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Stand der Technik
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Gemäß
DE 196 50 865 A1 und
DE 197 08 104 A1 ist
der Anker eines Magnetventiles als zweiteiliger Magnetanker ausgebildet,
um so die bewegte Masse der Einheit aus Anker und Ventilglied und
damit eine das Prellen verursachende kinetische Energie zu verringern.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Magnetventilen wird ein
Ventilelement im unbestromten, dies bedeutet im inaktiven Zustand
des Magnetventiles, über eine vorgespannte Druckfeder gegen
einen Anschlag gedrückt. Dieser Anschlag ist in den meisten
Fällen identisch mit dem Ventilsitz. Im Ruhezustand des
Magnetventiles, d. h. bei unbestromter Magnetspule des Magnetventiles,
ist das Magnetventil geschlossen, d. h. der Ankerbolzen mit daran
aufgenommenem Schließelement wird durch eine Ventilfeder
in den Sitz des Schließelementes gedrückt. Wird
die Magnetspule des Magnetventiles hingegen bestromt, so entsteht
eine Kraft, die das Schließelement gegen die Kraft der
Schließfeder vom Sitz wegbewegt. Nach Ende der Bestromung sorgt
die bei der Aufwärtsbewegung des Ankerbolzens vorgespannte
Schließfeder dafür, dass das Schließelement
wieder in seine Ausgangsposition gestellt wird. Dies ist unabhängig
davon, ob mittels des Schließelementes ein druckausgeglichenes
oder ein druckabhängig vorgespanntes Ventil betätigt wird.
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In
Hochdruckspeichereinspritzsystemen wie zum Beispiel Common-Rail-Speichereinspritzsystemen,
die an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt
werden, werden elektrisch gesteuerte Kraftstoffinjektoren zur präzisen
Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
eingesetzt. Diese Kraftstoffinjektoren umfassen verschiedene Ventile,
die jeweils von einem Magneten angesteuert werden. Wie alle magnetischen
Steller umfasst eine Magnetbaugruppe eine Magnetspule, einen Magnetkern
sowie einen Anker, sei er ein- oder mehrteilig aufgebaut. Eine Hochdrucksteuereinheit
für ein Magnetventil gemäß
DE 196 50 865 A1 umfasst
eine Magnetgruppe, eine Ankergruppe und eine Ventilgruppe. Die zur
Betätigung der Kraftstoffinjektoren eingesetzten Magnetventilbaugruppen
umfassen neben der Ankerbaugruppe, die ein- oder mehrteilig ausgebildet
sein kann, einen Magnetkern, in den eine Magnetspule mit einer Anzahl
von Windungen eingelassen ist. Der Magnetkern mit darin eingebetteter
Spule ist von einer Magnethülse umschlossen, die in der
Regel aus einem paramagnetischen Werkstoff wie zum Beispiel X8CrNi18-9
gefertigt wird. Dieser paramagnetische Werkstoff stellt einen erheblichen
Kostenfaktor bei bisher eingesetzten Magnetventilbaugruppen dar.
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Magnetventilbaugruppen,
die mittels eines Elektromagneten angesteuert werden, weisen sehr kurze
Schaltzeiten auf. Die Schaltzeit beim Einschalten setzt sich zusammen
aus einem Ansprechverzug, bei dem die Bestromung beginnt, bis zum
Beginn der Ankerbewegung und der Hubzeit, d. h. dem Beginn der Ankerbewegung
bis zum Ende der Ankerbewegung und Erreichen des Ankeranschlages.
Die Schaltzeit wird neben der Ansteuerung durch das Steuergerät
noch von dem Magnetwerkstoff, insbesondere dessen spezifischer elektrischer
Leitfähigkeit sowie durch die Magnetkreisgeometrie bestimmt. Um
bei einem Elektromagneten kurze Schaltzeiten hinsichtlich des Anzugsverzug
und der Hubzeit zu erreichen, werden als geometrische Maßnahmen
eine Schlitzung des Ankers bzw. Ankerausklinkungen vorgenommen.
Ausklinkungen stellen eine Wegnahme von flussführendem
Ankervolumen zur Wirbelstromreduzierung dar, sowie Schlitze unterbinden
die Wirbelstromzirkulation im Anker und stellen den Stand der Technik
dar, um kurze Schaltzeiten zu erreichen.
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Die
genannten Maßnahmen gehen jedoch mit dem entscheidenden
Nachteil einher, dass nach Beginn der Aktorbestromung, d. h. nach
dem Beginn der Bestromung des Elektromagneten ein großer
Anteil des sich einstellenden magnetischen Flusses durch die Ausklinkung
bzw. den Schlitz fließt, ohne einen Beitrag zur magnetischen
Kraft zu leisten. Eine Felddiffusion am Anker beginnt von beiden
Seiten gleichermaßen her. Unter beiden Seiten sind die
Ankerunterseite bzw. die Ankeroberseite des Ankers zu verstehen.
Zudem bilden in der Kernbohrung befindliche Bauelemente wie zum
Beispiel ein Ankerbolzen der Ankerbaugruppe und ein Sicherungsring
einschließlich eines Ankerschaftes, mit welchem die Ankerplatte
den Ankerbolzen umschließt, beim Ansprechverzug sehr hohe
magnetische Flussdichten aus. Die Ursachen derselben stellen extreme Streuflussausbildungen
dar. Die Folge ist eine beträchtliche Verlängerung
des Ansprechverzuges. Um Einspritzungen durch den Kraftstoffinjektor
jedoch in kurzer Abfolge tätigen zu können, ist
ein kurzer Ansprechverzug von außerordentlichem Vorteil.
Zudem wirken sich hohe Flussdichten in den genannten Bereichen zudem
verlängernd auf die Abfallzeit aus.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Streuflussbildung an Ankerbaugruppen
zu minimieren, um Schaltzeiten von Magnetventilen zu verkürzen.
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Innerhalb
des Ansprechverzuges ist das magnetische Feld nur partiell in den
Anker eingedrungen. Die Wirkung der im Anker, insbesondere in der Ankerplatte
der Ankerbaugruppe vorgesehenen Radialschlitzung als wirbelstromverhindernde
Maßnahme nach Beginn der Bestromung, unterliegt der Wirkung
der durch die Radialschlitze des Ankers vorbeigeleiteten magnetischen
Flüsse. Mit fortschreitender Zeit ist eine Umkehrung der
Effekte zu verzeichnen. Um zusätzlich einen kurzen Ansprechverzug
bei einer kurzen Hubzeit zu erreichen, wird eine streuflussreduzierte
Ankergeometrie vorgeschlagen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene
streuflussreduzierte Ankergeometrie zeichnet sich dadurch aus, dass
der Anker eine durchgehende Ankerscheibe ohne Schlitze und Ausklinkungen
umfasst, wobei ein Steg verbleibt. Die Unterseite einer Polfläche
(Planseite) der Ankerplatte weist zum Beispiel in einem Winkel von 60° angeordnete
Rillen auf. Diese Rillen verlaufen zum Beispiel in einer 60°-Teilung
entlang des Umfangs der Ankerplatte auf der Unterseite, d. h. auf
der der Polfläche der Ankerplatte abgewandten Seite der Ankerplatte.
Die Rillen, die anstelle einer 60°-Teilung auch in einer
anderen Gradteilung an der Unterseite der Ankerplatte ausführbar
sind, weisen zur Polfläche hin jedoch auch Vollmaterial
auf, d. h. die Polfläche selbst wird durch die Rillen nicht
unterbrochen, so dass sich eine geschlossene Polfläche
ausbildet. Anstelle der sechs an der Ankerplattenunterseite verlaufenden
Rillen können auch vier oder acht Rillen – dann
jedoch in unterschiedlicher Umfangsteilung – auf der der
Polfläche, d. h. der Planseite der Ankerbaugruppe abgewandten
Ankerplattenunterseite verlaufen. Im Unterschied zu Ankerbaugruppen,
insbesondere aus dem Stand der Technik bekannten Ankerplatten, weist
die Ankerplatte gemäß der vorliegenden Erfindung
keinen Radialschlitz mehr auf, der bisher als Wirbelstrom vermindernde
Maßnahme verwirklicht wurde. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ankerplatte weist eine homogene Polfläche auf. Bei Bestromung,
der oberhalb der Polfläche der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ankerbaugruppe angeordneten Magnetspule erfolgt, dringt der magnetische
Fluss über die plane Polfläche in die Ankerbaugruppe
ein, so dass sich eine Streuflussausbildung reduziert. Eine zusätzliche
Felddiffusion, die sich im Allgemeinen an der Ankerplattenunterseite
einstellt, wird abgeschwächt bzw. idealerweise ganz unterdrückt.
Dadurch stellt sich eine geringe Flussdichte im Ankerschaft, d.
h. einem halsförmigen Ansatz unterhalb der Ankerplatte
im Ankerbolzen und im Sicherungsring zur Zeit des Ansprechverzugs
ein.
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Mit
fortschreitender Zeit ist das magnetische Feld bereits soweit in
den Anker hinein diffundiert, dass nunmehr die in radiale Richtung
sich erstreckenden Rillen an der Ankerunterseite als wirbelstromvermindernde
Maßnahmen zu wirken beginnen. Eine Abfallzeit des Magnetventiles
wird aufgrund der geringeren Flussdichte, die sich im Ankerschaft,
im Ankerbolzen und im Sicherungsring einstellt, erheblich reduziert.
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Die
erfindungsgemäße Lösung lässt
sich sowohl an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
wie auch an fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen,
so zum Beispiel Verbrennungskraftmaschinen mit Bezindirekteinspritzung
einsetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Darsicht auf eine geschnitten dargestellte Magnetbaugruppe,
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2 eine
vergrößerte perspektivische Ansicht des sich einstellenden
magnetischen Flusses und
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3 eine
Ausführungsform der streuflussreduzierten Ankergeometrie.
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Ausführungsformen
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung einer Magnetbaugruppe.
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1 ist
zu entnehmen, dass eine Magnetbaugruppe 10 einen Magnethalter 12 umfasst,
der an seiner Außenumfangsfläche mit einer Ringnut 14 versehen
ist. In diese Ringnut wird bei der Montage des Magnethalters 12 ein
O-Ring eingelegt, mit welchem der Magnethalter 12 bei der
Montage gegen den Injektorkörper eines Kraftstoffinjektors
abgedichtet wird. Im Magnethalter 12 ist ein Magnetkern 16 aufgenommen,
der eine Magnetspule 18 umschließt. Die Magnetspule 18 innerhalb
des Magnetkernes 16 wirkt mit einer Ankerbaugruppe 20 zusammen,
die einen Ankerbolzen 26 und eine Ankerplatte 28 umfasst.
Im Falle einer mehrteiligen Ausbildung der Ankerbaugruppe 20 sind
der Ankerbolzen 26 und die Ankerplatte 28 über
eine Sicherungsscheibe 22 miteinander verbunden, die zusätzlich
von einer Sicherungshülse 24 umschlossen ist.
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2 zeigt
die Magnetbaugruppe 10 gemäß der Darstellung
in 1 hinsichtlich des sich einstellenden magnetischen
Flusses.
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Wie 2 zu
entnehmen ist, stellt sich durch den Magnetkern 16 der
Magnetbaugruppe ein magnetischer Fluss 42 ein. Dieser verläuft
um die Magnetspule 18 herum, vergleiche Bezugszeichen 42 in 2.
Ein großer Teil des magnetischen Flusses 42 verläuft
jedoch durch den wirbelstromreduzierenden Radialschlitz 40,
vergleiche Position 44 in 2. 2 lässt
sich zudem entnehmen, dass sich an der Unterseite 36 der
Ankerplatte 28 die Felddiffusion einstellt, die keinen
Beitrag zur magnetischen Krafterzeugung in axialer Richtung liefert.
Zudem bilden die sich in einer Kernbohrung 30 des Magnetkerns 16 befindenden
Bauelemente in der Darstellung gemäß 2 die
Sicherungsscheibe 22 sowie der Ankerbolzen 26 einschließlich
des Ankerschaftes 52 während des Ansprechverzuges
sehr hohe magnetische Flussdichten aus, vergleiche Streufluss 46 in 2 innerhalb
der Kernbohrung 30. Die Ursache für die Verluste
des magnetischen Flusses durch den Schlitz, vergleiche Position 44 gemäß 2 sowie für
den sich in der Kernbohrung 30 des Magnetkerns 12 einstellenden
Streufluss 46, ist in Streuflussausbildungen zu sehen,
die eine deutliche Verlängerung des Ansprechverzuges bewirken.
Unter Ansprechverzug ist die Zeitspanne zu verstehen, die zwischen dem
Beginn der Bestromung der Magnetspule 18 bis zum Beginn
der Bewegung der Ankerbaugruppe 20 vergeht.
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3 zeigt
den gegenüber einer Ankerbaugruppe, die eine streuflussreduzierte
Ankergeometrie aufweist.
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Wie
der Darstellung gemäß 3 zu entnehmen
ist, umfasst die dort dargestellte Ankerbaugruppe 20 einen
beispielsweise einteilig ausgebildeten Anker, bei dem der Ankerbolzen 26 und
die Ankerplatte 28 ein einziges Bauteil darstellen. Aus
der in 3 dargestellten Seitenansicht geht hervor, dass eine
Polfläche 54 der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ankerbaugruppe 20 im Wesentlichen plan ausgebildet ist.
Die Polfläche 54 der Ankerplatte 28 ist
kreisförmig beschaffen und symmetrisch zur Achse 60 ausgeführt.
Während die Oberseite, d. h. die Polfläche 54 der
Ankerplatte 28 der Ankerbaugruppe 20 plan ausgebildet
ist und keine Unterbrechung in Form eines Radialschlitzes 40 zur
Wirbelstromreduktion aufweist, befinden sich an der der Polfläche 54 gegenüberliegenden
Unterseite der Ankerplatte 28 rillenförmig verlaufende
Vertiefungen 56. Die rillenförmig verlaufenden
Vertiefungen 56 an der Unterseite der Ankerplatte 28 sind
so ausgebildet, dass zwischen dem Grund einer zum Beispiel rechteckförmig ausgebildeten
nutförmigen Rille und der Polfläche 54 der
Ankerplatte 28 eine Stegdicke 58 von wenigen Zehntelmillimetern
verbleibt.
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Aufgrund
dieses Umstandes kann die Polfläche 54 plan und
nicht unterbrochen gestaltet werden.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass sich an der Unterseite der Ankerplatte 28 der Ankerbaugruppe 20 zum
Beispiel sechs in einer Winkelteilung von 60°, vergleiche
Position 62 in 3 in radiale Richtung 64 erstreckende
Rillen 56 befinden. Aus 3 lässt
sich entnehmen, dass in der dort dargestellten Ausführungsform
der Rillen 56 diese einen rechteckförmigen Nutgrund
aufweisen. Der Nutgrund könnte auch gerundet oder in einer
anderen Geometrie entsprechend des eingesetzten Werkzeuges beschaffen
sein. In 3 ebenfalls dargestellten Draufsicht
auf die Polfläche 54 der Ankerplatte 28 der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ankerbaugruppe 20 ergibt
sich, dass die Polfläche 54 keine Diskontinuität
in Form eine sich in radiale Richtung erstreckenden Radialschlitzes 40 aufweist,
sondern geschlossen ausgebildet ist. Die in der Draufsicht gemäß 3 gestrichelt
dargestellten rillenförmigen Vertiefungen 56 verlaufen
allesamt an der Unterseite der Ankerplatte 28, d. h. auf
der der Polfläche 54 abgewandten Seite der Ankerplatte 28.
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Die
Ankerbaugruppe 20 weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene
streuflussreduzierte Ankergeometrie 50 auf, gemäß der
die Ankerplatte 28 ohne Schlitze bzw. Ausklinkungen jedoch
mit verbleibender Stegdicke 58 zwischen dem Grund der Rillen 56 und
der Polfläche 54 der Ankerplatte 28. Beim
Einschalten des Magnetkernes 16 der Magnetbaugruppe 10 dringt
der sich einstellende magnetische Fluss 42 über
die plan ausgebildete Polfläche 54 in die Ankerbaugruppe 20 ein.
Aufgrund des Fehlens des Radialschlitzes 40 stellt sich
ein reduzierter Streufluss ein, so dass der Anteil des magnetischen Flusses 42,
der zur Erzeugung der Magnetkraft erzeugt wird, ansteigt. Eine zusätzliche
Felddiffusion, die sich in der Regel an der Ankerunterseite, d.
h. an der Unterseite der Ankerplatte 28 einstellt, wird
abgeschwächt bzw. idealerweise vollständig unterdrückt. Dadurch
stellt sich eine geringere Flussdichte im Schaft 52 der
Ankerbaugruppe 20 im Ankerbolzen 26 und in der
Sicherungsscheibe 22, insbesondere zur Zeit des Ansprechverzuges
ein. Durch die ergriffene Maßnahme kann der Ansprechverzug,
d. h. die Zeitspanne zwischen Beginn der Bestromung der Magnetspule 18 bis
zum Beginn der Bewegung der Ankerplatte 28 verkürzt
werden. Mit fortschreitender Zeit ist das magnetische Feld bereits
soweit in die Ankerbaugruppe 20 diffundiert, dass nunmehr
im Radialverlauf 64 angeordneten Rillen 56 als
wirbelstromvermindernde Maßnahme zu wirken beginnen. Die
Aufgabe, die bei den Lösungen gemäß des
Standes der Technik der Radialschlitz 40, vergleiche Darstellung
gemäß 2, übernommen hat,
und der eine Unterbrechung der Polfläche 54 durch
einen Radialschlitz 40 zur Folge hatte, ist nunmehr an
die Unterseite die zum Beispiel in 60°-Teilung angeordneten Rillen 56 verlagert.
Diese beginnen mit fortschreitender Zeit als wirbelstromvermin dernde
Maßnahmen zu wirken, so dass das Vorsehen des Radialschlitzes 40,
d. h. das Erzeugen einer Unstetigkeitsstelle oder einer Inhomogenität
in der Polfläche 54 und daraus entstehende Verlustes 44 minimiert
werden können. Die Abfallzeit, während die Ankerplatte 28 wieder
zurückgestellt wird und demzufolge der Ankerhubweg in Gegenrichtung
durchlaufen wird, lässt sich aufgrund der sich einstellenden
geringeren Flussdichte im Ankerschaft 52, im Ankerbolzen 26 und
in der Sicherungsscheibe 22 ebenfalls reduzieren.
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Wenn
auch in der Darstellung gemäß 3 an
der Unterseite der Ankerplatte 28 die Rillen 56 in einer
60°-Teilung 62 ausgebildet sind und sich im Wesentlichen
in radiale Richtung 64 in Bezug auf die Achse 60 erstrecken,
können an der Unterseite 36 der Ankerplatte 28 auch
eine andere Anzahl von Rillen 56 ausgeführt werden,
die dann zum Beispiel in einer 90°-Teilung und einer 45°-Teilung
verlaufen. Diese möglichen Ausführungsvarianten
zur Realisierung einer streuflussreduzierten Ankergeometrie 50 sind
zeichnerisch jedoch nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19650865
A1 [0001, 0003]
- - DE 19708104 A1 [0001]