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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinheit für ein Einspritzventil, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Einspritzventil, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, mit einer solchen elektromagnetischen Stelleinheit. Die Stelleinheit bzw. das Einspritzventil kann demnach in einem Kraftstoffeinspritzsystem zur Steuerung der Einspritzung eingesetzt werden. Bei dem Kraftstoff kann es sich sowohl um einen flüssigen Kraftstoff, wie beispielsweise Dieselkraftstoff oder Benzin, als auch um einen gasförmigen Kraftstoff handeln.
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Stand der Technik
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Elektromagnetische Stelleinheiten der vorstehend genannten Art umfassen in der Regel einen Magnetkern und eine Magnetspule zur Einwirkung auf einen Anker, der in einem Ankerraum hubbeweglich aufgenommen ist. Um den Magnetkern und die Magnetspule vor aggressiven und/oder korrosiven Medien zu schützen, ist in der Regel eine dünne, magnetisch nicht leitende Membran vorgesehen, die eine hermetische Abdichtung dieser Bauteile gegenüber dem Ankerraum bewirkt. Bei Anwendungen mit großen Druckunterschieden kann dies jedoch zu Problemen führen, da die Membran schnell an ihre Festigkeitsgrenzen gelangt. Eine stärkere Ausbildung der Membran ist in der Regel nicht möglich, da mit zunehmendem Abstand zwischen dem Magnetkern und dem Anker die Kraft des Magnetfeldes sehr schnell abnimmt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 001 416 A1 ist ein magnetischer Aktor für ein Magneteinspritzventil bekannt, der zur Abschottung einer Magnetspule von einem Medium eine Hülse aufweist, die in Längsrichtung dreiteilig ausgestaltet ist. Zwischen zwei magnetischen Teilen weist die Hülse einen nichtmagnetischen Mittelteil auf, der auf der Höhe eines Axialspalts zwischen einem Innenpol und einem als Tauchanker ausgebildeten Anker angeordnet ist. Auf diese Weise wird über die dreiteilige Hülse eine Abschottung und über den nichtmagnetische Mittelteil der Hülse eine magnetische Trennung der beiden magnetischen Teile erreicht.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Stelleinheit für ein Einspritzventil anzugeben, die ein Trennelement zur mediendichten Abdichtung eines Magnetkerns und einer Magnetspule gegenüber einem medienbeaufschlagten Ankerraum umfasst, in dem ein als Tauch- oder Flachanker ausgebildeter Anker hubbeweglich aufgenommen ist. Das Trennelement soll somit eine größere Gestaltungsfreiheit ermöglichen. Zugleich soll über das Trennelement eine effektive Abdichtung erreicht werden, die neben der Magnetspule auch den Magnetkern umfasst.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die elektromagnetische Stelleinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Einspritzventil mit einer solchen elektromagnetischen Stelleinheit vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für ein Einspritzventil vorgeschlagene elektromagnetische Stelleinheit umfasst einen Magnetkern und eine Magnetspule zur Einwirkung auf einen Anker, der in einem mit einem Medium beaufschlagbaren Ankerraum hubbeweglich aufgenommen ist. Ferner umfasst die Stelleinheit ein Trennelement, das magnetisch leitende und magnetisch nicht leitende Abschnitte besitzt. Erfindungsgemäß ist das Trennelement zumindest abschnittsweise scheibenförmig ausgebildet und bewirkt eine mediendichte Abdichtung des Magnetkerns und der Magnetspule gegenüber dem Ankerraum.
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Dadurch, dass das Trennelement zumindest abschnittsweise scheibenförmig ausgestaltet ist, kann eine Abdichtung über den gesamten Durchmesser der elektromagnetischen Stelleinheit erreicht werden. Das heißt, dass nicht nur die Magnetspule, sondern auch der Magnetkern vor aggressiven und/oder korrosiven Medien geschützt ist. Das Trennelement vermag auf diese Weise eine dünne magnetisch nicht leitende Membran zu ersetzen, die üblicherweise, insbesondere bei elektromagnetischen Stelleinheiten, die nach dem Flachankerprinzip arbeiten, zur Abdichtung eingesetzt wird. Im Unterschied zu einer magnetisch nicht leitenden Membran weist das Trennelement magnetisch leitende und magnetisch nicht leitende Abschnitte auf, so dass die Dicke des Trennelements beliebig wählbar ist. Das heißt, dass sie den Festigkeitsanforderungen entsprechend gewählt werden kann. Denn die magnetisch leitenden Abschnitte gewährleisten den Magnetfluss durch das Trennelement hindurch, während mindestens ein magnetisch nicht leitender Abschnitt, der vorzugsweise zwischen den magnetisch leitenden Abschnitten angeordnet ist, einen magnetischen Kurzschluss verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Trennelement eine Scheibe und umfasst einen magnetisch nicht leitenden ringförmigen Abschnitt, an den radial innen und/oder radial außen ein magnetisch leitender ring- oder scheibenförmiger Abschnitt angrenzt. Der Außendurchmesser der Scheibe entspricht dabei bevorzugt dem Außendurchmesser des Magnetkerns. Auf diese Weise wird eine effektive Abdichtung des Magnetkerns und der Magnetspule über ein vergleichsweise einfaches Bauteil erreicht. Der Anker ist in diesem Fall als Flachanker ausgebildet und auf der einen Seite des Trennelements angeordnet. Der Magnetkern und die Magnetspule befinden sich jeweils auf der anderen Seite des Trennelements.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Trennelement abschnittsweise hülsen- oder topfförmig ausgebildet ist. Der hülsen- oder topfförmige Abschnitt ermöglicht – ohne Unterbrechung der Abdichtung – die Anordnung eines Rückstellelements, beispielsweise einer Feder, zur Rückstellung des Ankers. Vorzugsweise greift dabei der hülsen- oder topfförmige Abschnitt in eine zentrale Ausnehmung des Magnetkerns und/oder der Magnetspule ein. Der darüber hinaus vorhandene scheibenförmige Abschnitt kann entsprechend dem zuvor beschriebenen scheibenförmigen Trennelement ausgebildet sein und einen magnetisch nicht leitenden ringförmigen Abschnitt umfassen, an den radial innen und/oder radial außen ein magnetisch leitender ring- oder scheibenförmiger Abschnitt angrenzt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Trennelement einen magnetisch nicht leitenden hülsenförmigen Abschnitt, an den mindestens ein magnetisch leitender scheibenförmiger Abschnitt angrenzt. Diese Ausgestaltung des Trennelements ermöglicht die Ausführung des Ankers als Tauchanker. Der mindestens eine magnetisch leitende scheibenförmige Abschnitt kann axial oder radial an den hülsenförmigen Abschnitt angesetzt sein. Ferner kann er sich vom hülsenförmigen Abschnitt nach radial innen oder nach radial außen erstrecken. Vorzugsweise ist an beiden Enden des hülsenförmigen Abschnitts ein scheibenförmiger Abschnitt angesetzt, wobei weiterhin vorzugsweise ein erster scheibenförmiger Abschnitt einen sich nach radial innen erstreckenden Boden und ein zweiter scheibenförmiger Abschnitt einen sich nach radial außen erstreckenden Kragen bilden. Auf diese Weise vermögen die beiden magnetisch leitenden scheibenförmigen Abschnitte des Trennelements eine Magnetplatte und einen Magnetdeckel eines Magnetkreises zu ersetzen. Zugleich wird eine unterbrechungsfreie Abdichtung geschaffen.
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Vorteilhafterweise ist das Trennelement derart ausgestaltet, dass es einen Federraum in radialer und/oder axialer Richtung begrenzt. Der Federraum dient der Aufnahme einer Feder, deren Federkraft den Anker beaufschlagt. Über die Federkraft der Feder kann demnach eine Rückstellung des Ankers bewirkt werden, wenn die Bestromung der elektromagnetischen Stelleinheit beendet wird.
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Der Federraum ist vorzugsweise zum Ankerraum hin geöffnet, so dass er ebenfalls von dem im Ankerraum vorhandenen Medium beaufschlagt wird. Um zu verhindern, dass das im Federraum vorhandene Medium ein Druckpolster ausbildet, das den Hub des Ankers negativ beeinflusst, wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass der Anker eine Ausnehmung als Durchströmöffnung besitzt, die vorzugsweise zentral angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die als Durchströmöffnung dienende Ausnehmung zumindest abschnittsweise axial oder schräg verlaufend ausgebildet ist. Das Medium ist demnach in der Lage von einer Seite des Ankers auf die jeweils andere zu gelangen.
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Die als Durchströmöffnung dienende Ausnehmung des Ankers kann ferner zum Zuführen des Mediums genutzt werden. Vorteilhafterweise werden dann auch der Magnetkern und das Trennelement von dem Medium durchströmt. Um weiterhin eine Trennung des Magnetkerns von dem Medium zu bewirken, weist das Trennelement vorzugsweise einen hülsenförmigen Abschnitt auf, der den Magnetkern durchsetzt.
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Bevorzugt ist das Trennelement ein Verbundkörper. Das heißt, dass das Trennelement aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben, um magnetisch leitende und magnetisch nicht leitende Abschnitte zu schaffen. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Trennelement durch Gießen, Sintern, Metallpulverspritzgießen (MIM) oder ein anderes pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt worden ist.
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Das Trennelement kann jedoch auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Pressen, Löten oder Schweißen, verbunden sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die mehreren Teile mediendicht verbunden sind. Die Verbindung erfolgt bevorzugt vor dem Einsetzen des Trennelements in ein Einspritzventil, um die Montage zu vereinfachen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Magnetkern zumindest bereichsweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff, besteht. Weichmagnetische Werkstoffe bzw. Verbundwerkstoffe gelten zwar als besonders empfindlich gegenüber aggressiven und/oder korrosiven Medien, da jedoch eine mediendichte Abdichtung des Magnetkerns gegenüber dem Medium über das Trennelement sichergestellt ist, ist der Einsatz weichmagentischer Werkstoffe bzw. Verbundwerkstoffe zur Ausbildung des Magnetkerns möglich.
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Da die erfindungsgemäße elektromagnetische Stelleinheit vorzugsweise in einem Einspritzventil eingesetzt wird, wird ferner ein Einspritzventil, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, mit einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit vorgeschlagen. Über die elektromagnetische Stelleinheit ist die Einspritzung eines Mediums, insbesondere Kraftstoff, steuerbar. Dabei kann der Anker auf ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilschließelement einwirken oder ein solches selbst ausbilden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit,
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2 eine perspektivische Darstellung des Trennelements der Stelleinheit der 1,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit,
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4 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit,
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5 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit und
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6 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte elektromagnetische Stelleinheit für ein Einspritzventil umfasst eine in einen Magnetkern 1 eingesetzte ringförmige Magnetspule 2 sowie einen Anker 3, der vorliegend als Flachanker ausgebildet ist. Der Anker 3 ist in einem Ankerraum 4 hubbeweglich aufgenommen, der in radialer Richtung von einem Gehäuse 15 und in axialer Richtung, d. h. in Richtung des Magnetkerns 1 und der Magnetspule 2, von einem scheibenförmigen Trennelement 5 begrenzt wird. Das Trennelement 5 verhindert somit, dass der Magnetkern 1 und/oder die Magnetspule 2 in Kontakt mit einem im Ankerraum 4 vorhandenen Medium gelangen, das es über das Einspritzventil einzuspritzen gilt. Denn das scheibenförmige Trennelement 5 erstreckt sich über den gesamten Durchmesser des Ankerraums 4 bzw. darüber hinaus, um eine Abstützung an einem Absatz 17 des Gehäuses 15 zu ermöglichen. Zur Abdichtung in axialer Richtung ist das Trennelement 5 in das Gehäuse 15 eingepresst.
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Im Unterschied zu einer dünnen Membran besitzt das scheibenförmige Trennelement 5 der Stelleinheit der 1 eine gewisse Dicke, so dass das Trennelement 5 gegenüber einer Membran eine höhere Festigkeit besitzt. Sie ist somit robuster und kann auch bei hohen Druckunterschieden im Einspritzventil eingesetzt werden.
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Um den Magnetfluss durch das Trennelement 5 zu gewährleisten, weist dieses Abschnitte 7, 8 auf, die magnetisch leitend sind. Ein erster Abschnitt 7 ist scheibenförmig gestaltet und zentral, im Wesentlichen gegenüber einem Innenpol 18 des Magnetkerns 1 angeordnet. Ein zweiter Abschnitt 8 ist ringförmig ausgebildet und gegenüber einem Außenpol 19 des Magnetkerns 1 angeordnet. Um einen magnetischen Kurzschluss zu verhindern, ist zwischen den magnetisch leitenden Abschnitten 7, 8 ein ringförmiger magnetisch nicht leitender Abschnitt 6 angeordnet (siehe auch 2).
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Eine Weiterbildung der Ausführungsform der 1 und 2 ist in der 3 dargestellt. Hier ist das Trennelement 5 lediglich abschnittsweise scheibenförmig ausgestaltet. An den scheibenförmigen Abschnitt ist ein topfförmiger Abschnitt 16 angesetzt, der einen Federraum 12 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung begrenzt. Zum Ankerraum 4 hin ist der Federraum 12 offen. Denn im Federraum 12 ist eine Feder 13 zur Rückstellung des Ankers 3 aufgenommen. Die Feder 13 ist hierzu am Anker 3 abgestützt. Die durch das Trennelement 5 bewirkte Abdichtung wird demnach nicht unterbrochen. Um eine hydraulische Verbindung des Federraums 12 mit dem Ankerraum 4 sicherzustellen, ist im Anker 3 eine zentrale Ausnehmung 14 vorgesehen.
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Der an den scheibenförmigen Abschnitt angesetzte topfförmige Abschnitt 16 kann magnetisch leitend oder magnetisch nicht leitend ausgebildet sein. Sofern er die gleichen magnetischen Eigenschaften wie der angrenzende ringförmige Abschnitt 7 aufweist, kann er auch durch einen Abschnitt 7' gebildet werden (siehe 4). Dies vereinfacht die Fertigung des Trennelements 5, da eine Fügestelle entfallen kann.
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Eine Abwandlung der Ausführungsform der 3 bzw. der 4 ist in der 5 dargestellt. Hier weist das Trennelement 5 zwei ringförmige Abschnitte 6, 8 sowie einen im Wesentlichen hülsenförmigen Abschnitt 7 auf, der über einen ringförmigen Bund radial innen an den magnetisch nicht leitenden, ringförmigen Abschnitt 6 angesetzt ist. Der hülsenförmige Abschnitt 7, der sowohl magnetisch leitend (analog der Ausführungsform gemäß der 3), als auch magnetisch nicht leitend (analog der Ausführungsform gemäß der 4) ausgebildet sein und einen topfförmigen Abschnitt 16 umfassen kann, begrenzt einen Federraum 12, in dem eine Feder 13 aufgenommen ist. Die Feder 13 ist einerseits am Anker 3 und andererseits an einem ringförmigen Absatz 20 des hülsenförmigen Abschnitts 7 des Trennelements 5 abgestützt. An seinem dem Anker 3 abgewandten Ende weist das Trennelement 5 einen Endabschnitt auf, der in eine zentrale Ausnehmung 21 eines Gehäuses 15 eingreift. Auf diese Weise wird eine mediendichte Trennung des Magnetkerns 1 vom Medium selbst dann bewirkt, wenn das den Magnetkern 1 durchsetzende Trennelement 5 von dem Medium durchströmt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit ist in der 6 dargestellt. Sie ermöglicht die Ausbildung des Ankers 3 als Tauchanker. Denn hier wird eine magnetische Trennung über einen hülsenförmigen Abschnitt 9 aus einem magnetisch nicht leitenden Material erreicht, während beidseits an den Abschnitt 9 magnetisch leitende scheibenförmige Abschnitte 10, 11 anschließen. Zugleich wird eine durchgehende Abdichtung des Magnetkerns 1 und der Magnetspule 2 erzielt.
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Eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß der 6 ist in der 7 dargestellt. Hier wird – analog der Ausführungsform gemäß der 5 – über eine Ausnehmung 14 im Anker 3 eine Zuströmung in den Ankerraum 4 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001416 A1 [0003]
