Elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe sowie Hochdruckpumpe

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail- Einspritzsystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffe inspritzsystem, insbesondere ein Common- Rail-Einspritzsystem, mit einem solchen Saugventil.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 220 593 AI ist ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems bekannt, das ein in einer Axialbohrung eines Ventilkörpers hubbewegliches Ventilschließelement umfasst, das in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Ferner umfasst das bekannte Saugventil eine Magnetbaugruppe mit einer Magnetspule zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker, der mit dem Ventilschließelement koppelbar ist. Um eine besonders kompakt bauende Anordnung zu schaffen, sind zwei Endlagen des Ankers durch Hubanschläge festgelegt, die durch einen die Magnetspule aufnehmenden Magnettopf und einen mit dem Magnettopf verbundenen Magnetdeckel ausgebildet werden. Der Magnettopf und der Magnetdeckel definieren damit den Ankerbewegungsraum. Das heißt, dass der Magnettopf als unterer Hubanschlag und der Magnetdeckel als oberer Hubanschlag für den Anker dienen.

Beim Anschlagen des Ankers an einem Hubanschlag wird ein Impuls i erzeugt, der das Produkt der bewegten Masse m und deren Geschwindigkeit v ist (i = m*v). Der Impuls erzeugt eine Anregung, die als Körperschall auf angrenzende Bauteile und als Luftschall auf die Umgebungsluft übertragen wird. Damit verbunden ist eine Geräuschentwicklung, die als unangenehm empfunden wird.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe anzugeben, das möglichst geräuscharm betätigbar ist. Zugleich soll das Saugventil einfach und kostengünstig herstellbar sein.

Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Saugventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common- Rail- Einspritzsystems, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail- Einspritzsystem, mit einem solchen Saugventil vorgeschlagen.

Offenbarung der Erfindung

Das für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common- Rail- Einspritzsystems, vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Saugventil umfasst eine Magnetbaugruppe mit einer ringförmigen Magnetspule zur Einwirkung auf einen Anker, der in einer Ausnehmung eines Ventilkörpers hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden hubbeweglichen Ventilschließelements von der Federkraft einer Ankerfeder beaufschlagt ist. Dem Anker liegt dabei an einem Arbeitsluftspalt ein Polkern gegenüber, der erfindungsgemäß eine Polscheibe durchsetzt und über einen umlaufenden Radialspalt von der Polscheibe entkoppelt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil bildet demnach der Polkern den oberen Hubanschlag für den Anker aus. Dies ergibt sich aus der Anordnung des Polkerns in Bezug auf den Anker. Mit Anschlagen des Ankers am oberen Hubanschlag wird der Polkern durch den Anschlagimpuls angeregt. Die Anregung wird jedoch nicht auf die den Polkern umgebende Polscheibe übertragen, da diese über einen umlaufenden Radial- spalt vom Polkern entkoppelt ist. Die Entkopplung bewirkt, dass weniger Bauteile durch den Anschlagimpuls angeregt werden, die in der Lage sind, die Anregung auf die Umgebungsluft zu übertragen. Insofern wird die Geräuschentwicklung zumindest in Form von Luftschall deutlich gemindert.

Durch die Entkopplung von Polkern und Polscheibe wird insbesondere verhindert, dass die Polscheibe in Schwingung versetzt wird. Da die Polscheibe eine vergleichsweise große Übertragungsfläche besitzt, kann auf diese Weise die Geräuschentwicklung deutlich reduziert werden. Der Radialspalt zwischen dem Polkern und der Polscheibe ist dabei derart dimensioniert, dass einerseits die gewünschte akustische Entkopplung, andererseits der zum Aufbau eines Magnetfelds erforderliche magnetische Übergang gewährleistet ist. Das heißt, dass der magnetische Übergang über den umlaufenden Radialspalt erfolgt.

Bevorzugt ist die Polscheibe zumindest bereichsweise von einer Magnethülse umgeben, in welcher die Magnetspule aufgenommen ist. Die Magnethülse erweitert den Magnetkreis, so dass hohe Magnetkräfte erreichbar sind. Zugleich kann über die vorgeschlagene Anordnung von Polscheibe und/oder Magnetspule eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erzielt werden.

Des Weiteren bevorzugt ist bzw. sind die Polscheibe, die Magnethülse und/oder der Polkern zumindest teilweise mit einem Kunststoff umspritzt. Die Kunststoff- Umspritzung bewirkt eine Dämpfung, da sie im Vergleich zu harten metallischen Bauteilen in der Lage ist, zumindest einen Teil der Schwingungen aufzunehmen und zu kompensieren. Die Umgebungsluft wird auf diese Weise weniger zum Schwingen angeregt.

Sofern der Polkern mit Kunststoff umspritzt ist, ist vorzugsweise zwischen der Kunst- stoff-Umspritzung und dem Polkern ein Luftspalt ausgebildet. Der Luftspalt optimiert die Dämpfung, da die Kunststoff-Umspritzung über den Luftspalt vom Polkern entkoppelt ist. Ein Luftspalt kann darüber hinaus zwischen der Kunststoff-Umspritzung und der Polscheibe ausgebildet werden. Da diese jedoch bereits erfindungsgemäß vom Polkern entkoppelt ist, wird sie weniger stark in Schwingungen versetzt, so dass ein Luftspalt zwischen der Kunststoff-Umspritzung und dem Polkern am wirkungsvollsten ist.

Vorzugsweise formt die Kunststoff-Umspritzung ein Anschlussteil aus. Das Anschlussteil kann dem Anschluss der Magnetbaugruppe, insbesondere der Magnetspule, an eine Stromversorgung dienen. Die Anschlussdrähte der Magnetspule sind hierzu bevorzugt bis in das Anschlussteil geführt. Zur Aufnahme eines Steckers kann das Anschlussteil eine Ausnehmung aufweisen, in welcher dann vorzugsweise auch die Anschlussdrähte der Magnetspule enden.

Vorteilhafterweise ist im Polkern eine zentrale Ausnehmung zur Aufnahme eines stift- oder hülsenförmigen Einstellelements ausgebildet, an dem die Ankerfeder axial abgestützt ist. Das Einstellelement erlaubt eine genaue Einstellung der Federkraft der Ankerfeder, so dass diese als Dämpfer zwischen dem Anker und dem oberen Hubanschlag auslegbar ist. Die Bewegung des Ankers wird dann vor Erreichen des oberen Hubanschlags abgebremst, wobei - entsprechend der eingangs genannten Formel - mit der Reduzierung der Geschwindigkeit v der bewegten Masse m eine Reduzierung des Anschlagimpulses i einhergeht.

Vorzugsweise ist das stift- oder hülsenförmige Einstellelement zur Abstützung der Ankerfeder in die Ausnehmung des Polkerns eingepresst. Die Einstellung der Federkraft der Ankerfeder kann dann in einfacher Weise über die Einpresstiefe des Einstellelements vorgenommen werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass im Anker eine zentrale Ausnehmung ausgebildet ist, in welcher die Ankerfeder abschnittsweise aufgenommen ist. Durch diese Maßnahme ist die Ankerfeder in radialer Richtung lagefixiert. Die Ausnehmung verringert zudem die bewegte Masse des Ankers, so dass - entsprechend der eingangs genannten Formel - der Anschlagimpuls i weiter reduziert wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Anker mindestens eine als Durchströmöffnung dienende, dezentral angeordnete Axialbohrung ausgebildet ist. Die Durchströmöffnung dient dem Druckausgleich zwischen zwei Druckräumen, die durch den Anker getrennt werden. Vorzugsweise weist der Anker mehrere dezentral angeordnete Axialbohrungen auf, die im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Dadurch kann zum Einen der Druckausgleich beschleunigt, zum Anderen die bewegten Masse des Ankers weiter verringert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Ventilkörper und der Polkern zur Festlegung eines oberen Hubanschlags und eines unteren Hubanschlags für den Anker über eine Hülse verbunden. Die Hülse ist vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen bzw. nichtmagnetisierbaren Material gefertigt, um zugleich eine magnetische Trennung zwischen dem Polkern und dem Ventilkörper zu bewirken.

Um den Polkern und den Ventilkörper über die Hülse zu verbinden, kann zumindest ein Abschnitt des Ventilkörpers und/oder des Polkerns in die Hülse eingepresst und mit der Hülse verschweißt sein. Die Pressverbindung ermöglicht eine genaue Einstellung des Ankerbewegungsraums zwischen dem unteren und dem oberen Hubanschlag über die Einpresstiefe. Die Schweißverbindung dient der dauerhaften Fixierung der Lage der Bauteile zueinander.

Wie bereits erwähnt, wird der obere Hubanschlag durch den Polkern ausgebildet. Demgegenüber wird der untere Hubanschlag vorteilhafterweise durch ein ring- oder scheibenförmiges Anschlagelement ausgebildet, das in die Ausnehmung des Ventilkörpers, in welcher der Anker aufgenommen ist, eingesetzt und an einem ringförmigen Absatz des Ventilkörpers abgestützt ist. Über die Bauhöhe des Anschlagelements kann der Hub des Ankers voreingestellt werden.

Um einer Schwingungsübertragung vom Saugventil auf die Hochdruckpumpe entgegen zu wirken, wird vorgeschlagen, dass das Saugventil eine Überwurfmutter zur Befestigung an einem Gehäuseteil der Hochdruckpumpe umfasst. Die Überwurfmutter ermöglicht eine Befestigung unter einer axialen Vorspannung, so dass eine hohe Steifigkeit erreicht wird, die einer Schwingungsübertragung entgegen wirkt. Zur Abstützung der Überwurfmutter am Saugventil ist vorzugsweise an der Magnethülse ein sich nach radial außen erstreckender Ringbund ausgebildet. Ferner wird eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common- Rail-Einspritzsystem, vorgeschlagen, die ein erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigbares Saugventil zur Befüllung eines Hochdruck- Elementraums der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff umfasst. Die Befestigung des Saugventils an der Hochdruckpumpe erfolgt vorzugsweise mittels einer Überwurfmutter, die mit einem am Gehäuseteil der Hochdruckpumpe ausgebildeten Außengewinde verschraubt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigbares Saugventil und

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die vormontierten Baugruppen des Saugventils der Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Saugventil umfasst eine Magnetbaugruppe 1 mit einer ringförmigen Magnetspule 2, die auf einem Magnetspulenträger 6 angeordnet und von einer Magnethülse 13 umgeben ist. Auf dem Magnetspulenträger 6 liegt eine Polscheibe 11 auf, die ebenfalls von der Magnethülse 13 umgeben ist. Zur Fixierung der Polscheibe 11 in der Magnethülse 13 sind beide mit einem Kunststoff umspritzt, wobei die Kunststoff-Umspritzung 14 zugleich ein Anschlussteil 15 ausformt, das mit einem elektrischen Steckerteil einer externen Stromversorgung verbindbar ist (siehe Fig. 2, obere Darstellung, welche die Magnetbaugruppe als vormontierte Einheit zeigt).

Das Saugventil der Figuren 1 und 2 umfasst ferner einen Anker 3, der in einer Ausnehmung 4 eines Ventilkörpers 5 hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines stößelartigen Ventilschließelements 7 von der Federkraft einer Ankerfeder 8 beaufschlagt ist. Die Ankerfeder 8 ist hierzu einerseits in einer zentralen Ausnehmung 18 des Ankers 3 und andererseits in einer zentralen Ausnehmung 16 eines Polkerns 10 aufgenommen, der dem Anker 3 an einem Arbeitsluftspalt 9 gegenüber liegt. Der Polkern 10 bildet demnach einen oberen Hubanschlag 20 für den Anker 3 aus. Ein unterer Hubanschlag 21 wird durch ein ringförmiges Anschlagelement 23 ausgebildet, das in die Ausnehmung 4 des Ventilkörpers 5 eingesetzt und an einem ringförmigen Absatz 24 des Ventilkörpers 5 abgestützt ist (siehe Fig. 2, untere Darstellung, welche die Hydraulikbaugruppe als vormontierte Einheit zeigt).

Zur Festlegung der Hubanschläge 20, 21 des Ankers 3 sind der Polkern 10 und der Ventilkörper 5 über eine Hülse 22 fest verbunden. Die Einstellung der Federkraft der Ankerfeder 8 erfolgt über ein hülsenförmiges Einstellelement 17, das in die zentrale Ausnehmung 16 des Polkerns 10 eingepresst ist.

Bei der Endmontage des Saugventils werden die in der Fig. 2 dargestellten Einheiten derart ineinander gesetzt, dass der Polkern 10 unter Ausbildung eines umlaufenden Radialspalts 12 die Polscheibe 11 durchsetzt (siehe Fig. 1). Der Radialspalt 12 bewirkt eine Entkopplung der Polscheibe 11 vom Polkern 10, so dass die beim Anschlagen des Ankers 3 am Polkern 10 erzeugten Schwingungen nicht auf die Polscheibe 11 übertragen werden. Zugleich wird über die Kunststoff- Umspritzung 14 eine Dämpfung bewirkt, die einer Übertragung des Anschlagimpulses an die Umgebungsluft entgegenwirkt. Zwischen der Kunststoff-Umspritzung 14 und dem Polkern 10 ist zudem ein Luftspalt 28 ausgebildet.

Der Anker 3 des Saugventils der Fig. 1 weist eine reduzierte Bauhöhe auf, wodurch die bewegte Masse und in der Folge der Anschlagimpuls reduziert wird. Durch im Anker 3 vorgesehene dezentral angeordnete Axialbohrungen 19, die vorrangig dem Druckausgleich dienen, kann die bewegte Masse weiter reduziert werden.

Die Befestigung an einer Hochdruckpumpe erfolgt mittels einer Überwurfmutter 25, die an einem sich nach radial außen erstreckenden Ringbund 27 der Magnethülse 13 abstützbar ist. Andernends wird die Überwurfmutter 25 mit einem Gehäuseteil (nicht dargestellt) der Hochdruckpumpe verschraubt. Dabei kann auf den Ventilkörper 5 eine axiale Vorspannkraft aufgebracht werden, die einer Schwingungsübertragung vom Saugventil auf die Hochdruckpumpe entgegen wirkt. Die erforderliche Abdichtung kann über einen Dichtring 26 bewirkt werden, der zwischen dem Ventilkörper 5 und der Magnethülse 13 eingelegt ist.

Die vorstehend genannten Maßnahmen wirken sich jeweils allein oder in Kombination geräuschmindernd aus. Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Saugventil zeichnet sich demnach durch eine geräuscharme Betätigung aus.