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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.
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Stand der Technik
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Ein elektromagnetisch betätigbares Einlassventil für eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine Radial- oder Reihenkolbenpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem, ist durch die
DE 10 2014 220 975 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 zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung bewegbar ist und das in seiner Schließstellung an einem Ventilsitz zur Anlage kommt. Das Ventilglied ist durch eine Ventilfeder in Schließrichtung beaufschlagt. Ferner umfasst das Einlassventil einen elektromagnetischen Aktor, durch den das Ventilglied bewegbar ist. Der elektromagnetische Aktor weist einen Magnetanker, der auf das Ventilglied wirkt, sowie eine Magnetspule auf, um ein auf den Magnetanker einwirkendes Magnetfeld zu erzeugen, wenn die Magnetspule bestromt wird. Der Magnetanker ist durch eine Rückstellfeder zur Öffnungsstellung des Ventilglieds hin beaufschlagt. Bei Bestromung der Magnetspule wird der Magnetanker gegen die Kraft der Rückstellfeder zur Schließstellung des Ventilglieds hin bewegt, so dass das Ventilglied durch die Ventilfeder in seine Schließstellung bewegt wird. Um das Ventilglied in seiner Öffnungsstellung zu halten muss die Kraft der Rückstellfeder in deren entspanntem Zustand größer sein als die Kraft der Ventilfeder. Um eine schnelle Bewegung des Magnetankers zur Schließstellung des Ventilglieds hin zu ermöglichen ist eine geringe Kraft der Rückstellfeder in deren entspanntem Zustand vorteilhaft. Wenn der Magnetanker bei Bestromung der Magnetspule gegen die Kraft der Rückstellfeder bewegt wird gelangt das Ventilglied in seine Schließstellung und in Anlage am Ventilsitz. Beim Auftreffen des Ventilglieds am Ventilsitz treten hohe Belastungen auf, die auch abhängig sind von der Kraft der Rückstellfeder. Zum Öffnen des Einlassventils wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass sich der Magnetanker durch die Kraft der Rückstellfeder zur Öffnungsstellung des Ventilglieds hin bewegt. Hierbei ist eine möglichst hohe Kraft der Rückstellfeder in deren gespanntem Zustand vorteilhaft, um eine schnelle Bewegung des Magnetankers zur Öffnungsstellung des Ventilglieds hin zu ermöglichen. Bei üblicherweise verwendeten Rückstellfedern mit linearer Federkennlinie ist es unter Umständen schwierig sowohl im entspannten Zustand, also in der Öffnungsstellung des Ventilglieds, als auch im gespannten Zustand, also in der Schließstellung des Ventilglieds, die erforderlichen Kräfte optimal auszulegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einlassventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung einer Rückstellfeder mit progressiver Federkennlinie die Federkräfte sowohl im entspannten Zustand als auch im gespannten Zustand der Rückstellfeder optimal ausgelegt werden können. Im entspannten Zustand der Rückstellfeder kann eine möglichst geringe Federkraft gewählt werden, die jedoch ausreichend groß gegenüber der Kraft der Ventilfeder ist, um das Ventilglied in seiner Öffnungsstellung zu halten. Im gespannten Zustand der Rückstellfeder kann eine möglichst hohe Federkraft gewählt werden, so dass die Bewegung des Ventilglieds in dessen Schließstellung verzögert und dessen Belastung bei der Anlage am Ventilsitz verringert wird und eine schnelle Bewegung des Magnetankers bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule ermöglicht ist.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Einlassventils angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 ist eine schnellere Bewegung des Magnetankers zur Schließstellung des Ventilglieds hin ermöglicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist eine schnellere Bewegung des Magnetankers zur Öffnungsstellung des Ventilglieds hin ermöglicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ist auf einfache Weise die progressive Federkennlinie der Rückstellfeder erreicht. Im Anspruch 5 ist eine alternative Möglichkeit zur Erreichung der progressiven Federkennlinie der Rückstellfeder angegeben.
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Ferner wird eine Hochdruckpumpe mit einem erfindungsgemäßen Einlassventil zur Verbindung eines Pumpenarbeitsraums der Hochdruckpumpe mit einem Kraftstoffzulauf vorgeschlagen. Das Einlassventil ist dabei in ein Gehäuseteil der Hochdruckpumpe eingesetzt.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Hochdruckpumpe, 2 in vergrößerter Darstellung einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt mit dem Einlassventil der Hochdruckpumpe, 3 eine Federkennlinie einer Rückstellfeder des Einlassventils und 4 in weiter vergrößerter Darstellung die Rückstellfeder des Einlassventils.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 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 geführt ist und in der Zylinderbohrung 14 einen Pumpenarbeitsraum 16 begrenzt. Als Antrieb für den Pumpenkolben 12 kann eine Antriebswelle 18 mit einem Nocken 20 oder Exzenter vorgesehen sein, an dem sich der Pumpenkolben 12 direkt oder über einen Stößel, beispielsweise einen Rollenstößel, abstützt. Der Pumpenarbeitsraum 16 ist über ein Einlassventil 22 mit einem Kraftstoffzulauf 21 verbindbar und über ein Auslassventil 24 mit einem Speicher 26. Das Einlassventil 22 ist beispielsweise in ein Gehäuseteil 28 der Hochdruckpumpe integriert. Beim Saughub des Pumpenkolbens 12 kann der Pumpenarbeitsraum 16 bei geöffnetem Einlassventil 22 mit Kraftstoff befüllt werden. Beim Förderhub des Pumpenkolbens 12 wird durch diesen Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 16 verdrängt und in den Speicher 26 gefördert.
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Das in 2 vergrößert dargestellte Einlassventil 22 weist ein kolbenförmiges Ventilglied 30 auf, das in einer an die Zylinderbohrung 14 anschließenden Bohrung 32 im Gehäuseteil 28 beweglich geführt ist. In die Bohrung 32 mündet in einem im Durchmesser gegenüber deren das Ventilglied 30 führendem Führungsabschnitt vergrößerten Abschnitt wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Radialbohrungen 36, die in hydraulischer Verbindung mit dem Kraftstoffzulauf 21 stehen. Das Ventilglied 30 weist an seinem in den Pumpenarbeitsraum 16 ragenden Ende einen Kopf 44 mit gegenüber dem Schaft 46 des Ventilglieds 30 größerem Durchmesser auf. Auf der dem Schaft 46 zugewandten Seite ist am Kopf 44 eine ringförmige Dichtfläche 48 ausgebildet, mit der das Ventilglied 30 mit einem am Rand der Bohrung 32 am Gehäuseteil 28 ausgebildeten Ventilsitz 50 zusammenwirkt. Das Ventilglied 30 ragt mit seinem dem Pumpenarbeitsraum 16 abgewandten Endbereich aus der Bohrung 32 heraus und am Endbereich stützt sich über einen Federteller 52 eine Ventilfeder 54 ab, durch die das Ventilglied 30 in Schließrichtung beaufschlagt ist. In seiner Schließstellung liegt das Ventilglied 30 mit seiner Dichtfläche 48 dichtend am Ventilsitz 50 an, so dass der Pumpenarbeitsraum 16 vom Kraftstoffzulauf getrennt ist.
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Das Einlassventil 22 ist durch einen elektromagnetischen Aktor 56 betätigbar. Der Aktor 56 wird durch eine elektronische Steuereinrichtung 86 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine angesteuert. Der elektromagnetische Aktor 56 weist eine Magnetspule 58, einen Magnetkern 60 und einen Magnetanker 62 auf. Der elektromagnetische Aktor 56 ist auf der dem Pumpenarbeitsraum 16 abgewandten Seite des Einlassventils 22 angeordnet. Der Magnetkern 60 und die Magnetspule 58 sind in einem Gehäuseteil 64 angeordnet, das mit dem Gehäuseteil 28 verbunden ist. Die Verbindung des Gehäuseteils 64 mit dem Gehäuseteil 28 der Hochdruckpumpe erfolgt beispielsweise mittels eines Schraubrings 72, der auf einen mit einem Außengewinde versehenen Kragen 74 des Gehäuseteils 28 aufgeschraubt ist.
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Der Magnetanker 62 ist zumindest im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und über seinen Außenmantel in einer Bohrung 66 in einem Trägerelement 42 verschiebbar geführt. Die Bohrung 66 im Trägerelement 42 verläuft zumindest annähernd koaxial zur Bohrung 32 im Gehäuseteil 28. In seinem dem Einlassventil 22 zugewandten Endbereich weist der Magnetanker 62 in einem zentralen Bereich eine Aufnahme auf, die beispielsweise als in Richtung der Längsachse 63 des Magnetankers 62 verlaufende Bohrung 68 ausgebildet ist und in die ein Ankerbolzen 70 eingesetzt ist. Über den Ankerbolzen 70 liegt der Magnetanker 62 am Ventilglied 30 an. Der Ankerbolzen 70 und das Ventilglied 30 sind nicht miteinander verbunden.
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Zwischen dem Magnetanker 62 und dem Magnetkern 60 ist eine Rückstellfeder 78 für den Magnetanker 62 angeordnet, die sich im Magnetanker 62 am Ankerbolzen 70 abstützt und durch die der Magnetanker 62 zur Öffnungsstellung des Ventilglieds 30 hin beaufschlagt ist. In der Bohrung 66 im Trägerelement 42 ist durch eine Durchmesserverringerung zwischen dem Magnetanker 62 und dem Einlassventil 22 eine Ringschulter 80 gebildet, die einen Anschlag für den Magnetanker 62 für die Begrenzung von dessen Bewegung zur Öffnungsstellung des Ventilglieds 30 hin bildet. Zwischen der Ringschulter 80 und dem Magnetanker 62 kann eine Scheibe 82 angeordnet sein. Die Rückstellfeder 82 ragt in eine Sackbohrung 84 im Magnetkern hinein 60.
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Die Rückstellfeder 78 ist als zylindrische Schraubendruckfeder ausgebildet und weist eine progressive Federkennlinie auf, das bedeutet, dass deren Federkraft bei Kompression nicht linear zunimmt. In 3 ist mit durchgezogener Linie die progressive Federkennlinie der Rückstellfeder 78 dargestellt, wobei die Federkraft F über der Kompression S der Rückstellfeder 78 aufgetragen ist. Zum Vergleich ist in 3 außerdem mit gestrichelter Linie eine lineare Federkennlinie dargestellt.
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Wenn sich das Ventilglied 30 in seiner Öffnungsstellung befindet, so befindet sich der Magnetanker 62 in Anlage an der Ringschulter 80 und die Rückstellfeder 78 befindet sich in einem wenig gespannten Zustand mit der Länge S0. Die Federkraft der Rückstellfeder 78 beträgt in diesem entspannten Zustand F0. Die Kraft F0 ist mindestens so groß, dass das Ventilglied 30 gegen die Kraft der Ventilfeder 54 durch den Magnetanker 62 in seiner Öffnungsstellung gehalten wird. In diesem entspannten Zustand befindet sich die Rückstellfeder 78 bei nicht bestromter Magnetspule 58. Die Kraft F0 ist bei der erfindungsgemäßen Rückstellfeder 78 mit der progressiven Federkennlinie gleich groß wie bei einer Rückstellfeder mit linearer Federkennlinie, da die Kraft F0 durch die vorstehend angegebene Anforderung vorgegeben ist.
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Ausgehend von der Federkraft F0 bei der Federlänge S0 bei in seiner Öffnungsstellung angeordnetem Ventilglied 30 nimmt die Federkraft der Rückstellfeder 78 mit progressiver Federkennlinie gegenüber der linearen Federkennlinie in einem ersten Kennlinienbereich I bei Kompression der Rückstellfeder 78 weniger stark zu. Die Federkraft der Rückstellfeder 78 ist somit im ersten Kennlinienbereich I geringer als bei einer Rückstellfeder mit linearer Federkennlinie. Bei einer Kompression der Rückstellfeder 78 auf eine Länge S1 ist die Federkraft der Rückstellfeder 78 mit progressiver Federkennlinie gleich groß wie die Federkraft eine Rückstellfeder mit linearer Federkennlinie.
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In einem zweiten Kennlinienbereich II bei gegenüber der Länge S1 stärkerer Kompression der Rückstellfeder 78 bis zu deren maximaler Kompression auf die Federlänge S2 bei in seiner Schließstellung angeordnetem Ventilglied 30 nimmt die Federkraft der Rückstellfeder 78 mit progressiver Federkennlinie gegenüber der linearen Federkennlinie stärker zu. Die Federkraft der Rückstellfeder 78 ist somit im zweiten Kennlinienbereich II größer als bei einer Rückstellfeder mit linearer Federkennlinie. Die Federkraft F2 der Rückstellfeder 78 mit progressiver Federkennlinie bei in seiner Schließstellung angeordnetem Ventilglied 30 kann höher gewählt werden als die Federkraft F3 einer Rückstellfeder mit linearer Federkennlinie.
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Um die progressive Federkennlinie der Rückstellfeder 78 zu erreichen kann diese wie in 4 dargestellt derart ausgebildet sein, dass der Windungsabstand a1 bzw. a2 zwischen deren Windungen veränderlich ist. Hierdurch weist die Rückstellfeder 78 Bereiche mit geringerer Steifigkeit und Bereiche mit höherer Steifigkeit auf. Bei Kompression der Rückstellfeder 78 werden zunächst die Bereiche mit geringerer Steifigkeit komprimiert mit entsprechend geringer Zunahme der Federkraft und wenn deren Federweg aufgebraucht ist werden die Bereiche mit höherer Steifigkeit komprimiert mit entsprechend stärkerer Zunahme der Federkraft. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Durchmesser d1 bzw. d2 des Federdrahts, aus dem die Rückstellfeder 78 hergestellt ist, veränderlich ist. Hierdurch ergeben sich ebenfalls Bereiche der Rückstellfeder 78 mit unterschiedlicher Steifigkeit.
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Nachfolgend wird die Funktion des elektromagnetisch betätigten Einlassventils 22 erläutert. Während des Saughubs des Pumpenkolbens 12 ist das Einlassventil 22 geöffnet, indem sich dessen Ventilglied 34 in seiner Öffnungsstellung befindet, in der dieses mit seiner Dichtfläche 48 vom Ventilsitz 50 entfernt angeordnet ist. Die Bewegung des Ventilglieds 30 in seine Öffnungsstellung wird durch die zwischen dem Kraftstoffzulauf 21 und dem Pumpenarbeitsraum 16 herrschende Druckdifferenz gegen die Kraft der Ventilfeder 54 bewirkt. Die Magnetspule 58 des Aktors 56 ist dabei bestromt, so dass der Magnetanker 62 durch das entstehende Magnetfeld gegen die Kraft der Rückstellfeder 78 zur Magnetspule 58 hin gezogen wird. Wenn die Magnetspule 58 nicht bestromt ist so wird der Magnetanker 62 durch die Kraft der Rückstellfeder 78 zum Einlassventil 22 hin gedrückt und in Anlage an der Ringschulter 80 gehalten.
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Während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 wird durch den Aktor 56 bestimmt ob sich das Ventilglied 30 des Einlassventils 22 in seiner Öffnungsstellung oder Schließstellung befindet. Bei unbestromter Magnetspule 58 wird der Magnetanker 62 durch die Rückstellfeder 78 in einer ersten Stellrichtung gemäß Pfeil A in 2 in Anlage an die Ringschulter 80 gedrückt, wobei das Ventilglied 30 durch den Magnetanker 62 gegen die Ventilfeder 54 in der ersten Stellrichtung in seine Öffnungsstellung gedrückt wird. Die Kraft der auf den Magnetanker 62 wirkenden Rückstellfeder 78 ist größer als die Kraft der auf das Ventilglied 30 wirkenden Ventilfeder 54. In die erste Stellrichtung A wirkt der Magnetanker 62 auf das Ventilglied 30 und der Magnetanker 62 und das Ventilglied 30 werden gemeinsam in die erste Stellrichtung A bewegt. Solange die Magnetspule 58 nicht bestromt ist kann somit durch den Pumpenkolben 12 kein Kraftstoff in den Speicher 26 gefördert werden sondern vom Pumpenkolben 12 verdrängter Kraftstoff wird in den Kraftstoffzulauf 21 zurückgefördert. Wenn während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 Kraftstoff in den Speicher 26 gefördert werden soll so wird die Magnetspule 58 bestromt, so dass der Magnetanker 62 zur Magnetspule 58 hin in einer zur ersten Stellrichtung A entgegengesetzten zweiten Stellrichtung gemäß Pfeil B in 2 gezogen wird. Durch den Magnetanker 62 wird somit keine Kraft mehr auf das Ventilglied 30 ausgeübt, wobei der Magnetanker 62 durch das Magnetfeld in die zweite Stellrichtung B bewegt wird und das Ventilglied 30 unabhängig vom Magnetanker 62 bedingt durch die Ventilfeder 54 und die zwischen dem Pumpenarbeitsraum 16 und dem Kraftstoffzulauf 21 herrschende Druckdifferenz in der zweiten Stellrichtung B in seine Schließstellung bewegt wird. Durch das Öffnen des Einlassventils 22 beim Förderhub des Pumpenkolbens 12 mittels des elektromagnetischen Aktors 56 kann die Fördermenge der Hochdruckpumpe in den Speicher 26 variabel eingestellt werden. Wenn eine geringe Kraftstofffördermenge erforderlich ist so wird das Einlassventil 22 durch den Aktor 56 während eines großen Teils des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 offen gehalten und wenn eine große Kraftstofffördermenge erforderlich ist, so wird das Einlassventil 22 nur während eines kleinen Teils oder gar nicht während des Förderhubs des Pumpenkolbens 12 offen gehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014220975 A1 [0002]
