DE102005019329A1

DE102005019329A1 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil

Info

Publication number: DE102005019329A1
Application number: DE200510019329
Authority: DE
Inventors: Joerg Heyse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Ein elektromagnetisch betätigbares Ventil (1), insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfasst eine Magnetspule (10), die auf einen Spulenträger (12) gewickelt ist, einen Innenpol (13) und einen Anker (20), der bei Bestromung der Magnetspule (10) durch die Magnetkraft in Richtung auf den Innenpol (13) bewegt wird. Der Innenpol (13) und der Anker (20) weisen korrespondierende Anschlagflächen (40, 41) auf, die unter einem Winkel (alpha) gegenüber einer das Brennstoffeinspritzventil (1) horizontal schneidenden Ebene geneigt sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil, insbesondere einem Brennstoffeinspritzventil, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Beispielsweise ist aus der DE 199 60 605 A1 ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, welches eine Magnetspule, einen in einer Schließrichtung von einer Rückstellfeder beaufschlagten Anker und einen mit dem Anker kraftschlüssig in Verbindung stehenden Ventilschließkörper, der zusammen mit einer Ventilsitzfläche einen Dichtsitz bildet, umfasst. Der Anker schlägt mit einer Ankeranschlagfläche an einer Magnetpolfläche an. Die Ankeranschlagfläche weist ringförmige Zonen auf, die bezüglich einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse des Ankers nach innen bzw. außen geneigt sind.

Nachteilig bei dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil ist insbesondere, dass zwar die Ankeranschlagfläche gegenüber der Horizontalen geneigt ist, die Anschlagfläche des Innenpols jedoch nach wie vor parallel zu einer Horizontalen durch das Brennstoffeinspritzventil bleibt. Dadurch sind hohe Magnetkräfte nötig, um das Brennstoffeinspritzventil zu betätigen, da die Weite eines Arbeitsspalts zwischen dem Anker und dem Innenpol nur in den erhöhten Bereichen der ringförmigen Zonen verringert, in den übrigen Bereichen jedoch sogar erhöht ist, was eine Abschwächung der magnetischen Feldstärke im Arbeitsspalt und damit eine Verschlechterung der Schaltdynamik zur Folge hat.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Innenpol und der Anker korrespondierende Anschlagflächen aufweisen, die unter einem Winkel α gegenüber einer das elektromagnetisch betätigbare Ventil horizontal schneidenden Ebene geneigt sind.

Dadurch kann eine Weite des Arbeitsspalts im Verhältnis zum Hub verringert werden, wodurch die Feldstärke im Arbeitsspalt weniger stark absinkt und die Schaltdynamik des elektromagnetisch betätigbaren Ventils verbessert werden kann.

Zudem können kleinere Innendurchmesser des Ankers und des Innenpols eine bessere Raumausnutzung im elektromagnetisch betätigbaren Ventil fördern und die zu bewegende Ankermasse reduzieren.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen elektromagnetisch betätigbaren Ventils möglich.

Vorteilhafterweise sind die Anschlagflächen von Anker und Innenpol unter dem gleichen Winkel geneigt.

Der Winkel beträgt in vorteilhafter Ausgestaltung etwa 45°.

Von Vorteil ist außerdem, dass ein zwischen den Anschlagflächen ausgebildeter Arbeitsspalt abhängig von der Neigung der Anschlagflächen ist, jedoch in jedem Fall kleiner als der axiale Hub des Ankers. Dadurch können die Verluste der Magnetfeldstärke im Arbeitsspalt verkleinert werden.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch ein als Brennstoffeinspritzventil ausgebildetes elektromagnetisch betätigbares Ventil gemäß dem Stand der Technik,
2A einen schematischen Ausschnitt aus dem Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik im Bereich IIA in 1,
2B einen Ausschnitt in gleicher Darstellung wie 2A aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Ventils,
3A den Verlauf der Magnetfeldlinien durch den Ausschnitt gemäß 2A,
3B den Verlauf der Magnetfeldlinien durch den Ausschnitt gemäß 2B, und
4 einen schematischen Ausschnitt aus 3B mit der Angabe der wirkenden Kräfte.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Bevor das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektromagnetisch betätigbaren Ventils 1 näher beschrieben wird, wird zunächst anhand von 1 ein Ausführungsbeispiel eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils 1 gemäß dem Stand der Technik in seinen wesentlichen Bauteilen erläutert, um nachfolgend die erfindungsgemäßen Maßnahmen besser darlegen zu können. Das elektromagnetisch betätigbare Ventil ist insbesondere als Brennstoffeinspritzventil 1 ausgeführt.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht in Wirkverbindung mit einem Ventilschließkörper 4, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen einen Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. An der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich der Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Hülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.
In der Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem Führungselement 36 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 36 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.
An der abspritzseitigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist.
Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 am Ventilsitz 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem Innenpol 13 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben ist. Der Anker 20 nimmt den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der über die Brennstoffkanäle 30 bis 32 geführte Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 7 abgespritzt.
Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
Der Anker 20 des dargestellten Brennstoffeinspritzventils 1 ist in Form eines sog. Tauchankers 20 ausgebildet, welcher durch das in der Magnetspule 10 aufgebaute Magnetfeld in diese hineingezogen wird. Der Nachteil hierbei ist, dass die Schaltgeschwindigkeit, welche abhängig von der Magnetkraft ist, bei bestehender Geometrie nur in unbefriedigendem Maß verbessert werden kann, wenn die Magnetfeldstärke erhöht wird, da dies zu Lasten des Energieverbrauchs geht und dadurch beispielsweise einen höheren Verschleiß bedingt.
Um die Schaltzeiten zu verbessern, ohne die Magnetfeldstärke durch einen höheren Strom erhöhen zu müssen, können erfindungsgemäß einfache geometrische Maßnahmen im Bereich des Ankers 20 und des Innenpols 13 angewandt werden. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A und 2B, 3A und 3B sowie 4 näher beschrieben. Hierbei ist in 2A und 3A jeweils ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik und in 2B und 3B jeweils das erfindungsgemäß ausgestaltete Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 dargestellt, um die erfindungsgemäßen Maßnahmen besser erläutern zu können.
2A und 2B zeigen dabei in einer stark schematisierten ausschnittsweisen Darstellung den in 1 mit IIA bezeichneten Ausschnitt. In 2A ist der Ausschnitt gemäß dem Stand der Technik dargestellt, während 2B ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgestaltetes elektromagnetisch betätigbares Ventil 1 zeigt.
Wie aus 2A ersichtlich, wird der Magnetkreis des Brennstoffeinspritzventils 1 durch die Magnetspule 10, den Innenpol 13, ein äußeres Magnetkreiselement 44 und den Anker 20 geschlossen. Der Anker 20 wird durch die wirkende Magnetkraft axial in Richtung auf den Innenpol 13 bewegt. Der Arbeitsspalt 27 wird dabei geschlossen, indem eine Anschlagfläche 40 des Ankers 20 an einer Anschlagfläche 41 des Innenpols 13 anschlägt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den geometrischen Verlauf des Arbeitsspalts 27 zwischen den Anschlagflächen 40 und 41 gegenüber der Konfiguration gemäß 2A in der in 2B dargestellten Art zu verändern. Dabei sind die Anschlagflächen 40 und 41 nach wie vor parallel zueinander ausgebildet, jedoch unter einem Winkel α gegenüber einer Ebene geneigt, welche senkrecht zu einer Längsachse 42 des Brennstoffeinspritzventils 1 aufgespannt ist.
In den Schnittdarstellungen der 2 und 3 ist dabei erkennbar, dass die Querschnittsform der Magnetspule 10 ungefähr einem Rechteck entspricht. Diese Rechteckfläche wird von magnetischen Feldlinien 43 umschlossen, wie in den 3A und 3B dargestellt. Betrachtet man 3B, so ist erkennbar, dass die Magnetfeldlinien 43 bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Ankers 20 bzw. des Innenpols 13 den Arbeitsspalt 27 annähernd senkrecht zu einer Ebene durchqueren, welche parallel zum Verlauf des Arbeitsspalts 27 orientiert ist. Dadurch wird erreicht, dass die über den Arbeitsspalt 27 übertragene Magnetkraft maximal ist. Der Arbeitsspalt 27 ist somit so zu positionieren, dass er die rechteckrahmenförmigen Magnetfeldlinien 43 im Bereich einer ihrer Ecken so durchquert, dass die Magnetfeldlinien 43 den Luftspalt 27 annähernd rechtwinklig schneiden. Die beiden Anschlagflächen 40 und 41 stehen sich somit unter einem Gehrungswinkel α gegenüber. Vorteilhafterweise beträgt α dabei ungefähr 45°.
Gegenüber dem Stand der Technik gemäß 3A, wo die Magnetfeldlinien 43 ebenfalls senkrecht den Arbeitsspalt 27 durchqueren, ist jedoch eine Weite s des Arbeitsspaltes 27 unter einem Winkel α ≠ 0° kleiner als ein Hub h des Ankers 20. Dementsprechend ist bei vergleichbarem Hub h des Ankers 20 die Weite s des Arbeitsspalts 27 kleiner, somit der Weg der Magnetfeldlinien 43 durch den lufterfüllten Arbeitsspalt 27 kürzer und damit die Magnetkraft zwischen dem Anker 20 und dem Innenpol 13 größer als im konventionellen Magnetkreis gemäß 2A und 3A. Die geometrischen Sachverhalte sind dabei aus 4 ersichtlich.
Ebenfalls aus 4 sind die wirkenden Kräfte zu ersehen: die Magnetkraft F_N wirkt senkrecht zu den Anschlagflächen 40, 41. Im Fall von α ≠ 0° ist die Wirkrichtung dabei nicht parallel zur axialen Bewegungsrichtung des Ankers 20. Die maßgebliche Kraft F_A zum Bewegen des Ankers 20 entspricht dem axialen Anteil von F_N und ist im Fall von α ≠ 0° kleiner als F_N. Der Winkel zwischen F_N und F_A entspricht dem Winkel α.
Trotz der Tatsache, dass bei α ≠ 0° nicht die volle Magnetkraft F_N, sondern nur deren axialer Anteil F_A zum Bewegen des Ankers 20 genutzt werden kann, ergibt sich aus der Herleitung der Kraftkomponenten eine Steigerung der Magnetkraft gegenüber α ≠ 0°. Da FN ~ 1/s2 und s = h cos(α),ergibt sich FA = FN cos(α)bzw. FA ~ 1/(h2 cos(α)).
Für α ≠ 0° gilt somit gegenüber α ≠ 0° bei h = const.: FA(α > 0°) = FA(α = 0°)/cos(α).
Für cos(α) ergibt sich beispielsweise für α = 45° der Wert ½√2 bzw. ≈ 0,7. Die den Anker 20 bewegende Kraft ist also bei α ≠ 0° größer als bei α ≠ 0°, wobei der Betrag vom Winkel α abhängt.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Magnetkreises ist die einfache bauliche Modifikation der serienmäßigen Komponenten, welche sich auf die Anschrägung der Anschlagflächen 40, 41 des Ankers 20 und des Innenpols 13 beschränkt.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die abgeschrägten Anschlagflächen 40, 41 die hydraulischen Kräfte im flüssigkeitsgefüllten Arbeitsspalt 27 reduziert sind. Öffnungs- und Schließbewegung des Ankers 20 werden somit weniger stark gebremst, was der Schaltdynamik zugute kommt. Die geringsten hydraulischen Kräfte treten bei α = 45° auf.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Innendurchmesser von Anker 20 und Innenpol 13 reduziert werden können. Die angeschrägten Anschlagflächen 40, 41 sind bei reduziertem Innendurchmesser von Anker 20 und Innenpol 13 gleich groß wie bei α = 0° und größerem Innendurchmesser von Anker 20 und Innenpol 13. Somit kann trotz reduzierten Innendurchmessern bei α ≠ 0° eine zum konventionellen Magnetkreis (α = 0°) vergleichbare magnetische Felddichte erzielt werden.
Durch die Reduzierung der Innendurchmesser kann Bauraum für den Magnetkreis im Brennstoffeinspritzventil 1 gewonnen werden. Der reduzierte Durchmesser des Ankers 20 ermöglicht zudem ein geringeres Gewicht des Ankers 20, wodurch die Schaltdynamik zusätzlich verbessert wird.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und z.B. auch für Brennstoffeinspritzventile 1 zum Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine geeignet.
Die Erfindung ist auch für Anwendungen außerhalb der Kraftstoffeinspritztechnik nutzbar, z. B. Hubmagnete, elektromagnetisch betätigbare Ventile, wie ABS-Ventile und Steuerventile für Zentralverriegelung.

Claims

Elektromagnetisch betätigbares Ventil (1), insbesondere Brennstoffeinspritzventil (1) zum direkten Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Magnetspule (10), einem Innenpol (13) und einem Anker (20), der bei Bestromung der Magnetspule (10) durch die Magnetkraft (F_N) in Richtung auf den Innenpol (13) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenpol (13) und der Anker (20) korrespondierende Anschlagflächen (40, 41) aufweisen, die unter einem Winkel (α) gegenüber einer das elektromagnetisch betätigbare Ventil (1) horizontal schneidenden Ebene geneigt sind.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) bevorzugt etwa 45° beträgt.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagflächen (40, 41) des Ankers (20) und des Innenpols (13) unter dem gleichen Winkel (α) geneigt sind.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlagflächen (40, 41) ein Arbeitsspalt (27) ausgebildet ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Weite (s) des Arbeitsspalts (27) abhängig vom Neigungswinkel (α) der Anschlagflächen (40, 41) kleiner oder höchstens gleich einem Hub (h) des Ankers (20) ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Magnetspule (10) ein Magnetfeld in dem Anker (20) und in dem Innenpol (13) aufgebaut wird.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagflächen (40, 41) so geneigt sind, dass Magnetfeldlinien (43) des Magnetfeldes im Bereich des Arbeitsspalts (27) senkrecht zu den Anschlagflächen (40, 41) verlaufen.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Komponente (F_A) der Magnetkraft unter dem Winkel (α) gegenüber der Wirkrichtung der Magnetkraft (F_N) geneigt ist.
Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gilt F_A = F_N·cos(α), wobei F_A die axiale Komponente der Magnetkraft F_N ist.