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Die Erfindung betrifft einen Magnetaktor zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner wird ein Krafstoffinjektor mit einem solchen Magnetaktor vorgeschlagen.
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Stand der Technik
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Magnetaktoren der vorstehend genannten Art sind hinlänglich bekannt. Sie werden häufig in Kraftstoffinjektoren zur Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel eingesetzt, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Hierzu umfasst der Magnetaktor in der Regel einen Magnetkern, eine Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden, hubbeweglichen Anker. Bei einer direkten Betätigung des Kraftstoffinjektors über den Magnetaktor ist der Anker unmittelbar oder mittelbar, beispielweise über eine Kraftverstärkungseinrichtung in Form eines hydraulischen Kopplers, mit der Düsennadel koppelbar. Ferner kann der Magnetaktor Bestandteil eines Magnetventils sein, mittels dessen ein die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagender Steuerdruck beeinflussbar ist. In diesem Fall spricht man von einer indirekten Betätigung des Kraftstoffinjektors.
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Ein Magnetaktor bzw. eine Magnetbaugruppe zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 003 213 A1 hervor. Sie umfasst einen Magnetkern, in dem eine Magnetspule angeordnet ist, die auf einen Magnetanker wirkt. Der Magnetkern weist eine dem Magnetanker zuweisende Stirnseite auf, an der eine Restluftspaltscheibe als Hubanschlag für den Magnetanker angeordnet ist. Die Restluftspaltscheibe kann dabei aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein. Bei Verwendung eines ferromagnetischen Materials besteht jedoch die Gefahr eines so genannten "magnetischen Klebens". Denn aufgrund der üblicherweise nicht unerheblichen Remanenzeigenschaften des Materials des Magnetkerns und des Magnetankers verbleibt auch bei nicht bestromter Magnetspule ein nicht vernachlässigbares Magnetfeld im Luftspalt zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker. Die über das Magnetfeld erzeugte Magnetkraft bzw. Remanenzkraft kann dazu führen, dass die Restluftspaltscheibe bei einer Rückstellung des Magnetankers in Teilen an dem Magnetkern und in Teilen an dem Magnetanker "kleben" bleibt, so dass diese sich verwindet. Die Folge ist eine stark streuende hydraulische Dämpfung der Hubbewegung des Magnetankers. Um ein magnetisches Kleben zu verhindern und eine definierte Lage der Restluftspaltscheibe zu gewährleisten, wird in der
DE 10 2009 003 213 A1 vorgeschlagen, die Restluftspaltscheibe an Einklemmstellen durch Kraftschluss zu fixieren.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Magnetaktor anzugeben, bei welcher die Remanenzkraft bzw. deren Effekte zur Verringerung des Energiebedarfs des Magnetaktors gezielt genutzt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Magnetaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren vorgeschlagene Magnetaktor umfasst einen Magnetkern, eine Magnetspule und einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden, hubbeweglichen Anker. Der Anker und der Magnetkern weisen sich einander gegenüberliegende Oberflächen auf. Erfindungsgemäß besitzt wenigstens eine Oberfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns einen erhöhten Mittenbereich zur Ausbildung einer mittig angeordneten Anschlagfläche und zur Festlegung eines Restluftspalts zwischen dem Anker und dem Magnetkern. Der erhöhte Mittenbereich macht die Anordnung einer Restluftspaltscheibe entbehrlich. Somit kann ein Bauteil eingespart werden. Ferner reduzieren sich der Montageaufwand und die Kosten. Darüber hinaus kann durch Wegfall der Restluftspaltscheibe der Effekt des magnetischen Klebens gezielt genutzt werden, um den Energiebedarf des Magnetaktors zu senken. Denn durch den Effekt des magnetischen Klebens kann die Bestromung der Magnetspule zur Einwirkung auf den Anker früher beendet werden.
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Der erhöhte Mittenbereich einer Oberfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns ist dabei derart hinsichtlich seiner Größe bemessen, dass einerseits eine Dämpfung der Ankerbewegung erzielt, andererseits die Gefahr von Schließprellern vermieden wird.
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Der eine mittig angeordnete Anschlagfläche ausbildende erhöhte Mittenbereich verhindert zudem die Entstehung von Biegemomenten durch ein exzentrisches Auftreffen des Ankers am Magnetkern.
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Bevorzugt besitzt der erhöhte Mittenbereich eine senkrecht oder schräg zur Oberfläche abfallende Flanke. Er bildet somit ein mittig angeordnetes Plateau auf der Oberfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns aus.
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Der erhöhte Mittenbereich kann eine beliebig geformte Grundfläche besitzen. Bevorzugt besitzt er jedoch eine kreisrunde Grundfläche. Da auch die den erhöhten Mittenbereich aufweisende Oberfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns regelmäßig kreisförmig ist, weist der erhöhte Mittenbereich mit kreisrunder Grundfläche einen umlaufend gleich bleibenden Abstand zur Außenumfangsfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns auf.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der erhöhte Mittenbereich eine ebene oder konvex gewölbte Oberfläche besitzt. Insbesondere kann die Oberfläche sphärisch geformt sein, um den Effekt des Klebens soweit zu reduzieren, dass das Lösen des Ankers vom Magnetkern gewährleistet ist. Durch eine Optimierung des Durchmessers und der Höhe der sphärisch geformten Oberfläche kann das Anschlagverhalten des Ankers bzw. die Dämpfung der Ankerbewegung gezielt gesteuert werden. Ferner bevorzugt ist die Geometrie des erhöhten Mittenbereichs derart ausgelegt, dass der Anker ohne Prellen seinen Anschlag am Magnetkern erreicht.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Oberfläche des erhöhten Mittenbereichs eine Strukturierung, beispielsweise in Form von Rillen und/oder Riefen, besitzt. Durch eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche kann das Anschlagund/oder Ablöseverhalten des Ankers gezielt beeinflusst werden. Insbesondere kann durch eine entsprechende Strukturierung der Gefahr eines hydraulischen Klebens entgegen gewirkt werden, wenn der Anker in einem mit Kraftstoff gefüllten Bereich des Kraftstoffinjektors angeordnet ist. Die Strukturierung ist vorzugsweise durch Strahlen, Drehen, Fräsen, Prägen, Ätzen und/oder mittels Laserbearbeitung in die Oberfläche eingebracht worden. Sie kann Strukturen umfassen, die im mikroskopischen Bereich oder im makroskopischen Bereich liegen. Die Strukturen können ein Raster ausbilden sowie stern- oder spiralförmig angeordnet sein. Darüber hinaus können die Strukturen unregelmäßig, stochastisch angeordnet sein.
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Sofern der Anker in einem mit Kraftstoff gefüllten Bereich des Kraftstoffinjektors angeordnet ist, erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Anker wenigstens einen Strömungskanal besitzt. Der Strömungskanal verhindert einen zu starken Druckabfall über den Anker, indem er einen Druckausgleich zwischen einem Bereich oberhalb und unterhalb des Ankers ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungskanal als eine den Anker durchsetzende, axial oder schräg verlaufende Bohrung ausgebildet. Vorzugsweise liegt zumindest der Mündungsbereich der Bohrung außerhalb des erhöhten Mittenbereichs der Oberfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns. Sofern mehrere Bohrungen als Strömungskanäle vorgesehen sind, liegen diese bevorzugt in gleichem Winkelabstand zueinander um den erhöhten Mittenbereich der Oberfläche des Ankers und/oder des Magnetkerns herum.
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Alternativ oder ergänzend kann wenigstens ein Strömungskanal als außenumfangseitige Längsnut am Anker ausgebildet sein.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anker einen Ankerbolzen umfasst, über den der Anker geführt ist. Die Führung unterstützt ein mittiges Auftreffen des Ankers am Magnetkern.
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Da die Vorteile eines erfindungsgemäßen Magnetaktors insbesondere bei Einsatz in einem Kraftstoffinjektor zum Tragen kommen, wird ferner ein Kraftstoffinjektor mit einem solchen Magnetaktor beansprucht. Die Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Magnetaktor einen geringeren Energiebedarf besitzt, da die Bestromungszeit der Magnetspule des Magnetaktors während einer Einspritzphase verkürzt werden kann. Denn der Effekt des magnetischen Klebens bewirkt, dass der Anker nach Löschung des Magnetfeldes, beispielsweise durch eine kurze Gegenbestromung der Magnetspule, noch eine definierte Zeit am Anschlag verharrt, so dass keine weitere Bestromung notwendig ist, bevor er über die Federkraft einer Rückstellfeder wieder vom Anschlag gelöst wird. Bei einem erfindungsgemäßen Magnetaktor wird demnach der Effekt des magnetischen Klebens gezielt dazu eingesetzt, die Bestromung der Magnetspule vorzeitig zu beenden. Ferner entfällt die Notwendigkeit der Anordnung einer Restluftspaltscheibe zwischen dem Anker und dem Magnetkern.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen in einen Kraftstoffinjektor eingesetzten erfindungsgemäßen Magnetaktor,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch den Anker des Magnetaktors der 1 und
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3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des reduzierten Energiebedarfs eines erfindungsgemäßen Magnetaktors während eines typischen Einspritzverlaufs eines Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Magnetaktor zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors umfasst einen Magnetkern 1, der in einem Endabschnitt von einer ringförmigen Magnetspule 2 umgeben ist. Die Magnetspule 2 wirkt mit einem hubbeweglichen Anker 3 zusammen, der vorliegend als Tauchanker ausgeführt ist und einen Ankerbolzen 12 als Kraftübertragungsglied besitzt. Über den Ankerbolzen 12 ist der Anker 3 zudem geführt. Der Ankerbolzen 12 ist hierzu in einer Axialbohrung 17 eines Körperbauteils 13 des Injektors aufgenommen. Das Körperbauteil 13, die Magnetspule 2 und der Magnetkern 1 sind mittels einer die Bauteile umgreifenden Spannmutter 14 axial verspannt.
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Der hubbewegliche Anker 3 ist in einem mit Kraftstoff gefüllten Ankerraum 18 aufgenommen. Dieser ist mit einem Federraum 19 hydraulisch verbunden, welcher der Aufnahme einer Rückstellfeder 15 dient, die über einen Federteller 16 am Ankerbolzen 12 des Ankers 3 abgestützt ist. Die hydraulische Verbindung des Ankerraums 18 mit dem Federraum 19 wird über einen Anschliff 20 des Ankerbolzens 12 hergestellt. Im Betrieb des Kraftstoffinjektors ist der Anker 3 demnach kraftstoffumströmt. Um bei einem Hub des Ankers 3 einen Druckausgleich zwischen der Seite oberhalb des Ankers 3 und der Seite unterhalb des Ankers 3 zu schaffen, weist der Anker 3 einen Strömungskanal 9 in Form einer außenumfangseitig ausgebildeten Längsnut 11 auf. Alternativ kann der Anker 3 zur Ausbildung des Strömungskanals 9 – analog zum Ankerbolzen – mit einem Anschliff versehen werden oder eine Bohrung 10 besitzen, welche den Anker 3 durchsetzt (siehe durch gestrichelte Linien angedeutete Bohrung 10 in der 2).
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Der Hub des Ankers 3 wird durch die Bestromung der Magnetspule 2 bewirkt. Denn über die Bestromung der Magnetspule 2 wird ein Magnetfeld aufgebaut, das sich über den Magnetkern 1 und den Anker 3 erstreckt, so dass der Anker 3 in Richtung der Magnetspule 1 gezogen wird, um einen zwischen dem Magnetkern 1 und dem Anker 3 ausgebildeten Arbeitsluftspalt 21 zu schließen. Zur Einstellung eines Restluftspalts zwischen dem Magnetkern 1 und dem Anker 3 und damit des Hubs des Ankers weist vorliegend der Anker 3 eine Oberfläche 4 mit einem erhöhten Mittenbereich 6 auf. Ferner wird über den erhöhten Mittenbereich 6 eine Anschlagfläche ausgebildet, mit welcher der Anker 3 am Magnetkern 1 auftrifft. Der erhöhte Mittenbereich 6 weist hierzu eine sphärisch geformte Oberfläche 8 auf, die sich über ein Plateau mit kreisrunder Grundfläche aus der Oberfläche 4 des Ankers erhebt und am Arbeitsluftspalt 21 einer anschlagbildenden Oberfläche 5 des Magnetkern 1 gegenüberliegt.
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Der erhöhte Mittenbereich 6 der Oberfläche 4 des Ankers 3 ist in der 2 stark vergrößert dargestellt. Die Geometrie des erhöhten Mittenbereichs 6 ist derart gewählt, dass eine Dämpfung der Ankerbewegung erzielt wird und Schließpreller beim Auftreffen des Ankers 3 am Magnetkern 1 vermieden werden. Die Geometrie wird vorliegend durch die Höhe h und den Durchmesser d des Plateaus des erhöhten Mittenbereichs 6 sowie durch den Radius r der sich hierüber wölbenden Oberfläche 8 bestimmt, die über eine umlaufende Flanke 7 des Plateaus in die Oberfläche 4 übergeht.
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Abweichend von der in den 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform kann alternativ oder ergänzend die Oberfläche 5 des Magnetkerns 1 einen erhöhten Mittenbereich 6 zur Ausbildung einer Anschlagfläche und zur Festlegung eines Restluftspalts zwischen dem Magnetkern 1 und dem Anker 3 aufweisen.
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Die Vorteile eines erhöhten Mittenbereiches 6 gemäß der Erfindung werden nachfolgend anhand des Diagramms der 3 dargestellt. Das Diagramm der 3 zeigt eine erste Kurve a, welche den Hub des Ankers 3 während eines typischen Einspritzverlaufs wiedergibt. Die Kurven b (Strom) und c (Spannung) geben den Energiebedarf wieder, der benötigt wird, um den dargestellten Ankerhub zu bewirken.
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Zur Initiierung des Ankerhubes wird die Magnetspule 2 zunächst bestromt. Hat der Anker 3 seinen Anschlag am Magnetkern 1 erreicht, kann durch eine kurze Gegenbestromung der Magnetspule 2 das Magnetfeld wieder gelöscht werden, da der Effekt des magnetischen Klebens den Anker 3 am Anschlag hält. Die Zeit der Bestromung der Magnetspule 2 kann somit deutlich verkürzt werden, wodurch der Energiebedarf des Magnetaktors sinkt. Die Löschung des Magnetfeldes dient der Verbesserung der Reproduzierbarkeit des Schließzeitpunktes. Um den Energiebedarf weiter zu senken, kann auf die Löschung des Magnetfeldes auch verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009003213 A1 [0003, 0003]
