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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Fluid-Einspritzventil, zum Beispiel
zum direkten Injizieren von Brennstoff in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine. Grundsätzlich
ist es möglich,
die Erfindung sowohl bei direkt einspritzenden, als auch bei konventionellen,
in das Saugrohr einspritzenden Motoren zu verwenden. Das Anwendungsgebiet
der Erfindung ist jedoch nicht auf Brennstoff-Einspritz-Systeme
beschränkt.
Die Erfindung kann auch in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt
werden, bei denen das präzise
gesteuerte und/oder dosierte Einbringen von Fluid in einen Raum,
eine Einsatzregion, oder eine Arbeitskammer gefordert oder wünschenswert ist.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand eines Fluid-Einspritzventils für eine Brennstoff
Einspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine erläutert.
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Aus
stetig steigenden Anforderungen der Abgasgesetzgebung mit weiter
sinkenden Grenzwerten ergibt sich die Herausforderung, durch eine
Optimierung des Einspritzvorgangs von Brennstoff in die Brennkammer
die Entstehung von Schadstoffen am Ort ihrer Entstehung zu optimieren.
Kritisch sind insbesondere CO2-, NOx und Rußpartikel-Emissionen. Durch
die Entwicklung von Einspritzsystemen mit immer höheren Einspritzdrücken und
hochdynamischen Injektoren, sowie durch gekühlte Abgasrückführung und Oxidationskatalysatoren
ist es zwar möglich
gegenwärtige
Grenzwerte einzuhalten. Allerdings scheint das Potenzial der bisherigen
Maßnahmen
zur Emissionsreduzierung erreicht zu sein.
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Für eine saubere
Verbrennung von Brennstoff in Brennkraftmaschinen, aber auch bei
anderen Einsatzzwecken ist es wichtig, das Fluid, also zum Beispiel
den Brennstoff, besonders präzise
zu dosieren und mit einer hohen Wiederholrate auch variable Mengen
abzugeben. Bei bekannten Einspritzsystemen ist es jedoch nur schwer
möglich,
die Genauigkeit der Dosierung mit der, zum Beispiel für eine schnell
laufende Brennkraftmaschine, erforderlichen Dynamik zu steuern.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind sog. "Common Rail"-Systeme bekannt,
die auch als Speichereinspritzsysteme bezeichnet werden. Die Druckerzeugung
und die Brennstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander
vollständig
entkoppelt. Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt für alle Einspritzventile
eines Verbrennungsmotors kontinuierlich Druck in der Brennstoffzufuhrleitung.
Damit wird der Brennstoffdruck unabhängig von der Einspritzfolge
aufgebaut und steht in der Brennstoffleitung permanent zur Verfügung. Allerdings
treten hier Druckschwankungen auf, die sich auf die in den Brennraum
injizierte Menge des Brennstoffs auswirken. Der ständig anstehende
hohe Druck von mehreren hundert bis einigen tausend bar wird in
der so genannten Rail (= Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze
Einspritzleitungen den schnell schaltenden Magnetventilen (Injektoren)
einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt.
Der Einspritzzeitpunkt und die Brennstoffmenge werden für jeden
Zylinder individuell berechnet und über die Injektoren eingespritzt.
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Der
Brennstoffdruck im Rail wird herkömmlich von einem Druckregelventil
eingeregelt und von einem Raildrucksensor überwacht. Dies stellt einen erheblichen
apparativen Aufwand dar, der solche Common-Rail-Systeme sehr kostspielig
macht. In Systemen mit mehreren Einspritzventilen (zum Beispiel
Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen) führen Druckschwingungen im System
zu unterschiedlichen Drücken
an den verschiedenen Einspritzventilen. Solche Druckschwingungen
werden auch durch das Schließen
der Ventile und die damit verbundene Abbremsung des Fluids erzeugt.
Das Signal des Raildrucksensors kann diese Druckschwankungen nicht eindeutig
erfassen.
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Der Erfindung zugrunde liegendes Problem
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile der oben genannten
bekannten Systeme zumindest teilweise zu überwinden.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch ein Fluid-Einspritzventil mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Dieses erfindungsgemäße Fluid-Einspritzventil hat
einen Einlass, der dazu eingerichtet ist, Fluid aus einer Zuführ-Leitung
aufzunehmen, und der mit einer Kammer verbunden ist. Das Fluid-Einspritzventil
hat einen Fluid-Auslass, der ebenfalls mit der Kammer verbunden
ist. Der Fluid-Auslass ist dazu eingerichtet, Fluid aus dem Fluid-Einspritzventil ausströmen zu lassen.
Das Fluid-Einspritzventil hat eine Ventilanordnung mit einem Ventilsitz
und einem Ventilglied. Dabei ist das Ventilglied dazu eingerichtet ist,
relativ zu dem Ventilsitz Öffnungs-
und Schließbewegungen
auszuführen.
Das Fluid-Einspritzventil hat einen Linearaktor, der dazu eingerichtet
ist, das Ventilglied relativ zu dem Ventilsitz zu bewegen. Weiterhin hat
das Fluid-Einspritzventil eine Federanordnung, die auf das Ventilglied
eine Federkraft ausübt, die
vom in der Kammer herrschenden Fluiddruck abhängig ist.
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Diese
Anordnung ist in der Lage, unkontrollierte Druckschwankungen in
der Fluidzufuhr, also zum Beispiel Pulsationen einer das Fluid-Einspritzventil
beschickenden Speisepumpe zumindest teilweise auszugleichen. Damit
ist es möglich,
das Dosierverhalten des Fluid-Einspritzventils
zu verbessern. Dies trägt
im Fall von Brennstoff Einspritz-Systemen in Verbrennungsmotoren
zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, zu einer Reduzierung der
Abgase (CO2, NOX, Rußpartikel,
etc.) bei. Die Erfindung macht sich in vorteilhafter Weise zunutze, dass
durch das erfindungsgemäße Fluid-Einspritzventil,
bei dem eine Federanordnung auf das Ventilglied eine Federkraft
ausübt,
die vom in der Kammer herrschenden Fluiddruck abhängig ist,
nicht nur die Öffnungszeit
und der Öffnungshub
des Ventilgliedes relativ zum Ventilsitz besser zu kontrollieren
ist, sondern auch der Geschwindigkeitsverlauf des Öffnungshubes.
Dies liegt daran, dass die Druckschwankungen des zugeführten Fluids
zumindest teilweise wegfallen, so dass deren Einfluss auf das Ventilglied
wegfallen. Mit anderen Worten hat hier die druckabhängige Feder
die Funktion (aber nicht notwendigerweise die Gestalt) eines Ausgleichsvolumens,
das den Druckanstieg beim Schließen des Ventiles auffängt. Darüberhinaus
kompensiert die druckabhängige
Feder die Kraftwirkung der Druckschwankung auf das Ventilglied und
den Ventilsitz. Damit ist es möglich,
die Ventilbetätigung
noch präziser
zu steuern, als dies mit bekannten Anordnungen ohnehin der Fall
ist. Die damit verbundene Einsparung an Brennstoff – und folglich
auch die Reduzierung der Abgase – kann einige Prozent betragen.
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Diese
erhebliche Einsparung resultiert auch daraus, dass die Aktoren bekannter
Injektoren dafür ausgelegt
sein müssen,
diese Druckschwankungen auszugleichen; das heißt, dass sie die notwendigen Schließ- und Betätigungskräfte auch
bei ungünstigen Fluiddruckbedingungen
in der Kammer des Fluid-Einspritzventils aufbringen müssen. Wenn
nun diese Druckschwankungen zumindest partiell ausgeglichen sind,
kann – bei
gleicher Baugröße und gleichen Leistungsdaten – eine dynamischere
Betätigung
des Fluid-Einspritzventils erfolgen, oder umgekehrt können auch
kleiner bauende Fluid-Einspritzventile mit vergleichbaren Leistungsdaten
bereitgestellt werden. Außerdem
kann die Bewegung des Ventilgliedes relativ zum Ventilsitz besser
gesteuert werden, so dass zum Beispiel eine erheblich „weichere
Landung" des Ventilgliedes
im Ventilsitz als bei bisherigen Anordnungen ermöglicht ist. Dies verlängert die
Lebensdauer des Fluid-Einspritzventils. Außerdem wird damit die Gestaltung
der Ventilgeometrie freier, da die Belastung des Ventilgliedes und
des Ventilsitzes verringert ist. Dies erlaubt eine Orientierung
der Geometrie am optimalen Einspritzverhalten von Brennstoff in den
Brennraum. Bei vergrößertem Ventilsitzdurchmesser
(wegen der geringe ren Materialbelastung des Ventilsitzes im Schließzustand)
kann der Hub des Ventilgliedes zum Ventilsitz verringert werden. Damit
kann die Einspritzzeit – bei
gleichem Fluidvolumenstrom – signifikant
verringert werden. Damit sind sehr effiziente Mehrfacheinspritzungen
pro Arbeitstakt möglich.
Der Hintergrund hierfür
ist, dass die Zuhaltekraft mit linear steigendem Ventilsitzdurchmesser
quadratisch zunimmt, während
der Ventilgliedhub bei gleichem Fluidvolumenstrom linear abnimmt. Folglich
steigt die Materialspannung an der Dichtstelle linear an, woraus
sich ergibt, dass die Materialbelastung an der Dichtstelle der begrenzende
Faktor ist.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung
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Die
Federanordnung muss grundsätzlich
so dimensioniert sein, dass eine von ihr ggf. mechanisch erzeugte
Vorspannkraft zusammen mit der hydraulisch erzeugten Kraft bei jedem
in der Kammer auftretenden Druck und fehlender Betätigung des
Linearaktors das Ventil geschlossen halten kann. D. h. bei einem
nach außen öffnenden
Ventil muss die Feder gegen den vollen hydraulischen Druck stromlos schließen können und
beim nach innen öffnenden Ventil
darf die Kompensationskraft nur soweit gehen, dass das Ventil stromlos
beim höchsten
Druck nicht öffnet
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Federanordnung so gestaltet und dimensioniert,
dass sie eine zum in der Kammer herrschenden Fluiddruck umgekehrt
proportionale Federkraft auf das Ventilglied ausübt. Damit lastet – in einer
Druckfederkonfiguration – bei
hohem in der Kammer herrschenden Fluiddruck eine geringe Federkraft
auf dem Ventilglied und bei niedrigem in der Kammer herrschenden
Fluiddruck eine hohe Federkraft auf dem Ventilglied. Bei einer Zugfederkonfiguration
ist die Anordnung so zu wählen,
dass bei niedrigem in der Kammer herrschenden Fluiddruck eine hohe
Federkraft auf das Ventilglied wirkt und bei hohem in der Kammer
herrschenden Fluiddruck eine niedrige Federkraft auf das Ventilglied
wirkt. Sowohl die Zug- als auch die Druckfederkonfiguration kann sowohl
für nach
innen als auch nach außen öffnende Ventile
verwendet werden. Die Kompensationskraft ist dabei in jedem Fall
der hydraulischen Kraftwirkung entgegen gerichtet und kann diese
z. T. kompensieren. Sie darf diese jedoch keinesfalls überkompensieren,
da das Ventil sonst öffnet.
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Dabei
kann die Federanordnung so angeordnet und ausgestaltet sein, dass
sie eine Kraft ausübt, die
auf das Ventilglied in Richtung eines Schließens des Ventils wirkt. Damit
wird die von dem Linearaktor aufzubringende Kraft, um das Fluid-Einspritzventil geschlossen
zu halten, verringert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat die Federanordnung einen Ruhezustand mit einer
mechanischen, d. h. druckunabhängigen
Vorspannung, wobei die Vorspannung etwa ein Viertel bis drei Viertel
der Kraft (vorzugsweise etwa die Hälfte) auf das Ventilglied ausübt, die
das in die Kammer hineingepumpte Fluid ausübt. Das gilt besonders für nach innen öffnende
Ventile, die eine hubabhängige
hydraulische Kraft haben Als besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist die Federanordnung durch eine Faltenbalg-Anordnung gebildet,
deren auf das Ventilglied ausgeübte
Federkraft mit dem in der Kammer herrschenden Druck des Fluids variiert.
Die Gestalt des Faltenbalges, der bevorzugt aus austenitischem Edelstahl
hergestellt ist, ist dabei so gewählt, dass sie neben der durch
den Fluiddruck hervorgerufenen Volumenveränderung auch als (vorgespannte)
Zug- oder Druckfeder
zwischen dem unbeweglichen Gehäuse
der Fluid-Einspritzventils und dem relativ dazu beweglichen Ventilglied
wirkt.
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Dazu
kann die Faltenbalg-Anordnung eine im Wesentlichen (kreis-)zylindrische
oder auch (doppel-)kegelige Gestalt haben wobei die Federanordnung
entweder so gestaltet und dimensioniert ist, dass sie sich bei steigendem
Fluiddruck längt,
oder dass sie sich bei steigendem Fluiddruck verkürzt.
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Der
Linearaktor kann mehrere Ausgestaltungen haben, zum Beispiel die
eines Piezoaktors; bevorzugt ist er jedoch eine Elektromagnetanordnung mit
einem Ständer
und einem Läufer.
Der Läufer kann
mit dem Ventilglied getrieblich gekoppelt oder ein Teil des Ventilglieds
sein. Alternativ dazu kann das Ventilglied auch ein einstückiges Teil
des Läufers sein.
An dem Läufer
kann die Faltenbalg-Anordnung angelenkt sein.
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Dabei
kann der Ständer
als ein Multipolständer
mit mehreren nebeneinander im Abstand angeordneten Ständerpolen
ausgebildet sein, der mehrere, den jeweiligen Ständerpolen zugeordnete und zwischen
jeweils zwei Ständerpolen
angeordnete Erregerspulen aufweist. Unter Multipolständer im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung von zwei oder
mehreren im Querschnitt zylindrischen (z. B. runden oder ovalen)
oder mehreckigen (z. B. drei-, vier-, oder sechseckigen) Polstegen
verstanden, die auf einer Fläche,
z. B. einer Ebene angeordnet sind und von einer oder mehreren Spulenanordnungen umgeben
sind. Dabei kann jedem Polsteg eine eigene Spulenanordnung zugeordnet
sein, oder eine Spulenanordnung ist um mehrere Polstege gewunden.
Dies erlaubt das Erzeugen einer hohen magnetischen Kraftdichte,
die sich in einem sehr schnell auf- und abbauenden Magnetfeld und
in einem Ventilschaltverhalten mit hoher Dynamik manifestiert.
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Analog
dazu kann der Anker als Multipolanker ausgebildet sein, dessen Ankerpole
auf die jeweiligen Ständerpole
ausgerichtet sind. Dabei können die
Ankerpole durch Schwächungen
bzw. Verdickungen der Ankerplatte gebildet sein, die ansonsten im Wesentlichen
der Kontur der Stirnfläche
der Gesamtheit aller Polstege folgt.
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Die
Elektromagnet-Anordnung kann zwischen dem Ständer und dem Anker einen vorzugsweise
quer zur Bewegungsrichtung des Ankers orientierten Arbeitsluftspalt
haben. Je nach räumlicher Gegebenheit
ist es jedoch auch möglich,
den Arbeitsluftspalt anders zu orientieren.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind der Ständer
und/oder der Anker des Linearaktors im Innern der Kammer angeordnet.
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Um
einen möglichst
ungehinderten Fluss des Brennstoffs zu ermöglichen, haben der Ständer und/oder
der Anker wenigstens einen Fluid-Kanal für Fluid in Richtung zu der
Ventilanordnung hin.
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Um
besonders schlanke oder lang gezogene Bauformen mit großen Halte-
oder Schließkräften zu realisieren
kann eine Kaskadierung von mehreren auf die Ventilanordnung wirkenden
Elektromagnet-Anordnungen erfolgen. Dabei können die auf die Ventilanordnungen
wirkenden Elektromagnet-Anordnungen – entweder gleichsinnig oder
gegensinnig orientiert sein.
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Erfindungsgemäß ist in
einer Ausführungsform
der Erfindung der Linearaktor für
die Ventileinrichtung vorgesehen, der auf ein bewegliches Ventilglied
einwirkt, um dieses gegenüber
einem mit dem Ventilglied zusammenwirkenden und stromabwärts zu dem
Fluid-Einlass angeordneten ortsfesten Ventilsitz zwischen einer
Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung zu bewegen. Damit kann eine
direkt schaltende Ventilanordnung realisiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Fluid-Einspritzventil kann
als Brennstoff-Einspritzventilanordnung ausgestaltet, eingerichtet
und dimensioniert sein, um in den Brennraum einer fremd gezündeten Brennkraftmaschine,
oder in den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine
zu ragen.
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Weitere
Vorteile, Ausgestaltungen oder Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in denen die Erfindung
im Detail erläutert
ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1a zeigt
eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Fluid-Einspritzventil
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung in geschlossener Stellung.
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1b zeigt
das Fluid-Einspritzventil gemäß 1a in
geöffneter
Stellung.
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In
den 2a, 2b ist eine Faltenbalg-/Federanordnung
schematisch im Längsschnitt gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt.
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In
den 3a, 3b ist eine Faltenbalg-/Federanordnung
schematisch im Längsschnitt gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt.
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Detaillierte Beschreibung derzeit bevorzugter
Ausführungsformen
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In 1a ist
ein Fluid-Einspritzventil mit einem zu einer Mittellängsachse
M im wesentlichen rotationssymmetrischen Gehäuse 10 im schematischen
Längsschnitt
in einer geschlossenen Stellung gezeigt, während in 1b ein
solches Fluid-Einspritzventil in einer geöffneten Stellung gezeigt. Ein derartiges
Fluid-Einspritzventil kann dazu dienen, Fluid in Form von Brennstoff
in den nicht weiter veranschaulichten Brennraum einer Brennkraftmaschine
direkt einzuspritzen. Das Fluid-Einspritzventil 10 hat
(in 1 oben) einen zentralen Fluid-Einlass 12, durch
den Fluid aus einer – nicht
weiter veranschaulichten – Fluid-Verteil-Leitung
zu einer Kammer des Fluid-Einspritzventils 10 strömen kann.
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Die
Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 hat eine
im Querschnitt im Wesentlichen kreiszylindrische Gestalt und ist
im dem Einlass nahen Bereich durch eine Querplatte 18 mit
Perforationen 20 versteift. Im Abstand zu der Querplatte 18,
dem Einlass fern, ist eine Elektromagnet-Anordnung 22 angeordnet.
Die Elektromagnet-Anordnung 22 hat einen im Innern der
Kammer 14 angeordneten, aus Weicheisen(-platten) geformten
Ständer 24 mit
im Querschnitt im Wesentlichen kreiszylindrischer Gestalt und einen
ebenfalls im Innern der Kammer 14 angeordneten, im Wesentlichen
kreiszylindrischen scheibenförmigen
Anker als Läufer 26.
Der Anker/Läufer 26 ist
an seiner einen (in 1 oberen) Stirnfläche 26a über einen
Zapfen mit einem Ende einer als metallischem Faltenbalg implementierten
Federanordnung 30 starr verbunden. Der Faltenbalg/die Federanordnung 30 ist
an ihrem entgegengesetzten (in 1 oberen)
Ende mittels eines Querzapfens an der Querplatte 18 befestigt.
Dabei ist der Ständer 24 als
Multipolständer
mit langgestreckten, nebeneinander oder konzentrischen, im Abstand
angeordneten Ständerpolen 24a ausgebildet.
Mehrere Erregerspulen 24b sind in dem Ständer 24 den
jeweiligen Ständerpolen 24a diese
umgebend zugeordnet.
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Gleichermaßen kann
der scheibenförmige Anker 26 als
Multipolanker ausgebildet sein, dessen Ankerpole auf die jeweiligen
Ständerpole
ausgerichtet sind. Damit kann sich der Anker 26 entlang
der Mittellängsachse
M bewegen, wobei auch der metallische Faltenbalg 30 dazu
eingerichtet ist, längs
dieser Mittellängsachse
M zu expandieren/kontrahieren. Der Anker/Läufer 26 ist an seiner
anderen (in 1 unteren) Stirnfläche 26b mit
einer Ventilnadel 34 starr verbunden. Die Ventilnadel 34 reicht
durch eine zentrale Öffnung 24c in
dem Ständer 24 und
trägt an
ihrem freien Ende (in 1 unten) ein
Ventilglied 46, das längs
der Mittelachse M längsbeweglich
ist. Das Ventilglied 46 ist Teil einer Ventilanordnung 46, 68 bestehend
aus dem Ventilglied 46 und einem Ventilsitz 48,
um das Fluid in gesteuerter Weise auszustoßen. Der Ventilsitz erweitert
sich in Strömungsrichtung
konisch; entsprechend ist das Ventilglied 46 geformt und
wirkt mit dem Ventilsitz 48 zusammen. Das Ventilglied 46 wird
durch die Ventilnadel 34 gegenüber dem mit dem Ventilglied 46 zusammenwirkenden und
stromabwärts
zu dem Fluid-Einlass 12 angeordneten ortsfesten Ventilsitz 48 zwischen
einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung (in 1 auf und ab) bewegt. Der Ventilsitz ist
dazu in einer Buchse 36 eingearbeitet, die einen Rohrstutzen 50 abschließt, der
an der Kammer 14 angeformt ist.
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Dabei
ist die Ankerscheibe 26 mit der Ventilnadel 34 durch
die zur Mittelachse M koaxial angeordnete Faltenbalg-/Federanordnung 30 belastet,
so dass das am Ende der Ventilnadel 34 befindliche Ventilglied 46 in
dem Ventilsitz 48 fluiddicht sitzt, also in seine Geschlossen-Stellung gedrängt ist.
Beim Bestromen der Erregerspulen 24b wird in den Ständerpolen 24a ein
wirbelstromarmes Magnetfeld induziert, das die Ankerscheibe 26 mit
der Ventilnadel 34 in Richtung des Ständer 24 zieht. Damit
bewegt sich das Ventilglied 46 von dem Ventilsitz 48 weg
in seine Offen-Stellung. Damit wird von dem Fluid-Einlass 12 kommendes
Fluid von dem Fluid-Einspritzventil 10 in gesteuerter Weise
durch das Ventilglied 46 bzw. den Ventilsitz 48 zum
Beispiel in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgestoßen. Dabei
kann es sich entweder um den Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine
oder um den Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine
handeln.
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Zwischen
dem Ständer 24 und
dem Anker 26 ist ein quer zur Bewegungsrichtung des Ankers 26 orientierter
Arbeitsluftspalt 32 gebildet. Dabei stellt der Unterschied
zwischen der minimalen und der maximalen Erstreckung des Arbeitsluftspalts
in Richtung der Mittellängsachse
M den Hub dar, um den das Ventilglied 46 vom Ventilsitz 48 abheben
kann.
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Der
Multipolständer 24 hat
eine Anordnung von mehreren im Querschnitt oder in der Draufsicht zylindrischen,
mehreckigen Polstegen 24a auf einer Fläche angeordnet sind. Diese
im vorliegenden Beispiel rechteckigen Polstege können in der Draufsicht auch
im Wesentlichen quadratisch oder trapezförmig geformt sein. Sie sind
von einer oder mehreren Spulenanordnungen 24b umgeben.
Dabei ist in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung jedem
Polsteg eine eigene Spulenanordnung zugeordnet, die ihn umgibt.
Es ist jedoch auch möglich,
dass eine Spulenanordnung um mehere Polstege gewunden ist. Es versteht
sich jedoch, dass die Spulenanordnungen sich den Raum zwischen zwei
benachbarten Polstegen teilen können.
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Der
Multipolständer 24 kann
aus einstückigem
Weicheisen gebildet sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwischenräume ausgeformt
sind. In ein derartiges einstückiges
Weicheisen-Formteil
können Ausnehmungen
in Form von Schlitzen, in der Draufsicht längsverlaufenden Rillen, oder
Langlöchern
eingearbeitet sein. Es ist aber auch möglich, die Magnetjochanordnung
als Formteil aus gesintertem Eisenpulver herzustellen oder aus einer
Vielzahl von Blechlagen oder aus mehreren Teilstücken zu montieren und zu ggf.
verkleben.
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Der
Anker 26 ist eine kreisrunde weicheisenhaltige Scheibe
mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt. Der Multipolständer 24 und
der Anker 26 überlappen
sich in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse M. Wie in
der 1 gezeigt ist, hat der Multipolständer 24 etwa
den gleichen Außendurchmesser
wie der Anker 26, so dass der aus den Spulenanordnungen 24b hervorgerufene
magnetische Fluss praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in den Anker 26 eindringen
kann. Damit wird ein besonders effizienter Magnetkreis realisiert,
der sehr geringe Ventil-Öffungs-/Schließ-Zeiten sowie
hohe Haltekräfte
erlaubt.
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Die
Ankerscheibe 26 kann – unabhängig von der
Gestaltung des Multipolständers 24 bzw.
der Spulenanordnungen 24b – auch eine geschlossene Kreisscheibe
aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung des Magnetjoches bzw.
der Magnet-Spulenanordnung sicherstellt, dass die Streuverluste
bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck
sind. Zur Verringerung des Gewichtes bei optimierter magnetischer
Flußdichte
ist der Anker als Multipolanker ausgebildet, dessen Ankerpole auf die
jeweiligen Ständerpole
hin ausgerichtet sind. Dazu sind die Ankerpole durch Schwächungen
bzw. Verdickungen der ansonsten im Wesentlichen der Kontur der Stirnfläche der
Gesamtheit aller Polstege folgenden Ankerplatte gebildet.
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Der
Ständer 24 ist
von einem Ringspalt 44 umgeben, durch den in der Kammer 16 befindliches Fluid
durch den Rohrstutzen 50 zu der Ventilanordnung 46, 48 gelangen
kann. Die Buchse 36 hat einen zentralen Fluid-Auslass 52,
der in dem Ventilsitz 48 mündet und durch den die Ventilnadel 34 mit
dem Ventilglied 46 ragt.
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Die
Ventilnadel 34 hat an ihrem freien Ende einen Ringbund 38,
der zusammen mit der im Innern des Stutzens 50 liegenden
Oberfläche
der Buchse 36 als Anschlag und Hubbegrenzung für die Ventilanordnung 46, 48 dient.
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Während die
oben beschriebene Ausführungsform
ein nach außen öffnendes
Ventil darstellt, ist es auch möglich,
eine nach innen öffnende
Variante der Ventilanordnung 46, 48 zu realisieren.
Um – ebenso
wie bei der nach außen öffnenden
Ausführungsform
die durch das unter Druck stehende Fluid hervorgerufene Kraft zu
kompensieren, welche die Ventilanordnung 46, 48 im
Sinne eines Schließens belastet,
ist es besonders vorteilhaft, die im Querschnitt (kreis-)zylindrische
Faltenbalg-/Federanordnung 30 im Ruhezustand mit einer
Vorspannung zu montieren, die etwa auf etwa die Hälfte der
Kraft einzustellen ist, die das in die Kammer hineingepumpte Fluid
als (Schließ-)Kraft
auf das Ventilglied ausübt. Dazu
kann die Querplatte 18 mittels einer Schraube, die in eine
dem Fluideinlass 12 zugewandte Schraubbuchse 60 der
Querplatte 18 gedreht ist, die axiale Längung bzw. die auf den Anker 26 und
damit auf das Ventilglied 46 wirkende Kraft der Faltenbalg-/Federanordnung 30 einjustiert
werden. In dieser axialen Position ist dann die Querplatte 18 in
der Kammer 14 bei 62 zum Beispiel mittels eines
Lasers zu verschweißen.
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Die
Ausgestaltung der Faltenbalg-/Federanordnung 30 ist ebenfalls
davon abhängig,
ob eine Anordnung gewählt
ist, die so gestaltet und dimensioniert ist, dass sie sich bei steigendem
Fluiddruck längt
oder bei steigendem Fluiddruck verkürzt, und dabei auf den Anker 26 und
folglich auf das Ventilglied 46 eine zu dem Fluiddruck
korrelierte Kraft ausübt.
Die Faltenbalg-/Federanordnung 30 ist in ihrem Innern mit
geringem Gasdruck, typischerweise in der Größenordnung von etwa 1 bar befüllt.
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Außerdem können im
Innern der Faltenbalg-/Federanordnung 30 entlang einer
Zentralstange verschiebbar gelagerte Versteifungsrippen 70 vorgesehen
sein, die ein Kollabieren der Faltenbalg-/Federanordnung 30 bei
hohem Druck in der Kammer 14 verhindern.
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In 2a ist
eine Faltenbalg-/Federanordnung 30 schematisch gezeigt,
die sich bei gegenüber einem
Druckniveau P im Innern und außerhalb
der Faltenbalganordnung 30 erhöhtem Fluiddruck P++ verkürzt – siehe 2b.
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Demgegenüber ist
in 3a ist eine Faltenbalg-/Federanordnung 30 schematisch
gezeigt, die sich bei gegenüber
einem Druckniveau P im Innern und außerhalb der Faltenbalganordnung 30 erhöhtem Fluiddruck
P++ längt – siehe 3b.
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Die
in der obigen Beschreibung der Erfindung erläuterten Ausführungsformen
und deren einzelne Aspekte sind selbstverständlich untereinander kombinierbar,
auch wenn derartige Kombinationen nicht im Einzelnen vorstehend
erläutert
sind.
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Im Übrigen sind
auch von der gezeigten schematischen Anordnung abweichende Proportionen
und Dimensionen einzelner oder aller erläuterten Komponenten von dem
erfinderischen Konzept erfasst.