Titel:

Elektromagnetisch betätigbares Einlassventil und Hochdruckpumpe mit Einlassventil

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Einlassventil für eine Hochdruckpumpe, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochdruckpumpe mit einem solchen Einlassventil.

Stand der Technik

Ein elektromagnetisch betätigbares Einlassventil für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, ist durch die DE 10 2015 212 390 A1 bekannt. Die Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement auf mit einem in einer

Hubbewegung angetriebenen Pumpenkolben, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt. Der Pumpenarbeitsraum ist über das Einlassventil mit einem Zulauf für den Kraftstoff verbindbar. Das Einlassventil umfasst ein Ventilglied, das mit einem Ventilsitz zur Steuerung zusammenwirkt und das zwischen einer Öffnungs- Stellung und einer Schließstellung bewegbar ist. In seiner Schließstellung kommt das Ventilglied am Ventilsitz zur Anlage. Ferner umfasst das Einlassventil einen elektromagnetischen Aktor, durch den das Ventilglied bewegbar ist. Der elektromagnetische Aktor weist eine Magnetspule, einen Magnetkern und einen zumindest mittelbar auf das Ventilglied wirkenden Magnetanker auf. Der Magnetanker ist in einer Aufnahme in einem Trägerelement verschiebbar geführt. Bei Bestro- mung der Magnetspule ist der Magnetanker gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar. Das Trägerelement und der Magnetkern sind über ein hülsenförmiges Verbindungselement miteinander verbunden, wobei das Verbindungselement mit dem Trägerelement und/oder dem Magnetkern verschweißt sein kann. Der Mag- netkern, das Trägerelement und das Verbindungselement sind von der Magnetspule zumindest teilweise umgeben, wobei zwischen dem Magnetkern, dem Trä- gerelement und dem Verbindungselement einerseits sowie der Magnetspule andererseits ein Zwischenraum vorhanden ist, der mit Luft gefüllt ist. Innerhalb des Trägerelements ist Kraftstoff vorhanden, der eine Kühlung ermöglicht. Bei Bestromung kommt es zu einer Erwärmung der Magnetspule, wobei die Magnet- spule Wärme in die äußere Umgebung des Aktors abgeben kann. Eine Wärmeübertragung von der Magnetspule an die von dieser umgebenen Bauteile Trägerelement, Magnetkern und Verbindungselement ist durch die im Zwischenraum vorhandene Luft nur eingeschränkt möglich. Bei einer starken Erwärmung der Magnetspule kann es zu Beschädigungen von Teilen des Aktors oder einem die- sen umgebenden Gehäuse kommen. Außerdem kann es bei nachfolgender Abkühlung zu einem Eintritt von Feuchtigkeit aus der Umgebung des Aktors in den Zwischenraum kommen. Dies kann zu Korrosion des Trägerelements, Magnetkerns und Verbindungselements führen, wobei insbesondere die Schweißverbindung des Verbindungselements geschädigt werden kann, so dass keine sichere Verbindung des Magnetkerns mit dem Trägerelement mehr vorhanden ist.

Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Einlassventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine verbesserte Wärmeübertragung von der Magnetspule auf das Trägerelement und den Magnetkern ermöglicht ist, wodurch eine zu starke Erwärmung anderer Teile des Aktors und/oder des diesen um- schließenden Gehäuses vermieden werden kann. Eine Kühlung ist durch den im

Trägerelement vorhandenen und dieses vorzugsweise durchströmenden Kraftstoff ermöglicht. Dies ermöglicht auch die Ansteuerung der Magnetspule mit höheren Stromstärken wodurch der Einsatzbereich des Einlassventils erweitert werden kann. Außerdem ist durch das den Zwischenraum zumindest teilweise ausfüllende Kunststoffmaterial ein Eindringen von Feuchtigkeit zumindest verringert und dadurch die Funktion des Einlassventils über einen langen Zeitraum sichergestellt.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil- düngen des erfindungsgemäßen Einlassventils angegeben. Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass ein Wärmeübergang von der Magnetspule weiter verbessert ist. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist der Wärmeübergang von der Magnetspule weiter verbessert und gemäß Anspruch 4 ist wenigstens eine Schweißverbindung des Verbindungselements gegen Korrosion geschützt. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 5 kann das Kunststoffmaterial auf einfache Weise in den Zwischenraum eingebracht werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe, Figur 2 in vergrößerter Darstellung einen in Figur 1 mit II bezeichneten Ausschnitt mit dem Einlassventil der Hochdruckpumpe und Figur 3 einen weiter vergrößerten Ausschnitt des Einlassventils. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist ausschnittsweise eine Hochdruckpumpe dargestellt, die zur Kraftstoffförderung in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement 10 auf, das wiederum einen Pumpenkolben 12 aufweist, der durch einen Antrieb in einer

Hubbewegung angetrieben wird, in einer Zylinderbohrung 14 eines Gehäuseteils 16 der Hochdruckpumpe geführt ist und in der Zylinderbohrung 14 einen Pumpenarbeitsraum 18 begrenzt. Als Antrieb für den Pumpenkolben 12 kann eine Antriebswelle 20 mit einem Nocken 22 oder Exzenter vorgesehen sein, an dem sich der Pumpenkolben 12 direkt oder über einen Stößel, beispielsweise einen

Rollenstößel, abstützt. Der Pumpenarbeitsraum 18 ist über ein Einlassventil 24 mit einem Kraftstoffzulauf 26 verbindbar und über ein Auslassventil 28 mit einem Speicher 30. Beim Saughub des Pumpenkolbens 12 kann der Pumpenarbeitsraum 18 bei geöffnetem Einlassventil 24 mit Kraftstoff befüllt werden. Beim För- derhub des Pumpenkolbens 12 wird durch diesen bei geschlossenem Einlassventil 24 Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 18 verdrängt und in den Speicher 30 gefördert.

Im Gehäuseteil 16 der Hochdruckpumpe schließt sich wie in Figur 2 dargestellt an die Zylinderbohrung 14 auf deren dem Pumpenkolben 12 abgewandter Seite eine Durchgangsbohrung 32 mit kleinerem Durchmesser als die Zylinderbohrung 14 an, die auf der Außenseite der Gehäuseteils 16 mündet. Das Einlassventil 24 weist ein kolbenförmiges Ventilglied 34 auf, das einen in der Durchgangsbohrung 32 verschiebbar geführten Schaft 36 und einen im Durchmesser gegenüber dem Schaft 36 größeren Kopf 38 aufweist, der im Pumpenarbeitsraum 18 angeordnet ist. Am Übergang von der Zylinderbohrung 14 zur Durchgangsbohrung 32 ist am

Gehäuseteil 16 ein Ventilsitz 40 gebildet, mit dem das Ventilglied 34 mit einer an seinem Kopf 38 ausgebildeten Dichtfläche 42 zusammenwirkt.

In einem an den Ventilsitz 40 anschließenden Abschnitt weist die Durchgangs- bohrung 32 einen größeren Durchmesser auf als in deren den Schaft 36 des

Ventilglieds 34 führendem Abschnitt, so dass ein den Schaft 36 des Ventilglieds 34 umgebender Ringraum 44 gebildet ist. In den Ringraum 44 münden eine oder mehrere Zulaufbohrungen 46, die andererseits auf der Außenseite des Gehäuseteils 16 münden.

Der Schaft 36 des Ventilglieds 34 ragt auf der dem Pumpenarbeitsraum 18 abgewandten Seite des Gehäuseteils 16 aus der Durchgangsbohrung 32 heraus und auf diesem ist ein Stützelement 48 befestigt. Am Stützelement 48 stützt sich eine Ventilfeder 50 ab, die sich andererseits an einem den Schaft 36 des Ven- tilglieds 34 umgebenden Bereich des Gehäuseteils 16 abstützt. Durch die Ventilfeder 50 wird das Ventilglied 34 in einer Stellrichtung A in dessen Schließrichtung beaufschlagt, wobei das Ventilglied 34 in seiner Schließstellung mit seiner Dichtfläche 42 am Ventilsitz 40 anliegt. Die Ventilfeder 50 ist beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgebildet.

Das Einlassventil 24 ist durch einen elektromagnetischen Aktor 60 betätigbar, der insbesondere in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Der Aktor 60 wird durch eine elektronische Steuereinrichtung 62 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine angesteuert. Der elektromagnetische Aktor 60 weist eine Magnetspule 64, einen Magnetkern 66 und einen Magnetanker 68 auf. Der elektromagnetische Aktor 60 ist auf der dem Pumpenarbeitsraum 18 abgewandten Seite des Einlassventils 24 angeordnet. Der Magnetkern 66 und die Magnetspule 64 sind von einem Aktorgehäuse 70 umgeben, das am Gehäuseteil 16 der Hochdruckpumpe befestigbar ist. Das Aktorgehäuse 70 ist beispielsweise mittels eines dieses übergreifenden Schraubrings 72 am Gehäuseteil 16 befes- tigbar, der auf einem mit einem Außengewinde versehenen Kragen 74 des Gehäuseteils 16 aufgeschraubt ist.

Der Magnetanker 68 ist zumindest im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und über seinen Außenmantel 67 in einer Aufnahme in Form einer Bohrung 76 in einem Trägerelement 78 in Richtung seiner Längsachse 69 verschiebbar geführt. Die Bohrung 76 im Trägerelement 78 verläuft zumindest annähernd koaxial zur Durchgangsbohrung 32 im Gehäuseteil 16 der Hochdruckpumpe und somit zum Ventilglied 34. An die Bohrung 76 schließt sich im Trägerelement 78 zum Einlassventil 24 hin eine weitere Bohrung 77 mit kleinerem Durchmesser als die Bohrung 76 an.

Der Magnetanker 68 weist eine zumindest annähernd koaxial zur Längsachse 69 des Magnetankers 68 angeordnete zentrale Sackbohrung 81 auf, in die eine auf der dem Ventilglied 34 abgewandten Seite des Magnetankers 68 angeordnete Rückstellfeder 82 hineinragt, die sich am Magnetanker 68 abstützt. Die Rückstellfeder 82 ist an ihrem anderen Ende zumindest mittelbar am Magnetkern 66 abgestützt, der eine zentrale Sackbohrung 84 aufweist, in die die Rückstellfeder 82 hineinragt. In der Bohrung 84 des Magnetankers 66 kann ein Abstützelement 85 für die Rückstellfeder 82 eingefügt, beispielsweise eingepresst sein. Der Magnetanker 68 weist eine oder mehrere Durchgangsöffnungen 91 auf um einen Durchtritt von Kraftstoff bei der Bewegung des Magnetankers 68 zu ermöglichen.

In der Bohrung 76 ist durch die Durchmesserverringerung zur weiteren Bohrung 77 hin eine Ringschulter 88 gebildet. Zwischen der Ringschulter 88 und dem Magnetanker 68 kann ein Anschlagelement 90 angeordnet sein, durch das die Bewegung des Magnetankers 68 zum Einlassventil 24 hin begrenzt ist. Das Anschlagelement 90 ist hülsenförmig ausgebildet und durch dieses ragt der Magnetanker 68 zum Einlassventil 24 hindurch und kommt zumindest mittelbar am Ventilglied 34 zur Anlage. Der Magnetkern 66 und das Trägerelement 78 sind über ein hülsenförmiges Verbindungselement 92 miteinander verbunden, das auf dem Magnetkern 66 und auf dem Trägerelement 78 mittels jeweils einer

Schweißverbindung 93 befestigt ist. Die Magnetspule 64 kann auf einem Spulenträger 65 angeordnet sein, der innerhalb der Magnetspule 64 angeordnet ist. Der Spulenträger 65 umgibt den dem Trägerelement 78 zugewandten Endbereich des Magnetkerns 66, den Bereich des Trägerelements 78, in dem die Aufnahme 76 für den Magnetanker 68 angeordnet ist, und das Verbindungselement 92 unter Bildung eines Zwischenraums 94. Der Zwischenraum 94 erstreckt sich in radialer Richtung bezüglich der Längsachse 69 des Magnetankers 68 und in Richtung der Längsachse 69 vom

Trägerelement 68 über das Verbindungselement 92 bis zum Magnetkern 66. Im Zwischenraum 94 ist ein Kunststoffmaterial 95 vorhanden, das den Zwischenraum 94 vorzugsweise zumindest annähernd vollständig ausfüllt. Insbesondere wird durch das Kunststoffmaterial 95 der radiale Abstand zwischen der inneren Oberfläche des Spulenträgers 65 einerseits und der äußeren Oberfläche des

Trägerelements 78, des Verbindungselements 92 und des Magnetkerns 66 andererseits vollständig ausgefüllt ist. Durch das Kunststoffmaterial 95 ist ein guter Wärmeübergang von der Magnetspule 64 über den Spulenträger 65 auf das Trägerelement 78, den Magnetkern 66 und das Verbindungselement 92 ermöglicht. Das Innere des Trägerelements 78, in dem der Magnetanker 68 angeordnet ist, ist mit Kraftstoff gefüllt und von Kraftstoff durchströmt, so dass durch den Kraftstoff Wärme abgeführt werden kann.

Das Kunststoffmaterial 95 wird beispielsweise in flüssiger Form in den Zwischen- räum 94 eingebracht und härtet anschließend aus. Besonders vorteilhaft wird das

Kunststoffmaterial 95 in einem Fertigungsprozess eingebracht in dem auch das aus Kunststoff bestehende Aktorgehäuse 70 hergestellt wird. Hierbei werden die vom Aktorgehäuse 70 zu umschließenden Bauteile des Einlassventils 24 in eine Gußform eingelegt und anschließend das flüssige Kunststoffmaterial in die Guß- form eingespritzt. Das Trägerelement 78 mit dem in dessen Aufnahme 76 angeordnetem Magnetanker 68 und dem mit diesem über das Verbindungselement 92 verbundenen Magnetkern 66 bildet dabei eine vormontierte Baueinheit, die mit dem Magnetkern 66 voraus in die Magnetspule 64 beziehungsweise deren Spulenträger 65 eingeschoben wird. Am Aktorgehäuse 70 kann eine Aufnahme 96 für ein Steckerelement angeformt sein, über das sowie eine an dieses angeschlossene elektrische Leitung die Magnetspule 64 mit der Steuereinrichtung 62 verbindbar ist.

Nachfolgend wird die Funktion des elektromagnetisch betätigten Einlassventils 24 erläutert. Während des Saughubs des Pumpenkolbens 12 ist das Einlassventil 24 geöffnet, indem sich dessen Ventilglied 34 in seiner Öffnungsstellung befin- det, in der dieses mit seiner Dichtfläche 42 vom Ventilsitz 40 entfernt angeordnet ist. Die Bewegung des Ventilglieds 34 in seine Öffnungsstellung wird durch die zwischen dem Kraftstoffzulauf 26 und dem Pumpenarbeitsraum 18 herrschende Druckdifferenz gegen die Kraft der Ventilfeder 50 bewirkt. Die Magnetspule 64 des Aktors 60 kann dabei bestromt oder unbestromt sein. Wenn die Magnetspule 64 bestromt ist so wird der Magnetanker 68 durch das entstehende Magnetfeld gegen die Kraft der Rückstellfeder 82 zum Magnetkern 66 hin gezogen. Wenn die Magnetspule 64 nicht bestromt ist so wird der Magnetanker 68 durch die Kraft der Rückstellfeder 82 zum Einlassventil 24 hin gedrückt. Der Magnetanker 68 liegt zumindest mittelbar an der Stirnseite des Schafts 36 des Ventilglieds 34 an.

Während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 wird durch den Aktor 60 bestimmt ob sich das Ventilglied 34 des Einlassventils 24 in seiner Öffnungsstellung oder Schließstellung befindet. Bei unbestromter Magnetspule 64 wird der Magnetanker 68 durch die Rückstellfeder 82 in der Stellrichtung gemäß Pfeil B in Figur 2 gedrückt, wobei das Ventilglied 34 durch den Magnetanker 68 gegen die Ventilfeder 50 in der Stellrichtung B in seine Öffnungsstellung gedrückt wird. Die Kraft der auf den Magnetanker 68 wirkenden Rückstellfeder 82 ist größer als die Kraft der auf das Ventilglied 34 wirkenden Ventilfeder 50. In die Stellrichtung B wirkt der Magnetanker 68 auf das Ventilglied 34 und der Magnetanker 68 und das Ventilglied 34 werden gemeinsam in die Stellrichtung B bewegt. Solange die Magnetspule 64 nicht bestromt ist kann somit durch den Pumpenkolben 12 kein Kraftstoff in den Speicher 30 gefördert werden, sondern vom Pumpenkolben 12 verdrängter Kraftstoff wird in den Kraftstoffzulauf 26 zurückgefördert. Wenn während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 Kraftstoff in den Speicher 30 gefördert werden soll so wird die Magnetspule 64 bestromt, so dass der Magnetanker 68 zum Magnetkern 66 hin in einer zur Stellrichtung B entgegengesetzten Stellrichtung gemäß Pfeil A in Figur 2 gezogen wird. Durch den Magnetanker 68 wird somit keine Kraft mehr auf das Ventilglied 34 ausgeübt, wobei der Magnetanker 68 durch das Magnetfeld in die Stellrichtung A bewegt wird und das Ventilglied 34 unabhängig vom Magnetanker 68 bedingt durch die Ventilfeder 50 und die zwischen dem Pumpenarbeitsraum 18 und dem Kraftstoffzulauf 26 herrschende Druckdifferenz in der Stellrichtung A in seine Schließstellung bewegt wird. Durch das Öffnen des Einlassventils 24 beim Förderhub des Pumpenkolbens 12 mittels des elektromagnetischen Aktors 60 kann die Fördermenge der Hoch- druckpumpe in den Speicher 30 variabel eingestellt werden. Wenn eine geringe Kraftstofffördermenge erforderlich ist so wird das Einlassventil 24 durch den Aktor 60 während eines großen Teils des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 offen gehalten und wenn eine große Kraftstofffördermenge erforderlich ist, so wird das Einlassventil 24 nur während eines kleinen Teils oder gar nicht während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 offen gehalten.