Beschreibung Titel
Elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil sowie Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch bestätigbares Proportionalventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 017 495 AI ist eine Zumesseinheit für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail- Einspritzsystems, bekannt, die ein Magnetventil umfasst. Das Magnetventil besitzt einen Magnetkern mit einer zentralen Bohrung, in der ein Ventilkolben hin und her bewegbar aufgenommen ist. Der Ventilkolben weist mantelseitig angeordnete Steuerschlitze auf, die in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens einen definierten Durchflussquerschnitt freigeben oder verschließen. Die axiale Lage des Ventilkolbens ist mittels eines Elektromagneten veränderbar, der hierzu mit einer Anker- Stößel- Einheit zusammenwirkt. Der Stößel dient der Kopplung des Ankers mit dem Ventilkolben und ist hierzu durch den Magnetkern geführt. Wird eine Magnetspule des Elektromagneten bestromt, bewegt sich der Anker in Richtung des Ventilkolbens. Dabei führt er den Stößel mit, der den Ventilkolben entgegen der Federkraft einer Feder, die an dem Ventilkolben abgestützt ist, axial verstellt. Die Verbindung der Zumesseinheit mit der Hochdruckpumpe erfolgt über den Magnetkern, indem dieser in eine
Gehäusebohrung der Hochdruckpumpe in der Weise eingesetzt wird, dass die den Ventilkolben aufnehmende Bohrung innerhalb der Gehäusebohrung zu liegen kommt. Zur Abdichtung nach außen weist der Magnetkern zwei O-Ringe auf, von denen ein
erster in radialer Richtung und ein zweiter in axialer Richtung abdichtet. Zur Abdichtung nach innen ist der Magnetkern von einem dritten O-Ring umgeben, der im Bereich der Verbindung des Magnetkerns mit der Magnetspule des Elektromagneten angeordnet ist.
Der Anbau einer solchen Zumesseinheit an eine Hochdruckpumpe erweist sich regelmäßig als problematisch. Denn in Ermangelung einer Zentriervorrichtung, die sicherstellt, dass der radial abdichtende O-Ring eine gleichmäßige Pressung erfährt, kann dieser beim Einsetzen des Magnetkerns in die Gehäusebohrung der Hochdruckpumpe leicht beschädigt werden. Bei der manuellen Montage besteht zudem die Gefahr der Partikelbildung durch den Kontakt des Magnetkerns mit dem Pumpengehäuse. Im Betrieb der Hochdruckpumpe können dann Druckpulsationen und Schwingungen zu Relativbewegungen des O-Rings gegenüber dem Magnetkern und/oder dem Pumpengehäuse und damit zu einem erhöhten Verschleiß führen. In der Folge kann es zu einem hydraulischen Bypass kommen, so dass eine korrekte Zumessung nicht mehr gewährleistet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe anzugeben, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Proportionalventilen robuster ist. Insbesondere soll das Proportionalventil derart an eine Kraftstoffhochdruckpumpe anbaubar sein, dass eine über die Lebensdauer zuverlässige Abdichtung nach außen gegeben ist, um die Funktionsfähigkeit des Ventils zu erhalten.
Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem solchen Proportionalventil zur Regelung der Fördermenge angegeben. Das vorgeschlagene Proportionalventil soll insbesondere als Zumesseinheit einsetzbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Das zur Regelung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil umfasst einen Elektromagneten zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker. Der Anker ist über einen Stößel mit einem axial verschiebbaren Ventilkolben gekoppelt, so dass der Hub des Ankers eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens entgegen der Federkraft einer Feder bewirkt. Erfindungsgemäß ist der axial verschiebbare Ventilkolben in einer Bundbuchse aufgenommen, über welche das Proportionalventil mit einem Gehäuseteil der Kraftstoffhoch druckpumpe verbindbar ist. Die Bundbuchse übernimmt somit die Funktionen des Magnetkerns. Gegenüber der komplexen Form eines Magnetkerns weist die Bundbuchse eine sehr schlichte Form auf und ist somit einfach und kostengünstig zu fertigen. Ferner können der Ventilkolben und die Feder in der Bundbuchse vormontiert werden und die vormontierte Einheit kann zunächst ohne Elektromagneten in eine Auf nahmebohrung des Gehäuseteils der Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt werden, was den Anbau an die Kraftstoffhochdruckpumpe vereinfacht. Die Bundbuchse als Anbaukomponente ist dann mit den übrigen Komponenten des Proportionalventils verbindbar.
Die Bundbuchse lässt sich in einfacher Weise mittels Einpressen in eine entsprechende Aufnahmebohrung des Gehäuseteils der Kraftstoffhochdruckpumpe mit dieser verbinden. Der Presssitz der Bundbuchse in der Aufnahmebohrung macht zudem die Anordnung eines zusätzlichen Dichtelements, beispielsweise in Form eines radial abdich tenden O- Rings, entbehrlich. Damit entfällt die Gefahr einer Beschädigung des Dichtelements bei der Montage. Die Abdichtung über den Presssitz ist auch über die Lebensdauer robuster, da weniger verschleißbehaftet.
Bevorzugt besitzt die Bundbuchse einen sich nach radial innen erstreckenden
Ringbund zur Ausbildung eines Anschlags für den Ventilkolben. Durch die vom Ringbund umschlossene Öffnung kann dann der Stößel zur Kopplung des Ankers mit dem Ventilkolben hindurch geführt werden. Die Öffnung ist vorzugsweise derart groß bemessen, dass ein ausreichendes radiales Spiel zwischen dem Stößel und dem Ringbund verbleibt, um etwaige Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszugleichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Bundbuchse zumindest bereichsweise von einem Adapterstück umgeben, über welches die Bundbuchse mit dem Elektromagneten und/oder einem topfförmigen Gehäuseteil zur Aufnahme des Elektromagneten verbunden bzw. verbindbar ist. Die Verbindung des Adapterstücks mit der Bundbuchse kann über einen Kragen des Adapterstücks erfolgen, so dass das Adapterstück auf die Bundbuchse aufsetzbar, vorzugsweise aufpressbar ist. Ferner kann das Adapterstück über eine Pressverbindung in der Aufnahmebohrung des Gehäuseteils der Kraftstoffhochdruckpumpe gehalten sein, die hierzu bevorzugt als Stufenbohrung ausgeführt ist. Das Adapterstück selbst kann ein Stanz- Biegeteil sein, das einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Beim Anbau des Proportionalventils an die Kraftstoffhochdruckpumpe kann das Adapterstück zunächst mit der Bundbuchse oder alternativ zunächst mit dem topfförmigen Gehäuseteil und/oder dem Elektromagneten verbunden werden.
Vorteilhafterweise bildet das Adapterstück einen Konus zur automatischen Zentrierung des Elektromagneten und/oder des topfförmigen Gehäuseteils beim Verbinden mit dem Adapterstück aus.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Adapterstück einen sich nach radial außen erstreckenden Flansch ausbildet, über welchen das Adapterstück außen am Gehäuseteil der Kraftstoffhochdruckpumpe axial anschlagbar ist. Im Flansch können Bohrungen zur Aufnahme von Schrauben vorgesehen sein, die eine Ver- schraubung des Adapterstücks mit dem Gehäuseteil ermöglichen.
Bevorzugt besitzt der Ventilkolben mindestens eine mantelseitige Durchbrechung, die in Überdeckung mit einer als Zulauf dienenden Ringnut der Bundbuchse bringbar ist, in die mindestens eine Zulaufbohrung mündet. Die mindestens eine Zulaufbohrung ist vorzugsweise als Radialbohrung in der Bundbuchse ausgebildet. Auch in dieser Hinsicht ersetzt somit die Bundbuchse den fehlenden Magnetkern, in dem üblicherweise die Zulaufbohrungen ausgebildet sind.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anker als Tauchanker ausgebildet und mit dem Stößel fest verbunden ist. Vorzugsweise ist der Stößel in den Anker eingepresst. Denn
über die Einpresstiefe kann die Kennlinie des mechanischen Teils des Proportionalventils vorgegeben werden.
Des Weiteren wird eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem erfindungsgemäßen Proportionalventil vorgeschlagen. Die Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst ein Gehäuseteil, in dem eine Aufnahmebohrung ausgebildet ist, in welche die Bundbuchse des Proportionalventils eingesetzt, vorzugsweise eingepresst, ist. Wie bereits zuvor erwähnt, ist aufgrund des Presssitzes der Bundbuchse in der Aufnahmebohrung eine Abdichtung nach außen über ein zusätzliches Dichtelement, insbesondere einen radial abdichtenden O-Ring, entbehrlich. Die Abdichtung wird allein über den Presssitz bewirkt, der gegenüber einem in die Aufnahmebohrung eingesetzten radial abdichtenden O-Ring weniger verschleißbehaftet ist. Die Gefahr eines hydraulischen Bypasses ist somit minimiert und eine korrekte Zumessung gewährleistet.
Bevorzugt ist die Aufnahmebohrung im Gehäuseteil der Kraftstoffhochdruckpumpe als Stufenbohrung ausgeführt, in welche ferner das Adapterstück des Proportionalventils zumindest bereichsweise eingesetzt, vorzugsweise eingepresst, ist. Durch den Presssitz des Adapterstücks in der Aufnahmebohrung wird die Abdichtung nach außen weiter optimiert. Zudem kann ein axial dichtender O-Ring zwischen dem Adapterstück und dem Gehäuseteil eingelegt werden.
Die Vorteile einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem erfindungsgemäßen Proportionalventil sind insbesondere darin zu sehen, dass der Anbau des Proportionalventils vereinfacht wird. Die Verbindung des Proportionalventils mit der Kraftstoffhochdruckpumpe wird über die Bundbuchse und ggf. das Adapterstück erreicht, die bevorzugt in eine entsprechende Aufnahmebohrung des Gehäuseteils der Kraftstoffhochdruckpumpe eingepresst werden. Mit dem Presssitz entfällt die Notwendigkeit der Anordnung eines zusätzlichen Dichtelements, insbesondere eines in radialer Richtung dichtenden O- Rings. Damit einher kann zudem eine Entfeinerung der Bauteile gehen, die sich wiederum günstig auf die Herstellungskosten auswirkt. Die Bundbuchse und das Adapterstück, welche den Magnetkern ersetzen, erlauben zudem eine in axialer Richtung besonders kompaktbauende Anordnung, so dass der Bauraumbedarf der Kraftstoffhochdruckpumpe verringert wird.
Beim Anbau eines erfindungsgemäßen Proportionalventils an eine Kraftstoffhochdruckpumpe wird vorzugsweise wie folgt vorgegangen. Zunächst werden der Ventilkolben und die Feder in die Bundbuchse eingesetzt. Die Bundbuchse einschließlich des Ventilkolbens und der Feder wird dann in die Aufnahmebohrung des Gehäuseteils der Kraftstoffhochdruckpumpe eingepresst, wobei über die Einpresstiefe die Vorspannung der Feder vorgegeben wird. Zugleich können über die Einpresstiefe etwaige Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Anschließend wird das Adapterstück in die Aufnahmebohrung eingepresst und/oder auf die Bundbuchse aufgepresst. Nun muss nur noch das topfförmige Gehäuseteil des Proportionalventils, in dem der Elektromagnet und der Anker- Stößel-Verbund aufgenommen sind, mit dem Adapterstück verbunden werden. Über den Konus des Adapterstücks erfolgt dabei eine Zentrierung.
Alternativ kann das Adapterstück auch erst mit dem topfförmigen Gehäuseteil des Proportionalventils verbunden werden, nachdem der Elektromagnet mit dem Anker- Stößel- Verbund in das topfförmige Gehäuseteil des Proportionalventils eingesetzt wurde. Das topfförmige Gehäuseteil mit dem Adapterstück wird dann auf die Bundbuchse aufgesetzt und mit dem Gehäuseteil der Kraftstoffhochdruckpumpe verschraubt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform an einer Kraftstoffhochdruckpumpe,
Fig. 2 das Proportionalventil der Fig. 1 während des Anbaus,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform an einer Kraftstoffhochdruckpumpe und
Fig. 4 das Proportionalventil der Fig. 3 während des Anbaus. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der Fig. 1 dargestellte Proportionalventil ist an eine Kraftstoffhochdruckpumpe angebaut. Die Verbindung erfolgt über eine Bundbuchse 6, die in eine Aufnahmeboh- rung 16 eines Gehäuseteils 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe eingepresst ist. Auf die Bundbuchse 6 ist ein Adapterstück 9 aufgesetzt, das ebenfalls in die Aufnahmebohrung 16 eingepresst ist. Die Aufnahmebohrung 16 ist hierzu als Stufenbohrung ausgeführt. Das Adapterstück 9 besitzt einen Konus 11, der das Aufsetzen eines Elektromagneten 1 zur Betätigung des Proportionalventils beim Anbau an die Kraftstoffhochdruckpumpe erleichtert. Denn wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, erfolgt der Anbau des Elektromagneten 1 erst nach dem Einpressen der Bundbuchse 6 und des Adapterstücks 9 in die Aufnahmebohrung 16 des Gehäuseteils 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe.
Der Elektromagnet 1 ist gemeinsam mit einem Anker 2 in einem umspritzen topfförmi- gen Gehäuseteil 7 des Proportionalventils aufgenommen. Das topfförmige
Gehäuseteil 7 besitzt einen Flanschabschnitt 17, der außen am Gehäuseteil 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe anliegt und mit dem Gehäuseteil 10 verschraubbar ist. Mit der Verschraubung ist das Proportionalventil am Gehäuseteil 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe festgelegt.
Der Anker 2 ist als Tauchanker ausgeführt und mit einem Stößel 3 zur Kopplung mit einem Ventilkolben 4 verbunden, der in der Bundbuchse 6 axial verschiebbar aufgenommen ist. Der Ventilkolben 4 besitzt mantelseitige Durchbrechungen 13, die in Überdeckung mit einer Ringnut 14 der Bundbuchse 6 bringbar sind, in die als Radialbohrungen ausgebildete Zulaufbohrungen 15 münden. Die axiale Lage des Ventilkolbens 4 in Bezug auf die Ringnut 14 gibt somit den Durchfluss durch das Ventil vor.
Der Ventilkolben 4 ist von der Federkraft einer Feder 5 beaufschlagt, die den Ventilkolben 4 in Richtung des Stößels 3 axial vorspannt. Ein an der Bundbuchse 6 ausgebilde- ter Ringbund 8 dient dabei als Anschlag.
Wird der Elektromagnet 1 bestromt, bewegen sich der Anker 2 und der Stößel 3 nach unten. Dabei bewirkt der am Ventilkolben 4 anliegende Stößel 3 eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens 4 entgegen der Federkraft der Feder 5. Die axiale Lage der
mantelseitigen Durchbrechungen 13 des Ventilkolbens 4 in Bezug auf die Ringnut 14 der Bundbuchse 6 ändert sich, wodurch sich in der Folge auch der Durchfluss durch das Ventil ändert.
Im Unterschied zu bekannten Proportionalventilen sind im Bereich der Verbindung des Ventils mit dem Gehäuseteil 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe keine zusätzlichen Dichtelemente angeordnet. Die Abdichtung nach außen wird allein über den Presssitz der Bundbuchse 6 und des Adapterstücks 9 in der Aufnahmebohrung 16 bewirkt. Die Abdichtung über den Presssitz ist weniger verschleißbehaftet als die über einen radial abdichtenden O-Ring. Zudem vereinfacht die Pressverbindung den Anbau des Proportionalventils an die Kraftstoffhochdruckpumpe (siehe Fig. 2).
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Proportionalventils ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Im Unterschied zum Proportionalventil der Fig. 1 und 2 weist dieses einen Flansch 12 auf, der außen am Gehäuseteil 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe anliegt. Der Flansch 12 nimmt den Flanschabschnitt 17 des topfförmigen Gehäuseteils 7 des Proportionalventils auf und ist gemeinsam mit diesem mit dem Gehäuseteil 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe verschraubbar. Zwischen einer Vertiefung 19 des Flansches 12 und dem Gehäuseteil 10 der Kraftstoffhochdruckpumpe ist zudem ein Dichtelement 18 eingelegt, das eine zusätzliche axiale Abdichtung bewirkt. Das Adapterstück 9 ist als Stanz- Biegeteil kostengünstig zu fertigen.
Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, wird beim Anbau des Proportionalventils an die Kraftstoffhochdruckpumpe das Adapterstück 9 zunächst mit dem topfförmigen
Gehäuseteil 7 und dem Elektromagneten 1 verbunden, wobei der Konus 11 eine Zentrierung bewirkt. Da die Ankerlagerung ausschließlich über die vormontierte Einheit erfolgt, wird die Lagererprobung vereinfacht. Zudem optimiert das Adapterstück 9 den Magnetfluss.