DE102015213141A1

DE102015213141A1 - Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor sowie Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102015213141A1
Application number: DE102015213141.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Krause; Lars Olems; Tilman Miehle; Stephan Amelang; Thomas Nierychlo; Oezguer Tuerker; Axel Schnaufer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2017-01-19
Also published as: EP3322891A1; CN107835896A; WO2017009041A1; EP3322891B1; CN107835896B; KR102551023B1; KR20180030622A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, umfassend einen hubbeweglichen Anker (1), der zur Aufnahme und Führung eines relativ zum Anker (1) beweglichen Ankerbolzens (2) von einer Axialbohrung (3) durchsetzt ist. Erfindungsgemäß ist der Anker (1) ganz oder teilweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gefertigt und/oder weist eine die Axialbohrung (3) zumindest abschnittsweise begrenzende Hülse (4) aus einem keramischen Werkstoff auf. Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Schaltventil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem solchen Schaltventil.
Stand der Technik
Ein Schaltventil der vorstehend genannten Art dient der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des Schaltventils wird ein die Düsennadel belastender hydraulischer Druck in einem Steuerraum angehoben oder abgesenkt, so dass bei angehobenem Druck die Düsennadel in Schließrichtung von einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt und bei abgesenktem Druck entlastet wird. Bei einer Entlastung öffnet die Düsennadel, d. h. sie gibt mindestens eine Einspritzöffnung frei, über welche dann die Einspritzung erfolgt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 077 179 A1 ist ein Magnetventil für ein Brennstoffeinspritzventil einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt, das einen aus einer Ankerplatte und einem Ankerschaft zusammengesetzten Anker umfasst. Über die Ankerplatte wird der Magnetkreis eines Magnetaktors des Magnetventils geschlossen. Bei der Auswahl des Werkstoffs der Ankerplatte werden daher vorrangig Anforderungen an seine magnetischen Eigenschaften gestellt. Für den Anker wird entsprechend ein magnetischer Werkstoff, beispielsweise Eisen und/oder Silizium und/oder Phosphor gewählt. Der Ankerschaft des Ankers besitzt mehrere Funktionen. Erstens wird der Anker über die Länge des Ankerschafts geführt. Zweitens schließt ein unterer Abschnitt des Ankerschafts das Magnetventil. Der Werkstoff des Ankerschafts muss demnach insbesondere eine hohe Verschleiß- und Schlagfestigkeit aufweisen. Für den Ankerschaft wird daher ein Werkstoff mit einem hohen Carbidanteil vorgeschlagen. Alternativ sollen Keramiken, Hartmetalle oder Cermets als Werkstoff verwendet werden können. Um einen festen Verbund zu gewährleisten, sind die Ankerplatte und der Ankerschaft stoffschlüssig miteinander verbunden.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor anzugeben, das eine gesteigerte Robustheit, insbesondere im Hinblick auf thermische Einflüsse, und daher eine höhere Funktionssicherheit besitzt.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Schaltventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor, insbesondere ein Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem solchen Schaltventil angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Schaltventil umfasst einen hubbeweglichen Anker, der zur Aufnahme und Führung eines relativ zum Anker beweglichen Ankerbolzens von einer Axialbohrung durchsetzt ist. Erfindungsgemäß ist der Anker ganz oder teilweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff („Metal Matrix Composite“, MMC) gefertigt und/oder weist eine die Axialbohrung zumindest abschnittsweise begrenzende Hülse aus einem keramischen Werkstoff auf. Das heißt, dass in jedem Fall ein keramischer Werkstoff enthalten ist, der die Verschleißfestigkeit des Ankers erhöht.
Wird der Anker ganz oder teilweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gefertigt, ist zumindest der der Aufnahme und Führung des Ankerbolzens dienende Bereich aus einem solchen Verbundwerkstoff hergestellt. Denn in diesem Bereich werden sowohl der Anker als auch der Ankerbolzen besonders stark auf Verschleiß beansprucht.
Alternativ oder ergänzend kann eine keramische Hülse zur Führung des Ankerbolzens eingesetzt werden.
Darüber hinaus weisen keramische Werkstoffe eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Durch die Anordnung des Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs bzw. des keramischen Werkstoffs im Bereich der Führung des Ankerbolzens im Anker wird demnach eine Art thermische Trennung zwischen dem Anker und dem Ankerbolzen erreicht, die den Anker vor den regelmäßig im Bereich der Führung auftretenden hohen Temperaturen schützt. Dies hat zur Folge, dass der Temperaturgang des Schaltventils geringer ist. Insbesondere wird der Ankerhub thermischen Einflüssen entzogen, so dass mit der Genauigkeit des Ankerhubs auch die Funktionssicherheit steigt.
Die bereits erwähnte hohe Verschleißfestigkeit keramischer Werkstoffe hat ferner den Effekt, dass die Widerstandsfähigkeit des Ankers gegen Kavitationserosion und/oder Korrosion steigt. Eine heute oft eingesetzte Beschichtung des Ankerbolzens gegen Ankerbolzenverschleiß ist somit verzichtbar.
Die vorstehend genannten Vorteile treten bei Einsatz einer keramischen Hülse im Führungsbereich des Ankers am deutlichsten zum Vorschein. Die Verwendung eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs besitzt jedoch den Vorteil der einfacheren Herstellung des Ankers. Die Metall- und Keramikanteile im Verbundwerkstoff sind derart zu wählen, dass er ausreichende magnetische Eigenschaften und zugleich eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die keramische Hülse bis zu mindestens einer Stirnfläche des Ankers. Vorzugsweise ist die Hülse über die gesamte axiale Erstreckung des Ankers geführt. Das heißt, dass die der Führung des Ankerbolzens dienende Axialbohrung vollständig von der Hülse ausgekleidet wird. Auf diese Weise wird eine besonders effektive thermische Trennung bewirkt. Zugleich kann mindestens eine Stirnfläche der keramischen Hülse als Anschlag- und/oder Dichtfläche genutzt werden, was sich wiederum den Verschleiß reduzierend auswirkt.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Anker oder die Hülse eine mit einem Ventilsitz des Schaltventils dichtend zusammenwirkende Dichtkontur ausbildet. Ein separates Ventilschließelement ist somit verzichtbar, wodurch sich der Aufbau des Schaltventils vereinfacht. Bildet der Anker die Dichtkontur aus, ist sie vorzugsweise an einem schaftartigen Abschnitt des Ankers ausgebildet, der weiterhin vorzugsweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gebildet ist. Sofern die Hülse die Dichtkontur ausbildet, ist sie vorzugsweise an einem Bundabschnitt der Hülse realisiert, um auch im Bereich der Dichtkontur die Verschleißfestigkeit des Ankers und des Ventilstücks zu erhöhen.
Zur Herstellung des Ankers und/oder der Hülse wird ein Pulver-Spritzgussverfahren ("Powder Injection Molding", PIM) vorgeschlagen. Sofern eine keramische Hülse vorgesehen ist, ist diese bevorzugt fest, insbesondere stoffschlüssig, mit dem Anker verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann bei der Herstellung des Ankers und der Hülse im Pulver-Spritzgussverfahren erfolgen. Der Anker und die Hülse müssen dann nicht nachträglich gefügt werden, so dass dieser Arbeitsschritt entfallen kann. Dies wirkt sich günstig auf die Herstellungskosten aus.
Vorteilhafterweise besitzen der Werkstoff des Ankers und der Werkstoff der Hülse – sofern eine solche vorgesehen ist – im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Diese Maßnahme hilft thermisch bedingte Spannungen im Anker zu vermeiden.
Bevorzugt wird Zirkonoxid (ZrO₂) als keramischer Werkstoff verwendet. Denn Zirkonoxid besitzt im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise Stahl. Bei dem keramischen Werkstoff der Hülse handelt es sich demnach ebenfalls bevorzugt um Zirkonoxid oder es ist zumindest Zirkonoxid im keramischen Werkstoff der Hülse enthalten.
Die Wärmeleitfähigkeit von Zirkonoxid liegt bei etwa 2 bis 3 W/mK und liegt somit deutlich unter der von Stahl (etwa 40 bis 60 W/mK), so dass sich dieses Material ideal zur Ausbildung einer thermischen Trennung zwischen dem Anker und dem Ankerbolzen eignet.
Im Hinblick auf die geforderten magnetischen Eigenschaften des die Hülse umgebenden Ankers, wird vorgeschlagen, dass dieser ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einer Eisen-Kobalt-Legierung, gefertigt ist. Der Fokus liegt in diesem Fall eindeutig auf den magnetischen Eigenschaften des Ankers, während die Verschleißfestigkeit durch die keramische Hülse gewährleistet wird.
Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Schaltventil zur Steuerung der Einspritzungen vorgeschlagen. Da das erfindungsgemäße Schaltventil besonders temperaturunempfindlich ist, steigt nicht nur die Funktionssicherheit des Schaltventils, sondern auch die des Kraftstoffinjektors. Die Einspritzungen können somit präzise gesteuert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein in einen Kraftstoffinjektor eingesetztes erfindungsgemäßes Schaltventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein in einen Kraftstoffinjektor eingesetztes erfindungsgemäßes Schaltventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Schaltventil umfasst einen als Flachanker ausgebildeten Anker 1 mit einem plattenförmigen Abschnitt 11 und einem schaftartigen Abschnitt 9. Der schaftartige Abschnitt 9 weist eine Stirnfläche 5 auf, die eine mit einem Ventilsitz 7 des Schaltventils zusammenwirkende Dichtkontur 8 ausbildet. Zur Aufnahme und Führung eines Ankerbolzens 2 ist der Anker 1 von einer Axialbohrung 3 durchsetzt.
Da der Ankerbolzen 2 relativ beweglich gegenüber dem Anker 1 in der Axialbohrung 3 aufgenommen ist, wird der Führungsbereich des Ankers 1 im Betrieb des Schaltventils stark mechanisch beansprucht. Es gilt demnach die mechanische Festigkeit des Ankers 1 zumindest im Bereich der Führung zu erhöhen. Darüber hinaus können sich im Führungsspalt 12 hohe Temperaturen entwickeln, die wiederum Einfluss auf den Hub des Ankers 1 haben können. Um dem entgegen zu wirken, weist der Anker 1 des Schaltventils der 1 eine die Axialbohrung 3 begrenzende keramische Hülse 4 auf, die stoffschlüssig mit dem Anker 1 verbunden ist. Die keramische Hülse 4 erhöht nicht nur die Verschleißfestigkeit des Ankers 1 im Führungsbereich, sondern ferner dessen Temperaturunempfindlichkeit. Denn der keramische Werkstoff der Hülse 4 bewirkt aufgrund seiner vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit eine thermische Trennung des Ankers 1 vom Ankerbolzen 2, so dass der Temperaturgang des Ankerhubs deutlich reduziert ist.
Dadurch, dass vorliegend der keramische Werkstoff in Form der Hülse 4 auf den Führungsbereich beschränkt ist, können weiterhin hohe Magnetkräfte erzielt werden. Denn im Übrigen kann der Anker 1 aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus einer Eisen-Kobalt-Legierung, gefertigt sein.
Zugunsten der Verschleißfestigkeit des Ankers 1 kann dieser im Übrigen aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gebildet sein, sofern dieses Material zufriedenstellende magnetische Eigenschaften besitzt.
Darüber hinaus ist es möglich, den Anker 1 vollständig aus einem solchen Metall-Keramik-Verbundwerkstoff herzustellen. In diesem Fall ist eine Hülse 4 verzichtbar.
Der 2 ist eine Abwandlung des Schaltventils der 1 zu entnehmen. Die Abwandlung besteht in einer veränderten Ausführung der Hülse 4. Denn diese ist bis zur Stirnfläche 5 des schaftartigen Abschnitts 9 des Ankers 1 geführt und weist einen Bundabschnitt 10 auf, der nunmehr die mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkende Dichtkontur 8 ausbildet. Die hohe Verschleißfestigkeit des keramischen Werkstoffs der Hülse 4 kommt somit ferner im Bereich des Dichtsitzes zum Tragen. Im Übrigen entspricht das Schaltventil der 2 dem der 1.
Die in den 1 und 2 dargestellten Schaltventile funktionieren wie folgt:
Wird eine oberhalb des Ankers 1 angeordnete, ringförmige Magnetspule 13 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 1 nach oben bewegt, bis dieser mit einer Stirnfläche 6 an einem Polkörper 14 anschlägt. Dabei hebt der Anker 1 vom Ventilsitz 7 ab und das Schaltventil öffnet. Zum Schließen des Schaltventils wird die Bestromung der Magnetspule 13 beendet, so dass die Federkraft einer Ankerfeder 15, die mittelbar über einen Einstellring 16 an der Stirnfläche 6 des Ankers 1 abgestützt ist, den Anker 1 in den Ventilsitz 7 zurückstellt und das Schaltventil schließt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011077179 A1 [0003]

Claims

Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, umfassend einen hubbeweglichen Anker (1), der zur Aufnahme und Führung eines relativ zum Anker (1) beweglichen Ankerbolzens (2) von einer Axialbohrung (3) durchsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anker (1) ganz oder teilweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gefertigt ist und/oder – der Anker (1) eine die Axialbohrung (3) zumindest abschnittsweise begrenzende Hülse (4) aus einem keramischen Werkstoff aufweist.
Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hülse (4) bis zu mindestens einer Stirnfläche (5, 6) des Ankers (1) erstreckt.
Schaltventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) oder die Hülse (4) eine mit einem Ventilsitz (7) des Schaltventils dichtend zusammenwirkende Dichtkontur (8) ausbildet, wobei vorzugsweise die Dichtkontur (8) an einem schaftartigen Abschnitt (9) des Ankers (1) oder an einem Bundabschnitt (10) der Hülse (4) ausgebildet ist.
Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) und/oder die Hülse (4) in einem Pulver-Spritzgussverfahren hergestellt worden ist bzw. sind.
Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) fest, insbesondere stoffschlüssig, mit dem Anker (1) verbunden ist, wobei vorzugsweise die stoffschlüssige Verbindung in einem Pulver-Spritzgussverfahren hergestellt worden ist.
Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Ankers (1) und der Werkstoff der Hülse (4) im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff der Hülse (4) Zirkonoxid ist oder enthält.
Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einer Eisen-Kobalt-Legierung, gefertigt ist.
Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung der Einspritzungen.