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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 198 16 315 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst eine Ventilnadel mit einem Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einen an der Ventilnadel angeordneten Anker. An der Ventilnadel ist ein oberes Anschlagelement angeordnet, während ein unteres Anschlagelement dem Gehäuse zugeordnet ist, wobei zwischen den beiden Anschlagelementen der Anker entsprechend einem Ankerfreiweg bewegt werden kann. Das untere Anschlagelement ist dabei stets fest mit einem Gehäusebauteil verbunden, und zwar durch Verklemmen, Verstemmen oder Verschweißen an einem zum Gehäuse gehörenden Ventilsitzträger. In jedem Falle sind insofern aufwendige Verbindungs- bzw. Fügeverfahren anzuwenden, wobei das Anbringen des unteren Anschlagelements im Inneren des Gehäuses zudem noch von der Lage und Positionierung schwierig ist.
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Aus der
DE 10 2005 048 545 A1 ist ebenfalls bereits ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst eine Ventilnadel mit einem Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, und einen an der Ventilnadel angeordneten Anker. An der Ventilnadel ist ein oberes Anschlagelement angeordnet, während ein unteres Anschlagelement dem Gehäuse zugeordnet ist, wobei zwischen den beiden Anschlagelementen der Anker entsprechend einem Ankerfreiweg bewegt werden kann. Das untere Anschlagelement für den Anker wird durch eine gehäusefeste Ventilnadelführung gebildet. Das untere Anschlagelement ist dabei mittels Verschweißen fest mit einem Düsenkörper verbunden, während die Ventilnadel während ihrer Axialbewegung in einer inneren Öffnung des unteren Anschlagelements geführt wird. Auch hier ist wiederum ein zusätzliches Schweißen im Inneren des Gehäuses erforderlich. Zur exakten Führung der Ventilnadel ist es zudem in aufwendiger Weise erforderlich, das untere Anschlagelement sehr genau einzupassen und auszurichten.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine verbesserte, weil kostengünstige und sehr einfach montierbare Lösung zum Einbringen eines unteren Anschlagelements realisiert ist, bei der das gehäuseseitige untere Anschlagelement scheibenförmig ausgeführt ist und erfindungsgemäß auf einer Schulter des Gehäuses befestigungslos ohne stoffschlüssige Verbindung aufliegt und trotzdem in Strömungsrichtung des Fluids in dem Gehäuse montiert ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Ventils ist ein elektromagnetischer Aktuator mit einem an der Ventilnadel angeordneten Anker vorgesehen, wobei der Anker nicht fest mit der Ventilnadel verbunden, sondern zwischen zwei Anschlägen, die einerseits an der Ventilnadel und andererseits gehäuseseitig vorgesehen sind, fliegend gelagert ist. Hierbei ist ein axiales Spiel zwischen dem Anker und den beiden Anschlägen vorgegeben, das Ankerfreiweg genannt wird. Über eine Ankerfreiwegfeder kann der Anker im Ruhezustand an dem näher zum Dichtsitz liegenden Anschlagelement gehalten werden, damit bei der folgenden Ansteuerung des Aktuators und der hierbei erfolgenden Betätigung des Ankers vorzugsweise der komplette Ankerfreiweg als Beschleunigungsstrecke zur Verfügung steht.
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Diese Ausgestaltung mit Ankerfreiweg hat mehrere Vorteile. Durch den entstehenden Impuls des Ankers beim Öffnen kann bei gleicher Magnetkraft die Ventilnadel auch bei höheren Fluiddrücken, insbesonder Brennstoffdrücken, sicher geöffnet werden, was eine mechanische Boosterung darstellt. Ferner können die bewegten Massen entkoppelt werden, so dass die Anschlagkräfte auf zwei Impulse aufgeteilt sind, wodurch sich ein geringerer Sitzverschleiß ergibt. Außerdem kann eine Neigung des Ankers zum Prellen speziell bei hochdynamischen Ventilen durch die Entkopplung der Massen erreicht werden.
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In besonders vorteilhafter Weise ist eine Innenwandung des Ventilgehäuses zumindest im Bereich des zweiten Anschlagelements unter einem Winkel zur Längsachse schräg verlaufend ausgeführt, so dass dieser winkelig verlaufende Bereich der Innenwandung eine einstichartige Tasche für das Anschlagelement bildet. Das zweite Anschlagelement weist dabei vor seiner Montage einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei das Anschlagelement dann auf die Schulter des Ventilgehäuses aufgelegt und mittels Prägen in axialer Richtung beaufschlagt wird. Durch das axiale Prägen des Anschlagelements wird dieses so verformt, dass sich ein ovaler Querschnitt einstellt, wodurch seine radiale Ausdehnung vergrößert wird und das Anschlagelement in die einstichartige Tasche hineinwandern kann.
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Da das Anschlagelement in die mit der Innenwandung begrenzte einstichartige Tasche hineinwandert, kommt es in vorteilhafter Weise zu einer axialen Fixierung des Anschlagelements im Ventilgehäuse, so dass ein Verrutschen des Anschlagelements ausgeschlossen ist. Durch die Verformung des Anschlagelements wird zudem die Festigkeit einer oberen Anschlagfläche des Anschlagelements erhöht. Das Prägewerkzeug ist beispielsweise derart ausgestaltet, dass ein umlaufender kragenförmiger Werkzeugteil die Axialbewegung des Prägewerkzeugs beim Aufsetzen auf der Schulter des Ventilgehäuses begrenzt, wodurch ein zu starkes Verformen des Anschlagelements vermieden werden kann. Außerdem kann auf diese Weise auch die Rundlaufabweichung von Schulter und Anker auf ein Minimum reduziert werden.
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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 ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt;
- 4 analog dem Ausschnitt gemäß 3 einen ersten Verfahrensschritt zur Realisierung des zweiten Ausführungsbeispiels,
- 5 analog dem Ausschnitt gemäß 3 einen zweiten Verfahrensschritt zur Realisierung des zweiten Ausführungsbeispiels und
- 6 analog dem Ausschnitt gemäß 3 einen dritten Verfahrensschritt zur Realisierung des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ventil 1 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 ausgebildet sind und zur direkten Einspritzung von Brennstoff in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine dienen. Besonders eignet sich die Ausgestaltung des Ventils 1 für flüssige Fluide, insbesondere flüssige Brennstoffe, wie Benzin oder Diesel, oder für flüssige Gemische mit zumindest einem Brennstoff.
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Das Ventil 1 weist einen elektromagnetischen Aktuator 2 auf, der eine Magnetspule 3, einen Anker 4 und einen Innenpol 5 umfasst. Beim Bestromen der Magnetspule 3 wird ein Magnetkreis über ein Ventilgehäuse 6, den Anker 4 und den Innenpol 5 geschlossen, wodurch eine Betätigung des Ankers 4 in einer Öffnungsrichtung 7 entlang einer Längsachse 8 des Ventils 1 erfolgt. Das Ventilgehäuse 6 umfasst mehrere Gehäuseteile, z.B. einen langgestreckten Ventilsitzträger 10, einen mit dem Ventilsitzträger 10 verbundenen Ventilsitzkörper 11 und einen Zulaufstutzen 12.
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Der Anker 4 ist an einer Ventilnadel 15 angeordnet, wobei in dieser Ausgestaltung eine fliegende Lagerung des Ankers 4 an der Ventilnadel 15 realisiert ist. Hierfür ist an der Ventilnadel 15 einerseits ein erstes oberes Anschlagelement 16 vorgesehen, das ortsfest an der Ventilnadel 15 angeordnet ist. Das Anschlagelement 16 kann dabei z.B. mittels einer Schweißnaht an der Ventilnadel 15 oder durch Aufpressen auf die Ventilnadel 15 mit der Ventilnadel 15 fest verbunden sein. Andererseits ist erfindungsgemäß ein zweites unteres Anschlagelement 17 vorgesehen, das unabhängig von der Ventilnadel 15 im Ventilgehäuse 6 eingebracht ist. Das zweite Anschlagelement 17 ist dabei scheibenförmig ausgeführt, in Strömungsrichtung des Fluids in das Ventilgehäuse 6 einbringbar und auf einer Schulter 18 des Ventilgehäuses 6, insbesondere des Ventilsitzträgers 10, ohne Stoffschluss aufgelegt. Die Anschlagelemente 16, 17 sind so an der Ventilnadel 15 bzw. am Ventilgehäuse 6 angeordnet, dass für den Anker 4 ein Ankerfreiweg 20 zwischen den Anschlagelementen 16, 17 vorgegeben ist.
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Im Ausgangszustand liegt der Anker 4 an dem zweiten unteren Anschlagelement 17 an. Bei einer Betätigung des Ankers 4 durchläuft der Anker 4 zunächst den Ankerfreiweg 20, bis der Anker 4 an dem ersten oberen Anschlagelement 16 anschlägt. Anschließend nimmt der Anker 4 die Ventilnadel 15 in der Öffnungsrichtung 7 mit. Hierdurch steht ein größerer Öffnungsimpuls zur Verfügung, um das Ventil 1 zu öffnen. Beim Öffnen des Ventils 1 hebt sich ein mit der Ventilnadel 15 verbundener Ventilschließkörper 21 von einer an dem Ventilsitzkörper 11 ausgebildeten Ventilsitzfläche 22 ab, so dass ein zwischen dem Ventilschließkörper 21 und der Ventilsitzfläche 22 gebildeter Dichtsitz 23 geöffnet wird. Dann kann ein Fluid, insbesondere ein Brennstoff, aus einem Innenraum 24 des Ventilgehäuses 6 durch in dem Ventilsitzkörper 11 vorgesehene Abspritzöffnungen 25 in einen Raum 27, insbesondere einen Brennraum 27 einer Brennkraftmaschine, eingespritzt werden.
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Beim Öffnen des Ventils 1 schlägt der Anker 4 dann an einer unteren Anschlagfläche 28 an, die in dieser Ausgestaltung an dem Innenpol 5 ausgestaltet ist. Die Anschlagfläche 28 begrenzt die Bewegung des Ankers 4 relativ zu dem Ventilgehäuse 6. Zum Schließen des Ventils 1 wird die Magnetspule 3 stromlos geschaltet, so dass die Ventilnadel 15 von einer Rückstellfeder 30 wieder in die in der 1 dargestellte Ausgangsstellung verstellt wird. Im geschlossenen Zustand wird die in der 1 dargestellte Ausgangsstellung des Ankers 4, bei der der Anker 4 an der Anschlagfläche des unteren Anschlagelements 17 anliegt, über eine Ankerfreiwegfeder 31 gewährleistet.
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Somit ist die Ventilnadel 15 von dem Aktuator 2 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 30 betätigbar, um das Ventil 1 zu öffnen. Beim Öffnen und anschließenden Schließen des Ventils 1 erfolgt eine Führung der Ventilnadel 15. Die obere Führung der Ventilnadel 15 kann dabei mittels des oberen Anschlagelements 16, das z.B. mit einer kugeligen Außenkontur versehen ist, erfolgen, während die untere Führung der Ventilnadel 15 durch geeignete Führungsstrukturen im Ventilsitzkörper 11 realisiert sein kann.
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In einem Zulaufkanal 54, der sich entlang der Längsachse 8 durch den Zulaufstutzen 12 erstreckt, ist ein Brennstofffilter 55 angeordnet. Die Rückstellfeder 30 ist mit ihrem oberen Ende an dem Brennstofffilter 55 abgestützt. Ferner ist die Rückstellfeder 30 mit ihrem unteren Ende mittels eines Stützelements 58 an dem oberen Anschlagelement 16 und somit an der Ventilnadel 15 abgestützt.
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Das untere dem Ventilgehäuse 6 zugeordnete Anschlagelement 17 zeichnet sich dadurch aus, dass es sich um ein einfach herstellbares scheibenförmiges Bauteil handelt, das sehr einfach in der Montage in das Ventilgehäuse 6 von oben, also in späterer Strömungsrichtung, einlegbar und auf der Schulter 18 positionierbar ist. Auf diese Weise entfallen stoffschlüssige Verbindungstechniken für das untere Anschlagelement 17. Durch reduzierte Massenkräfte auf die Ventilsitzfläche 22 ergibt sich ein geringerer Verschleiß am Dichtsitz 23 als bei bekannten Lösungen. Bei dem zweiten unteren Anschlagelement 17 handelt es sich beispielsweise um eine unmagnetische Metallscheibe aus dem Material 1.4303. Weitere Materialien mit ähnlichen Werkstoffeigenschaften sind entsprechend auch geeignet. Das scheibenförmige Anschlagelement 17 ist mit einer Außenkontur und Außenabmessungen versehen, die ein Verrutschen des Anschlagelements 17 auf der Schulter 18 ausschließen. Als Fügetechnologien kommen entsprechend Einpressen oder Klemmen o.ä. in Betracht.
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2 zeigt ein Ventil 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist das zweite untere Anschlagelement 17 ebenfalls wieder ring- und scheibenförmig ausgeführt. Das Anschlagelement 17 wird dazu als Ring mit einem kreisförmigen Querschnitt bereitgestellt. In der 2 ist der bereits fertig montierte Zustand des auf der Schulter 18 des Ventilgehäuses 6 aufgelegten Anschlagelements 17 gezeigt. Dabei verdeutlicht 3 den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt. Das ursprünglich mit einem kreisförmigen Querschnitt versehene Anschlagelement 17 weist nun einen ovalen Querschnitt auf und stützt sich neben der radial ausgerichteten Schulter 18 des Ventilgehäuses 6 auch noch mit dem radial äußeren Rand an der axial verlaufenden Innenwandung 26 des Ventilgehäuses 6 ab. Zumindest im Bereich der axialen Ausdehnung des Anschlagelements 17 verläuft die Innenwandung 26 des Ventilgehäuses 6 unter einem Winkel β zur ansonsten achsparallelen Ausrichtung der Innenwandung 26. Dieser winkelig verlaufende Bereich der Innenwandung 26 bildet eine einstichartige Tasche 59 nach radial außen für das Anschlagelement 17, das dadurch eine gewünschte Kammerung erfährt. Ein Verpressen oder Klemmen des Anschlagelements 17 sind insofern nicht mehr erforderlich.
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4 zeigt analog dem Ausschnitt gemäß 3 einen ersten Verfahrensschritt zur Realisierung des zweiten Ausführungsbeispiels. Das im Querschnitt kreisförmige Anschlagelement 17 wird auf die Schulter 18 des Ventilgehäuses 6 aufgelegt und mit einem schematisch angedeuteten Prägewerkzeug 60 in axialer Richtung beaufschlagt.
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5 zeigt analog dem Ausschnitt gemäß 3 einen zweiten Verfahrensschritt zur Realisierung des zweiten Ausführungsbeispiels. Aus 5 wird deutlich, dass das axiale Prägen des Anschlagelements 17 zu einer Verformung des Anschlagelements 17 führt. Das Prägen führt dazu, dass sich das Anschlagelement 17 bei seiner Verformung in einen ovalen Querschnitt u.a. in seiner radialen Ausdehnung vergrößert und zwar so weit und so lange, bis die Außenkontur des Anschlagelements 17 die unter dem Winkel β verlaufende Innenwandung 26 berührt. Da das Anschlagelement 17 in die mit der Innenwandung 16 begrenzte einstichartige Tasche 59 hineinwandert, kommt es in vorteilhafter Weise zu einer axialen Fixierung des Anschlagelements 17 im Ventilgehäuse 6. Durch die Verformung des Anschlagelements 17 wird zudem die Festigkeit einer oberen Anschlagfläche 61 des Anschlagelements 17 erhöht. Das Prägewerkzeug 60 ist beispielsweise derart ausgestaltet, dass ein umlaufender kragenförmiger Werkzeugteil 63 die Axialbewegung des Prägewerkzeugs 60 beim Aufsetzen auf der Schulter 18 des Ventilgehäuses 6 begrenzt, wodurch ein zu starkes Verformen des Anschlagelements 17 vermieden werden kann. Außerdem kann auf diese Weise auch die Rundlaufabweichung von Schulter 18 und Anker 4 auf ein Minimum reduziert werden.
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6 zeigt analog dem Ausschnitt gemäß 3 einen dritten Verfahrensschritt zur Realisierung des zweiten Ausführungsbeispiels, der sich dadurch auszeichnet, dass das Prägewerkzeug 60 wieder entfernt wird und das verformte Anschlagelement 17 in der einstichartigen Tasche 59 des Ventilgehäuses 6 verbleibt. Das Anschlagelement 17 kann z.B. eine unmagnetische Metallscheibe aus dem Material 1.4303 geglüht oder 1.4301 geglüht sein. Das Anschlagelement 17 kann entweder vollständig geschlossen ausgeführt sein oder auch als ein mit einem Schlitz versehener offener Ring. Die Ausgangskontur des Anschlagelements 17 muss nicht zwingend durch einen kreisförmigen Querschnitt gekennzeichnet sein, sondern kann sich auch durch einen andersartig radienförmigen Querschnitt auszeichnen. Der Winkel β der Innenwandung 26 der Tasche 59 sollte idealerweise zwischen 3° und 10° betragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19816315 A1 [0002]
- DE 102005048545 A1 [0003]
