DE102009046371A1

DE102009046371A1 - Magnetventil sowie Kraftstoff-Injektor mit einem Magnetventil

Info

Publication number: DE102009046371A1
Application number: DE200910046371
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil (100; 100a), mit einem von einer Magnetspule (42) betätigbaren Magnetanker (25; 25a), der mittel- oder unmittelbar mit einem Schließglied (23) zusammenwirkt oder als Schließglied wirkt, das einen Durchlass (16) für ein Fluid steuert, mit einem Führungselement (12) für den Magnetanker (25; 25a), das den Magnetanker (25; 25a) an zumindest einem im Durchmesser reduzierten Abschnitt (27, 28; 27a) umgibt, wobei das Schließglied (23) in unbestromtem Zustand der Magnetspule (42) mittels einer Druckfeder (45) gegen einen den Durchlass (16) begrenzenden Ventilsitz (22) gedrückt ist und diesen schließt und wobei eine Bewegung des Schließgliedes (23) zumindest in Richtung des Ventilsitzes (22) mittels einer Dämpfungseinrichtung verzögerbar ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung einen insbesondere durch eine Ausnehmung (30) gebildeten Dämpfungsraum (36) aufweist, der zwischen dem Führungselement (12) und dem Magnetanker (25; 25a) ausgebildet ist, und dass der Dämpfungsraum (36) über wenigstens eine Verbindung mit einem Niederdruckbereich (8) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Magnetventil ist bereits durch die nachveröffentlichte DE 10 2009 045 728 A1 bekannt und weist ein mit einem Magnetanker verbundenes, flexibles bzw. plattenförmiges oder alternativ hierzu axial verschiebbares Dämpfungselement auf, welches bei einer Schließbewegung des Magnetventils ein Dämpfungsvolumen aus Kraftstoff verdrängt und dabei ein Prellen des Magnetventils im Ventilsitz verhindert. Das bekannte Magnetventil ist durch das zusätzliche Dämpfungselement relativ aufwändig aufgebaut. Ferner ist die Temperaturempfindlichkeit noch nicht zufriedenstellend, d. h., dass sich die gewünschten Dämpfungseigenschaften nur über einen bestimmten Temperaturbereich optimal einstellen lassen.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass es mit relativ geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist und dabei gute Dämpfungseigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, insbesondere durch eine Ausnehmung zwischen dem Führungselement und dem Magnetanker einen Dämpfungsraum auszubilden, der über wenigstens eine Verbindung mit einem Niederdruckbereich des Magnetventils verbunden ist. Dadurch sind keine zusätzlich en, separaten Bauteile erforderlich, sodass sich der fertigungstechnische Aufwand in Grenzen hält. Von besonderem Vorteil ist hier zusätzlich, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Dämpfungsraums sich nicht nur die Schließbewegungen des Schließgliedes dämpfen lassen, sondern auch die Öffnungsbewegungen. Dadurch ist der Verschleiß an dem erfindungsgemäßen Magnetventil besonders gering.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetventils sind in den Unteransprüchen angegeben.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verbindung als Durchgangsbohrung in einer Wand des Führungselements ausgebildet ist und die Durchgangsbohrung vorzugsweise als Drosselbohrung ausgebildet ist. Somit lässt sich über die Geometrie, insbesondere über den Durchmesser der Durchgangsbohrung, sowohl der Zufluss des Druckmittels aus dem Niederdruckbereich als auch der Abflussquerschnitt in einfacher Weise beeinflussen, um die Dämpfungseigenschaften in gewünschter Weise zu erzielen.
Um den Dämpfungsraum dicht auszubilden, ist es in einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausführung vorgesehen, dass der Magnetanker zwei Bereiche aufweist, die dichtend geführt sind.
Hierbei ist es in einer konstruktiv vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass der Magnetanker in Richtung des Schließgliedes einen im Durchmesser reduzierten Abschnitt aufweist, wobei der Durchmesser des Abschnitts geringer ist als der Durchmesser eines der Magnetspule zugewandten ersten Abschnitts und, dass der im Durchmesser reduzierte Abschnitt in dem Führungselement dichtend geführt ist.
Zusätzlich oder alternativ lassen sich die Dämpfungseigenschaften des Magnetankers auch dadurch beeinflussen, dass der Magnetanker im Bereich des Abschnitts einen Bund aufweist, der zusammen mit der Wand des Führungselements eine Ringspaltdrossel ausbildet.
Hierbei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Bund in Axialrichtung betrachtet eine Höhe aufweist, die vorzugsweise zwischen dem 2-Fachen und 10-Fachen der Weite entspricht, wobei unter der Weite der Spalt zwischen dem Bund am Magnetanker und der Wand an dem Führungselement verstanden wird. Durch diese spezielle geometrische Auslegung lässt sich eine geringe Empfindlichkeit auf Temperaturänderungen erreichen.
Da im Niederdruckbereich eines Injektors typischerweise nur ein geringer Druck von kleiner 10 bar, bei Magnetinjektoren meist nur ca. 1,5 bar absolut, vorhanden ist, ist eine schnelle Befüllung des Dämpfungsraumes bei der Öffnungsbewegung des Schließgliedes nicht gegeben. Auch die Erzeugung von Kavitation im Dämpfungsraum durch Unterschreiten des Dampfdruckes ist kritisch aufgrund des niedrigen Druckniveaus im Niederdruckbereich. Dadurch wird die Dämpfungskraft verringert und es kann zu Schäden an den Bauteilen kommen. Um dies auszuschließen, wird in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung vorgeschlagen, dass der Dämpfungsraum eine Dämpfungsfläche aufweist, dass in dem Niederdruckbereich ein absoluter Flüssigkeitsdruck herrscht und dass sich die Dämpfungsfläche berechnet aus A > 50 mm²/√(p), wobei der typische Druckbereich üblicherweise zwischen 0 und 15 bar absolut beträgt.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Dämpfungseinrichtung lässt sich insbesondere bei schnell schaltenden Ventilen einsetzen, da dort die Problematik des Prellens des Schließgliedes an seinem Ventilsitz besonders stark ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1 einen Kraftstoff-Injektor mit einer ersten erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung in einem vereinfachten Längsschnitt und
2 einen zweiten Kraftstoff-Injektor mit einem gegenüber der 1 abgewandelten Dämpfungsraum, ebenfalls im vereinfachten Längsschnitt.
In der 1 ist ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 vereinfacht 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 Beispiel mehr als 2000 bar (bei Dieselbrennkraftmaschinen) 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 die ein- oder mehrteilige Düsennadel 10 axial verstellbar angeordnet. Die Düsennadel 10 ist mit ihrem in der Zeichnungsebene oberen Ende in einem hülsenförmigen Abschnitt eines im Injektorkörper 9 aufgenommenen Ventilkörpers 12 geführt. Die Düsennadel 10 wirkt mit ihrer Spitze mit einem an einem Düsenkörper ausgebildeten Düsennadelsitz zusammen. Wenn die Düsennadel 10 an ihrem Düsennadelsitz anliegt, d. h. sich in der Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer 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 Steuerkammer 14 ist über eine radial in dem hülsenförmigen Abschnitt 11 verlaufende Zulaufdrossel 15 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Druckraum 2 versorgt. Die Steuerkammer 14 ist über einen im Ventilkörper 12 angeordneten Ablaufkanal 16 mit Ablaufdrossel 17 mit einer Ventilkammer 18 verbunden. Die Ventilkammer 18 wird von einer Ausnehmung 19 des Ventilkörpers 12 gebildet. In einer Wand in der Ausnehmung 19 ist ein Abströmkanal 21 ausgebildet, der die Ventilkammer 18 mit dem Niederdruckbereich 8 verbindet. An dem der Steuerkammer 14 gegenüberliegenden Ende des Ablaufkanals 16 ist in dem Ventilkörper 12 ein Sitz 22 ausgebildet. Der Sitz 22 wirkt im Ausführungsbeispiel mit einem kugelförmigen Schließelement 23 zusammen, welches in Wirkverbindung mit einem mehrfach gestuften Anker 25 angeordnet ist.
Der Anker 25 weist insgesamt drei Abschnitte 26 bis 28 mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser auf. Der erste Abschnitt 26, der auf der der Steuerkammer 14 abgewandten Seite angeordnet ist, weist hierbei den größten Durchmesser auf. Hieran schließt sich ein mittlerer Abschnitt 27 an, welcher in einer durch eine. Wand 29 im Ventilkörper 12 dichtend geführt ist. Die Wand 29 ist hierbei durch eine Ausnehmung 30 im Ventilkörper 12 ausgebildet. Am Grund 31 der Ausnehmung 30 ist eine Durchgangsbohrung 32 ausgebildet, die die Ausnehmung 30 mit der Ventilkammer 18 verbindet. In der Durchgangsbohrung 32 ist der dritte Abschnitt 28 des Ankers 25 ebenfalls dichtend geführt. Wesentlich ist außerdem, dass in der Wand 29 der Ausnehmung 30 noch eine Durchgangsbohrung 34 ausgebildet ist, die als Drosselbohrung wirkt. Von der Ausnehmung 30 und der der unteren Stirnseite 35 des mittleren Abschnitts 27 des Ankers 25 wird ein Dämpfungsraum 36 ausgebildet, der über die Durchgangsbohrung 34 mit dem Niederdruckbereich 8 verbunden ist.
Über die Dimensionierung, d. h. das Längen/Breitenverhältnis der Durchgangsbohrung 34 lässt sich die Dämpfung des als Steuerventil (Servoventil) ausgebildeten Magnetventils 100 einstellen.
Von der unteren Stirnseite 35 des Abschnitts 27 wird eine ringförmige Dämpfungsfläche 37 ausgebildet. Wenn in dem Niederdruckbereich 8 ein absoluter Flüssigkeitsdruck p herrscht, so beträgt die Fläche der Dämpfungsfläche 37 bevorzugt mehr als 50 mm²/√(p), wobei der Druck p in bar gemessen ist (1 bar = 0,1 MPa).
Der Anker 25 wirkt mit einem Magneten 40 zusammen. Der Magnet 40 weist einen Magnetkern 41 mit darin eingebetteter Spule 42 auf. Der Magnet 40 ist mittels einer Spannschraube 43 gegen eine Stufe 44 im Injektorkörper 9 axial verspannt.
Über die Bewegung des Ankers 25 lässt sich die Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Schließelements 23 steuern. Im unbestromten Zustand des Magneten 40 wird der Anker 25 mittels einer in einer Durchgangsbohrung des Magnetkerns 41 angeordneten Druckfeder 45 mit seinem dritten Abschnitt 28 gegen das Schließelement 23 gedrückt, welches wiederum auf dem Sitz 22 anliegt und somit den Ablaufkanal 16 verschließt. Wird nun der Magnet 40 bestromt, so wird der Anker 25 in Richtung des Magnetkerns 41 gezogen. Daraus resultiert eine Öffnungsbewegung des Schließelements 23. Die Bewegungscharakteristik des Ankers 25 wird hierbei durch das in dem Dämpfungsraum 36 unter niedrigem Druck stehende Dämpfungsmittel (Kraftstoff) sowie durch die Dimensionierung der Durchgangsbohrung 34 bestimmt. Insbesondere tritt dabei eine Dämpfung der Geschwindigkeit bzw. der Bewegung des Ankers 25 auf. Beim Schließen des Schließelements 23 verhält es sich genau umgekehrt. Das zwischenzeitlich in dem Dämpfungsraum 36 über die Durchgangsbohrung 34 eingeströmte Kraftstoffvolumen muss nunmehr über die Durchgangsbohrung 34 aus dem Dämpfungsraum 36 verdrängt werden. Hierdurch wird die Schließbewegung des Ankers 25 und somit auch des Schließelements 23 gedämpft.
In der 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Magnetventils 100a dargestellt. Hierbei weist der zweite Abschnitt 27a des Ankers 25a einen radial umlaufenden Bund 48 auf. Der Bund 48 wirkt als Ringspaltdrossel, über die sich die Bewegung des Ankers 25a beeinflussen lässt. Hierbei ist zwischen dem Bund 48 und der Wand 29a ein Spalt 49 mit einer Weite W ausgebildet. Weiterhin weist der Bund 48 in Axialrichtung des Magnetventils 100a betrachtet eine Höhe H auf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Höhe H zwischen dem 2-Fachen und dem 10-Fachen der Weite W entspricht.
Die soweit dargestellten und beschriebenen Kraftstoff-Injektoren 1 bzw. Magnetventile 100, 100a lassen sich in vielfältiger Art und Weise modifizieren bzw. abwandeln, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in einer Ausbildung eines Dämpfungsraums zwischen einem als Führungselement wirkenden Ventilkörper und einem mit dem Ventilkörper zusammenwirkenden Anker.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009045728 A1 [0002]

Claims

Magnetventil (100; 100a), mit einem von einer Magnetspule (42) betätigbaren Magnetanker (25; 25a), der mittel- oder unmittelbar mit einem Schließglied (23) zusammenwirkt oder als Schließglied wirkt, das einen Durchlass (16) für ein Fluid steuert, mit einem Führungselement (12) für den Magnetanker (25; 25a), das den Magnetanker (25; 25a) an zumindest einem im Durchmesser reduzierten Abschnitt (27, 28; 27a) umgibt, wobei das Schließglied (23) in unbestromtem Zustand der Magnetspule (42) mittels einer Druckfeder (45) gegen einen den Durchlass (16) begrenzenden Ventilsitz (22) gedrückt ist und diesen schließt und wobei eine Bewegung des Schließgliedes (23) zumindest in Richtung des Ventilsitzes (22) mittels einer Dämpfungseinrichtung verzögerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung einen insbesondere durch eine Ausnehmung (30) gebildeten Dämpfungsraum (36) aufweist, der zwischen dem Führungselement (12) und dem Magnetanker (25; 25a) ausgebildet ist, und dass der Dämpfungsraum (36) über wenigstens eine Verbindung (34; 49) mit einem Niederdruckbereich (8) verbunden ist.
Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Durchgangsbohrung (34) in einer Wand (29) des Führungselements (12) ausgebildet ist und dass die Durchgangsbohrung (34) vorzugsweise als Drosselbohrung ausgebildet ist.
Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (25; 25a) zwei Bereiche aufweist, die dichtend geführt sind und den Dämpfungsraum (36) abdichten.
Magnetventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (25; 25a) in Richtung des Schließgliedes (23) einen im Durchmesser reduzierten Abschnitt (27; 27a) aufweist, wobei der Durchmesser des Abschnitts (27; 27a) geringer ist als der Durchmesser eines der Magnetspule (42) zugewandten ersten Abschnitts (26), und dass der im Durchmesser reduzierte Abschnitt (27; 27a) dichtend geführt ist.
Magnetventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der im Durchmesser reduzierte Abschnitt (27; 27a) in dem Führungselement (12) dichtend geführt ist.
Magnetventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (25a) einen Bund (48) aufweist, der zusammen mit der Wand (29a) des Führungselements (12) eine Ringspaltdrossel ausbildet.
Magnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (49) zwischen dem Bund (48) am Magnetanker (25a) und der Wand (29a) an dem Führungselement (12) eine Weite (W) aufweist, dass der Bund (48) in Axialrichtung betrachtet eine Höhe (H) aufweist und, dass die Höhe (H) vorzugsweise zwischen dem 2-Fachen und dem 10-Fachen der Weite (W) entspricht.
Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsraum (36) eine Dämpfungsfläche (35) aufweist, dass in dem Niederdruckbereich (8) ein absoluter Flüssigkeitsdruck (P) herrscht und, dass sich die Dämpfungsfläche (35) berechnet aus Dämpfungsfläche (35) > 50 mm²/√(p), wobei der Druck (p) in bar gemessen ist.
Kraftstoff-Injektor (1), insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Magnetventil (100; 100a) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.