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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 2015 217 513 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 Anschlägen fliegend an der Ventilnadel gelagert.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann eine Eignung für unterschiedliche Brennstoffzusammensetzungen ermöglicht werden, wie sie bei Fahrzeugen erforderlich ist, die sich flexibel an die Brennstoffzusammensetzung eines flüssigen Brennstoffs aus Methanol, Ethanol und Benzin anpassen.
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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. Vorzugsweise wird an dem Anschlagelement, an dem der Anker im Ruhezustand anliegt, der Dämpfungsraum realisiert, so dass sich beim Schließen eine vorteilhafte Dämpfung ergibt.
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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. Nach dem Schließen des Ventils prellt der Anker nach dem Auftreffen an dem die Ruheposition vorgebenden Anschlag wieder zurück. Dadurch kann es vorkommen, dass der komplette Ankerfreiweg noch einmal durchlaufen wird und der Anker beim erneuten Anschlagen an dem Ventilschließkörper fernen Anschlag noch so viel Energie besitzt, dass die Ventilnadel noch einmal kurzzeitig aus ihrem Sitz gehoben wird. Dadurch kann es zu ungewollten Nacheinspritzungen kommen, die erhöhte Schadstoffemissionen und einen erhöhten Verbrauch zur Folge haben. Aber selbst wenn der Anker beim Zurückprellen nicht den kompletten Ankerfreiweg durchläuft, so benötigt er doch einige Zeit, bis er seine Ruheposition wieder permanent einnimmt. Erfolgt vor der endgültigen Beruhigung eine erneute Ansteuerung, was bei Mehrfacheinspritzungen mit kurzen Pausenzeiten zwischen mehreren Einspritzungen der Fall sein kann, dann ergibt sich nicht mehr zuverlässig eine robuste Ventilfunktion. Es kann also sein, dass sich der Anschlagimpuls des Ankers an der Nadel beim Öffnen verringert und dass sich im ungünstigsten Fall das Ventil gar nicht mehr öffnet, da der Anschlagimpuls hierfür nicht mehr ausreichend groß ist. Diese Gefahr besteht insbesondere dann, wenn der sich Anker zum Zeitpunkt der erneuten Ansteuerung durch das Rückprellen gerade nennenswert aus seiner Ruheposition ausgelenkt ist und sich zudem in Öffnungsrichtung bewegt.
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Durch Dämpfung des Prellens kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein Ankerprellen verhindert oder zumindest wesentlich reduziert ist. Hierdurch können solche spezifischen Probleme, wie oben genannt, gelöst werden. Unter anderem kann dadurch eine robustere Mehrfacheinspritzfähigkeit bei kurzen Pausenzeiten erzielt werden. Außerdem können geringere Anschlagimpulse beim Schließen erreicht werden, was den Verschleiß am Anker und den Anschlägen sowie am Dichtsitz verringert. Dadurch ergeben sich auch geringere Funktionsänderungen über die Lebensdauer des Ventils. Des Weiteren wird hierdurch auch eine Geräuschreduzierung erzielt. Somit kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass sich eine Rückprellhöhe des Ankers beim Schließen des Ventils nach dem Auftreffen auf den diesbezüglichen Anschlag reduziert und der Anker schneller in oder zumindest in die Nähe seiner Ruhelage gelangt. In entsprechender Weise kann die Funktionsfähigkeit gegebenenfalls auch in Bezug auf ein Öffnen verbessert werden. Eine Prellvermeidung bei öffnendem Ventil verbessert beispielsweise das Einspritzverhalten, da die Öffnung kontrolliert und reproduzierbar erfolgt, und die Schließbewegung, da diesbezüglich dann das Steuersignal maßgeblich ist und keine Überlagerung durch Prellbewegungen erfolgt.
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Somit können in vorteilhafter Weise Ankerpreller durch eine vorteilhafte Dämpfung der Ankerbewegung vermindert werden. Je nach Ausgestaltung ist hierbei die Dämpfung der Ankerbewegung durch eine zusätzliche Fluiddämpfung beziehungsweise hydraulische Dämpfung möglich. Hierdurch kann eine robuste Mehrfacheinspritzfähigkeit mit kurzen Pausenzeiten gewährleistet werden. Dadurch können Anschlagimpulse, insbesondere beim Schließen des Ventils, verringert werden, was einen geringeren Verschleiß an dem Anschlagelement ermöglicht. Ferner ergibt sich eine erhöhte Funktionsstabilität über die Lebenszeit, da sich die Kontaktfläche des Ankers und die Anschlagfläche des Anschlagelements infolge der verbesserten Dämpfung nur wenig über die Lebensdauer ändern. Des Weiteren ergeben sich verringerte Geräuschemissionen.
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Der Nachteil einer hydraulischen Dämpfung besteht darin, dass bei einer Bestromung der Magnetspule zur Bewegung des Ankers zunächst ein hydraulisches Kleben auftritt. Beim Lösen des Ankers von dem Anschlagelement entsteht ein Spalt, in den flüssiges Fluid aus dem Ankerraum einströmen muss. Zunächst entsteht in diesem Spalt daher ein Unterdruck, wobei die Befüllung des Spaltes eine gewisse Zeit benötigt. Hierdurch kommt es zu einer die Betätigung des Ankers verzögernden Wirkung.
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Solch ein hydraulisches Kleben, das insbesondere beim Öffnungsvorgang auftritt, ist in hohem Maße von der Viskosität des im Ankerraum vorhandenen Fluids abhängig, da dieses in den zwischen dem Anschlagelement und dem Anker entstehenden Spalt einströmen muss. Ferner ist das hydraulische Kleben auch von den Feingeometrien am Anschlagelement und am Anker abhängig. Diese Viskositätsabhängigkeit wirkt sich bei einer herkömmlichen Ausgestaltung negativ aus, da es zu Streuungen im Betätigungsverhalten kommt. Solche Streuungen betreffen zum einen den jeweils zum Einsatz kommenden Brennstoff, dessen Viskosität von der speziellen Zusammensetzung abhängt. Zum anderen kommt es zu Streuungen zwischen den einzelnen Fertigungsexemplaren. Des Weiteren ist die Viskosität des Brennstoffs auch durch die Betriebstemperatur beeinflusst, so dass auch temperaturabhängige Streuungen des Betriebsverhaltens auftreten können. Insbesondere können sich diese Streuungen des Betriebsverhaltens dann in Variationen der Öffnungszeit und/oder der eingespritzten Brennstoffmenge auswirken.
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Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung können solche Variationen in vorteilhafter Weise im Wesentlichen verhindert oder zumindest reduziert werden. Ein bevorzugter Anwendungsfall besteht darin, dass auch bei Brennstoffen, die in unterschiedlichen Zusammensetzungen, insbesondere aus Methanol, Ethanol und Benzin, zum Einsatz kommen, ein gleichmäßigeres Betätigungsverhalten erzielt wird, so dass geringere Streuungen im Öffnungsverhalten und in der eingespritzten Brennstoffmenge erzielt sind. Hierbei bleibt eine hydraulische Dämpfung beim Schließvorgang, die ein Prellen dämpft, weiterhin wirksam.
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Durch die vorgeschlagene konstruktive Maßnahme, nämlich den zumindest einen Verbindungskanal im Anschlagelement, wird permanent eine Verbindung und somit ein Zu- und Abfließen des flüssigen Fluids in beziehungsweise aus dem Dämpfungsraum bezüglich dem übrigen Ankerraum, also auch wenn ein Kontakt zwischen dem Anschlagelement und dem Anker besteht, ermöglicht. Speziell kann dadurch bei einem Öffnungsvorgang die Befüllung des Dämpfungsraums zwischen dem Anker und dem Anschlagelement erleichtert beziehungsweise verstärkt werden. Um aber eine zu starke Reduktion der Dämpfung eines Ankernachprellens im Schließvorgang des Ventils dann zu vermeiden, erfolgt eine Auslegung, die insbesondere den zumindest einen Verbindungskanal betrifft, in Bezug auf die gegebenen Randbedingungen. Solch eine Auslegung ist auch über die Quetschspaltgeometrie am Kontakt zwischen dem Anker und dem Anschlagelement beziehungsweise an der Anschlagfläche des Anschlagelements, insbesondere einen Durchmesser der Kontaktlinie, möglich. Es sind allerdings auch weitere oder alternative Maßnahmen zur Anpassung denkbar, wie beispielsweise die geeignete Vorgabe eines Ankerfreiwegs. Hierbei kann eine Abstimmung in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere den vorgegebenen Bereich für die Viskosität der geeigneten flüssigen Fluide, insbesondere Brennstoffe, erfolgen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen, die insbesondere die Ausgestaltung des Anschlagelements und die an diesem ausgebildete Vertiefung betreffen, sind gemäß den Ansprüchen 2 und 3 möglich. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Ein- und Ausströmen des flüssigen Fluids in beziehungsweise aus der Vertiefung bezüglich dem übrigen Ankerraum. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Verbindungskanals sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben.
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Bevorzugt betrifft die vorgeschlagene Maßnahme das Anschlagelement, an dem der Anker vor einer Betätigung der Ventilnadel ruht, wie es im Anspruch 7 angegeben ist. Denkbar ist allerdings auch eine zusätzliche oder alternative Realisierung zumindest eines Verbindungskanals an dem anderen Anschlagelement.
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Je nach Anwendungsfall können ein oder mehrere Verbindungskanäle an einem Anschlagelement realisiert sein. Beispielsweise können mehrere Verbindungskanäle umfänglich um die Längsachse verteilt an einem Anschlagelement realisiert sein, die vorzugsweise parallel zu der Längsachse orientiert sind. Hierbei ist eine vorteilhafte Realisierung eines Verbindungskanals beziehungsweise der Verbindungskanäle gemäß Anspruch 8 denkbar, wobei im Fall mehrerer Verbindungskanäle vorzugsweise gleich große Durchmesser der Bohrungen vorgegeben sind.
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Optional und bevorzugt können im Bereich der Ventilnadel auch zumindest ein Dämpfungskanal vorgesehen sein. Im Folgenden sind noch Vorteile und mögliche Ausgestaltungen bezüglich zumindest eines an der Ventilnadel beziehungsweise zwischen der Ventilnadel und dem Anker ausgebildeten Dämpfungskanals aufgeführt.
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Je nach Anwendungsfall können ein oder mehrere Dämpfungskanäle vorgesehen sein. Über den Querschnitt eines Dämpfungskanals beziehungsweise den Querschnitt der Dämpfungskanäle kann hierbei der gewünschte Durchfluss aus beziehungsweise in den Dämpfungsraum zwischen dem Anschlagselement und dem Anker eingestellt werden. Wenn mehrere Dämpfungskanäle vorgesehen sind, dann ist es möglich, dass die Drosselung der einzelnen Dämpfungskanäle in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem Anschlagelement und dem Anker synchron mit zunehmenden Abstand oder auch versetzt mit zunehmendem Abstand wirksam wird. Hierdurch ergeben sich weitere Anpassungsmöglichkeiten an den jeweiligen Anwendungsfall.
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Die Drosselung kann insbesondere so realisiert sein, dass die Drosselung im Wesentlichen bei einem Abstand auftritt, bei dem der hydraulische Klebeeffekt überwunden ist.
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Bei einer Weiterbildung kann der Dämpfungskanal einerseits in den Dämpfungsraum zwischen dem Anschlagelement und dem Anker und andererseits in den Zwischenraum zwischen dem weiteren Anschlagelement und dem Anker münden. Der Dämpfungskanal kann jedoch auch an einer anderen Stelle in den Ankerraum münden. Wenn der Dämpfungsraum andererseits in den Zwischenraum zwischen dem Anker und dem weiteren Anschlagelement mündet, dann besteht eine mittelbare Verbindung mit dem übrigen Ankerraum über den Zwischenraum. Speziell besteht hierbei eine Verbindung mit einem Teilraum an der weiteren Stirnseite des Ankers. Der Ankerraum kann durch den Anker geteilt sein, wobei dieser Teilraum dann ein solcher Teil des Ankerraums ist. Der Ankerraum wird hier als der Raum betrachtet, in dem der Anker angeordnet ist. Auch wenn der Anker über Ankerbohrungen verfügt, über die die beiden Stirnseiten des Ankers hydraulisch verbunden sind, ergibt sich jeweils ein Teilraum des Ankerraums an jeweils einer Stirnseite des Ankers.
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Die Drosselung des Dämpfungskanals kann in vorteilhafter Weise erfolgen. Die Drosselblende kann hierbei so ausgestaltet sein, dass ab einem gewissen Abstand des Ankers von dem Ankerelement eine zumindest im Wesentlichen vollständige Drosselung, bei der zumindest im Wesentlichen kein Durchfluss mehr auftritt, bedingt ist.
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Die Führungsbohrung des Ankers kann auch zylindermantelförmig ausgestaltet sein, was die Herstellung des Ankers vereinfacht. Außerdem kann dann zugleich eine vorteilhafte Führung des Ankers an der Ventilnadel ermöglicht werden.
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Das im Dämpfungsraum vorgesehene flüssige Fluid kann beim Anprallen des Ankers an dem Anschlagelement komprimiert und anschließend wieder entspannt wird, wobei die entstehenden Druckschwankungen einen wesentlichen Beitrag zur Dämpfung eines Ankerprellens leisten. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Dämpfung des Prellens und zugleich eine Verringerung des hydraulischen Klebeeffekts.
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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:
- 1A ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer geschlossenen Ausgangsstellung;
- 1 B das in 1A dargestellte Ventil am Beginn einer Betätigung;
- 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Ventils entsprechend dem Ausführungsbeispiel und
- 3 eine Signalverlaufsgrafik mit mehreren zeitlichen Signalverläufen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ventils entsprechend dem Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1A zeigt ein Ventil 1 einer Brennstoffeinspritzanlage 100 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 flüssige Brennstoffe zum Einsatz. Die Brennstoffeinspritzanlage 100 ist so ausgebildet, dass eine flexible Anpassung an unterschiedliche Brennstoffzusammensetzung möglich ist. Ein Steuergerät 101 der Brennstoffeinspritzanlage kann hierbei geeignete Anpassungen im Hinblick auf beispielsweise Emissionen und Fahrverhalten an die Brennstoffzusammensetzung des derzeit in einem Tank bevorrateten Brennstoffs vornehmen.
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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 Anschlägen 11, 12 entlang der Längsachse 7 bewegbar, wobei er an einer Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 geführt ist. 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 einer Ankerfreiwegfeder 18 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 der Kraftstoß vom Anker (bzw. der mechanische Impuls der Ankerbewegung) 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 an dem Innenpol 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 20, 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.
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Der Anker 4 weist eine oder vorzugsweise mehrere Durchgangsbohrungen 21 auf, die sich von einer Stirnseite 22 des Ankers 4 zu einer Stirnseite 23 des Ankers 4 erstrecken. Durch eine an dem Innenpol 5 ausgebildete, axiale Durchgangsbohrung 24 wird im Betrieb das flüssige Fluid, insbesondere der Brennstoff, zu und dann weiter durch einen Ankerraum 25 zu dem zwischen dem Ventilschließkörper 9 und der Ventilsitzfläche 10 gebildeten Dichtsitz geführt. Hierbei ist die Ventilnadel 8 auf geeignete Weise zumindest mittelbar entlang der Längsachse 7 im Gehäuse 6 geführt. Die Durchgangsbohrungen 21 ermöglichen eine Durchströmung des Ankers 4, wobei Fluid auch durch ein Ringspalt 27 zwischen dem Anker 4 und dem Gehäuse 6 geführt werden kann.
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Wenn der Anker 4 an dem Anschlagelement 12 anliegt, dann ist zwischen der Stirnseite 23 des Ankers 4 und dem Anschlagelement 12 ein Dämpfungsraum 30 eingeschlossen. Der Dämpfungsraum 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine an dem Anschlagelement 12 ausgebildete Vertiefung 31 gebildet. Das Anschlagelement 12 ist auf der Seite der Stirnseite 23 des Ankers 4 angeordnet.
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Die Vertiefung 31 ist der Stirnseite 23 zugewandt. An dem Anschlagelement 12 ist eine Anschlagfläche 32 ausgebildet, an der ein Kontakt 28 zwischen dem Anker 4 und dem Anschlagelement 12 auftritt, wenn der Anker 4 an das Anschlagelement 12 anschlägt beziehungsweise an diesem ruht. Der Kontakt 28 kann die Längsachse 7 zumindest näherungsweise kreislinienförmig umschließen. Die Vertiefung 31 ist radial zu der Längsachse 7 der Ventilnadel 8 betrachtet zwischen der Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 und dem Kontakt 28 ausgebildet. Die Anschlagfläche 32 ist der Stirnseite 23 des Ankers 4 zugewandt. Wenn der Kontakt 28 besteht, dann wird das flüssige Fluid in der Vertiefung 31 an dem Kontakt radial betrachtet an dieser Stelle von dem übrigen Ankerraum 25A abgetrennt.
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Optional und bevorzugt kann zumindest ein Dämpfungskanals 33 vorgesehen sein. Ausgestaltungen mit solch einem Dämpfungskanal 33 sind im Folgenden näher erläutert. Es sind aber auch Ausgestaltungen ohne solch einen Dämpfungskanal 33 möglich.
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Der Dämpfungskanal 33 ist in diesem Ausführungsbeispiel an der Ventilnadel 8 ausgebildet. Der Dämpfungskanal 33 ist hierbei durch eine sich axial bezüglich der Längsachse 7 erstreckende Nut 34 gebildet, die an der Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 ausgebildet ist. In der Ruheposition wird über den Dämpfungskanal 33 eine Verbindung zwischen dem Dämpfungsraum 30 zu einem Zwischenraum 36 zwischen dem Anker 4 und dem weiteren Anschlagelement 11 (und im Weiteren zu dem Raum an der Stirnseite 22 des Ankers 6) hergestellt, wobei diese Verbindung vorzugsweise ohne signifikante Reduktion der Dämpfung nahe der Ruheposition besteht, so dass bei einem Öffnungsvorgang eine Befüllung des Dämpfungsraums 30 erleichtert beziehungsweise verstärkt ist. Hierdurch ergibt sich eine geringe Streuung einer durch das hydraulische Kleben verursachten Verzögerungszeit beim Öffnen.
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Der Zwischenraum 36 ist somit hydraulisch mit einem Teilraum 26 des Ankerraums 25 an der Stirnseite (Ankerstirnfläche) 22 verbunden. Der Dämpfungsraum 30 ist hierbei zumindest im Wesentlichen über den Dämpfungskanal 33 und den Zwischenraum 36 mit dem Teilraum 26 an der Ankerstirnfläche 22 verbunden, wenn der Anker 4 an dem Anschlagelement 12 anliegt.
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1 B zeigt das in 1A dargestellte Ventil 1 am Beginn einer Betätigung. Mit zunehmendem Abstand H zwischen dem Anschlagelement 12 und dem Anker 4 nimmt eine Drosselung des Dämpfungskanals 33 zu. Dadurch wird weiterhin eine gute Dämpfung beim Schließen ermöglicht. Somit ergibt sich eine deutlich verbesserte Funktion des Ventils 1, bei dem ein Ankerfreiweg 19 realisiert ist. Somit kann durch eine konstruktive Ausgestaltung die hydraulische Dämpfung für den Schließvorgang je nach Anwendungsfall erhöht werden, ohne dass der Nachteil eines stärkeren hydraulischen Klebens beim Öffnungsvorgang die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies durch eine hubabhängig gedrosselte Verbindung zwischen dem Dämpfungsraum 30 und einem Zwischenraum 36 zwischen dem Anker 4 und dem weiteren Anschlagelement 11 über den Dämpfungskanal 33 realisiert.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Stirnseite 22 des Ankers 4 und der Ventilnadel 8 eine Drosselblende 40 gebildet, die eine freie Mündungsöffnung 41 des Dämpfungskanals 33 in den Zwischenraum 36 mit zunehmendem Abstand H verkleinert. Vorzugsweise ist die freie Mündungsöffnung 41 nur bei einem sehr kleinen Abstand (Ankerhub) H vorhanden. Bei einem größeren Abstand H ist die Verbindung an der freien Mündungsöffnung 41 sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen vorzugsweise durch die Drosselblende 40 geschlossen, so dass die Verbindung über den Dämpfungskanal 33 nicht mehr wirksam ist. Das hydraulische Dämpfen bis kurz vor dem Anschlagen des Ankers 4 an dem Anschlagelement 12, was bei einem Abstand H von 0 auftritt, wird somit vorzugsweise nur am Ende der Schließbewegung geringfügig reduziert. In diesem Ausführungsbeispiel ist hierfür eine Strecke s vorgegeben, die den Hub bestimmt, ab dem die Drosselblende 40 die freie Mündungsöffnung 41 verschließt. In der in der 1A dargestellten Ausgangsstellung erstreckt sich die freie Mündungsöffnung 41 des Dämpfungskanals 33 axial betrachtet über die Strecke s über die Stirnseite 22 hinaus. Somit ergibt sich eine hubabhängige Verbindung zwischen dem Dämpfungsraum 30 und dem Zwischenraum 36.
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In diesem Ausführungsbeispiel beruht der Anker 4 auf einer zylinderförmigen Grundform mit einem Abstand d zwischen den Stirnseiten 22, 23. Axial betrachtet erstreckt sich der an der Ventilnadel 8 ausgebildete Dämpfungskanal 33 ausgehend von der Anschlagfläche 32 über eine Länge, die sich aus dem Abstand d und der Strecke s zusammensetzt, in der Öffnungsrichtung 17, wodurch sich die freie Mündungsöffnung 41 ergibt. Außerdem erstreckt sich der Dämpfungskanal 33 auch noch über eine gewisse Strecke 42 von der Anschlagfläche 32 aus entgegen der Öffnungsrichtung 17, um den Dämpfungsraum 30 anzubinden.
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Der Anker 4 weist eine Führungsbohrung 43 auf, an der der Anker 4 an der Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 geführt ist. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann der Dämpfungskanal 33 zumindest abschnittsweise auch an der Führungsbohrung 43 ausgestaltet sein.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist an dem Anschlagelement 12, an dem der Anker 4 vor einer Betätigung vorzugsweise ruht, zumindest ein Verbindungskanal 37 vorgesehen, der als Bohrung 38 mit einem Durchmesser D ausgeführt ist. Hierbei ist die Bohrung 38 parallel zu der Längsachse 7 orientiert. Da das Anschlagelement 12 die Bewegung des Ankers 4 in der Schließrichtung 20, also entgegen der Öffnungsrichtung 17, begrenzt, ergibt eine besonders vorteilhafte Dämpfung der Ankerbewegung, was zu einem verbesserten Betätigungsverhalten führt, wie es auch anhand der 3 beschrieben ist.
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Bei einer Stellung, wie sie in der 1A dargestellt ist, bei der der Anker 4 einen Kontakt 28 an der Anschlagfläche 32 des Anschlagelements 12 hat, ist der Dämpfungsraum 30 radial betrachtet am Kontakt 28 eingeschlossen. Der Verbindungskanal 37 stellt permanent eine Verbindung zwischen dem Dämpfungsraum 30 beziehungsweise der Vertiefung 31 und dem übrigen Ankerraum 25A her. Damit diese Verbindung nicht die hydraulische Dämpfung außer Kraft setzt, ist die Bohrung 38 hinsichtlich des hydraulischen Durchmessers D sowie der Gestaltung des Strömungsgebiets im Bereich einer Mündungsöffnung 39 des Verbindungskanals 37 an dem Anschlagelement 12 zur Vertiefung 31 angepasst ausgestaltet und dimensioniert. Je kleiner die hydraulische Wirksamkeit der realisierten Verbindung ist, desto geringer ist tendenziell die Reduktion der Dämpfung des Ankernachprellens. Je größer hingegen die hydraulische Wirksamkeit der Verbindung ist, desto geringer sind die Auswirkungen des hydraulischen Klebens hinsichtlich der Veränderung der Öffnungsverzugzeit bei verschiedenen Viskositäten des flüssigen Fluids.
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Speziell bei der Ausgestaltung des Verbindungskanals 37 als Bohrung 38 ergibt sich somit eine Möglichkeit zur Anpassung durch die Wahl des Durchmessers D der Bohrung 38 (beziehungsweise der Durchmesser bei mehreren Verbindungskanälen). Die Ausgestaltung des Verbindungskanals 37 ist allerdings nicht auf eine Ausgestaltung als Bohrung beschränkt. Wesentlich ist eine permanente Verbindung, die über den Verbindungskanal 37 zwischen der Vertiefung 31 und dem übrigen Ankerraum 25A hergestellt wird, die also unabhängig vom Abstand H zwischen der Stirnseite 23 des Ankers 4 und der Anschlagfläche 32 des Anschlagelements 12 ist.
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Der Verbindungskanal 37 mündet an der von der Stirnseite 23 des Ankers 4 abgewandten Seite 47 des Anschlagelements 12 in den übrigen Ankerraum 25A. Strömungstechnisch ist es günstig, dass der Verbindungskanal 37 zumindest näherungsweise mittig zwischen der Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 und einem Durchmesser 48, an dem zwischen dem Anschlagelement 12 und der Stirnseite 23 des Ankers 4 der Kontakt 28 auftritt, in die Vertiefung 31 und somit in den Dämpfungsraum 30 mündet, wenn der Anker 4 an dem Anschlagelement 12 anliegt. Die Vertiefung 31 erstreckt sich hierbei von der Mantelfläche 13 der Ventilnadel 8 bis zu dem Durchmesser 48 beziehungsweise bis zu der Anschlagfläche 32. Wesentlich hinsichtlich der mittigen Anordnung ist das bei einem Kontakt 28 zwischen dem Anschlagelement 12 und dem Anker 4 gebildete Volumen des Dämpfungsraums 30, in das ein in radialer Richtung betrachtetes, möglichst mittiges Einbeziehungsweise Ausströmen von flüssigem Fluid über den Verbindungskanal 37 ermöglicht werden soll. Jedenfalls mündet der Verbindungskanal 37 direkt in die Vertiefung 31.
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2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Ventils 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Hierbei ist an der Abszisse der Abstand H zwischen der Stirnseite 23 des Ankers 4 und der Anschlagfläche 32 des Anschlagelements 12 angetragen. An der Ordinate ist eine Fläche A der freien Mündungsöffnung 41 angetragen, die von der Drosselblende 40 in Abhängigkeit vom Abstand H reduziert wird. Die Drosselblende 40 kann so ausgestaltet werden, dass bei einem Hub H, der kleiner als die Strecke s ist, die freie Mündungsöffnung 41 zumindest im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, wie es durch einen Abschnitt 44 veranschaulicht ist. Mit zunehmendem Hub H wird die freie Mündungsöffnung 41 dann geschlossen. Dies kann vorzugsweise in einem schmalen Übergangsbereich erfolgen, wenn der Hub H im Wesentlichen gleich der vorgegebenen Strecke s ist, wie es durch eine abrupte Reduzierung 45 der freien Mündungsöffnung 41 veranschaulicht ist. Wenn der Hub H dann größer als die Strecke s ist, dann ist der Überstand der Nut 34 in der Ventilnadel 8 überwunden, so dass die freie Mündungsöffnung 41 vorzugsweise verschwindet, also auf Null reduziert ist, wie es in einem Abschnitt 46 veranschaulicht ist.
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3 zeigt eine Signalverlaufsgrafik mit mehreren zeitlichen Signalverläufen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ventils 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Die Signalverlaufsgrafik ist hierbei in drei Teile I bis III aufgeteilt. An der jeweiligen Abszisse ist die Zeit t angetragen. Im Teil I ist ein Steuersignal des Steuergeräts 101 dargestellt, mit dem die Magnetspule 3 erregt wird. Im Teil II ist ein Ankerhub H dargestellt, also der Abstand H zwischen dem Anker 4 und dem Anschlagelement 12. Im Teil III ist ein Nadelhub der Ventilnadel 8, also ein Abheben des Schließkörpers 9 von der Ventilsitzfläche 10, dargestellt. Unterschiedliche Kennlinienverläufe im Teil II und somit auch im Teil III können sich durch unterschiedliche Viskositäten des Brennstoffs sowie durch unterschiedliche Temperaturen des Brennstoffs ergeben. Unterschiedliche Verläufe sind allerdings unerwünscht, da sie das Einspritzverhalten verändern. Dies kann sich insbesondere auf die eingespritzte Brennstoffmenge auswirken.
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Beispielsweise können sich Unterschiede zwischen einem hochviskosen Brennstoff, wie E100 bei 20 °C, und einem niedrig viskosen Brennstoff, wie CEC RF 02-03 bei 92 °C, ergeben. Wie im Teil II dargestellt, ergeben sich bei der ersten Ansteuerung für den niedrig viskosen Brennstoff geringe Abweichungen zwischen den Ankerhubverläufen mit und ohne Dämpfungskanal 33, wie es im Abschnitt 50 veranschaulicht ist. Allerdings ergeben sich Unterschiede bei einem hoch viskosen Brennstoff, wie es im Abschnitt 51 veranschaulicht ist. Ohne Dämpfungskanal 33 kommt es zu einem zusätzlichen Öffnungsverzug 52 bei der Betätigung der Ventilnadel. Durch den Dämpfungskanal 33 ergibt sich somit eine geringere Abweichung 53 zwischen den Brennstoffen mit unterschiedlicher Viskosität gegenüber einer Abweichung 54 ohne einen Dämpfungskanal 33.
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Bei einer Mehrfacheinspritzung, die durch einen ersten Rechteckpuls 55 und einen zweiten Rechteckpuls 56 veranschaulicht ist, ist außerdem eine schnelle Beruhigung des Ankers 4 nach dem ersten Rechteckpuls 55 erforderlich, um in zuverlässiger Weise eine Ansteuerung durch den zweiten Rechteckpuls 56 zu ermöglichen. In diesem Fall kommt es bei dem hoch viskosen Brennstoff zu einer schnellen Beruhigung, unabhängig davon, ob ein Dämpfungskanal 33 vorgesehen ist oder nicht, wie es durch die nahe beieinander liegenden Kurven im Bereich 57 veranschaulicht ist. Hierdurch wird eine zuverlässige Folgeeinspritzung beim Einspritzen von hoch viskosen Brennstoffen gewährleistet. Bei nieder viskosen Brennstoffen kommt es jedoch zu erheblichen Abweichungen. Ohne Dämpfungskanal 33 kommt es zu keiner ausreichend schnellen Beruhigung, wie es durch den Abschnitt 58 veranschaulicht ist. Wenn der zweite Rechteckimpuls 56 wirksam wird, dann befindet sich der Anker 4 nicht in seiner Ruheposition, so dass kein ausreichender Öffnungsimpuls erzeugt wird, um die Ventilnadel 8 aus ihrem Sitz zu heben. Die Ventilnadel 8 bleibt daher geschlossen, wie es durch den Abschnitt 59 veranschaulicht ist.
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Ist im Fall des niedrig viskosen Brennstoffs hingegen der Dämpfungskanal 33 realisiert (aber nicht der Verbindungskanal 37), dann kommt es bereits zu einer verbesserten Beruhigung, wie es durch den Abschnitt 60 veranschaulicht ist. Durch den Verbindungskanal 37 wird eine weitere Verbesserung erreicht, wie es durch den Abschnitt 60A (als Verbesserung gegenüber dem Abschnitts 60) dargestellt ist.
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Die Anregung der Magnetspule 3 durch den zweiten Öffnungsimpuls 56, die nach einer kurzen Pausenzeit erfolgt, ermöglicht dann einen ausreichend großen Öffnungsimpuls, so dass die Ventilnadel 8 aus ihrem Sitz gehoben wird, wie es durch den Abschnitt 61A veranschaulicht ist. Der Abschnitt 61 zeigt hierbei die Betätigung der Ventilnadel 8 ohne Verbindungskanal 37. Somit wird durch den Verbindungskanal 37 eine weitere Verbesserung im Sinne einer Brennstoff unabhängigen Ansteuerung erreicht.
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Die veranschaulichte Zweifacheinspritzung mit einer kurzen Pausenzeit zeigt, dass durch die vorgeschlagene Ausgestaltung sogar bei kürzeren Pausenzeiten mit niedrig viskosem Brennstoff noch ein Öffnen des Ventils 1 sowie eine vergleichmäßigte Ansteuerung erreicht werden kann und zugleich mit hoch viskosen Brennstoffen eine geringere Verzugszeit beim Öffnen auftritt. Ferner ist die Abhängigkeit des Öffnungsverzugs von der Viskosität des momentan eingespritzten Brennstoffs verringert.
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Die Reduktion des hydraulischen Klebens durch zumindest einen Dämpfungskanal 33 und durch zumindest einen Verbindungskanal 37 ermöglicht es auch, die Dämpfung und somit die Beruhigung des Ankers 4 beispielsweise durch eine Vergrößerung einer Dämpfungsfläche, wie sie durch die Anschlagfläche 32 gegeben ist, zu erhöhen. Dies kann beispielsweise durch einen größeren Außendurchmesser des Anschlagelements 12 erreicht werden, was die Anschlagfläche 32 vergrößert. Dies kann dann erfolgen, ohne dass hierbei die Abhängigkeit der Öffnungsverzugszeit von der Viskosität verstärkt wird. Es versteht sich, dass die Anzahl und die Ausgestaltung des zumindest einen Dämpfungskanals 33 sowie die Anzahl und Ausgestaltungen des zumindest einen Verbindungskanals 37 eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall ermöglicht. Dies kann die Vorgabe der Strecke s und die Größe der Fläche A der freien Mündungsöffnung 41 im Ausgangszustand sowie beispielsweise den Durchmesser D der Bohrung 38 betreffen.
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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 102015217513 A1 [0002]
