EP2519732B1

EP2519732B1 - Elektromagnetisch betätigtes mengensteuerventil, insbesondere zur steuerung der fördermenge einer kraftstoff-hochdruckpumpe

Info

Publication number: EP2519732B1
Application number: EP10778969.5A
Authority: EP
Inventors: Winfried Eckart; Valentin Szermutzky; Ersin Dogan; Juergen Koreck; Matthias Maess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN102686868B; CN102686868A; DE102009055356A1; KR101736081B1; KR20140140131A; EP2519732A1; KR20120096934A; WO2011079989A1; KR101506475B1; ES2704993T3

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vom Markt her bekannt sind Mengensteuerventile, welche ein elektromagnetisch betätigtes Ventilelement aufweisen. Damit kann die einer Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge im Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine beeinflusst werden.
Ebenfalls bekannt ist es, einen Anker des Elektromagneten beispielsweise mit Längsbohrungen zu versehen, um die bei der Bewegung des Ankers auftretende Dämpfung einstellen zu können. Durch solche axialen Bohrungen im Anker wird Fluid, also Kraftstoff, von einer axialen Seite des Ankers zur anderen Seite befördert. Alternativ zu einer axialen Bohrung im Anker ist es ebenfalls bekannt, an einer Umfangswand des Ankers axiale Nuten anzubringen, welche ebenfalls einen Fluidaustausch zwischen den beiden Seiten des Ankers ermöglichen. Aus der DE 198 34 120 A ist ein Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Durch die Erfindung wird ein elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil nach Anspruch 1 geschaffen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Das erfindungsgemäße Mengensteuerventil besitzt einen in einem Gehäuseabschnitt in zwei Richtungen bewegbaren Anker, wobei eine Bewegungsrichtung durch einen Anschlag begrenzt ist. Der Gehäuseabschnitt ist mit Fluid befüllbar. Liegt der Anker an dem Anschlag an, so existiert eine Kontaktfläche, die durch die Oberflächen der beiden Kontaktelemente, dem Anker und dem Anschlag, bestimmt ist und kleiner ist als die Gesamtfläche von Anker oder Anschlag.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich bei einer Anziehbewegung, d.h. einer Bewegung des Ankers auf den Anschlag zu, im Bereich der Kontaktfläche vor dem Anliegen in Verbindung mit dem Fluid ein Druckpolster ausbildet, welches die Geschwindigkeit der Bewegung vor dem Aufprall des Ankers an dem Anschlag verringert. Dieser Effekt wird Quetscheffekt genannt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich bei einer Abziehbewegung, d.h. einer Bewegung des Ankers von dem Anschlag weg, ausgehend von einem Anliegen des Ankers an dem Anschlag. Im Bereich der Kontaktfläche entsteht ein Volumen, welches nun mit dem Fluid wiederbefüllt wird. Die Verminderung der Kontaktfläche im Vergleich zur Gesamtfläche von Anker oder Anschlag ermöglicht es, ein so genanntes hydraulisches Kleben des Ankers am Anschlag zu verringern, und somit Schaltzeiten zu verringern.
Durch eine Aufprallverzögerung bei der Anziehbewegung und eine Minderung des hydraulischen Klebens bei der Abziehbewegung werden die NVH-Eigenschaften (NVH = Noise, Vibration & Harshness) des Mengensteuerventils, d.h. die Eigenschaften bezüglich Geräusch, Vibration und Rauhigkeit, in positiver Weise beeinflusst.
Die Aufprallverzögerung verringert die Pulsation des Drucks bei der Anziehbewegung. Auch Preller, d.h. ein mehrfaches Aufprallen bei der Anziehbewegung durch federnde Eigenschaften der beteiligten Bauteile, werden minimiert. Eine Verringerung der Kavitationsneigung wird durch den zeitlich abgedämpften Druckverlauf und damit einer geringen Neigung zu örtlich plötzlich auftretenden Druckunterschieden erreicht.
Durch die Gestaltung der jeweiligen Oberflächen des Ankers und des Anschlags vor allem hinsichtlich der Größe und Form der Kontaktflächen wird ein Kompromiss zwischen der Aufpralldämpfung und dem verringerten hydraulischen Kleben erreicht.
Mit den vorgenannten Vorteilen wird außerdem erreicht, dass eine geringe festigkeitskritische Belastung sowie eine geringe Erosion und damit erhöhte Lebensdauer der beteiligten Bauteile wie beispielsweise auch Schweißnähte, Hülsen, o.ä. erreicht wird.
Damit wird auch ermöglicht, dass eine genaue Fördermenge über die gesamte Lebensdauer wie auch über kurze Betriebszeiten garantiert werden kann.
In dem Mengensteuerventils führt ein Entlüftungsvolumen, welches mit einem axialen Kanal innerhalb des Ankers verbunden ist, dazu, dass bei der Abziehbewegung ein schnelles Wiederbefüllen des im Bereich der Kontaktfläche enstehenden Volumens erreicht wird. Das Entlüftungsvolumen ist ebenso bei der Anziehbewegung vorteilhaft, da das Fluid, welches sich im Bereich der Kontaktflächen befindet, schnell abfließen kann.
Außerdem existiert ein Totvolumen, welches bei dem Anliegen des Ankers an dem Anschlag zwischen den beiden Kontaktpartnern eingeschlossen ist und keine Verbindung zu einem axialen Kanal besitzt. Bei der Anziehbewegung führt das Totvolumen kurz vor dem Anliegen des Ankers an dem Anschlag dazu, dass das Fluid in dem Totvolumen abgeschnürt wird und somit ebenso als Druckpolster zwischen Anker und Anschlag wirksam wird. Somit wird mit einer kleinen Kontaktfläche eine starke Endlagendämpfung mittels des als Druckpolster wirksamen Totvolumens erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Mengensteuerventils existiert radial innerhalb der Kontaktfläche ein erstes Entlüftungsvolumen und radial außerhalb der Kontaktfläche ein zweites Entlüftungsvolumen. Das heißt, dass bei der Anziehbewegung das Fluid zu beiden Seiten, also nach radial innen und radial außen, abfließen kann. Der Vorteil zeigt sich bei der Abziehbewegung. Das im Bereich der Kontaktfläche entstehende Volumen kann von zwei Seiten wiederbefüllt werden und der Effekt des hydraulischen Klebens wird weiter verringert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Mengensteuerventils ist die Ausführungsform mit erstem und zweiten Entlüftungsvolumen derart ausgestaltet, dass beide Entlüftungsvolumina über eine Verbindung verbunden sind und nur eines der Entlüftungsvolumina mit Mündungen der axialen Kanäle verbunden ist. Dadurch kann die Entlüftung der beiden Entlüftungsvolumina garantiert werden und es sind keine weiteren axialen Kanäle mit Mündungen in beide Entlüftungsvolumina notwendig.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Mengensteuerventils ist eine Oberfläche des Ankers oder des Anschlags nicht-magnetisch ausgeführt. Dadurch wird eine magnetische Trennung erreicht und verhindert, dass bei einem Anliegen des Ankers an dem Anschlag eine Trennung der beiden Kontaktpartner nur unter großem Kraftaufwand möglich ist. Ebenso kann ein nicht-magnetisches Material eine höhere Festigkeit als das Material des Ankers oder des Anschlags aufweisen, was die Verschleißfestigkeit und damit die Lebensdauer des Mengensteuerventils erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Mengensteuerventils ist die Beschaffenheit einer Oberfläche, welche der Kontaktfläche zugehörig ist, durch eine Profilierung gekennzeichnet. Durch die Profilierung lassen sich der Quetscheffekt und das hydraulische Kleben, also das Verhalten bei der Anzieh- und Abziehbewegung im Bereich des Anliegens von Anker und Anschlag genau einstellen.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine;
Figur 2a: eine Schnittansicht eines vereinfachten Schemas eines Elektromagneten (ohne Spule) eines Mengensteuerventils in einer Anziehbewegung;
Figur 2b: eine Schnittansicht des Elektromagneten (ohne Spule) der Figur 2a in einer Abziehbewegung;
Figur 3a: eine Schnittansicht gemäß Figur 2a mit einem Anker mit einer kreisförmigen Kontaktfläche;
Figur 3b: eine axiale Draufsicht entsprechend einer Richtung lila auf den Anker nach der Figur 3a;
Figur 4a: eine Schnittansicht gemäß Figur 2a mit einem Anschlag mit einer kreisförmigen Kontaktfläche;
Figur 4b: eine axiale Draufsicht entsprechend einer Richtung IIIb auf den Anschlag nach der Figur 4a;
Figur 5a: eine Schnittansicht gemäß Figur 2a mit einem Anker mit einer kreisringförmigen Kontaktfläche;
Figur 5b: eine axiale Draufsicht entsprechend einer Richtung lila auf den Anker nach der Figur 5a;
Figur 6a: eine Schnittansicht gemäß Figur 2a mit einem Anker mit einer kreisringförmigen Kontaktfläche;
Figur 6b: eine axiale Draufsicht entsprechend einer Richtung lila auf den Anker nach der Figur 6a;
Figur 7a: eine Schnittansicht gemäß Figur 2a mit einem Anker mit einer kreisringförmigen Kontaktfläche und einer Nut;
Figur 7b: eine axiale Draufsicht entsprechend einer Richtung lila auf den Anker nach der Figur 7a;
Figur 8: eine Schnittansicht eines Anschlagkörpers;
Figur 9: eine Schnittansicht eines Anschlagankers;
Figur 10a: eine Schnittansicht eines Anschlagankers; und
Figur 10b: eine axiale Draufsicht auf einen Anschlagkörper gemäß einer Richtung IIIb der Figur 10a.

Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Ein Kraftstofftank 9 ist über eine Saugleitung 4, eine Vorförderpumpe 5 und eine Niederdruckleitung 7 mit einer (nicht näher erläuterten) Hochdruckpumpe 3 verbunden. An die Hochdruckpumpe 3 ist über eine Hochdruckleitung 11 ein Hochdruckspeicher 13 ("Common Rail") angeschlossen. Ein Mengensteuerventil 14 mit einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 - im Folgenden als ein Elektromagnet 15 bezeichnet - ist hydraulisch im Verlauf der Niederdruckleitung 7 zwischen der Vorförderpumpe 5 und der Hochdruckpumpe 3 angeordnet. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 3, sind in der Figur 1 nicht gezeichnet. Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 14 als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 3 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann durch das Mengensteuerventil 14 ein Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 zwangsweise geöffnet werden.
Beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 9 in die Niederdruckleitung 7. Dabei bestimmt das Mengensteuerventil 14 die der Hochdruckpumpe 3 zugeführte Kraftstoffmenge.
Figur 2a zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14, beziehungsweise des Elektromagneten 15. Die in der Figur 2a dargestellten Elemente weisen im Wesentlichen eine Drehsymmetrie um eine zentrale Längsachse eines Gehäuseabschnitts 20 auf.
Dargestellt ist der im Wesentlichen hohlzylindrische Gehäuseabschnitt 20, und in diesem ein allgemein als Bewegungsteil bezeichenbarer, in Richtung der Längsachse verschiebbarer Anker 22 und ein mit dem Anker 22 fest verbundenes Ventilelement 24. Der Gehäuseabschnitt 20 ist im in der Zeichnung rechten Teil begrenzt durch einen Anschlag 26. In einem in dem Gehäuseabschnitt 20 gebildeten und allgemein als Bewegungsraum bezeichenbaren Ankerraum 28 befindet sich zu beiden Seiten des Ankers 22 ein in der Zeichnung nicht sichtbares Fluid 30. Zwischen einer inneren Umfangswand 32 des Gehäuseabschnitts 20 und einer äußeren Umfangswand 34 des Ankers 22 befindet sich ein umlaufender Ringspalt 36, der übertrieben groß dargestellt ist.
Der Anker 22 weist vorliegend vier axiale Kanäle 38 auf, von denen zwei in der Schnittdarstellung der Figur 2a sichtbar sind. Die Kanäle 38 können entweder, wie dargestellt, als Bohrungen in dem Anker 22 oder auch als Nut an der Umfangswand 34 des Ankers 22 ausgeführt sein.
In einer Endlage in Richtung des Pfeils 42 liegt die Stirnseite des Ankers 22 auf dem Anschlag 26 im Bereich einer Kontaktfläche direkt auf. Die Kontaktfläche ist bei der Vorrichtung nach Figur 2a durch die stirnseitige Oberfläche des Ankers 22 definiert und nur durch die Mündungen der Kanäle 38 unterbrochen.
Die Kontaktfläche setzt sich allgemein aus den überlappenden Oberflächen von Anker 22 und Anschlag 26 zusammen. Die einzelnen Oberflächen können im Gegensatz zu den in Figur 2a dargestellten in etwa planparallelen Flächen auch eine andere Oberflächenform, beispielsweise eine konvexe, konkave oder wellenartige Oberflächenform, besitzen, so dass sie bei Kontakt durch ein Ineinanderpassen die Kontaktfläche bilden.
In der in Figur 2a dargestellten Betriebssituation des Elektromagneten 15 wird der Anker 22 zusammen mit dem Ventilelement 24 in der Zeichnung nach rechts bewegt, was der Anziehbewegung entspricht. Dies wird durch einen Pfeil 42 symbolisiert. Die Anziehbewegung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil, hier der Anker 22, sich auf ein nicht bewegliches Teil, hier den Anschlag 26, zu bewegt. Nach dem Anliegen des Ankers 22 auf dem Anschlag 26 wird der Anker 22 von dem Anschlag 26 ab- bzw. weggezogen. Dies ist die Abziehbewegung. Ein Öffnen oder Schließen des Ventils ist mit der Anzieh- oder Abziehbewegung nicht gemeint.
Die Gesamtfläche des Ankers 22 an der Stirnseite, also an der dem Anschlag 26 zugewandten Seite, entspricht der Draufsichtfläche aus der Richtung lila. Die Draufsichtfläche berücksichtigt weder die Mündungen der axialen Kanäle 38 noch den Ringspalt 36. Für den Anschlag 26existiert eine weitere Draufsichtfläche aus der Richtung Illb und damit auch eine weitere Gesamtfläche. Die Gesamtfläche ist somit durch eine Draufsichtfläche aus der Richtung des entgegengesetzten Kontaktpartners, hier dem Anker 22 oder dem Anschlag 26, definiert.
Bei der Anziehbewegung wird das Volumen eines Teilabschnitts 44 des Ankerraums 28 stetig verkleinert. Damit wird das in dem Teilabschnitt 44 vorhandene Fluid 30 verdrängt. Das Fluid 30 fließt hierbei entsprechend den gezeichneten Pfeilen 46 aus diesem Teilabschnitt 44 heraus.
Durch eine Viskosität des Fluids 30 sowie die Bewegung des Ankers 22 in Richtung des Anschlags 26 erfolgt ein so genannter Quetscheffekt. Der Quetscheffekt bedeutet eine Behinderung der Verdrängung des Fluids 30. Dies ist in der Figur 2a durch Doppelpfeile 48 angedeutet. Mit dem Quetscheffekt wird eine Aufpralldämpfung des Ankers 22 ermöglicht. D.h. der Anker 22 kann mit hoher Geschwindigkeit auf den Anschlag 26 zufliegen und der Aufprall des Ankers 22 auf den Anschlag 26 wird durch den Quetscheffekt und einem daraus resultierenden Druckpolster gedämpft.
Der Quetscheffekt hängt ab von der Kontaktfläche zwischen Anker 22 und Anschlag 26. Das Druckpolster verläuft bei dem in Figur 2a dargestellten Mengensteuerventil 14 entsprechend den dargestellten Doppelpfeilen 48 zwischen den sich überlappenden Oberflächen des Ankers 22 und des Anschlags 26. Wie dargestellt, überlappen sich die Oberflächen des Ankers 22 und des Anschlags 26 in Figur 2a, abgesehen von dem Ringspalt 36 und den Mündungen der axialen Kanäle 38, vollständig.
Die Betriebssituation in Figur 2b entspricht der Abziehbewegung entsprechend dem Pfeil 43 entgegen der Anziehbewegung in Figur 2a. Zwischen den Betriebssituationen in Figur 2a und 2b geschieht ein Aufprall des Anker 22 auf den Anschlag 26. Entsprechend der Betriebssituation in Figur 2b entsteht nach dem Aufprall wieder ein Volumen im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Anker 22 und dem Anschlag 26. Das Volumen wird mit dem Fluid 30 über die axialen Kanäle 38 entsprechend den Pfeilen 47 befüllt. Abhängig von der Viskosität des Fluids 30 sowie des Profils des Ankers 22 und des Anschlags 26 kann ein sogenanntes hydraulisches Kleben auftreten, welches die Abziehbewegung erschwert.
In den folgenden Figuren ist meist lediglich die Anziehbewegung dargestellt.
Die Schnittansicht der Figur 3a zeigt einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14 mit einem Elektromagneten 15 in einer vereinfachten Darstellung, folgend dem Darstellungsprinzip der Figur 2a. Der Anker 22 weist hierbei einen zylindrischen Vorsprung 62 mit einer kreisförmigen Oberfläche 60 auf. Die kreisförmige Oberfläche 60 definiert die Kontaktfläche. Die Oberfläche 60 ist kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22.
Das Material einer der die Kontaktfläche bildenden Oberflächen des Ankers 22 oder des Anschlags 26 ist nicht-magnetisch ausgeführt. Dies kann beispielsweise durch eine Verchromung geschehen, die ebenso eine verschleißfeste Oberfläche darstellt.
Die Oberfläche 60 kann im Gegensatz zur Figur 3a auch eine andere Form besitzen, wobei dann der gegenüberliegende Anschlag 26 eine entsprechende, die Form der Oberfläche 60 aufnehmende Form besitzt. Beispielsweise kann die Oberfläche 60 eine konkave Form und der Anschlag in dem entsprechenden Bereich eine konvexe Form besitzen.
Ebenso kann die Oberfläche 60 derart ausgestaltet sein, dass beim Anliegen ein Spalt zwischen dem Anker 22 und dem Anschlag 26 vorhanden ist. Ist beispielsweise ein radial nach außen größer werdender Abstand von Oberfläche 60 und Anschlag 26 im Bereich der Kontaktfläche vorgesehen, so entsteht radial nach außen der Spalt. Dieser Spalt ermöglicht es, dass Fluid aus einem radial außerhalb der Kontaktfläche liegenden Volumen in den Bereich der Kontaktfläche fließen kann und ein hydraulisches Kleben verhindert bzw. verringert wird. Trotz des Spaltes kann bei der Anziehbewegung der Quetscheffekt genutzt werden.
Die Oberfläche 60 kann durch eine Profilierung gekennzeichnet sein. Diese kann unterschiedlich ausgeführt sein. Beispielsweise führt eine Profilierung in Form von konzentrischen Kreisen dazu, dass es dem Fluid 30 bei der Anzieh- und Abziehbewegung erschwert wird, in radialer Richtung zu fließen. Das heißt, dass im Vergleich zu einer glatten Oberfläche bei der Anziehbewegung das Druckpolster und bei der Abziehbewegung das hydraulische Kleben stärker ausgeprägt sind.
Im Gegensatz dazu führt eine strahlenförmig von einem Mittelpunkt der Oberfläche ausgehende Profilierung dazu, dass es dem Fluid 30 bei der Anzieh- und Abziehbewegung erleichtert wird, in radialer Richtung zu fließen. Das heißt, dass im Vergleich zu einer glatten Oberfläche bei der Anziehbewegung das Druckpolster und bei der Abziehbewegung das hydraulische Kleben schwächer ausgeprägt sind.
In Figur 3b ist die axiale Draufsicht auf den Anker 22 entsprechend der Richtung lila nach der Figur 3a zu sehen. Aus zeichnerischen Gründen ist nur die obere Hälfte des Ankers 22 dargestellt. Die untere, nicht gezeichnete Hälfte ist dazu spiegelsymmetrisch angelegt. In der Figur 3b sind die axialen Kanäle 38 sowie der zylindrische Vorsprung 62 mit der kreisförmigen Oberfläche 60 zu sehen. Des Weiteren ist die eine Hälfte des Doppelpfeils 48 zu sehen, der das Druckpolster repräsentiert. Die Umfangswand 34 begrenzt den Anker 22.
Die Betriebssituation in der Figur 3a stellt sich wie folgt dar: Entsprechend der Betriebssituation in Figur 2a, der Anziehbewegung, wird der Anker 22 mit einem Ventilelement 24 entsprechend einem Pfeil 42 in der Zeichnung nach rechts bewegt. Das Volumen des Teilabschnitts 44 des Ankerraums 28 wird stetig verkleinert und das Fluid fließt dabei entsprechend Pfeilen 46 aus dem Teilabschnitt 44 heraus.
Der Quetscheffekt entsteht zwischen der kreisförmigen Oberfläche 60 und dem überlappenden Teil der Oberfläche des Anschlags 26. Durch den Quetscheffekt entsteht ein Druckpolster entsprechend dem Doppelpfeil 48 und eine Aufpralldämpfung des Ankers 22 ist dadurch gewährleistet. Dadurch, dass die Oberfläche 60 kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22 ist, entsteht das Druckpolster nicht im Bereich der Gesamtfläche des Ankers 22, sondern nur im Bereich der kleineren Kontaktfläche.
Bei einer nicht dargestellten Abziehbewegung des Ankers 22 entsteht ein Volumen im Bereich der Kontaktfläche, welche über die kreisförmigen Oberfläche 60 definiert ist. Dieses Volumen füllt sich über ein Entlüftungsvolumen 65 radial von außen, wobei sich das Entlüftungsvolumen 65 wiederum über die axialen Kanäle 38 füllt. Dadurch, dass die Oberfläche 60 kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22 ist, wird das hydraulische Kleben im Vergleich zur Figur 2a und 2b verringert.
Die im Vergleich zur Figur 2a verkleinerte Kontaktfläche in Figur 3a erlaubt somit eine Verringerung der Aufprallgeschwindigkeit bei der Anziehbewegung des Ankers 22 durch den Quetscheffekt sowie eine Verringerung des hydraulischen Klebens bei der Abziehbewegung des Ankers 22 durch eine Belüftung der Kontaktfläche.
Die Schnittansicht der Figur 4a zeigt einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14 in einer vereinfachten Darstellung, folgend dem Darstellungsprinzip der Figur 2a. Der Anschlag 26 weist einen zylindrischen Vorsprung 62 mit einer kreisförmigen Oberfläche 60 auf. Die kreisförmige Oberfläche 60 ist kleiner als die Gesamtfläche des Anschlags 26. Damit verringert sich, wie in Figur 3a und 3b, die Kontaktfläche im Vergleich zur Figur 2a.
In der Figur 4b ist die axiale Draufsicht auf den Anschlag 26 entsprechend einer Richtung IIIb der Figur 4a mit dem zylindrischen Vorsprung 62 und der kreisförmigen Oberfläche 60 zu sehen. Des Weiteren ist eine Hälfte des Doppelpfeils 48 zu sehen, der das Druckpolster repräsentiert. Die innere Umfangswand 32 des Gehäuseabschnitts 20 begrenzt die gezeigte Draufsicht des Anschlags 26.
Die Betriebssituation in der Figur 4a entspricht im Wesentlichen derjenigen der Figur 3a. Eine nicht dargestellte Abziehbewegung entspricht im Wesentlichen den Erläuterungen zu Figur 3a und 3b.
Der zylindrische Vorsprung 62 und damit die kreisförmige Kontaktfläche 60 sind in den Figuren 3a und 3b an dem Anker 22, in den Figuren 4a und 4b dagegen an dem Anschlag 26 ausgebildet. Die Kontaktfläche und damit das Druckpolster kann, entsprechend den Doppelpfeilen 48 der entsprechenden Figuren 3a bis 4b, also auch durch eine entsprechend umgekehrte Profilierung des Ankers 22 und des Anschlags 26 erreicht werden. Die folgenden Ausführungsbeispiele sind daher so zu verstehen, dass sich eine in etwa äquivalente Funktion hinsichtlich der Kontaktflächen und des Druckpolsters auch durch eine entsprechend umgekehrte Form oder Profilierung der sich gegenüberliegenden Kontaktpartner erreichen lässt. Bei der Profilierung ist zusätzlich eine gewünschte Belüftung durch die axialen Kanäle 38 zu berücksichtigen.
Die Schnittansicht der Figur 5a zeigt, folgend dem Darstellungsprinzip der Figur 2a, in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14 mit einem Elektromagneten 15. Der Anker 22 weist hierbei einen hohlzylindrischen Vorsprung 64 mit einer kreisringförmigen Oberfläche 61 auf, wobei axiale Kanäle 38 radial außerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 liegen. Die kreisringförmige Oberfläche 61 ist kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22.
Die Kontaktfläche der Figur 5a ist im Vergleich zur Kontaktfläche in Figur 3a kleiner, nimmt man einen gleichen Kreisaußendurchmesser von zylindrischem Vorsprung 62 in Figur 3a und hohlzylindrischem Vorsprung 64 in Figur 5a an.
Des Weiteren existiert ein Totvolumen 66, welches durch den hohlzylindrischen Vorsprung 64 begrenzt ist.
In der Figur 5b ist die axiale Draufsicht auf den Anker 22 entsprechend einer Richtung lila nach der Figur 5a mit dem hohlzylindrischen Vorsprung 64, der kreisringförmigen Oberfläche 61 und dem Totvolumen 66 zu sehen. Der Anker 22 ist durch die Umfangswand 34 begrenzt und weist weiterhin die axialen Kanäle 38 auf. Die Pfeile 48 repräsentieren das Druckpolster.
Die Betriebssituation in der Figur 5a entspricht im Wesentlichen derjenigen der Figur 2a. Kurz vor dem Anliegen des Ankers 22 an dem Anschlag 26 wird das Fluid 30, welches sich in dem Totvolumen 66 befindet, von dem radial außerhalb liegenden Entlüftungsvolumen 65 abgeschlossen. Dadurch wird zusätzlich auch das Fluid 30 in dem Totvolumen als Druckpolster wirksam, wodurch sich eine ähnliche Wirkung, wie bei einer kreisförmigen Oberfläche 60 nach Figur 3a und 3b ergibt. Das bedeutet, dass in diesem Fall die als Druckpolster wirksame Fläche größer ist als die Kontaktfläche.
Eine nicht dargestellte Abziehbewegung entspricht im Wesentlichen den Erläuterungen zu Figur 3b, wobei ein Befüllen im Bereich der Kontaktfläche und dem eingeschlossenen Totvolumen 66 ähnlich der Figur 3b radial von außen über das Entlüftungsvolumen 65 geschieht.
Die Schnittansicht der Figur 6a zeigt, folgend dem Darstellungsprinzip der Figur 2a, in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14 mit einem Elektromagneten 15. Der Anker 22 weist hierbei einen hohlzylindrischen Vorsprung 64 mit einer kreisringförmigen Oberfläche 61 auf, wobei die axialen Kanäle 38 radial innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 liegen. Die kreisringförmige Oberfläche 61 ist kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22.
In der Figur 6b ist die axiale Draufsicht auf den Anker 22 entsprechend einer Richtung lila nach der Figur 6a mit dem hohlzylindrischen Vorsprung 64 und der kreisringförmigen Oberfläche 61 zu sehen. Der Anker 22 ist durch eine Umfangswand 34 begrenzt und weist weiterhin die axialen Kanäle 38 radial innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 auf. Die Pfeile 48 repräsentieren das Druckpolster.
Die Betriebssituation in Figur 6a stellt sich wie folgt dar: Durch die Bewegung des Ankers 22 in Richtung des Pfeils 42 bildet sich kurz vor dem Anliegen des Ankers 22 an dem Anschlag 26 ein Druckpolster gemäß den Doppelpfeilen 48 aus. Bei den radial innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 liegende Mündungen der axialen Kanäle 38 existiert innerhalb der kreisringförmigen Oberfläche 61 ein Entlüftungsvolumen 65. Der Anker 22 weist kein Totvolumen 66 wie in Figur 5a und 5b auf und das Fluid 30 kann radial innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 durch die axialen Kanäle 38 abfließen. Da die kreisringförmige Oberfläche 61 mit dem Ringspalt 36 abgeschlossen ist, kann das Fluid 30 beim Anliegen des Ankers 22 an dem Anschlag 26 im Wesentlichen nur in eine Richtung und zwar radial nach innen abfließen.
Für die nicht dargestellte Abziehbewegung bedeutet die Ausgestaltung des Ankers 22, dass ein Befüllen des Volumens, welches bei der Abziehbewegung im Bereich der kreisringförmigen Oberfläche 61 entsteht, durch das Fluid 30 geschieht, welches sich radial innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64, also in dem Entlüftungsvolumen 65, befindet. Das Entlüftungsvolumen 65 wird über die Kanäle 38 befüllt.
Die Schnittansicht der Figur 7a zeigt eine Darstellung ähnlich derjenigen der Figur 5a, jedoch mit zusätzlichen Nuten 68 in dem hohlzylindrischen Vorsprung 64 des Ankers 22. Die kreisringförmige Oberfläche 61 wird so durch die radialen Nuten 68 unterbrochen. Der Anker 22 weist in diesem Fall lediglich zwei axiale Kanäle 38 auf. Die kreisringförmige Oberfläche 61 ist kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22.
In der Figur 7b ist die axiale Draufsicht auf den Anker 22 entsprechend der Richtung lila nach der Figur 7a mit dem hohlzylindrischen Vorsprung 64, der unterbrochenen, kreisringförmigen Oberfläche 61 und der radialen Nut 68 zu sehen. Der Anker 22 ist durch die Umfangswand 34 begrenzt und weist weiterhin die axialen Kanäle 38 radial außerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 auf. Die Doppelpfeile 48 repräsentieren das Druckpolster.
Die Betriebssituation in der Figur 7a folgt im Wesentlichen der Beschreibung zu Figur 5a. Im Vergleich mit der Figur 5a und 5b verringert sich die als Druckpolster wirksame Fläche durch das Ersetzen des Totvolumens 66 aus Figur 5a und 5b in Form eines zentralen ersten Entlüftungsvolumens 65 innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64. Damit kann das Fluid 30, welches sich innerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 befindet, über das radial außerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs 64 liegende zweite Entlüftungsvolumen 65 in die Kanäle 38 abfließen. Die als Druckpolster wirksame Fläche ist somit gleich der Kontaktfläche.
Durch den Pfeil 67 in Figur 7b ist gekennzeichnet, wie das Fluid 30 sich bei der Anziehbewegung des Ankers 22 aus dem ersten Entlüftungsvolumen 65 heraus in das zweite Belüftungsvolumen 65 bewegt und direkt über den axialen Kanal 38 abfließt.
Bei einer nicht dargestellten Abziehbewegung des Ankers 22 befüllt sich das entstehende Volumen im Bereich der kreisringförmigen Kontaktfläche 61 radial aus zwei Richtungen: Zum einen radial von außen durch das zweite Entlüftungsvolumen 65 und über die axialen Kanäle 38 nachgeführtes Fluid 30, zum anderen radial von innen durch das erste Entlüftungsvolumens 65 bzw. das über die axialen Kanäle 38 und die Nuten 68 nachgeführte Fluid 30.
Figur 8 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14. Dargestellt ist der Gehäuseabschnitt 20 und in diesem der Anker 22, verbunden mit dem Ventilelement 24 wie in Figur 2a. Des Weiteren ist ein mit dem Gehäuseabschnitt 20 fest verbundener Anschlagkörper 73 mit einem Anschlag 27 gezeigt. Die Kontaktfläche zwischen dem Anker 22 und Anschlag 27 gemäß den Pfeilen 48 ist kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22.
Eine Abziehbewegung des Ventilelements 24 mit dem Anker 22 ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anker 22 in die Richtung des Pfeils 43 auf den Anschlag 26 zu bewegt. Zwischen dem Anker 22 und dem Anschlagkörper 73 baut sich vor einem Aufprall bzw. Anliegen des Ankers 22 das Druckpolster gemäß der Doppelpfeile 48 auf. Das Fluid 30 kann in diesem Fall über das Entlüftungsvolumen 65 und die Kanäle 38 entsprechend den Pfeilen 46 abfließen.
Bei einer nicht dargestellten Anziehbewegung des Ankers 22, d.h. einer Bewegung des Ankers 22 von dem Anschlag 27 weg, muss das Volumen zwischen der Kontaktfläche zwischen Anker 22 und Anschlag 27 wieder mit dem Fluid 30 befüllt werden. Hierzu fließt das Fluid 30 aus dem Entlüftungsvolumen 65 und den Kanälen 38 nach.
Figur 9 zeigt einen Ausschnitt eines Mengensteuerventils 14 mit zwei feststehenden Anschlagkörpern 73 mit den Anschlägen 26 und 27, die zur Begrenzung der Bewegung des Ventilelements 24 durch einen mit dem Ventilelement 24 fest verbundenen Anschlaganker 72 dienen. Der Anschlaganker 72 ist in dem Gehäuseabschnitt 20 entlang der Längsachse bewegbar. Das Ventilelement 24 ist in nicht dargestellter Weise mit dem Anker 22 verbunden, wobei sich der Anker 22 auf der rechten Seite gemäß der Figur 9 befindet. Die kreisringförmige Kontaktfläche zwischen dem Anschlaganker 72 und dem Anschlag 26 gemäß den Pfeilen 48 ist durch die Entlüftungsvolumina 65 in dem Anschlagkörper 73 kleiner als die Gesamtfläche des Anschlagankers 72.
Beispielhaft zeigt die Betriebssituation in Figur 9 den Moment kurz vor dem Anliegen des Anschlagankers 72 an dem Anschlag 26, d.h. die Anziehbewegung. Hierbei bildet sich ein Druckpolster gemäß den Doppelpfeilen 48 zwischen den sich überlappenden Oberflächen des Anschlagankers 72 und des Anschlags 26 bzw. des Anschlagkörpers 73 aus und das Fluid 30 wird über die Entlüftungsvolumina 65 in den Ankerraum 28 entsprechend den Pfeilen 46 verdrängt. Analog bildet sich bei einer dem Pfeil 42 entgegengesetzten Bewegung des Ventilelements 24 ein Druckpolster am Anschlag 27 aus.
Eine nicht dargestellte Abziehbewegung des Anschlagankers 72 von dem Anschlag 26 entgegengesetzt zu dem Pfeil 42 hat zur Folge, dass das im Bereich der Kontaktfläche entstehende Volumen zwischen Anschlaganker 72 und Anschlag 26 mit dem Fluid 30 aus den Entlüftungsvolumina 65 befüllt wird.
Die Figur 10a zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14, beziehungsweise des Elektromagneten 15. Dargestellt ist der Gehäuseabschnitt 20, und in diesem ein entlang der Längsachse verschiebbarer Anschlaganker 72 mit einer Umfangswand 74. Der verschiebbare Anschlaganker 72 ist fest mit dem Ventilelement 24 verbunden. Das Ventilelement 24 wird radial in dem feststehenden Anschlagkörper 73 geführt. Eine innere Umfangswand 78 des Anschlagkörpers 73 begrenzt mit einer äußeren Umfangswand 80 des Ventilelements 24 einen Führungsspalt 79 zur Führung des Ventilelements 24. Der Führungsspalt ist übertrieben groß dargestellt.
Der Anschlagkörper 73 ist dadurch gekennzeichnet, dass er in einer Richtung lila, d.h. in Richtung des Anschlagankers 72, einen konischen Durchmessersprung 82 aufweist. Der konische Durchmessersprung 82 entspricht einer Vergrößerung des inneren Durchmessers in die Richtung lila ausgehend von der Umfangswand 78 und setzt sich bis zum Anschlag 26 fort. Des Weiteren besitzt der Anschlagkörper 73 auf der dem Anschlaganker 72 zugewandten Seite eine Nut 68.
Die Nut 68 verläuft ausgehend von dem Durchmessersprung 82 in radialer Richtung über den Durchmesser der Umfangswand 74 des Anschlagankers 72 hinaus bis zur Umfangswand 32 des Ankerraums 28. Die Nut 68 verbindet das Entlüftungsvolumen 65 innerhalb des Durchmessersprungs 82 mit dem Ankerraum 28. Durch den Durchmessersprung 82 sowie die Nut 68 ergibt sich eine durch die Nut 68 unterbrochene, kreisringförmige Kontaktfläche. Die Kontaktfläche ist kleiner als die Gesamtfläche des Ankers 22.
In der Figur 10b ist die axiale Draufsicht auf den Anschlagkörper 73 entsprechend der Richtung IIIb nach der Figur 10a sowie ein Querschnitt des Ventilelements 24 zu sehen. Die radiale Lagerung des Ventilelements 24 ist mit dem durch die Umfangswände 78 und 79 begrenzten Führungsspalt 79 gezeigt. Radial ausgehend von der Umfangswand 78 über den Durchmessersprung 82 geht der Anschlagkörper 73 über in den Anschlag 26. Doppelpfeile 48 repräsentieren das Druckpolster und zeigen mit der angedeuteten Umfangswand 74 des Anschlagankers 72 die durch die Nut 68 unterbrochene, kreisringförmige Kontaktfläche an.
Die Betriebssituation in Figur 10a und 10b stellt sich wie folgt dar: Der Anschlaganker 72 bewegt sich, in Form einer Anziehbewegung, mit dem Ventilelement 24 auf den Anschlag 26 und damit den Ventilkörper 73 zu. Kurz vor dem Anliegen des Anschlagankers 72 auf dem Anschlag 26 entsteht durch das Fluid 30 ein durch die Nut 68 unterbrochenes, kreisringförmiges Druckpolster entsprechend der Kontaktfläche und den Doppelpfeilen 48. Die unterbrochene, kreisringförmige Kontaktfläche ist um den Durchmessersprung 82 verringert und betrifft die sich überlappenden Oberflächen von Anschlag 26 und Anschlaganker 72. Das Fluid 30, welches sich beim Anliegen des Anschlagankers 72 an dem Anschlag 26 im Bereich des Durchmessersprungs 82 befindet, kann über die Nut 68 entlang des Pfeils 76 über Entlüftungsvolumina 65 in den Ankerraum 28 abfließen. Dadurch wird das Fluid 30 innerhalb des Durchmessersprungs 82 sowie innerhalb der Nut 68 nicht als Druckpolster wirksam. Durch den Führungsspalt 79 kann im Wesentlichen kein Fluid 30 abfließen.
Bei einer nicht dargestellten Abziehbewegung wird ein entstehendes Volumen im Bereich der unterbrochenen, kreisringförmigen Kontaktfläche radial von innen und von außen durch die Entlüftungsvolumina 65 mit dem Fluid 30 befüllt. Das Fluid 30 fließt über den Ankerraum 28 radial von außen zu. Des Weiteren fließt das Fluid 30 über den innen liegenden Durchmessersprung 82 und die Nut 68 zu.

Claims

Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14), insbesondere zur Steuerung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe (3), mit einem mit einem Fluid (30) befüllbaren Bewegungsraum (28), einem in diesem angeordneten Bewegungsteil (22, 72) einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (15), und einem Anschlag (26, 27), wobei bei einem Anliegen des Bewegungsteils (22, 72) an dem Anschlag (26, 27) zwischen dem Bewegungsteil (22, 72) und dem Anschlag (26, 27) eine Kontaktfläche vorhanden ist, wobei die Kontaktfläche durch eine Oberfläche des Bewegungsteils (22, 72) und eine Oberfläche des Anschlags (26, 27) festgelegt ist, und wobei die Kontaktfläche kleiner ist als die Gesamtfläche des Bewegungsteils (22, 72) oder des Anschlags (26, 27), wobei ein Totvolumen existiert, welches bei dem Anliegen des Bewegungsteils (22, 72) an dem Anschlag (26, 27) zwischen dem Bewegungsteil (22, 72) und dem Anschlag (26, 27) eingeschlossen und nicht befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Totvolumen durch einen hohlzylindrischen Vorsprung (64) gebildet wird, dass axiale Kanäle (38) in dem Bewegungsteil (22, 72) vorhanden sind, die die zu beiden Seiten des Bewegungsteils (22, 72) liegenden Bereiche des Bewegungsraums (28) miteinander verbinden, dass bei dem Anliegen des Bewegungsteils (22, 72) an dem Anschlag (26, 27) ein über die Kanäle (38) befüllbares Entlüftungsvolumen (65) vorhanden ist, dass die axialen Kanäle (38) radial außerhalb des hohlzylindrischen Vorsprungs (64) liegen und dass radial zwischen dem hohlzylindrischen Vorsprung (64) und dem Entlüftungsvolumen (65) die Kontaktfläche kreisringförmig ausgebildet ist.
Elektromagnetisch betätigbares Mengensteuerventil (14) nach Anspruche 1, wobei radial außerhalb und radial innerhalb der Kontaktfläche Entlüftungsvolumina (65, 67) vorhanden sind.
Elektromagnetisch betätigbares Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 2, wobei ein erstes Entlüftungsvolumen (67) bei dem Anliegen aus dem Bewegungsraum (28) mit dem Fluid (30) über eine Verbindung (38, 68) aus einem zweiten Entlüftungsvolumen (65) befüllbar ist.
Elektromagnetisch betätigbares Mengensteuerventil (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine der Oberflächen der Kontaktfläche aus nicht-magnetischem Material besteht.
Elektromagnetisch betätigbares Mengensteuerventil (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschaffenheit einer Oberfläche, die zur Kontaktfläche zugehörig ist, durch eine Profilierung gekennzeichnet ist.
Kraftstoff-Hochdruckpumpe (3) umfassend ein Mengensteuerventil (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche.