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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, sowie ein Einlassventil für eine Kolbenpumpe nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Die
DE 10 2015 219 537 A1 offenbart ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe. Diese ist als Kolbenpumpe ausgeführt mit einem federbeaufschlagten Einlassventil und einem federbeaufschlagten Auslassventil. Das Einlassventil ist als Mengensteuerventil ausgebildet mit einem Stößel, der durch eine Feder ein Ventilelement des Einlassventils während eines Förderhubs der Kolbenpumpe in eine zwangsweise geöffnete Stellung beaufschlagen kann. Durch eine Bestromung eines elektromagnetischen Aktors des Mengensteuerventils wird der Stößel gegen die Kraft der Feder vom Ventilelement weggezogen, so dass dieses schließen kann. Auf diese Weise kann die Menge des von der Kolbenpumpe geförderten Kraftstoffs beeinflusst werden. Zu dem Einlassventil gehört auch eine Beaufschlagungseinrichtung in Form einer Spiralfeder, welche das Ventilelement des Einlassventils in Richtung zu einem Ventilsitz beaufschlagt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe sowie ein Einlassventil mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen genannt.
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Bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ist die bisherige die Beaufschlagungseinrichtung bildende Spiralfeder ersetzt durch einen Magneten, der das Ventilelement in Richtung zum Ventilsitz beaufschlagt. Hierdurch wird die Herstellung der Kolbenpumpe vereinfacht, und die Zuverlässigkeit im Betrieb wird verbessert, da ein Versagen der bisher vorhandenen Spiralfeder nicht mehr vorkommen kann. Durch den Wegfall der bisherigen Spiralfeder kann der bisher für die Spiralfeder notwendige Bauraum entfallen, wodurch das Totvolumen der Kolbenpumpe reduziert und deren Liefergrad erhöht wird.
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Konkret wird dies erreicht durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine. Eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe kommt sowohl bei Diesel- als auch bei Benzin-Brennkraftmaschinen zum Einsatz. Üblicherweise verdichtet sie den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“), von wo aus der Kraftstoff mittels Injektoren direkt in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe umfasst ein Pumpengehäuse und einen Pumpenkolben. Der Pumpenkolben ist im Pumpengehäuse durch eine Kolbenführung geführt.
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Zu der Kolbenpumpe gehört ein Einlassventil, welches beispielsweise über eine Kraftstoffleitung mit einer elektrischen Vorförderpumpe verbunden sein kann. Das Einlassventil ist typischerweise in der Art eines Rückschlagventils ausgebildet mit einem Ventilelement, welches beispielsweise plattenförmig oder kugelförmig ausgebildet sein kann. Typischerweise öffnet das Einlassventil bei einem Saughub der Kolbenpumpe und schließt mindestens zeitweise bei einem Förderhub der Kolbenpumpe. Zu dem Einlassventil gehört ein Ventilsitz, an dem das Ventilelement bei geschlossenem Einlassventil fluiddicht anliegt. Eine Beaufschlagungseinrichtung beaufschlagt das Ventilelement in Richtung zum Ventilsitz und drückt das Ventilelement beispielsweise bei geschlossenem Einlassventil auf bzw. gegen den Ventilsitz.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Ventilelement ein ferromagnetisches Material umfasst. Typische ferromagnetischen Materialien sind Eisen, Nickel und Kobalt, es gibt aber auch ferromagnetisches Legierungen. Ferner gehört zu der Erfindung, dass die Beaufschlagungseinrichtung, welche das Ventilelement in Richtung zum Ventilsitz beaufschlagt, einen Magneten umfasst. Im einfachsten und typischen Fall ist dieser als Permanentmagnet ausgeführt, grundsätzlich denkbar ist aber auch die Verwendung eines Elektromagneten. Erfindungsgemäß wirken der Magnet und das Ventilelement, welches ferromagnetisches Material umfasst, zusammen. Der Magnet übt also eine magnetische Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf das Ventilelement aus und zieht oder drückt das Ventilelement in Richtung zum Ventilsitz.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Einlassventil einen üblicherweise durch einen elektromagnetischen Aktor betätigten Stößel umfasst, der das Ventilelement wenigstens zeitweise zwangsweise vom Ventilsitz weg drückt, wobei ein Magnet der Beaufschlagungseinrichtung ein Permanentmagnet und am Stößel angebracht ist. In diesem Fall ist das Einlassventil also als Mengensteuerventil ausgebildet, dessen Ventilelement durch den Stößel während eines Förderhubs zeitweise vom Ventilsitz weggedrückt und somit in die Offenstellung gezwungen werden kann. Der während des Förderhubs geförderte Kraftstoff gelangt somit nicht zum Auslass, sondern wird durch das zwangsweise geöffnete Einlassventil wieder in den stromaufwärts vom Einlassventil liegenden Bereich zurückgefördert. Der Stößel ist üblicherweise mit einem elektromagnetischen Aktors verbunden, der zur Steuerung der von der Kolbenpumpe geförderten Kraftstoffmenge von einer Steuerung entsprechend angesteuert wird. Durch die Anordnung des Magneten am Stößel wird das Ventilelement dann, wenn der Stößel zurückgezogen ist, auf sehr einfache Weise zum Ventilsitz hin gezogen. Darüber hinaus ist die Anordnung des Magneten am Stößel technisch sehr einfach realisierbar.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Magnet ringförmig ausgebildet ist und radial außerhalb vom Stößel an einem dem Ventilelement zugewandten Endbereich des Stößels angeordnet ist. Dies ist besonders einfach realisierbar und erfordert keinerlei konstruktive Anpassungen am Stößel. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass unter „radial“ hier und nachfolgend im Zusammenhang mit dem Einlassventil eine Richtung wenigstens in etwa orthogonal zu einer Längsachse des Stößels verstanden wird. Entsprechend wird unter „axial“ hier und nachfolgend im Zusammenhang mit dem Einlassventil eine Richtung wenigstens in etwa parallel zu der Längsachse des Stößels verstanden.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Magnet topfförmig ausgebildet und auf einem dem Ventilelement zugewandten Endbereich des Stößels aufgestülpt ist. Hierdurch kann die Magnetkraft erhöht werden.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Magnet einen dem Ventilelement zugewandten Endbereich des Stößels bildet. Dies lässt die Strömungsverhältnisse stromaufwärts vom Ventilelement und vom Ventilsitz weitgehend unverändert.
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Bei einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein Magnet am Ventilsitz angeordnet ist. Unter Umständen kann sogar der Ventilsitz selbst als Permanentmagnet ausgebildet sein. Auch dies ist konstruktiv einfach zu realisieren.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Einlassventil für eine Kolbenpumpe, welches aufweist: ein Ventilelement, einen Ventilsitz und eine Beaufschlagungseinrichtung, welche das Ventilelement in Richtung zum Ventilsitz beaufschlagt. Bei einem solchen Einlassventil umfasst das Ventilelement ein ferromagnetisches Material und die Beaufschlagungseinrichtung einen Magneten. Es gelten die gleichen Vorteile wie oben.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einer ersten Ausführungsform eines Einlassventils;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Kolbenpumpe von 1;
- 3 eine Darstellung ähnlich zu 2 einer zweiten Ausführungsform eines Einlassventils; und
- 4 eine Darstellung ähnlich zu 2 einer dritten Ausführungsform eines Einlassventils.
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Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden üblicherweise nur bei der ersten Erwähnung im Detail beschrieben.
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Eine Kolbenpumpe in Form einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kolbenpumpe 10 gehört zu einem nicht weiter gezeichneten Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine. Sie fördert den Kraftstoff üblicherweise zu einem Kraftstoffrail, an welches mehrere Injektoren angeschlossen sind, die den Kraftstoff im Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzt.
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Die Kolbenpumpe 10 umfasst ein Einlassventil 12 und ein als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 14, sowie ein Pumpengehäuse 16. Auf das Einlassventil 12 wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden. In dem Pumpengehäuse 16 ist eine Aufnahmeöffnung 18 für einen Pumpenkolben 20 vorhanden. Der Pumpenkolben 20 kann in der Aufnahmeöffnung 18 parallel zu einer Längsachse 22 der Aufnahmeöffnung 18 bewegt werden. Hierzu dient ein in der Zeichnung nicht dargestellter Antrieb. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine handeln.
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Der Pumpenkolben 20 ist vorliegend beispielhaft als Stufenkolben ausgebildet mit einem Abschnitt 24 mit kleinerem Durchmesser und einem Abschnitt 26 mit größerem Durchmesser. Der Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 mit größerem Durchmesser begrenzt zusammen mit dem Pumpengehäuse 16 einen Förderraum 28. Dieser ist über nicht weiter bezeichnete Kanäle fluidisch mit dem Einlassventil 12 und dem Auslassventil 14 verbunden. Das Pumpengehäuse 16 kann als ein insgesamt rotationssymmetrisches oder mehreckiges Teil ausgebildet sein. Der Pumpenkolben 20 ist im Pumpengehäuse 16 in der Aufnahmeöffnung 18 aufgenommen, die als eine gestufte Sacklochbohrung ausgebildet ist mit Abschnitten, die jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Das Einlassventil 12 ist vorliegend als Mengensteuerventil 30 ausgebildet. Wie im Detail auch aus 2 ersichtlich ist, weist das Einlassventil 12 ein vorliegend beispielhaft plattenartiges Ventilelement 32 auf sowie einen ringförmigen Ventilsitz 34 und eine insgesamt mit 36 bezeichnete Beaufschlagungseinrichtung, auf die weiter unten noch im Detail eingegangen wird. Das Ventilelement 32 ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt oder umfasst ein solches.
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Das Einlassventil 12 bzw. das Mengensteuerventil 30 umfasst einen elektromagnetischen Aktor 38, der mit einem in seiner axialen Richtung beweglichen Stößel 40 wirkverbunden ist. Der Stößel 40 erstreckt sich von dem elektromagnetischen Aktor 38 in etwa koaxial zum Ventilsitz 34 in Richtung zum Ventilelement 32 hin. Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird der Stößel 40 durch eine Feder 42 in Richtung zum Ventilelement 32 gedrückt. Wird der elektromagnetische Aktor 38 bestromt, wird der Stößel 40 gegen die Kraft der Feder 42 vom Ventilelement 32 weggezogen. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform wird der Stößel von einer Feder vom Ventilelement weggezogen, und bei einer Bestromung des elektromagnetischen Aktors wird der Stößel in Richtung zum Ventilelement gedrückt.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist an einem dem Ventilelement 32 zugewandten Endbereich 44 des Stößels 40 ein ringförmiger Permanentmagnet 46 am Stößel 40 befestigt, beispielsweise auf diesen aufgepresst. Der Permanentmagnet 46 ist somit radial außerhalb vom Stößel 40 angeordnet. Der Permanentmagnet 46 bildet vorliegend die oben erwähnte Beaufschlagungseinrichtung 36, welche das Ventilelement 32 aufgrund der magnetischen Anziehungskraft zwischen Permanentmagnet 46 und dem ferromagnetischen Ventilelement 32 in Richtung zum Ventilsitz 34 beaufschlagt.
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In der in den 1 und 2 gezeigten Ruhelage liegt das Ventilelement 32 am Ventilsitz 34 an, und der Stößel 40 befindet sich in seiner maximal zurückgezogenen Position, in der zwischen einem abragenden Endbereich 44 des Stößels 40 und dem Ventilelement 32 eine geringer Spalt vorhanden sein kann. Dies wird erreicht, indem der elektromagnetische Aktor 38 bestromt ist. Während eines normalen Saughubs des Pumpenkolbens 20 hebt das Ventilelement 32 gegen die Magnetkraft des Permanentmagneten 46 vom Ventilsitz 34 ab, so dass Kraftstoff durch das auf diese Weise geöffnete Einlassventil 12 in den Förderraum 28 strömen kann.
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Während eines Förderhubs wird der Kraftstoff aus dem Förderraum 28 vom Pumpenkolben 20 heraus gedrückt. Wenn nicht das gesamte einem Förderhub des Pumpenkolbens 20 entsprechende Kraftstoffvolumen aus dem Förderraum 28 heraus in Richtung zum Auslassventil 14 gefördert werden soll, wird die Bestromung des elektromagnetischen Aktors 38 zu Beginn eines Förderhubs beendet. Durch die Feder 42 wird der Stößel 40 gegen das Ventilelement 32 gedrückt und hebt dieses gegen die Magnetkraft des Permanentmagneten 46 vom Ventilsitz 34 ab. Auf diese Weise wird das Einlassventil 12 zwangsweise geöffnet. Der Kraftstoff wird daher aus dem Förderraum 28 nicht in Richtung zum Auslassventil 14, sondern durch das zwangsweise geöffnete Einlassventil 12 in den stromaufwärts vom Einlassventil 12 angeordneten Bereich gefördert.
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Entsprechend der gewünschten über das Auslassventil 14 zu fördernden Kraftstoffmenge wird zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Förderhubs des Pumpenkolbens 20 der elektromagnetische Aktor 38 bestromt, wodurch der Stößel 40 gegen die Kraft der Feder 42 vom Ventilelement 32 weggezogen wird. Das Ventilelement 32 kann nun einerseits aufgrund der Kraftstoffströmung aber andererseits zusätzlich unterstützt durch die Kraft der Beaufschlagungseinrichtung 36 schließen, gelangt also wieder in Anlage an den Ventilsitz 34. Die Beaufschlagungseinrichtung 36 wirkt aufgrund der geringen Distanz zwischen dem Ventilelement 32 und dem Permanentmagneten 46 am Endbereich des Stößels 44 sehr effektiv und zieht das Ventilelement 32 in Richtung zum Ventilsitz 34.
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Bei der Ausführungsform der 3 ist der Permanentmagnet 46 topfförmig ausgebildet und auf den dem Ventilelement 32 zugewandten Endbereich 44 des Stößels 40 aufgestülpt. Auch hier kann der Permanentmagnet 46 mit dem Stößel 40 beispielsweise durch Pressen verbunden sein.
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Bei der Ausführungsform der 4 bildet der Permanentmagnet 46 den dem Ventilelement 32 zugewandten Endbereich 44 des Stößels 40. Hierzu kann der Permanentmagnet 46 beispielsweise an den Restbereich des Stößels 40 angeschweißt sein, oder er kann auf diesen aufgeschraubt sein.
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Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist der Permanentmagnet 46 nicht am Stößel 40 angebracht, sondern im Bereich des Ventilsitzes 34.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219537 A1 [0002]
