-
Stand der Technik
-
Die Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte hat seit der Entwicklung von Verbrennungsmotoren die höchste Priorität. Gerade das Common-Rail-Einspritzsystem hat einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Schadstoffe geleistet. Der Vorteil der Common-Rail-Systeme liegt in ihrer Unabhängigkeit des Einspritzdruckes von Drehzahl und Last. Für die Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte ist jedoch gerade bei diesen Motoren eine signifikante Erhöhung des Einspritzdruckes notwendig.
-
Neuste Injektoren für höchste Einspritzdrücke werden leckagefrei ausgeführt, indem auf eine Niederdruckstufe verzichtet wird. Durch das Fehlen dieser Druckstufe stehen nur geringe Nadelschließkräfte zur Verfügung. Dies führt zu steilen Kennfeldern und somit zu einer schlechten Kleinstmengenfähigkeit. Dieser Nachteil kann jedoch mit sehr schnell schaltenden Ventilen kompensiert werden.
-
Schnellschaltende Ventile haben häufig das Problem, dass aufgrund eines Prellens Kennfeldwelligkeiten auftreten. Das Nadelprellen tritt bei einem harten Anschlag von Metall auf Metall in Verbindung mit einer schnellen Ventilnadel in Erscheinung. Gerade die Preller beim Schließen haben einen besonders negativen Einfluss auf die Injektorfunktion und führen im Allgemeinen zu großen Hub/Hub-Streuungen. Ein weiteres Problem ist der Sitzverschleiß. Eine hohe Einschlagenergie, die bei einer ungebremsten Nadelbewegung vorhanden ist, führt zu einer Zerrüttung des Sitzes. Undichtigkeiten und Hubdrift sind die Folge. Es ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt, dass ein Prellen aufgrund eines harten mechanischen Anschlags mit Hilfe eines hydraulischen Quetschspaltes bekämpft werden kann. Dieser hydraulische Anschlag hat die positive Eigenschaft, dass die Bremskraft potentiell mit dem Ventilhub zunimmt. Bei richtiger Auslegung des Quetschspalts kann die Ventilnadel abrupt abgebremst werden, ähnlich einem mechanischen Anschlag, ohne dass ein Prellen in Erscheinung tritt. Diese Technik wird heute regelmäßig am oberen Hubanschlag bei gattungsgemäßen Magnetventilen eingesetzt. In
DE-10 2006 021 735 A1 in ein solches Ventil offenbart.
-
Bei einer einfachen Übertragung eines hydraulischen Quetschspalts auf den unteren Hubanschlag tritt jedoch folgendes Problem auf: Zum einen soff der Einschlagimpuls gebremst werden, zum anderen muss sichergestellt sein, dass das Ventil zu jeder Zeit schließt. Rein mechanisch betrachtet ist ein System mit zwei Anschlägen, Ventilsitz und hydraulischer Anschlag, mechanisch überbestimmt. Der hydraulische Anschlag müsste somit relativ „weich” ausgelegt sein, d. h., dass die bremsende Kraft nicht abrupt, sondern mit abnehmendem Hub relativ sanft ansteigt. Theoretisch ist eine derartige Auslegung für eine bestimmte Temperatur möglich. In der Praxis muss die Ventilbewegung für einen großen Temperaturbereich des Fluids ausgelegt sein. So sind Temperaturbereiche von –30°C (Kaltstart) bis zu 150°C und mehr (Volllastbetrieb) die Regel. Da die hydraulische Bremskraft eines Quetschspaltes direkt proportional zu der Viskosität des Fluids, die wiederum stark von der Temperatur abhängig ist, abhängt, ist eine optimale Auslegung eines unteren hydraulischen Hubanschlags im gesamten Temperaturbereich somit nicht möglich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass ein Prellen am unteren Anschlag vermieden wird.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetventils 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.
-
Um einerseits einen hydraulisch weich wirkenden Anschlag auszubilden und andererseits es zu ermöglichen, dass das Magnetventil trotz des Vorhandenseins von Fremdpartikeln im Quetschspalt schließen kann ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Dämpfungselement axial bewegbar angeordnet ist und von einer Druckfeder in Richtung des Magnetankers belastet ist und, dass bei geschossenem Ventilsitz zwischen dem Dämpfungselement und der hydraulischen Anschlagfläche ein Quetschspalt ausgebildet ist.
-
Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn der Hub der Druckfeder mittels eines Anschlags begrenzt ist. Dadurch lässt sich der Ort, an dem die hydraulische Dämpfung einsetzt, genau bestimmen und er lässt sich insbesondere auch nahe des unteren Ventilsitzes anordnen.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Dämpfungselement ortsfest angeordnet ist, wobei bei auf dem Ventilsitz aufsitzendem Schließglied zwischen der hydraulischen Anschlagfläche und der Gegenfläche des Magnetankers ein Quetschspalt ausgebildet ist und wobei das Dämpfungselement in Axialrichtung verformbar ist. Auch bei dieser Ausführungsform wird es ermöglicht, dass das Magnetventil trotz des Vorhandenseins von Fremdpartikeln im Quetschspalt schließen kann.
-
Um ein Ankleben des Ventils beim Abheben von seinem Sitz zu vermeiden ist es weiterhin besonders vorteilhaft, dass die hydraulische Anschlagfläche und die Gegenfläche des Magnetankers gekippt zueinander angeordnet sind.
-
Um die Dämpfung einstellen zu können ist es in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die hydraulische Anschlagfläche wenigstens eine Durchgangsöffnung aufweist.
-
Ein Kraftstoff-Injektor, insbesondere Common-Rail-Injektor mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil hat den Vorteil, dass dessen Kleinstmengenfähigkeit auch über die Lebensdauer des Kraftstoff-Injektors stets gewährleistet ist.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
-
Diese zeigen in:
-
1: eine ausschnittsweise Darstellung eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten Kraftstoff-Injektors mit einem Magnetventil mit einem ersten erfindungsgemäßen Dämpfungselement im Längsschnitt,
-
2: ein gegenüber der 1 modifiziertes Magnetventil mit einem zweiten erfindungsgemäßen Dämpfungselement ebenfalls in einem Längsschnitt und
-
3 bis 5: verschiedene Ausführungsformen von zweiten Dämpfungselementen, wie sie bei dem Magnetventil gemäß der 2 zum Einsatz gelangen können, in Draufsicht.
-
In der 1 ist ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 ausschnittsweise dargestellt. Bei dem Kraftstoff-Injektor 1 handelt es sich um einen sogenannten leckagefreien, d. h. keine dauerhafte Niederdruckstufe an der Düsennadel 10 aufweisenden Injektor. Der Kraftstoff-Injektor 1, genauer ein Druckraum 2 des Kraftstoff-Injektors 1, ist neben anderen, nicht gezeigten Kraftstoff-Injektoren über eine Versorgungsleitung 3 mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher 4 (Rail) verbunden. In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin, unter hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel mehr als 2000 bar gespeichert. Eine als Radialkolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe 5 fördert Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 6 in diesen Kraftstoffhochdruckspeicher 4. Mittels einer Rücklaufleitung 7 ist ein Niederdruckbereich 8 des Kraftstoff-Injektors 1 an den Vorratsbehälter 6 angeschlossen. Über die Rücklaufleitung 7 kann eine Steuermenge an Kraftstoff sowie Leckagemengen von dem Kraftstoff-Injektor 1 zu dem Vorratsbehälter 6 abfließen.
-
Innerhalb eines Injektorkörpers 9 ist eine ein- oder mehrteilige Düsennadel 10 axial verstellbar angeordnet. Die Düsennadel 10 ist mit ihrem in der Zeichnungsebene oberen Ende in einem hülsenförmigen Abschnitt 11 eines im Injektorkörper 9 aufgenommenen Ventilkörpers 12 geführt. Die Düsennadel 10 wirkt mit ihrer nicht dargestellten Spitze mit einem an einem Düsenkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammen. Wenn die Düsennadel 10 an ihrem Düsennadelsitz anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung gesperrt. Ist die Düsennadel 10 dagegen von ihrem Düsennadelsitz abgehoben, kann Kraftstoff aus dem Druckraum 2 durch die Düsenlochanordnung, im Wesentlichen unter Hochdruck (Raildruck) stehend, in den Brennraum gespritzt werden.
-
Von einer oberen Stirnseite 13 der Düsennadel 10 und dem in der Zeichnungsebene unteren, hülsenförmigen Abschnitt 11 des Ventilkörpers 12 wird eine Steuerkammer 14 begrenzt, die über eine radial in dem hülsenförmigen Abschnitt 11 verlaufende Zulaufdrossel 15 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Druckraum 2 versorgt wird. Die Steuerkammer 14 ist über einen in dem oberen, plattenförmigen Abschnitt des Ventilkörpers 12 angeordneten Ablaufkanal 16 mit Ablaufdrossel 17 mit einer Ventilkammer 18 verbunden, die radial außen von einem hülsenförmigen Anker 19 eines als Steuerventil (Servoventil) ausgebildeten Magnetventils 20 begrenzt ist. Aus der Ventilkammer 18 kann Kraftstoff in den Niederdruckbereich 8 des Kraftstoff-Injektors 1 strömen, wenn der von einem elektromagnetischen Aktuator 21 betätigbare hülsenförmige Anker 19 mit seiner unteren, als Ventilschließglied wirkenden Stirnfläche 25 von dem im gezeigten Ausführungsbeispiel als Flachsitz ausgebildeten Magnetventilsitz 22 abgehoben, d. h. das Magnetventil 20 geöffnet ist. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 15 und der Ablaufdrossel 17 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem Magnetventil 20 ein Nettoabfluss von Kraftstoff (Steuermenge) aus der Steuerkammer 14 über die Ventilkammer 18 in den Niederdruckbereich 8 des Kraftstoff-Injektors 1 und von dort aus über die Rücklaufleitung 7 in den Vorratsbehälter 6 resultiert.
-
Der in seinem unteren Abschnitt hülsenförmige Anker 19 weist in einem oberen Abschnitt eine einteilig oder separat von dem unteren Abschnitt ausgebildete Ankerplatte 23 auf, die mit dem elektromagnetischen, eine Magnetspule 24 aufweisenden Aktuator 21 zusammenwirkt, derart, dass der Anker 19 in der Zeichnungsebene nach oben, d. h. vom Magnetventilsitz 22 weg bewegt wird, sobald die Magnetspule 24 bestromt wird. Wie sich weiter aus der 1 ergibt, weist das Magnetventil 20 eine Schließfeder 26 auf, die den Anker 19 in der Zeichnungsebene nach unten auf den Ventilkörper 12 mit Federkraft beaufschlagt. Die durch den elektromagnetischen Aktuator 21 verursachte Öffnungsbewegung erfolgt also gegen diese Federkraft. Zu erkennen ist ferner, dass zwischen dem Anker 19 und einem Magnettopf 27 des Magnetventils 20 eine nicht-magnetische Scheibe 28 aufgenommen ist.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der untere Abschnitt des Ankers 19 von einem ringförmigen Führungselement 30 umschlossen ist, das entweder einteilig zusammen mit dem Ventilkörper 12 ausgebildet sein kann, oder aber ein separates Bauteil darstellt. Das Führungselement 30 weist auf der dem Ventilkörper 12 abgewandten Seite einen kragenförmig umlaufenden Rand 31 auf. Der Außenumfang des Führungselementes 30 ist von einem Dämpfungselement 35 umfasst, derart, dass der Rand 31 als oberer Anschlag für das Dämpfungselement 35 wirkt. Zwischen der dem Ventilkörper 12 zugewandten Unterseite des Dämpfungselements 35 und dem Ventilkörper 12 stützt sich eine Druckfeder 36 ab, die das Dämpfungselement 35 gegen den Rand 31 drückt. Das Führungselement 30 weist weiterhin auf der dem Ventilkörper 12 zugewandten Seite mindestens eine Durchlassöffnung 37 für das Fluid auf, so dass die Ventilkammer 18 mit dem Niederdruckraum 8 verbunden ist.
-
Das Dämpfungselement 35 weist auf der dem Anker 19 zugewandten Seite einen Dämpfungsring 38 auf. Der Dämpfungsring 38 ist in einer Ebene oberhalb des Führungselements 30 angeordnet, wenn das Dämpfungselement 35 mittels der Druckfeder 36 gegen den Rand 31 gedrückt ist. Daher ist oberhalb des Führungselements 30 ein ringförmiger Dämpfungsraum 39 ausgebildet.
-
Um ein Kleben des Dämpfungsrings 38 an dem Anker 19 zu verhindern, weist der Anker 19 nicht dargestellte Einstiche auf, die den Dämpfungsraum 39 mit dem Niederdruckbereich 8 verbinden. Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, dass der Dämpfungsring 38 nicht exakt parallel zu der Unterseite des Ankers 19, das heißt gekippt zu der Unterseite des Ankers 19 angeordnet ist. In einer weiteren Alternative ist es auch denkbar, dass in den Bereich zwischen dem Dämpfungsring 38 und dem Anker 19, dem sogenannten Quetschspalt 41, gezielt eine Kavitation erzeugt wird. Kavitation tritt immer dann in Erscheinung, wenn der Druck im Quetschspalt 41 unterhalb des Dampfdrucks des Fluids ist. Die Fläche des Quetschspaltes 41 ist entsprechend der resultierenden öffnenden Kraft und den Umgebungsbedingungen auszulegen.
-
Sobald das Magnetventil 20 bzw. die Magnetspule 24 nicht mehr bestromt ist, bricht die Magnetkraft zusammen und der Anker 19 wird aufgrund der Federkraft der Schließfeder 26 in Richtung des Magnetventilsitzes 22 bewegt. Aufgrund der beschleunigten Bewegung nimmt der Magnetanker 19 einen Impuls auf. Bei herkömmlichen Magnetventilen führt dies zu mechanischen Schließprellern und Ventilsitzverschleiß. Durch das erfindungsgemäße Dämpfungselement 35 gelangt jedoch der Anker 19 in Wirkverbindung mit dem Dämpfungselement 35, das sich aufgrund der Federkraft der Druckfeder 36 in seiner angehobenen Position befindet. Hierbei kommt es bei einer Annäherung des Ankers 19 an den Dämpfungsring 38 des Dämpfungselements 35 zu einer hydraulischen Dämpfung der Bewegung des Ankers 19 aufgrund des in dem Dämpfungsraum 39 und dem Quetschspalt 41 befindlichen Fluids. Die hydraulische Bremskraft wird weiterhin dadurch begrenzt, dass das Dämpfungselement 35 nicht starr, sondern flexibel bzw. axial verschiebbar in dem Führungselement 30 angeordnet ist. Diese Kraftbegrenzung kann einfach über die Vorspannkraft der Druckfeder 36, sowie deren mechanische Steifigkeit eingestellt werden. Durch diese Auslegung wird ein sauberes Ventilschließen jederzeit, auch bei einem Kaltstart, gewährleistet. Ferner ist das Magnetventil 20 durch die Auslegung des Dämpfungselements 35 auch besonders unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Dies resultiert daraus, dass feste Partikel, die sich im Quetschspalt 41 befinden, nicht negativ auf das Schließverhalten des Magnetventils 20 auswirken, da das Dämpfungselement 35 dann entgegen der Federkraft der Druckfeder 36 nach unten gedrückt werden kann, so dass ein Ventilschließen auch dann sicher gewährleistet ist, wenn sich in dem Quetschspalt 41 Fremdpartikel befinden sollten.
-
Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Magnetventil 20a mit Ausnahme im Bereich seines Dämpfungselementes 35a identisch zum Magnetventil 20 gemäß der 1 ausgebildet. Im Gegensatz zum Magnetventil 20 weist der Anker 19a des Magnetventils 20a nahe seines hülsenförmigen Bereichs an seiner Unterseite einen ringförmigen Dämpfungsraum 39a auf. Ferner ist das Dämpfungselement 35a als Dämpfungsring 43 ausgebildet, welcher in seinem Innenbereich starr an dem Führungselement 30a befestigt bzw. angeordnet ist. Hierzu weist der Dämpfungsring 43 beispielsweise gemäß 3 vier radial nach innen ragende Befestigungslaschen 44 auf, die jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Bei geschlossenem Magnetventil 20a ist ferner zwischen dem Dämpfungsring 43 und der gegenüber angeordneten Stirnfläche des Ankers 19a der Quetschspalt 41 ausgebildet. Wesentlich ist auch, dass zwischen der Innenwand 45 des Dämpfungsrings 43 und dem Führungselement 30a noch Durchlassöffnungen ausgebildet sind, die ein Abströmen von Fluid aus dem Dämpfungsraum 39a in den Niederdruckbereich 8 ermöglichen. Die erforderliche mechanische Weichheit des Dämpfungselements 35a bzw. des Dämpfungsrings 43, auch um ein Schließen des Magnetventils 20a zu ermöglichen, wenn sich in dem Quetschspalt 41 Fremdpartikel befinden, wird bei dem Magnetventil 20a dadurch erreicht, dass der Dämpfungsring 43 eine relativ geringe Dicke aufweist, die ggf. schon bei einer Annäherung des Ankers 19a an das Dämpfungselement 35a, in jedem Fall aber beim Vorhandensein von Fremdpartikeln im Quetschspalt 41 eine Verformung des Dämpfungsrings 43 in Axialrichtung ermöglicht. Die erforderlichen Biegeeigenschaften des Dämpfungsrings 43 können dabei entweder über eine entsprechende Auslegung bzw. Länge in den Befestigungslaschen 44, oder aber durch Ausbildung von Durchlassöffnungen 46 bzw. 47 an modifizierten Dämpfungsringen 43a, 43b beeinflusst werden, wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist. Die dort gezeigten Durchlassöffnungen 46 bzw. 47 können dabei entweder erodiert, lasergebohrt oder mit einer anderen Fertigungsmethode ausgebildet sein. Wenn die Durchlassöffnungen 46, 47 dabei im Überdeckungsbereich mit dem Dämpfungsraum 39a angeordnet sind, kann auf die Ausbildung von Befestigungslaschen 44 verzichtet werden.
-
Ergänzend wird erwähnt, dass die Dämpfungseigenschaften der Dämpfungsringe 38, 43, 43a, 43b grundsätzlich auch noch über die Größe deren Ringfläche bzw. deren Durchmesser beeinflussbar sind. Ferner können auch beim Dämpfungsring 38 Durchlassöffnungen 46, 47 wie an den Dämpfungsringen 43a, 43b ausgebildet sein.
-
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 102006021735 A1 [0003]
