr im Druckraum 28. Auf diese Weise wird insbesondere der Kontaktbereich zwischen dem Anker 7 bzw. dem Kontaktstift 23 und dem Ventilstößel 6 vor Kavitationserosion geschützt.
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Der Drosselspalt 13 ist als Radialspalt ausgebildet und wird radial außen von einem hohlzylinderförmigen Abschnitt des Kragenabschnitts 10 des Ventilkörpers 9 und radial innen von einem zylinderförmigen Abschnitt der Erhebung 12 des Gehäuseteils 1 begrenzt. Axiale Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen haben somit keinen Einfluss auf den Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts 13. Ferner kann der Hub des Saugventils 4 unabhängig vom Öffnungsquerschnitt des Drosselspalts 13 eingestellt werden. Die Hubeinstellung erfolgt über ein ringförmiges Einstellelement 22, das zwischen dem Ventilkörper 9 und dem Gehäuseteil 1 angeordnet ist. Zur Fixierung der Einstellung ist eine Überwurfmutter 21 vorgesehen, die am Ventilkörper 9 axial abgestützt und mit einem Kragenabschnitt 20 des Gehäuseteils 1 verschraubt ist, so dass der Ventilkörper 9 gegen das Gehäuseteil 1 axial vorgespannt ist.
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Der den Drosselspalt 13 radial innen begrenzende zylinderförmige Abschnitt der Erhebung 12 des Gehäuseteils 1 begrenzt einen ringförmigen Absatz 18, in den eine Ringnut 19 zur Abstützung, Zentrierung und Führung der Ventilfeder 5 eingelassen ist. Der zylinderförmige Abschnitt geht in eine kegelstumpfförmige Basis 14 der Erhebung 12 über, in welcher schräg verlaufende Zulaufbohrungen 16 zur Verbindung der Bohrung 15 mit dem ringförmigen Druckraum 11 ausgebildet sind. Der Zulauf von Kraftstoff führt demnach über den ringförmigen Druckraum 11, die Zulaufbohrungen 16, die Bohrung 15 und den Ventilsitz 17 in den Hochdruck-Elementraum 3.
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Bleibt im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe das Saugventil zumindest zeitweise geöffnet, um eine überschüssige Menge Kraftstoff aus dem Hochdruck-Elementraum 3 zurück in den Zulaufbereich zu drücken, führt dies zu Druckpulsationen im Druckraum 11. Diese bleiben jedoch auf den Zulaufbereich beschränkt und werden nicht in den Druckraum 28 eingetragen, da über den Kragenabschnitt 10 und den Drosselspalt 13 eine effektive Abschirmung bewirkt wird. Das Kavitationsrisiko im Druckraum 28 wird auf diese Weise gemindert, so dass die Robustheit des Saugventils bzw. die Robustheit der Hochdruckpumpe steigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218713 A1 [0003, 0005]
- DE 102012210107 A1 [0006]
