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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem verbesserten hydraulisch gedämpften Anschlag.
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Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise sind Magneteinspritzventile bekannt, bei denen eine Nadel mittels eines Ankers, der von einem Magnetkreis an einen Innenpol gezogen wird, aus einem Ventilsitz gezogen wird. Hierbei bildet der Innenpol einen axialen Anschlag für den Anker. Im Betrieb können sich hierdurch unerwünschte Geräusche durch das Aufschlagen des Ankers auf den Innenpol entwickeln. Um den Anschlag zu reduzieren, kann ein hydraulisches Polster zwischen dem Anker und dem Innenpol vorgesehen werden. Dies kann jedoch zu einem unerwünschten hydraulischen Kleben des Ankers am Innenpol führen und damit zu längeren Schließzeiten. Dies führt zu einer ungenauen Einspritzung von Kraftstoff und kann somit einen Kraftstoffverbrauch erhöhen. Es wäre daher wünschenswert, ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten zu haben, welches ein hydraulisches Dämpfen des Ankers ermöglicht, ohne dass sich dadurch Schließzeiten des Ventils verschlechtern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Geräusche, welche durch ein Aufschlagen eines Aktors an einem Anschlag entstehen, vermieden werden können. Hierbei kann erfindungsgemäß insbesondere eine hydraulische Dämpfung bereitgestellt werden, ohne dass sich hierdurch ein hydraulisches Kleben des Aktors am Anschlag ergibt und somit die Schließzeiten ungünstig verlängert werden. Auch kann erfindungsgemäß eine Kraft, mit welcher ein Schließelement beim Schließen des Ventils auf einen Ventilsitz aufschlägt, reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventilelement einen Aktor umfasst, welcher mit einem Schließelement, z.B. einer Ventilnadel, verbunden ist. Ein Anschlag ist zur Begrenzung eines Weges (Hub) des Aktors vorgesehen. Der Aktor umfasst wenigstens eine Durchgangsöffnung, wobei die Durchgangsöffnung wenigstens eine Stufe aufweist. Ein Gleitelement ist in der Durchgangsöffnung des Aktors zwischen der Stufe und einer zum Anschlag gerichteten Stirnseite des Aktors gleitbar angeordnet. Das Gleitelement kann sich somit während einer Betätigung des Aktors, d.h. einer Bewegung des Aktors, in der Durchgangsöffnung im Aktor bewegen und einen Hub des Aktors entsprechend dämpfen. Dadurch wird eine Geräuschentwicklung unterdrückt und gleichzeitig kann ein unerwünschtes hydraulisches Kleben im Öffnungszustand des Ventils vermieden werden. Dabei weist das erfindungsgemäße Ventil einen sehr einfachen und kompakten Aufbau auf.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist der Aktor zusätzlich Durchflusslöcher für ein Hindurchführen der zu steuernden Flüssigkeit auf. Die Durchflusslöcher im Aktor sind vorzugsweise auf einem unterschiedlichen Durchmesser als die Durchgangsöffnungen mit Stufe im Aktor angeordnet.
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Vorzugsweise verschließt das Gleitelement die Durchgangsöffnung, wenn das Gleitelement an der Stufe der Durchgangsöffnung im Aktor anliegt. Hierdurch kann ein Abbremsen des Aktors vor dem Anschlag erreicht werden.
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Weiter bevorzugt ist ein maximaler Bewegungsweg des Gleitelements unterschiedlich als ein maximaler Bewegungsweg (Hub) des Aktors.
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Bevorzugt ist der Aktor als Anker ausgebildet und das Ventil ist ein Magnetventil. Weiter bevorzugt ist der Anschlag ein Innenpol des Magnetventils.
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Bevorzugt umfasst der Aktor eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen, in welchen jeweils ein Gleitelement angeordnet ist. Vorzugsweise sind zwei Durchgangsöffnungen um 180° einander gegenüberliegend angeordnet.
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Weiter bevorzugt sind die Vielzahl der Durchgangsöffnungen miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Durchgangsöffnungen ist besonders bevorzugt eine Nut, welche in der Stirnseite des Aktors vorgesehen ist. Durch das Vorsehen der Verbindung zwischen den Durchgangsöffnungen kann insbesondere ein hydraulisches Kleben des Aktors am Anschlag im geöffneten Zustand des Ventils vermieden werden.
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Bevorzugt ist das Gleitelement in der Durchgangsöffnung eine Kugel oder ein abgestuftes Zylinderbauteil.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Spalt zwischen dem Gleitelement und der Durchgangsöffnung so gewählt, dass eine Spielpassung zwischen dem Gleitelement und der Durchgangsöffnung vorgesehen ist.
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Weiter bevorzugt umfasst das Ventil ein Vorspannelement, welches das Gleitelement vorspannt.
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Das erfindungsgemäße Ventil ist weiter bevorzugt ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff. Besonders bevorzugt ist das Einspritzventil dabei ein in einen Brennraum direkt einspritzendes Ventil.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, perspektivische Schnittansicht des in 1 gezeigten Ventils aus einer zweiten Perspektive, und
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3 bis 10 Schnittansichten eines Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Öffnungs- bzw. Schließzuständen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten im Detail beschrieben.
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Die 1 und 2 zeigen ein Einspritzventil 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Einspritzventil 1 umfasst dabei ein als Nadel ausgebildetes Schließelement 2, welches mit einem kugelförmigen Endstück Auslassöffnungen 4 freigibt und verschließt. Das Schließelement 2 ist mit einem Aktor 5 verbunden, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein Anker ist. Das Schließelement 2 verschließt bzw. gibt die Auslassöffnungen 4 an einem Ventilsitz 3 frei.
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil des ersten Ausführungsbeispiels ist ein Magnetventil. Das Einspritzventil 1 umfasst ferner einen Innenpol 10, welcher durch seine zum Aktor 5 gerichtete Seite einen Anschlag 6 darstellt.
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Kraftstoff wird, wie in 1 durch den Pfeil A angedeutet, durch das Innere des Innenpols 10 und durch den Aktor 5 hindurch über mehrere Durchflusslöcher 51 im Aktor zum Schließelement 2 geführt.
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Neben den Durchflusslöchern 51 sind im Aktor 5 ferner mehrere Durchgangsöffnungen 7 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Durchgangsöffnungen 7 vorgesehen. Die Durchgangsöffnungen 7 sind als abgestufte Öffnungen vorgesehen und weisen jeweils eine Stufe 8 auf. Dabei ist der größere Durchmesser der Durchgangsöffnung 7 in Richtung zum Innenpol 10 gerichtet und der kleinere Durchmesser der Durchgangsöffnung 7 ist in Richtung zu den Auslassöffnungen 4 gerichtet (vergleiche 1).
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Wie aus den 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist in jeder der Durchgangsöffnungen 7 ein Gleitelement 9 angeordnet. Das Gleitelement 9 ist hierbei in dem Bereich der Durchgangsöffnung 7 angeordnet, welcher den größeren Durchmesser aufweist. Dadurch ist das Gleitelement 9 zwischen der Stufe 8 und dem Anschlag 6 am Innenpol 10 angeordnet.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Gleitelemente 9 Kugeln. Hierbei ist eine Spielpassung zwischen den Kugeln und den Durchgangsöffnungen 7 ausgebildet. Die Spielpassung ist dabei derart gewählt, dass möglichst wenig Kraftstoff zwischen dem Gleitelement 9 und den Mantelflächen der Durchgangsöffnungen 7 in axialer Richtung X-X des Einspritzventils 1 hindurchgehen kann.
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Erfindungsgemäß weist somit der als Anker ausgebildete Aktor 5 zusätzliche Durchgangsöffnungen 7 auf, welche stufenförmig ausgebildet sind, und in welchen jeweils ein Gleitelement 9 angeordnet ist. An der zum Innenpol 10 gerichteten Seite des Aktors 5 sind die Durchgangsöffnungen 7 über eine Nut 52 miteinander verbunden. Wie weiter insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist dabei ein Durchmesser, auf welchem die Durchgangsöffnungen 7 liegen, unterschiedlich von einem Durchmesser, auf welchem die Durchflusslöcher 51 für den Kraftstoff liegen.
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Die kugelförmigen Gleitelemente 9 sind dabei aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und können im Bereich zwischen der Stufe 8 und der zum Innenpol 10 gerichteten Stirnseite 50 des Aktors 5 gleiten. Der Spalt zwischen Gleitelement 9 und Wand der Durchgangsöffnung 7 ist dabei möglichst klein, um möglichst wenig Kraftstoff durchtreten zu lassen.
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In einem nichtbestromten Zustand drückt eine Feder (nicht gezeigt), welche beispielsweise im Innenpol 10 angeordnet ist, gegen das Schließelement 2, so dass das Schließelement 2 gegen den Ventilsitz 3 gedrückt wird und die Auslassöffnungen 4 verschlossen sind. Das Gleitelement 9 liegt dabei am Anschlag 6 des Innenpols 10 an (1). Der Aktor 5 hat hingegen einen vorbestimmten Abstand A zum Innenpol 10, welches den Ankerhub darstellt.
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Wird nun eine Spule bestromt, wird der Aktor 5 in Richtung des Pfeils B in Richtung zum Innenpol 10 angezogen. Hierdurch wird Kraftstoff, welcher sich zwischen dem Aktor 5 und dem Anschlag 6 befindet, verdrängt, wobei der verdrängte Kraftstoff das Gleitelement 9 in Richtung gegen die Stufe 8 drückt. Durch die Bewegung des Aktors 5 hebt das Schließelement 2 vom Ventilsitz 3 ab, so dass die Auslassöffnungen 4 freiliegen und Kraftstoff eingespritzt werden kann.
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Wenn während des Öffnungsvorgangs das Gleitelement 9 an der Stufe 8 anschlägt, wird die Durchgangsöffnung 7 durch das auf der Stufe 8 aufsitzende Gleitelement 9 verschlossen. Kraftstoff, welcher sich noch im Spalt zwischen dem Aktor 5 und dem Innenpol 10 befindet, muss somit bei sich weiterhin Richtung des Innenpols 10 bewegendem Aktor 5 in einem Spalt S zwischen Aktor 5 und einem Gehäuse 11 bzw. in die Durchflusslöcher 51 im Aktor bewegen. Hierdurch wird der Aktor 5 kurz vor einem Anschlagen an den Anschlag 6 abgebremst und ein Aufschlaggeräusch des Aktors 5 am Anschlag 6 wird reduziert. Ferner wird durch den gedämpften Aufschlag des Aktors 5 am Anschlag 6 auch eine Unstetigkeit in der Durchflusskennlinie des Ventils reduziert.
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Im voll geöffneten Zustand liegen somit das Gleitelement 9 auf der Stufe 8 an und der Aktor 5 liegt am Anschlag 6 an.
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Wird nun das Magnetfeld abgestellt, drückt die nicht gezeigte Rückstellfeder das Schließelement 2 wieder auf den Ventilsitz 3, so dass die Auslassöffnungen 4 verschlossen werden. Hierbei bewegt sich der Aktor 5 ebenfalls mit dem Schließelement 2 in Richtung zu den Auslassöffnungen 4. Der Raum zwischen dem Anschlag 6 am Innenpol 10 und dem Aktor 5 wird wieder mit Kraftstoff befüllt. Während des Schließvorgangs bewegt sich das Gleitelement 9 wieder in Richtung des Innenpols 10, da Kraftstoff gegen die zur Auslassöffnung 4 gerichtete Seite des Gleitelements 9 durch den kleineren Durchmesser der Durchgangsöffnung 7 drückt.
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Während des Schließvorgangs unterstützt somit der nun in entgegengesetzte Richtung durch die Durchgangsöffnung 7 strömende Kraftstoff das Abhleben des Aktors 5 vom Anschlag 6, so dass kein hydraulisches Kleben des Aktors 5 am Innenpol 10 auftritt. Hierbei unterstützt die umlaufende Nut 52 insbesondere eine Verteilung des zurückströmenden Kraftstoffs an der gesamten Stirnseite 50 des Aktors 5.
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Kurz vor dem endgültigen Verschließen des Einspritzventils 1 dämpft das erfindungsgemäße Gleitelement 9, welches sich kurz vor seiner Startposition am Innenpol befindet, durch den zurückströmenden Kraftstoff einen möglichen Aufschlag, mit welchem der Aktor 5 auf ein Gehäusebauteil 20 aufschlägt, welches den Weg des Aktors in Schließrichtung begrenzt.
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Somit kann erfindungsgemäß sowohl während des Öffnens als auch des Schließens durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Gleitelements 9 eine unerwünschte Geräuschentwicklung vermieden werden. Ferner wird erfindungsgemäß zusätzlich noch eine Dämpfung beim Öffnungs- und Schließvorgang des Einspritzventils erreicht. Dadurch kann eine höhere Lebensdauer der Bauteile des Ventils erreicht werden.
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Die 3 bis 10 zeigen ein Einspritzventil 1 in schematischer Schnittansicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt dabei den Ausgangszustand des geschlossenen Ventils, wobei das Gleitelement 9 am Anschlag 6 des Innenpols 10 anliegt. Das Gleitelement 9 dieses Ausführungsbeispiels ist ein abgestufter Zylinder, wobei ein erster Zylinderbereich 90 in der Durchgangsöffnung 7 gleitet und ein zweiter Zylinderbereich 91 mit kleinerem Durchmesser vorgesehen ist und sich im geschlossenen Ventilzustand mit dem Anschlag 6 in Kontakt befindet.
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Zum Öffnen des Einspritzventils wird der Aktor 5 in Richtung des Innenpols 10 angezogen, was in 4 durch den Pfeil B angedeutet ist. Hierbei strömt Kraftstoff, welcher sich im Bereich 12 zwischen dem Aktor 5 und dem Innenpol 10 befunden hat, in die Durchgangsöffnungen 7 und bewegt das Gleitelement 9 entgegen der Bewegung des Aktors 5, wobei Kraftstoff auch in den Spalt S zwischen dem Gleitelement 9 und der Durchgangsöffnung 7 strömt. Dies ist in 4 durch die Vielzahl der kleinen Pfeile angedeutet.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist dabei ein Querschnitt der Durchgangsöffnung 7 und eine Position der Stufe 8 derart vorgesehen, dass das Gleitstück 9 auf der Stufe 8 aufliegt, bevor der Aktor 5 am Anschlag 6 anschlägt (vergleiche 4 und 5). Das Verschließen der Durchgangsöffnung 7 durch das Gleitelement 9 an der Stufe 8 hat Wirkung, dass der im Bereich 12 verbliebene Kraftstoff nun nicht mehr durch die Durchgangsöffnung 7 hindurchströmen kann, sondern zur Seite zu den Durchflusslöchern 51 im Aktor 5 verdrängt wird. Dies ist in 6 dargestellt.
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Die Auslegung des Gleitelements 9 und der Durchgangsöffnung 7 ist dabei derart gewählt, dass kurz vor dem Erreichen des Aktors 5 am Anschlag 6 die Durchgangsöffnung 7 durch das Gleitelement 9 verschlossen wird. Hierdurch erfolgt eine Abbremsung des Aktors 5 und ein Aufschlaggeräusch des Aktors 5 am Innenpol 10 kann reduziert werden. Dieses gedämpfte Aufschlagen des Aktors 5 auf den Innenpol 10 reduziert auch ein Prellen und somit eine Unstetigkeit der Durchflusskennlinie.
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7 zeigt den Zustand eines vollständig geöffneten Einspritzventils 1, bei dem der Aktor 5 am Anschlag 6 anliegt. Das Gleitelement 9 verschließt dabei die Durchgangsöffnung 7 an der Stufe 8. Das Schließelement 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Nadel ist, gibt einen maximalen Öffnungsquerschnitt frei. Kraftstoff kann durch den Aktor 5 und das Schließelement 2 bis zur Auslassöffnung 4 strömen.
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Die 8 bis 10 zeigen den Schließvorgang des geöffneten Ventils. Wenn das Magnetfeld abgestellt wird, stellt eine nicht gezeigte Rückstellfeder das Schließelement 2 mitsamt dem Aktor 5 wieder in Richtung der Ausgangsposition (Pfeil D). Hierbei wird der Bereich 12 zwischen dem Innenpol 10 und der Stirnseite 50 des Aktors 5 wieder mit Kraftstoff befüllt. Dabei bewegt sich das Gleitelement 9 in Richtung des Innenpols 10 (vergleiche 8, Pfeil E). Hierbei wird durch den aus der Durchgangsöffnung 7 nachströmenden Kraftstoff ein hydraulisches Kleben des Aktors 5 am Anschlag 6 minimiert. Eine umlaufende Nut (nicht gezeigt) in der Stirnseite 50 des Aktors 5 verteilt dabei den Kraftstoff im Bereich 12.
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Wie aus 9 ersichtlich ist, ist, sobald das Schließelement 2 den Ventilsitz 3 berührt, das Gleitelement 9 kurz vor dem Innenpol 10. Hierdurch wird das Schließen des Einspritzventils möglichst wenig durch Kraftstoff gebremst, so dass vorbestimmte Schließzeiten eingehalten werden können. Wenn sich der Aktor 5 weiter in Richtung Brennraum bewegt und die Auslassöffnung 4 vollständig verschließt, liegt das Gleitelement 9 am Anschlag 6 des Innenpols 10 an. Dadurch wird der Bereich 12 zwischen dem Aktor 5 und dem Anschlag 6 durch Kraftstoff aus dem Durchflussloch 51 im Aktor 5 befüllt. Zusätzlich muss der Kraftstoff auch im Bereich 13 zwischen dem Aktor 5 und dem Gehäuse 11 verdrängt werden. Dadurch wird der Aktor 5 in seiner Schließbewegung abgebremst und eine Kraft, mit welcher der Aktor 5 auf den Ventilsitz 3 bzw. einen unteren Anschlag aufschlägt, reduziert (vergleiche 10).
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Somit ist es mit den zusätzlichen Gleitelementen 9 in den abgestuften Durchgangsöffnungen 7 möglich, Geräusche, die durch ein Anschlagen des Aktors 5 am Anschlag 6 im Stand der Technik entstehen können, signifikant zu reduzieren. Ebenfalls kann ein unerwünschtes hydraulisches Kleben eines vollständig geöffneten Einspritzventils, bei dem der Aktor 5 am Anschlag 6 hydraulisch kleben könnte, vermieden werden. Somit bietet die vorliegende Erfindung zum ersten Mal eine Lösung der beiden Problemkreise erstens Geräusche durch Anschlagen des Aktors 5 und zweitens des hydraulischen Klebens des Aktors 5 am Anschlag 6, ohne dass sich dadurch Schließzeiten eines Ventils verschlechtern. Ferner kann eine Kraft, mit welcher ein Schließelement 2 beim Schließen auf einen Ventilsitz 3 aufschlägt, reduziert werden.
