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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil mit einem Elektromagneten, der eine elektrische Spule und ein darin bewegbar gelagertes und magnetisch verstellbares Ankerelement zum Einstellen eines Öffnungsgrades des Magnetventils aufweist. Der Elektromagnet ist in einem Spulengehäuse angeordnet. Zu der Erfindung gehören auch eine Kraftstoff-Einspritzpumpe mit dem erfindungsgemäßen Magnetventil sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzpumpe.
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Das von der Erfindung gelöste Problem ist im Folgenden anhand von 1 erläutert, die ein Magnetventil einer Kraftstoff-Einspritzpumpe gemäß dem Stand der Technik zeigt. Dargestellt ist ein Magnetventil 10, das einen als Topfmagnet ausgestalten Elektromagneten aufweist und zum Bilden eines Magnetkreises für ein Magnetfeld einer elektrischen Spule 11 ein Polstück 12, ein Joch 13, ein bewegliches Ankerelement 14 und ein Spulengehäuse 15 aufweist. Die genannten Elemente sind aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise Eisen, um die magnetischen Feldlinien des Magnetfelds der Spule 11 jeweils im Inneren des Materials als magnetischer Fluss zu führen. Einer auf den Anker durch das Magnetfeld ausgeübten Magnetkraft, wie sie sich bei bestromter oder eingeschalteter elektrische Spule 11 ergibt, wirkt eine Feder 16 entgegen, welche das Magnetventil schließt, falls die Spule 11 nicht bestromt ist. Das magnetische Polstück 12 und das im Spulengehäuse 15 eingesetzte Joch 13 leiten dann den magnetischen Fluss, der durch bestromen der Spule 11 und das hierdurch erzeugte Magnetfeld entsteht. Mit Zunahme des Stromes und damit des magnetischen Flusses hat das Ankerelement 14 das Bestreben, den Magnetkreis weiter zu schließen und drückt deshalb die Feder 16 durch die daraus sich ergebende größere Magnetkraft vergleichsweise zur Federkraft zusammen. Damit öffnet sich das Ventil. Der Öffnungsgrad des Magnetventils 10 ergibt sich somit durch eine Stromstärke des Spulenstroms und die daraus resultierende Stellung des Ankerelements 14.
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DE 71 04 693 U beschreibt einen Elektromagneten einem in einem Gehäuse geführten Anker, wobei eine Spule zum Führen eines Magnetflusses von mehreren Gehäuseteilen des Gehäuses umgeben ist.
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In
DE 21 64 638 B2 ist eine Gehäuseanordnung für einen Elektromagneten mit Spule, Anker und Polstück angegeben.
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DE 10 2012 214 624 A1 offenbart ein elektromagnetisches Stellelement, das für eine Fluidpumpe in einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
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Die Aufgabe des Spulengehäuses 15 besteht im Wesentlichen darin, den Magnetkreis in dem Topfmagneten zu vervollständigen. Hierbei ist wichtig, dass die Montierbarkeit, d. h. die kollisionsfreie Einführung und ein fester Sitz des Wickelpakets der Spule 11, auf welchem der Spulendraht der Spule 11 aufgewertet ist, gewährleistet sein muss. Darüber hinaus muss das Spulengehäuse 15 kostengünstig hinsichtlich Fertigung ausgeführt sein. Bei heutigen Magnetventilen 10 erfolgt ein mehrteiliges Design, das insbesondere das Einsetzen des Joches 13 zum Schließen des Spulengehäuses 15 vorsieht. Somit ist die klassische Ausführung eines Topfmagneten durch den unteren Teil in Form des eigentlichen Spulengehäuses 15 und den oberen Teil in Form des Joches 13 vorgesehen.
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Neben dem für die Bewegbarkeit des Ankerelements 14 benötigten Luftspalt 17 kann es bei der Montage aufgrund von Bauteiltoleranzen auch zu Luftspalten oder kurz Spalten 18 zwischen den Bauteilen des Magnetkreises, d. h. den beschriebenen Elementen 12, 13, 15 geben. Diese Spalte 18 zwischen den Elementen oder Teilen, die von den Magnetfeldlinien überwunden werden müssen, verursachen in den Spalten 18 einen magnetischen Widerstand. Mit anderen Worten unterbrechen die Spalte 18 die Feldlinien des Magnetfelds und schwächen somit die Kraft des Elektromagneten M. Dies muss in der Auslegung des Magneten heutzutage berücksichtigt werden. Größere Bauteilabmessungen für das Gehäuse und das Wickelpaket der Spule 11 sind die Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Magnetventil für eine Kraftstoff-Einspritzpumpe bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Magnetventil mit einem Elektromagneten bereitgestellt. In der bereits beschriebenen Weise weist der Elektromagnet eine elektrische Spule und ein darin bewegbar gelagertes Ankerelement auf, das zum Einstellen eines Öffnungsgrades des Magnetventils mittels eines elektrischen Spulenstroms der Spule mit einem Verschlusselement gekoppelt ist. Das Magnetventil weist des Weiteren ein Spulengehäuse auf, durch welches die Spule umgeben ist und durch welches im Betrieb des Elektromagneten zum Schließen eines magnetischen Kreises der magnetische Fluss der Spule geführt ist.
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Um nun beim Anordnen der Spule und des Ankerelements in dem Spulengehäuse trotz Toleranzen in den Abmaßen bei der Fertigung keine luftgefüllten Spalte zu erhalten, die einen unnötigen magnetischen Widerstand im magnetischen Kreis bedeuten, ist erfindungsgemäß folgende Lösung vorgesehen. Das Spulengehäuse ist mittels zweier Gehäusesegmente zweiteilig ausgestaltet. Mit anderen Worten weist das Spulengehäuse zwei Gehäusesegmente auf. Die Gehäusesegmente berühren sich hierbei jeweils paarweise an einer Berührfläche oder Berührkante. Mit anderen Worten liegen die Gehäusesegmente paarweise aneinander an. Durch das paarweise aneinander Anliegen umgeben die Gehäusesegmente die Spule gemeinsam. Durch die beschriebenen Fertigungstoleranzen kann zwischen diesen Berührkanten ein Spalt vorhanden sein. Ein Spalt hat hier aber weniger Auswirkung auf den Magnetkreis. Grund dafür ist, dass erfindungsgemäß die eine Berührkante parallel zu dem in den Gehäusesegmenten im Betrieb des Elektromagneten entlang der einen Berührkante geführten magnetischen Fluss angeordnet sind. Mit anderen Worten ist das Spulengehäuse längsgeteilt, d. h. der Verlauf der Berührkanten ist an der Längsachse oder Spulenachse der Spule des Elektromagneten orientiert.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass zum Schließen des magnetischen Kreises der elektrische Fluss nicht über die Berührkanten der Gehäusesegmente hinweg geschürt werden muss. Damit hat ein Spalt zwischen den Berührkanten, wie sich durch Fertigungstoleranzen ergeben kann, keinen Einfluss oder keine Auswirkung auf den Magnetkreis.
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Zu der Erfindung gehören auch vorteilhafte Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Für eine Montage mit besonders wenigen Montageschritten ist vorgesehen, dass das Spulengehäuse lediglich zweiteilig ausgestaltet ist, d. h. nur zwei Spulensegmente vorgesehen sind, die Halbschalen des Spulengehäuses darstellen.
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Um den magnetischen Kreis weitestgehend allein mittels der Gehäusesegmente zu schließen und hierdurch beispielsweise auf das beschriebene Joch verzichten zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gehäusesegmente eine äußere Mantelfläche der Spule, also den Außenumfang der Spule, und zusätzlich auch eine Stirnseite der elektrischen Spule abdecken. Durch die Längsteilung ist das Schließen des Spulengehäuses durch zusammenführen der Gehäusesegmente dennoch möglich.
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Ist die Stirnseite der elektrischen Spule durch die Gehäusesegmente abgedeckt, so muss der magnetische Fluss innerhalb des Gehäuses noch von der Stirnseite mittels des Polstücks bis hin zu dem besagten, den Hub des Ankerelements ermöglichenden Luftspalt zwischen Polstück und Ankerelement geschürt sein. Somit muss ein zuverlässiger Kontakt zwischen Polstück und den Gehäusesegmenten garantiert sein. Dies ist insbesondere durch eine alternative Ausgestaltung der Gehäusesegmente zuverlässig erreicht, bei welcher die Gehäusesegmente zwar die äußere Mantelfläche der elektrischen Spule abdecken, aber nicht die Stirnseite, weil an der Stirnseite der elektrischen Spule ein aus der elektrischen Spule herausragendes weichmagnetisches Polstück herausragt, welches von den Gehäusesegmenten umschlossen ist. Allgemein ist unter dem Begriff „weichmagnetisch” im Zusammenhang mit der Erfindung ein Material zu verstehen, dessen Koerzitivfeldstärke kleiner als 1000 Ampere pro Meter ist. Indem das Polstück aus der Stirnseite der elektrischen Spule herausragt, können die Gehäusesegmente gegen das Polstück gepresst und hierdurch eine Spaltsbildung verhindert werden.
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Mit hervorstehendem Polstück oder ohne ist allgemein bei der Erfindung vorgesehen, dass in einem Längsschnitt des Magnetventils, d. h. in einem Schnitt längs der Spulenachse, jedes der Gehäusesegmente die Spule soweit umgibt, wie es das Polstück und das Ankerelement zulassen. Mit anderen Worten ist durch die Gehäusesegmente jeweils ein erstes Spulenende (Stirnseite) der Spule mit einem gegenüberliegenden zweiten Spulenende der Spule weichmagnetisch unmittelbar gekoppelt, d. h. es gibt keine weiteren, weichmagnetischen Zwischenelemente, wie das eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene Joch.
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Besonders vorteilhaft ist es hierbei, falls die Gehäusesegmente in dem Längsschnitt jeweils Führen des magnetischen Flusses einen U-förmigen Abschnitt aufweisen, welcher dann bevorzugt die Spule von außen umklammert oder umgibt.
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Die Gehäusesegmente selber sind jeweils bevorzugt einstückig ausgestaltet. Hierdurch gibt es auch innerhalb jedes Gehäusesegments keine inneren Berührflächen zweier getrennt gefertigter Bauteile. Somit kann es auch hier keine Spaltsbildung geben.
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Für die Fertigung kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Gehäusesegmente jeweils als Sinterbauteil oder Spritzgussbauteil, z. B. mittels MIM-Technologie (MIM – metal injection moulding), gefertigt sind. Diese Verfahren bieten eine Kosteneinsparung in der Herstellung bei großen Stückzahlen.
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Die Form der Gehäusesegmente ist bevorzugt derart gewählt, dass sich die Gehäusesegmente ausschließlich an den jeweiligen Berührkanten paarweise berühren, also dort, wo die Berührfläche oder Oberfläche der Gehäusesegmente parallel zu den Verlaufslinien des magnetischen Flusses angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Magnetventil ist bevorzugt für den Betrieb in einer Kraftstoff-Einspritzpumpe ausgestaltet. Entsprechend umfasst die Erfindung auch eine Kraftstoff-Einspritzpumpe mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils.
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Durch bereitstellen der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzpumpe in einem Kraftfahrzeug ergibt sich das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist hierbei bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 ein Magnetventil eine Einspritzpumpe gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils;
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3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Magnetventil von 2;
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4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils; und
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5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Magnetventil von 4.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich jeweils um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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2 zeigt ein Magnetventil 19, das in der beschriebenen Weise ein Spulengehäuse 20, eine elektrische Spule 11, ein Polstück 12, ein Ankerelement 14 und eine Feder 16 aufweisen kann. 3 zeigt eine entsprechende der Draufsicht auf das Magnetventil 19.
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Ein mit dem Ankerelement 14 gekoppeltes Verschlussteil zum Festlegen des Öffnungsgrads einer Durchlassöffnung des Magnetventils 19 ist nicht dargestellt und kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein. Durch das Spulengehäuse 20, die elektrische Spule 11, das Polstück 12 und das Ankerelement 14 ist ein Elektromagnet M gebildet, z. B. ein Topfmagnet. Das Polstück 12 führt dabei den magnetischen Fluss 29 im Inneren der Spule 11.
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Das Magnetventil 19 kann an einem Pumpengehäuse 21 einer Kraftstoff-Einspritzpumpe 22 angeordnet sein. Die Kraftstoff-Einspritzpumpe 22 kann in einem Kraftfahrzeug 23 angeordnet sein, um beispielsweise als Kraftstoff einen dieser-Kraftstoff oder Benzin zu fördern.
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Das Spulengehäuse 20 kann aus zwei Gehäusesegmenten 24 gebildet sein, die jeweils eine Halbschale des Spulengehäuses 20 darstellen. Im Längsschnitt, wie er in 2 dargestellt ist, kann jedes Gehäusesegment 24 eine U-Form aufweisen und hierdurch die Spule 11 an einer äußeren Mantelseite oder Mantelfläche 25 und an jedem Spulenende 26, 27 abdecken oder umfassen.
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2 und 3 veranschaulichen dabei eine Ausführungsform, bei welcher durch die Gehäusesegmente 24 auch eine Stirnseite 28 der Spule 11 abgedeckt ist. Die Spule 11 ist somit durch die Gehäusesegmente 24 an der Stirnseite 28 verschlossen. Im Betrieb der Spule 11, wenn diese von einem Spulenstrom durchflossen ist, ergibt sich ein magnetischer Fluss 29, dessen prinzipieller Verlauf in 2 und 3 durch gestrichelte Linien veranschaulicht ist.
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Die beiden Gehäusesegmente 24 berühren einander an Berührflächen oder Berührkanten 30. Wie in 3 dargestellt ist, verlaufen die Feldlinien des magnetischen Flusses 29 parallel zu den Berührkanten 30. Hierdurch ist zum Schließen des magnetischen Kreises kein Übertritt des magnetischen Flusses 29 von einem Gehäusesegment 24 in ein benachbartes Gehäusesegmente 24 notwendig.
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Somit bilden aufgrund von Fertigungstoleranzen mögliche Spalte 31 zwischen den Berührkanten 30 keine Unterbrechung der Feldlinien, da sie längs oder parallel dieser angeordnet sind. Die magnetischen Widerstände im Magnetkreis sind dadurch reduziert im Vergleich zu dem Magnetventil 10 gemäß 1. Der Elektromagnet M kann somit in seiner Dimensionierung (Gehäusegröße des Spulengehäuses 20 und des Wickelpakets der Spule 11) im Vergleich zum Magnetventil 10 gemäß 1 kleiner ausgelegt sein und dennoch dieselbe Hubkraft auf das Ankerelement 14 ausüben.
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In die Gehäusesegmente 24 kann zur Montage des Magnetventils 19 das Wickelpaket der Spule 11 in ein Gehäusesegment 24 eingelegt werden und das zweite Gehäusesegment 24 zum Bilden des Spulengehäuses 20 angefügt werden.
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Die Fertigung der Gehäusesegmente 24 kann mittels beispielsweise eines Sinterverfahrens oder der MIM-Technologie (MIM – metal injection moulding) realisiert werden. Diese Verfahren bieten eine Kosteneinsparung in der Herstellung bei großen Stückzahlen.
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Im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 kann die längsgeteilte Ausführung gemäß 3 (die Berührkanten 30 verlaufen entlang oder parallel der Feldlinien des magnetischen Flusses 29) und die U-Form der Gehäusesegmente 24 die Anzahl der Spalte 18 reduziert werden, die von den Feldlinien des magnetischen Flusses 29, zum Schließen des magnetischen Kreises (d. h. zum Schließen der magnetischen Feldlinien) überwunden werden müssen.
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2 zeigt, dass aufgrund der Überdeckung der Stirnseite 28 der Spule 11 hierbei durch die Gehäusesegmente 24 in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen ein Spalt 32 zwischen dem Polstück 12 und den Gehäusesegmenten 24 vorhanden sein kann.
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4 und 5 veranschaulichen eine Ausführungsform des Magnetventils 19, bei welcher das Bilden eines solchen Spaltes 32 verhindert werden kann. Hierzu ragt das Polstück 12 aus der Spule 11 an der Stirnseite 28 heraus, so dass in Bezug auf eine Längsachse oder Spulenachse 33 die Gehäusesegmente 24 quer zur Spulenachse 33 an dem Polstück 12 anliegen und hierdurch daran an gepresst werden können, sodass eine Spaltbildung vermieden werden kann. Hierdurch sind größere Fertigungstoleranzen möglich.
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Durch die U-Form der Gehäusesegmente 24 ist auch hier sichergestellt, dass der magnetische Fluss 29 von einem Spulenende 26 entlang der äußeren Mantelfläche 25 bis zum anderen Spulenende 27 ausschließlich im Inneren der Gehäusesegmente 24 geführt ist.
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Beide Ausführungsformen benötigen kein Joch zum Schließen des magnetischen Kreises zwischen Polstück 12 und Spulengehäuse 20.
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Anstelle der gezeigten Zweiteilung kann das Spulengehäuse 20 auch aus mehr als zwei axial geteilte Gehäusesegmente 24 zusammengesetzt sein.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein geteiltes Spulengehäuse eines Magnetventils bereitgestellt werden kann.
