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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus der
DE 40 08 675 A1 ist bereits ein solches elektromagnetisch betätigbares Ventil in Form eines Brennstoffeinspritzventils bekannt. Das innere Ventilrohr bildet das Grundgerüst des gesamten Einspritzventils und besitzt in seiner Gesamtheit aus den drei Einzelbauteilen eine wesentliche Stützfunktion. Das nichtmagnetische Zwischenteil ist durch Schweißnähte sowohl dicht und fest mit. dem Einlassstutzen als auch mit dem Ventilsitzträger verbunden. Die Wicklungen einer Magnetspule sind in einem Spulenträger aus Kunststoff eingebracht, der wiederum in Umfangsrichtung einen Teil des als Innenpol dienenden Einlassstutzens und auch das Zweischenteil umgibt. In dem Ventilsitzträger ist eine axial bewegbare Ventilnadel angeordnet, die einen hülsenförmigen Anker und einen kugelförmigen Ventilschließkörper sowie ein den Anker mit dem Ventilschließkörper verbindendes Verbindungsrohr umfasst. Das Verbindungsrohr ist mittels Schweißnähten fest mit dem Anker und auch mit dem Ventilschließkörper verbunden.
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Aus der
DE 195 03 224 A1 ist ein weiteres elektromagnetisch betätigbares Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils bekannt. Das Brennstoffeinspritzventil besitzt einen mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden kugelförmigen Ventilschließkörper, der an einem Schließkörperträger in Form eines Kunststoffrohres angebracht ist, während an dem dem Ventilschließkörper gegenüberliegenden Ende ein Anker an dem Kunststoffrohr befestigt ist. Zusammen bilden diese Bauteile eine axial bewegbare Ventilnadel. Das untere Ende des Kunststoffrohres ist kalottenförmig ausgebildet, wobei in der gewölbten Ausnehmung der Ventilschließkörper formschlüssig mittels einer Schnappverbindung festgehalten wird. Das Kunststoffrohr ist im Bereich der unteren Ausnehmung federelastisch ausgeführt, da Haltebacken den Ventilschließkörper umgreifen müssen. Um ein sicheres Festhalten des kugelförmigen Ventilschließkörpers zu gewährleisten, greifen die Haltebacken im montierten Zustand über den Äquator des Ventilschließkörpers hinweg, so dass der Öffnungsdurchmesser der Ausnehmung am Kunststoffrohr unterhalb des Äquators des Ventilschließkörpers kleiner ist als der Durchmesser des Ventilschließkörpers.
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Aus der
DE 10 2005 061 409 A1 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil als Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Magnetkreis mit einem Kern, mit einer Magnetspule, mit einem Anker, der einen mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper betätigt und bei erregter Magnetspule gegen den Kern gezogen wird, und mit einem einen Teil einer Ventilnadel darstellenden Schließkörperträger, an dem der Ventilschließkörper gehalten ist, vorgesehen ist. Der kugelförmige Ventilschließkörper ist an dem Schließkörperträger kraftschlüssig und zusatzmittelfrei aufgrund der Formgebung der korrespondierenden Verbindungsflächen festgehalten.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer kompakten Bauweise. In vorteilhafter Weise ist die Ventilnadel des Ventils vereinfacht aufgebaut, da der Ventilschließkörper als loses Bauteil im Ventil verwendet werden kann. Ein solcher Ventilschließkörper, aus Metall oder Keramik, kann sehr präzise millionenfach exakt reproduzierbar hergestellt und im Ventil verbaut werden.
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Erfindungsgemäß ist ein Federelement derart im Bereich des Ventilschließkörpers angeordnet, dass bei erregter Magnetspule der Ventilschließkörper in Öffnungsrichtung durch die Federwirkung von der Ventilsitzfläche angehoben wird. Das Federelement kann seine Federwirkung bei erregter Magnetspule bereits in dem Moment voll entfalten, in dem durch den Ankeranzug ein stößelartiger Nadelabschnitt der Ventilnadel seine Axialbewegung beginnt, die der Nadel unmittelbar folgend durch den Ventilschließkörper ebenfalls vollzogen wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen elektromagnetisch betätigbaren Ventils möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, das Federelement mit einem Ringkorpus und mit daran abgespreizten Federlaschen auszubilden, wobei der Ringkorpus des Federelements den Ventilsitzkörper an seinem äußeren Umfang umgreift und an einem äußeren Absatz des Ventilsitzkörpers anliegt. Die Federlaschen können durch Ausnehmungen hindurch dann in das Innere des Ventilsitzkörpers ragen und den Ventilschließkörper untergreifen.
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Von Vorteil ist es, dass der Ventilsitzkörper von einem Klemmelement niedergehalten wird, wobei das Klemmelement auch eine axiale Federwirkung auf den Ventilsitzkörper ausübt.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigbares Ventil in einer Teilansicht,
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2 ein Federelement des erfindungsgemäßen Ventils in einer Draufsicht,
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3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2 und
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4 einen Ventilsitzkörper des erfindungsgemäßen Ventils in einer Draufsicht.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Ventils, das als ein elektromagnetisch betätigbares Ventil in der Form eines Einspritzventils dargestellt ist. Ein solches Ventil ist sowohl als Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen als auch als Einspritzventil für aggressive Medien wie AdBlueTM zur Abgasnachbehandlung in selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder für Ethanolkraftstoffe mit kleinem pH-Wert geeignet.
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Das Ventil besitzt einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Innenpol und teilweise als Brennstoffdurchfluss dienenden weitgehend rohrförmigen Kern 2. Die Magnetspule 1 ist von einem äußeren, hülsenförmigen und gestuft ausgeführten, z. B. ferromagnetischen Ventilmantel 5, der ein als Außenpol dienendes äußeres Magnetkreisbauteil darstellt, in Umfangsrichtung vollständig umgeben. Die Magnetspule 1, der Kern 2 und der Ventilmantel 5 bilden zusammen ein elektrisch erregbares Betätigungselement.
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Während die in einem nicht gezeigten Spulenkörper eingebettete Magnetspule 1 mit einer Wicklung eine Ventilhülse 6 von außen umgibt, ist der Kern 2 in einer inneren, konzentrisch zu einer Ventillängsachse 10 verlaufenden Öffnung 11 der Ventilhülse 6 eingebracht. Die Ventilhülse 6 ist langgestreckt und dünnwandig ausgeführt. Die Öffnung 11 dient u. a. als Führungsöffnung für eine entlang der Ventillängsachse 10 axial bewegliche Ventilnadel 14, die als Stößel ausgeführt ist.
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Neben dem Kern 2 und der Ventilnadel 14 ist in der Öffnung 11 des weiteren ein Ventilsitzkörper 15 angeordnet. Der Ventilsitzkörper 15 weist eine feste Ventilsitzfläche 16 als Ventilsitz auf. Die Ventilnadel 14 wird beispielsweise von einem rohrförmigen Anker 17, einem ebenfalls rohrförmigen Nadelabschnitt 18 und einem kugelförmigen Ventilschließkörper 19 gebildet. An der stromabwärtigen Stirnseite des Ventilsitzkörpers 15 ist eine z. B. topfförmige Spritzlochscheibe 21 angeordnet, deren umgebogener und umfangsmäßig umlaufender Halterand 20 in Strömungsrichtung nach unten gerichtet ist. Im Nadelabschnitt 18 der Ventilnadel 14 sind eine oder mehrere Queröffnungen 22 vorgesehen, so dass den Anker 17 in einer inneren Längsbohrung 23 durchströmender Brennstoff nach außen treten und am Ventilschließkörper 19 entlang bis zur Ventilsitzfläche 16 strömen kann.
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Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 14 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer an der Ventilnadel 14 angreifenden Rückstellfeder 25 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem inneren Kern 2, dem äußeren Ventilmantel 5 und dem Anker 17. Der Anker 17 ist mit dem dem Ventilschließkörper 19 abgewandten Ende auf den Kern 2 ausgerichtet. Anstelle des Kerns 2 kann z. B. auch ein als Innenpol dienendes Deckelteil, das den Magnetkreis schließt, vorgesehen sein.
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Der kugelförmige Ventilschließkörper 19, der z. B. aus einer Keramik hergestellt ist, wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 zusammen, die in axialer Richtung stromabwärts einer Führungsöffnung 24 im Ventilsitzkörper 15 ausgebildet ist. Die Führungsöffnung 24 ist über ihren Umfang an wenigstens einer Stelle, im Ausführungsbeispiel an drei Stellen unterbrochen, um den Brennstoff über wenigstens eine einen Kanal bildende Ausnehmung 26 zum Ventilsitz 16 leiten zu können. Die Spritzlochscheibe 21 besitzt wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren, Laserbohren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 27.
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Die Einschubtiefe des Kerns 2 im Einspritzventil ist unter anderem entscheidend für den Hub der Ventilnadel 14. Dabei ist die eine Endstellung der Ventilnadel 14 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 19 an der Ventilsitzfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 14 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 17 am stromabwärtigen Kernende ergibt.
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Der z. B. aus einem keramischen Werkstoff gefertigte Ventilsitzkörper 15 ist gegenüber der Ventilhülse 6 und der Spritzlochscheibe 21 mittels eines Dichtelements 30, das beispielsweise als O-Ring ausgeführt ist, abgedichtet. Das Dichtelement 30 stützt sich dabei axial gegen die Spritzlochscheibe 21 ab. Am Halterand 20 der Spritzlochscheibe 21 ist diese mit der Ventilhülse 6 z. B. mittels einer Schweißnaht 31 dicht und fest verbunden. Anhand von 4 wird deutlich, dass bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Ausnehmungen 26 im Ventilsitzkörper 15 vorgesehen sind. Diese z. B. mit einem Versatz von jeweils 120° über den Umfang des Ventilsitzkörpers 15 eingebrachten Ausnehmungen 26 dienen nicht nur der Zufuhr des abzuspritzenden Mediums zum Ventilsitz 16 hin, sondern auch der Aufnahme eines ringförmigen Federelements 32. Das Federelement 32 besitzt im gezeigten Ausführungsbeispiel neben dem Ringkorpus 34 drei davon abgespreizte Federlaschen 33, die ebenfalls im Winkel von je 120° zueinander angeordnet sind und schräg abgespreizt vom Ringkorpus 34 aus verlaufen. Während der Ringkorpus 34 den Ventilsitzkörper 15 an seinem äußeren Umfang umgreift und an einem äußeren Absatz des Ventilsitzkörpers 15 anliegt, ragen die Federlaschen 33 des Federelements 32 in den Ventilsitzkörper 15 hinein, und zwar in der Weise, dass die Federlaschen 33 weitgehend im gleichen Winkel verlaufen wie der Winkel der Ventilsitzfläche 16, der sich in den Ausnehmungen 26 fortsetzt.
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Das Federelement 32 ist z. B. aus rostfreiem Federstahl mittels Tiefziehen hergestellt, wobei die drei Federlaschen 33 durch Ausstanzen und Umbiegen ihre gewünschte Kontur und Ausrichtung erhalten. Auf den federnden Federlaschen 33 des Federelements 32 ruht der kugelförmige Ventilschließkörper 19. Der Ventilschließkörper 19, der keine feste Verbindung zu dem als Stößel ausgebildeten Nadelabschnitt 18 besitzt, wird bei Erregung der Magnetspule 1 und damit bei angezogenem Anker 17 von den Federlaschen 33 aus dem Ventilsitz 16 gehoben. Bei stromlosem Ventil überdrückt die sehr viel stärkere Rückstellfeder 25 die kleine Federkraft der Federlaschen 33 und sorgt insofern für ein sicheres Schließen des Ventils. Die Ventilnadel 14 ist im Kontaktbereich von Nadelabschnitt 18 und Ventilschließkörper 19 ohne feste Verbindung ausgeführt, so dass der Ventilschließkörper 19 lose an einer planen Endfläche 36 des Nadelabschnitts 18 anliegt. Die Endfläche 36 des Nadelabschnitts 18 kann auch z. B. konvex oder konkav ausgeformt sein. Aus Verschleißschutzgründen ist die Endfläche 36 mit einer Verschleißschutzschicht beschichtet.
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Alternativ zum Tiefziehen kann das Federelement 32 auch z. B. aus einem Bandmaterial ausgestanzt werden. Nach dem Ausstanzen müssen dann entsprechend noch die Federlaschen 33 in passender Weise umgebogen und das vorerst flache Bandteil in den Ringkorpus 34 gebogen werden. Der nach dem Biegen vorliegende Stoßbereich, der z. B. mittig zwischen zwei Federlaschen 33 angeordnet sein kann, muss nicht verbunden werden, sondern kann unter radialer Federwirkung offen bleiben.
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Die Länge des Nadelabschnitts 18 der Ventilnadel 14 kann variabel je nach Anforderung ausgeführt werden. Der Anker 17 besitzt beispielsweise an seinen axialen Enden an seiner Außenkontur jeweils einen umlaufenden oder unterbrochenen Führungsbund 37.
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Die Niederhaltung des Ventilsitzkörpers 15 innerhalb der Ventilhülse 6 erfolgt im dargestellten Beispiel mittels eines zweiteiligen Klemmelements 38. Ähnlich bekannter Einstellelemente ist das Klemmelement 38 hülsenförmig ausgeführt, wobei es an seinem oberen Ende einen spangenartigen metallischen (z. B. aus Messing o. ä.) Klemmring 39 aufweist, mit dem das Klemmelement 38 in die Ventilhülse 6 eingepresst ist. Das hülsenförmige Klemmelement 38 umgibt dabei den Nadelabschnitt 18 der Ventilnadel 14 umfangsmäßig und verläuft über einen großen Teil seiner axialen Länge. Zum Klemmelement 38 gehört noch einer flacher und axial federnd wirkender Federring 40, auf den der hülsenförmige Teil des Klemmelements 38 drückt, während der Federring 40 wiederum auf der oberen Stirnfläche des Ventilsitzkörpers 15 aufliegt. Die Funktionen des Klemmens und der axialen Federwirkung, können auch in einem einzigen Bauteil vereint sein, z. B. als Feder mit einem Pressblock aus angelegten Windungen oder als einem Blechelement in Hülsenform mit axialen Federeigenschaften. Das hülsenförmige Klemmelement 38 kann ein Kunststoffbauteil sein, das die Kraft überträgt und durch das Ausfüllen des Ringraums rund um den Nadelabschnitt 18 der Ventilnadel 14 innerhalb der Ventilhülse 6 das Volumen in idealer Weise so reduziert, dass die Eisdruckfestigkeit des Ventils verbessert wird, was besonders beim Einsatz von aggressiven Medien wie AdBlueTM zur Abgasnachbehandlung in selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder Ethanolkraftstoffen mit kleinem pH-Wert wünschenswert ist.
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In den 2 und 3 ist das erfindungsgemäße Federelement 32 als Einzelbauteil nochmals dargestellt. Dabei zeigt die 2 eine Draufsicht auf das Federelement 32, während 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2 zeigt. Aus den 2 und 3 geht deutlich die Struktur des Federelements 32 mit dem Ringkorpus 34 und mehreren, hier drei abgespreizten Federlaschen 33, die im Winkel von je 120° zueinander angeordnet sind und schräg abgespreizt vom Ringkorpus 34 aus verlaufen, hervor.
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In der 4 ist der Ventilsitzkörper 15 als Einzelbauteil in einer Draufsicht nochmals dargestellt. Die z. B. mit einem Versatz von jeweils 120° über den Umfang des Ventilsitzkörpers 15 stromaufwärts der Ventilsitzfläche 16 eingebrachten Ausnehmungen 26 dienen der Zufuhr des abzuspritzenden Mediums zum Ventilsitz 16 hin und zwangsläufig auch dem Durchgreifen der Federlaschen 33 des ansonsten ringförmigen Federelements 32.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4008675 A1 [0002]
- DE 19503224 A1 [0003]
- DE 102005061409 A1 [0004]
