DE102016211454A1

DE102016211454A1 - Anordnung mit einem Ventil zum Zumessen eines Fluids

Info

Publication number: DE102016211454A1
Application number: DE102016211454.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Knorpp; Olaf Schoenrock; Sven Krissler; Friedrich Moser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-12-28
Also published as: JP2018003840A; KR20180001500A; KR102401612B1; JP7012465B2

Abstract

Eine Anordnung (1) weist ein Ventil (2) auf, das zum Zumessen eines Fluids dient. Das Ventil (2) weist einen elektromagnetischen Aktuator (5) und eine von dem Aktuator (5) betätigbare Ventilnadel (15) auf. Der elektromagnetische Aktuator umfasst eine Magnetspule (6) und einen bei einem Betätigungsvorgang mittels der Magnetspule (6) betätigbaren Anker (8), der an der Ventilnadel (15) angeordnet ist. Die Ventilnadel (15) dient zum Betätigen eines Ventilschließkörpers (16), der mit einer Ventilsitzfläche (19) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist zumindest eine Anschlagfläche (32, 33) vorgesehen, an der der Anker (8) bei dem Betätigungsvorgang anschlägt. Außerdem ist eine Messeinrichtung (3) vorgesehen, die zumindest bei dem Betätigungsvorgang mit der Magnetspule (6) elektrisch verbunden ist. Der Anker (8), die Anschlagfläche (32, 33) und die Ventilnadel (15) sind so ausgestaltet, dass bei dem Betätigungsvorgang nach dem Schließen des Dichtsitzes eine Ankerschwingung des Ankers (8) erzeugt ist. Ferner ist die Messeinrichtung (3) so ausgestaltet, dass die bei dem Betätigungsvorgang nach dem Schließen des Dichtsitzes erzeugte Ankerschwingung in Form einer auf einer Spulenspannung der Magnetspule (6) erzeugten Schwingung erfasst wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Ventil zum Zumessen eines Fluids, das insbesondere als Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen dient. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen für Kraftfahrzeugen, bei denen vorzugsweise eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.
Aus der DE 199 50 761 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen mit einer Ventilnadel bekannt, die mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Das Brennstoffeinspritzventil weist einen an der Ventilnadel angreifenden Anker auf, der an der Ventilnadel beweglich geführt wird und mittels eines aus einem Elastomer bestehenden Elastomerrings gedämpft wird. Durch den Elastomerring ist eine Dämpfung erzielt. Beim Schließen des Brennstoffeinspritzventils kann dadurch einem Zurückprallen der Ventilnadel von der Ventilsitzfläche entgegengewirkt werden, da die träge Masse der Ventilnadel und die träge Masse des Ankers entkoppelt sind und zwischen diesen eine Dämpfung erzielt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und insbesondere eine besondere Funktionsweise ermöglicht sind. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung möglich.
Bei der Ausgestaltung eines Ventils kann eine Dämpfung zum Schließzeitpunkt vorteilhaft sein, um Nadelpreller oder ein erneutes unerwünschtes Öffnen des Dichtsitzes über einen zurückprallenden Anker zu verhindern. Unter diesem Gesichtspunkt kann es auch vorteilhaft sein, die Masse eines Ankers aufzuteilen und zwischen den einzelnen Massen Dämpfungen vorzusehen, so dass eine entsprechende Entkopplung erzielt wird.
Andererseits kann für den Betrieb des Brennstoffeinspritzventils eine Erfassung von Arbeitspunkten vorteilhaft oder sogar erforderlich sein. Besonders wichtig ist es, den genauen Schließzeitpunkt eines Ventils zu jedem Zeitpunkt zu kennen, um Dynamikabweichungen und somit Einspritzmengenabweichungen auszuregeln und/oder um über eine gegebenenfalls nochmalige Ansteuerung des schließenden Ventils den Verschleiß und/oder die Lärmabstrahlung des Ventils zu reduzieren. Durch eine nochmalige Ansteuerung des schließenden Ventils kann in gewissem Sinne ein Bremsimpuls erzeugt werden. In solchen Fällen ist eine Erfassung des Schließzeitpunktes in der Regel auf wenige Millisekunden genau erforderlich. Durch die Erfassung der erzeugten Ankerschwingung in Form einer auf der Spulenspannung der Magnetspule erzeugten Schwingung kann dies hier ohne eine zusätzliche und aufwändige Sensorik in vorteilhafter Weise durch eine Auswertung der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms erfolgen.
Somit kann in besonders vorteilhafter Weise der jeweiligen Dynamik eines Ventils Rechnung getragen werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass beispielsweise die Dynamik von Brennstoffeinspritzventilen von Ventil zu Ventil streut und sich je nach den herrschenden Betriebsbedingungen sowie durch Verschleiß verändert. Relevante Änderungen bezüglich der Betriebsbedingungen haben sich insbesondere bezüglich der Temperatur, des Brennstoffs, insbesondere der Brennstoffqualität oder Brennstoffzusammensetzung, des Brennstoffdrucks, des Brennraumdrucks und der Ansteuerdauer ergeben. Dynamikänderungen können nun auch während des Betriebs und/oder über die Lebensdauer des Ventils in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden.
Hierdurch können auch besondere Eigenschaften eines Ventils und hiermit gegebenenfalls verbundene besondere Schwierigkeiten berücksichtigt werden. Diese gilt beispielsweise für Magnetventile mit einem von der Ventilnadel entkoppelten Magnetanker, für den ein sogenannter Ankerfreiweg vorgegeben ist. Bei diesem ist der Schließvorgang dann nicht als Maximum im Stromverlauf zu erkennen, sondern als Knick in der Spannung. Der Knick entsteht dabei durch hydraulisches Kleben und ruckartig unterschiedliche Beschleunigungen des Ankers vor und nach dem Ablösen von Anschlagflächen an der Ventilnadel. Eine darauf abzielende Erfassung ist jedoch problematisch, denn ein hydraulisches Kleben ist von der Viskosität abhängig. In diese gehen der verwendete Brennstoff, insbesondere seine Qualität und Zusammensetzung, die Brennstofftemperatur sowie die Feingeometrie und Rauhigkeit der beteiligten Flächen zwischen dem Anker (Magnetanker) und der Ventilnadel ein. Eine darauf abgestimmte Erfassung ist somit aufwändig, da insbesondere eine aufwändige Auswertung und gegebenenfalls eine zusätzliche Sensorik erforderlich sind, um den Schließzeitpunkt unter Berücksichtigung all dieser Einflussgrößen sicher und genau zu bestimmen.
Mit der vorgeschlagenen Anordnung kann in vorteilhafter Weise eine einfache Auswertung erfolgen, um den Schließzeitpunkt des Ventils sicher zu erkennen. Die erzeugte Ankerschwingung ist selbst bei kleiner Auslenkung, insbesondere als Mikrobewegung, direkt als Schwingung auf der beispielsweise gemessenen Spulenspannung erkennbar. Diese wiederum ist mit einfachen Mitteln robust auswertbar und insbesondere als mechanisch angeregte Ankerschwingung weitgehend unabhängig vom eingesetzten Medium, insbesondere dem zugemessenen Fluid, und dessen aktuellen Zustand, der unter anderem durch seine Temperatur charakterisiert ist.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass eine robuste Beeinflussung der Spulenspannung möglich ist, wobei der zur Betätigung des Ankers vorgesehene Magnetkreis auch ohne wesentliche konstruktive Änderungen genutzt werden kann.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 gibt eine vorteilhafte Möglichkeit an, um eine Ankerschwingung zu erzeugen. Hierbei kann sich nach dem Verkippen des Ankers infolge von Reibung und Querkräften nach einer schubartigen Änderung der Ankergeschwindigkeit wieder eine gleichmäßige Beschleunigung entlang der Führung einstellen. Dadurch ist eine genaue Erfassung des Signals möglich.
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 4 kann ein unterschiedliches hydraulisches Kleben über den Umfang erzeugt beziehungsweise verstärkt werden, wodurch ebenfalls Ankerschwingungen erzeugbar sind. Vorteilhafte Möglichkeiten zur Ausgestaltung einer solchen Ankergeometrie sind in den Ansprüchen 5, 6 und 7 angegeben. Somit kann ein Ankerschwingen durch eine asymmetrische Anschlaggeometrie verursacht werden. Hierbei ist durch eine Kombination von einzelnen Maßnahmen und/oder durch eine mehrfache Ausgestaltung einer bestimmten Maßnahme an verschiedenen Umfangspositionen der Anschlaggeometrie eine geeignete Abstimmung möglich.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 ermöglicht insbesondere eine Signalerzeugung auch ohne taumelartige Bewegungen des Ankers. Hierdurch kann insbesondere eine Dämpfung von Bewegungsimpulsen, die bei der Erzeugung einer Taumelbewegung des Ankers auftritt, vermieden werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Feder-Masse-Systems sind in den Ansprüchen 9 und 10 angegeben. Gemäß Anspruch 11 ist eine Möglichkeit angegeben, um solch ein Feder-Masse-System über einen vorzugsweise singulären Impuls anzuregen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, und die Formel (1) näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung mit einem Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises der in 1 dargestellten Anordnung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 eine auszugsweise Darstellung des an der Ventilnadel geführten Ankers des Ventils der in 1 dargestellten Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem Betätigungsvorgang;
4 ein an der Ventilnadel angeordnetes Anschlagelement eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 ein an der Ventilnadel angeordnetes Anschlagelement eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 ein an der Ventilnadel angeordnetes Anschlagelement eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 ein an der Ventilnadel angeordnetes Anschlagelement eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 ein an der Ventilnadel angeordnetes Anschlagelement eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 ein an der Ventilnadel angeordnetes Anschlagelement eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 einen an einer Ventilnadel angeordneten Anker eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 einen an einer Ventilnadel angeordneten Anker eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 einen an einer Ventilnadel angeordneten Anker eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem elften Ausführungsbeispiel der Erfindung und
13 einen an einer Ventilnadel angeordneten Anker eines Ventils einer Anordnung entsprechend einem zwölften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Anordnung 1 mit einem Ventil 2 und einer Messeinrichtung 3 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Ventil 2 dient zum Zumessen eines Fluids und kann insbesondere als Brennstoffeinspritzventil 2 für Brennkraftmaschinen dienen. Dabei eignet sich das Ventil 2 prinzipiell für flüssige und gasförmige Fluide. Die Messeinrichtung 3 kann Bestandteil einer Steuereinrichtung 3 sein. Ein bevorzugter Anwendungsfall für die Anordnung 1 ist eine Brennstoffeinspritzanlage, bei der mehrere entsprechend dem Ventil 2 ausgestaltete Brennstoffeinspritzventile 2 als Hochdruckeinspritzventile 2 zum Einsatz kommen und zur direkten Einspritzung von Brennstoff in den jeweils zugeordneten Brennraum 4 einer Brennkraftmaschine dienen.
Das Ventil 2 weist einen Aktuator 5 auf, der eine Magnetspule 6, einen Innenpol 7 und einen Anker 8 umfasst. Beim Bestromen der Magnetspule 6 wird ein Magnetkreis 9 über den Innenpol 7 geschlossen, wodurch eine Betätigung des Ankers 8 in einer Öffnungsrichtung 10 erfolgt. Der Magnetkreis 9 ist hierbei schematisch durch geschlossene Magnetfeldlinien 11, 12 angedeutet.
Das Ventil 2 weist eine Ventilnadel 15 und einen von der Ventilnadel 15 betätigbaren Ventilschließkörper 16 auf. Der Ventilschließkörper 16 kann hierbei auch einstückig mit der Ventilnadel 15 ausgebildet sein. Die Ventilnadel 15 erstreckt sich durch einen Düsenkörper 17 zu einem mit dem Düsenkörper 17 verbundenen Ventilsitzkörper 18. An dem Ventilsitzkörper 18 ist eine Ventilsitzfläche 19 ausgebildet, mit der der Ventilschließkörper 16 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. An dem Ventilsitzkörper 18 sind außerdem Spritzlöcher 20, 21 ausgebildet.
Der Düsenkörper 17 ist mit einem Gehäuseteil 22 verbunden. Hierbei kann der Magnetkreis 9 über den Düsenkörper 17 und/oder das Gehäuseteil 22 geschlossen werden, so dass diese vorzugsweise zumindest teilweise aus geeigneten Werkstoffen, insbesondere ferromagnetischen Werkstoffen, gebildet sind.
Die Magnetspule 6 ist über elektrische Leitungen 23, 24 mit der Messeinrichtung 3 verbunden. Je nach Ausgestaltung der Anordnung 1 kann hierbei eine Schnittstelle 25 vorgesehen sein, die beispielsweise über einen geeigneten Stecker eine Verbindung der Messeinrichtung 3 mit dem Ventil 2 ermöglicht. Es ist allerdings auch denkbar, dass die Messeinrichtung 3 in das Ventil 2 integriert ist. Dann kann ein entsprechendes Messsignal beispielsweise zu einer separaten Steuereinrichtung geführt werden. Ferner ist es auch denkbar, dass für die Messeinrichtung 3 vorgesehene Funktionen örtlich getrennt realisiert sind.
Somit schließt die Ausgestaltung der Anordnung 1 den Fall ein, dass die Messeinrichtung 3 in das Ventil 2 integriert ist.
An der Ventilnadel 15 sind Anschlagelemente 30, 31 vorgesehen, die fest mit der Ventilnadel 15 verbunden und somit ortsfest an der Ventilnadel 15 angeordnet sind. Das Anschlagelement 30 weist eine Anschlagfläche 32 auf. Das Anschlagelement 31 weist eine Anschlagfläche 33 auf. An dem Anker 8 sind Stirnseiten 34, 35 ausgebildet. Der Anker 8 weist außerdem eine Durchgangsbohrung 36 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel so ausgestaltet ist, dass der Anker 8 mit einem gewissen Spiel an der Ventilnadel 15 geführt ist, das ein Verkippen des Ankers 8 bezüglich einer Längsachse 37 der Ventilnadel erlaubt. Zwischen den Anschlagflächen 32, 33 ist der Anker 8 in diesem Ausführungsbeispiel fliegend gelagert. Dabei wird der Anker 8 mittels einer Feder 38 entgegen der Öffnungsrichtung 10 in die in der 1 dargestellte Ausgangslage beaufschlagt. In der Ausgangslage liegt der Anker 8 mit seiner Stirnseite 35 an der Anschlagfläche 33 an. Des weiteren ist eine Rückstellfeder 39 vorgesehen, die die Ventilnadel 15 in die in der 1 dargestellte Ausgangsstellung beaufschlagt, in der der Dichtsitz zwischen dem Ventilschließkörper 16 und der Ventilsitzfläche 19 geschlossen ist.
Bei der Bestromen der Magnetspule 6 wird über den Magnetkreis 9 eine Öffnungskraft auf den Anker 8 ausgeübt, so dass der Anker 8 zunächst einen Ankerfreiweg 40 durchläuft, während der Dichtsitz noch geschlossen bleibt. Anschließend schlägt der Anker 8 an der Anschlagfläche 32 des Anschlagelements 30 an, wodurch ein Öffnungsimpuls auf die Ventilnadel 15 übertragen wird und der Dichtsitz öffnet. Hierdurch kommt es zum Einspritzen von Brennstoff aus einem Innenraum 41 über die Spritzlöcher 20, 21 in den Brennraum 4.
Die Öffnungsbewegung des Ankers 8 ist durch eine Anschlagfläche 42 an dem Innenpol 7 begrenzt. Wenn der Anker 8 an der Anschlagfläche 42 anschlägt, dann kann es allerdings noch zu einem gewissen Durchschwingen der Ventilnadel 15 in und entgegen der Öffnungsrichtung 10 kommen.
Das Schließen des Ventils 2 erfolgt, wenn die Magnetspule 6 stromlos geschaltet wird. Denn dann wird über die Rückstellfeder 39 und das Anschlagelement 30 eine Rückstellung sowohl des Ankers 8 als auch der Ventilnadel 15 verursacht. Sobald bei dieser Rückstellung der Ventilschließkörper 16 an der Ventilsitzfläche 19 anschlägt, löst sich der Anker 8 von der Anschlagfläche 32 und bewegt sich dann in Richtung auf die Anschlagfläche 33 des Anschlagelements 31.
In diesem Ausführungsbeispiel ist für die Anschlagfläche 32 des Anschlagelements 30 ein Winkel 43 vorgegeben, der als Kipp- oder Neigungswinkel 43 bezeichnet werden kann. Die Anschlagfläche 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgestaltet und ein Normalenvektor 57 (6) der Anschlagfläche 32 schließt mit der Längsachse 37 den Winkel 43 ein.
Wenn der Anker 8 mit seiner Stirnseite 34 flächig an der Anschlagfläche 32 anliegt, dann kommt es somit zu einer Verkippung des Ankers 8 relativ zu der Längsachse 37 beziehungsweise seiner in der 1 dargestellten Ausgangsstellung um den Winkel 43. Aufgrund der Dynamik des Ventils 2 kommt es dadurch nach dem Schließen des Ventils 2 zu Kipp- oder Taumelbewegungen des Ankers 8. Ein Arbeitsspalt 44 zwischen dem Anker 8 und dem Innenpol 7 wird hierdurch variiert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltkreises 50 der in 1 dargestellten Anordnung des ersten Ausführungsbeispiels. Hierbei sind die Messeinrichtung 3 und der Magnetkreis 9 im elektrischen Schaltkreis 50 enthalten. In einer idealisierten Darstellung kann der Arbeitsspalt 44 als Arbeitsluftspalt mit einer Länge x beschrieben werden. Hierbei kann der Einfluss eines Mediums im Arbeitsspalt 44 durch eine entsprechende Größe, insbesondere einen Multiplikationsfaktor für die Länge x, berücksichtigt werden. Der Magnetkreis 9 ist hier durch eine Länge l charakterisiert. Ferner ist ein Querschnitt A angegeben, der den Magnetkreis 9 charakterisiert. Ferner ist eine magnetische Permeabilität μ_R angegeben. Im Magnetkreis 9 ergibt sich der magnetische Fluss Ф aus einem Strom i, der durch die Magnetspule 6 fließt. Die Magnetspule 6 dient hierbei auch als Messspule, wobei der Strom i auch das Messsignal enthält. Der Strom i ergibt sich aus der an n Windungen der Magnetspule 6 anliegenden Spannung U_n, die sich modellmäßig in eine am Ohmschen Widerstand R abfallende Spannung U_R und eine am induktiven Widerstand der Magnetspule 6 abfallende Spannung U_i aufteilen lässt.
Die beispielsweise von der Messeinrichtung 3 als Messsignal erfasste Spannung U_n kann entsprechend der
Formel (1)
Beschrieben werden. Beispielsweise kann zum Schließen des Ventils 2 ausgehend von einem Haltestromniveau, das sich beispielsweise bei einer an die Magnetspule angelegten Spannung U_n von 60 V einstellt, der Strom i schnell abgebaut und dann der Strom i = 0 eingeprägt werden. In dieser Phase der Bestromung kann dann über die Klemmspannung U_n vor allem die Ankergeschwindigkeit des Ankers 8 beziehungsweise die Veränderung des Arbeitsspaltes 44 zwischen dem Anker 8 und dem Innenpol 7 gemessen werden. Wie in der Formel (1) veranschaulicht, geht hierbei der Spannungsabfall U_R = R i gegen Null. Und auch die Änderung des Stroms geht nach dem schnellen Stromabbau und der Einprägung des Stroms i = 0 gegen Null, so dass die zeitliche Ableitung des Stroms i zumindest näherungsweise verschwindet. Somit bleibt auf der rechten Seite der in Formel (1) dargestellten Gleichung der dritte Term übrig, der von der Veränderung der Länge x des Arbeitsspaltes 44 bezüglich der Zeit t abhängt.
In dieser Phase, das heißt, wenn der Strom i = 0 eingeprägt wird, erfolgt auch das Schließen des Ventils 2, bei dem der Ventilschließkörper 16 an der Ventilsitzfläche 19 anschlägt und der Anker 8 zunächst als entkoppelte Masse weiterfliegt. Durch die beispielsweise anhand der 1 beschriebene konstruktive Maßnahme, bei der der Anker 8 verkippt wird, kommt es zu einer Modulierung der Ankergeschwindigkeit beziehungsweise zu einem Modulieren der Länge x. Diese Modulation führt zu Anteilen höherer Ordnung, das heißt zu einem nicht konstanten Geschwindigkeitsterm dx/dt. Die nicht gleichmäßige Ankergeschwindigkeit beim Ventilschließen kann um einen Mittelwert Schwingen, wiederholt ruckartige Änderungen oder auch andere Variationen höherer Ordnung aufweisen. Damit unterscheidet sich diese Modulation von üblichen Einflüssen auf die Ankerbewegung, die durch eine Feder 38, 39 oder durch einen Strömungswiderstand verursacht sind. Die Modulationen der Ankergeschwindigkeit können auch bei sehr kleinen Auslenkungen, insbesondere Mirkobewegungen, direkt als Schwingung auf dem gemessenen Strom i beziehungsweise der gemessenen Spannung U_n erkannt werden. Die Schwingung der Ankergeschwindigkeit ist somit mit einfachen Mitteln robust auswertbar und insbesondere als mechanisch angeregte Ankerschwingung weitgehend unabhängig von eingesetzten Medium und dessen aktuellen Zustand, wie zum Beispiel seiner Temperatur.
Die Erzeugung der anhand der 1 beschriebenen Ankerschwingung kann auch auf andere Weise erfolgen. Somit kann die Erzeugung einer mechanischen Ankerschwingung des Ankers 8 beim Schließen auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei weitere Möglichkeiten im Detail beschrieben sind. Die beschriebenen Maßnahmen können hierbei einzeln oder auch in Kombination realisiert werden.
3 zeigt eine auszugsweise Darstellung des an der Ventilnadel 15 geführten Ankers 8 des Ventils 2 der in 1 dargestellten Anordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel bei einem Betätigungsvorgang. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Neigung der Anschlagfläche 33 des Anschlagelements 31 bezüglich der Längsachse 37 vorgesehen. Beim Schließvorgang kommt es somit beim Anprallen des Ankers 8 mit seiner Stirnseite 35 an der Anschlagfläche 33 zu einem Verkippen des Ankers 8 und anschließend zu Kipp- beziehungsweise Taumelbewegungen des Ankers 8. Hierbei kann auch ein gewisses Rückprallen des Ankers 8 in der Öffnungsrichtung 10 erfolgen.
Somit kann eine Schwingung des Ankers 8 je nach Ausführungsbeispiel um die Führung derart erzeugt werden, dass sich der Anker 8 gezielt einseitig von der Anschlagfläche 32, 33 an der Ventilnadel 15 löst, verkippt und auf der Führung etwas verkantet. Der Anker 8 löst sich dann verspätet auf der gegenüberliegenden Seite und verkippt in die andere Richtung. Dadurch ändert sich die Ankergeschwindigkeit schubartig, solange bis der Anker 8 infolge von Reibung und Querkräften eine gleichmäßige Beschleunigung entlang der Führung erfährt beziehungsweise zur Ruhe kommt. Hierbei können auch die anhand der 1 und 3 beschriebenen Ausgestaltungen der geneigten Anschlagflächen 32, 33 in Kombination realisiert werden, wobei gegenläufige Verkippungen des Ankers 8 denkbar sind.
Ein solches Verhalten kann auch durch ein unterschiedliches hydraulisches Kleben über den Umfang erzeugt beziehungsweise verstärkt werden. Diesbezügliche Ausgestaltungen sind nachfolgend auch anhand der 4 bis 9 exemplarisch beschrieben. Hierbei können solche Ausgestaltungen einzeln oder in Kombination an dem Anschlagelement 30 und/oder dem Anschlagelement 31 realisiert sein. 4 zeigt ein an der Ventilnadel 15 angeordnetes Anschlagelement 30, 31 eines Ventils 2 einer Anordnung 1 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiels. Hierbei ist an der Anschlagfläche 32, 33 eine radiale Nut 55 ausgestaltet. Die Anschlagfläche 32, 33 ist dadurch nicht eben und auch nicht symmetrisch kegelig realisiert.
Die Nut 55 ist hierbei eine denkbare Ausgestaltung einer Ausnehmung 55. Hierbei können auch mehrere Ausnehmungen 55, insbesondere radiale Nuten 55, vorgesehen sein. Ferner kann die Nut 55 auch anders, also nicht radial, verlaufen.
5 zeigt ein Anschlagelement 30, 31 entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Anschrägung 56 an der Anschlagfläche 32, 33 ausgestaltet. Hierdurch wird die Anschlagfläche 32, 33 teilweise abgeschrägt.
6 zeigt ein Anschlagelement 30, 31 entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anschlagfläche 32, 33 gegenüber der Längsachse 37 verkippt, so dass ein Normalenvektor 57 der Anschlagfläche 32, 33 mit der Längsachse 37 einen Winkel 43, der als Kipp- oder Neigungswinkel 43 bezeichnet werden kann, einschließt. Dies entspricht einer Situation, wie sie anhand der 1 beziehungsweise der 3 beschrieben ist.
7 zeigt ein Anschlagelement 30, 31 entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Stufe 58 an der Anschlagfläche 32, 33 vorgesehen.
8 zeigt ein Anschlagelement 30, 31 entsprechend einem siebten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Anschlagfläche 32, 33 einen nicht kreisförmigen Rand 59 auf. Speziell ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Ausbuchtung 60 an der Anschlagfläche 32, 33 vorgesehen.
9 zeigt ein Anschlagelement 30, 31 entsprechend einem achten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Einbuchtung 61 vorgesehen, die hier durch einen geradlinigen Abschnitt 61 an dem Rand 59 realisiert ist.
Bei den anhand der 8 und 9 beschriebenen Ausgestaltungen basiert die Geometrie des Randes 59 auf einem kreisförmigen Rand, der entsprechend modifiziert ist. Es können allerdings auch andere Randgeometrien für den Rand 59 realisiert werden.
Ferner sind auch unterschiedliche Mirkostrukturierungen und Rauhigkeiten an den Anschlagflächen 32, 33 realisierbar, um von einer radialsymmetrischen Ausgestaltung abweichende hydraulische Eigenschaften, insbesondere hydraulische Klebeeigenschaften, zu realisieren. Hierdurch kann je nach Ausgestaltung des Ventils 2 ein Schwingen des Ankers 8 verursacht oder verstärkt werden.
Somit können in vorteilhafter Weise nicht rotationssymmetrische Geometrien der Anschlagflächen 32, 33 realisiert werden, die zu einem mechanischen Schwingen des Ankers 8 führen, das Variationen der Länge x des Arbeitsspaltes 44 von höherer Ordnung zur Folge hat. Insbesondere können Variationen der Länge x von zweiter oder höher als zweiter Ordnung erzielt werden.
10 zeigt einen an der Ventilnadel 15 angeordneten Anker 8 eines Ventils 2 einer Anordnung 1 entsprechend einem neunten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Anker 8 und die Ventilnadel 15 entsprechend einem System 62 mit zwei über ein Federelement 63 verbundenen Massen 64, 65 ausgestaltet. Der Anker 8 ist hierbei fest mit der Ventilnadel 15 verbunden. Die Ventilnadel 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einen ersten Nadelabschnitt 66 und einen zweiten Nadelabschnitt 67 aufgeteilt. Die Nadelabschnitte 66, 67 sind über eine Verbindungshülse 68 miteinander verbunden. Der Anker 8 ist fest mit dem ersten Nadelabschnitt 66 verbunden. Der erste Nadelabschnitt 66 ist so ausgestaltet, dass elastodynamische Strukturschwingungen entlang der Längsachse 37 ermöglicht sind. Hierbei ist anzumerken, dass der erste Nadelabschnitt 66 sowohl zur Realisierung eines modellmäßigen Federelements 63 als auch teilweise zur Realisierung der Masse 64 beiträgt. Wenn der Ventilschließkörper 16 beim Schließen an der Ventilsitzfläche 19 anschlägt, dann kommt es zu Schwingungen des Ankers 8 innerhalb des Feder-Masse-Systems 62. Hierbei ist eine geeignete Abstimmung möglich.
Eine Schwingung des Systems 62 mit dem Anker 8 beziehungsweise der sich beim und nach dem Schließen weiterbewegenden Massen kann auch um sich selbst, das heißt um den eigenen Schwerpunkt des Systems 62, erfolgen. Um mit solch einer Schwingung eine messbare Geschwindigkeitsänderung des axialen magnetischen Arbeitsspalts 44 zu erzeugen, sollte der Schwerpunkt möglichst weit von der wirksamen Stirnseite 34 des Ankers 8 entfernt liegen und die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems 62 nicht größer als 50 KHz sein. Dies kann bei einem nach außen öffnenden Ventil, was eine entsprechende Abwandlung des in 1 dargestellten innenöffnenden Ventils 2 erforderlich macht, erreicht werden, indem der Anker 8 mit dem Nadelabschnitt 63 fest verbunden ist, der sich nach dem Ventilschließen als eine elastisch schwingende Masse zunächst weiterbewegt und elastodynamische Strukturschwingungen des ersten Nadelabschnitts 66 verursacht.
11 zeigt einen an der Ventilnadel 15 angeordneten Anker 8 eines Ventils 2 einer Anordnung 1 entsprechend einem zehnten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Anker 8 als fliegender Anker 8 an der Ventilnadel 15 angeordnet. Der Anker 8 eines als innen- oder außenöffnenden Ventils 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem ersten Ankerteil 69 und einem zweiten Ankerteil 70 sowie einem zwischen den Ankerteilen 69, 70 vorgesehenen Elastomer zusammengesetzt. Das erste Ankerteil 69 stellt die erste Masse 64 des Systems 62 dar, die über das als Feder 63 dienende Elastomer 61 mit der durch das zweite Ankerteil 70 gebildeten zweiten Masse 65 verbunden ist. Beim Anprallen des Ankers 8 an die Anschlagfläche 32, 33 oder Lösen des Ankers 8 von der Anschlagfläche 32, 33 des Anschlagselements 30, 31 kommt es zur Anregung einer Schwingung des Feder-Masse-Systems 62.
Die Ankerteile 69, 70 können auch über eine anders ausgestaltete Feder 63, insbesondere ein Spiralfederelement 63, miteinander verbunden sein.
12 zeigt einen an der Ventilnadel 15 angeordneten Anker 8 eines Ventils 2 einer Anordnung 1 entsprechend einem elften Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Anker 8 als fliegender Anker 8 an dem ersten Nadelabschnitt 66 angeordnet. Dadurch wird anstelle einer Masse 64, wie sie in der 10 veranschaulicht ist, eine Aufteilung auf zwei Massen 64A, 64B realisiert. Die Masse 64B wird hierbei über einen stoßweisen Kontakt mit mindestens einer anderen Masse 64A abgebremst. In diesem Ausführungsbeispiel stößt der erste Nadelabschnitt 66 mit dem Anker 8 und führt so zu einer stoßweisen Ankerbewegung. Somit kann eine Schwingung eines mehrteiligen Systems 62 mit nicht fest verbundenen, weiterfliegenden Massen 64A, 64B realisiert werden.
13 zeigt einen an einer Ventilnadel 15 angeordneten Anker 8 eines Ventils 2 einer Anordnung 1 entsprechend einem zwölften Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Anker 8 als fliegender Anker 8 an der Ventilnadel 15 angeordnet. Der Anker 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Grundkörper 72 mit zumindest einer Ausnehmung 73, 74 und zumindest einem in der zumindest einen Ausnehmung 73, 74 mit Spiel entlang der Ventilnadel 15 eingesperrten Körper 75, 76 auf. Hierbei wird die Ankerschwingung durch Stoßen der Körper 75, 76, die mit Spiel eingesperrt sind, mit dem Grundkörper 72 des Ankers 8 selbst erzeugt. Das Einsperren der Körper 75, 76 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine mit dem Grundkörper 72 verbundene Platte, die beispielsweise mit dem Grundkörper 72 verschweißt ist, realisiert.
Somit können durch konstruktive Maßnahmen magnetische Ventile 2 mit mehreren bewegten Massen 64, 65 realisiert werden, was ein leicht zu detektierendes Signal im Spannungsverlauf erzeugt oder verstärkt, über das ein Schließzeitpunkt des Ventils 2 einfach und genau detektiert werden kann. Hierbei ergibt sich eine zumindest weitgehende Unabhängigkeit von dem zum Einsatz kommenden Brennstoff, insbesondere dessen Qualität und Zusammensetzung, der Brennstofftemperatur und der Umgebungstemperatur. Dies ermöglicht eine robuste und einfache Ausführung. Dies ermöglicht auch einen breiten Anwendungsbereich. Insbesondere kann der Anker 8 als Flach- oder Tauchanker 8 ausgebildet sein. Ein bevorzugter Einsatz besteht für die Einspritzung von Benzin.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19950761 A1 [0002]

Claims

Anordnung (1) mit einem Ventil (2) zum Zumessen eines Fluids, das insbesondere als Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen dient, wobei das Ventil (2) einen elektromagnetischen Aktuator (5) und eine von dem Aktuator (5) betätigbare Ventilnadel (15) aufweist, wobei der elektromagnetische Aktuator (5) eine Magnetspule (6) und einen bei einem Betätigungsvorgang mittels der Magnetspule (6) betätigbaren Anker (8), der an der Ventilnadel (15) angeordnet ist, aufweist, wobei die Ventilnadel (15) zum Betätigen eines Ventilschließkörpers (16) dient, der mit einer Ventilsitzfläche (19) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und wobei zumindest eine Anschlagfläche (32, 33) vorgesehen ist, an der der Anker (8) bei dem Betätigungsvorgang anschlägt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (3) vorgesehen ist, die zumindest bei dem Betätigungsvorgang mit der Magnetspule (6) elektrisch verbunden ist, dass der Anker (8) und/oder die Anschlagfläche (32, 33) und/oder die Ventilnadel (15) so ausgestaltet sind, dass bei dem Betätigungsvorgang nach dem Schließen des Dichtsitzes eine Ankerschwingung des Ankers (8) erzeugt ist, und dass die Messeinrichtung (3) ausgestaltet ist, die bei dem Betätigungsvorgang nach dem Schließen des Dichtsitzes erzeugte Ankerschwingung in Form einer auf einer Spulenspannung (U_n) der Magnetspule (6) erzeugten Schwingung zu erfassen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Form einer auf der Spulenspannung (U_n) der Magnetspule (6) erzeugte Schwingung zumindest im Wesentlichen durch eine aufgrund der Ankerschwingung verursachte Änderung eines Arbeitsspaltes (44) zwischen dem Anker (8) und einem Innenpol (7) des elektromagnetischen Aktuators (5) erzeugt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) so an der Ventilnadel (15) angeordnet ist, dass ein Verkippen des Ankers (8) relativ zu der Ventilnadel (15) ermöglicht ist, und dass der Anker (8) und die Anschlagfläche (32, 33) so ausgestaltet sind, dass der Anker 8 beim Anschlagen an beziehungsweise Ablösen von der Anschlagfläche (32, 33) relativ zu der Ventilnadel (15) verkippt beziehungsweise verkippt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (34, 35) des Ankers (8) und/oder die Anschlagfläche (32, 33) in einem Bereich, in dem der Anker (8) an der Anschlagfläche (32, 33) anschlägt, mit einer Anschlaggeometrie ausgestaltet ist, die nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse (37) ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlaggeometrie der Stirnseite (34, 35) des Ankers (8) beziehungsweise die Anschlaggeometrie der Anschlagfläche (32, 33) zumindest eine Ausnehmung (55) und/oder zumindest eine Nut (55) und/oder zumindest eine radiale Nut (55) und/oder zumindest eine Stufe (58) und/oder zumindest eine Anschrägung (56) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlaggeometrie an dem Anker (8) beziehungsweise der Anschlagfläche (32, 33) einen nicht kreisförmigen Rand (59) aufweist.
Anordnung nach Anordnung 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlaggeometrie an dem Anker (8) beziehungsweise der Anschlagfläche (32, 33) an dem Rand (59) zumindest eine Ausbuchtung (60) und/oder zumindest eine Einbuchtung (61) und/oder zumindest einen zumindest im Wesentlichen geradlinigen Abschnitt (61) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) und/oder die Ventilnadel (15) entsprechend einem System (62) mit zumindest zwei über zumindest eine Feder (63) verbundenen Massen (64, 65) ausgestaltet sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) eine erste Masse (64) in Form eines ersten Ankerteils (69) und zumindest eine zweite Masse (65) in Form eines zweiten Ankerteils (70) und eine Feder (63), die die erste Masse (64) mit der zweiten Masse (65) verbindet, in Form eines zwischen dem ersten Ankerteil (69) und dem zweiten Ankerteil (70) vorgesehenen Elastomers (71) und/oder Spiralfederelements (63) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (15) einen ersten Nadelabschnitt (66), an dem der Anker (8) fest oder fliegend angeordnet ist, und einen zweiten Nadelabschnitt (67) aufweist, dass der erste Nadelabschnitt (66) und der zweite Nadelabschnitt (67) miteinander verbunden sind und dass der erste Nadelabschnitt (66) so ausgestaltet ist, dass elastodynamische Strukturschwingungen ermöglicht sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) einen Grundkörper (72) mit zumindest einer Ausnehmung (73, 74) und zumindest einen in der zumindest einen Ausnehmung (73, 74) mit Spiel entlang der Ventilnadel (15) eingesperrten Körper (75, 76) aufweist.