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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Saugventil dient der Versorgung einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, mit Kraftstoff. 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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Aus der
DE 10 2014 200 339 A1 ist ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, bekannt, das eine ringförmige Magnetspule zum Einwirken auf einen hubbeweglichen Anker und einen Polkern umfasst, der gemeinsam mit dem Anker einen Arbeitsluftspalt begrenzt. Der Polkern dient somit als Hubanschlag für den Anker. Beim Anschlagen des Ankers am Polkern wirken auf den Polkern hohe Anschlagkräfte. Diese werden über mit dem Polkern verbundene Bauteile auf ein Gehäuse einer Hochdruckpumpe übertragen, in welche das Saugventil eingesetzt und mittels einer Verschlussschraube fixiert ist. Da die Anschlagkräfte hohe Werte annehmen können, besteht die Gefahr, dass Bauteilverbindungen und/oder Dichtungen, insbesondere im Bereich einer Schweißverbindung des Polkerns mit einer Hülse vorzeitig versagen. Die Folge können Undichtigkeiten und/oder der Funktionsverlust des Saugventils sein. Um dem entgegen zu wirken, wird in der
DE 10 2014 200 339 A1 vorgeschlagen, den Polkern in Richtung des Ankers axial vorzuspannen. Auf diese Weise soll eine außenumfangseitig angeordnete Schweißnaht, über welche die Schweißverbindung des Polkerns mit der Hülse hergestellt ist, entlastet werden. Die Entlastung der Schweißnaht soll zu einer Steigerung der Robustheit der Schweißverbindung führen und auf diese Weise die Gefahr von Undichtigkeiten in diesem Bereich mindern.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil anzugeben, das besonders verschleiß- und geräuscharm betreibbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird die Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, vorgeschlagene elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil umfasst eine ringförmige Magnetspule zur Einwirkung auf einen Anker, der zwischen zwei Anschlagflächen hin und her bewegbar und zur Schaffung eines Druckausgleichs von mindestens einer Ausgleichsbohrung durchsetzt ist. Erfindungsgemäß ist in der Ausgleichsbohrung eine Staudrossel ausgebildet, mittels welcher bei einer Bewegung des Ankers in Richtung der ersten Anschlagfläche und/oder in Richtung der zweiten Anschlagfläche ein Staudruck erzeugbar ist.
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Bei einer Bewegung des Ankers in Richtung einer Anschlagfläche verkleinert sich das zwischen dem Anker und der Anschlagfläche vorhandene Volumen und Kraftstoff wird aus diesem Volumen über die Ausgleichbohrung auf die andere Seite des Ankers verdrängt. Der auf diese Weise bewirkte Druckausgleich ist erforderlich, um die an das Saugventil gestellten Schaltzeitanforderungen zu erfüllen. Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil wird der über die Ausgleichsbohrung bewirkbare Druckausgleich durch die Staudrossel eingeschränkt, da sich innerhalb der Ausgleichsbohrung ein Staudruck aufbaut, der zur Ausbildung eines Druckpolsters zwischen dem Anker und der Anschlagfläche führt. Die Bewegung des Ankers wird somit kurz vor Erreichen der Anschlagfläche abgebremst, was einen geringeren Anschlagimpuls und damit einen geringeren Verschleiß und eine geringere Geräuschentwicklung zur Folge hat. Das heißt, dass über die Staudrossel eine Endlagendämpfung bewirkbar ist, die in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung und/oder Lage der Staudrossel in nur eine oder in beide Bewegungsrichtungen des Ankers wirksam ist.
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Vorteilhafterweise nimmt die Wirkung der Staudrossel mit der Geschwindigkeit des Ankers zu. Denn die Geschwindigkeit des Ankers beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit durch die Ausgleichbohrung.
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Bevorzugt ist die Staudrossel mittig in Bezug auf die axiale Erstreckung der Ausgleichsbohrung angeordnet. Da die Lage der Staudrossel den Zeitpunkt beeinflusst, wann die dämpfende Wirkung der Staudrossel eintritt, kann über die mittige Anordnung der Staudrossel eine gleichwirkende Endlagendämpfung in beide Bewegungsrichtungen des Ankers erreicht werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Staudrossel symmetrisch in Bezug auf den Querschnitt der Ausgleichsbohrung ausgebildet. Der Anker wird somit gleichmäßig angeströmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Staudrossel durch einen sich nach radial innen in die Ausgleichsbohrung erstreckenden, umlaufenden Steg ausgebildet. Der sich nach radial innen erstreckende Steg führt zu einer Querschnittsverengung, so dass der über die Ausgleichsbohrung verdrängte Kraftstoffstrom im Bereich des Stegs gedrosselt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Steg an mindestens einer Außenfläche, die einer als Hubanschlag für den Anker dienenden Anschlagfläche zugewandt ist, eine strömungslenkende, insbesondere strömungsumlenkende Kontur aufweist. Über die Kontur kann die Wirkung der Staudrossel beeinflusst werden. Vorzugsweise ist die Kontur in der Weise ausgestaltet, dass die Wirkung der Staudrossel verstärkt wird.
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Um dies zu erreichen, kann beispielsweise die strömungslenkende, insbesondere strömungsumlenkende Kontur durch eine umlaufende, im Querschnitt dreieckige Nut in einer Außenfläche des Stegs gebildet werden. Weist der Steg beidseits, das heißt in beiden Außenflächen, dreieckige Nuten auf, ist die Querschnittsform des Stegs trapezförmig, wobei die beiden parallelen Seitenkanten axial ausgerichtet sind und die längere der beiden Seitenkanten radial innen liegend angeordnet ist. Alternativ kann die strömungslenkende, insbesondere strömungsumlenkende Kontur durch eine umlaufende, im Querschnitt teilkreisförmige Nut in einer oder in beiden Außenflächen des Stegs gebildet werden.
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Bevorzugt ist die Ausgleichsbohrung als dezentral angeordnete Axialbohrung ausgeführt. Das heißt, dass die Ausgleichsbohrung bevorzugt exzentrisch angeordnet ist. Die Ausgleichsbohrung liegt demnach außerhalb einer am Anker ausgebildeten Kontaktfläche oder eines in den Anker eingesetzten Kontaktstifts zur mechanischen Kopplung des Ankers mit einem Ventilglied des Saugventils. Vorzugsweise sind mehrere Ausgleichsbohrungen in gleichem Winkelabstand zueinander im Anker ausgebildet, so dass der Anker gleichmäßig durchströmt wird. Die mehreren Ausgleichsbohrungen können alle gleich, das heißt jeweils mit einer Staudrossel, ausgebildet werden. Alternativ kann aber auch nur ein Teil der Ausgleichsbohrungen mit einer Staudrossel ausgestattet werden, so dass über die jeweils anderen Ausgleichsbohrungen weiterhin ein uneingeschränkter Druckausgleich möglich ist.
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Bevorzugt ist eine erste Anschlagfläche an einem Polkern ausgebildet, der mit dem Anker einen Arbeitsluftspalt begrenzt. Die zweite Anschlagfläche kann insbesondere an einem ringförmigen Absatz eines Ventilkörpers oder an einem hieran abgestützten Anschlagelement ausgebildet sein. Das separate Anschlagelement kann aus einem besonders verschleißfesten Werkstoff gefertigt und/oder gehärtet sein, so dass die Verschleißfestigkeit in diesem Bereich weiter gesteigert wird.
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Vorteilhafterweise sind der Polkern und der Ventilkörper über eine Hülse verbunden. Über die Hülse kann bei Wahl eines nichtmagnetischen Werkstoffs eine magnetische Trennung zwischen Polkern und Ventilkörpers bewirkt werden. Ferner kann sie zur Abdichtung des Saugventils nach außen eingesetzt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Anker unmittelbar oder mittelbar über einen Kontaktstift mit einem hubbeweglichen Ventilglied mechanisch koppelbar und in Richtung des Ventilgliedes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Der Anker kann auf diese Weise zur Betätigung des Ventilglieds eingesetzt werden. Über die Feder kann die Rückstellung des Ankers bewirkt werden, wobei vorzugsweise die Federkraft der Feder größer als die Federkraft einer weiteren Feder gewählt ist, die das Ventilglied in Schließrichtung beaufschlagt. Das Saugventil ist in diesem Fall als stromlos offenes Ventil ausgebildet. Da die Bestromung der Magnetspule nur zum Schließen des Ventils erfolgt, kann das Saugventil energieeffizient betrieben werden.
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Die ferner vorgeschlagene Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem, zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein erfindungsgemäßes Saugventil umfasst. Vorzugsweise ist das Saugventil in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe integriert. Auf diese Weise wird eine kompakt bauende Anordnung erreicht.
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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 Saugventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2a) und b) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Ankers,
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3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch ein Saugventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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5 einen vergrößerten Ausschnitt der 4 und
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6 einen schematischen Längsschnitt durch ein Saugventil gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch ansteuerbare Saugventil dient der Versorgung einer Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Das Saugventil ist vorliegend in ein Gehäuseteil 18 der Hochdruckpumpe integriert. Das heißt, dass ein Ventilglied 15 des Saugventils über eine im Gehäuseteil 18 ausgebildete Bohrung 20 hubbeweglich geführt ist.
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Das Saugventil öffnet in einen Hochdruckelementraum 21, der von einem hubbeweglichen Pumpenkolben 22 begrenzt wird. Bei einem Förderhub der Pumpenkolbens 22 wird der im Hochdruckelementraum 21 vorhandene Kraftstoff komprimiert und anschließend über ein Auslassventil 23 einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt.
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Das Ventilglied 15 ist in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 17 beaufschlagt, die einerseits am Gehäuseteil 18 und andererseits mittelbar über einen Federteller 19 am Ventilglied 15 abgestützt ist. Um das Saugventil entgegen der Federkraft der Feder 17 geöffnet zu halten bzw. zu öffnen, ist eine Feder 16 vorgesehen, deren Federkraft größer als die der Feder 17 ist. Die Feder 16 ist einerseits an einem Anker 2, andererseits an einem Polkern 10 abgestützt, der dem Anker 2 an einem Arbeitsluftspalt 11 gegenüber liegt. Liegt der Anker 2 am Ventilglied 15 an, wirkt die Federkraft der Feder 16 auch auf das Ventilglied 15. Dies ist der Fall, solange eine Magnetspule 1, die zur Einwirkung auf den Anker 2 vorgesehen ist, unbestromt bleibt. Wird die Magnetspule 1 bestromt, bewegt sich der Anker 2 entgegen der Federkraft der Feder 16 nach oben in Richtung des Polkerns 10, um den Arbeitsluftspalt 11 zwischen dem Polkern 10 und dem Anker 2 zu schließen. Dabei löst sich der Anker 2 vom Ventilglied 15, so dass die kleinere Feder 17 das Saugventil zu schließen vermag.
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Der obere Hubanschlag des Ankers 2 wird durch den Polkern 10 gebildet, dessen dem Anker 2 zugewandte Stirnfläche eine Anschlagfläche 3 ausbildet. Eine als unterer Hubanschlag dienende weitere Anschlagfläche 4 wird durch ein ringförmiges Anschlagelement 14 ausgebildet, das an einem ringförmigen Absatz 12 eines Ventilkörpers 13 abgestützt ist. Der Anker 2 bewegt sich demnach zwischen den Anschlagflächen 3 und 4 hin und her. Die Führung des Ankers 2 wird durch den Ventilkörper 13 bewirkt. Um den Ankerbewegungsraum nach außen abzudichten, ist der Ventilkörper 13 über eine Hülse 24 mit dem Polkern 10 fluiddicht verbunden.
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Der Anker 2 des Saugventils der 1 weist dezentral und in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Ausgleichsbohrungen 5 auf, die bei einer Hubbewegung des Ankers 2 einen Druckausgleich ermöglichen sollen. Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil ist ein Druckausgleich über die Ausgleichsbohrungen 5 jedoch nur eingeschränkt möglich, da in den Ausgleichsbohrungen 5 Staudrosseln 6 ausgebildet sind. Diese führen zur Ausbildung eines Staudrucks innerhalb der Ausgleichsbohrungen 5, so dass zwischen dem Anker 2 und der jeweils näher kommenden Anschlagfläche 3, 4 ein Druckpolsters aufgebaut wird, das die Bewegung des Ankers 2 vor Erreichen der Anschlagfläche 3, 4 abbremst. Auf diese Weise wird eine Endlagendämpfung erreicht, die den Anschlagimpuls und damit den Verschleiß und die Geräuschentwicklung beim Anschlagen verringert.
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Wie den 2a)–b) und der 3 zu entnehmen ist, werden die Staudrosseln 6 bei dem Saugventil der 1 jeweils durch einen sich nach radial innen erstreckenden, umlaufenden Steg 7 ausgebildet, der im Querschnitt trapezförmig ist. Die Trapezform des Stegs 7 ist auf beidseitig ausgebildete Nuten 9 zurückzuführen, die jeweils eine dreieckige Querschnittsform aufweisen. Durch die Nuten 9 bildet der Steg 7 beidseits eine strömungsumlenkende Kontur 8 aus, welche die Stauwirkung noch erhöht (siehe insbesondere 3).
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In der 2a) ist der Anker 2 in seiner Ausgangslage dargestellt, das heißt am Anschlagelement 14 anliegend. Wird die Magnetspule 1 bestromt, bewegt sich der Anker 2 aufgrund der Magnetkraft nach oben (siehe großer Pfeil). Dabei verkleinert sich das Volumen oberhalb des Ankers 2 und Kraftstoff wird über die Ausgleichsbohrungen 5 nach unten verdrängt (siehe kleine Pfeile in der 2a)). Im Bereich der Staudrossel 6 wird jedoch ein Teilstrom umgelenkt, so dass in der Ausgleichsbohrung 5 ein Staudruck entsteht (siehe großer Pfeil in der 2b)). Dieser führt zum Aufbau eines Druckpolsters im Bereich des Arbeitsluftspalts 11, so dass die Bewegung des Ankers 2 in Richtung des Polkerns 10 abgebremst wird.
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Da die Staudrosseln 6 der 2 völlig symmetrisch ausgebildet sind, tritt die Endlagendämpfung unabhängig von der Bewegungsrichtung des Ankers 2 ein. Das heißt, dass auch eine Endlagendämpfung bei einer Abwärtsbewegung des Ankers 2 in Richtung des Anschlagelements 14 erzielt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Saugventils ist in den 4 und 5 dargestellt. Auch hier sind die Staudrosseln 6 symmetrisch ausgebildet, so dass eine Endlagendämpfung in beide Bewegungsrichtungen des Ankers 2 erreichbar ist. Im Unterschied zur vorhergehenden Ausführungsform weist jedoch der zur Ausbildung einer Staudrossel 6 vorgesehene Steg 7 beidseits ausgebildete Nuten 9 auf, die jeweils eine teilkreisförmige Querschnittsform besitzen (siehe insbesondere 5).
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Soll eine nur einseitig wirkende Staudrossel 6 ausgebildet werden, kann diese entsprechend der in der 6 dargestellten Ausführungsform ausgebildet werden. Hier ist dem Steg 7 einseitig, und zwar zur Seite des Anschlagelements 14 hin, ein konisch geformter Abschnitt der Ausgleichsbohrung 5 vorgelagert. Dieser leitet den Kraftstoff auf die andere Seite des Ankers 2, wenn sich der Anker 2 in einer Abwärtsbewegung befindet. Das heißt, dass bei der Rückstellung des Ankers 2 über die Federkraft der Feder 16 keine bzw. nur eine geringe Endlagendämpfung bewirkt wird. Bewegt sich der Anker 2 jedoch nach oben in Richtung des Polkerns 10, treten die zuvor in Verbindung mit den 2a) und b) beschriebenen Wirkungen ein.
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Gleichwohl nicht dargestellt, kann die einseitig wirkende Staudrossel 6 auch spiegelverkehrt ausgeführt werden, so dass eine deutliche Endlagendämpfung bei der Rückstellung des Ankers 2 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014200339 A1 [0002, 0002]
