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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Saugventil dient der Befüllung der Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Ferner betrifft die Erfindung eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem derartigen Saugventil.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 212 387 A1 geht beispielhaft ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems, hervor, das in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe integriert ist. Das Saugventil weist eine ringförmige Magnetspule zur Einwirkung auf einen Anker auf, der in einer Ausnehmung eines Ventilkörpers hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines hubbeweglichen Ventilschließelements von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Bleibt die Magnetspule unbestromt, hält die Federkraft der Feder mittelbar über den Anker das Ventilschließelement in einer Offenstellung. Wird die Magnetspule bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft den Anker entgegen der Federkraft der Feder in Richtung eines Polkerns bewegt, der dem Anker an einem Arbeitsluftspalt gegenüberliegt. Dabei löst sich der Anker vom Ventilschließelement, so dass dieses durch die Federkraft einer weiteren Feder, in einen durch das Gehäuseteil der Hochdruckpumpe ausgebildeten Ventilsitz gezogen wird. Das Saugventil schließt. Zum erneuten Öffnen wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass die Federkraft der am Anker abgestützten Feder den Anker in seine Ausgangslage zurückstellt. Dabei gelangt der Anker zur Anlage am Ventilschließelement und hebt dieses aus dem Ventilsitz.
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Die vorstehend beschriebenen Schaltprozesse erfordern hochdynamische Ankerbewegungen. Die schnellen Bewegungen des Ankers führen zu lokalen Flächenpressungserhöhungen und damit zu einem über die Lebensdauer erhöhten Verschleiß. Dieser wiederum hat zur Folge, dass sich die Schaltzeiten des Saugventils über die Lebensdauer verändern.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe anzugeben, das schnell schaltet und eine gesteigerte Robustheit aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Saugventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe mit einem derartigen Saugventil angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Saugventil umfasst eine ringförmige Magnetspule zur Einwirkung auf einen zwischen zwei Endanschlägen hubbeweglichen Anker, der über einen Ventilkörper geführt und mit einem Ventilstößel des Saugventils koppelbar ist. Erfindungsgemäß weist mindestens eine an einem Endanschlag und/oder am Anker ausgebildete Anschlagfläche eine Oberflächenstruktur mit einem asymmetrischen Querschnittsprofil auf.
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Durch die Oberflächenstruktur bildet die Anschlagfläche Vertiefungen aus, in denen sich im Betrieb des Saugventils Kraftstoff sammelt. Der Kraftstoff bildet einen Schmierfilm aus, der verschleißmindernd wirkt, so dass die Robustheit des Saugventils steigt. Darüber hinaus bewirkt die Kraftstoff aufnehmende Oberflächenstruktur, dass der Anker weniger zum hydraulischen Kleben neigt und somit ein stabileres Ablöseverhalten zeigt. Denn die Oberflächenstruktur fördert ein Zuströmen von Kraftstoff unter den Anker, wenn sich dieser vom Endanschlag wegbewegt. Somit können die Schaltzeiten optimiert werden.
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Dadurch, dass die vorgeschlagene Oberflächenstruktur mindestens einer an einem Endanschlag und/oder am Anker ausgebildeten Anschlagfläche ein asymmetrisches Querschnittsprofil aufweist, kann einerseits eine Strömungsoptimierung bewirkt werden, die ein Nachströmen von Kraftstoff in den Spalt zwischen dem Anker und dem Endanschlag fördert, wenn sich der Anker vom Endanschlag ablöst, andererseits kann ein Abströmen von Kraftstoff aus dem Spalt erschwert werden, wenn sich der Anker dem Endanschlag nähert. Das heißt, dass sich kurz vor dem Anschlagen des Ankers am Endanschlag ein Fluidpolster zwischen dem Anker und dem Endanschlag ausbildet, dass die Bewegung des Ankers abbremst bzw. dämpft, so dass der Verschleiß im Anschlagbereich weiter verringert wird.
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Mit Hilfe des asymmetrischen Querschnittsprofils der Oberflächenstruktur können somit je nach Strömungsrichtung des Kraftstoffs unterschiedliche Wirkungen erzielt werden. Zum Einen kann ein Nachströmen von Kraftstoff in den Anschlagbereich gefördert werden, um ein schnelles Ablösen des Ankers vom Endanschlag zu ermöglichen. Zum Anderen kann ein Abströmen von Kraftstoff aus dem Anschlagbereich erschwert werden, um den Anschlagimpuls des Ankers hydraulisch zu dämpfen. So unterschiedlich die Wirkungen sind, dienen sie demselben Zweck, nämlich den Verschleiß im jeweiligen Anschlagbereich zu reduzieren.
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Das Abströmen von Kraftstoff kann insbesondere durch eine Oberflächenstruktur erschwert werden, die strömungsrichtungsabhängig eine Steigerung der Wandreibungszahl λ bewirkt. Die Steigerung der Wandreibungszahl λ führt zu einer Verwirbelung der Strömung und behindert den Abfluss von Kraftstoff aus dem Anschlagbereich, wenn sich der Anker dem Endanschlag nähert. Da die Steigerung der Wandreibungszahl λ strömungsrichtungsabhängig ist, erschwert sie lediglich das Abströmen von Kraftstoff, nicht aber das Nachströmen von Kraftstoff.
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Bevorzugt weist das asymmetrische Querschnittsprofil einerseits stauend wirkende Wandabschnitte, andererseits nicht-stauend wirkende Wandabschnitte auf. Über die stauend wirkenden Wandabschnitte wird Kraftstoff zurückgehalten, so dass die Ausbildung eines Fluidpolsters gefördert wird. Die stauend wirkenden Wandabschnitte sind daher derart angeordnet bzw. ausgerichtet, dass die Stauwirkung in Abströmrichtung erzielt wird. Die nicht-stauend wirkenden Wandabschnitte sind vorzugsweise gegenüberliegend den stauend wirkenden Wandabschnitten angeordnet, so dass ein Zu- bzw. Nachströmen von Kraftstoff in den Anschlagbereich gefördert wird. Ob ein Wandabschnitt stauend oder nicht-stauend wirkt, hängt nicht nur von seiner Ausrichtung, sondern auch von seiner konkreten Gestaltung ab.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die stauend wirkenden Wandabschnitte im Wesentlichen senkrecht zur Anschlagfläche ausgerichtet sind. Die Wandabschnitte stellen somit schwer überströmbare Hindernisse dar. Im Wesentlichen senkrecht kann auch heißen, dass die Wandabschnitte geringfügig entgegen der Strömungsrichtung des abströmenden Kraftstoffs geneigt sind.
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Die nicht-stauend wirkenden Wandabschnitte sind vorzugsweise gegenüber der Anschlagfläche um einen Winkel α geneigt und/oder verlaufen bogenförmig. Die Neigung ist derart gewählt und orientiert, dass der geneigte Wandabschnitt eine Art Rampe für den nachströmenden Kraftstoff ausbildet, so dass ein nachfolgender stauend wirkender Wandabschnitt von dem nachströmenden Kraftstoff leicht überströmt werden kann. In Strömungsrichtung des Kraftstoffs wechseln sich daher bevorzugt nicht-stauend wirkende und stauend wirkende Wandabschnitte ab.
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Vorteilhafterweise ist die Oberflächenstruktur der Anschlagfläche in einem materialabtragenden Verfahren, beispielsweise durch Ätzen, Schleifen und/oder Laserbearbeitung, hergestellt worden. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Oberflächenstruktur exakt und zudem kostengünstig herstellen.
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Ferner bevorzugt erstreckt sich die Oberflächenstruktur nur über einen Teilbereich der an mindestens einem Endanschlag und/oder dem Anker ausgebildeten Anschlagfläche, so dass vorstehende Bereiche geschaffen werden, die keine Oberflächenstruktur aufweisen. Der Kontakt des Ankers mit dem Endanschlag beschränkt sich dann auf die vorstehenden Bereiche ohne Oberflächenstruktur, so dass die Bereiche mit Oberflächenstruktur besser vor Verschleiß und damit vor Einglättung geschützt sind. Die Oberflächenstruktur bleibt somit länger erhalten.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Oberflächenstruktur derart über einen Teilbereich der Anschlagfläche, dass ein ringförmiger Absatz ohne Oberflächenstruktur verbleibt. Über den ringförmigen Absatz werden die Anschlagkräfte des Ankers gleichmäßig verteilt, so dass die Anschlagfläche gleichmäßig belastet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erste Endanschlag durch eine an einem Ringbund des Ventilkörpers abgestützte Anschlagplatte ausgebildet. Als separates Bauteil kann das Material der Anschlagplatte beliebig gewählt werden, insbesondere kann ein besonders verschleißfestes Material gewählt werden. Zudem lässt sich die Anschlagfläche der Anschlagplatte einfacher bearbeiten als eine am Ringbund des Ventilkörpers ausgebildete Anschlagfläche. Demzufolge kann insbesondere die Anschlagplatte eine Anschlagfläche mit der zuvor beschriebenen Oberflächenstruktur aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann auch die der Anschlagplatte zugewandte Stirnfläche des Ankers eine Anschlagfläche mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur aufweisen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der zweite Endanschlag durch einen Polkern ausgebildet wird, der gemeinsam mit dem Anker einen Arbeitsluftspalt begrenzt. Somit weist auch der Polkern eine Anschlagfläche auf, die mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur versehen sein kann. Alternativ oder ergänzend kann auch die dem Polkern zugewandte Stirnfläche des Ankers mit einer derartigen Oberflächenstruktur versehen sein.
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Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein erfindungsgemäßes Saugventil umfasst.
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Das Saugventil ist dabei bevorzugt in ein Gehäuseteil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe integriert. Das heißt, dass der Ventilstößel des Saugventils über eine Bohrung des Gehäuseteils der Kraftstoff-Hochdruckpumpe geführt ist und/oder mit einem im Gehäuseteil der Kraftstoff-Hochdruckpumpe ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Durch die Integration des Saugventils in die Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann eine besonders kompakt bauende Hochdruckpumpe geschaffen werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein in eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe integriertes erfindungsgemäßes Saugventil,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines möglichen Querschnittsprofils der Oberflächenstruktur der Anschlagfläche und
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren möglichen Querschnittsprofils der Oberflächenstruktur der Anschlagfläche.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Saugventil 1 dient der Befüllung eines Hochdruckelementraums 23 einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 2 mit Kraftstoff. Das Saugventil 1 ist hierzu in ein Gehäuseteil 21 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 2 integriert, und zwar in der Weise, dass ein hin- und herbeweglicher Ventilstößel 8 des Saugventils 1 über eine im Gehäuseteil 21 ausgebildete Bohrung 22 geführt ist. Das Gehäuseteil 21 bildet ferner einen Ventilsitz 26 für den Ventilstößel 8 aus.
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Bei geöffnetem Saugventil 1, das heißt im Saugbetrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 2, strömt Kraftstoff aus einem Niederdruckraum 27 über Zulaufbohrungen 28 in den Hochdruckelementraum 23. Im Förderbetrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 2 wird der im Hochdruckelementraum 23 vorhandene Kraftstoff mittels eines hubbeweglichen Pumpenkolbens 30 komprimiert und über einen Hochdruckabgang 24 mit hierin eingesetztem Auslassventil 36 einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt.
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Die Betätigung des Saugventils 1 erfolgt elektromagnetisch, so dass das Saugventil 1 bei Bedarf über den Saugbetrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 2 hinaus geöffnet gehalten werden kann. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Mengenzumessung, da überschüssiger Kraftstoff bei geöffnetem Saugventil 1 einfach wieder ausgeschoben wird. Zur elektromagnetischen Betätigung ist eine Magnetspule 3 vorgesehen, mittels welcher auf einen Anker 6 eingewirkt werden kann, der mit dem Ventilstößel 8 koppelbar ist.
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Der Anker 6 ist abschnittsweise in einer Ausnehmung 31 eines Ventilkörpers 7 aufgenommen, die ventilstößelseitig durch eine Anschlagplatte 18 begrenzt wird, die an einem Ringbund 17 des Ventilkörpers 7 abgestützt ist. Die Anschlagplatte 18 bildet somit einen ersten Endanschlag 4 für den Anker 6 aus. Ein zweiter Endanschlag 5 wird durch einen Polkern 19 ausgebildet, der dem Anker 6 an einem Arbeitsluftspalt 20 gegenüberliegt. Zwischen dem Polkern 19 und dem Anker 6 ist eine Feder 29 angeordnet, die den Anker 6 in Richtung des Ventilstößels 8 beaufschlagt. Die Federkraft der Feder 29 ist größer als die einer Ventilfeder 25, die auf den Ventilstößel 8 eine Schließkraft ausübt. Über die Federkraft der Feder 29 wird somit das Saugventil 1 bei unbestromter Magnetspule 3 offengehalten. Wird die Magnetspule 3 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft den Anker 6 in Richtung des Polkerns 19 bewegt, um den Arbeitsluftspalt 20 zu schließen. Dabei löst sich der Anker 6 vom Ventilstößel 8, so dass die Ventilfeder 25 den Ventilstößel 8 in den Ventilsitz 26 zu ziehen vermag. Zum erneuten Öffnen des Saugventils 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass die stärkere Feder 29 den Anker 6 in seine Ausgangslage zurückstellt. Dabei gelangt der Anker 6 zur Anlage am Ventilstößel 8 und hebt diesen aus dem Ventilsitz 26.
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Durch die hochdynamischen Bewegungen des Ankers 6 im Betrieb des Saugventils 1 sind die Endanschläge 4, 5 einer hohen Belastung ausgesetzt. Zur Steigerung der Robustheit des Saugventils 1 weist demnach das dargestellte erfindungsgemäße Saugventil 1 mindestens eine an einem Endanschlag 4, 5 und/oder an dem Anker 6 ausgebildete Anschlagfläche 9, 10, 11, 12 auf, die mit einer Oberflächenstruktur 13 versehen ist, die ein asymmetrisches Querschnittsprofil besitzt. Mit Hilfe der Oberflächenstruktur 13 kann das Strömungsverhalten des Kraftstoffs im Spalt zwischen dem Anker 6 und der Anschlagplatte 18 strömungsrichtungsabhängig beeinflusst werden.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist zumindest die dem Anker 6 zugewandte Anschlagfläche 9 der Anschlagplatte 18 eine entsprechende Oberflächenstruktur 13 auf (siehe 2). Die Oberflächenstruktur 13 erstreckt sich nicht über die gesamte Anschlagfläche 9, sondern nur über einen Teilbereich. Dieser ist gegenüber der Anschlagfläche 9 geringfügig abgesenkt, so dass ein ringförmiger Absatz 16 als Anschlagfläche 9 verbleibt, der keine Oberflächenstruktur 13 aufweist (siehe 2). Die Oberflächenstruktur 13 gelangt somit nicht in Kontakt mit der Anschlagfläche 10 des Ankers 6, so dass sie vor Verschleiß, insbesondere vor Einglättung geschützt ist.
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Die Oberflächenstruktur 13 mit asymmetrischem Querschnittsprofil bewirkt, dass in Strömungsrichtung des abströmenden Kraftstoffs der Kraftstoff gestaut wird, so dass bei einer Ankerbewegung in Richtung der Anschlagplatte 18 ein hydraulisches Polster zwischen dem Anker 6 und der Anschlagplatte 18 ausgebildet wird, das den Anschlag dämpft. In Strömungsrichtung des zu- bzw. nachströmenden Kraftstoffs fördert die Oberflächenstruktur 13 ein Unterströmen des Ankers 6, so dass sich dieser leichter wieder von der Anschlagplatte 18 löst. Auf diese Weise werden hydraulische Klebeeffekte verringert.
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Die Oberflächenstruktur 13 ist somit strömungsrichtungsabhängig gestaltet, so dass in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung des Kraftstoffs unterschiedliche Wirkungen erzielbar sind.
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Eine erste mögliche Ausgestaltung der Oberfläche 13 mit asymmetrischem Querschnittsprofil ist in der 3 dargestellt. Diese zeigt ein Querschnittsprofil, das sägezahnähnlich ausgebildet ist. Denn senkrecht zur Anschlagfläche 9 verlaufende Wandabschnitte 14 wechseln sich mit Wandabschnitten 15 ab, die gegenüber der Anschlagfläche 9 in einem Winkel α geneigt sind. Der Winkel α beträgt vorliegend etwa 45°. Die senkrecht verlaufenden Wandabschnitte 14 wirken in Abströmrichtung (Pfeil 32) stauend. Die Stauwirkung wird dadurch erzielt, dass die Wandabschnitte 14 gegenüber den Wandabschnitten 15 eine gesteigerte Wandreibungszahl λ aufweisen. Diese führt zu Verwirbelungen (siehe Pfeile 33), die wiederum ein Abströmen des Kraftstoffs erschweren. In umgekehrter Strömungsrichtung (Pfeil 34) bilden die geneigten Wandabschnitte 15 strömungsoptimierende Rampen aus, die den Durchfluss von Kraftstoff erhöhen, so dass schneller Kraftstoff nachströmen kann (siehe Pfeile 35).
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Oberflächenstruktur 13 mit asymmetrischem Querschnittsprofil ist der 4 zu entnehmen. Hier sind die Rampen ausbildenden Wandabschnitte 15, die das Nachströmen von Kraftstoff erleichtern sollen, zusätzlich konvex geformt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015212387 A1 [0002]
