DE102011002422A1 - Einspritzventil zum Einspritzen eines Fluids - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs oder eines Reduktionsmittels, umfassend ein hubbewegliches Einspritzventilglied (1) zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Magnetaktor (2) mit einer Spule (3), einem Innenpol (4) und einem hubbeweglichen Anker (5), der bei Bestromung der Spule (3) entgegen der Federkraft einer Feder (6) in Richtung des Innenpols (4) bewegbar ist, wobei die Feder (6) auf der Seite des Ankers (5) angeordnet ist, welche vom Innenpol (4) abgewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (5) einen Ankerteller (5.1) und einen Ankerstift (5.2) umfasst, wobei der Ankerstift (5.2) über ein Steuervolumen (7) mit dem Einspritzventilglied (1) hydraulisch koppelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine oder zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges. Das Einspritzventil umfasst ein hubbewegliches Einspritzventilglied zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Magnetaktor zur Betätigung des Einspritzventilgliedes.
  • Stand der Technik
  • Ein Einspritzventil der vorstehend genannten Art geht aus der Offenlegungsschrift DE 196 26 576 A1 hervor. Als hubbewegliches Einspritzventilglied dient eine Ventilnadel, die an ihrem der Einspritzöffnung abgewandten Ende mit einem Anker verbunden ist. Der Anker wirkt mit einer Magnetspule zum Schließen und Öffnen des Einspritzventils zusammen. Ein Spulenkörper nimmt die Bewicklung der Magnetspule auf. Der gestufte Spulenkörper selbst ist in einem Gehäuseteil des Einspritzventils aufgenommen und übergreift zumindest teilweise einen Kern. Sowohl der Anker als auch der Kern und das Gehäuse sind aus einem ferromagnetischen Material gefertigt. Durch den Kern, den Anker und das Gehäuse wird ein geschlossener magnetischer Flusskreis gebildet, wobei der Anker bei elektrischer Erregung der Magnetspule in Richtung des Kerns gezogen wird. Dadurch wird die Ventilnadel entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder von ihrem Sitz angehoben, was ein Öffnen des Einspritzventils bewirkt. Die Rückstellfeder ist einerseits an der Ventilnadel, andererseits an einer Stützplatte abgestützt. Die Rückstellfeder befindet sich demnach auf der Seite des Ankers, welche vom Kern abgewandt ist. Für die Anordnung Gehäuse, Magnetspule und Kern, das heißt zur Ausbildung des Magnetkreises, steht demnach der gesamte Durchmesser des Einspritzventils zur Verfügung. Insoweit ist gegenüber Magnetaktoren, bei welchen die Rückstellfeder oberhalb des Ankers, das heißt auf der dem Kern zugewandten Seite des Ankers, beispielsweise innerhalb des Kerns, angeordnet ist, eine größere Aktorkraft erzielbar.
  • Mit steigenden Einspritzdrücken steigt jedoch die zur direkten Betätigung des Einspritzventilgliedes erforderliche Aktorkraft, so dass der Einsatz größerer und damit stärkerer Magnetaktoren notwendig ist. Dies scheitert in der Regel jedoch daran, dass der Bauraum begrenzt ist.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil mit einem Magnetaktor zur direkten Betätigung eines Einspritzventilgliedes bereit zu stellen, dessen Wirkungsgrad bei gleichbleibendem Bauraum verbessert ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den auf Anspruch 1 direkt oder indirekt rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das vorgeschlagene Einspritzventil umfasst ein hubbewegliches Einspritzventilglied zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Magnetaktor mit einer Spule, einem Innenpol und einem hubbeweglichen Anker, der bei Bestromung der Spule entgegen der Federkraft einer Feder in Richtung des Innenpols bewegbar ist, wobei die Feder auf der Seite des Ankers angeordnet ist, welche vom Innenpol abgewandt ist. Erfindungsgemäß umfasst der Anker einen Ankerteller und einen Ankerstift, wobei der Ankerstift über ein Steuervolumen mit dem Einspritzventilglied hydraulisch koppelbar ist. Das Steuervolumen als hydraulisches Kopplervolumen ermöglicht in Abhängigkeit vom jeweils gewählten Flächenverhältnis der am Einspritzventilglied und am Ankerstift ausgebildeten hydraulisch wirksamen Flächen eine Kraft- oder Wegübersetzung. Die Kraft- oder Wegübersetzung erlaubt den Einsatz eines kleineren Magnetaktors bzw. höhere Einspritzdrücke bei gleich großem Magnetaktor. Zudem wird durch Lösen des Verbunds aus Anker und Einspritzventilglied die Dynamik des Ankers erhöht.
  • Vorteilhafterweise ist die Feder zur Rückstellung des Ankers als Schraubendruckfeder ausgebildet. Diese kann dann derart angeordnet werden, dass sie den Ankerstift des Ankers umgibt. Auf diese Weise wird eine bauraumschonende kompakte Anordnung geschaffen.
  • Bevorzugt ist die Feder zur Rückstellung des Ankers unmittelbar oder mittelbar am Ankerstift abgestützt. Weiterhin bevorzugt ist hierzu am Ankerstift oder an einem mit dem Ankerstift verbundenen scheibenförmigen Bauteil ein radial verlaufender Absatz zur Abstützung der Feder ausgebildet. Der Ankerstift kann demnach auch mehrteilig aufgebaut sein. Sofern der radial verlaufende Absatz direkt am Ankerstift selbst ausgebildet ist, erfolgt dies bevorzugt in Form einer abschnittsweisen Durchmesservergrößerung. Darüber hinaus kann der Ankerstift auch eine Durchmesservergrößerung als Auflagefläche für ein solches scheibenförmiges Bauteil aufweisen. Alternativ oder ergänzend zu einer Durchmesservergrößerung kann der Ankerstift eine Umfangsnut oder Anfräsung (Zweiflach) aufweisen, in welche das scheibenförmige Bauteil eingelegt ist. Vorzugsweise erfolgt das Einlegen mit Montage des Einspritzventils.
  • Zur Vereinfachung der Montage wird vorgeschlagen, dass das mit dem Ankerstift verbundene scheibenförmige Bauteil eine zentrale Öffnung zur Aufnahme des Ankerstifts besitzt, wobei die zentrale Öffnung nach radial außen geführt ist, so dass das scheibenförmige Bauteil unterbrochen ist. Durch die Unterbrechung ist es möglich, das scheibenförmige Bauteil von der Seite aufzuschieben. Diese Art der Verbindung erleichtert insbesondere das Einsetzen des scheibenförmigen Bauteils in eine Umfangsnut des Ankerstifts.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass das scheibenförmige Bauteil eine Zentrierung aufweist, mittels welcher es gegen radiales Verschieben gesichert ist. Somit ist eine Fixierung der Feder über das scheibenförmige Bauteil dauerhaft sichergestellt.
  • Zur Verbindung des Ankerstifts mit dem Ankerteller kann im Ankerteller eine Durchgangs- oder Sacklochbohrung vorgesehen sein, in welche der Ankerstift eingesetzt ist.
  • Ein in eine Sacklochbohrung eingesetzter Ankerstift weist den Vorteil auf, dass bei schlechteren weichmagnetischen Eigenschaften des Materials des Ankerstifts gegenüber dem Material des Ankertellers die Aktorkraft weiter erhöht werden kann.
  • Bevorzugt ist die Feder mit einem weiteren Ende an einem Gehäuseteil oder an einem mit einem Gehäuseteil verbundenen tellerförmigen Bauteil abgestützt. Das Gehäuseteil bzw. das tellerförmige Bauteil weist zur Aufnahme des Ankerstifts, welcher durch das Gehäuseteil oder das tellerförmige Bauteil hindurch geführt ist, eine zentrale Bohrung auf. Diese kann ferner als Führung für den Ankerstift ausgelegt sein. Des Weiteren kann die der Feder abgewandte Seite des Gehäuseteils bzw. des tellerförmigen Bauteils als Anschlagfläche für den Ankerteller und damit der Hubbegrenzung des Ankers dienen. Um Streuflüsse über die Rückseite des Gehäuseteils bzw. des tellerförmigen Bauteils zu vermeiden, ist dieses bevorzugt aus einem amagnetischen Material gefertigt. Dadurch kann ebenfalls die Aktorkraft erhöht werden. Ferner kann das Gehäuseteil oder das tellerförmige Bauteil Durchbrüche aufweisen, durch welche das einzuspritzenden Fluid hindurch strömen kann. Somit werden hydraulische Umlenkungen vermieden und eine optimale Strömungsführung gewährleistet.
  • Der Verbund von Ankerstift, Ankerteller, Feder und ggf. tellerförmiges Bauteil zur Abstützung der Feder kann zunächst außerhalb des Bauraums montiert und danach als ein Teil eingesetzt werden. Mittels eines seitlich aufschiebbaren scheibenförmigen Bauteils kann dann die Feder axial vorgespannt werden, so dass sämtliche Teile leicht zu montieren sind.
  • Wird die Abstützung der Feder über ein Gehäuseteil, beispielsweise den Ventilkörper, bewirkt, ist ein separates tellerförmiges Bauteil entbehrlich. Dies wirkt sich vorteilhaft aus, da zusätzliche Hochdruckdichtstellen entfallen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ankerstift ferner von einer hubbeweglichen Hülse umgeben, welche als hydraulischer Übersetzer dient und zur Kraft- und/oder Wegverstärkung mit dem Einspritzventilglied hydraulisch koppelbar ist. Die Hülse kann hierzu in einer Führungsbohrung eines Gehäuseteils des Einspritzventils, vorzugsweise in einer Führungsbohrung des Ventilkörpers, eingesetzt und ggf. über einen Bundbereich am Gehäuseteil abgestützt sein. Des Weiteren kann die Hülse auch an einem weiteren Gehäuseteil des Einspritzventils, vorzugsweise am Düsenkörper, abgestützt sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Einspritzventil im Bereich des Magnetaktors,
  • 2 einen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Einspritzventil im Bereich des Magnetaktors,
  • 3 einen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Einspritzventil im Bereich des Magnetaktors,
  • 4 einen Längsschnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Einspritzventil im Bereich des Magnetaktors,
  • 5 einen Längsschnitt durch ein fünftes erfindungsgemäßes Einspritzventil im Bereich der Federabstützung,
  • 6 eine Draufsicht auf ein scheibenförmiges Bauteil zur Abstützung der Feder und
  • 7 einen Längsschnitt durch ein sechstes erfindungsgemäßes Einspritzventil im Bereich der Federabstützung.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Dem Längsschnitt der 1 ist zu entnehmen, dass das erfindungsgemäße Einspritzventil aus mehreren Gehäuseteilen zusammengesetzt ist. Ein erstes Gehäuseteil stellt der Düsenkörper 15 dar, in welchem ein nadelförmiges Einspritzventilglied 1 aufgenommen ist, über dessen Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung (nicht dargestellt) freigebbar oder verschließbar ist. Über eine Hochdruckleitung 14, die seitlich im Düsenkörper 15 ausgebildet ist, wird das einzuspritzende Fluid in Richtung der Einspritzöffnung geführt.
  • Das Einspritzventilglied 1 begrenzt im Düsenkörper 15 ein Steuervolumen 7, über welches das Einspritzventilglied 1 mit einem Anker 5 eines Magnetaktors 2 hydraulisch koppelbar ist. Der Anker 5 ist als Tauschanker ausgeführt und weist einen Ankerteller 5.1 sowie einen hiermit verbundenen Ankerstift 5.2 auf. Der Anker 5 ist in einem weiteren Gehäuseteil 11 aufgenommen, welcher an den Düsenkörper 15 angesetzt und mittels einer Spannmutter 18 mit diesem verbunden ist. Bei dem weiteren Gehäuseteil 11 handelt es sich um einen Ventilkörper, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgeführt ist. Zwischen zwei Teilen des Ventilkörpers ist ein tellerförmiges Bauteil 12 mit einer zentralen Bohrung eingesetzt, durch welche der Ankerstift 5.2 des Ankers 5 hindurch geführt ist. Der Ankerteller 5.1 ist auf der dem Einspritzventilglied 1 abgewandten Seite des tellerförmigen Bauteils 12 angeordnet. Das tellerförmige Bauteil 12 dient der Abstützung einer Feder 6, deren Federkraft den Anker 5 in eine Richtung beaufschlagt, welche dem Öffnungshub des Einspritzventilgliedes 1 entgegengesetzt ist. Zum Anheben des Einspritzventilgliedes 1 muss demnach die Federkraft der Feder 6 überwunden werden.
  • Um ein Anheben des Einspritzventilgliedes 1 zu bewirken, wird eine Spule 3 des Magnetaktors 2 bestromt, was zur Ausbildung eines Magnetkreises führt, der sich über einen Innenpol 4 des Magnetaktors 2 erstreckt. Da der Innenpol 4 – abgesehen von nicht dargestellten Strömungskanälen, wie beispielsweise eine oder mehrere Nuten oder einen Ringspalt – als Vollkörper ausgebildet ist, steht der gesamte Querschnitt des Innenpols 4 zur Ausbildung des Magnetkreises zur Verfügung, was eine hohe auf den Anker 5 wirkende Magnetkraft bewirkt. Der Anker 5 bewegt sich entgegen der Federkraft der Feder 6 in Richtung des Innenpols 4. Wird die Bestromung der Spule 3 beendet, gewährleistet die Feder 6 die Rückstellung des Ankers 5 in seine Ausgangsposition. Die Feder 6 ist hierzu mit ihrem anderen Ende an einem radial verlaufenden Absatz 9 des Ankerstifts 5.2 abgestützt.
  • Die hydraulische Kopplung des Einspritzventilgliedes 1 mit dem Anker 5 weist den Vorteil auf, dass über das Flächenverhältnis der hydraulisch wirksamen Flächen eine Kraft- oder Wegverstärkung erzielbar ist, so dass der Einsatz eines Magnetaktors 2 zur direkten Betätigung des Einspritzventilgliedes 1 möglich ist. Denn ist die hydraulisch wirksame Fläche am Ankerstift 5.2 kleiner als die am Einspritzventilglied 1 ausgebildete hydraulisch wirksame Fläche gewählt, wird eine Kraftverstärkung bewirkt. Ist das Flächenverhältnis umgekehrt gewählt, wird eine Wegverstärkung bewirkt.
  • 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der 1, welche als Unterscheidungsmerkmal zusätzlich eine hubbewegliche Hülse 13 umfasst, die den Ankerstift 5.2 umgibt. Die Hülse 13 ist ebenfalls über das Steuervolumen 7 mit dem Einspritzventilglied 1 hydraulisch koppelbar, so dass eine weitere hydraulisch wirksame Fläche zur Realisierung einer Kraft- und/oder Wegverstärkung zur Verfügung steht. In dem in 2 dargestellten Beispiel ist die Hülse 13 als Bundhülse ausgeführt, wobei der Bund der Abstützung der Hülse 13 am Gehäuseteil 11 und damit der Hubbegrenzung dient. Die Hülse 13 kann aber auch über ihre Stirnfläche am Düsenkörper 15 abgestützt sein, so dass der Bund entfallen kann. Diese Variante ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Zusätzlich zur Öffnungskraft des Magnetaktors 2 kann das Einspritzventilglied 1 in Öffnungsrichtung von der Federkraft einer Feder 16 beaufschlagt werden, wie dies in der 2 angedeutet ist.
  • Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem der 2 ferner dadurch, dass der Ankerstift 5.2 in einer Sacklochbohrung des Ankertellers 5.1 eingesetzt ist. Ist der Ankerstift 5.2 aus einem Material gefertigt, das schlechtere weichmagnetischen Eigenschaften als das des Ankertellers 5.1 besitzt, hat dies dennoch keinen negativen Einfluss auf die bewirkbare Aktorkraft. In diesem Fall bietet die in 3 dargestellte Ausführung gegenüber der von 2 den Vorteil einer erhöhten Aktorkraft.
  • 4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hülse 13 ist wiederum als einfache Hülse ausgeführt und am Düsenkörper 15 abgestützt. Der Öffnungshub des Einspritzventilgliedes 1 wird durch die Federkraft einer Feder 16 unterstützt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen ist jedoch das Gehäuseteil 11 bzw. der Ventilkörper einteilig ausgeführt, so dass ein separates tellerförmiges Bauteil 12 verzichtbar ist. Damit reduziert sich vorteilhafterweise die Anzahl der Hochdruckdichtstellen. Zwischen dem Ventilkörper und dem Magnetaktor 2 ist ein Dichtring 17 eingelegt. Der Ventilkörper weist anstelle eines separaten tellerförmigen Bauteils 12 einen nach radial innen vorspringenden Absatz auf, welcher zugleich als Führung 19 für den Ankerstift 5.2 dient. Dieser ist im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen mehrteilig ausgeführt und umfasst ein scheibenförmiges Bauteil 8 zur Ausbildung eines radial verlaufenden Absatzes 9, an welchem die Feder 6 abgestützt ist.
  • Zur Verbindung des scheibenförmigen Bauteils 8 mit dem Ankerstift 5.2 können am Ankerstift 5.2 eine Umfangsnut oder Schlüsselflächen ausgebildet sein, in welche das scheibenförmige Bauteil 8 eingesetzt ist. Am Ankerstift 5.2 kann aber auch ein Absatz durch ein erstes scheibenförmiges Bauteil 8.1 ausgebildet sein, das fest mit dem Ankerstift 5.2 verbunden ist und der Aufnahme eines zweiten scheibenförmigen Bauteils 8.2 dient. Diese Variante ist beispielhaft in der 5 dargestellt. Um das nachträgliche Einsetzen bzw. seitliche Aufschieben des scheibenförmigen Bauteils 8.2 zu ermöglichen, ist dieses mit einer Öffnung 10 versehen, die asymmetrisch ausgebildet ist und das Bauteil 8.2 durchbricht (siehe 6). Mittels des scheibenförmigen Bauteils 8.2 kann bei der Montage des Einspritzventils die der Rückstellung des Ankers 5 dienende Feder 6 fixiert werden.
  • Darüber hinaus können bei Einbringen einer Umfangsnut oder Schlüsselfläche in den Ankerstift 5.2 die beiden scheibenförmigen Bauteile 8.1 und 8.2 auch als ein Bauteil 8 ausgeführt sein. Das Bauteil 8 weist vorzugsweise eine Zentrierung 20 auf, über welche es gegen radiales Verschieben gesichert ist (siehe 7).
  • Die Fixierung der Feder 6 über ein separates scheibenförmiges Bauteil 8, das erst bei der Montage auf den Ankerstift 5.2 aufgeschoben wird, besitzt gegenüber einem am Ankerstift 5.2 ausgebildeten vorspringenden Bund entsprechend dem Beispiel der 3 Vorteile, da die Montage vereinfacht wird. Dies gilt insbesondere, wenn am Ankerstift 5.2 eine Umfangsnut oder Schlüsselflächen ausgebildet sind, welche der Aufnahme des ein- oder mehrteilig ausgeführten scheibenförmigen Bauteils 8 dienen.
  • 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 19626576 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Einspritzventil zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere eines Kraftstoffs oder eines Reduktionsmittels, umfassend ein hubbewegliches Einspritzventilglied (1) zum Freigeben oder Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Magnetaktor (2) mit einer Spule (3), einem Innenpol (4) und einem hubbeweglichen Anker (5), der bei Bestromung der Spule (3) entgegen der Federkraft einer Feder (6) in Richtung des Innenpols (4) bewegbar ist, wobei die Feder (6) auf der Seite des Ankers (5) angeordnet ist, welche vom Innenpol (4) abgewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (5) einen Ankerteller (5.1) und einen Ankerstift (5.2) umfasst, wobei der Ankerstift (5.2) über ein Steuervolumen (7) mit dem Einspritzventilglied (1) hydraulisch koppelbar ist.
  2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und den Ankerstift (5.2) umgibt.
  3. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) unmittelbar oder mittelbar am Ankerstift (5.2) abgestützt ist.
  4. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ankerstift (5.2) oder an einem mit dem Ankerstift (5.2) verbundenen scheibenförmigen Bauteil (8) ein radial verlaufender Absatz (9) zur Abstützung der Feder (6) ausgebildet ist.
  5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Ankerstift (5.2) verbundene scheibenförmige Bauteil (8) eine zentrale Öffnung (10) zur Aufnahme des Ankerstifts (5.2) besitzt, wobei die zentrale Öffnung (10) nach radial außen geführt ist, so dass das scheibenförmige Bauteil (8) unterbrochen ist.
  6. Einspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Bauteil (8) mittels einer Zentrierung (20) gegen radiales Verschieben gesichert ist.
  7. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) mit einem weiteren Ende an einem Gehäuseteil (11) oder an einem mit einem Gehäuseteil (11) verbundenen tellerförmigen Bauteil (12) abgestützt ist.
  8. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstift (5.2) von einer hubbeweglichen Hülse (13) umgeben ist, welche als hydraulischer Übersetzer dient und zur Kraft- und/oder Wegverstärkung mit dem Einspritzventilglied (1) hydraulisch koppelbar ist.
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