DE102009046082A1

DE102009046082A1 - Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil, insbesondere zur Steuerung der Fördermenge einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE102009046082A1
Application number: DE200910046082
Authority: DE
Inventors: Winfried Eckart; Valentin Voth; Jürgen Koreck; Heiko Roth; Matthias Maess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14), insbesondere zur Steuerung der Fördermenge einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe (3), mit einem Ankerraum (28), einem in diesem angeordneten Anker (22) einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (15), mindestens einem Kanal (38), der die zu beiden Seiten des Ankers (22) liegenden Bereiche des Ankerraums (28) miteinander verbindet, und einem mit dem Anker (22) gekoppelten Ventilelement (24), wobei der Kanal (38) einen solchen Durchmessersprung (40) aufweist, dass ein im Wesentlichen nicht linearer, vorzugsweise quadratischer Zusammenhang zwischen Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers (22) und Strömungswiderstand im Kanal (38) geschaffen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vom Markt her bekannt sind Mengensteuerventile, welche ein elektromagnetisch betätigtes Ventilelement aufweisen. Damit wird die einer Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge im Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine bemessen. Ebenfalls bekannt ist es, einen Anker des Elektromagneten beispielsweise mit Längsbohrungen zu versehen, um die bei der Bewegung des Ankers auftretende Dämpfung einstellen zu können. Durch solche axialen Bohrungen im Anker wird Fluid, also Kraftstoff, von einer axialen Seite des Ankers zur anderen Seite befördert. Durch die Größe und die Anzahl der Bohrungen kann die fluidische Dämpfung eingestellt werden. Alternativ zu einer axialen Bohrung im Anker ist es ebenfalls bekannt, an einer Umfangswand des Ankers axiale Nuten anzubringen, welche ebenfalls einen Fluidaustausch zwischen den beiden Seiten des Ankers ermöglichen.
Des weiteren wird auf folgende Veröffentlichungen verwiesen: DE 10 2007 034 038 A1 , DE 10 2007 028 960 A1 , DE 10 2005 022 661 A1 , DE 10 2004 061 798 A1 , DE 2004 016 554 A1 , DE 103 27 411 A1 , DE 198 34 121 A1 , EP 1 701 031 A1 , EP 1 471 248 A1 und EP 1 296 061 A2 .
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass eine Endgeschwindigkeit der Bewegung des Bewegungsteils, bei dem es sich im allgemeinen um einen starr mit einer Ventilnadel gekoppelten und in einem den Bewegungsraum bildenden Ankerraum aufgenommenen Anker des Mengensteuerventils handeln dürfte, beim Öffnen und Schließen des Mengensteuerventils verringert wird. Damit kann eine Anregung mechanischer Schwingungen beim Anschlagen des Bewegungsteils, beziehungsweise der mit dem Bewegungsteil verbundenen Ventilnadel reduziert werden. Damit wird zugleich eine Körperschallanregung und damit die Schallabstrahlung des Mengensteuerventils insgesamt vermindert.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass axiale Kanäle in einem Bewegungsteil oder am Umfang des Bewegungsteils einen zur Fluidgeschwindigkeit proportionalen hydraulischen Widerstand darstellen. Davon ausgehend wird durch einen Durchmessersprung im axialen Verlauf des mindestens einen Kanals ein im Wesentlichen nichtlinearer, vorzugsweise quadratischer Zusammenhang zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungsteils und dem Strömungswiderstand im Kanal geschaffen. Dabei kann dieser Zusammenhang nach der Art eines Polynoms sowohl lineare als auch quadratische Anteile aufweisen. Ausgehend von einem Vorzustand mit einem im axialen Verlauf konstanten Querschnitt des mindestens einen Kanals wird beispielsweise ein Teilabschnitt des mindestens einen Kanals in seinem Querschnitt vergrößert, und ein weiterer Teilabschnitt in seinem Querschnitt verkleinert. Der Übergang weist also einen Durchmessersprung auf. Damit ist der Zusammenhang zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungsteils und dem Strömungswiderstand nicht mehr nur linear, sondern besitzt einen wesentlichen quadratischen Anteil. Wegen des abschnittsweise vergrößerten Querschnitts kann der lineare Anteil in Bezug auf den Vorzustand sogar kleiner sein. Wichtig ist, dass der durch den mindestens einen Kanal fließende Fluidstrom möglichst groß ist im Vergleich zu dem Anteil des Fluids, der durch einen zwischen der Umfangswand des Bewegungsteils und dem Bewegungsraum gebildeten Ringspalt fließt. Insgesamt ergibt sich, dass der hydraulische Widerstand, den das Bewegungsteil bei seiner Bewegung erfährt, bei geringen Fluidgeschwindigkeiten vergleichsweise niedrig ist, während er bei hohen Fluidgeschwindigkeiten stark ansteigt. Die Fluidgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Bewegungsteils sind zueinander im Wesentlichen proportional.
Abhängig von den spezifischen Eigenschaften eines Mengensteuerventils kann durch die veränderte Geometrie des mindestens einen Kanals eine Verkürzung der Anzugszeit des elektromagnetisch betätigten Ventils erreicht werden. Dabei wird auch die Anschlagsgeschwindigkeit des Bewegungsteils bzw. des Ankers oder des Ventilelements an einem Anschlag ebenso wie eine akustische Anregung oder mechanische Belastung verringert.
Eine erste Ausgestaltung des elektromagnetisch betätigten Mengensteuerventils sieht vor, dass mindestens ein Kanal durch eine axiale Bohrung im Bewegungsteil gebildet wird. Damit wird vorteilhaft die Herstellung des Bewegungsteils vereinfacht und damit das Mengensteuerventil verbilligt, was insbesondere dann der Fall ist, wenn es sich bei dem Bewegungsteil um den Anker handelt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Kanal durch eine Nut in einer Umfangswand des Bewegungsteils oder des Bewegungsraums gebildet wird. Damit ergeben sich grundsätzlich vier Möglichkeiten, um Fluid von der einen axialen Seite des Bewegungsteils auf die andere Seite zu übertragen. Einmal durch den Ringspalt, welcher zwischen dem kreisförmigen Umfang des Bewegungsteils (Umfangswand) und der Wand des Bewegungsraums gebildet wird. Zum Zweiten durch mindesten einen axialen Kanal im Bewegungsteil, zum Dritten durch mindestens eine axiale Nut in der Umfangswand des Bewegungsteils, und viertens durch mindestens eine axiale Nut in der Umfangswand des Bewegungsraums. Diese vier Möglichkeiten können auch miteinander kombiniert sein. Eine Nut in der Umfangswand des Bewegungsraums hat den Vorteil, dass die Geometrie unabhängig von dem Bewegungsteil gestaltet werden kann. Beispielsweise werden die magnetischen Eigenschaften eines Ankers dadurch nicht beeinträchtigt. Weiterhin ergibt sich eine einfachere Wartung und Montage des Bewegungsteils beziehungsweise des Mengensteuerventils.
Die Erfindung arbeitet besonders wirkungsvoll, wenn der Durchmessersprung schlagartig erfolgt. Dieser kann beispielsweise durch eine Stufenbohrung ausgeführt sein. Daraus ergibt sich für die Bewegung des Bewegungsteils eine besonders starke Nichtlinearität des hydraulischen Widerstands in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Bewegungsteils.
Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Durchmessersprung eine scharfkantige konische Durchmesseränderung umfasst. Damit wird die Möglichkeit, den Durchmessersprung auszulegen, vorteilhaft erweitert. Insbesondere wird bei einem scharfkantigen konischen Durchmessersprung die Kavitation verringert, und entsprechend wird ein hydraulischer Verschleiß gesenkt.
Die verschiedenen Ausgestaltungen des Durchmessersprungs betreffen Bohrungen und Nuten gleichermaßen. Bei Nuten wird der Durchmessersprung durch eine Stufe bzw. durch einen konusähnlichen Übergang gebildet.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
2 eine Schnittansicht eines vereinfachten Schemas eines Elektromagneten (ohne Spule) eines Mengensteuerventils;
3 eine axiale Ansicht entsprechend einer Richtung III der 2 eines Ankers mit Bohrungen und einem schlagartigen Durchmessersprung;
4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV von 3;
5 eine zu 4 vergleichbare Schnittansicht, jedoch mit einer scharfkantigen konischen Durchmesseränderung;
6 eine axiale Ansicht eines Ankers mit Nuten und einem schlagartigen Durchmessersprung;
7 eine Schnittansicht längs der Linie VII-VII von 6; und
8 eine zu 7 vergleichbare Schnittansicht, jedoch mit einer scharfkantigen stetigen Durchmesseränderung mit einem konusähnlichen Verlauf.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Eine (nicht näher erläuterte) Hochdruckpumpe 3 ist stromaufwärts über eine Saugleitung 4, eine Vorförderpumpe 5 und eine Niederdruckleitung 7 mit einem Kraftstofftank 9 verbunden. Stromabwärts ist an die Hochdruckpumpe 3 über eine Hochdruckleitung 11 ein Hochdruckspeicher 13 (”Common Rail”) angeschlossen. Ein Mengensteuerventil 14 mit einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 – im folgenden als ein Elektromagnet 15 bezeichnet – ist hydraulisch zwischen der Niederdruckleitung 7 und der Hochdruckpumpe 3 angeordnet. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 3, sind in der 1 nicht gezeichnet. Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 14 als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 3 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann durch das Mengensteuerventil 14 ein Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 zwangsweise geöffnet werden.
Beim Betrieb des Kraftstoffsystems 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 9 in die Niederdruckleitung 7. Dabei bestimmt das Mengensteuerventil 14 die der Hochdruckpumpe 3 zugeführte Kraftstoffmenge.
2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt des Mengensteuerventils 14, beziehungsweise des Elektromagneten 15. Dargestellt ist ein Gehäuseabschnitt 20, und in diesem ein allgemein als Bewegungsteil bezeichenbarer axial verschiebbarer Anker 22 und ein mit dem Anker 22 fest verbundenes Ventilelement 24. Der Gehäuseabschnitt 20 ist im in der Zeichnung rechten Teil begrenzt durch einen Anschlag 26. In einem in dem Gehäuseabschnitt 20 gebildeten und allgemein als Bewegungsraum bezeichenbaren Ankerraum 28 befindet sich zu beiden Seiten des Ankers 22 ein in der Zeichnung nicht sichtbares Fluid 30. Zwischen einer Umfangswand 32 des Ankerraums 28 und einer Umfangswand 34 des Ankers 22 befindet sich ein radial umlaufender Ringspalt 36. Der Anker 22 weist vorliegend vier axiale Kanäle 38 auf, von denen zwei in der Schnittdarstellung der 2 sichtbar sind. Vorliegend weisen die axialen Kanäle 38 je einen Durchmessersprung 40 auf. Die axialen Kanäle 38 sind in der 2 als Stufenbohrungen ausgeführt.
Die in der 2 dargestellten Elemente weisen im Wesentlichen eine radiale Symmetrie auf.
In der in 2 dargestellten Betriebssituation des Elektromagneten 15 wird der Anker 22 zusammen mit dem Ventilelement 24 in der Zeichnung nach rechts bewegt. Dies wird durch einen Pfeil 42 symbolisiert. Dabei wird das Volumen eines Teilabschnitts 44 des Ankerraums 28 stetig verkleinert. Damit wird auch das in dem Teilabschnitt 44 vorhandene Fluid 30 verdrängt. Das Fluid 30 fließt dabei entsprechend den gezeichneten Pfeilen 46 aus diesem Teilabschnitt 44 heraus.
Durch den Durchmessersprung 40 wird erreicht, dass der hydraulische Widerstand als Funktion der Ankergeschwindigkeit zusätzlich zu einem linearen einen im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quadratischen Anteil erhält. Daher ist der hydraulische Widerstand der Ankerbewegung bei geringen Geschwindigkeiten des Ankers 22 vergleichsweise klein, während der Widerstand bei hohen Geschwindigkeiten vergrößert ist. Dieser Effekt führt zu einer geringeren Geschwindigkeit des Verbunds aus dem Anker 22 und dem Ventilelement 24 beim Auftreffen auf den Anschlag 26, da die Beschleunigung des Ankers 22 bei höherer Geschwindigkeit niedriger ist als ohne den Durchmessersprung. Dabei ist durch eine entsprechende Geometrie des Ankers 22 beziehungsweise des Gehäuseabschnitts 20 sichergestellt, dass ein vergleichsweise großer Teil des in den Teilabschnitt 44 verdrängten Fluidvolumens durch die axialen Kanäle 38 fließt, und weniger durch den Ringspalt 36. Die Darstellung der 2 ist schematisch und stellt den Ringspalt 36 übertrieben groß dar. Durch eine entsprechende Gestaltung des Durchmessersprungs kann Einfluss auf die Abhängigkeitsfunktion des Widerstands von der Ankergeschwindigkeit genommen werden.
3 zeigt eine Draufsicht auf den Anker 22. Aus zeichnerischen Gründen ist nur die obere Hälfte des Ankers 22 dargestellt. Die untere, nicht gezeichnete Hälfte ist dazu spiegelsymmetrisch angelegt. In der 3 sind die beiden unterschiedlichen Durchmesser der axialen Kanäle 38 bzw. Bohrungen 39 zu erkennen, welche sich durch den Querschnittssprung 40 ergeben.
4 zeigt einen Schnitt entsprechend der Linie IV-IV der 3. Sie gibt damit zugleich eine etwas vergrößerte Ansicht des in der 2 dargestellten Ankers 22 und des axialen Kanals 38 wieder. Ebenfalls ist aus zeichnerischen Gründen nur die obere Hälfte des Ankers 22 gezeigt. Die untere Hälfte ist spiegelsymmetrisch angelegt.
5 zeigt eine zu der 4 alternative Querschnittsführung im Anker 22. Der axiale Kanal 38 bzw. die Bohrung 39 weist vorliegend eine scharfkantige konische Durchmesseränderung 48 auf.
6 zeigt eine zu der 3 vergleichbare Ansicht des Ankers 22. Abweichend davon werden die vier axialen Kanäle 38 durch vier Nuten 50 gebildet. Auch diese Nuten weisen einen schlagartigen Durchmessersprung 40 auf.
7 zeigt eine Schnittansicht entsprechend der Linie VII-VII der 6. Man erkennt, wie die Nut 50 einen schlagartigen Durchmessersprung 40 aufweist, wobei ähnlich zu einer Bohrung 39 der hydraulische Widerstand eine wesentliche quadratische Komponente erhält.
8 stellt eine Alternative zu der 7 dar, wobei die Nut 50 eine stetig verlaufende konusähnliche Durchmesseränderung 48 aufweist, ähnlich, wie dies bei der axialen Bohrung 39 nach der 5 der Fall ist.
Es versteht sich, dass die geschwindigkeitsabhängige Drosselung nicht zwingend am Anker statt finden muss, sondern auch an einem anderen mit dem Ventilelement gekoppelten Bewegungselement.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007034038 A1 [0003]
DE 102007028960 A1 [0003]
DE 102005022661 A1 [0003]
DE 102004061798 A1 [0003]
DE 2004016554 A1 [0003]
DE 10327411 A1 [0003]
DE 19834121 A1 [0003]
EP 1701031 A1 [0003]
EP 1471248 A1 [0003]
EP 1296061 A2 [0003]

Claims

Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14), insbesondere zur Steuerung der Fördermenge einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe (3), mit einem Bewegungsraum (28), einem in diesem angeordneten Bewegungsteil (22) einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (15), mindestens einem Kanal (38), der die zu beiden Seiten des Bewegungsteils (22) liegenden Bereiche des Bewegungsraums (28) miteinander verbindet, und einem mit dem Bewegungsteil (22) gekoppelten Ventilelement (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (38) einen solchen Durchmessersprung (40) aufweist, dass mindestens in einer Bewegungsrichtung ein mit der Geschwindigkeit des Bewegungsteils zunehmender Strömungswiderstand im Kanal (38) geschaffen wird.
Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal (38) durch eine axiale Bohrung (39) im Bewegungsteil (22) gebildet wird.
Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal (38) durch eine Nut (50) in einer Umfangswand (34) des Bewegungsteils (22) oder des Bewegungsraums (28) gebildet wird.
Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmessersprung (40) schlagartig erfolgt.
Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmessersprung (40) eine scharfkantige konische Durchmesseränderung (48) umfasst.