DE102007050817A1

DE102007050817A1 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil

Info

Publication number: DE102007050817A1
Application number: DE200710050817
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Reiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-04-30
Also published as: JP5627654B2; JP2013007387A; US20110100332A1; JP2011501035A; EP2212542B1; EP2212542A1; JP5517942B2; CN101910609B; WO2009053191A1; CN101910609A; BRPI0817774A2; US9038604B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen. Das Ventil umfasst ein elektromagnetisches Betätigungselement mit einer Magnetspule (1), einem festen Kern (2), einem Ventilmantel (5) und einem bewegbaren Anker (17) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (19), der mit einer an einem Ventilsitzkörper (15) vorgesehenen Ventilsitzfläche (16) zusammenwirkt. In eine innere Längsbohrung (23) des Ankers (17) und in eine innere Strömungsbohrung (28) des Innenpols (2) ist ein hülsenförmiger Führungskörper (62) eingebracht, wobei der Führungskörper (62) im Anker (17) oder Innenpol (2) fest ist und im jeweils anderen Bauteil lose geführt ist. Das Ventil eignet sich als Brennstoffeinspritzventil besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
In den 1 und 2 ist ein bekanntes elektromagnetisch betätigbares Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils aus dem Stand der Technik dargestellt, das eine übliche konstruktive Ausführung eines umlaufenden Führungsbundes am Außenumfang eines bewegbaren Ankers besitzt. Während seiner Axialbewegung gleitet der Anker mit seinem Führungsbund in der inneren Öffnung einer Ventilhülse entlang ihrer inneren Wandung, der insofern innerhalb der Ventilhülse geführt wird, wodurch ein Verkippen oder Verkanten des Ankers vermieden wird.
Weitere Varianten der Führung eines bewegbaren Ankers eines elektromagnetisch betriebenen Brennstoffeinspritzventils sind ebenfalls bekannt. So ist der DE 4137 994 A1 zu entnehmen, dass eine wenigstens teilweise umlaufende Führungsnase in einem Düsenträger einprägbar ist, wobei auch diese Führungsnase für eine Führung des Ankers an dessen Außenumfang sorgt. Bekannt ist es zudem, mehrere über den Umfang verteilte Führungsnasen im Bereich einer magnetischen Drosselstelle eines langgestreckten Ventilkörpers auszuprägen, die den Anker während seiner Axialbewegung führen ( DE 195 03 820 A1 ). Aus der DE 100 51 016 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem am Außenumfang des Ankers Führungsbundsegmente ausgeformt sind, die sich im Bereich des stärksten radialen Magnetflusses befinden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer kompakten Bauweise. Das Ventil ist besonders kostengünstig herstellbar, da die Ankerführung besonders einfach und kostengünstig realisiert ist. Erfindungsgemäß ist ein Führungskörper in eine innere Längsbohrung des Ankers und in eine innere Strömungsbohrung des Innenpols eingebracht, wobei der Führungskörper im Anker oder Innenpol fest ist und im jeweils anderen Bauteil lose geführt ist. Die der Führung dienende Kontaktfläche ist gegenüber den Lösungen des Standes der Technik vorteilhafterweise reduziert. Die Führung erfolgt auf kleinerem Durchmesserniveau. Eine Funktionsverbesserung ist insofern gegeben, dass wegen des führungsfreien Außenumfangs des Ankers nachteilige Radialkräfte vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen elektromagnetisch betätigbaren Ventils möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, den Führungskörper hülsenförmig und dünnwandig und aus einem Werkstoff mit austenitischem Gefüge herzustellen. Kostengünstig ist dabei insbesondere der Führungskörper als Tiefziehteil. Der austenitische Werkstoff bietet den Vorteil, dass kein magnetischer Kurzschluss zwischen Innenpol und Anker entsteht.
Von Vorteil ist es, eine Verdrehfixierung vorzusehen, bei der in korrespondierender Weise am Anker oder Innenpol und am Führungskörper Verdrehsicherheit bildende Funktionselemente angebracht sind. Die Verdrehfixierung ist vorteilhaft für die Konstanz von Funktionswerten des Ventils, wie Durchfluss und Strahlwinkel und das Verschleißverhalten.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein elektromagnetisch betätigbares Ventil in Form eines Brennstoffeinspritzventils nach dem Stand der Technik,
2 eine Teilansicht II der 1 des bekannten Brennstoffeinspritzventils nach dem Stand der Technik, die den erfindungsrelevanten Bereich kennzeichnet,
3 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ventils
4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3 mit einer ersten Ausführungsvariante des Ankers und
5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 3 mit einer zweiten Ausführungsvariante des Ankers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist beispielhaft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen gemäß dem Stand der Technik zum besseren Verständnis der Erfindung dargestellt.
Das Ventil besitzt einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Innenpol und teilweise als Brennstoffdurchfluss dienenden weitgehend rohrförmigen Kern 2. Die Magnetspule 1 ist von einem äußeren, hülsenförmigen und gestuft ausgeführten, z. B. ferromagnetischen Ventilmantel 5, der ein als Außenpol dienendes äußeres Magnetkreisbauteil darstellt, in Umfangsrichtung vollständig umgeben. Die Magnetspule 1, der Kern 2 und der Ventilmantel 5 bilden zusammen ein elektrisch erregbares Betätigungselement.
Während die in einem Spulenkörper 3 eingebettete Magnetspule 1 mit einer Wicklung 4 eine Ventilhülse 6 von außen umgibt, ist der Kern 2 in einer inneren, konzentrisch zu einer Ventillängsachse 10 verlaufenden Öffnung 11 der Ventilhülse 6 eingebracht. Die Ventilhülse 6 ist langgestreckt und dünnwandig ausgeführt. Die Öffnung 11 dient u. a. als Führungsöffnung für eine entlang der Ventillängsachse 10 axial bewegliche Ventilnadel 14. Die Ventilhülse 6 erstreckt sich in axialer Richtung z. B. über ca. die Hälfte der axialen Gesamterstreckung des Brennstoffeinspritzventils.
Neben dem Kern 2 und der Ventilnadel 14 ist in der Öffnung 11 des weiteren ein Ventilsitzkörper 15 angeordnet, der an der Ventilhülse 6 z. B. mittels einer Schweißnaht 8 befestigt ist. Der Ventilsitzkörper 15 weist eine feste Ventilsitzfläche 16 als Ventilsitz auf. Die Ventilnadel 14 wird beispielsweise von einem rohrförmigen Anker 17, einem ebenfalls rohrförmigen Nadelabschnitt 18 und einem kugelförmigen Ventilschließkörper 19 gebildet, wobei der Ventilschließkörper 19 z. B. mittels einer Schweißnaht fest mit dem Nadelabschnitt 18 verbunden ist. An der stromabwärtigen Stirnseite des Ventilsitzkörpers 15 ist eine z. B. topfförmige Spritzlochscheibe 21 angeordnet, deren umgebogener und umfangsmäßig umlaufender Halterand 20 entgegen der Strömungsrichtung nach oben gerichtet ist. Die feste Verbindung von Ventilsitzkörper 15 und Spritzlochscheibe 21 ist z. B. durch eine umlaufende dichte Schweißnaht realisiert. Im Nadelabschnitt 18 der Ventilnadel 14 sind eine oder mehrere Queröffnungen 22 vorgesehen, so dass den Anker 17 in einer inneren Längsbohrung 23 durchströmender Brennstoff nach außen treten und am Ventilschließkörper 19 z. B. an Abflachungen 24 entlang bis zur Ventilsitzfläche 16 strömen kann.
Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 14 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer an der Ventilnadel 14 angreifenden Rückstellfeder 25 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem inneren Kern 2, dem äußeren Ventilmantel 5 und dem Anker 17. Der Anker 17 ist mit dem dem Ventilschließkörper 19 abgewandten Ende auf den Kern 2 ausgerichtet. Anstelle des Kerns 2 kann z. B. auch ein als Innenpol dienendes Deckelteil, das den Magnetkreis schließt, vorgesehen sein.
Der kugelförmige Ventilschließkörper 19 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 zusammen, die in axialer Richtung stromabwärts einer Führungsöffnung im Ventilsitzkörper 15 ausgebildet ist. Die Spritzlochscheibe 21 besitzt wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren, Laserbohren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 27.
Die Einschubtiefe des Kerns 2 im Einspritzventil ist unter anderem entscheidend für den Hub der Ventilnadel 14. Dabei ist die eine Endstellung der Ventilnadel 14 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 19 an der Ventilsitzfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 14 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 17 am stromabwärtigen Kernende ergibt. Die Hubeinstellung erfolgt durch ein axiales Verschieben des Kerns 2, der entsprechend der gewünschten Position nachfolgend fest mit der Ventilhülse 6 verbunden wird.
In eine konzentrisch zu der Ventillängsachse 10 verlaufende Strömungsbohrung 28 des Kerns 2, die der Zufuhr des Brennstoffs in Richtung der Ventilsitzfläche 16 dient, ist außer der Rückstellfeder 25 ein Einstellelement in der Form einer Einstellhülse 29 eingeschoben. Die Einstellhülse 29 dient zur Einstellung der Federvorspannung der an der Einstellhülse 29 anliegenden Rückstellfeder 25, die sich wiederum mit ihrer gegenüberliegenden Seite an der Ventilnadel 14 im Bereich des Ankers 17 abstützt, wobei auch eine Einstellung der dynamischen Abspritzmenge mit der Einstellhülse 29 erfolgt. Ein Brennstofffilter 32 ist oberhalb der Einstellhülse 29 in der Ventilhülse 6 angeordnet.
Das zulaufseitige Ende des Ventils wird von einem metallenen Brennstoffeinlassstutzen 41 gebildet, der von einer diesen stabilisierenden, schützenden und umgebenden Kunststoffumspritzung 42 umgeben ist. Eine konzentrisch zur Ventillängsachse 10 verlaufende Strömungsbohrung 43 eines Rohres 44 des Brennstoffeinlassstutzens 41 dient als Brennstoffeinlass. Die Kunststoffumspritzung 42 wird z. B. in der Weise aufgespritzt, dass der Kunststoff unmittelbar Teile der Ventilhülse 6 sowie des Ventilmantels 5 umgibt. Eine sichere Abdichtung wird dabei beispielsweise über eine Labyrinthdichtung 46 am Umfang des Ventilmantels 5 erzielt. Zur Kunststoffumspritzung 42 gehört auch ein mitangespritzter elektrischer Anschlussstecker 56.
2 zeigt eine Teilansicht II der 1 des bekannten Brennstoffeinspritzventils nach dem Stand der Technik, die den erfindungsrelevanten Bereich kennzeichnet. Dabei wird insbesondere der Führungsbereich des Ankers 17 deutlich. Am äußeren Umfang besitzt der bewegliche Anker 17 in bekannter Weise einen umlaufenden Führungsbund 60 oder mehrere über den Umfang verteilte noppen- bzw. nasenartige Führungsbünde 60, um ihn in der Ventilhülse 6 sicher und verkantungsfrei zu führen. In umgekehrter Weise können der Führungsbund 60 oder die Führungsbünde 60 auch an der Ventilhülse 6 angeformt sein, wobei dann der Außenumfang des Ankers 17 mit konstantem Durchmesser zylindrisch ausgeführt ist. Die Rückstellfeder 25 weist entsprechend ein deutliches Spiel zur Wandung der Strömungsbohrung 28 im Kern 2 bzw. zur Wandung der Längsbohrung 23 im Anker 17 auf.
3 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ventils, bei dem die Führung des Ankers 17 von seinem Außenumfang nach innen in die Längsbohrung 23 verlegt ist. Erfindungsgemäß wird der Anker 17 während seiner axialen Längsbewegung durch einen hülsenförmigen Führungskörper 62 geführt. Der hülsenförmige Führungskörper 62 ist dünnwandig ausgeführt, wobei es sich bei dem Führungskörper 62 wegen seiner kostengünstigen Herstellbarkeit insbesondere um ein Tiefziehteil handelt. In vorteilhafter Weise ist der Führungskörper 62 aus einem Werkstoff mit austenitischem Gefüge hergestellt, damit kein magnetischer Kurzschluss zwischen Kern 2 und Anker 17 entsteht. Ein austenitischer Werkstoff erfüllt zudem die Forderung nach einem Stoff mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand zur Vermeidung von Wirbelströmen.
Zwei Varianten der Befestigung des Führungskörpers 62 sind denkbar. In einer ersten Variante ist der Führungskörper 62, wie in 3 gezeigt, fest in der Strömungsbohrung 28 des Kerns 2 installiert, während sich der axial bewegbare Anker 17 entlang des Führungskörpers 62 bewegen kann, der in die innere Längsbohrung 23 des Ankers 17 eintaucht. Bei erregter Magnetspule 1 wird der Anker 17 in Richtung zum Kern 2 bis zu dessen Anschlagfläche angezogen. Über die Größe dieses zu durchlaufenden Arbeitsspaltes 63 ist der Hub der Ventilnadel 14 definiert. Bei geschlossenem Ventil, also der Anlage des Ventilschließkörpers 19 an der Ventilsitzfläche 16, ist die Größe des Arbeitsspaltes 63 maximal. Um dieses Maß muss der Führungskörper 62 mindestens in die Längsbohrung 23 des Ankers 17 eintauchen können, d. h. die verfügbare relative Bewegungslänge des Führungskörpers 62 in der Längsbohrung 23 ist gleich dem oder größer als der maximale Arbeitsspalt 63. Das Festlager liegt bei dieser Ausführungsform im Kern 2; die Führung, also das Loslager befindet sich im Anker 17.
In einer zweiten Variante ist der Führungskörper 62 fest in der Längsbohrung 23 des Ankers 17 installiert, wobei sich dann der axial bewegbare Anker 17 zusammen mit dem Führungskörper 62 bewegt, der in die innere Strömungsbohrung 28 des Kerns 2 eintaucht. Bei erregter Magnetspule 1 wird der Anker 17 in Richtung zum Kern 2 bis zu dessen Anschlagfläche angezogen. Bei geschlossenem Ventil, also der Anlage des Ventilschließkörpers 19 an der Ventilsitzfläche 16, ist die Größe des Arbeitsspaltes 63 maximal. Um dieses Maß muss der Führungskörper 62 mindestens in die Strömungsbohrung 28 des Kerns 2 eintauchen können, d. h. die verfügbare freie Bewegungslänge des Führungskörpers 62 in der Strömungsbohrung 28 ist gleich dem oder größer als der maximale Arbeitsspalt 63. Das Festlager liegt bei dieser Ausführungsform im Anker 17; die Führung, also das Loslager befindet sich im Kern 2. In beiden beschriebenen Varianten ist der Führungskörper 62 auf der Festlagerseite z. B. mittels Einpressen befestigt.
4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3 mit einer ersten Ausführungsvariante des Ankers 17. Dabei ist der hülsenförmige Führungskörper 62 kreisförmig ausgebildet, der in eine ebenfalls kreisförmige Längsbohrung 23 des Ankers 17 eintaucht oder in ihr befestigt ist.
Denkbar ist jedoch auch, im Anker 17 oder im Kern 2 eine Verdrehfixierung vorzusehen, die eine verdrehsichere Lage des Ankers 17 während seiner Axialbewegung garantiert. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V in 3 mit einer zweiten Ausführungsvariante des Ankers 17, der eine beispielhafte Verdrehfixierung beinhaltet. Der Führungsabschnitt des Führungskörpers 62 ist dabei z. B. als Sechskant ausgeführt, der in eine entsprechend ausgeformte Längsbohrung 23 des Ankers 17 eintaucht. Bildet der Anker 17 die Festlagerseite, so kann die Verdrehfixierung im Kern 2 in vergleichbarer Weise vorgesehen sein.
Die Verdrehfixierung kann alternativ auch über anderweitige Abflachungen, Mehrkante, Vertiefungen oder Aufbauchungen, die in korrespondierender Weise am Anker 17 oder Kern 2 und am Führungskörper 62 angebracht sind, realisiert sein. Die Verdrehfixierung ist allgemein vorteilhaft für die Konstanz von Funktionswerten des Ventils, wie Durchfluss und Strahlwinkel und das Verschleißverhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4137994 A1 [0003]
- DE 19503820 A1 [0003]
- DE 10051016 A1 [0003]

Claims

Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse (10), mit einem erregbaren Aktuator in Form eines elektromagnetischen Kreises mit einer Magnetspule (1), einem Innenpol (2), einem äußeren Magnetkreisbauteil (5) und einem bewegbaren Anker (17) zur Betätigung eines Ventilschließkörpers (19), der mit einer an einem Ventilsitzkörper (15) vorgesehenen Ventilsitzfläche (16) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Führungskörper (62) in eine innere Längsbohrung (23) des Ankers (17) und in eine innere Strömungsbohrung (28) des Innenpols (2) eingebracht ist, wobei der Führungskörper (62) im Anker (17) oder Innenpol (2) fest ist und im jeweils anderen Bauteil lose geführt ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (62) hülsenförmig und dünnwandig ausgeführt ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 1 oder 2,. dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (62) aus einem Werkstoff mit austenitischem Gefüge hergestellt ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbare relative Bewegungslänge des im Innenpol (2) festen Führungskörpers (62) in der Längsbohrung (23) des Ankers (17) gleich dem oder größer als der maximale Arbeitsspalt (63) zwischen Innenpol (2) und Anker (17) ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbare freie Bewegungslänge des im Anker (17) festen Führungskörpers (62) in der Strömungsbohrung (28) des Innenpols (2) gleich dem oder größer als der maximale Arbeitsspalt (63) zwischen Innenpol (2) und Anker (17) ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (62) auf der Festlagerseite mittels Einpressen befestigt ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (62) kreisförmig ausgebildet ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdrehfixierung in Form von Abflachungen, Mehrkanten, Vertiefungen oder Aufbauchungen vorgesehen ist, die in korrespondierender Weise an der inneren Längsbohrung (23) des Ankers (17) oder der inneren Strömungsbohrung (28) des Innenpols (2) und am Führungskörper (62) angebracht sind.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des Ankers (17) führungsbundfrei ist.