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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, bei denen vorzugsweise eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.
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Aus der
DE 10 2016 225 776 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen dient. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst eine Ventilnadel, die mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einen an der Ventilnadel angeordneten Anker, der von einer Rückstellfeder in einer Schließrichtung beaufschlagt ist und mit einer Magnetspule zusammenwirkt. Der Anker ist hierbei zwischen zwei Anschlagelementen fliegend an der Ventilnadel gelagert. Der Anker weist eine Federaufnahme auf, die zu einem der Anschlagelement hin offen ist und in die eine Ankerfreiwegfeder eingesetzt ist. Die Ankerfreiwegfeder stützt sich einerseits an einer Federstützfläche des Ankes, die einen Boden der Federaufnahme darstellt, und andererseits an einer Anschlagfläche des Ankers ab. Nierenförmige Durchgangsöffnungen des Ankers sind mit der Federaufnahme verschnitten, so dass der Brennstoff sowohl durch die Federaufnahme als auch durch die Durchgangsöffnungen strömen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Ferner können eine Fertigung vereinfacht und eine kostengünstigere Herstellung ermöglicht werden.
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Bei dem Ventil zum Zumessen des Fluids ist der Anker (Magnetanker) nicht fest mit der Ventilnadel verbunden, sondern zwischen Anschlagelementen fliegend gelagert. Die Anschlagelemente können als Anschlaghülse, Anschlagring oder ähnliches realisiert werden. Ein Anschlagelement kann gegebenenfalls auch an der Ventilnadel ausgeformt sein. Über zumindest eine Ankerfreiwegfeder wird der Anker im Ruhezustand an einen bezüglich der Ventilnadel ortsfesten Anschlag verstellt, so dass der Anker dort anliegt. Bei der Ansteuerung des Ventils steht dann der komplette Ankerfreiweg als Beschleunigungsstrecke zur Verfügung.
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Bei einem fliegend an der Ventilnadel angeordneten Anker ergeben sich gegenüber einer festen Verbindung des Ankers mit der Ventilnadel oder einer einteiligen Nadel unter anderem die Vorteile, dass durch den entstehenden Impuls des Ankers beim Öffnen bei gleicher Magnetkraft die Ventilnadel auch bei höheren Drücken, insbesondere Brennstoffdrücken, sicher geöffnet werden kann, was als dynamische mechanische Verstärkung bezeichnet werden kann, und dass eine Entkopplung der beteiligten Massen erfolgt, wodurch die resultierenden Anschlagkräfte an der Ventilsitzfläche auf zwei Impulse aufgeteilt werden.
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Allerdings ergeben sich spezifische Probleme, die mit der fliegenden Lagerung des Ankers an der Ventilnadel verbunden sind. Insbesondere ergeben sich erhöhte Herstellungskosten, die den Anker und die Ankerfreiwegfeder beziehungsweise die Federaufnahme für die Ankerfreiwegfeder betreffen. So benötigt bei einer herkömmlichen Ausgestaltung die Ankerfreiwegfeder, die als Zylinderfeder ausgebildet ist, vor allem in radialer Richtung relativ viel Bauraum, der in Form einer Nut im Anker zur Verfügung gestellt werden muss. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die große erforderliche Drahtstärke, die im Bereich von 0,4 mm liegt. Außerdem ergeben sich relativ große Fertigungstoleranzen, was die Federkonstante und somit die Federkraft betrifft. Außerdem ergeben sich konstruktionsbedingt Zielkonflikte, da ein durch den Ankerraum geführter Brennstoff in der Regel durch Durchgangsbohrungen des Ankers geführt wird. Die Federwindungen einer herkömmlichen Ankerfreiwegfeder können dann einen relativ großen Anteil des Strömungsquerschnitts verdecken, was zu einem Druckabfall führt. Unter anderem wegen einer Aufnahme für die Ankerfreiwegfeder ist außerdem die Bearbeitung des Ankers aufwendig und kostenintensiv, was beispielsweise erforderliche Entgratungen der Bohrungsverschneidungen betreffen kann.
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Bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist die Komplexität der Herstellung des Ankers verringert. Gegebenenfalls können sich komplexe geometrische Anpassungen zumindest im Wesentlichen auf das Anschlagelement beziehen, an dem die Ankerfreiwegfeder(n) abgestützt sind. Je nach Ausgestaltung des Ventils können hierdurch die genannten Nachteile vermieden werden. Die Ausgestaltung der Ankerfreiwegfeder(n) und die Anzahl der Ankerfreiwegfeder(n) kann hierbei so realisiert beziehungsweise vorgegeben werden, dass wesentliche Parameter, beispielsweise ein Arbeitshub und eine Anpresskraft, vorgegeben sind, die sich auch bei einer Zylinderfeder ergeben.
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Somit kann eine aufwendige und kostenintensive Federnut im Anker zur Aufnahme einer sich um die Längsachse windenden Zylinderfeder entfallen. Ferner kann ein freier Durchströmquerschnitt definiert eingestellt werden, so dass sich ein geringerer Druckabfall ergibt. Des Weiteren ist es möglich, die Anschlagfläche beziehungsweise Dämpfungsfläche zwischen dem Anker und dem Anschlagelement zu vergrößern. Je nach Ausgestaltung können hierbei gegebenenfalls auch kürzere Pausenzeiten bei Mehrfacheinspritzungen realisiert werden und eine bessere CVO-Signalerkennung erreicht werden. Auch ein Verschleiß kann aufgrund der größeren Kontaktfläche verringert werden.
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Speziell können durch die in den Ansprüchen 2 bis 4 angegebenen vorteilhaften Weiterbildungen verbesserte Durchströmungen des Ankers sowie eine vorteilhafte Abstützung der Ankerfreiwegfeder(n) ermöglicht werden.
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Die Weiterbildung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 hat den Vorteil, dass vorteilhafte geometrische Realisierungen des Ankers und eine vorteilhafte Funktionsweise ermöglicht sind. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 8 kann das Durchströmen des Ankers mit dem Fluid verbessert werden.
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Die vorteilhaften Weiterbildungen nach Anspruch 9 und/oder 10 ermöglichen es, die Komplexität von dem Anker auf das Anschlagelement zu legen, wobei Möglichkeiten zur kostengünstigen Herstellung angegeben sind. Gegebenenfalls kann das Anschlagelement auch aus einem Werkstoff hergestellt werden, der leicht zerspanbar ist. Dadurch kann vermieden werden, dass eine gegebenenfalls erforderliche komplexe Geometrie des Anschlagelements aufgrund einer beispielsweise innenliegenden Ankerfreiwegfeder zu wesentlichen Mehrkosten führt.
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Figurenliste
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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, näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 2 ein Anker und Ankerfreiwegfedern des in 1 dargestellten Ventils entsprechend dem Ausführungsbeispiel in einer räumlichen Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ventil 1 einer Brennstoffeinspritzanlage zum Zumessen eines Fluids in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Ventil 1 kann insbesondere als Brennstoffeinspritzventil 1 ausgebildet sein. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist eine Brennstoffeinspritzanlage, bei der solche Brennstoffeinspritzventile 1 als Hochdruckeinspritzventile 1 ausgebildet sind und zur direkten Einspritzung von Brennstoff in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine dienen. Als Brennstoff kommen hierbei vorzugsweise flüssige Brennstoffe zum Einsatz. Es ist aber auch eine Einspritzung beziehungsweise Einblasung von gasförmigen Brennstoffen denkbar.
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Das Ventil 1 weist einen Aktuator 2 auf, der eine Magnetspule 3 und einen Anker 4 umfasst. Durch Bestromen der Magnetspule 3 wird ein Magnetfeld über einen Innenpol 5 den Anker 4 und ein zumindest teilweise magnetisch leitendes Gehäuse 6 erzeugt. Der Innenpol 5 ist fest mit dem Gehäuse 6 verbunden. Das Ventil 1 weist eine innerhalb des Gehäuses 6 entlang einer Längsachse 7 verstellbare Ventilnadel 8 auf, an der ein Ventilschließkörper 9 vorgesehen ist. Der Ventilschließkörper 9 wirkt mit einer Ventilsitzfläche 10 zu einem Dichtsitz zusammen. Der Ventilschließkörper 9 kann auch einstückig mit der Ventilnadel 8 ausgebildet sein.
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An der Ventilnadel 8 sind Anschlagelemente 11, 12 angeordnet und fest mit der Ventilnadel 8 verbunden. Der Anker 4 ist zwischen den Anschlagelementen 11, 12 entlang der Längsachse 7 bewegbar, wobei er an einer Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 geführt ist.
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Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann zumindest eines der Anschlagelemente 11, 12 auch an der Ventilnadel 8 ausgeformt sein. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Ventilnadel 8 über das Anschlagelement 11 von einer Rückstellfeder 16 beaufschlagt, die den Ventilschließkörper 9 mittels der Ventilnadel 8 gegen die Ventilsitzfläche 10 beaufschlagt. Dadurch wird das Ventil 1 im Ruhezustand geschlossen gehalten.
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Zur Betätigung des Ventils 1 wird die Magnetspule 3 bestromt, wodurch der Anker 4 in einer Öffnungsrichtung 17 entlang der Längsachse 7 entgegen der Kraft zumindest einer Ankerfreiwegfeder 18, 18A, 18B (2) beschleunigt wird. Die Rückstellfeder 16 hält hierbei die Ventilnadel 8 zunächst in ihrer Ausgangsstellung, die in der 1 dargestellt ist. Beim Anprallen des Ankers 4 an dem Anschlagelement 11, also nach Durchlaufen eines Ankerfreiwegs 19, wird sowohl die Magnetkraft als auch eine Stoßkraft auf die Ventilnadel 8 übertragen, was zum Öffnen der Ventilnadel 8 führt. Dann wird auch die Ventilnadel 8 zusammen mit dem Anker 4 weiter beschleunigt. Nachdem der Anker 4 mit seiner ersten Stirnseite 22 an dem Innenpol 5 angeschlagen hat, setzt die Ventilnadel 8 aufgrund ihrer Trägheit ihre Bewegung in der Öffnungsrichtung 17 fort, wobei aufgrund der Kraft der Rückstellfeder 16 eine Bewegungsumkehr erfolgt. Anschließend trifft die Ventilnadel 8 bei ihrer Bewegung in einer Schließrichtung, die entgegen der Öffnungsrichtung 17 orientiert ist, beziehungsweise der Anschlag 11 wieder auf den Anker 4, der idealer Weise bis zu diesem Zeitpunkt am Innenpol 5 ruht. Das Anschlagelement 11 weist Ausnehmungen 26, 27 auf, um den Durchfluss des Fluids zu ermöglichen. Fluid kann gegebenenfalls durch einen Ringspalt 28 zwischen dem Anker 4 und dem Gehäuse 6 geführt werden.
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2 zeigt den Anker 4 und die Ankerfreiwegfedern 18, 18A, 18B des in 1 dargestellten Ventils 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel in einer räumlichen Darstellung. Hierbei ist das Ventil 1 im Folgenden anhand der 1 und 2 weiter beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Ankerfreiwegfedern 18, 18A, 18B vorgesehen, die in Stufenbohrungen 30, 30A, 30B eingesetzt sind. Speziell ist die Ausgestaltung anhand der Ankerfreiwegfeder 18 und der Stufenbohrung 30 exemplarisch beschrieben.
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Die Stufenbohrung 30 weist einen ersten Abschnitt 31 auf, der eine Federaufnahme 31 für die Ankerfreiwegfeder 18 bildet. Ferner weist die Stufenbohrung 30 einen zweiten Abschnitt 32 auf, der eine Durchflussöffnung 32 bildet. Zwischen dem ersten Abschnitt 31 und dem zweiten Abschnitt 32 weist die Stufenbohrung 30 eine Stützstufe 33 auf, an der die Ankerfreiwegfeder 18 mit ihrem ersten Ende 34 abgestützt ist. Die Abstützung ist hierbei direkt, sie kann aber auch mittelbar über ein Zwischenelement, wie einen Stützring, erfolgen.
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Die Ankerfreiwegfeder 18 weist im entspannten Zustand einen maximalen Außendurchmesser 35 auf, der nicht größer als ein minimaler Durchmesser 36, insbesondere konstanter Durchmesser 36, der Stufenbohrung 30 in ihrem ersten Abschnitt 31 ist. Ferner ist ein minimaler Außendurchmesser 37 der Ankerfreiwegfeder 18 größer als ein Durchmesser 38 der Stufenbohrung 30 in ihrem zweiten Abschnitt 32 an der Stützstufe 33. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Ankerfreiwegfeder 18 einen konstanten Außendurchmesser 35, 37 auf, so dass der maximale Außendurchmesser 35 gleich dem minimalen Außendurchmesser 37 ist. Somit ergeben sich vorteilhafte Strömungsverhältnisse, wenn das Fluid, insbesondere der Brennstoff, durch die Stufenbohrungen 30, 30A, 30B geführt wird.
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An dem Anker 4 sind außerdem Durchgangskanäle 40, 40A, 40B ausgestaltet, die sich jeweils von der ersten Stirnseite 22 des Ankers 4 bis zu einer zweiten Stirnseite 23 des Ankers 4 erstrecken und in denen keine Ankerfreiwegfedern angeordnet sind.
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Zumindest die Stufenbohrungen 30, 30A, 30B für die in die Stufenbohrungen 30A, 30B eingesetzten Ankerfreiwegfedern 18, 18A, 18B, gegebenenfalls aber auch die Durchgangskanäle 40, 40A, 40B, sind mit sich zumindest näherungsweise entsprechenden Winkelabständen 41 beziehungsweise 42 um die Längsachse 7 verteilt an dem Anker 4 ausgestaltet. Ferner sind zumindest die Stufenbohrungen 30, 30A, 30B für die in die Stufenbohrungen 30, 30A, 30B eingesetzten Ankerfreiwegfedern 18, 18A, 18B, gegebenenfalls aber auch die Durchgangskanäle 40, 40A, 40B, mit sich zumindest näherungsweise entsprechenden radialen Abständen 43 zu der Längsachse 7 an dem Anker 4 ausgestaltet.
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An dem Anschlagelement 11 ist vorzugsweise für jede Ankerfreiwegfeder 18, 18A, 18B eine Aussparung 44 ausgeformt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die Aussparung 44 dargestellt ist. In die Aussparung 44 ist die Ankerfreiwegfeder 18 mit ihrem zweiten Ende 45 eingefügt. Hierbei ist das Anschlagelement 11 beispielsweise aus einem leicht zerspanbaren Werkstoff hergestellt. Das Anschlagelement 11 kann auch als Metallpulverspritzgussteil oder als Presssinterteil ausgebildet sein. Hierdurch ergeben sich trotz einer komplexeren Geometrie kaum Mehrkosten durch solche Aussparungen 44.
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Somit können in vorteilhafter Weise Ankerfreiwegfedern 18, 18A, 18B in einer jeweiligen Ausgestaltung als Miniaturfeder zum Einsatz kommen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225776 A1 [0002]
