Elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Saugventils

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 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Saugventils.

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 hubbeweglich aufgenommenes 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. Ein üblicherweise in den Arbeitsluftspalt zwischen dem Anker und dem Magnetdeckel eingesetztes Anschlagelement in Form einer Restluftspaltscheibe kann entfallen.

Die Festlegung des Ankerbewegungsraums durch den Magnettopf und den Magnetdeckel erschwert die Einstellung funktionsrelevanter Werte, wie beispielsweise die Größe des Arbeitsluftspalts bzw. des Ankerhubs und/oder der Federkraft einer den Anker belastenden Ankerfeder. Denn die Einstellung kann nur über die Zuordnung von Magnetdeckel und Magnettopf vorgenommen werden. In der Folge sind diese Werte stark toleranzbehaftet.

Ausgehend von dem vorstehend genanntem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Saugventil für eine Hochdruckpumpe anzugeben, das in einfacher Weise eine genaue Einstellung funktionsrelevanter Werte, insbesondere des Ankerhubs und der Federkraft der Ankerfeder, ermöglicht. Das Saugventil soll zudem einfach und kostengünstig herstellbar sein.

Zur Lösung der Aufgabe werden das elektromagnetisch betätigbare Saugventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Das für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common- Rail- Einspritzsystems, vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Saugventil umfasst eine ringförmige 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 mit dem Ventilkörper fest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Ankerfeder einerseits am Anker und andererseits an einem Einstellelement abgestützt, das in eine zentrale Ausnehmung des Polkerns eingesetzt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Saugventil ist demnach die Ankerfeder mittelbar über ein Einstellelement am Polkern abgestützt. Über das Einstellelement können demnach Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen in einfacher Weise ausgeglichen werden. Beispielsweise kann die Abmessung des Einstellelements in axialer Richtung derart gewählt werden, dass die axiale Vorspannung der Ankerfeder zu der gewünschten An- kerfederkraft führt. Alternativ oder ergänzend kann die axiale Vorspannung der Ankerfeder über die Einbautiefe des Einstellelements im Polkern eingestellt werden. Die Einstellung über die Einbautiefe besitzt den Vorteil, dass diese ggf. nach dem Einsetzen des Einstellelements in die Ausnehmung des Polkerns noch verändert werden kann.

Des Weiteren gewährleistet das Einsetzen des Einstellelements in die Ausnehmung des Polkerns eine in axialer Richtung kompakt bauende Anordnung.

Bevorzugt besitzt das Einstellelement eine Stift- oder Hülsenform. Die Ausnehmung im Polkern zur Aufnahme des Einstellelements kann in diesem Fall als einfache Bohrung ausgeführt sein. Ferner bildet die Stirnfläche eines stift- oder hülsenförmigen Einstellelements eine ideale Abstützfläche zur Abstützung der Ankerfeder aus. Dies gilt insbesondere, wenn die Ankerfeder als einfache Schraubendruckfeder ausgeführt ist.

Vorteilhafterweise ist das Einstellelement in die Ausnehmung des Polkerns einge- presst. Denn der Presssitz ermöglicht eine nachträgliche Korrektur der Einpresstiefe des Einstellelements, um etwaige Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszugleichen und eine genaue Einstellung der Federkraft der Ankerfeder vorzunehmen. Die nachträgliche Korrektur der Einpresstiefe des Einstellelements kann beispielsweise beim Verbinden des Polkerns mit dem Ventilkörper vorgenommen werden.

Die Ausnehmung des Polkerns zur Aufnahme des Einstellelements ist vorzugsweise als Sacklochbohrung ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass über die Ausnehmung, in welche das Einstellelement eingesetzt, vorzugsweise eingepresst, ist, kein Kraftstoff austreten kann. Dadurch verringert sich die Anzahl der Dichtstellen und die Fertigungskosten werden gesenkt.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass im Anker ebenfalls eine zentrale Ausnehmung ausgebildet ist. Die Ausnehmung des Ankers liegt somit der Ausnehmung des Polkerns am Arbeitsluftspalt gegenüber. In die Ausnehmung des Ankers kann zumindest das ankerseitige Ende der Ankerfeder eingelassen werden, so dass dieses in radialer Richtung lagefixiert ist. Vorzugsweise ist die Ausbildung im Anker als Sackloch- oder Stu- fenbohrung ausgeführt, so dass zugleich eine Abstützfläche zur axialen Abstützung der Ankerfeder geschaffen wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Ventilkörper und der Polkern mittelbar über eine Hülse verbunden. Zum Einen kann durch die Hülse eine magnetische Trennung bewirkt werden, zum Anderen können über die Hülse Ferti- gungs- und/oder Montagetoleranzen ausgeglichen werden. Zur Herstellung der Verbindung kann ein Abschnitt des Ventilkörpers und/oder des Polkerns zunächst in die Hülse eingepresst und anschließend mit der Hülse verschweißt werden. Vor dem Verschweißen kann der Hub des Ankers und/oder die Federkraft der Ankerfeder überprüft und erforderlichenfalls neu eingestellt werden. Um die Neueinstellung vorzunehmen, muss lediglich die Einpresstiefe des Ventilkörpers und/oder des Polkerns in Bezug auf die Hülse verändert werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in die Ausnehmung des Ventilkörpers, in welcher der Anker aufgenommen ist, ein Anschlagelement eingesetzt ist. Das als separates Bauteil ausgeführte Anschlagelement kann aus einem anderen Material als der Ventilkörper gefertigt sein, wobei es bei der Wahl des Materials nicht auf die magnetischen Eigenschaften ankommt. Insofern kann ein hochfestes Material zur Fertigung des Anschlagelements gewählt werden, um den Verschleiß im Bereich des unteren Hubanschlags des Ankers zu verringern. Des Weiteren kann das Anschlagelement zur Einstellung bzw. Voreinstellung des Ankerhubs genutzt werden. Hierzu wird ein Anschlagelement in die Ausnehmung des Ventilkörpers eingesetzt, das in axialer Richtung eine geeignete Abmessung besitzt.

Bevorzugt ist das Anschlagelement ringförmig ausgebildet. Um eine Einstellung bzw. Voreinstellung des Ankerhubs vorzunehmen, können ringförmige Anschlagelemente unterschiedlicher Bauhöhe vorgehalten werden, die dann wahlweise in die Ausnehmung des Ventilkörpers einsetzbar sind. Zur Abstützung des Anschlagelements in axialer Richtung weist die Ausnehmung des Ventilkörpers vorzugsweise einen ringförmigen Absatz auf. Dieser kann beispielsweise an einem sich nach radial innen ersteckenden Bund des Ventilkörpers ausgebildet sein. Vorzugsweise begrenzt der Bund eine zentrale Öffnung, über welche der in den Ventilkörper eingesetzte Anker weiterhin zugänglich ist. Über die Öffnung kann dann die Prüfung bzw. Messung des Ankerhubs und/oder der Federkraft der Ankerfeder vorgenommen werden.

Vorteilhafterweise ist im Anker mindestens eine Durchströmöffnung ausgebildet. Die Durchströmöffnung kann der Zuführung von Kraftstoff und/oder der Schaffung eines Druckausgleichs zwischen den Druckräumen oberhalb und unterhalb des Ankers dienen. Um Raum für die Anordnung der Ankerfeder zu schaffen, ist die mindestens eine Durchströmöffnung bevorzugt als dezentral angeordnete Axialbohrung ausgeführt.

Das ferner vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Saugventils umfasst die Schritte,

- Einsetzen des Ankers einschließlich der Ankerfeder in die Ausnehmung des Ventilkörpers,

- Einsetzen des Einstellelements in die Ausnehmung des Polkerns und

- Verbinden des Polkerns mit dem Ventilkörper, wobei die Ankerfeder in axialer Richtung vorgespannt wird.

Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht nur einfach umsetzbar, sondern erlaubt die Einstellung funktionsrelevanter Werte, insbesondere des Ankerhubs und der Federkraft der Ankerfeder. Bei dem Verfahren werden Untereinheiten vormontiert und diese abschließend gefügt. Beim Fügen kann weiterhin Einfluss auf den Ankerhub und die Federkraft der Ankerfeder genommen werden, so dass diese funktionsrelevanten Werte genau einstellbar sind.

Eine erste vormontierte Untereinheit stellt der Ventilkörper mit dem hierin eingesetzten Anker einschließlich der Ankerfeder dar. Eine zweite vormontierte Untereinheit bildet der Polkern mit dem hierin eingesetzten Einstellelement aus. Über die jeweilige Einbautiefe der im Ventilkörper bzw. im Polkern aufgenommenen Bauteile wird eine Voreinstellung des Ankerhubs bzw. der Federkraft der Ankerfeder vorgenommen. Die endgültige Einstellung erfolgt dann beim Fügen der vormontierten Untereinheiten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt das Einstellelement in die Ausnehmung des Polkerns eingepresst. Der Presssitz bewirkt eine Lagefixierung, die unter Krafteinwirkung wieder aufhebbar ist, so dass die Einpresstiefe des Einstellelements nachträglich veränderbar, um beispielsweise Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszugleichen. Denn diese können dazu führen, dass der tatsächliche Ankerhub bzw. die tatsächliche Federkraft der Ankerfeder von einem vorgegebenen Zielwert abweicht. Ist dies der Fall, kann die Einpresstiefe des Einstellelements nachträglich verändert werden, um den tatsächlichen Wert dem Zielwert anzupassen.

Zur Verbindung des Polkerns mit dem Ventilkörper wird bevorzugt eine Hülse verwendet. Das heißt, dass der Polkern und der Ventilkörper bevorzugt lediglich mittelbar ver- bunden sind. Auf diese Weise kann über die Hülse eine magnetische Trennung zwischen dem Polkern und dem Ventilkörper bewirkt werden.

Zur Verbindung des Polkerns und/oder des Ventilkörpers mit der Hülse ist vorzugsweise ein Abschnitt des Polkerns und/oder des Ventilkörpers in die Hülse eingepresst. Die Pressverbindung ermöglicht den Ausgleich etwaiger Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen während des Fügeprozesses, da die jeweilige Einpresstiefe frei bestimmbar ist. Zugleich wird über die Einpresstiefe der axiale Abstand zwischen dem Polkern und dem Ventilkörper festgelegt. Ferner kann beim Fügen durch Einpressen Einfluss auf die Einpresstiefe des im Polkern aufgenommenen Einstellelements genommen wer- den, um den Ankerhub und/oder die Federkraft der Ankerfeder an einen vorgegebenen

Zielwert anzupassen.

Da nach erfolgter Einstellung des Ankerhubs und/oder der Federkraft der Ankerfeder auf einen vorgegebenen Zielwert eine dauerhafte Lagefixierung des Polkerns und/oder des Ventilkörpers wünschenswert ist, wird ferner vorgeschlagen, dass nach dem Einpressen der Polkern und/oder der Ventilkörper mit der Hülse verschweißt wird bzw. werden. Die Schweißnaht wird vorzugsweise umlaufend gesetzt, so dass hierüber zugleich eine Abdichtung erreicht wird. Vorteilhafterweise wird vor dem Einsetzen des Ankers in die Ausnehmung des Ventilkörpers ein Anschlagelement in die Ausnehmung eingesetzt. Das Anschlagelement bildet einen unteren Hubanschlag für den Anker aus und hat somit ebenfalls Einfluss auf den funktionsrelevanten Wert des Ankerhubs. Allein durch Austausch des Anschlag- elements können somit unterschiedlich große Ankerhübe realisiert werden.

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, das in eine Hochdruckpumpe integriert ist,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der zur Einstellung des Ankerhubs und der Federkraft der Ankerfeder erforderlichen Bauteile des Saugventils der Fig. 1 und

Fig. 3 die Bauteile der Fig. 2 nach dem Fügen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Saugventil zu entnehmen, das integraler Bestandteil einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems ist. Das Saugventil umfasst einen Ventilkörper 4 mit einer zentralen Ausnehmung 3, in der ein Anker 2 hubbeweglich aufgenommen ist. Als unterer Hubanschlag für den Anker 2 dient ein Anschlagelement 14, das ebenfalls in die Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 4 eingesetzt und an einem ringförmigen Absatz 15 des Ventilkörpers 4 abgestützt ist.

Der Anker 2 ist mit einem hubbeweglichen Ventilschließelement 6 in Form eines Stößels koppelbar, der abschnittsweise in einem Gehäuseteil 19 der Hochdruckpumpe aufgenommen ist, in dem ein Hochdruck- Elementraum 20 ausgebildet ist. Der Hochdruck-Elementraum 20 wird in axialer Richtung von einem hubbeweglichen Pumpenkolben 21 begrenzt, so dass im Förderhub des Pumpenkolbens 21 der im Hochdruck- Elementraum 20 vorhandene Kraftstoff komprimiert wird. Über einen Hochdruckaus- lass 22 wird der komprimierte Kraftstoff einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt) zugeführt. Das dargestellte erfindungsgemäße Saugventil dient der Befüllung des Hochdruck- Elementraums 20 mit Kraftstoff. Die Betätigung des Saugventils erfolgt elektromagnetisch, so dass die in den Hochdruck- Elementraum gelangende Menge dem jeweiligen Bedarf entsprechend zumessbar ist. Hierzu ist eine ringförmige Magnetspule 1 vorge- sehen, die von einer Magnethülse 23 umgeben ist. Die Magnethülse 23 ist an dem

Ventilkörper 4 abgestützt und mittels einer Überwurfmutter 24 am Gehäuseteil 19 der Hochdruckpumpe in der Weise befestigt, dass der Ventilkörper 4 in axialer Richtung gegen das Gehäuseteil 19 vorgespannt ist. Die Vorspannkraft dient zugleich als Dichtkraft, wobei eine zusätzliche radiale Abdichtung über einen Dichtring 25 erzielt wird, der außenumfangseitig auf dem Ventilkörper 4 angeordnet ist. Vorliegend ist zudem zwischen dem Ventilkörper 4 und dem Gehäuseteil 19 der Hochdruckpumpe ein Einstellring 26 eingelegt, über den die axiale Vorspannkraft einstellbar ist.

Das Ventilschließelement 6 des in der Fig. 1 dargestellten Saugventils öffnet unmittelbar in den Hochdruck- Elementraum 20 der Hochdruckpumpe. Dabei wirkt es mit einem Ventilsitz 5 zusammen, der durch das Gehäuseteil 19 der Hochdruckpumpe ausgebildet wird. Das dem Ventilsitz 5 abgewandte Ende des Ventilschließelements 6 ist von einer Ventilfeder 27 umgeben, die einerseits an dem Gehäuseteil 19 und andererseits an einem Federteller 28 abgestützt ist, der auf das Ventilschließelement 6 aufgepresst ist. Die Federkraft der Ventilfeder 27 zieht demnach das Ventilschließelement 6 in den Ventilsitz 5. Da der Anker 2 in Richtung des Ventilschließelements 6 von der Federkraft einer Ankerfeder 7 beaufschlagt wird, die größer als die der Ventilfeder 27 ist, hält die Ankerfeder 7 bei unbestromter Magnetspule 1 das Saugventil geöffnet. Im Anker 2 ausgebildete Durchströmöffnungen 16 stellen den Zulauf von Kraftstoff in Richtung des Ventilsitzes 5 sicher.

Zum Schließen des Ventils muss die Magnetspule 1 bestromt werden, so dass ein Magnetfeld aufgebaut wird, dessen Magnetkraft den Anker 2 entgegen der Federkraft der Ankerfeder 7 in Richtung eines Polkerns 9 bewegt. Der Polkern 9 bildet den oberen Hubanschlag für den Anker 2 aus, so dass ein zwischen dem Polkern 9 und dem Anker 2 ausgebildeter Arbeitsluftspalt 8 dem maximalen Hub des Ankers 2 entspricht. Die Einstellung des Arbeitsluftspalts 8 und damit des Ankerhubs erfolgt bei der Montage des Saugventils. Wie der Explosionsdarstellung der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird bei der Montage des erfindungsgemäßen Saugventils zunächst das Anschlagelement 14 in die Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 4 eingesetzt. Hierauf folgt das Einsetzen des Ankers 2, nachdem die Ankerfeder 7 in eine zentrale Ausnehmung 12 des Ankers 2 in der Weise eingesetzt worden ist, dass ihr dem Polkern 9 zugewandtes Ende übersteht. Denn das überstehende Ende wird in einem weiteren Schritt in eine zentrale Ausnehmung 11 des Polkerns 9 eingesetzt. Zuvor wird jedoch in die Ausnehmung 11 des Polkerns 9 ein Einstellelement 10 eingepresst, das vorliegend hülsenförmig ausgeführt ist und der AbStützung der Ankerfeder 7 dient. Die Einpresstiefe 18 des Einstellelements 10 ist derart gewählt, dass beim anschließenden Verbinden des Pokerns 9 mit dem Ventilkörper 4 eine axiale Vorspannung der Ankerfeder 7 bewirkt wird. Um dies zu erreichen, muss das dem Polkern 9 zugewandte Ende der Ankerfeder 7 mindestens um ein Maß überstehen, das der Summe aus Arbeitsluftspalt 8 und Einpresstiefe 18 entspricht.

Über die axiale Vorspannung der Ankerfeder 7, das heißt beim Fügen, wird zugleich die Federkraft der Ankerfeder 7 eingestellt. Hierzu wird jeweils ein Abschnitt des Pokerns 9 und des Ventilkörpers 4 in eine vermittelnde Hülse 13 eingepresst, so dass der axiale Abstand zwischen dem Polkern 9 und dem in den Ventilkörper 4 eingesetzten Anker 2 dem Arbeitsluftspalt 8 entspricht (siehe Fig. 3). Die Prüfung, ob der eingestellte Ankerhub und/oder die eingestellte Federkraft der Ankerfeder 7 dem jeweiligen Zielwert entspricht, kann über die Ausnehmung 3 des Ventilkörpers 4 vorgenommen werden. Weicht der tatsächliche Wert vom Zielwert ab, kann die Lage des Polkerns 9 zum Ventilkörper 4 verändert werden, bis der jeweilige Zielwert erreicht ist. Abschließend werden der Polkern 9 und der Ventilkörper 4 mit der Hülse 13 verschweißt, um die vorgenommene Einstellung dauerhaft zu Fixieren.