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Stand der Technik
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Die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten hat bei 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 Dieselmotoren eine signifikante Erhöhung des Einspritzdruckes notwendig.
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Neueste Kraftstoff-injektoren für höchste Einspritzdrücke werden leckagefrei ausgeführt, indem auf eine Niederdruckstufe verzichtet wird. Durch das Fehlen dieser Niederdruckstufe stehen nur geringe Nadelschließkräfte zur Verfügung. Dies führt zu steilen Kennfeldern und somit zu einer schlechten Kleinstmengenfähigkeit. Dieser Nachteil kann mit schnell schaltenden Ventilen kompensiert werden.
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Als Pilotventile (Servoventile) sind heute Magnet- und Piezoventile im Einsatz, mit denen ein Servokreislauf für das Öffnen und Schließen der Düsennadel gesteuert wird. Piezoventile zeichnen sich durch kurze Schaltzeiten aus. Demgegenüber sind Magnetventile besonders robust und preiswert. Die Schaltzeit der heutigen Magnetventile ist jedoch langsamer als die der Piezoventile, wodurch Magnetventile einen Nachteil bezüglich der Kleinstmengenfähigkeit innehaben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schnell schaltendes Magnetventil, vorzugsweise für den Einsatz in einem Kraftstoff-Injektor, vorzuschlagen, insbesondere mit dem Ziel, die Kleinstmengenfähigkeit des Kraftstoff-Injektors zu erhöhen. Ferner besteht die Aufgabe darin, einen schnell ansteuerbaren Kraftstoff-Injektor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetventils anzugeben.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Magnetventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass schnelle Schaltzeiten bei Magnetventilen durch einen maximierten Spulenfüllfaktor, insbesondere Kupferfüllfaktor, erzielt werden können. Unter einem Spulenfüllfaktor ist dabei der Anteil einer von der Spule des elektromagnetischen Aktuators des Magnetventils durchsetzten Querschnittsfläche (Spulenfenster) zu verstehen, der mit elektrisch leitendem Spulenmaterial (Spulenwindungen), im Stand der Technik Kupferdraht, ausgefüllt ist. Ferner hat die Erfindung erkannt, dass der maximale Spulenfüllfaktor bei im Stand der Technik eingesetzten, mit einem Kupferdraht gewickelten Magnetspulen begrenzt ist.
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Der Kupferfüllfaktor bestimmt maßgeblich die Baugröße des Magnetkerns und des Magnetankers. Bei einem hohen Kupfertüllfaktor lassen sich bei gegebener Windungszahl und elektrischem Widerstand die Abmessungen der Spule verringern, ohne dass das Leistungsvermögen des Magnetkreises verringert wird. Somit kann eine kleinere Bauform erzielt werden.
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Magnetventile kleinerer Bauform haben prinzipiell geringere mechanische und elektromagnetische Reaktionszeiten. Weiterhin ist die Prellneigung bei einem Magnetventil kleinerer Bauform einfacher zu beherrschen, als bei einem großen bzw. schweren Magnetventil. Ein weiterer Vorteil, der für kleinere Bauformen spricht, ist der geringere Strömungswiderstand, der durch die Bewegung des Magnetventils im kraftstoffgefüllten Niederdruckkreis begründet ist.
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Bei gegebenen Abmessungen kann daher entweder die Windungszahl der Magnetspule bei gleichem Widerstand erhöht oder der elektrische Widerstand bei gleicher Windungszahl gesenkt werden. Hierdurch wird die Anzahl der Amperewindungen erhöht, wodurch die maximale Anzugskraft bzw. der Kraftgradient erhöht wird. Ein hoher Kraftgradient, sowohl beim zeitlichen Aufbau als auch beim Abbau der Magnetkraft, ist für eine schnelle Gesamtschaltzeit unabdingbar. Die Verringerung des elektrischen Widerstandes führt weiterhin zu einer Senkung des Leistungsbedarfs im Steuergerät, das dadurch preiswerter herstellbar ist, wodurch weitere Kosten gespart werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung 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. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
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Ein relativ hoher Kupferfüllfaktor bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand lässt sich bei einem Magnetventil mit einer Querschnittsfläche erzielen, wenn diese eine n-eckige Querschnittsfläche aufweist, wobei n im Bereich von 4 bis 7 gewählt ist.
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Um die erforderlichen Zugkräfte auf den Magnetspulenträger übertragen zu können, ohne dass dieser in unerwünschter Weise verformt oder beschädigt wird ist es darüber hinaus in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Magnetspulenträger aus hochfestem Material, insbesondere aus kohlefaserverstärktem Material o. ä. besteht.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Magnetventils mit einer erfindungsgemäßen Magnetspule kann auf die Verwendung separater Einrichtungen zur Ausbildung des polygonen Spulendrahtes verzichtet werden, wenn das Strecken des Magnetspulendrahts unmittelbar während des Aufwickelns auf den Magnetspulenträger erfolgt. Dieses Verfahren ist besonders dann bevorzugt, wenn der Magnetspulenträger aus einem hochfesten Material besteht.
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Um jedoch auch konventionelle bzw. übliche Festigkeiten aufweisende Magnetspulenträger verwenden zu können, ist es bei einem alternativen Herstellverfahren vorgesehen, dass das Strecken des Magnetspulendrahts vor dem Aufwickeln auf den Magnetspulenträger auf einer separaten Einrichtung erfolgt.
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Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Magnetspulendraht auf der dem Magnetspulenträger abgewandten Seite eingespannt bzw. unter Reibschluss gehalten wird und, dass das Einleiten der Streckkraft in den Magnetspulendraht durch eine rotative Bewegung des Magnetspulenträgers erfolgt.
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Besonders bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Magnetventile aus den in der Beschreibungseinleitung genannten Gründen bei einem Kraftstoff-Injektor, insbesondere Common-Rail-Injektor. Hierbei ist eine Ausführungsform des Magnetventils als in axialer Richtung druckausgeglichenes Magnetventil bevorzugt. Dies bedeutet, dass auf den Magnetanker in geschlossenem Zustand keine oder ggf. nur geringe hydraulische Kräfte in axialer Richtung wirken. Auf diese Weise kann das Magnetventil auch bei sehr hohen Kraftstoffdrücken jenseits von 2000 bar eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 ausschnittsweise eine Darstellung eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten Kraftstoff-Injektors mit einem Magnetventil, das in der rechten Zeichnungshälfte in einer Ausführungsform mit einer Magnetspule nach dem Stand der Technik und in der linken Zeichnungshälfte nach der Lehre der Erfindung ausgebildet ist und
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2 den Kraftstoff-Injektor gemäß 1 in vergrößerter Darstellung im Bereich seiner Magnetspule.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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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 Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail) verbunden. In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel oder Benzin, unter hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 2000 bar, gespeichert. Eine als Radialkolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe 5 fördert Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 6 in diesen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4. Mittels einer Rücklaufleitung 7 ist ein Niederdruckbereich 8 des Kraftstoff-Injektors 1 an den Vorratsbehälter 6 angeschlossen. Über die Rücklaufleitung 7 kann eine später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff sowie Leckagemengen von dem Kraftstoff-Injektor 1 zu dem Vorratsbehälter 6 abfließen.
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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.
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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 von seinem in dem 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.
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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 wegbewegt wird, sobald die Magnetspule 24 bestromt wird.
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In der Zeichnungsebene links von einer Längsmittelachse L des Kraftstoff-Injektors 1 ist der elektromagnetische Aktuator 21 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante gezeigt. Demgegenüber ist auf der von der Längsmittelachse L rechten Seite eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik zu erkennen.
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Wie insbesondere aus der 2 ersichtlich ist, ist beim Stand der Technik die Magnetspule 24 gebildet von einem in einer Vielzahl von Wickellagen auf einen Magnetspulenträger 25 gewickelten, mit einer Isolationslackschicht versehenen Kupferdraht 26, wobei der gewickelte Kupferdraht 26 samt Magnetspulenträger 25 in einem Magnettopf 27 (Haltekörper der Magnetbaugruppe) gehalten ist. Zu erkennen sind im Stand der Technik die Zwischenräume 28 zwischen den Wickellagen, die die zu Anfang der Beschreibung beschriebenen Nachteile mit sich bringen.
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Bei der erfindungsgemäßen Magnetspule 30 weist der ebenfalls bevorzugt aus Kupfer bestehende und eine Isolationsschicht aufweisende Magnetspulendraht 31 eine polygone, das heißt n-eckige Querschnittsfläche 32 auf. Wie bei dem dargestellten Fall für n = 6 dargestellt, liegen somit die Seitenflächen 33, 34 benachbarter Wicklungslagen des Magnetspulendrahts 31 zumindest teilweise aneinander an. Erfindungsgemäß ist es hierbei besonders vorteilhaft, wenn n zwischen 4 und 7 liegt. Dadurch wird, über alle Wicklungslagen insgesamt betrachtet, die Summe der zwischen den Wicklungslagen verbleibenden Zwischenräume 35 gegenüber dem Stand der Technik verringert bzw. der Kupferfüllgrad erhöht. Es hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz des beschriebenen polygonartigen Magnetspulendrahts 31 sich der Kupferfüllgrad typischerweise um ca. 5–10% steigern lässt.
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Die Herstellung eines derartigen polygonen Magnetspulendrahtes 31 erfolgt erfindungsgemäß grundsätzlich dadurch, dass der Magnetspulendraht 31 durch Aufbringen einer Zugkraft über seinen elastischen Bereich hinaus gestreckt wird, das heißt, er sich beim Strecken plastisch verformt. Eine polymorphe Ausbildung kann beispielsweise durch Prägen der einzelnen Windungslagen des Magnetspulendrahts 31 oder der gesamten Spule erreicht werden.
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Ergänzend wird an dieser Stelle erwähnt, dass anstelle von Kupfer als Material für den Magnetspulendraht 31 auch insbesondere Aluminium zur Anwendung kommen kann.
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Das Strecken des Magentspulendrahtes 31 kann grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen: Zum einen vorab, das heißt, vor dem Bewickeln des Magnetspulenträgers 25 auf einer separaten Einrichtung oder aber, besonders bevorzugt, beim Wickelprozess selbst. Hierzu kann die erforderliche Zugkraft über den Magentspulenträger 25 auf den (im Querschnitt zunächst runden) Magnetspulendraht 31 aufgebracht werden, indem dieser von der Zuführseite entsprechend verzögert bzw. mit Reibschluss gehalten wird. Durch eine rotative Bewegung des Magnetspulenträgers 25 lässt sich so die erforderliche Streck- bzw. Zugkraft auf den Magnetspulendraht 31 übertragen. Dieses Vorgehen hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Magnetspulendraht 31 unter Spannung auf den Magnetspulenträger 25 aufgewickelt wird, so dass die Zwischenräume 28 nicht nur aufgrund der polygonen Querschnittsfläche 32 des Magnetspulendrahts 31 minimiert werden bzw. die Tendenz zum Aneinanderliegen der Seitenflächen 32, 33 verstärkt wird.
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Um das beschriebene Verfahren durchführen zu können, ist es erforderlich, dass der Magnetspulenträger 25 eine entsprechende Festigkeit aufweist. Hierzu kann, falls aus räumlichen Gründen möglich, die Wandstärke im Trommelbereich des Magnetspulenträgers 25 erhöht werden. Alternativ ist es möglich, dass der Magentspulenträger 25 aus einem hochfesten Material, beispielsweise aus Kohlefaser (CFK) oder Kohlefaserbestandteilen ausgebildet wird.
