DE102010038437B4 - Magnetaktor und Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Polkerns für einen Magnetaktor - Google Patents

Magnetaktor und Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Polkerns für einen Magnetaktor Download PDF

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Abstract

Magnetaktor, umfassend:
- einen Polkern (2),
- wobei der Polkern (2) wenigstens einen magnetischen Bereich (3) und wenigstens einen nichtmagnetischen Bereich (4) aufweist,
- wobei der nichtmagnetische Bereich (4) eine magnetische Trennung des magnetischen Bereichs (3) bereitstellt,
- wobei der Polkern (2) als einstückiges Bauteil ausgebildet ist, und
- wobei die magnetischen Bereiche (3) und nichtmagnetischen Bereiche (4) des Polkerns (2) stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgußverfahrens verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) wenigstens zwei magnetische Bereiche (3) und wenigstens zwei nichtmagnetische Bereiche (4) aufweist, die in einer Umfangsrichtung des Polkerns (2) abwechselnd angeordnet sind, wobei die nichtmagnetischen Bereiche (4) eine Trennung der magnetischen Bereiche (3) voneinander bereitstellen, und wobei alle magnetischen Bereiche (3) und alle nichtmagnetischen Bereiche (4) des Polkerns (2) stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahrens verbunden sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetaktor für ein Kraftstoffeinspritzventil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Polkerns für den Magnetaktor.
  • Kraftstoffeinspritzventile des Standes der Technik sind im Wesentlichen als Magnetschaltventile mit einer Spule und einem Magnetaktor aufgebaut, dessen Polkern aus mehreren Sektoren mit einem ferritischen, magnetischen Material ausgebildet ist, die gegeneinander durch eine Oberflächenschicht elektrisch isoliert sind. Ein derartiges Magnetschaltventil ist z. B. aus der DE 196 39 117 A1 bekannt. Durch die dünne Oberflächenschicht und die Kontur des Polkerns kommt es beim Aufbau und Abbau des Magnetfelds im Betrieb zu Wirbelstromverlusten und demzufolge zu einer Minderung der Schaltzeit bzw. Dynamik des Kraftstoffeinspritzventils. Zudem ist die Fertigung des zusammengesetzten Polkern in mehreren Prozessschritten sehr aufwendig.
  • Aus der JP 2005-89 777 A ist es bereits bekannt, ein gesintertes Mehrkomponenten-Bauteil herzustellen. Mehrere Bauteilabschnitte aus verschiedenen Materialien werden dabei mittels eines Mehrkomponenten-Spritzgussverfahrens zu einem einstückigen hülsenförmigen Bauteil zusammengefügt.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 047 525 A1 ist bereits ein elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff, bekannt, das einen Magnetaktor mit mehreren Bauteilen umfasst, wobei mindestens ein Bauteil des Magnetaktors eine Vielzahl von Sektoren aus weichmagnetischem Material und eine Vielzahl von isolierenden Trennstegen aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Sektoren jeweils ein Trennsteg angeordnet ist, welcher die benachbarten Sektoren elektrisch vollständig voneinander trennt. Für die Herstellung der weichmagnetischen Sektoren kommt ein Metallspritzverfahren zur Anwendung, während für die Trennstege ein Keramikspritzverfahren eingesetzt wird.
  • Aus der DE 10 2005 052 252 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, das einen erregbaren Aktuator zur Betätigung eines Ventilschließkörpers, der zusammen mit einer Ventilsitzfläche einen Dichtsitz bildet, aufweist. Stromabwärts der Ventilsitzfläche ist wenigstens eine Abspritzöffnung ausgebildet, aus der Brennstoff in Richtung eines Brennraums abgegeben wird. Nach außen hin wird das Brennstoffeinspritzventil von einem mehrere Bauteile umfassenden Ventilgehäuse begrenzt. Wenigstens eines der das Ventilgehäuse bildenden Bauteile ist dabei mittels Metal-Injection-Molding ausgeformt, insbesondere wenigstens eines der Bauteile Anschlussstutzen, Magnettopf und Düsenkörper.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Magnetaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass hierbei ein Magnetaktor bereitgestellt wird, der einen wirksam wirbelstromminimierten Magnetkreis aufweist und somit deutlich verkürzte Schaltzeiten des Ventils ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Magnetaktor einen Polkern umfasst, der als einstückiges Bauteil mit wenigstens einem magnetischen Bereich und wenigstens einem nichtmagnetischen Bereich ausgebildet ist. Der nichtmagnetische Bereich ermöglicht dabei eine magnetische Trennung, wobei zwischen dem magnetischen und dem nichtmagnetischen Bereich eine stoffschlüssige Verbindung mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahrens vorhanden ist. Somit kann die Herstellung des einstückigen Polkerns des Magnetaktors in einem Prozessschritt mit geringen Taktzeiten und Stückkosten auf einfache Weise als Massenteil realisiert werden.
  • Erfindungsgemäß weist der Polkern wenigstens zwei magnetische Bereiche und wenigstens zwei nichtmagnetische Bereiche auf, die in einer Umfangsrichtung des Polkerns abwechselnd angeordnet sind. Dadurch werden die magnetischen Bereiche durch die nicht magnetischen Bereiche voneinander getrennt, wobei die magnetischen Bereiche und nichtmagnetischen Bereiche des Polkerns stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgußverfahrens verbunden sind.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Vorzugsweise sind zwei Seitenflächen der nichtmagnetischen Bereiche des Polkerns zueinander parallel, wodurch der Magnetaktor eine besonders hohe Dynamik erreicht. Eine Breite des nichtmagnetischen Bereichs ist dabei so groß gewählt, dass eine elektrische Trennung von benachbarten magnetischen Bereichen erreicht ist. Eine Sektorfläche der nichtmagnetischen Bereiche ist deutlich kleiner als die der magnetischen Bereiche, vorzugsweise um den Faktor 4 bis 6, insbesondere um den Faktor 5.
  • Weiterhin bevorzugt weist der Polkern einen radial nach außen verlaufenden Flansch auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Flansch eine Durchführung für eine elektrische Kontaktierung angeordnet. Hierdurch wird eine kurze Kabelführung vollständig im Inneren des Ventilgehäuses ermöglicht, die eine betriebssichere elektrische Kontaktierung des Magnetaktors gewährleistet. Ferner kann in einem Herstellungsschritt mittels des Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgußverfahrens gleichzeitig auch das Spulengehäuse hergestellt werden.
  • Vorzugsweise weist der Polkern ein in axialer Richtung verlaufendes Spulengehäuse auf, sodass eine Spule in radialer Richtung zwischen dem Spulengehäuse und dem Polkern angeordnet ist. Dadurch wird eine kompakte Bauform des Magnetaktors realisiert, die zu einem minimierten Bauvolumen des gesamten Kraftstoffeinspritzventils beträgt.
  • Weiterhin bevorzugt ist eine axiale Erstreckung des Polkerns größer als eine axiale Erstreckung des Spulengehäuses. Dadurch das der Einspritzseite zugewandte Ende auf einfache und kostengünstige Weise am Ventilgehäuse fixiert werden, während das der Einspritzseite abgewandte Ende des Polkerns im Innern des Ventilgehäuses abgestützt wird. Somit ist eine rasche Fertigung mit einer geringen Anzahl von Montageschritten möglich.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Polkern eine zentrale Durchgangsöffnung auf. Hierdurch wird eine betriebssichere Führung einer darin angeordneten Ventilnadel samt Rückstellfeder und Hülse sichergestellt.
  • Vorzugsweise weist der Polkern eine gerade Anzahl von magnetischen Bereichen, insbesondere vier magnetische Bereiche, und eine gerade Anzahl von nichtmagnetischen Bereichen, insbesondere vier nichtmagnetische Bereiche, auf. Weiterhin bevorzugt weist der Polkern einen symmetrischen Aufbau auf. Hierdurch wird bereits durch eine geringe Anzahl von magnetischen und nicht magnetischen Bereichen eine drastische Reduzierung der Wirbelstromverluste bei Magnetfeldänderungen im Betrieb des Magnetaktors erreicht. Zudem weist der Polkern dadurch eine einfache und kostengünstig herstellbare Bauform auf.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Polkerns für einen Magnetaktor, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines magnetischen und eines nichtmagnetischen Materials, und Herstellen von nichtmagnetischen Bereichen und magnetischen Bereichen des Polkerns mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahrens zur Herstellung von stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den magnetischen und nichtmagnetischen Bereichen. Erfindungsgemäß weist der Polkern wenigstens zwei magnetische Bereiche und wenigstens zwei nichtmagnetische Bereiche auf, die in einer Umfangsrichtung des Polkerns abwechselnd angeordnet werden. Dadurch werden die magnetischen Bereiche durch die nicht magnetischen Bereiche voneinander getrennt, wobei die magnetischen Bereiche und nichtmagnetischen Bereiche des Polkerns stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgußverfahrens verbunden werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Herstellung des einstückigen Polkerns mit hoher Reproduzierbarkeit erfolgen, sodass ein Magnetaktor bereitgestellt wird, der die Schaltzeiten des Kraftstoffeinspritzventils drastisch reduziert, wodurch beim Einsatz, z. B. in einem Kraftfahrzeug, eine deutlich geringere Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt werden muss. Durch die reduzierte Einspritzmenge wird das Leerlaufverhalten des Motors verbessert. Dies führt zu einem deutlich verbesserten Abgasverhalten des Motors. Ferner ist das Verfahren auch für die Fertigung komplexer Bauteile in verschiedenen Größen äußerst wirtschaftlich einsetzbar.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem Magnetaktor gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 2 eine Schnittansicht längs einer Ebene A-A des Kraftstoffeinspritzventils von 1,
    • 3 eine Schnittansicht des Polkerns gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    • 4 eine Schnittansicht längs einer Ebene B-B des Polkerns von 3.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 ein Magnetaktor gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Polkerns des Magnetaktors detailliert beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzventils 10 zum Steuern eines Fluids gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 umfasst ein Ventilgehäuse 11, in dessen Innern eine nach innen öffnende Ventilnadel 12 mit einen darauf angeordneten Rückstellelement 14 und einem Druckstück 15 vorgesehen ist. Ferner ist ein Magnetaktor 1 vorgesehen, der einen an der Ventilnadel 12 fixierten Magnetanker 13, sowie einen Polkern 2 und eine Spule 8 umfasst, die koaxial zu einer Mittelachse X in einem Spulengehäuse 7 in radialer Richtung zwischen dem Spulengehäuse 7 und dem Polkern 2 angeordnet sind. Der Polkern 2 weist eine Durchgangsöffnung 9 auf, in der die Ventilnadel 12 mit dem Rückstellelement 14 und dem Druckstück 15 geführt ist. Der Polkern 2 weist ferner einen radial nach außen verlaufenden Flansch 5 auf, in dem eine Durchführung 6 für eine elektrische Kontaktierung der Spule 8 ausgebildet ist. Wie aus 1 weiter ersichtlich, ist die axiale Erstreckung des Polkerns 2 größer als die axiale Erstreckung des Spulengehäuses 7 ausgebildet. Das der Einspritzseite zugewandte Ende des Polkerns 2 ist zwischen der Spule 8 und dem Magnetanker 13 aus dem Spulengehäuse 7 herausgeführt und auf der Außenseite am Ventilgehäuses 11 befestigt. Bei Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird die Ventilnadel 12 in Richtung der Mittelachse X zum Polkern 2 hin bewegt und beim Abschalten durch das Rückstellelement 14 wieder in die Ausgangsposition zurückgeführt.
  • Der Polkern 2 weist zwei in der Darstellung von 1 sichtbare nichtmagnetische Bereiche 4, sowie an seinen der Einspritzseite zugewandten und abgewandten Enden magnetische Bereiche 3 auf. Wie aus 2 ersichtlich, die eine Schnittdarstellung längs einer Ebene A-A von 1 veranschaulicht, sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel vier nichtmagnetische Bereiche 4 vorgesehen, die in einem Winkelabstand von 90° am Polkern 2 angeordnet sind und die vier magnetischen Bereiche 3 voneinander magnetisch trennen. Die nichtmagnetischen Bereiche 4 werden durch jeweils zwei zueinander parallele Seitenflächen 4a, 4b, und jeweils eine konvex ausgebildete äußere Stirnfläche und eine konkav ausgebildete innere Stirnfläche begrenzt. Hierbei entspricht die konvexe Krümmung der äußeren Stirnfläche dem Außendurchmesser des Polkerns 2 und die konkave Krümmung der inneren Stirnfläche dem Außendurchmesser der Durchgangsöffnung 9. Die Anzahl der magnetischen und nichtmagnetischen Bereiche 3, 4 kann alternativ zur hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel gemäß einer gewünschten Funktionalität des Magnetaktors entsprechend variiert werden, mindestens sind jedoch zwei nichtmagnetische Bereiche vorhanden bzw. vorgesehen.
  • Die Herstellung des Polkerns 2 des Magnetaktors 1 erfolgt vorzugsweise durch ein Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahren. Dabei können alternativ entweder zuerst die nichtmagnetischen Bereiche 4 aus nichtmagnetischem Material und danach die magnetischen Bereiche 3 aus magnetischem Material oder in umgekehrter Reihenfolge gespritzt und in einem Fertigungsschritt zeit- und kosteneffizient stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Durch die sehr gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens ist eine geringe Streuung der magnetischen Werte des Polkerns 2 des Magnetaktors 1 erreichbar.
  • Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren können einstückige Polkerne 2 für die erfindungsgemäßen Magnetaktoren 1 auch mit komplexen Konturen besonders wirtschaftlich in einem einzigen Fertigungsprozess gefertigt werden, was mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht erreichbar ist. Ferner ist eine Bauteilintegration des Spulengehäuses 7 möglich, wodurch Montage- und Verbindungsprozesse und die damit verbundenen Prüfschritte bei der Herstellung eingespart werden können. Gemäß den erreichbaren reduzierten Wirbelstromverlusten wird insbesondere das bei Hochdruckeinspritzventilen gewünschte und erforderliche Dynamikverhalten deutlich verbessert, was zu einem erheblich verbesserten Kraftstoffverbrauch und Emissionsverhalten des Motors beiträgt.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 und 4 ein Magnetaktor gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. Gleiche oder funktional gleiche Bauteile sind hier mit denselben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
  • Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel weist das zweite Ausführungsbeispiel einen Polkern 2 ohne integriertes Spulengehäuse 7 auf (3) auf, welcher ebenfalls mit vier magnetischen Bereichen 3 und vier nichtmagnetischen Bereichen 4 ausgebildet ist, die im Winkelabstand von 90° zueinander abwechselnd angeordnet sind, wie dies in der in 4 dargestellten Schnittansicht der Ebene B-B von 3 veranschaulicht ist. Die stirnseitigen axialen Enden 31, 32 weisen hierbei ebenso wie bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel jeweils einen vollständig umlaufenden magnetischen Bereich 3 auf.

Claims (10)

  1. Magnetaktor, umfassend: - einen Polkern (2), - wobei der Polkern (2) wenigstens einen magnetischen Bereich (3) und wenigstens einen nichtmagnetischen Bereich (4) aufweist, - wobei der nichtmagnetische Bereich (4) eine magnetische Trennung des magnetischen Bereichs (3) bereitstellt, - wobei der Polkern (2) als einstückiges Bauteil ausgebildet ist, und - wobei die magnetischen Bereiche (3) und nichtmagnetischen Bereiche (4) des Polkerns (2) stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgußverfahrens verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) wenigstens zwei magnetische Bereiche (3) und wenigstens zwei nichtmagnetische Bereiche (4) aufweist, die in einer Umfangsrichtung des Polkerns (2) abwechselnd angeordnet sind, wobei die nichtmagnetischen Bereiche (4) eine Trennung der magnetischen Bereiche (3) voneinander bereitstellen, und wobei alle magnetischen Bereiche (3) und alle nichtmagnetischen Bereiche (4) des Polkerns (2) stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahrens verbunden sind.
  2. Magnetaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Seitenflächen (4a, 4b) der nichtmagnetischen Bereiche (4) des Polkerns (2) zueinander parallel ausgebildet sind.
  3. Magnetaktor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) einen radial nach außen verlaufenden Flansch (5) umfasst.
  4. Magnetaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Flansch (5) eine Durchführung (6) für eine elektrische Kontaktierung angeordnet ist.
  5. Magnetaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) ein in axialer Richtung verlaufendes Spulengehäuse (7) aufweist, so dass eine Spule (8) in radialer Richtung zwischen dem Spulengehäuse (7) und dem Polkern (2) angeordnet ist.
  6. Magnetaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Erstreckung des Polkerns (2) größer ist als eine axiale Erstreckung des Spulengehäuses (7).
  7. Magnetaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) eine zentrale Durchgangsöffnung (9) aufweist.
  8. Magnetaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) eine gerade Anzahl von magnetischen Bereichen, insbesondere vier magnetische Bereiche (4), und eine gerade Anzahl von nichtmagnetischen Bereichen, insbesondere vier nichtmagnetische Bereiche (3) aufweist.
  9. Magnetaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (2) einen symmetrischen Aufbau aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Polkerns (2) für einen Magnetaktor (1), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines magnetischen und eines nichtmagnetischen Materials, und - Herstellen von nichtmagnetischen Bereichen (4) und magnetischen Bereichen (3) des Polkerns (2) mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahrens, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei der Polkern (2) derart aufgebaut wird, dass er wenigstens zwei magnetische Bereiche (3) und wenigstens zwei nichtmagnetische Bereiche (4) aufweist, die in einer Umfangsrichtung des Polkerns (2) abwechselnd angeordnet werden, wobei die nichtmagnetischen Bereiche (4) eine Trennung der magnetischen Bereiche (3) voneinander bereitstellen, und wobei alle magnetischen Bereiche (3) und alle nichtmagnetischen Bereich (4) des Polkerns (2) stoffschlüssig mittels eines Zweikomponenten-Metallpulver-Spritzgussverfahrens verbunden sind.
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