Elektromagnetischer Aktor, elektromagnetisches Ventil und Kraftstoffhochdruckpumpe

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor, ein elektromagnetisches Ventil, das einen solchen elektromagne ^¬ tischen Aktor aufweist, sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die ein solches elektromagnetisches Ventil aufweist.

Elektromagnetische Aktoren sowie elektromagnetische Ventile, die beispielsweise innerhalb von Kraftstoffeinspritzsystemen als Einlassventile für Kraftstoffhochdruckpumpen verwendet werden, sind beispielsweise bekannt aus DE 10 2011 090 006 AI.

An einer Schnittstelle zwischen einem Niederdruckbereich zu einem Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems bei ^¬ spielsweise an einer Kraftstoffhochdruckpumpe, wird bei ^¬ spielsweise der Durchfluss der Kraftstoffhochdruckpumpe über ein digital angesteuertes, insbesondere elektromagnetisches, Ventil geregelt. Dieses elektromagnetische Ventil wird mit Hilfe eines Elektromagneten geöffnet bzw. geschlossen. Das elektromagnetische Ventil weist dazu ein Polstück und einen Anker auf, die relativ zueinander über den Elektromagneten bewegt werden. Für die Magnetauslesung ist zwischen Anker und Polstück ein definierter Luftspalt vorhanden. Dieser Luftspalt wird bei einer Relativbewegung von Anker und Polstück zueinander überwunden, so dass eine an dem Anker angeordnete Anschlagsfläche, die dem Polstück zugewandt ist, und eine an dem Polstück angeordnete Gegenanschlagsfläche, die dem Anker zugewandt ist und der Anschlagsfläche gegenüberliegt, gegeneinander schlagen.

Schaltet daher das elektromagnetische Ventil, werden durch den Impuls, den das jeweils bewegte Teil in starren, wegbegrenzenden Teilen induziert, Schwingungen erzeugt, die über die angren- zenden Teile, beispielsweise Teile der Kraftstoffhochdruck ^¬ pumpe, als Schall abgestrahlt werden. Dies wird als störender Lärm wahrgenommen. Zusätzlich werden nicht nur laute Betriebsgeräusche bei einem Aufeinanderschlagen der gegenüber- liegenden Anschlagsfläche und Gegenanschlagsfläche verursacht, sondern das Anschlagen kann auch dazu führen, insbesondere bei elektromagnetischen Ventilen mit schnellen Schließgeschwindigkeiten, dass die aufeinanderprallenden Flächen beschädigt werden. Als Konsequenz ist u. U. die Lebensdauer bzw. die

Einsatzdauer der elektromagnetischen Ventile begrenzt, und die elektromagnetischen Ventile müssen in relativ kurzen Intervallen überprüft oder ausgetauscht werden. Es ist beispielsweise bekannt, den Einschlag des Ankers in das Polstück durch softwarebasierte Lösungen zu vermindern, indem die Bestromung des Elektromagneten vorzeitig verringert oder sogar abgeschaltet wird, bzw. eine Gegenspannung zum Abbremsen des Ankers angelegt wird.

Aus DE 10 2012 214 910 AI ist es beispielsweise bekannt, eine dämpfende Schicht vorzusehen, die den Einschlag des Ankers in das Polstück dämpft. Zusätzlich ist es beispielsweise aus DE 10 2013 219 439 AI bekannt, den Impuls des Einschlages beim Ausfahren des Ankers zu verringern .

Aufgabe der Erfindung ist es, einen alternativen elektromag- netischen Aktor mit einer geringeren Lärmemission vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird mit einem elektromagnetischen Aktor mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe ist es, ein elektromagnetisches Ventil mit einem solchen Aktor sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen elektromagnetischen Ventil zur Verfügung zu stellen . Ein elektromagnetisches Ventil, das den elektromagnetischen Aktor aufweist, sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe, die das elektromagnetische Ventil aufweist, sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein elektromagnetischer Aktor umfasst ein Polstück und einen Anker, der mittels eines Elektromagneten in Richtung des Polstücks bewegbar ist. Der Anker weist eine dem Polstück zugewandte Anschlagsfläche auf, und das Polstück weist eine dem Anker zugewandte, der Anschlagsfläche gegenüberliegende Ge ^¬ genanschlagsfläche auf. Die Anschlagsfläche und die Gegenan- schlagsfläche sind geometrisch komplementär zueinander ausgebildet, so dass sie bei einer Bewegung des Ankers in Richtung auf das Polstück zum Ausüben einer Verdrängungskraft auf ein Medium, das zwischen der Anschlagsfläche und der Gegenanschlagsfläche angeordnet ist, ineinandergreifen.

Durch die spezielle geometrisch komplementäre Ausbildung der beiden Flächen zueinander und das daraus folgende Ineinandergreifen wird Medium, das zwischen den beiden Flächen vorhanden ist, bei einer Annäherung von Anker und Polstück aufeinander zu verstärkt verdrängt. Durch die Verdrängung des Mediums bremst der Anker vor dem Einschlag ab, der Impuls wird abgedämpft, die entstehenden Schwingungen werden reduziert und somit auch die Schallemission verringert. Der Einschlag des Ankers in das Polstück wird daher nicht softwarebasiert, sondern hardware- basiert geregelt. Dies ist von Vorteil, da für die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors eine beliebige Ansteuerelekt ^¬ ronik und Software verwendet werden kann, und daher normalerweise nicht sichergestellt ist, dass die optimalen Einstellungen zur Verringerung der Schallemission verwendet werden. Bei hard- wareseitiger Ausführung jedoch ist die Dämpfung des Einschlages unabhängig von der ansteuernden Peripherie und kann jederzeit gewährleistet werden. Zusätzlich sind keine weiteren Elemente wie Dämpfungsbeschichtungen an Anker oder Polstück nötig. Vorzugsweise weist die Anschlagsfläche einen zu dem Polstück hin gerichteten Vorsprung und die Gegenanschlagsfläche einen von dem Anker weg gerichteten Rücksprung auf. Alternativ kann jedoch auch die Gegenanschlagsfläche eine zu dem Anker hin gerichteten Vorsprung und die Anschlagsfläche eine von dem Polstück weg gerichteten Rücksprung aufweisen. Vorsprung und Rücksprung sind dann jeweils so ausgebildet, dass sie exakt ineinandergreifen und damit einen Verdrängungsbereich zwischen Anschlagsfläche und Gegenanschlagsfläche ausbilden, in dem das Medium verstärkt verdrängt wird und somit dämpfend auf die Ankerbewegung wirkt.

Besonders bevorzugt ist der Vorsprung mittig an der An ^¬ schlagsfläche bzw. an der Gegenanschlagsfläche angeordnet. Weiter ist es bevorzugt, wenn auch der Rücksprung mittig an der Anschlagsfläche bzw. der Gegenanschlagsfläche angeordnet ist. Dadurch entsteht mittig der Verdrängungsbereich, aus dem das Medium verdrängt wird, während seitlich davon die Anschlags ^¬ fläche bzw. die Gegenanschlagsfläche wie zuvor bekannt plan verlaufen, wobei auch hier Medium, wenn auch in einem geringeren Maße, nach außen hin verdrängt werden muss. Die größte Ver ^¬ drängung erfolgt daher in der Mitte, während das Medium, das von dort verdrängt wird, in den planen Bereich fließt, und auch von dort nach außen verdrängt wird. Insgesamt resultiert so eine gesteigerte Dämpfung der Ankerbewegung im Vergleich zu Ausgestaltungen mit planen sich gegenüberliegenden Anschlags- und Gegenanschlagsflächen .

In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Vorsprung dabei kugelförmig gebildet, während der Rücksprung kalottenförmig, insbesondere kugelkalottenförmig, gebildet ist. Vorsprung und Rücksprung greifen daher kugelartig ineinander.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Vorsprung ke- gelförmig gebildet, wobei der Rücksprung ebenfalls kegelförmig gebildet ist.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist der Vorsprung die Form eines Doppelkegels auf, während der Rücksprung eine einfache Kegelform aufweist.

Bei beiden Ausführungsformen, bei denen Vorsprung bzw. Rücksprung eine kegelförmige bzw. doppelkegelförmige Ausgestaltung aufweisen, können die Kegel dabei denselben oder unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Vorsprung an der Anschlagsfläche oder der Gegenanschlagsfläche als ein vorspringender Absatz mit einer planen, parallel zu der Anschlagsfläche oder der Gegenanschlagsfläche angeordneten Eingreiffläche und mit im Wesentlichen senkrecht zu der An ^¬ schlagsfläche oder der Gegenanschlagsfläche angeordneten Seitenflächen ausgebildet. Gleichzeitig ist der Rücksprung an der Anschlagsfläche oder Gegenanschlagsfläche als ein rück ^¬ springender Absatz mit einer planen, parallel zu der Anschlagsfläche oder der Gegenanschlagsfläche angeordneten Aufnahmefläche um mit im Wesentlichen senkrecht zu der An- schlagsfläche oder der Gegenanschlagsfläche angeordneten Seitenflächen ausgebildet.

Alle oben genannten Geometrien bewirken, dass in einem Verdrängungsbereich zwischen Rücksprung und Vorsprung das vor- handene Medium stärker verdrängt wird als zwischen zwei planen Flächen, wodurch eine verstärkte Dämpfung der Ankerbewegung erzielt wird. Die jeweiligen Geometrien sind dabei an der Anschlagsfläche, d. h. an dem Anker, und an der Gegenanschlagsfläche, d. h. an dem Polstück, austauschbar.

Die oben beschriebenen Geometriepaare sind besonders bevorzugt, es sind jedoch auch Kombinationen der Geometrien untereinander oder Derivate davon denkbar. Das bedeutet, eine Kugelform kann auch mit einer Kegelform bzw. einer Doppelkegelform zusam- menwirken bzw. ein Kegel bzw. ein Doppelkegel mit einer Kalottenform. Weiter ist es auch möglich, einen vorspringenden Absatz mit einer kalottenförmigen oder kegelförmigen bzw. doppelkegelförmigen Ausnehmung zu kombinieren bzw. einen rückspringenden planen Absatz mit einer Kugelform bzw. einer Kegelform bzw. einer Doppelkegelform.

Ein elektromagnetisches Ventil weist eine Feder mit einer Federkraft und einen oben beschriebenen elektromagnetischen Aktor auf, der im Betrieb eine entgegen der Federkraft wirkende Aktorkraft verursacht. Weiter weist das elektromagnetische Ventil ein Ventilglied auf, das mittels des Aktors betätigbar ist, und das ein Schließelement aufweist, welches zum Schließen des Ventiles mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Das Ventilglied ist entweder so bezüglich des Aktors und der Feder angeordnet, dass das Ventil mittels der Aktorkraft entgegen der Federkraft geöffnet werden kann, oder es ist so bezüglich des Aktors und der Feder angeordnet, dass das Ventil mittels der Aktorkraft entgegen der Federkraft geschlossen werden kann. Das elektromagnetische Ventil kann daher entweder als stromlos geschlossenes elekt ^¬ romagnetisches Ventil oder als stromlos offenes elektromag ^¬ netisches Ventil ausgebildet sein. Eine Kraftstoffhochdruckpumpe weist vorteilhaft ein Einlass ^¬ ventil zum Einlassen von Kraftstoff in einen Druckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe auf, wobei das Einlassventil als elektromagnetisches Ventil wie oben beschrieben ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teilbereiches eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Kraft ^¬ stoffhochdruckpumpe und einem an der Kraftstoff ^¬ hochdruckpumpe angeordneten Einlassventil;

Fig. 2 eine detaillierte Längsschnittdarstellung des Einlassventils aus Fig. 1 in einer ersten Ausfüh- rungsform;

Fig. 3 eine detaillierte Längsschnittdarstellung des Einlassventils aus Fig. 1 in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 eine detaillierte Längsschnittdarstellung des Einlassventils aus Fig. 1 in einer dritten Ausführungsform; Fig. 5 eine detaillierte Längsschnittdarstellung des Einlassventils aus Fig. 1 in einer vierten Ausführungsform; Fig. 6 eine detaillierte Längsschnittdarstellung des Einlassventils aus Fig. 1 in einer fünften Ausführungsform; und

Fig. 7 eine Längsschnittdarstellung eines Einlassventils aus dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilbereiches eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 mit einer Kraftstoff ^¬ hochdruckpumpe 12. Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 weist neben der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 einen Tank 14 zum Speichern eines Kraftstoffes 16, eine Vorpumpe 18 zum Beaufschlagen des

Kraftstoffes 16 mit einem Vordruck und zum Fördern des

Kraftstoffes 16 zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 12, sowie ein Einlassventil 20 an der Kraftstoffhochdruckpumpe 16 auf, das Kraftstoff 16 in einen nicht gezeigten Druckraum der Kraftstoffhochdruckpumpe 10 einlässt bzw. den Einlass blockiert. Wenn der Kraftstoff 16 in der Kraftstoffhochdruckpumpe 12 mit Hochdruck beaufschlagt worden ist, wird er über ein Auslassventil 22 weitergeleitet, beispielsweise an ein Rail und von dort zu Injektoren zum Einspritzen in Brennräume einer Brennkraftmaschine .

Das Einlassventil 20 an der Kraftstoffhochdruckpumpe 16 kann beispielsweise als elektromagnetisches Ventil 24 ausgebildet sein, dessen wesentliche Bestandteile mit Bezug auf Fig. 7, die ein elektromagnetisches Ventil 24 aus dem Stand der Technik zeigt, im Folgenden beschrieben wird.

Das elektromagnetische Ventil 24 weist dabei einen elektro- magnetischen Aktor 26 und ein Ventilglied 28, das durch den elektromagnetischen Aktor 26 betätigt werden kann, auf. Das Ventilglied 28 wirkt mit einem Ventilsitz 32 so zusammen, dass bei einem Kontakt von Ventilglied 28 und Ventilsitz 32 ein Schließelement 30 des elektromagnetischen Ventils 24 öffnet.

Der elektromagnetische Aktor 26 umfasst eine Spule 34 eines Elektromagneten 36 sowie einen Anker 38 und ein Polstück 40, die innerhalb eines Gehäuses 42 angeordnet sind. Die Spule 34 ist dabei um das Gehäuse 42 herum angeordnet.

Zwischen Anker 38 und Polstück 40 ist eine Feder 44 angeordnet, die in der vorliegenden Ausführungsform eine Federkraft in

Richtung auf eine Offenposition des Schließelementes 30 auf den Anker 38 ausübt. Da der Anker 38 und das Ventilglied 28 fest miteinander verbunden sind, wird daher das Ventilglied 28 und das daran angeordnete Schließelement 30 durch die Federkraft in die Offenposition gedrückt. Das Schließelement 30 an dem elekt ^¬ romagnetischen Ventil 24 öffnet dadurch.

Wird nun die Spule 34 mit einer Spannung beaufschlagt, wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das den Anker 38 in Richtung auf das Polstück 40 zieht. Dadurch wird die Federkraft der Feder 44 überdrückt, und der Anker 38 und das Ventilglied 28 bewegen sich von dem Ventilsitz 32 weg. Damit wird eine das Schließen des elektromagnetischen Ventiles 24 durch das Schließelement 30 ermöglicht .

Eine Anschlagsfläche 46, die an dem Anker 38 ausgebildet ist und dem Polstück 40 zugewandt ist, sowie eine Gegenanschlagsfläche 48, die dem Anker 38 zugewandt ist und der Anschlagsfläche 46 gegenüberliegt, schlagen bei einer Bewegung des Ankers 38 auf das Polstück 40 zu aneinander, was zu einer hohen Geräuschentwicklung, insbesondere durch Anregung feststehender Teile in dem Kraftstoffeinspritzsystem 10, führen kann.

Daher wird nun vorgeschlagen, statt der wie im Stand der Technik gemäß Fig. 7 bekannten planen Anschlagsfläche 46 bzw. planen Gegenanschlagsfläche 48 die Anschlagsfläche 46 und die Ge ^¬ genanschlagsfläche 48 geometrisch komplementär zueinander auszubilden, so dass sie ineinandergreifen, wobei ein Medium, das in einem Verdrängungsbereich 50 zwischen der Anschlagsfläche 46 und der Gegenanschlagsfläche 48 angeordnet ist, aus diesem Verdrängungsbereich 50 verdrängt wird, und dadurch eine Dämpfung der Ankerbewegung bewirkt wird.

Fig. 2 zeigt dabei eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des elektromagnetischen Ventils 24, bei dem der Anker 38 an seiner Anschlagsfläche 46 einen Vorsprung 52 aufweist, der zu der Gegenanschlagsfläche 48 hin gerichtet angeordnet ist. Gleichzeitig weist das Polstück 40 an seiner Gegenanschlagsfläche 48 einen Rücksprung 54 auf, der von dem Anker 38 weg gerichtet ist. Der Vorsprung 52 und der Rücksprung 54 greifen dabei ineinander und bilden daher in diesem Bereich, in dem sie ineinandergreifen, einen Verdrängungsbereich 50 aus, aus dem Medium, das dort angeordnet ist, bei einer Bewegung des Ankers 38 auf das Polstück 40 zu verstärkt verdrängt wird.

Vorsprung 52 und Rücksprung 54 sind dabei mittig an der Anschlagsfläche 46 bzw. der Gegenanschlagsfläche 48 ausgebildet, so dass sich eine plane Ringfläche 56 um Vorsprung 52 bzw.

Rücksprung 54 ausbildet. Auch hier wird das Medium bei einer Bewegung des Ankers 38 auf das Polstück 40 zu nach außen verdrängt, jedoch nicht so stark wie in dem Verdrängungsbereich 50, da es nur in eine Richtung, nämlich radial nach außen verdrängt wird, während es in dem Verdrängungsbereich 50 verschiedene Raumrichtungen überwinden muss, nämlich zuerst radial zur Seite, und dann axial entgegen der Bewegungsrichtung des Ankers 38, und dadurch ein größerer Dämpfungseffekt bewirkt wird .

Je nach Anordnung von Anker 38, Polstück 40, und Feder 44 zueinander, ist das elektromagnetische Ventil 24 als stromlos offenes bzw. stromlos geschlossenes Ventil 24 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das elektromagnetische Ventil 24 als stromlos geschlossenes Ventil 24 ausgebildet. Es ist jedoch auch eine stromlos offene Bauweise denkbar. Die komplementäre geometrische Form von Anschlagsfläche 46 und Gegenanschlagsfläche 48 in Fig. 2 ist durch eine Kalottenform des Rücksprunges 54 und eine Kugelform des Vorsprunges 52 gebildet. Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der der

Vorsprung 52 nicht an dem Anker 38 angeordnet ist, sondern an dem Polstück 40, und der Rücksprung 54 nicht an dem Polstück 40 angeordnet ist, sondern an dem Anker 38, also im Prinzip die umgekehrte Anordnung wie in Fig. 2. Auch hier ist der Rücksprung 54 mit einer Kalottenform und der Vorsprung 52 mit einer Kugelform ausgebildet. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass im Vergleich mit Fig. 2 die Masse geringer ist und somit allein durch die geringere Masse eine geringere Schallemission resultieren kann .

Bei allen nachfolgenden Ausführungsformen ist jeweils nur eine Version - Rücksprung 54 in dem Anker 38 und Vorsprung 52 in dem Polstück 40 - dargestellt, es ist jedoch auch möglich, Rücksprung 54 bzw. Vorsprung 52 in dem jeweils anderen Element vorzusehen.

Fig. 4 zeigt dabei eine Ausführungsform, bei der sowohl

Rücksprung 54 als auch Vorsprung 52 kegelförmig ausgebildet sind, wobei die beiden Kegel gleiche Neigungswinkel aufweisen. Es wäre auch denkbar, die beiden Kegel mit unterschiedlichen Nei- gungswinkeln auszubilden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Rücksprung 54 mit einer einfachen Kegelform ausgebildet ist, während der Vorsprung 52 mit einer Doppelkegelform ausgebildet ist, d. h. entlang einer Längsachse 58 des elektromagnetischen Ventiles 24 weist der Vorsprung 52 einen ersten Kegelbereich 60 und einen zweiten Kegelbereich 62 auf, die unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen . Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Vorsprung 52 und der Rücksprung 54 mit einer planen Geometrie ineinander eingreifen, wobei der Vorsprung 52 als vorspringender Absatz 64 mit einer planen Eingreiffläche 66 und senkrechten, parallel zu der Längsachse 58 angeordneten Seitenflächen 68 ausgebildet ist, während der Rücksprung 54 als rückspringender Absatz 70 mit einer planen Aufnahmefläche 72 und senkrechten, parallel zu der Längsachse 58 ausgebildeten Seitenflächen 68 ausgebildet ist.

Sämtliche Geometrien, die vorstehend beschrieben worden sind, können untereinander kombiniert werden. Es ist auch denkbar, Derivate vorzusehen, die beispielsweise andere Winkel aufweisen.