-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Solche Einspritzventile sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 058 803 A1 ein Einspritzventil mit einem Ventilsitzträger bekannt, mit einem am Ende des Ventilsitzträgers sich befindlichen, eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz, mit einer im Ventilsitzträger koaxial angeordneten, axial verschiebbar geführten Ventilnadel, die an ihrem dem Ventilsitz zugekehrten Nadelende eine mit dem Ventilsitz zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung zusammenwirkendes Ventilschließglied trägt, mit einem Elektromagneten zur Hubbetätigung der Ventilnadel, der einen inneren, hohlzylindrischen Magnetkern, einen äußeren Magnettopf, eine dazwischenliegende, an einem Anschlussstecker angeschlossene Magnetspule und einen dem Magnetkern axial gegenüberliegenden Magnetanker aufweist, der an dem vom Ventilschließglied abgekehrten Nadelende der Ventilnadel angeordnet ist, wobei Ventilöffnung und Ventilsitz am einteiligen Ventilsitzträger selbst ausgebildet sind, wobei Magnetspule und Anschlussstecker in einem kunststoffumspritzten separaten Spulenteil zusammengefasst sind.
-
Ventilnadeln von bekannten Einspritzventilen sind aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Dadurch weisen die Ventilnadeln ein vergleichsweise hohes Gewicht auf, wodurch die Dynamik des Einspritzventils eingeschränkt ist. Außerdem haben metallische Ventilnadeln den Nachteil, dass die Fertigungstoleranzen sehr niedrig sind, wodurch Materialkosten und Fertigungskosten vergleichsweise hoch sind. Weiterhin sind metallische Werkstoffe vergleichsweise unelastisch, sodass die Dichtheit am Ventilsitz schwierig zu realisieren ist. Die Anforderungen an die Dichtgeometrien der Ventilsitze sind daher vergleichsweise hoch.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Einspritzventil, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ventilnadel gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Ventilnadel im Wesentlichen aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist und dadurch ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist. Durch dieses geringe Gewicht ist es möglich, die Dynamik des Einspritzventils erheblich zu verbessern. Außerdem ist Kunststoffmaterial preiswerter als die bisher verwendeten metallischen Werkstoffe, die für Ventilnadeln verwendet werden. Weiterhin sind weniger Fertigungsschritte notwendig als bei Fertigung aus metallischen Werkstoffen, sodass auch die Fertigungskosten von Ventilnadeln aus Kunststoff niedriger sind als die Fertigungskosten von Ventilnadeln aus metallischen Werkstoffen.
-
Neben den geringeren Material- und Fertigungskosten bietet eine Ventilnadel aus Kunststoff weitere Vorteile. Durch die große Biegeweichheit von Kunststoff ist es möglich, Abweichungen von Fertigungstoleranzen auszugleichen. Durch die Elastizität von Kunststoff ist es möglich die Dichtheit der Ventilnadel am Ventilsitz zu verbessern und die Anforderungen an die Dichtgeometrie des Ventilsitzes zu reduzieren.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ventilnadel eine Verstärkungsstruktur aufweist, wobei insbesondere diese Verstärkungsstruktur einzelne im Wesentlichen entlang von Kraftlinien angeordnete Fasern aufweist. In die Zylinderwand der Ventilnadel sind beispielsweise Verstärkungsstrukturen eingebracht, die aus Fasern bestehen, die entlang von Kraftlinien angeordnet sind. Die Fasern bestehen insbesondere aus Glasfasermaterial, Kohlenstofffasermaterial, Aramidfasermaterial (insbesondere Kevlarmaterial), Borfasermaterial oder Keramikfasermaterial. Die Fasern dienen der Verstärkung der Kunststoffstruktur der Ventilnadel. Insbesondere bei der Betätigung der Ventilnadel treten Zugkräfte in axialer Richtung auf, die die Kunststoffstruktur belasten. Durch die Verstärkungsfasern ist eine verbesserte Zugfestigkeit der Struktur erreichbar.
-
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetanker als magnetisches Einlegeteil an der Ventilnadel angeordnet ist, wobei der Magnetanker bevorzugt im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Durch die ringförmige Ausbildung des magnetischen Einlegeteils ist es vorteilhaft möglich, den Magnetanker auf einfache Weise in die Ventilnadel zu integrieren.
-
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetanker mittels 2-Komponenten-Spritzgussverfahren in die Ventilnadel eingebracht ist. Anstatt den Magnetanker als Einlegeteil zu realisieren ist es vorteilhaft möglich, den Magnetanker vergleichsweise kostengünstig in die Ventilnadel zu integrieren. Außerdem sind nur vergleichsweise wenige Fertigungsschritte zur Herstellung der Ventilnadel notwendig.
-
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ventilnadel in axialer Richtung am dem Magnetkern zugewandten Ende der Ventilnadel einen Überstand aufweist. Dieser Überstand dient dazu, dass zwischen Magnetanker und Magnetkern ein Abstand eingehalten werden kann, wenn beim Betätigen des Einspritzventils der Magnetanker mit der Ventilnadel zum Magnetkern gezogen wird. Der Vorteil des Überstandes aus dem Kunststoffmaterial ist, dass dadurch der Abstand zwischen Magnetanker und Magnetkern variabel bei der Herstellung der Ventilnadel eingestellt werden kann. Weiter vorteilhaft ist, dass der Abstand nicht durch konstruktive Maßnahmen (wie eine Stufe oder einen Anschlag) aufwendig hergestellt werden muss und dass dadurch ein Fertigungsprozess eingespart werden kann.
-
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ventilnadel am in axialer Richtung der Ventilöffnung zugewandten Ende der Ventilnadel ein Ventilschließglied aufweist, wobei das Ventilschließglied aus einem Metallmaterial gefertigt ist, bevorzugt aus einem Keramikmaterial gefertigt ist, weiterhin bevorzugt ringförmig ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, dass der Dichtsitz zwischen Ventilschließglied und Ventilsitz insbesondere durch ein gehärtetes Metallmaterial optimiert wird.
-
Bevorzugt weist die Ventilnadel im Bereich des Dichtsitzes ein weiteres Einlegeteil zur Verbesserung der Dichtheit zwischen Ventilnadel und Ventilsitz auf. Bevorzugt ist das weitere Einlegeteil ringförmig ausgebildet. Weiter bevorzugt weist das Einlegeteil ein Stahlmaterial oder ein Keramikmaterial auf.
-
Bevorzugt ist das weitere Einlegeteil mittels 2-Komponenten-Spritzgussverfahren in die Ventilnadel eingebracht. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, das Einlegeteil vergleichsweise kostengünstig in die Ventilnadel zu integrieren. Außerdem sind nur vergleichsweise wenige Fertigungsschritte zur Herstellung der Ventilnadel mit diesem verbesserten Dichtsitz notwendig.
-
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils, wobei eine koaxial angeordnete Ventilnadel axial verschiebbar geführt wird, wobei ein Elektromagnet mit einem Magnetkern, einem Magnettopf einer Magnetspule und einem Magnetanker angeordnet wird, wobei der Magnetanker an der Ventilnadel dem Magnetkern axial gegenüberliegend angeordnet wird, wobei die Ventilnadel im Wesentlichen aus einem Kunststoffmaterial gefertigt wird und lediglich in einem Teilbereich aus einem metallischen Material zur Hubbetätigung gefertigt wird. Der Vorteil dieses Herstellungsverfahrens ist, dass die Herstellung vergleichsweise kostengünstig und mit vergleichsweise wenigen Fertigungsschritten erfolgt.
-
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ventilnadel für ein Einspritzventil, wobei die Ventilnadel im Einspritzventil koaxial angeordnet ist und axial verschiebbar geführt ist, wobei an der Ventilnadel ein Magnetanker angeordnet ist, wobei der Magnetanker einem Magnetkern axial gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel im Wesentlichen aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist und lediglich in einem Teilbereich ein metallisches Material zur Hubbetätigung umfasst. Die Ventilnadel aus einem Kunststoffmaterial weist ein vergleichsweise geringes Gewicht auf. Durch dieses geringe Gewicht ist es möglich, die Dynamik des Einspritzventils erheblich zu verbessern. Außerdem ist Kunststoffmaterial preiswerter als die bisher verwendeten metallischen Werkstoffe, die für Ventilnadeln verwendet werden. Weiterhin sind weniger Fertigungsschritte notwendig als bei Fertigung aus metallischen Werkstoffen, sodass auch die Fertigungskosten von Ventilnadeln aus Kunststoff niedriger sind als die Fertigungskosten von Ventilnadeln aus metallischen Werkstoffen.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils gemäß dem Stand der Technik,
-
2 eine schematische Darstellung einer Ventilnadel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
-
3 eine schematische Darstellung einer Ventilnadel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
-
Das in 1 im Längsschnitt schematisiert dargestellte Einspritzventil gemäß dem Stand der Technik wird in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Es weist einen Ventilsitzträger 11, eine im Ventilsitzträger 11 koaxial angeordnete Ventilnadel 12, einen Elektromagneten 13 zum Betätigen der Ventilnadel 12, sowie einen Anschlussstutzen 14 zum Zuführen von Kraftstoff auf.
-
Beim Herstellen des Ventilsitzträgers 11 wird in dessen Bodenbereich eine Ventilöffnung 15 und ein diese umschließender Ventilsitz 16 aus- bzw. angeformt. Im Boden des Ventilsitzträgers 11 ist auf der vom Ventilsitz 16 abgekehrten Außenseite eine Ausnehmung koaxial zur Ventilöffnung 15 eingeformt, in die eine Spritzlochscheibe 17 eingeklebt ist. An seinem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende ist der Ventilsitzträger 11 mit einer außen umlaufenden Ringnut 18 versehen.
-
Die hohlzylindrische Ventilnadel 12 ist an ihrem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende zum Kraftstoffeintritt offen und trägt an ihrem dem Ventilsitz 16 zugekehrten anderen Ende ein Ventilschließglied 19, das mit dem Ventilsitz 16 zum Freigeben und Schließen der Ventilöffnung 15 zusammenwirkt. Zum Kraftstoffaustritt ist die Ventilnadel 12 mit einem radial durch die Zylinderwand hindurchgehenden Austrittsloch 20 versehen. An dem vom Ventilschließglied 19 abgekehrten Ende der Ventilnadel 12 ist ein Magnetanker 21 angeordnet, über den die Ventilnadel 12 in dem Ventilsitzträger 11 axial verschiebbar geführt ist. Eine innen am Ventilschließglied 19 ausgerichtete ebene Fläche 22 dient als Reflexionsfläche für einen Laserstrahl bei der Trockeneinstellung des Ventilhubs.
-
Der Elektromagnet 13 umfasst neben dem mit der Ventilnadel 12 einstückig ausgebildeten Magnetanker 21 einen innenliegenden, hohlzylindrischen Magnetkern 23, einen außenliegenden, tiefgezogenen Magnettopf 24 und eine zwischen Magnetkern 23 und Magnettopf 24 einliegende Magnetspule 25, die aus auf einen Spulenkörper aufgewickelten Erregerwicklungen besteht. Die Magnetspule 25 ist an einem Anschlussstecker 26 angeschlossen. Der hohlzylindrische Magnetkern 23 ist an dem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende des Ventilsitzträgers 11 in diesen eingepresst. Seine Einpresstiefe bestimmt den Hub der Ventilnadel 12.
-
Die Magnetspule 25 und der Anschlussstecker 26 sind zu einem kunststoffumspritzten Spulenteil 27 zusammengefasst, das auf den Ventilsitzträger 11 aufgeschoben wird. Auf das kunststoffumspritzte Spulenteil 27 wird der Magnettopf 24 aufgesetzt, der mit seinem Topfboden 241 den Ventilsitzträger 11 umschließt und mit seinem Topfmantel 242 am Topföffnungsrand einen am Ventilsitzträger 11 angeformten Radialflansch 111 nahezu spiellos übergreift. Der Radialflansch 111 ist in Höhe des Magnetkerns 23 an der Ventilnadel 12 angeordnet.
-
Die Ventilnadel 12 wird mit ihrem Ventilschließglied 19 durch eine als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 28 auf den Ventilsitz 16 aufgepresst. Hierzu stützt sich die Ventilschließfeder 28 einerseits in einer im Innern der Ventilnadel 12 ausgebildeten, radialen Ringschulter 121 und andererseits an einer Einstellhülse 29 ab, die in den Magnetkern 23 eingepresst ist. Die Einpresstiefe der Einstellhülse 29 bestimmt die Federvorspannung der Ventilschließfeder 28 und damit die Schließkraft der Ventilnadel 12. Bei geschlossenem Ventil ist zwischen den ringförmigen Stirnflächen von Magnetanker 21 und Magnetkern 23 ein Arbeitsluftspalt 30 vorhanden. Der Magnetkern 23, der Magnettopf 24, der Radialflansch 111 und der Magnetanker 21 bilden einen Magnetkreis.
-
Der Anschlussstutzen 14 ist als separates Kunststoffspritzgussteil mit integriertem Filter 31 hergestellt. Er weist einerseits einen Ringsteg 141, der mit der Ringnut 18 am Ventilsitzträger 11 eine Klipsverbindung herstellt, und eine radial abstehende Montagenase 142 auf, die als Verdrehsicherung dient und zum lagerichtigen Einsetzen des Einspritzventils in eine Kraftstoffsammelleitung dient.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ventilnadel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Um die Dynamik des Einspritzventils zu erhöhen, wird das Gewicht der Ventilnadel reduziert. Dies soll durch die erfindungsgemäße Ventilnadel 12 aus einem Kunststoffmaterial erreicht werden. Weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ventilnadel 12 ist, dass durch das vergleichsweise biegeweiche Kunststoffmaterial Abweichungen bei der Fertigung von den Sollwerten vergleichsweise gut ausgeglichen werden können. Außerdem können Materialkosten und die Anzahl der Fertigungsschritte reduziert werden.
-
Die Herstellung erfolgt beispielsweise in einem Spritzgussverfahren. Das Kunststoffmaterial besteht beispielsweise aus einem Duroplastmaterial oder einem Thermoplastmaterial. Insbesondere bietet ein Duroplastmaterial den Vorteil, dass das Duroplastmaterial mit vergleichsweise vielen Faserarten kombinierbar ist, wobei Duroplastmaterial beispielsweise zur Ummantelung von Fasern aus Glasfasermaterial, Kohlenstofffasermaterial, Aramidfasermaterial (insbesondere Kevlarmaterial), Borfasermaterial oder Keramikfasermaterial vergleichsweise gut geeignet ist. Weiterhin weist Duroplastmaterial die Vorteile auf, dass es eine vergleichsweise gute Lagerstabilität aufweist, dass es eine vergleichsweise kurze Aushärtezeit insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen benötigt, dass es bei Wandstärken im Wesentlichen bis 100 mm einsetzbar ist und dass es ein vergleichsweise gutes Lagerverhalten bei Feuchtigkeitslagerung aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft möglich, Duroplastmaterial mit im Wesentlichen allen bekannten Herstellungstechnologien zu verarbeiten.
-
Die Ventilnadel 12 ist im Wesentlichen in Form eines Hohlzylinders mit einer Zylinderwand 200 hergestellt. Die Ventilnadel weist drei Durchlassbohrungen 201 für den Kraftstoff bzw. für die zu verspritzende Flüssigkeit auf, wobei sich eine Durchlassbohrung 201 in axialer durch die Ventilnadel erstreckt und sich zwei Durchlassbohrungen 201 in radialer Richtung durch die Zylinderwand 200 erstrecken.
-
Die Ventilnadel 12 weist an ihrem der Ventilöffnung 15 abgewandten Ende den Magnetanker 21 auf. Bei Betätigung des Elektromagneten 13 bewirkt eine magnetische Kraft, dass der feste Magnetkern 23 den beweglichen Magnetanker 21 anzieht, sodass die Ventilnadel 12 sich in Richtung Magnetkern 23 bewegt und die Ventilöffnung 15 freigibt. Der Magnetanker 21 ist entweder als magnetisches Einlegeteil in Form eines Ringes in die Ventilnadel 12 eingebracht oder mittels 2-Komponenten-Spritzgussverfahren als metallische Komponente in der Ventilnadel 12 hergestellt. In axialer Richtung in Richtung des der Ventilöffnung 15 abgewandten Endes der Ventilnadel 12 erstreckt sich ein Überstand 202, der aus Kunststoffmaterial gefertigt ist. Dieser Überstand 202 dient dazu, dass zwischen Magnetanker 21 und Magnetkern 23 ein Abstand eingehalten werden kann, wenn beim Betätigen des Einspritzventils der Magnetanker 21 mit der Ventilnadel 12 zum Magnetkern 23 gezogen wird. Der Vorteil des Überstandes aus dem Kunststoffmaterial ist, dass dadurch der Abstand zwischen Magnetanker 21 und Magnetkern 23 variabel bei der Herstellung der Ventilnadel 12 eingestellt werden kann.
-
Am der Ventilöffnung 15 zugewandten Ende der Ventilnadel 12 weist die Ventilnadel 12 das Ventilschließglied 19 auf. Das Ventilschließglied 19 verschließt die Ventilöffnung 15 (Dichtsitz), wenn die Ventilnadel 12 sich in vorderer Stellung befindet bzw. wenn der Elektromagnet 13 nicht eingeschaltet ist. Das Ventilschließglied 19 ist in der ersten Ausführungsform aus einem Kunststoffmaterial gefertigt, insbesondere ist eine Elastomermaterial für das Ventilschließglied verwendbar. Aufgrund Elastizität des Elastomermaterials ist eine vergleichsweise gute Dichtheit möglich. Außerdem können vergleichsweise geringe Anforderungen an die Dichtgeometrie des Ventilsitzes 16 gestellt werden. Alternativ ist es möglich, den Dichtsitz durch einen metallischen oder einen keramischen Ring zu realisieren.
-
In die Zylinderwand der Ventilnadel 12 sind beispielsweise Verstärkungsstrukturen 203 eingebracht, die aus Fasern bestehen, die entlang von Kraftlinien angeordnet sind. Die Fasern bestehen insbesondere aus Glasfasermaterial, Kohlenstofffasermaterial, Aramidfasermaterial (insbesondere Kevlarmaterial), Borfasermaterial oder Keramikfasermaterial. Die Fasern dienen der Verstärkung der Kunststoffstruktur der Ventilnadel 12. Insbesondere bei der Betätigung der Ventilnadel 12 treten Zugkräfte in axialer Richtung auf, die die Kunststoffstruktur belasten. Durch die Verstärkungsfasern ist eine verbesserte Zugfestigkeit der Struktur erreichbar.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ventilnadel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ventilnadel 12 weist im Unterschied zur ersten Ausführungsform zusätzlich einen Dichtring 300 auf. Der Dichtring 300 ist im vorderen Bereich der Ventilnadel 12 angeordnet und ist ringförmig in die Ventilnadel 12 eingebracht. Durch diesen Dichtring 300 ist ein verbesserter Dichtsitz zwischen Ventilnadel 12 und Ventilsitz 16 erreichbar. Der Dichtring 300 ist aus einem Metallmaterial oder aus einem Keramikmaterial gefertigt. Zur Fertigung ist beispielsweise ein 2-Komponenten-Spritzgussverfahren anwendbar. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu 2 verwiesen.
-
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 102004058803 A1 [0002]
