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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 ist bei einer herkömmlichen Ausgestaltung die Federaufnahme in Form einer Nut im Anker realisiert, was die Herstellung des Ankers aufwändig gestaltet. Speziell wenn ein durch den Ankerraum geführter Brennstoff durch Durchgangsbohrungen des Ankers geführt wird, die mit der Federaufnahme verschnitten sind, ist die Bearbeitung des Ankers aufwendig und kostenintensiv, da dann beispielsweise Entgratungen der Verschneidungen erforderlich sind.
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Bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist die Komplexität der Herstellung des Ankers demgegenüber verringert. Gegebenenfalls können sich komplexe geometrische Anpassungen zumindest im Wesentlichen auf das Anschlagelement beziehen, in das die Ankerfreiwegfeder eingesetzt ist. Je nach Ausgestaltung des Ventils können hierdurch die genannten Nachteile vermieden werden. Die Ausgestaltung der Ankerfreiwegfeder kann hierbei so realisiert beziehungsweise vorgegeben werden, dass wesentliche Parameter, beispielsweise ein Arbeitshub und eine Anpresskraft, in entsprechender Weise vorgegeben sind, so dass zusätzlichen konstruktive Änderungen nicht erforderlich sind oder auf ein Minimum begrenzt werden können. Dies schließt nicht aus, dass auch andere Anpassungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann auch eine andere ausgestaltete Ankerfreiwegfeder und/oder eine Ankerfreiwegfeder mit abgeänderten Parametern zum Einsatz kommen.
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Somit kann eine aufwendige und kostenintensive Federaufnahme im Anker zur Aufnahme der Ankerfreiwegfeder entfallen. Ferner kann gegebenenfalls ein freier Durchströmquerschnitt durch den Anker definiert eingestellt werden.
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Speziell können durch die in den Ansprüchen 2 bis 5 angegebenen vorteilhaften Weiterbildungen vorteilhafte Ausgestaltungen des Anschlagelements betreffend die Federaufnahme realisiert werden. Beispielsweise kann erreicht werden, dass die Federaufnahme kein Totvolumen einschließt. Dadurch werden unerwünschte Nebeneffekte vermieden. Insbesondere wird vermieden, dass das Fluid lokal in einem Totvolumen der Federaufnahme verbleibt und altert, was beispielsweise bei Brennstoffen zum Verharzen führen kann.
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Die Weiterbildung nach einem der Ansprüche 6 und 7 hat den Vorteil, dass vorteilhafte geometrische Realisierungen des Anschlagelements und ein vorteilhaftes Verbinden mit der Ventilnadel ermöglicht sind. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 8 kann der Ankers besonders einfach und somit kostengünstig realisiert werden. Die Weiterbildung nach Anspruch 9 ermöglicht eine große Kontaktfläche zwischen dem Anker und dem Anschlagelement bei einem Anschlagen.
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In vorteilhafter Weise kann somit die Komplexität der Herstellung von dem Anker auf das Anschlagelement gelegt werden, wobei Möglichkeiten zur kostengünstigen Herstellung gemäß den vorteilhaften Weiterbildungen nach 10 möglich sind. Gegebenenfalls kann das Anschlagelement auch aus einem Werkstoff hergestellt werden, der leicht zerspanbar ist. Insbesondere durch einer dieser Möglichkeiten kann vermieden werden, dass eine gegebenenfalls erforderliche komplexe Geometrie des Anschlagelements aufgrund einer innenliegend angeordneten 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 eine auszugsweise, schematische, räumliche Darstellung des in 1 dargestellten Ventils entsprechend dem Ausführungsbeispiel.
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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. 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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Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann zumindest eines der Anschlagelemente 11, 12 auch an der Ventilnadel 8 ausgeformt sein. Das auf die vorgeschlagene Weise ausgebildete Anschlagelement, also in diesem Ausführungsbeispiel das Anschlagelement 11, ist aber bevorzugt als separates Bauteil ausgebildet, das mit der Ventilnadel 8 verbunden wird. Dadurch können niedrigere Herstellungskosten erreicht werden. Bei dem vorgeschlagenen Anschlagelemente 11 handelt es sich um das Anschlagelement 11, das bei einer Betätigung die Bewegung des Ankers 4 in einer Öffnungsrichtung 17 relativ zu der Ventilnadel 8 begrenzt.
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Zur Betätigung des Ventils 1 wird die Magnetspule 3 bestromt, wodurch der Anker 4 in der 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 eine Stoßkraft auf die Ventilnadel 8 übertragen, was zum Öffnen der Ventilnadel 8 führt. An dem Anschlagelement 11 ist eine dem Anker 4 zugewandte Anschlagfläche 20 ausgebildet, an der der Anker 4 mit seiner ersten Stirnseite 22 anschlägt.
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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. Wenn die Magnetspule 3 stromlos geschaltet wird, dann kehrt der Anker 4 wieder in die in der 1 dargestellte Ausgangsstellung zurück, in der der Anker mit seiner zweiten Stirnseite 23 an dem Anschlagelement 12 ruht.
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Im Folgenden ist die Ausgestaltung des Ventils 1 auch unter Bezugnahme auf die 2 weiter beschrieben. 2 zeigt hierbei eine auszugsweise, schematische, räumliche Darstellung des in 1 dargestellten Ventils 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel.
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Zur Vereinfachung der Darstellung sind hierbei unter anderem der Innenpol 5 und die Rückstellfeder 16 sowie das Gehäuse 6 des Ventils 1 nicht dargestellt.
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Das Anschlagelement 11 weist eine Federaufnahme 25 auf, in die die Ankerfreiwegfeder 18 zumindest teilweise eingesetzt ist. Die Ankerfreiwegfeder 18 ist so ausgestaltet, dass diese die Ventilnadel 8 bezüglich der Längsachse 7 umfänglich umschließt. Die Ausgestaltung der Ankerfreiwegfeder 18 ist in den Figuren als Drahtfeder mit mehreren Windungen veranschaulicht. Die Ankerfreiwegfeder 18 kann allerdings auch auf andere Weise realisiert sein. Ferner sind auch Reihen- und/oder Parallelschaltungen von Federelementen denkbar.
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Die Federaufnahme 25 ist so ausgestaltet, dass die Ankerfreiwegfeder 18 in vorteilhafter Weise aufgenommen werden kann, wenn der Anker 4 an der Anschlagfläche 20 des Anschlagelements 11 anschlägt. Außerdem ist die Federaufnahme 25 vorzugsweise so ausgestaltet, dass sich eine gute Herstellbarkeit des Anschlagelements 11 ergibt. Des Weiteren ist die Federaufnahme 25 vorzugsweise so ausgestaltet, dass sich vorzugsweise eine relativ große Kontaktfläche zwischen der ersten Stirnseite 22 des Ankers 4 und der Anschlagfläche 20 des Anschlagelements 11 ergibt, wenn der Anker 4 an dem Anschlagelement 11 anschlägt. Vorteilhafte Maßnahmen, um dies zu erreichen, sind auch im Folgenden näher beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel grenzt die Federaufnahme 25 an die Ventilnadel 8 an. Insbesondere weist das Anschlagelement 11 in diesem Ausführungsbeispiel eine Stufenbohrung 26 auf, wobei die Stufenbohrung 26 entlang der Längsachse 7 betrachtet einen ersten Abschnitt 27, der die Federaufnahme 25 bildet, und einen zweiten Abschnitt 28 aufweist, an dem das Anschlagelement 11 mit der Ventilnadel 8 verbunden ist. Insbesondere kann die im zweiten Abschnitt 28 realisierte Bohrung 29 der Stufenbohrung 26 mit einem Innendurchmesser ausgeführt werden, der kleiner als ein Durchmesser 30 der Ventilnadel 8 ist, so dass sich eine Presspassung 31 zwischen dem Anschlagelement 11 und der Ventilnadel 8 ergibt.
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An dem Anker 4 ist eine Ankerstützfläche 35 vorgesehen, an der sich die Ankerfreiwegfeder 18 abstützt. Bezüglich der Längsachse 7 betrachtet, befindet sich die Ankerstützfläche 35 auf einer Höhe 36. Ferner befindet sich die erste Stirnseite 22 des Ankers 4 entlang der Längsachse 7 betrachtet auf einer Höhe 37. Die Höhe 36 der Ankerstützfläche 35 ist nun gleich oder zumindest im Wesentlichen gleich der Höhe 37 der ersten Stirnseite 22. Dadurch entfällt bei dem Anker 4 eine Ringnut, wie sie bei einem herkömmlichen Anker vorgesehen ist, um in diese die Ankerfreiwegfeder 18 einzusetzen. Insbesondere ergibt sich eine vereinfachte Herstellbarkeit des Ankers 4. Dies schließt jedoch nicht aus, dass beispielsweise die Ankerstützfläche 35 an der ersten Stirnseite 22 gegenüber einem äußeren Bereich 38 an der ersten Stirnseite 22 des Ankers 4 in der Höhe 36 versetzt, insbesondere etwas zurückgesetzt, ist, wenn die erste Stirnseite 22 beispielsweise nicht vollständig eben ausgestaltet ist. Die Stirnseiten 22, 23 des Ankers 4 können jedoch auch einzeln oder beide vollständig eben ausgestaltet sein.
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Des Weiteren ist die Federaufnahme 25 des Anschlagelements 11 so ausgestaltet, dass die Ankerfreiwegfeder 18 an der Anschlagfläche 20 radial von dem Anschlagelement 11 umschlossen ist. Hierdurch ergibt sich eine große Kontaktfläche beim Anschlagen des Ankers 4 an das Anschlagelement 11.
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Um ein Totvolumen in der Federaufnahme 25 zu vermeiden, ist eine gewisse Anbindung an das durch eine Führungsbohrung 39 des Innenpols 5 geführte Fluid beziehungsweise eine gewisse Durchströmung der Federaufnahme 25 realisiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere Ausnehmungen 40A bis 40C an dem Anschlagelement 11 vorgesehen, die jeweils sowohl in radialer Richtung als auch in der Öffnungsrichtung 17, also entgegen einer Strömungsrichtung 41 des Fluids durch die Führungsbohrung 39, geöffnet sind. Insbesondere können vier solche Ausnehmungen 40A bis 40C vorgesehen sein, von denen in den 1 und 2 die Ausnehmungen 40A bis 40C dargestellt und gekennzeichnet sind. Die Ausnehmungen 40A bis 40C sind mit der Federaufnahme 25 verschnitten. Dadurch wird eine Durchspülung der Federaufnahme 25 erreicht.
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Ferner kann das Anschlagelement 11 in der Führungsbohrung 39 des Innenpols 5 entlang der Längsachse 7 geführt sein. Die Durchleitung des Fluids aus der Führungsbohrung 39 in einen Ankerraum 42 kann auf geeignete Weise erfolgen, wobei dies zumindest teilweise auch über die Ausnehmungen 40A bis 40C und/oder an dem Innenpol 5 vorgesehene Vertiefungen erfolgen kann. In Bezug auf den Anker 4 kann das Fluid gegebenenfalls durch einen Ringspalt 43 zwischen dem Anker 4 und dem Gehäuse 6 geführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Anker 4 auch vorzugsweise koaxial zu der Längsachse 7 ausgeführte Durchgangsbohrungen 44, 45 aufweisen, von denen exemplarisch die Durchgangsbohrungen 44, 45 gekennzeichnet sind.
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Je nach Anwendungsfall sind auch geeignete Abwandlungen denkbar. Beispielsweise kann anstelle einer Presspassung 31 auch eine enge Führung des Anschlagelements 11 auf der Ventilnadel 8 realisiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Verbindung zwischen dem Anschlagelement 11 und der Ventilnadel 8 realisiert sein, die auf einem anderen Verbindungsprinzip, insbesondere einem stoffschlüssigen Verbinden, beruht.
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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]
