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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anker eines Ventils, ein Ventil, insbesondere ein Hydraulikschaltventil oder ein Einspritzventil für Kraftstoff, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ventils.
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Ventilanker bzw. Ventile sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei Magnetventilen wird beispielsweise ein Anker durch einen Aktor, z.B. einen Elektromagneten, in einer Führung dynamisch bewegt, so dass sich über eine gewünschte Ansteuerdauer des Ventils eine bestimmte, integrale Durchflussmenge durch das Ventil ergibt. Beim Öffnen des Ventils bewegt sich der Anker dabei zunächst ballistisch im weitgehend ruhenden Fluid und trifft dann gegebenenfalls auf einen mechanischen oder hydraulischen Anschlag. Beim Schließen des Ventils wird der Anker, z.B. durch eine Feder, zurückgestellt. Insbesondere bei Einspritzventilen ist es dabei wichtig, dass eine reproduzierbare dynamische Ankerbewegung möglich ist. Um dies zu erreichen, wurde beispielsweise in der
DE 10051016 A1 ein Einspritzventil vorgeschlagen, bei dem ein durchbrochener Führungsbund am Anker vorgesehen ist. In der Praxis hat sich allerdings herausgestellt, dass aufgrund von Bauteiltoleranzen und unerwünschten Toleranzketten ein Anker in seiner Führung geometrisch verkippen kann. Hierdurch kann der Anker undefiniert verkippen, wobei insbesondere über einen Hub des Ankers hinweg zum Teil ein mehrfaches Verkippen möglich ist. Hierdurch ergeben sich jedoch unerwünschte Einflüsse auf das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils, so dass zufällige und nichtreproduzierbare Durchflussmengen durch das Ventil erhalten werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass bei derartigen Ventilen auch ein Anschlagen des Ankers an einem Anschlag stark von der Verkippungslage des Ankers abhängig ist. Dadurch können Systeme, welche eine dämpfende und prellervermeidende Wirkung am Hubanschlag haben sollen, in ihrer Wirkung herabgesetzt werden. Auch hierdurch können sich unerwünschte starke Streuungen der Durchflussmenge durch das Ventil ergeben. Es wäre daher wünschenswert, einen Anker und ein Ventil zu haben, bei dem die Verkippungsproblematik gelöst ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Anker eines Ventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Anker gezielt eingebrachte Kippmomente aufweist, so dass eine Ankerverkippung reproduzierbar ist. Dadurch können insbesondere auch sich aufaddierende Bauteiltoleranzen im Betrieb keinen negativen Einfluss auf den exakten Hub des Ankers haben. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Längsachse des Ankers und eine Schwerpunktachse des Ankers auseinanderfallen. Hierbei wird unter der Schwerpunktachse eine Linie verstanden, bei der alle Flächenschwerpunkte bei einem Schnitt senkrecht zur Längsachse durch den Anker verbunden werden. Durch die Bewegung des Ankers wird durch die erfindungsgemäße Idee ein zu steuerndes Fluid vom Anker verdrängt, so dass eine Ankerumströmung ein hydraulisches Drehmoment erzeugt, welches den Anker definiert verkippt. Hierdurch werden reproduzierbare Öffnungs- bzw. Schließvorgänge des Ankers möglich. Das das hydraulische Drehmoment erzeugende Fluid ist dabei besonders bevorzugt das zu steuernde Fluid. Ferner kann insbesondere bei Vorhandensein eines Hubanschlags eine Anschlagsgeometrie und eine Quetschspaltgeometrie besser und wirksamer ausgelegt werden. Das Kippmoment auf den Anker kann dabei einerseits durch eine Ankerumströmung erzeugt werden und zusätzlich oder alternativ durch einen aufgrund der Ankerbewegung vor dem Anker sich aufbauenden Druck erzeugt werden, welcher bei einer nichtsymmetrischen Ankeroberseite das Kippmoment erzeugt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist der Anker wenigstens eine Ausnehmung auf, welche unsymmetrisch zur Längsachse des Ankers angeordnet ist. Die Ausnehmung kann im Anker ausgebildet sein oder an einer Ankeroberfläche, insbesondere einer Ankermantelfläche und/oder einer Ankerstirnseite, ausgebildet sein. Die Ausnehmung kann als Sackloch oder als Durchgangsbohrung oder als Schlitz oder dgl. ausgebildet sein. Weiter bevorzugt sind mehrere Ausnehmungen möglich, wobei die geometrische Form der Ausnehmung beliebig kombinierbar ist.
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Weiter bevorzugt ist wenigstens eine Ausnehmung derart vorgesehen, dass eine Fluidverbindung zwischen einer ersten Ankerstirnseite und einer zweiten Ankerstirnseite möglich ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Anker wenigstens zwei Ausnehmungen auf, wobei die wenigstens zwei Ausnehmungen verschieden große Querschnitte, insbesondere verschieden große Durchmesser, aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist der Anker zylindrisch und weist an einem äußeren Mantelbereich eine Materialabtragung bzw. Abflachung auf. Durch diese Materialabtragung, welche beispielsweise mittels spanenden Bearbeitungsverfahren herstellbar ist, wird die Schwerpunktachse von der Ankerlängsachse verschoben. Die Materialabtragung ist dabei vorzugsweise über die gesamte Länge des Ankers ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Materialabtragung nur über Teilbereiche in Längsrichtung des Ankers vorgesehen ist. Ferner ist es möglich, dass eine Vielzahl von Materialabtragungen vorgesehen ist.
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Weiter bevorzugt weist der Anker eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Ventilnadel auf, wobei die zentrale Öffnung unsymmetrisch zur Ankerlängsachse angeordnet ist, z.B. durch eine Materialabtragung. Hierdurch ist es möglich, dass trotz Materialabtragung am Anker ein zylindrischer Mantelbereich des Ankers erhalten werden kann.
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Vorzugsweise ist die Schwerpunktachse des Ankers nicht parallel zur Längsachse des Ankers. Mit anderen Worten, schneidet die Schwerpunktachse die Längsachse des Ankers.
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Weiter bevorzugt weist der Anker einen Führungsbund und einen zentralen Ankerkörper auf. Dabei ist der Führungsbund in Axialrichtung vorzugsweise kürzer als eine Länge des Ankers in Axialrichtung. Dabei ist es auch möglich, dass am Führungsbund Ausnehmungen vorgesehen sind, welche ein Auseinanderfallen der Schwerpunktachse von der Längsachse des Ankers zur Folge haben.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Ventil, z.B. ein Einspritzventil oder ein Hydraulikventil, mit einem erfindungsgemäßen Anker, wobei der Anker insbesondere von zu steuerndem Fluid umströmt und/oder durchströmt ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ventils mit einem Anker, an welchem ein Ventilschließglied angeordnet ist, wobei ein gezieltes, definiertes Kippmoment bei jeder Ankerbewegung auf den Anker eingebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise derart ausgeführt, dass das Kippmoment auf den Anker durch ein Fluid aufgebracht wird. Dabei kann das Kippmoment durch eine Fluidströmung, insbesondere eine Umströmung des Ankers und/oder eine Durchströmung des Ankers durch eine durchgehende Ausnehmung, erzeugt werden, oder das Kippmoment wird durch einen Staudruck vor dem Anker bei der Ankerbewegung aufgebracht.
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Weiter bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das Kippmoment durch ein Auseinanderfallen einer Längsachse des Ankers und einer Schwerpunktachse des Ankers erzeugt.
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Weiter bevorzugt wird der Anker durch Magnetkraft bewegt. Alternativ ist der Anker mit einem Piezoaktor verbunden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In den Ausführungsbeispielen sind dabei jeweils gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils mit einem Anker gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Schnittansicht des Ankers von 1,
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3 eine schematische Draufsicht des Ankers des ersten Ausführungsbeispiels,
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4 eine schematische Schnittansicht eines Ankers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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5 eine schematische Schnittansicht eines Ankers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Ventil 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das Ventil 1 des ersten Ausführungsbeispiels ein Einspritzventil und umfasst einen Anker 2, eine Ventilnadel 3 und ein Rückstellelement 5. Die Ventilnadel 3 gibt dabei Einspritzöffnungen 7 an einem Ventilsitz 6 frei bzw. verschließt diese. Die Einspritzöffnungen 7 sind dabei in einem Gehäuse 8 vorgesehen. Das Ventil 1 ist ein Magnetventil, wobei schematisch ein Innenpol 9 angedeutet ist, welcher gleichzeitig auch als Anschlag 10 für den Anker 2 dient.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist der Anker 2 unsymmetrisch gebildet. Dabei weist der Anker 2 eine erste Ankerhälfte auf, welche als Zylinderhälfte 22 ausgebildet ist und eine zweite Ankerhälfte, welche als Kegelhälfte 23 ausgebildet ist. Hierdurch fallen eine Längsachse X-X des Ankers und eine Schwerpunktachse Y-Y des Ankers auseinander. Die Schwerpunktachse Y-Y ist dabei eine Verbindung aller Flächenschwerpunkte bei Schnitten jeweils senkrecht zur Längsachse X-X.
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Der Anker 2 weist ferner eine zentrale Öffnung 20, einen Ankerkörper 21 und einen Führungsbund 4 auf. Der Führungsbund 4 dient zur Führung des Ankers 2 im Gehäuse 8.
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1 zeigt dabei die geöffnete Stellung des Ventils 1, bei welcher eine Einspritzung von Kraftstoff (Pfeile D) durch die Einspritzöffnungen 7 erfolgt. Der Kraftstoff wird dabei in Richtung der Längsachse X-X des Ankers zugeführt, was durch den Pfeil A angedeutet ist. Zum Öffnen des Ventils wird der Anker 2 durch den Innenpol 9 angezogen, was in 1 durch den Pfeil F angedeutet ist. Der Kraftstoff kann dann, wie weiter durch die Pfeile B und C angedeutet, den Anker 2 umströmen sowie im Spalt zwischen der Ventilnadel 3 und dem Anker 2 strömen.
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Aufgrund der Umströmung des Ankers 2 bei geöffnetem Ventil erzeugt die Strömung aufgrund des unsymmetrischen Aufbaues des Ankers 2 mit Zylinderhälfte 22 und Kegelhälfte 23 ein Kippmoment K. Dieses Kippmoment verkippt den Anker 2 leicht relativ zur Längsachse X-X und hält diesen dann in dieser definierten Stellung. Durch entsprechende Dimensionierungen der Kegelhälfte 23 kann das Ausmaß des Kippmoments K bestimmt werden und so ein Öffnen und Schließen des Ventils in reproduzierbarer Weise sichergestellt werden. Das Schließen erfolgt dabei mittels der Federkraft, welche durch das Rückstellelement 5 auf die Ventilnadel 3 aufgebracht wird.
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Somit kann erfindungsgemäß eine reproduzierbare Ankerverkippung ausgeführt werden, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das Kippmoment auf den Anker 2 durch das zu steuernde Fluid, d.h., Kraftstoff, aufgebracht wird. Auch ist ein definiertes Anschlagen des Ankers 2 am Anschlag 10 sichergestellt, so dass insbesondere bei Volllast eine immer gleiche Öffnungsgeometrie im Bereich der Einspritzöffnung 7 vorhanden ist.
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Beim Schließen des Ventils durch das Rückstellelement 5 wird der Anker in entgegengesetzter Richtung umströmt, so dass ebenfalls ein Kippmoment aufgebracht wird und dadurch ein sicherer und reproduzierbarer Schließvorgang erhalten wird.
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Es sei ferner angemerkt, dass sich aufgrund der Bewegung des Ankers beim Öffnen und Schließen an den beiden Ankerstirnseiten 28, 29 ein Druck aufbaut, welcher an den unsymmetrischen Ankerstirnseiten (Kegelteilfläche und Zylinderteilfläche) zu einem zusätzlichen Kippmoment führt.
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4 zeigt einen Anker 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Anker 2 des zweiten Ausführungsbeispiels weist im Gegensatz zum Anker des ersten Ausführungsbeispiels eine zylindrische Form auf. Der Anker 2 des zweiten Ausführungsbeispiels weist ferner im Ankerkörper 21 fünf Ausnehmungen auf, wobei eine schlitzförmige Öffnung 24 und vier zylindrische Öffnungen 25 vorgesehen sind. Alle Öffnungen 24, 25 sind dabei als durchgehende Öffnungen vorgesehen. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Öffnungen unsymmetrisch zur Längsachse X-X ausgebildet, wodurch sich die Schwerpunktachse Y-Y von der Längsachse X-X verschiebt. Hierbei sind die Längsachse X-X und die Schwerpunktachse Y-Y parallel zueinander. Ein Kippmoment wird beim zweiten Ausführungsbeispiel insbesondere durch das durch die Öffnungen 24, 25 durchströmende Fluid erzeugt.
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5 zeigt einen Anker gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Anker des dritten Ausführungsbeispiels weist grundsätzlich eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt auf, weist jedoch zwei Abtragungen 26a, 26b am Führungsbund 4 sowie eine Abtragung 27 auf, wobei die bei der Abtragung 27 der Führungsbund 4 vollständig und ein Teil des Ankerkörpers 21 abgetragen ist. Bei den Abtragungen 26a, 26b des Führungsbundes 4 ist dabei die Abtragung 26b etwas größer als die Abtragung 26a. Dadurch ist die Schwerpunktachse X-X leicht in Richtung der Abtragung 26a versetzt.
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Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäß beliebige Kombinationen von Ausnehmungen, Öffnungen und Abtragungen am Anker 2 möglich sind. Auch können die Ausnehmungen und Öffnungen ausschließlich am Ankerkörper 21 vorgesehen sein, oder ausschließlich am Führungsbund 4 vorgesehen sein, oder sowohl am Ankerkörper 21 als auch am Führungsbund 4 vorgesehen sein. Durch das erfindungsgemäße Auseinanderfallen der Längsachse X-X von der Schwerpunktachse Y-Y wird ein hydraulisches Kippmoment auf den Anker in definierter Weise, nämlich abhängig von der geometrischen Unsymmetrie des Ankers 2 auf den Anker ausgeübt und somit ein reproduzierbares, definiertes Öffnungs- und Schließverhalten des Ankers 2 erreicht. Die Erfindung wird besonders bevorzugt bei Kraftstoffeinspritzventilen und/oder Steuerventilen für die Hydraulik verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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