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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnungen,
und insbesondere eine Strategie zur Verwendung eines selbstgeführten
Ankers in einer Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung, sowie Kraftstoffinjektoren,
die dieselben verwenden.
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Hintergrund
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Wenngleich
bei den meisten Solenoidanwendungen für Kraftstoffinjektoren
hauptsächlich zweipolige Solenoide verwendet werden, werden
bei einigen Anwendungen noch immer bevorzugt Einzelpol-Solenoide
verwendet. Bei den meisten zweipoligen Solenoidkonstruktionen ist
ein Anker einen durch einen axialen Luftspalt festgelegten Abstand
von einem Stator mit einer darin eingebetteten Spule beabstandet.
Zweipolige Solenoide sind häufig durch einen Ankerdurchmesser
gekennzeichnet, der typischerweise etwa gleich dem oder größer
als der Außendurchmesser der Spulenwicklung der Statoranordnung
ist. Wenn die Spule erregt wird, wird um die Spule ein Magnetfluss
erzeugt, und Flusslinien gehen durch den Stator, zu dem Anker und
zurück zu dem Stator. Der resultierende Flussweg erzeugt
auf jeder Seite des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Anker
ein Paar aus einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol.
Der Fluss zwischen diesen Polen ist allgemein parallel zu der Bewegung
des Ankers. Diese entgegengesetzten Pole erzeugen eine Kraft an
dem Anker, die denselben zur Erfüllung einer Aufgabe wie
beispielsweise dem Öffnen oder Schließen eines
Ventils, etc. in Richtung des Stators und der Spule bewegen. Bei
allen Solenoiden wird ein Magnetflussweg um die Spule erzeugt.
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Bei
einem typischen Einzelpol-Solenoid umgibt der Magnetflussweg ebenfalls
die Spule und geht durch den Stator, den Anker und zurück
zu dem Stator. Der resultierende Flussweg erzeugt zwischen dem Stator
und dem Anker ebenfalls ein Paar aus einem magnetischen Nordpol
und einem magnetischen Südpol. Bei der Einzelpol-Konfiguration
ist der Fluss zwischen den Polen für eine Gruppe von Polen parallel
zu der Bewegung des Ankers und für die andere Gruppe von
Polen senkrecht zu der Bewegung des Ankers. Lediglich eine Gruppe
von Polen erzeugt eine Magnetkraft zur Bewegung des Ankers. Sowohl bei
Einzelpol- als auch bei zweipoligen Konstruktionen bewegt sich der
Anker allgemein zum Verringern der Größe des Luftspalts
zwischen denselben hin zu dem Stator.
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Bei
vielen Einzelpol-Solenoidkonstruktionen muss der Anker ferner gegenüber
einem anderen, zum Schließen des Magnetkreises vorhandenen elektromagnetischen
Bauteil einen radialen Gleitspalt aufweisen. Einzelpol-Solenoide
sind häufig durch einen Ankerdurchmesser gekennzeichnet,
der kleiner als der Innendurchmesser der Spulenwicklung der Statoranordnung
ist. In erster Linie aus Gründen der Herstellung ist dieses
zusätzliche magnetische Stück häufig
nicht Teil des Stators, sondern ist allgemein in Kontakt mit dem
Stator, stationär und zum Schließen des Magnetkreises
des Solenoids angeordnet. Abhängig von der Konfiguration
des Einzelpol-Solenoids wird dieses zusätzliche magnetische
Bauteil manchmal als ein magnetischer Flussring bezeichnet. Wenn
die Spule erregt wird, umgeben die Magnetflusslinien die Spule und
gehen der Reihe nach durch den Stator, den magnetischen Flussring,
den Anker und zurück zu dem Stator, oder umgekehrt. Da
der magnetische Flussring stationär ist, sich der Anker
jedoch bewegt, muss zwischen diesen beiden Bauteilen ein Gleitspalt
vorhanden sein. Für Fachleute ist jedoch offensichtlich,
dass dieser Gleitspalt vorzugsweise so klein wie möglich
ist, damit die größtmöglichen Kräfte
an dem Anker erzeugt werden. Wenn dieser Gleitspalt so klein wird, dass
der Anker den magnetischen Flussring berührt, wird zwar
eine hohe Magnetkraft erzeugt, der Anker ist jedoch möglicherweise
nicht mehr dazu in der Lage, sich zu bewegen. Wenn der Gleitspalt
zu groß wird, kann sich der Magnetfluss manchmal einen Weg
suchen, der eine niedrigere Reluktanz als der Weg über
den Gleitspalt aufweist, so dass möglicherweise die Leistung
des Solenoids beginnt, sich zu verschlechtern.
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Typischerweise
kann der Anker über ein Ankerführungsstück
geführt werden, das durch eine Wechselwirkung mit einer
Führungsbohrung geführt wird. Fachleute werden
einsehen, dass Probleme bei der parallelen Ausrichtung auftreten
können, die mit dem Führen des Ankerführungsstücks
durch eine Führungsbohrung zusammenhängen können.
Beispielsweise könnte das Führungsstück
ein Ventilbauteil sein, das an dem Anker befestigt ist, was bewirkt, dass
die Gleitspaltgeometrie der Solenoidanordnung von der Führungswechselwirkung
des Ventilbauteils vorgegeben wird, das eigentlich kein Teil der
Solenoidanordnung ist. Ein mögliches Problem bei diesen Konfigurationen
schließt eine Fehlausrichtung der Ankerführung
relativ zu der Führungsbohrung ein, wodurch bewirkt wird,
dass das Ankerführungsstück auf einer Seite die
Führungsbohrung berührt, was sich nachteilig auf
die Bewegung des Ankerführungsstücks in einer
Einzelpol-Solenoidanordnung auswirkt. Die Fehlausrichtung kann ferner
dazu führen, dass sich der Anker zu einer Seite neigt,
wodurch er auf einer Seite das Flussringbauteil berührt,
während er sich von der anderen Seite ein Stück
weit wegbewegt, was möglicherweise einen Oberflächenverschleiß und
eine Asymmetrie des Magnetflusses bewirkt und so die Leistung verschlechtert.
Ferner kann ein übermäßiger Kontakt zwischen
dem Anker und dem Flussringbauteil den Anker beschädigen,
was ebenfalls unerwünscht ist.
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Aus
dem Stand der Technik ist die Verwendung eines Flussringbauteils
zum Verringern der Größe des radialen Gleitspalts
zum Erhöhen der Solenoidkraft bekannt. Das für
Coldren et al. erteilte
US-Patent
6,279,843 berücksichtigt die Bedeutung des Aufrechterhaltens
kleiner axialer und radialer Spalte, begegnet jedoch nicht den Problemen,
die daraus entstehen, dass ein Ankerführungsstück
den Anker durch eine Wechselwirkung mit einer Führungsbohrung
führt. Wenngleich das
US-Patent 6,279,843 ein
Verringern einer Fehlausrichtung durch eine konzentrische Kopplung
der Mittellinien des Ankers und des magnetischen Flussringbauteils lehrt,
können aufgrund von aufsummierten geometrischen Toleranzen,
die konstruktionsbedingt bei einem Aufbau aus mehreren Bauteilen
auftreten, nach wie vor Probleme in Bezug auf eine Fehlausrichtung und
eine Verschlechterung der Leistung auftreten.
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Die
vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, mindestens eines der vorher
dargelegten Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem
Aspekt enthält ein Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper,
der einen Düsenauslass festlegt, und eine Ventilanordnung
und eine Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung enthält. Die
Ventilanordnung enthält einen Ventilsitz und ein Ventilbauteil, das
in einer Ventilbohrung verschiebbar ist. Das Ventilbauteil weist
eine Ankerfuß-Kontaktfläche und eine Ventilsitz-Kontaktfläche
auf. Die Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung enthält eine
Statoranordnung, die ein unteres Anschlagbauteil enthält,
und ein Flussringbauteil, das eine Flussinnendurchmesserfläche
aufweist, die eine Flussbohrung festlegt. Eine Ankeranordnung enthält
einen relativ weichen Anker, der an einem relativ harten Fuß befestigt
ist. Der Anker ist in der Flussbohrung des Flussringbauteils zwischen
einer ersten Ankerposition und einer zweiten Ankerposition verschiebbar.
Der Anker enthält eine obere Ankerfläche und eine
Ankeraußendurchmesserfläche. Der Fuß enthält
ein erstes Ende, das eine harte Anschlagfläche festlegt,
und ein zweites Ende, das eine Ventilkontaktfläche festlegt.
Die harte Anschlagfläche des Fußes ist in Kontakt
mit der unteren Anschlagfläche der Statoranordnung, wenn
sich der Anker in der ersten Ankerposition befindet. Die Ventilsitz-Kontaktfläche
des Ventilbauteils ist in Kontakt mit dem Ventilsitz und die Ankerfuß-Kontaktfläche des
Ventilbauteils ist in Kontakt mit der Ventilkontaktfläche
des Fußes, wenn sich der Anker in der zweiten Ankerposition
befindet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors
das Erzeugen eines Magnetflusskreises über einen Gleitspalt,
der zwischen einem Flussringbauteil und einem Anker ausgebildet
ist, der ein Teil einer Ankeranordnung ist, die den an einem Fuß befestigten
Anker enthält. Zwischen einer Statoranordnung und dem Anker
ist ein axialer Luftspalt ausgebildet. Das Erhöhen des
Drucks in einer Nadelsteuerkammer wird durch Verschließen
einer Fluidverbindung zwischen einer Nadelsteuerkammer und einem
Niederdruckablauf durch Inkontaktbringen eines Ventilbauteils mit
einem Ventilsitz erreicht. Der Schritt des Erhöhens des
Drucks beinhaltet das Verschieben eines Fußes aus einer
ersten Ankerposition in eine zweite Ankerposition durch Aberregen
des Einzelpol-Solenoids. Das Verringern des Drucks in der Nadelsteuerkammer
wird durch Öffnen der Fluidverbindung zwischen der Nadelsteuerkammer
und dem Niederdruckablauf durch Außerkontaktbringen des
Ventilbauteils mit dem Ventilsitz erreicht. Der Schritt des Verringerns
des Drucks beinhaltet das Verschieben des Fußes aus der
zweiten Ankerposition in die erste Ankerposition durch Erregen des
Einzelpol-Solenoids. Die Verschiebung des Ventilbauteils wird unabhängig
von der Führung einer Verschiebung des Fußes geführt.
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Gemäß noch
einem anderen Aspekt enthält eine Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung
einen Aktuatorkörper, eine Statoranordnung, ein Flussringbauteil
und eine Aktuatorinnendurchmesserfläche, die eine Aktuatorbohrung
festlegt. Die Statoranordnung enthält eine untere Anschlagfläche.
Das Flussringbauteil weist eine Flussinnendurchmesserfläche auf.
Eine Ankeranordnung enthält einen relativ weichen Anker,
der an einem relativ harten Fuß befestigt ist. Der Fuß enthält
eine Fußaußendurchmesserfläche und ist
in der Aktuatorbohrung verschiebbar. Der Anker enthält
eine obere Ankerfläche und eine Ankeraußendurchmesserfläche.
Zwischen der Ankeraußendurchmesserfläche des Ankers
und der Flussinnendurchmesserfläche des Flussringbauteils
ist ein Gleitspalt ausgebildet. Zwischen der Fußaußendurchmesserfläche
des Fußes und der Aktuatorinnendurchmesserfläche
des Aktuatorkörpers ist ein Fußabstandsspalt ausgebildet.
Der Gleitspalt ist kleiner als der Fußabstandsspalt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Schnittseitenansicht eines Kraftstoffinjektors
gemäß der vorliegenden Offenbarung,
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2 ist
eine schematische Schnittseitenansicht der Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung
des in 1 gezeigten Kraftstoffinjektors, und
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3 ist
eine perspektivische Schnittansicht der Ankeranordnung im Inneren
des Flussringbauteils des in 1 gezeigten
Kraftstoffinjektors.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft einen selbstgeführten
Anker in einer Einzelpol-Solenoidanordnung. Die Einzelpol-Solenoidanordnung
weist einen Gleitspalt auf, der kleiner als ihr axialer Luftspalt sein
kann. Wenn die Solenoidanordnung Teil einer Aktuatoranordnung ist,
kann der Anker eine Führungswechselwirkung aufweisen, die
unabhängig von einer Führungswechselwirkung zwischen
einem Ventilbauteil und einer Ventilbohrung sein kann.
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Bezug
nehmend auf 1 enthält ein Kraftstoffinjektor 10 einen
Injektorkörper 12, der einen Düsenauslass 11 festlegt.
Der Kraftstoffinjektor 10 enthält ferner eine
Düsenanordnung 17, die ein Nadelventil 16 enthält,
das eine Öffnungshydraulikfläche 19 aufweist,
die einem Fluiddruck in einer Düsenkammer 13 ausgesetzt
ist. Das Nadelventil 16 ist zwischen einer Öffnungsposition
und einer Schließposition verschiebbar. Das Nadelventil 16 enthält
ferner eine Schließhydraulikfläche 28,
die einem Fluiddruck in einer Nadelsteuerkammer 14 ausgesetzt
ist. Der Kraftstoffinjektor 10 enthält ferner
eine Ventilanordnung 20 und eine Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30.
Die Ventilanordnung 20 enthält einen Ventilkörper 29,
der ein Teil des Injektorkörpers 12 ist, und einen
Ventilsitz 24. Ein Ventilbauteil 21, das im Inneren
des Ventilkörpers 29 angeordnet ist, enthält einen
Ankerfuß-Kontaktfläche und eine Ventilsitzkontaktfläche 25.
Das Ventilbauteil 21 ist durch eine Wechselwirkung mit
einer durch den Ventilkörper 29 festgelegten Ventilbohrung 27 verschiebbar
geführt. Die Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 enthält eine
Statoranordnung 40, die ein unteres Anschlagbauteil 46 enthalten
kann. Die Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 enthält
ferner ein Flussringbauteil 60 und eine Ankeranordnung 50,
die einen Anker 54 enthält, der an einem Fuß 52 befestigt
ist. Der Kraftstoffinjektor 10 enthält ferner
eine Kühlkraftstoff-Einlassöffnung 84,
die mit einer (nicht gezeigten) Kühlleitung in Fluidverbindung
steht, die ein Kühlfluid durch und/oder um die Solenoidaktuatoranordnung 30 führt.
Ein Ablaufkanal 86 kann abhängig von den Positionen
der Ankeranordnung 50 und des Ventilbauteils 21 in
Bezug auf den Ventilsitz 24 in Fluidverbindung mit der
Nadelsteuerkammer 14 stehen oder fluidmäßig
von derselben getrennt sein. Der Ablaufkanal 86 dient ebenfalls
zum Zurückleiten des Kühlfluids zu einem (nicht
gezeigten) Tank für eine Rückführung.
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Nun
wird auf 2 Bezug genommen, in der die
Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 des Kraftstoffinjektors 10 gezeigt
ist, und auf 3, in der die Ankeranordnung 50 und
das Flussringbauteil 60 genauer gezeigt sind. Die Solenoidaktuatoranordnung 30 ist
in einer Injektorkörperbohrung 15 angeordnet,
die durch die Innenwandfläche 18 des Injektorkörpers 12 festgelegt
ist. Die Statoranordnung 40 enthält einen Innenpol 42 und
einen Außenpol 44, die beide aus einem relativ
weichen magnetischen Material hergestellt sind. Die Statoranordnung 40 enthält ferner
eine Solenoidspule 48, die um einen Spulenkörper 49 gewickelt
ist, der an dem Innenpol 42 befestigt ist. Ein unteres
Anschlagbauteil 46 kann an der Statoranordnung 40 befestigt
sein oder kann ein Teil der Statoranordnung 40 sein. Das
untere Anschlagbauteil 46 enthält eine untere
Anschlagfläche 41, die mit der unteren Statorfläche 43 der
Statoranordnung 40 abschließen kann. Damit es
wiederholte Stöße aushält, kann das untere
Anschlagbauteil 46 aus einem bekannten relativ harten nichtmagnetischen
Material hergestellt sein. Bei einer alternativen Ausführungsform
enthält die Statoranordnung kein unteres Anschlagbauteil 46,
sondern legt auf der unteren Statorfläche 43 der
Statoranordnung 40 eine untere Anschlagfläche 41 fest.
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Die
Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 enthält
ferner ein Flussringbauteil 60, das benachbart zu einer
Innenwandfläche 18 des Injektorkörpers 12 positioniert
ist. Das Flussringbauteil 60 kann aus einem relativ weichen
magnetischen Material hergestellt sein, das gute magnetische Eigenschaften
haben kann. Das Flussringbauteil 60 enthält eine F1ussinnendurchmesserfläche 64 und
eine obere Flussfläche 63, die in Kontakt mit
der unteren Außenpolfläche 45 des Außenpols 44 ist.
Die Flussinnendurchmesserfläche 64 begrenzt eine
Flussbohrung 65. Das Flussringbauteil 60 kann
ferner Abschrägungen 62 enthalten, die dazu beitragen
können, einen Kurzschluss des Magnetflusswegs zwischen
einer oberen Ecke des Flussringbauteils 60 und dem Innenpol 42 zu
verringern, der die Leistung verschlechtern könnte.
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Die
Ankeranordnung 50 der Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 verschiebt
sich entlang der Flussbohrung 65 in axialer Richtung zwischen
einer ersten Ankerposition und einer zweiten Ankerposition. Der
Anker 54 der Ankeranordnung 50 spricht auf einen
Magnetfluss an, der durch die Statoranordnung 40 erzeugt
wird, wenn die Solenoidspule 48 erregt wird. Der Anker 54 der
Ankeranordnung 50 enthält eine obere Ankerfläche 53 und
eine Ankeraußendurchmesserfläche 55.
Die obere Ankerfläche 53 des Ankers 54 und
die untere Statorfläche 43 der Statoranordnung 40 legen
einen axialen Luftspalt 91 fest. Die Ankeraußendurchmesserfläche 55 und
die Flussinnendurchmesserfläche 64 des Flussringbauteils 60 legen
einen radialen Gleitspalt 92 fest.
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Der
Anker 54 ist fest an dem Fuß 52 befestigt,
der ein erstes Ende 56, das eine harte Anschlagfläche 57 festlegt,
und ein zweites Ende 58 enthält, das eine Ventilkontaktfläche 59 festlegt.
Der Anker 54 kann aus einem relativ weichen magnetischen
Material hergestellt sein, derart, dass der Anker 54 stärker als
ein härteres nichtmagnetisches Material auf einen Magnetfluss
anspricht. Der Fuß 52 kann aus einem Material
hergestellt sein, das vergleichsweise härter als das für
den Anker 54 verwendete Material ist, so dass der Fuß 52 dazu
in der Lage sein kann, wiederholte Stöße mit der
unteren Anschlagfläche 41 der Statoranordnung 40 und
der Kontaktfläche 22 des Ventilbauteils 21 auszuhalten.
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Wenn
sich der Anker 54 in der ersten Ankerposition befindet,
ist die harte Anschlagfläche 57 des Fußes 52 in
Kontakt mit der unteren Anschlagfläche 41 der
Statoranordnung 40. Ein axialer Luftspalt 91 ist
als ein Abstand zwischen der oberen Fläche 53 des
Ankers 54 und der unteren Statorfläche 43 der Statoranordnung 40 definiert.
Wenn sich der Anker 54 in der ersten Ankerposition befindet,
ist der axiale Luftspalt 91 ein Endspalt. Bei einer Ausführungsform ist
die harte Anschlagfläche 57 des Fußes 52 präzisionsgeschliffen,
derart, dass der Abstand zwischen der harten Anschlagfläche 57 und
der oberen Ankerfläche 53 des Ankers 54 die
Größe des gewünschten Endspalts hat.
Bei der dargestellten Ausführungsform hat entweder die
Ventilkontaktfläche 59 des Fußes 52 oder
die Fußkontaktfläche 22 des Ventilbauteils 21 eine
flache Oberfläche, während die jeweils andere
Fläche eine konvexe Oberfläche hat. Dies kann
erlauben, dass der Kontakt zwischen den zwei Flächen ein
Punkt-zu-Fläche-Kontakt ist, wodurch die Anfälligkeit
für eine Fehlausrichtung entweder des Fußes 52 oder
des Ventilbauteils 21 mit dem Ventilbauteil 21 oder
dem Fuß 52 verringert wird. Bei einer alternativen
Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, kann eine Ventilanordnung
einen oberen Ventilsitz enthalten, der erlauben kann, dass das Ventilbauteil
und der Fuß den Kontakt zueinander verlieren, wenn sich
der Anker in der ersten Ankerposition befindet. Durch Fernhalten
des Fußes von dem Ventilkörper kann ein Risiko
einer durch die Wechselwirkung des Ventilkörpers mit dem
Fuß bewirkten Fehlausrichtung eliminiert werden.
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Wenn
sich der Anker 54 in der zweiten Ankerposition befindet,
ist die harte Anschlagfläche 57 des Fußes 52 nicht
in Kontakt mit der unteren Anschlagfläche 41 der
Statoranordnung 40 und der axiale Luftspalt 91 ist
ein Ausgangsspalt. Die Ventilkontaktfläche 59 des
Fußes 52 ist in Kontakt mit der Fußkontaktfläche 22 des
Ventilbauteils 21 und das Ventilbauteil 21 sitzt
auf dem Ventilsitz 24. Für Fachleute ist offensichtlich,
dass ein Ausgangs- und ein Endspalt, die so klein wie möglich
gehalten sind, den Magnetfluss zwischen dem Anker 54 und
der Statoranordnung 40 erhöhen können,
wodurch die Ansprechzeit des Ankers 54 verbessert wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der axiale Endspalt 91 etwa
fünfzig Mikrometer betragen.
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Der
Gleitspalt 92 kann kleiner sein als der axiale Luftspalt 91.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Gleitspalt 92 etwa
zehn Mikrometer sein, und der axiale Endspalt 91 kann etwa fünfzig
Mikrometer sein. Der kleine Gleitspalt 92 erlaubt, dass
der von der Solenoidspule 48 erzeugte Magnetflussweg 95 von
der Statoranordnung 40 durch das magnetische Flussringbauteil 60,
zu dem Anker 54 und zurück zu der Statoranordnung 40 fließen
kann. Bei einer Ausführungsform kann der Magnetflussweg 95 von
der Statoranordnung 40 zu dem Injektorkörper 12 und
zu dem magnetischen Flussringbauteil 60 gehen. Der Magnetflussweg 95 kann aufgrund
des schmalen Abstandsspalts 19, der zwischen der Innenwandfläche 18 des
Injektorkörpers 12 und der Flussaußendurchmesserfläche 67 des Flussringbauteils 60 ausgebildet
ist, gleichmäßig und stetig sein.
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Die
Solenoidaktuatoranordnung 30 ist in dem Injektorkörper 12 angeordnet.
Der Außenpol 44 der Statoranordnung 40 kann
von der Innenwand 18 des Injektorkörpers 12 durch
einen Abstandsspalt getrennt sein. Der Abstandsspalt kann so klein
sein, dass der Magnetflussweg 95 von dem Außenpol 44 zu
dem Injektorkörper 12 fließen kann.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform kann in dem Anker 54 mindestens
ein Fluidkanal 78 ausgebildet sein. Der mindestens eine
Fluidkanal 78 erstreckt sich von der oberen Ankerfläche 53 des
Ankers 54 zu der Ankeraußendurchmesserfläche 55 des
Ankers 54. Ferner kann sich entlang des Gleitspalts 92 ein
Kühlzwischenraum 94 erstrecken, der ebenfalls
durch die Ankeraußendurchmesserfläche 55 des
Ankers 54 und die Flussinnendurchmesserfläche 64 des
Flussringbauteils 60 festgelegt ist. Bei einer Ausführungsform
ist der Kühlzwischenraum 94 der selbe Spalt wie
der Gleitspalt 92. Alternativ kann der Kühlzwischenraum
durch Abflachungen oder Nuten festgelegt sein, die mindestens entweder in
dem Anker 54 oder dem Flussringbauteil 60 ausgebildet
sind. Der mindestens eine Fluidkanal 78 kann ebenfalls
die Masse des Ankers verringern, wodurch das Ansprechen des Ankers
auf einen Magnetfluss erhöht wird. Zusätzlich
kann der Anker 54 ebenfalls mindestens eine ringförmige
Ausgleichsnut 68 entlang der Ankeraußendurchmesserfläche 55 des
Ankers 54 enthalten. Die Ausgleichsnut 68 kann
dahingehend wirken, dass der Anker 54 in der Flussbohrung 65 zentriert
bleibt, wenn er sich zwischen der ersten und der zweiten Ankerposition
verschiebt, wodurch das Risiko einer Behinderung der Bewegung des
Ankers durch einen Kontakt mit dem Flussringbauteil 60 verringert
wird.
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Die
Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 enthält
ferner einen Aktuatorkörper 70, der ein Teil des
Injektorkörpers 12 ist und der eine Aktuatorinnendurchmesserfläche 74 enthält,
die eine Aktuatorbohrung 75 festlegt. Der Fuß 52 ist
in der Aktuatorbohrung 75 zwischen der ersten Ankerposition
und der zweiten Ankerposition verschiebbar. Ein Fußabstandsspalt 93 ist
zwischen einer äußeren Fußfläche 72 des
Fußes 52 und der Aktuatorinnendurchmesserfläche 74 des
Aktuators 70 ausgebildet. Der Fuß 52 kann
während der Bewegung der Ankeranordnung 50 zwischen
der ersten und der zweiten Ankerposition durch die Aktuatorbohrung 75 geführt
werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch
der Fußabstandsspalt 93 größer
als der Gleitspalt 92 sein, wodurch die Bewegung des Fußes 52 dadurch
geführt wird, dass der Anker 54 entlang des Flussringbauteils 60 selbstgeführt
ist. Ferner kann der Fuß 52 über eine
Vorspannfeder 76 in Richtung der zweiten Ankerposition
vorgespannt sein.
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Für
Fachleute ist offensichtlich, dass zum Erzielen einer besseren Leistung
der Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 der Gleitspalt 92 so
klein sein kann, wie es aufsummierte geometrische Toleranzen erlauben.
Für Fachleute ist jedoch ebenfalls offensichtlich, dass
unvermeidliche geometrische Toleranzen bei der maschinellen Bearbeitung
der verschiedenen Bauteile eine Begrenzung dahingehend darstellen,
wie klein der Gleitspalt sein kann, damit gewährleistet
ist, dass große, gleichbleibende Stückzahlen der
Einzelpol-Solenoidanordnung hergestellt werden können.
Daher lehrt die vorliegende Offenbarung ebenfalls die von einer
Führung des Ventilbauteils oder des Fußes unabhängige
Verwendung einer Führung des Ankers zum Begrenzen von Leistungsverschlechterungen,
die aufgrund von aufsummierten Toleranzen mehrerer Bauteile auftreten
können.
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Die
Statoranordnung 40, das magnetische Flussringbauteil 60 und
der Anker 54 sind vorzugsweise aus einem relativ weichen
magnetischen Material hergestellt, das ein Material mit einer geeigneten
magnetischen Permeabilität wie Siliziumeisen und/oder ein
unter dem Namen SOMALOY verkauftes magnetisches Material sein kann.
Dies steht im Gegensatz zu dem Material, aus dem die meisten der verbleibenden
beweglichen Teile des Kraftstoffinjektors und des Injektorkörpers
hergestellt sind, die aus relativ harten Materialien hergestellt
sein können. Beispielsweise sind das Ventibauteil 21,
der Fuß 52 und das Nadelventil 16 vorzugsweise
aus einem Material wie Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt,
das eine relativ hohe Härte und eine hohe Zeitfestigkeit,
jedoch eine relativ niedrige magnetische Permeabilität
aufweist. Es wird davon ausgegangen, dass es keine bekannten Materialien
gibt, die zufriedenstellende Eigenschaften hinsichtlich einer Verwendung
für sowohl die magnetischen als auch die stoßenden
Ventilbauteile in einem Kraftstoffinjektor aufweisen. Mit anderen
Worten, metallische Legierungen mit relativ hoher magnetischer Permeabilität sind
allgemein nicht für eine Verwendung für Ventilbauteile
geeignet, die eine geeignete Kombination aus einer hohen Härte
und einer hohen Zeitfestigkeit erfordern. Allgemein ist wünschenswert,
dass alle Bauteile, die sich in der Nähe der magnetischen
Bauteile befinden, und insbesondere diejenigen, die mit denselben
in Kontakt sind, eine relativ niedrige magnetische Permeabilität
aufweisen, so dass wenig oder überhaupt kein magnetischer
Streufluss auftritt. Daher bezeichnet der Ausdruck magnetisches
Material, so wie er hierin verwendet wird, ein Material mit einer
relativ hohen magnetischen Permeabilität, jedoch mit einer
relativ niedrigen Kombination aus Harte und Zeitfestigkeit.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Offenbarung findet insbesondere Anwendung bei Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnungen,
und sie findet potenziell Anwendung bei Anwendungen, die eine Strategie
mit einem selbstführenden Anker in Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnungen
einsetzen.
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Bezug
nehmend auf die Figuren enthält der Kraftstoffinjektor 10 die
Ventilanordnung 20 und die Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30.
Der Kraftstoffinjektor 10 kann auf eine für die
meisten Common-Rail-Kraftstoffinjektoren typische Weise arbeiten.
Die vorliegende Ausführungsform der Offenbarung erlaubt
eine Verbindung der Solenoidaktuatoranordnung 30 mit einer
Ventilanordnung, enthält jedoch eine Ankeranordnung 50,
die nicht an der Ventilanordnung 20 befestigt ist. Dies
erlaubt die unabhängige Führung der Verschiebung
der Ankeranordnung 50 und der Verschiebung des Ventilbauteils 21, was
die Leistung verbessert, während eine Empfindlichkeit im
Hinblick auf geometrische Toleranzen, die mit dem Ausrichten der
Verschiebungswege der Ankeranordnung 50 und des Ventilbauteils 21 verbunden
sind, verringert werden kann. Ferner erlaubt die vorliegende Ausführungsform,
dass der Anker 54 durch das Flussringbauteil 60 ohne
die Führung des Fußes 52 durch die Aktuatorbohrung 75 geführt
werden kann, wodurch das Risiko einer Fehlausrichtung während
der Verschiebung der Ankeranordnung 50 minimiert wird.
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Die
vorliegende Ausführungsform der Offenbarung betrifft einen
durch einen Einzelpol-Solenoid betätigten Common-Rail-Kraftstoffinjektor 10.
Kraftstoff tritt über eine (nicht gezeigte) Rail-Einlassöffnung
in den Kraftstoffinjektor 10 ein und tritt in die Düsenkammer 13 ein.
Kraftstoff in der Düsenkammer 13 bringt einen
Fluiddruck auf die Öffnungshydraulikfläche 19 des
Nadelventils 16 auf, während Kraftstoff in der
Nadelsteuerkammer 14 einen Fluiddruck auf die Schließhydraulikfläche 28 des
Nadelventils 16 aufbringt. Die Nadelsteuerkammer 14 ist
stets über einen (nicht gezeigten) Kanal mit der Düsenkammer 13 fluidverbunden.
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Vor
dem Einleiten eines Einspritzvorgangs ist die Solenoidspule 48 aberregt
und die Ankeranordnung 50 befindet sich in der zweiten
Ankerposition. Bei einer Aberregung ist die Ventilkontaktfläche 59 des
Fußes 52 in Kontakt mit der Fußkontaktfläche 22 des
Ventilbauteils 21 und das Ventilbauteil 21 sitzt auf
dem Ventilsitz 24. Wenn das Ventilbauteil 21 auf dem
Ventilsitz 24 sitzt, ist die Fluidverbindung zwischen der
Nadelsteuerkammer 14 und dem Ablaufkanal 86 verschlossen,
wodurch der Druck, der auf die Schließhydraulikfläche 28 des
Nadelventils 16 wirkt, erhöht ist. Der auf das
Nadelventil 16 wirkende Druck bewirkt, dass sich das Nadelventil 16 in
die Schließposition bewegt oder in dieser Position bleibt, was
verhindert, dass Kraftstoff aus dem Düsenauslass 11 austritt.
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Zum
Einleiten eines Einspritzvorgangs wird die Solenoidspule 48 erregt.
Bei einer Erregung der Solenoidspule 48 wird über
den Gleitspalt 92 und den axialen Luftspalt 91 ein
Magnetflusskreis 95 erzeugt, der bewirkt, dass sich die
Ankeranordnung 50 hin zu der ersten Ankerposition verschiebt.
Die Ankeranordnung 50 wird entlang der Flussbohrung 65 geführt und
verschiebt dadurch den Fuß 52 in Richtung der ersten
Ankerposition. Der Fuß 52 kann durch die Aktuatorbohrung 75 geführt
werden oder auch nicht. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist der Gleitspalt 92 kleiner als der Fußabstandsspalt 93,
wodurch der Fuß 52 ohne eine Führungswechselwirkung
oder einen Kontakt mit der Aktuatorbohrung 75 verschoben wird.
Wenn sich der Fuß 52 hin zu der ersten Ankerposition
verschiebt, bewegt sich das Ventilbauteil 21 weg von dem
Ventilsitz 24. Das Ventilbauteil 21 wird über
die Ventilbohrung 27 unabhängig von der Ankeranordnung 50 geführt.
Wenn sich der Ventilsitz 24 öffnet, wird eine
Fluidverbindung zwischen der Nadelsteuerkammer 14 und dem
Ablaufkanal 86 geöffnet und der Druck in der Nadelsteuerkammer 14 wird verringert.
Die Kraft, die auf die Öffnungshydraulikfläche 19 wirkt,
kann das Nadelventil 16 gegen die Wirkung einer Feder 23 und
die auf die Schließhydraulikfläche 28 ausgeübte
Kraft hin zu der Öffnungsposition verschieben. Kraftstoff
aus der Düsenkammer 13 bewegt sich durch den Düsenauslass 11.
Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Solenoidspule 48 aberregt,
was bewirkt, dass die Ankeranordnung 50 zu der zweiten
Ankerposition zurückkehrt, wodurch das Ventilbauteil 21 auf
dem Ventilsitz 24 aufgesetzt wird. Die Fluidverbindung
zwischen der Nadelsteuerkammer 14 und dem Ablaufkanal 86 wird
verschlossen und der Druck in der Nadelsteuerkammer 14 beginnt,
sich erneut zu erhöhen, wodurch das Nadelventil 16 hin
zu der Schließposition verschoben wird.
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Während
des Betriebs des Kraftstoffinjektors 10 kann die Solenoidspule 48 Wärme
erzeugen, die sich nachteilig auf den Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 auswirken
kann. Die vorliegende Ausführungsform enthält eine
Kühleinlassöffnung 84, durch die ein
Kühlkraftstoff in den Kraftstoffinjektor 10 eintritt und
eine (nicht gezeigte) Kühlleitung durch die Statoranordnung 40 in
den mindestens einen in dem Anker 54 ausgebildeten Fluidkanal 78 hinunterströmt. Der
Fluidkanal 78 kann dem Kraftstoff erlauben, zu dem Kühlzwischenraum 94 zwischen
der Ankeraußendurchmesserfläche 55 und
der Flussinnendurchmesserfläche 64 zu gelangen
und dadurch die Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung 30 zu
kühlen, bevor der Kraftstoff zu dem Ablaufkanal 86 geleitet
wird, wo er aus dem Kraftstoffinjektor 10 austritt. Kraftstoff, der
durch den Kühlzwischenraum 94 strömt,
kann ebenfalls den Anker 54 hin zu einer Mittelposition
in dem Flussringbauteil 60 treiben, indem er erlaubt, dass
das Kühlfluid entlang der Ankeraußendurchmesserfläche 55 des
Ankers 54 einen Fluiddruck aufbringen kann. Für
Fachleute ist offensichtlich, dass eine Kraftstoffversorgung eine
separate Kühlkraftstoffquelle wie beispielsweise eine (nicht
gezeigte) Kraftstofftransferpumpe enthalten kann.
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Die
vorliegende Offenbarung lehrt die Verwendung eines selbstgeführten
Ankers, der unabhängig von einem Ventilbauteil geführt
wird. Durch Führen des Ankers unabhängig von dem
Ventilbauteil wird das Risiko einer Fehlausrichtung des Ankers während
einer Verschiebung verringert, da Fehlausrichtungen bei der Verschiebung
des Ventilbauteils nicht auf Fehlausrichtungen bei der Verschiebung der
Ankeranordnung übertragen werden. Somit kann zwischen dem
Anker und der Statoranordnung eine verbesserte Ansprechzeit vorliegen.
Ferner ist durch Verringern der Größe des Gleitspalts
der Magnetflussweg gleichmäßiger, wodurch die
Genauigkeit der Bewegung des Ankers weiter verbessert wird. Durch
das Einbringen des Kühlkraftstoffs kann die Betriebstemperatur
der Einzelpol-Solenoidaktuatoranordnung verringert werden, was ebenfalls
das Risiko einer Verschlechterung der Leistung aufgrund einer Überhitzung
der Aktuatoranordnung verringern kann.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorhergehende Beschreibung lediglich
der Veranschaulichung dienen soll und die vorliegende Offenbarung
in keiner Weise begrenzen soll. Somit ist für Fachleute
offensichtlich, dass an den vorliegend offenbarten Ausführungsformen
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden könnten,
ohne den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile erschließen sich
aus den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6279843 [0006, 0006]