DE102016209813A1

DE102016209813A1 - Magnetventil und Kraftstoffinjektor mit einem Magnetventil

Info

Publication number: DE102016209813A1
Application number: DE102016209813.6A
Authority: DE
Inventors: Lars Olems; Lorenz Zerle; Oezguer Tuerker; Axel Schnaufer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-07
Also published as: EP3464868A1; KR20190015395A; WO2017207256A1; CN109219697A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil (10), insbesondere zur Steuerung eines Flüssigkeitsstroms in einem Kraftstoffinjektor (100), mit einem Elektromagneten (30) und einem mit dem Elektromagneten (30) zusammenwirkenden, hubbeweglich angeordneten Magnetanker (40), wobei der Magnetanker (40) einen hülsenförmigen Abschnitt (51) mit einer darin ausgebildeten Durchgangsöffnung (44) aufweist, in der ein Ankerbolzen (35) angeordnet ist, wobei zwischen dem Ankerbolzen (35) und der Durchgangsöffnung (44) ein radialer Führungsspalt (45) ausgebildet ist, und wobei der Magnetanker (40) auf dem Ankerbolzen (35) längsverschiebbar angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil.
Ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2011 078 346 A1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Magnetventil dient der Steuerung eines Flüssigkeitsstroms in einem Kraftstoffinjektor. Über die Steuerung des Flüssigkeitsstroms lässt sich eine Öffnungs- und Schließbewegung einer Düsennadel eines Kraftstoffinjektors, und somit die in den Brennraum einer Brennkraftmaschine abgegebene Kraftstoffmenge beeinflussen. Hierzu weist das Magnetventil einen Elektromagneten mit einem mit dem Elektromagneten zusammenwirkenden Magnetanker auf. Der Magnetanker hat in seiner Längsachse eine Durchgangsbohrung, in die ein Ankerbolzen hineinragt. Der Magnetanker ist auf dem Ankerbolzen in Längsrichtung verschiebbar und mittels einer Druckfeder entgegen der bei einer Bestromung des Elektromagneten wirkenden magnetischen Kraft vom Elektromagneten in Richtung eines Ventilsitz kraftbeaufschlagt.
Die in einem derartigen Magnetventil bzw. Kraftstoffinjektor herrschenden (System-)Drücke betragen üblicherweise mehr als 1500bar, insbesondere mehr als 2000bar. Zur axialen Beweglichkeit des Magnetankers auf dem Magnetbolzen ist es erforderlich, dass zwischen dem Magnetanker und dem Magnetbolzen ein geringes (radiales) Führungsspiel vorhanden ist. Dieses Führungsspiel ist sowohl druck- als auch temperaturabhängig. Bei einer Druck- oder Temperaturerhöhung kommt es zu einer Vergrößerung des radialen Führungsspalts zwischen der Durchgangsbohrung im Magnetanker und dem Ankerbolzen. Dieses Vergrößern bzw. Aufweiten des Führungsspalts wird zum einen verursacht durch die in radialer Richtung auf den Ankerbolzen wirkenden Druckspannungen, und anderseits durch die auf die Durchgangsbohrung im Magnetanker wirkenden Druckspannungen, die ebenfalls in radialer Richtung wirken. Zusätzlich kommen die Ausdehnungseffekte der Materialien bei einer Temperaturerhöhung zum Tragen. Der erhöhte radiale Führungsspalt zwischen dem Ankerbolzen und der Durchgangsbohrung in dem Magnetventil führt zu einer Vergrößerung der Leckagemenge in Richtung eines Niederdruckbereichs des Magnetventils, die umso größer ist, desto höher der Systemdruck ist. Da eine Vergrößerung der Leckagemenge gleichbedeutend ist mit einer höheren Verlustleistung, die bei einem Kraftstoffinjektor von einer Kraftstoffförderpumpe ausgeglichen werden muss, ist es wünschenswert, die Leckageverluste zu minimieren.
Offenbarung der Erfindung
Das Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass dessen Leckagemenge im Bereich der Führung zwischen dem Magnetanker und dem Ankerbolzen unabhängig vom herrschenden Druck und/oder der Temperatur auch bei hohen Systemdrücken stets relativ gering ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Konstruktion des Magnetankers derart gegenüber dem Stand der Technik zu modifizieren, dass der Magnetanker im Bereich seiner Bohrung für den Ankerbolzen zumindest bereichsweise von einem Material mit höherem E-Modul und/oder einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten radial, d.h. in Art einer Hülse umgeben ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Magnetanker im Bereich der Führung für den Ankerbolzen aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dies bewirkt, dass bei einer Druckerhöhung oder bei einer Temperaturerhöhung, welche üblicherweise mit einer Druckerhöhung einhergeht, es zu einer Reduzierung der Aufweitung des Leckagespalts bzw. des Führungsspalts zwischen dem Ankerbolzen und dem entsprechenden Abschnitt der Führungsbohrung des Magnetankers im Vergleich zum Stand der Technik ohne eine Hülse kommt, da die Führungsbohrung des der Magnetanker an einer radialen Ausdehnung tendenziell gehindert wird bzw. diese Ausdehnung reduziert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetventils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der Magnetanker zumindest im Bereich seines hülsenförmigen Abschnitts, der die Führung für den Ankerbolzen ausbildet, aus Stahl und die Hülse, die den Magnetanker in dem hülsenförmigen Abschnitt radial umgibt, aus Hartmetall besteht. Hartmetall hat insbesondere den Vorteil, dass dieses magnetisch nicht wirksam ist und somit den Magnetkreis des Magnetankers nicht beeinflusst. Darüber hinaus ermöglicht es die Verwendung von Hartmetall, die Hülse mit dem Magnetanker nicht nur durch einen Schrumpfprozess, sondern beispielsweise auch durch einen Schweißprozess zu verbinden. Somit wird eine höhere Gestaltungsmöglichkeit bei der möglichen Fertigung des Magnetankers bzw. der Verbindung zwischen der Hülse und dem Magnetanker ermöglicht.
Die Verbindung zwischen dem Magnetanker und der Hülse, kann, wie bereits erläutert, insbesondere entweder durch eine Press- bzw. Schrumpfverbindung, oder durch eine Schweißverbindung erfolgen. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass der Magnetanker zusammen mit der Hülse als MIM(Metal Injection Moulding)-Bauteil ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausbildung entfällt der Fertigungsschritt des Verbindens zwischen Magnetanker und Hülse.
Die Wirkung der Hülse auf den Magnetanker in Form einer Reduzierung des Führungsspiels bei einer Druckerhöhung lässt sich durch eine entsprechende geometrische Dimensionierung zwischen der Wanddicke des Magnetankers im Bereich der Hülse und der Wanddicke der Hülse (unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien für die Hülse und den Magnetanker) beeinflussen. Bei den üblichen Dimensionierungen bzw. Materialien (insbesondere Hartmetall für die Hülse) hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Wanddicke des hülsenförmigen Abschnitts und der Hülse zumindest näherungsweise gleich groß sind.
Insbesondere beim axialen Fügen der Hülse auf den hülsenförmigen Abschnitt des Magnetankers ist es zur Gewährleistung bzw. einfachen Sicherstellung der axialen Ist-Position der Hülse von Vorteil, wenn die Hülse axial an einer Stufe des Magnetankers anliegt.
Die Erfindung betrifft auch einen Kraftstoffinjektor unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Magnetventils, wobei sich der Kraftstoffinjektor dadurch auszeichnet, dass dieser dazu ausgebildet ist, bei einem Systemdruck von mehr als 2000bar betrieben zu werden. Ein derartiger Systemdruck findet bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen in sogenannten Common-Rail-Einspritzsystemen Anwendung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in der einzigen Figur einen Teilbereich eines Kraftstoffinjektors im Bereich seines Magnetventils in einem vereinfachten Längsschnitt.
In der Figur ist ein Teilbereich eines Kraftstoffinjektors 100 im Bereich seines druckausgeglichenen Magnetventils 10 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 100 ist insbesondere Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems und dient dem Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei der in dem Kraftstoffinjektor 100 bzw. dem Magnetventil 10 herrschende Systemdruck vorzugsweise mehr als 2000bar beträgt.
Das Magnetventil 10 umfasst ein Gehäuse 11, das in etwa topfförmig mit einem radial nach innen ragenden Abschnitt 12 und einer im Bereich des Abschnitts 12 ausgebildeten Öffnung 13 besteht. In die Öffnung 13 ragt ein Ventilstück 15 hinein, das auf der dem Gehäuse 11 abgewandten Seite einen Steuerraum 16 begrenzt. Koaxial zu einer Längsachse 18 des Ventilstücks 15 bzw. des Magnetventils 10 weist das Ventilstück 15 einen Ablaufkanal 21 mit integrierter Ablaufdrossel 22 auf, über den in dem Steuerraum 16 befindlicher Kraftstoff in an sich bekannter Art und Weise in Richtung eines Niederdruckbereichs 23 des Magnetventils 10 abströmbar ist. Weiterhin ist in den Ventilstück 15 eine Zulaufbohrung 24 mit integrierter Zulaufdrossel 25 ausgebildet, über den in einem Hochdruckraum 26 des Kraftstoffinjektors 100 befindlicher, unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den Steuerraum 16 einströmen kann.
Das Gehäuse 11 ist auf der der Öffnung 13 abgewandten Seite von einer Gehäuseplatte 27 verschlossen. In axialer Richtung schließt sich an das Ventilstück 15 auf der der Gehäuseplatte 27 zugewandten Seite eine Hülse 28 an, an die sich wiederum auf der der Gehäuseplatte 27 zugewandten Seite ein Magnetkern 29 als Bestandteil eines Elektromagneten 30 anschließt. Der Elektromagnet 30 bzw. der Magnetkern 29 liegt axial auf der der Hülse 28 abgewandten Seite an der Gehäuseplatte 27 an. Der Magnetkern 29 weist auf der der Gehäuseplatte 27 abgewandten Seite eine ringförmige Ausnehmung 32 auf, in der eine Drahtwicklung einer Spule 33 angeordnet ist. Weiterhin weist der Magnetkern 29 eine Durchgangsöffnung 34 auf, die von einem Ankerbolzen 35 durchsetzt ist. Der Ankerbolzen 35 stützt sich an der Gehäuseplatte 37 über einen Bund 36 axial ab. Radial innerhalb des Bereichs der Hülse 28 ist ein im Querschnitt hutförmiger Magnetanker 40 hubbeweglich in Richtung der Längsachse 18 angeordnet. Der Magnetanker 40 wirkt mit dem Elektromagneten 30 derart zusammen, dass bei einer Bestromung der Spule 33 der Magnetanker 40 in Richtung der Spule 33 bzw. des Magnetkerns 29 gezogen wird. Weiterhin stützt sich zwischen der dem Magnetkern 29 zugewandten Stirnfläche 41 des Magnetankers 40 und dem Bund 36 eine Druckfeder 43 axial ab, die den Magnetanker 40 mit einer Kraft von dem Magnetkern 20 weg beaufschlagt.
Der Magnetanker 40 weist eine Durchgangsöffnung 44 als Führungsbohrung auf, zwischen der und dem Außenumfang des Ankerbolzens 35 ein radialer Führungsspalt 45 ausgebildet ist, der vorzugsweise lediglich so groß ist, dass eine axiale Beweglichkeit des Magnetankers 40 in Richtung der Längsachse 18 auf dem Außenumfang des Ankerbolzens 35 ermöglicht wird.
Das Ventilstück 15 weist auf der dem Magnetanker 40 zugewandten Seite eine kegelförmige Erhebung 46 im Bereich des Ablaufkanals 21 auf, wobei die dem Ventilstück 15 zugewandten Stirnseite 47 des Ankerbolzens 35 axial beabstandet vor der Erhebung 46 bzw. dem Ablaufkanal 21 endet. Eine äußere Mantelfläche 48 der Erhebung 46 bildet zusammen mit einer gegengleichen Dichtfläche 49 im Bereich der Durchgangsöffnung 44 des Magnetankers 40 in einem Zustand, bei dem die Druckfeder 43 des Magnetankers 40 in Richtung des Ventilstücks 15 drückt bzw. der Elektromagnet 30 nicht bestromt ist, einen Dichtsitz 50 aus.
Der Magnetanker 40 weist auf der dem Ventilstück 15 zugewandten Seite einen hülsenförmigen Abschnitt 51 mit einer Wanddicke d₁ auf. Der hülsenförmige Abschnitt 51 ist an seinem Außenumfang von einer Hülse 52 umfasst, die axial auf der dem Ventilstück 15 abgewandten Seite an einer Stufe 53 des Magnetankers 40 anliegt, und wobei die axiale Länge der Hülse 52 zumindest näherungsweise der axialen Länge des Abschnitts 51 des Magnetankers 40 entspricht. Die Hülse 52 weist eine Wanddicke d₂ auf, wobei die Wanddicke d₂ etwa gleich groß ist wie die Wanddicke d₁ des Abschnitts 51.
Der Magnetanker 40 besteht zumindest im Bereich des Abschnitts 51 aus einem anderen Material wie die Hülse 52. Insbesondere besteht der Magnetanker 40 bzw. der Abschnitt 51 aus Stahl, beispielsweise aus 100Cr6 (gehärtet), während die Hülse 52 aus Hartmetall besteht. Wesentlich dabei ist, dass der Elastizitätsmodul (E-Modul) des Materials der Hülse 52 größer ist als der E-Modul des Materials des Abschnitts 51 und/oder dass das Material der Hülse 52 einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Abschnitts 51. Weiterhin besteht der Ankerbolzen 35 vorzugsweise ebenfalls aus Stahl mit einem ähnlichen E-Modul und/oder Wärmeausdehnungskoeffizient wie der Abschnitt 51 des Magnetankers 40.
Die Hülse 52 ist mit dem Abschnitt 51 des Magnetankers 40 fest verbunden, im dargestellten Beispiel mittels einer Presspassung.
Während des Betriebs des Kraftstoffinjektors 100 herrscht der Systemdruck im Magnetventil 10 über den Steuerraum 16 und den Ablaufkanal 21 auch in dem Bereich des (radialen) Führungsspalts 45 zwischen dem Außenumfang des Ankerbolzens 35 und der Durchgangsbohrung 44 des Magnetankers 40, wobei bei steigendem Druck und/oder Temperatur sich der Führungsspalt 45 ohne die Hülse 52 vergrößert, was zu einer vergrößerten Leckagemenge führt. Bei einer Druckerhöhung erfolgt durch Umwandlung von Druckenergie auch eine Erwärmung des Materials des Abschnitts 51 sowie der Hülse 52. Da aufgrund des höheren E-Moduls der Hülse 52 sich das Material des Abschnitts 51 radial nach außen nicht soweit vergrößern bzw. ausweiten kann, wie dies ohne die Hülse 52 der Fall wäre, reduziert sich die Aufweitung des Leckagespalts im Vergleich zu einem Abschnitt 51, der nicht von der Hülse 52 umfasst ist. Die Summe beider elastischer Verformungen bewirkt eine Verringerung der Aufweitung des Führungsspiels 45 zwischen dem Außenumfang des Ankerbolzens 35 und der Durchgangsbohrung 44 des Magnetankers 40 im Bereich des Abschnitts 51, d.h. dass das Führungsspiel 45 nur relativ wenig zunimmt.
Das soweit beschriebene Magnetventil 10 bzw. der Kraftstoffinjektor 100 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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 102011078346 A1 [0002]

Claims

Magnetventil (10), insbesondere zur Steuerung eines Flüssigkeitsstroms in einem Kraftstoffinjektor (100), mit einem Elektromagneten (30) und einem mit dem Elektromagneten (30) zusammenwirkenden, hubbeweglich angeordneten Magnetanker (40), wobei der Magnetanker (40) einen hülsenförmigen Abschnitt (51) mit einer darin ausgebildeten Durchgangsöffnung (44) aufweist, in der ein Ankerbolzen (35) angeordnet ist, wobei zwischen dem Ankerbolzen (35) und der Durchgangsöffnung (44) ein radialer Führungsspalt (45) ausgebildet ist, und wobei der Magnetanker (40) auf dem Ankerbolzen (35) längsverschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt (51) an seinem Außenumfang in Richtung einer Längsachse (18) betrachtet zumindest bereichsweise von einer Hülse (52) umfasst ist, und dass die Hülse (52) einen höheren E-Modul und/oder einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Magnetanker (40) im Bereich des von der Hülse (52) umfassten hülsenförmigen Abschnitts (51).
Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (40) zumindest im Bereich des hülsenförmigen Abschnitts (51) aus Stahl und die Hülse (52) aus Hartmetall besteht.
Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hülse (52) und dem hülsenförmigen Abschnitt (51) des Magnetankers (40) eine Presspassung ausgebildet ist.
Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (52) mit dem hülsenförmigen Abschnitt (51) des Magnetankers (40) verschweißt ist.
Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (40) zusammen mit der Hülse (52) als MIM-Bauteil ausgebildet ist.
Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (52) zumindest im Wesentlichen über die gesamte axiale Erstreckung des hülsenförmigen Abschnitts (51) des Magnetankers (40) verläuft.
Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wie Wanddicke (d₁) des hülsenförmigen Abschnitts (52) und die Wanddicke (d₂) der Hülse (52) zumindest näherungsweise gleich groß sind.
Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (52) axial an einer Stufe (53) des Magnetankers (40) anliegt.
Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (40) auf der dem Ankerbolzen (35) abgewandten Seite mit einem Ventilstück (15) bei unbestromtem Elektromagneten (30) einen Dichtsitz (50) ausbildet, und dass der Führungsspalt (45) hydraulisch von einem in einem Steuerraum (16) herrschenden Systemdruck zumindest mittelbar belastet ist.
Magnetventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (40) im Bereich des Dichtsitzes (50) aus Hartmetall, insbesondere aus 100Cr6, besteht.
Kraftstoffinjektor (100) mit einem Magnetventil (10), das nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor (100) dazu ausgebildet ist, bei einem Systemdruck von mehr als 2000bar betrieben zu werden.