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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils
eines Kraftstoff-Injektors gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 10 2004
013 239 A1 ist ein als Servoventil (Steuerventil) ausgebildetes
Magnetventil für einen Kraftstoff-Injektor bekannt. Mit
Hilfe des Magnetventils wird der Kraftstoffdruck in einem Steuerraum
des Kraftstoff-Injektors gesteuert. Über den Kraftstoffdruck
im Steuerraum wird eine Hubbewegung eines Einspritzventilelementes
gesteuert, mit dem eine Einspritzöffnung des Kraftstoff-Injektors
geöffnet oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst
einen Elektromagneten, einen beweglichen Anker und ein mit dem Anker
bewegtes und von einer Ventilschließfeder in Schließrichtung
beaufschlagtes Steuerventilelement, das mit dem Ventilsitz des Magnetventils
zusammenwirkt und so den Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum steuert.
Die Krafterzeugung erfolgt über das Luftspaltfeld eines
Topfmagneten, dessen Magnetfeld sich über einen Innenpol,
ein Joch, einen Außenpol, die zusammen einen Magnetkern
bilden, weiter über einen außenpolseitigen Luftspalt,
eine bewegliche Ankerplatte und einen innenpolseitigen Luftspalt
um die stromdurchflossene Wicklung schließt.
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Um
Magnetventile für Common-Rail-Injektoren möglichst
kostengünstig herzustellen, ist es bekannt, den Hubanschlag
des Magnetankers am Magnetkern auszubilden. Um den Effekt eines
hydraulischen Klebens des Magnetankers am Magnetkern zu reduzieren,
ist es bekannt, in die Innenpolfläche des Magnetkerns oder
in die Polfläche des Ankers einen stufenförmigen
Absatz einzubringen, um die Kontaktfläche zwischen dem
Magnetanker und dem Magnetkern und damit den hydraulischen Klebeeffekt
zu reduzieren. Dabei ist die Dimensionierung der Kontaktfläche
schwierig, da zwar einerseits zur Minimierung des magnetischen und
hydraulischen Klebens eine kleine Kontaktfläche verlangt
wird, dies jedoch zu Prellern des Ventilelementes bei Erreichen
seines Hubanschlages führen kann. Ein weiteres Problem besteht
darin, die Haltbarkeit der Polflächen zu garantieren, insbesondere
dann, wenn der Magnetkern aus einem vergleichsweise weichen Material
gefertigt ist. Hier sind oftmals kostenintensive Zusatzmaßnahmen
zur Verbesserung der Haltbarkeit der Anschlagflächen notwendig.
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Eine
weitere Möglichkeit, einen geringen Restluftspalt zu gewährleisten,
ist das Einlegen einer amagnetischen Scheibe zwischen dem Magnetkern und
dem Magnetanker. Ein derartiges, bekanntes Magnetventil ist in 3 gezeigt.
Zu erkennen ist ein Ausschnitt des topfförmigen Magnetkerns 100 mit seinem
radial inneren Innenpol 101, seinem radial äußeren
Außenpol 102 und der zwischen Innenpol und Außenpol
aufgenommen Magnetspule 103. Zwischen dem Innenpol 101 und
einer Ankerplatte 104 eines Magnetankers 105 ist
eine Scheibe 106 aus amagnetischem Material aufgenommen,
die einen mit S gekennzeichneten Restluftspalt zwischen einer Polfläche 107 des
Außenpols 102 des Magnetkerns 100 und
ei ner gegenüberliegenden, parallel zur Polfläche 107 angeordneten
Polfläche 108 gewährleistet.
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Bei
der gezeigten Lösung kann es bei einem Schließvorgang
des Magnetventils zum Haften der Scheibe 106 am Magnetanker 105 und/oder
am Magnetkern 100 kommen, wobei die Ausprägung
des Haftens die Wiederbefüllung des Spaltes zwischen der
Ankerplatte 104 und dem Magnetkern 100 und damit
den Schließvorgang des Magnetventils beeinflusst. Die Folge
ist eine veränderliche Ventildynamik beim Schließvorgang
von Ansteuerung zu Ansteuerung und/oder von Kraftstoff-Injektor
zu Kraftstoff-Injektor und/oder über die Lebensdauer des
Kraftstoff-Injektors.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Hinblick auf die Dynamik
der Schaltvorgänge verbessertes, als Steuerventil für
einen Kraftstoff-Injektor ausgebildetes Magnetventil vorzuschlagen,
bei dem zwischen seinem Magnetkern und seinem Magnetanker eine Scheibe
zur Gewährleistung eines Restluftspaltes vorgesehen ist.
Ferner besteht die Aufgabe darin, einen Kraftstoff-Injektor mit
einem entsprechend verbesserten Magnetventil vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Magnetventils mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des
Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, entweder die Kontaktfläche
zwischen Magnetanker und Scheibe oder die Kontaktfläche
zwischen Scheibe und Magnetkern linienförmig auszuformen,
um somit zu verhindern, dass die Scheibe gleichzeitig an dem Magnetkern
als auch an dem Magnetanker vollflächig anliegt. Hierdurch
wird die Haftfähigkeit der Scheibe am Magnetanker oder
am Magnetkern erheblich reduziert, wodurch ein definiertes, stabiles dynamisches
Schaltverhalten des Magnetventils erhalten wird. Als eine linienförmige
Kontaktfläche wird dabei bevorzugt eine Kontaktfläche
verstanden, deren Breiten-, d. h. Radialerstreckung weniger als
1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als
0,4 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,3 mm, ganz besonders bevorzugt
weniger als 0,2 mm beträgt. Von besonderem Vorteil ist
eine Ausführungsform, bei der die Radialerstreckung der
linienförmigen Kontaktfläche weniger als 0,1 mm,
vorzugsweise weniger als 0,07 mm, besonders bevorzugt weniger als
0,05 mm beträgt. Ganz besonders bevorzugt liegt die Breitenerstreckung
der Kontaktfläche in einem Bereich zwischen 0,01 mm und
0,05 mm. Um den negativen Effekt von Steuerventilelementprellern
zu minimieren, sollte die Ausformung der die Kontaktfläche
ausbildenden Bauteile so gewählt werden, dass kurz vor
Erreichen des Anschlags, also kurz vor der Herstellung eines Kontaktes
zwischen der Scheibe und dem Magnetkern oder der Scheibe und dem
Magnetanker ein sehr enger Spalt zwischen den entsprechenden beiden
Bauteilen ausgebildet ist, aus dem der Kraftstoff verdrängt werden
muss, was zu einer Reduzierung der Aufschlaggeschwindigkeit und
damit zu einer Minimierung von Prellern führt.
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Zur
Realisierung einer linienförmigen Kontaktfläche
zwischen dem Magnetkern und der dem Magnetkern zugewandten Scheibenoberfläche
ist es bevorzugt, die Polfläche des Magnetkerns konvex, insbesondere
als Außenkonus auszuführen. Hierdurch kann erreicht
werden, dass der Magnetkern mit einem radial inneren Bereich an
der, insbesondere flachen Scheibe anliegt. Bevorzugt erstreckt sich
dabei die konvexe Ausbildung der Polfläche sowohl über
eine Innenpolfläche als auch über eine Außenpolfläche.
Da bei einer derartigen Konstruktion der Abstand zwischen dem Magnetkern
und dem Magnetanker im Bereich des Außenpols im Vergleich
zu einer ebenen Polflächengeometrie etwas ansteigt, wird
ein geringfügig erhöhter Strom benötigt,
um das Magnetventil gegen eine Schließfederkraft im geöffneten
Zustand zu halten. Ein erhöhter Stromverbrauch kann vermieden
werden, wenn die Polfläche des Magnetkerns nicht konvex,
sondern konkav, vorzugsweise als Innenkonus, ausgebildet ist, also
der Magnetkern vorzugsweise im radial äußeren
Scheibenbereich an der Scheibe anliegt.
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In
analoger Weise kann eine linienförmige Kontaktfläche
zwischen der Polfläche des Magnetankers, insbesondre zwischen
der Ankerplatte des Magnetankers, und der dem Magnetanker zugewandten Oberfläche
der Scheibe realisiert werden. Entweder wird die Polfläche
des Magnetankers hierzu konvex, insbesondere als Außenkonus,
oder konkav, insbesondere als Innenkonus ausgeformt, wobei sowohl die
Geometrie der Polfläche des Magnetkerns als auch die Geometrie
der Polfläche des Magnetankers durch Schleifen, insbesondere
als letzter Prozessschritt realisiert werden kann.
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Bei
den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen mit
konvexer oder konkaver Magnetkernpolfläche bzw. konvexer
oder konkaver Magnetankerpolfläche ist es bevorzugt, wenn
die axiale Scheibendicke der Scheibe über ihren Radius
konstant ist.
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Zur
Realisierung eines ausreichend engen hydraulischen Quetschspaltes,
aus dem Kraftstoff kurz vor Ende der Öffnungsbewegung des
Magnetankers durch die Verstellbewegung des Magnetankers verdrängt
wird, ist es bevorzugt, im Falle der Ausbildung einer der Polflächen
als Außenkonus oder Innenkonus den Konuswinkel aus einem
Bereich zwischen etwa 177° bis etwa 179,8° zu
wählen.
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Ein
konvexes oder konkaves Anschleifen der Polfläche des Magnetkerns
oder der Polfläche des Magnetankers kann alternativ dadurch
vermieden werden, dass die axiale Scheibendicke in radialer Richtung
betrachtet von radial innen nach radial außen zu- oder
abnimmt. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn nur eine der Flachseitenoberflächen
konvex oder konkav geneigt oder gebogen ist und die jeweils andere
Flachseitenoberfläche eben ausgeformt ist. Bei einer Ausführungsform
mit sich ändernder axialer Scheibendicke über
den Radius der Scheibe kann sowohl die Polfläche des Magnetkerns
als auch die Polfläche des Magnetankers eben ausgeformt werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Magnetventils, bei
der die Polfläche des Magnetkerns und die Polfläche
des Magnetankers abschließend durch Schleifen bearbeitet
sind. Anders ausgedrückt, wird bevorzugt auf alternati ve,
aufwendige Bearbeitungsschritte zur Optimierung der Polflächen
verzichtet.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Kontaktfläche ringförmig, insbesondere kreisringförmig
konturiert ist.
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Bevorzugt
wird die Ausformung des Magnetkerns, des Magnetankers oder der Scheibe
so gewählt, dass der maximal bei geöffnetem Magnetventil verbleibende
Restluftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern etwa die
1,05-fache bis etwa 3-fache Axialerstreckung der maximalen axialen
Scheibendicke aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der
erhaltene Quetschspalt ausreichend eng ist, um eine erhebliche Geschwindigkeitsminimierung
vor dem Anschlagen zweier Magnetbauteile am Ende der Öffnungsbewegung
zu gewährleisten.
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Insbesondere
dann, wenn der Magnetanker nicht rotationssymmetrisch ist, sondern
mit Aussparungen am Außenrand ausgeführt ist,
kann sich eine in Umfangsrichtung betrachtet unterbrochene linienförmige
Kontaktfläche ergeben, wodurch die Haftfähigkeit
der Scheibe am Magnetanker bzw. der Scheibe am Magnetkern zusätzlich
herabgesetzt wird. Wird die Ebenheitsabweichung der Polfläche
des Magnetankers bzw. der Polfläche des Magnetkerns gering
gehalten, besteht kurz vor Erreichen des Anschlags trotzdem ein
sehr enger Spalt zwischen dem Magnetkern und der Scheibe bzw. dem
Magnetanker und der Scheibe, aus dem der Kraftstoff verdrängt werden
muss, um Steuerventilelementpreller zu vermeiden.
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Bevorzugt
ist die Scheibe aus einem amagnetischen Material ausgebildet. Grundsätzlich
kann zu Verringerung des Strom bedarfs die Scheibe bei erfindungsgemäßer
Ausführung des Magnetkreises auch aus magnetischem Material
ausgeführt sein. Grund hierfür ist, dass nun eine
flächige Anlage der Scheibe sowohl am Magnetkern als auch
an der Ankerplatte ausgeschlossen ist.
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Die
Erfindung führt auch auf einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere
einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß weist
der Kraftstoff-Injektor ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes
Magnetventil als Steuerventil zur Steuerung des Kraftstoffdrucks
in einer Steuerkammer auf. Durch die Variation des Kraftstoffdrucks
in der Steuerkammer kann ein einteiliges oder mehrteiliges, beispielsweise
aus einer Steuerstange und einer Düsennadel bestehendes
Einspritzventilelement, zwischen einer Schließstellung
und einer den Kraftstofffluss aus einer Düsenlochanordnung
freigebenden Öffnungsstellung verstellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
in einer unvollständigen, schematischen Darstellung den
grundsätzlichen Aufbau einer möglichen Ausführungsform
eines Magnetventils, bei der der Magnetanker eine außenkonische
Oberfläche aufweist,
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2:
eine alternative Ausführungsform eines Magnetventils, bei
der die Polfläche des Magnetankers konkav und gekrümmt
ausgeformt ist und
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3:
ein Magnetventil nach dem Stand der Technik.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In
1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines als Steuerventil ausgebildeten
Magnetventils
1 für einen ansonsten nicht dargestellten,
an sich bekannten Kraftstoff-Injektor gezeigt, der grundsätzliche
Aufbau eines derartigen Kraftstoff-Injektors ergibt sich beispielsweise
aus der
DE 10
2004 013 239 A1 die hiermit im Bezug auf eine mögliche
Ausbildung des Kraftstoff-Injektors als zum Offenbarungsgehalt der
vorliegenden Anmeldung gehörig offenbart sein soll.
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Das
Magnetventil 1 umfasst einen axial verstellbaren Magnetanker 2 mit
einer sich radial erstreckenden Ankerplatte 3. Zentrisch
an dem Magnetanker 2 ist ein nicht gezeigtes, insbesondere
bolzenförmiges oder hülsenförmiges Steuerventilelement
festlegbar. Alternativ ist eine Ausführungsform realisierbar,
bei der der Magnetanker 2 einstückig mit einem Steuerventilelement
verbunden ist. Durch axiales Verstellen des Magnetankers 2 relativ
zu einem Magnetkern 4 kann das nicht gezeigte Steuerventilelement
zwischen einer Öffnungsstellung und an einer an einem nicht
gezeigten Steuerventilsitz anliegenden Schließstellung
verstellt werden.
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Zum
Verstellen des Magnetankers 2 ist ein als Topfmagnet ausgebildeter
Elektromagnet 5 vorgesehen, umfassend einen radial inneren
Innenpol 6 sowie einen radial beabstandeten, radial äußeren Außenpol 7,
wobei Innenpol 6 und Außenpol 7 über einen
Jochabschnitt 8 in radialer Richtung miteinander verbunden
sind. Innenpol 6, Jochabschnitt 8 und Außenpol 7 bilden
zusammen den Magnetkern 4 des Magnetventils 1.
In einer umlaufenden, nutförmigen Aussparung 10 im
Magnetkern 4 ist eine elektrische Magnetspule 11 aufgenommen.
Bei Bestromung der Magnetspule 11 wird ein magnetisches
Feld erzeugt, welches über den Innenpol 6, den
Jochabschnitt 8, den Außenpol 7 über
einen außenpolseitigen Restluftspalt S, den axial verstellbaren
Magnetanker 2, eine zwischen Innenpol 6 und Magnetanker 2 angeordnete
Scheibe 12 aus einem amagnetischen Material, um die stromdurchflossene
Magnetspule 11 (Wicklung) schließt. Bei Bestromung
der Magnetspule 11 wird der Magnetanker 2 in die
gezeigte, in der Zeichnungsebene obere, Öffnungsstellung
verstellt. In dieser liegt die Scheibe 12 mit einer ersten,
in der Zeichnungsebene oberen, ringförmigen Oberfläche 13 am
ebenfalls ebenen Innenpol 6 des Magnetkerns 4 an.
Zwischen einer zweiten, in der Zeichnungsebene unteren Oberfläche 14,
die parallel zur ersten Oberfläche 13 sowie dem
Magnetanker 2, genauer einer dem Magnetkern 4 zugewandten
Polfläche 15 der Ankerplatte 3 verläuft
und der Scheibe 2 ist eine ringförmige Kontaktfläche 16 ausgebildet.
Diese wird zum Einen gebildet von einem ringförmigen, linienförmigen
Abschnitt der zweiten, in der Zeichnungsebene unteren, ebenen Oberfläche 14 der
Scheibe 12 und einer radial inneren Kante 17 (linienförmige
Anlagefläche) des Magnetankers 2. Aus 1 ergibt sich,
dass die Polfläche 15 der Ankerplatte 3 des
Magnetankers 2 konvex ausgeformt ist. Hier ist aufgrund der
einfachen Herstellbarkeit, eine außenkonische Form realisiert.
Die außenkonische Konturierung der Ankerplatte 3 bzw.
der Polfläche 15 wurde durch einen abschließenden
Schleifprozess bei der Herstellung des Magnetankers 2 realisiert.
Zu erkennen ist, dass die Kontaktfläche 16 mit
Radialabstand nach radial innen zur radial inneren Kante des Innenpols 6 versetzt
angeordnet ist. Der nicht mit einem Bezugszeichen gekennzeichnete
Konuswinkel der außenkonusförmigen Polfläche
beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa
179,5° und ist so gewählt, dass der sich beim
Schließen zwischen der Polfläche 15 und
der Scheibe 12 ausbildende Quetschspalt eng genug ist,
um eine ausreichende Geschwindigkeitsreduzierung des Magnetankers 2 vor
dem Anschlagen durch Verdrängen von Kraftstoff zu erzielen.
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Bei
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann
die Polfläche 15 der Ankerplatte 3 des
Magnetankers 2 eben und nicht konvex ausgeformt werden,
wobei sich in diesem Fall die axiale Dickenerstreckung D der Scheibe 12 von
radial außen nach radial innen betrachtet verändert,
nämlich abnimmt. Auch bei einer derartigen Ausführungsform bildet
sich eine linienförmige Kontaktfläche aus. Ebenfalls
sind Ausführungen realisierbar, bei denen nicht die Polfläche 15,
sondern eine Innenpolfläche 18 und/oder eine Außenpolfläche 19 konvex
oder konkav ausgeformt sind, um eine linienförmige Anlagefläche
zwischen dem Magnetkern 4 und der Scheibe 12 zu
realisieren. Zur erleichterten Herstellbarkeit ist es von Vorteil,
wenn die gesamte von der Innenpolfläche 18 und
der Außenpolfläche 19 gebildete Polfläche 9 in
radialer Richtung durchgehend konvex oder konkav ausgeformt ist.
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Bei
einer weiteren alternativen, ebenfalls nicht gezeigten Ausführungsform
kann die Polfläche 15 der Ankerplatte 3 des
Magnetankers 2 eben und nicht konvex ausgeformt werden,
und stattdessen die Polfläche 9 des Magnetkerns 4 konvex
und nicht eben ausgeformt werden, wobei sich auch in diesem Fall
die axiale Luftspalterstreckung S von radial außen nach
radial innen betrachtet verändert, nämlich abnimmt.
Auch bei einer derartigen Ausführungsform bildet sich eine
linienförmige Kontaktfläche aus. Ebenfalls sind
Ausführungen realisierbar, bei denen nicht die Polfläche 15,
sondern eine Innenpolfläche 18 und/oder eine Außenpolfläche 19 konvex
oder konkav ausgeformt sind, um eine linienförmige Anlagefläche
zwischen dem Magnetkern 4 und der Scheibe 12 zu
realisieren. Zur erleichterten Herstellbarkeit ist es von Vorteil,
wenn die gesamte von der Innenpolfläche 18 und
der Außenpolfläche 19 gebildete Polfläche 9 in
radialer Richtung durchgehend konvex oder konkav ausgeformt ist.
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Zum
Schließen des Magnetventils wird die Bestromung der Magnetspule 11 unterbrochen,
woraufhin der Magnetanker 2 von der Schließfederkraft FVFK, einer nicht gezeigten Schließfeder
in der Zeichnungsebene, nach unten auf den nicht gezeigten Ventilsitz
verstellt wird, wodurch ein nicht gezeigter Ablaufkanal aus einer
Steuerkammer geschlossen wird.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Magnetventils 1 gezeigt.
Die Funktionsweise entspricht dem in 1 gezeigten
und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, so dass
zur Vermeidung von Wiederholungen im Hin blick auf Gemeinsamkeiten
auf die zuvor beschriebene Ausführungsform verwiesen wird.
Der einzige Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Magnetventil 1 besteht darin,
dass die Polfläche 15 des Magnetankers 2 nicht
konvex, sondern konkav ausgeformt ist, so dass sich zwischen einem
radial äußeren Rand der Scheibe 12 und
der Polfläche 15 eine linienförmige Kontaktfläche 16 ausbildet.
Zu erkennen ist, dass die Polfläche 15 eine gebogene
Geometrie aufweist. Alternativ ist es möglich die konkave
Polfläche 15 mit Hilfe einer Innenkonusform zu
realisieren. Ein ähnlicher Effekt wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 kann erzielt werden, wenn
die Polfläche 15 eben ausgeführt ist,
jedoch die axiale Scheibendicke D von radial innen nach radial außen
zunimmt.
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Ebenso
kann ein ähnlicher Effekt wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 erzielt werden, wenn die Polfläche 15 eben
ausgeführt ist, die Scheibe 12 mit konstanter
Dicke D ausgeführt ist und stattdessen die gesamte Polfläche 9 oder
mindestens eine der Polflächen 18, 19 des
Magnetkerns 4 konkav ausgeführt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004013239
A1 [0002, 0025]