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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, die zudem aufgrund der hohen Anschlagimpulse auf Verschleiß beansprucht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem anzugeben, das robuster ist und demzufolge eine hohe Lebensdauer besitzt. Ferner soll das Saugventil einfach und kostengünstig herstellbar sein.
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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 wird die mechanische Kopplung des Ankers mit dem Ventilstößel über einen Kontaktstift bewirkt, der relativ beweglich gegenüber dem Anker im Anker gelagert und von der Federkraft der Rückstellfeder in Richtung einer im Anker ausgebildeten Anlageschulter beaufschlagt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil ist kein unmittelbarer Kontakt des Ankers zum Ventilstößel herstellbar. Die Kontaktierung wird stattdessen mittelbar über den Kontaktstift bewirkt. Da der Kontaktstift relativ beweglich gegenüber dem Anker ist, werden auf den Kontaktstift einwirkende Anschlagimpulse im Wesentlichen nicht auf den Anker übertragen. Entsprechend verringert der Kontaktstift die Belastung des Ankers, so dass er weniger auf Verschleiß beansprucht wird.
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Darüber hinaus besitzt der Kontaktstift eine dämpfende Wirkung, wenn sich der Anker bei Bestromung des Elektromagneten in Richtung einer „oberen“ Endlage bewegt. Denn mit Erreichen der oberen Endlage setzt der Kontaktstift seinen Hub fort. Das heißt, dass sich der Kontaktstift – entgegen der Federkraft der Rückstellfeder – relativ zum Anker bewegt. Der Freihub des Kontaktstifts wird durch die Rückstellfeder begrenzt, die eine Art „weichen“ Anschlag ausbildet, so dass hierüber der Anschlagimpuls deutlich reduziert wird. Dies wirkt sich verschleißmindernd aus, so dass die Robustheit des Saugventils weiter steigt.
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Indem der Kontaktstift bei der Montage lediglich lose in den Anker eingesetzt wird, vereinfacht sich die Herstellung des Saugventils. Denn Fügeprozesse, wie beispielsweise Press-, Schweiß-, Schraub- und/oder Klebeprozesse, zur Verbindung von Anker und Kontaktstift sind grundsätzlich entbehrlich. Mit Wegfall derartiger Fügestellen, die im Betrieb des Saugventils starken Beanspruchungen ausgesetzt sind, entfallen weitere robustheitskritische Bereiche.
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Gleichwohl der Kontaktstift bei der Montage lediglich lose in den Anker eingesetzt wird, besteht kaum die Gefahr des Herausfallens, da der Kontaktstift über die im Anker ausgebildete Anlageschulter gehalten wird.
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Die Abstützung des Kontaktstifts an der Anlageschulter des Ankers stellt sicher, dass der Kontaktstift bei einer Bewegung des Ankers in Richtung der oberen Endlage zumindest über einen Teilhubbereich mitgeführt wird. Bei der Rückstellung des Ankers bewirkt die Abstützung des Kontaktstifts an der Anlageschulter des Ankers, dass der Kontaktstift den Anker mitführt. Denn die Rückstellfeder ist am Kontaktstift abgestützt.
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Bevorzugt ist die Anlageschulter in einer den Anker durchsetzenden, zentral angeordneten Axialbohrung ausgebildet. Das heißt, dass sich die Axialbohrung vorzugsweise von einer Stirnfläche des Ankers bis zur anderen Stirnfläche erstreckt. Dies erleichtert das Einsetzen des Kontaktstifts. Zur Ausbildung der Anlageschulter kann die Axialbohrung beispielsweise gestuft ausgeführt sein. Die Stufe in Form eines radial verlaufenden Absatzes bildet dann die Anlageschulter aus.
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Zur Ausbildung der Anlageschulter kann die Axialbohrung alternativ oder ergänzend einen Abschnitt mit einer konisch oder sphärisch geformten Innenkontur aufweisen. Das heißt, dass die Axialbohrung zumindest in einem Abschnitt konisch oder sphärisch geformt ist. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass über den konisch oder sphärisch geformten Abschnitt eine automatische Zentrierung des Kontaktstifts in Bezug auf den Anker erreichbar ist. Die sphärische Innenkontur ermöglicht darüber hinaus ein Ausrichten des Kontaktstifts.
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Vorteilhafterweise besitzt der Kontaktstift zur Abstützung an der Anlageschulter einen Abschnitt mit einer gestuften, konisch oder sphärisch geformten Außenkontur. Das heißt, dass der Kontaktstift bevorzugt eine Außenkontur besitzt, die gegengleich zur Innenkontur der Axialbohrung des Ankers ausgebildet ist. Dadurch ist eine automatische Zentrierungsfunktion der beiden Bauteile zueinander sichergestellt.
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Des Weiteren bevorzugt besitzt der Kontaktstift einen Abschnitt mit einer Stirnfläche, über welche der Kontakt zum Ventilstößel herstellbar ist. Die Stirnfläche bildet demnach die Kontakt- bzw. Anschlagfläche aus. Vorzugsweise ist der Kontaktstift derart in den Anker eingesetzt, dass der die Stirnfläche aufweisende Abschnitt den Anker in axialer Richtung überragt. Ein direkter Kontakt des Ankers mit dem Ventilstößel wird auf diese Weise sicher vermieden. Ferner kann über die ebene Stirnfläche des Kontaktstifts ein etwaiger fertigungs- und/oder montagebedingter Achsversatz zwischen den Längsachsen von Kontaktstift und Ventilstößel ausgeglichen werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Kontaktstift einen Abschnitt mit einer Stützfläche zur Abstützung der Rückstellfeder besitzt. Der die Stützfläche aufweisende Abschnitt weist vorzugsweise einen vergrößerten Außendurchmesser auf. Das heißt, dass die Stützfläche – vom Ventilstößel aus gesehen – „hinter“ der Anlageschulter liegt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Federkraft der Rückstellfeder den Kontaktstift gleichmäßig gegen die Anlageschulter drückt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der die Stützfläche aufweisende Abschnitt zumindest abschnittsweise hülsenförmig ausgebildet ist. Die Stützfläche ist in diesem Fall am Ende des hülsenförmigen Abschnitts ausgebildet, so dass die Rückstellfeder über den hülsenförmigen Abschnitt geführt ist.
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Bevorzugt ist der Anker als Tauchanker ausgeführt. Über einen als Tauchanker ausgebildeten Anker sind im Vergleich zu einem als Flachanker ausgebildeten Anker größere Hübe realisierbar. Zur Realisierung eines Druckausgleichs bei einer Hubbewegung des Ankers wird 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 reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Anker zumindest abschnittsweise in einer zentralen Ausnehmung eines Ventilkörpers aufgenommen. Die Aufnahme kann in der Weise erfolgen, dass der Anker über den Ventilkörper geführt ist. Ferner bevorzugt definiert ein im Ventilkörper ausgebildeter Absatz oder ein an dem Absatz abgestützter Ringkörper eine erste Endlage des Ankers, wobei es sich um die „untere“ Endlage handelt. Über die Höhe des Ringkörpers ist der Hub des Ankers einstellbar. Die „obere“ zweite Endlage des Ankers ist vorzugsweise durch einen Innenpolkörper vorgegeben.
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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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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Diese zeigen:
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1a–c jeweils einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines in eine Hochdruckpumpe integrierten erfindungsgemäßen Saugventils, wobei die 1a–c jeweils unterschiedliche Betriebszustände darstellen,
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2 einen Längsschnitt durch einen Kontaktstift für ein erfindungsgemäßes Saugventil,
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3 einen Längsschnitt durch einen Anker für ein erfindungsgemäßes Saugventil und
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4 einen Längsschnitt durch den Anker der 3 mit dem Kontaktstift der 2.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Saugventil dient der Befüllung einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Das Saugventil ist hierzu in ein Gehäuseteil 21 der Hochdruckpumpe integriert. Das Gehäuseteil 21 bildet einen Ventilsitz 22 aus, über den das Saugventil in einen Hochdruck-Elementraum 23 der Hochdruckpumpe öffnet.
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Das Saugventil umfasst einen mit dem Ventilsitz 22 zusammenwirkenden hubbeweglichen Ventilstößel 3, der in Schließrichtung von der Federkraft einer Schließfeder 5 beaufschlagt ist. Die Schließfeder 5 ist als Schraubendruckfeder ausgebildet, die den Ventilstößel 3 bereichsweise umgibt und einerseits am Gehäuseteil 21, andererseits an einem Federteller 24 abgestützt ist.
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In Öffnungsrichtung wird der Ventilstößel 3 indirekt über einen Kontaktstift 6, der in einen Anker 2 eingesetzt ist, von der Federkraft einer Rückstellfeder 4 beaufschlagt, deren Federkraft größer als die der Schließfeder 5 ist. Bei unbestromtem Elektromagneten 1 ist demnach das Saugventil geöffnet.
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Um das Saugventil zu schließen, muss der Elektromagnet 1 bestromt werden. Die Bestromung des Elektromagneten 1 führt zum Aufbau eines Magnetfelds, dessen Magnetkraft den Anker 2 – entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 4 – in Richtung eines Innenpolkörpers 20 zieht, der die obere Endlage des Ankers 2 definiert. Der Anker 2 führt dabei den Kontaktstift 6 mit, da dieser an einer Anlageschulter 7 abgestützt ist, die in einer Axialbohrung 8 des Ankers 2 ausgebildet ist. Die Axialbohrung 8 besitzt hierzu einen Abschnitt 9, der konisch geformt ist. Am Kontaktstift 6 ist im Bereich eines Abschnitts 10 eine gegengleiche Außenkontur ausgeformt, so dass hierüber die Abstützung an der Anlageschulter 7 erfolgt.
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Während der Aufwärtsbewegung des Ankers 2 löst sich der Kontaktstift 6 vom Ventilstößel 3 (siehe 1b). Der Ventilstößel 3 wird somit entlastet, so dass die Federkraft der Schließfeder 5 den Ventilstößel 3 in den Ventilsitz 22 zu ziehen vermag. Das Saugventil schließt.
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Hat der Anker 2 die obere Endlage erreicht, löst sich der Kontaktstift 6 von der im Anker 2 ausgebildeten Anlageschulter 7 und bewegt sich allein weiter (siehe 1c). Dabei führt der Kontaktstift einen Freihub h aus, der durch die Federkraft der Rückstellfeder 4 abgebremst wird. Das vergleichsweise „weiche“ Anschlagen des Kontaktstifts 6 mindert den Anschlagimpuls des Ankers 2 am Innenpolkörper 20, so dieser weniger stark auf Verschleiß beansprucht wird.
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Verschleißmindernd wirken sich auch Bohrungen 15 aus, die den Anker 2 durchsetzen und einen Druckausgleich ermöglichen, wenn sich der Anker 2 nach oben oder nach unten bewegt. Der Druckausgleich wirkt der Ausbildung von Unterdruckgebieten entgegen, so dass die Kavitationsgefahr gemindert wird.
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Um das Saugventil erneut zu öffnen, wird die Bestromung des Elektromagneten 1 beendet, so dass die Federkraft der Rückstellfeder 4 den Kontaktstift 6 in seine Ausgangslage zurückstellt. Dabei gelangt der Kontaktstift 6 zunächst in Kontakt mit der im Anker 2 ausgebildeten Anlageschulter 7, so dass der Kontaktstift 6 den Anker 2 mitführt. Bevor der Anker 2 seine untere Endlage erreicht hat, die vorliegend durch einen Ringkörper 19 vorgegeben ist, der an einem Absatz 18 innerhalb einer Ausnehmung 16 eines Ventilkörpers 17 abgestützt ist, schlägt der Kontaktstift 6 am Ventilstößel 3 an und hebt diesen aus dem Ventilsitz 22. Das Saugventil öffnet.
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Die Kontaktierung des Ventilstößels 3 beim Öffnen erfolgt über eine Stirnfläche 12, die an einem Abschnitt 11 des Kontaktstifts 6 ausgebildet ist, der den Anker 2 in axialer Richtung überragt. Dadurch ist sichergestellt, dass ausschließlich der Kontaktstift 6 in Kontakt mit dem Ventilstößel 3 gelangt. Andernends weist der Kontaktstift 6 einen Abschnitt 13 auf, der einen gegenüber dem Abschnitt 11 vergrößerten Außendurchmesser besitzt. Der konisch geformte Abschnitt 10 zur Abstützung an der Anlageschulter 7 vermittelt zwischen diesen beiden Außendurchmessern.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, bildet der Abschnitt 13 des Kontaktstifts 6 eine Stützfläche 14 aus, an welcher die Rückstellfeder 4 abstützbar ist. Die Stützfläche 14 wird durch die dem Ventilstößel 3 abgewandte Stirnfläche des Kontaktstifts 6 gebildet. Die dem Ventilstößel 3 zugewandte Stirnfläche 12 des Kontaktstifts 6, die an dem Abschnitt 11 ausgebildet ist, dient der Kontaktierung des Ventilstößels 3.
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Der in der 2 dargestellte Kontaktstift 6 wird in einen Anker 2 eingesetzt, der entsprechend der 3 ausgebildet sein kann. Der in der 3 dargestellte Anker 2 besitzt eine Zylinderform und wird mittig von einer Axialbohrung 8 durchsetzt. Die Innenkontur der Axialbohrung 8 ist weitgehend an die Außenkontur des Kontaktstifts 6 angepasst. Insbesondere weist die Axialbohrung 8 einen Abschnitt 9 auf, der konisch geformt ist und eine Anlageschulter 7 zur Abstützung des Kontaktstifts 6 ausbildet. Über die konisch geformte Anlageschulter 7 wird zugleich eine Zentrierung der beiden Bauteile zueinander bewirkt.
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4 zeigt den Anker 2 der 3 mit einem hierin eingesetzten Kontaktstift 6, der dem Kontaktstift 6 der 2 entspricht. Um zu gewährleisten, dass beim Einsetzen des Kontaktstifts 6 in den Anker 2 eine automatische Zentrierung des Kontaktstifts 6 gegenüber dem Anker 2 erfolgt, weist der Abschnitt 13 des Kontaktstifts 6 einen Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser der Axialbohrung 8 im Bereich des Abschnitts 13 des Kontaktstifts 6 ist, so dass zwischen dem Kontaktstift 6 und dem Anker 2 ein Ringraum 25 verbleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013218713 A1 [0002]
