DE19503820A1 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil und Verfahren zur Herstellung einer Führung an einem Ventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren zur Herstellung einer Führung an einem Ventil nach der Gattung des Anspruchs 4.

Aus der DE-OS 39 25 212 ist bereits ein Einspritzventil bekannt, bei dem ein aus einem kugelförmigen Ventilschließkörper, einer Ventilnadel und einem Anker bestehendes Ventilschließglied in einer Düsenträgerbohrung eines rohrförmigen Düsenträgers angeordnet ist. Der Anker ist an seinem gesamten Umfang in einem als Ankerführung dienenden Führungsabschnitt der Düsenträgerbohrung geführt, der koaxial zur Düsenträgerbohrung am stromaufwärtigen Ende des Düsenträgers ausgebildet ist. Der Führungsabschnitt weist einen geringeren Durchmesser als die Düsenträgerbohrung auf.

Der Führungsabschnitt der Düsenkörperbohrung hat, um die axiale Beweglichkeit des Ankers zu gewährleisten, einen geringfügig größeren Durchmesser als der Anker, so daß der Anker im Betrieb eine exzentrische Lage in der Ankerführung einnehmen kann. Eine exzentrische Lage des Ankers führt zu einem einseitigen Anliegen an der Wandung der Ankerführung, verbunden mit einem entsprechend größeren Spalt an der gegenüberliegenden Seite. Die über den Umfang ungleichmäßige Spaltweite führt zu einer Inhomogenität des magnetischen Feldes im Spalt zwischen Anker und Ankerführung. Durch die Inhomogenität des Magnetfeldes und insbesondere durch das Anliegen des Ankers an der Ankerführung wird eine Seitenkraft in Richtung auf die Wandung der Ankerführung erzeugt, die eine Reibkraft zwischen Anker und Ankerführung verursacht.

Außerdem ist aus der DE-PS 40 03 227 bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil bekannt, das ein dreiteiliges Ventilrohr als Grundkörper des Ventils aufweist. Zusätzlich zu einem magnetischen Ventilsitzträger und einem magnetischen Kern umfaßt das Ventilrohr ein unmagnetisches Zwischenteil, das den Kern und den Ventilsitzträger hydraulisch dicht miteinander verbindet. Das Zwischenteil ist dabei so ausgebildet, daß ähnlich wie bei dem aus der DE-OS 39 25 212 bekannten Düsenträger ein als Ankerführung dienender umlaufender Führungsabschnitt vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung ergeben sich somit auch alle bereits erwähnten nachteiligen Wirkungen.

Um eine möglichst exakte Führung mit geringem Führungsspiel des Ankers zu gewährleisten, müssen die unmagnetischen Zwischenteile äußerst exakt und hochgenau z. B. auf Präzisionsdrehmaschinen hergestellt werden. Diese Bearbeitung ist zum einen teuer; zum anderen können bei diesen spanabhebenden Verfahren gefährliche Grate entstehen. Das Führungsspiel darf wiederum einen Minimalwert nicht unterschreiten, da ansonsten der zu kleine Querschnitt aufgrund der hydraulischen Verhältnisse die axiale Bewegung der Ventilnadel mit dem Anker behindert.

Aus der DE-OS 41 37 994 ist bereits ein Einspritzventil bekannt, das ein Ventilteil mit wenigstens einer plastisch ausgeformten Führungsnase zur Führung eines Ankers aufweist. Dabei wird durch eine axiale Kraftaufwendung eine plastische Ausformung in radialer Richtung erreicht. Das Verfahren der plastischen Verformung, wie z. B. Prägen, ist nur an einer Stirnseite bzw. an einer radial verlaufenden Stufe des Ventilteils anwendbar.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das Verfahren zur Herstellung einer Führung an einem Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4 haben den Vorteil einer reibungsarmen Führung für den Anker, die nicht am Ende oder einer radialen Stufe eines Ventilrohres liegen muß, und kostengünstig und hochgenau gefertigt werden kann.

Durch die einzelnen mittels plastischer Verformung ausgebildeten Führungsflächen ergibt sich der Vorteil, daß Zwischenräume zwischen dem Anker und dem Ventilrohr gebildet sind, wobei diese Zwischenräume zwischen den Führungsnasen genügend große Strömungsquerschnitte zum Umpumpen des Mediums bei bewegter Ventilnadel darstellen. Somit kann das Führungsspiel zwischen den Führungsflächen und dem Anker verkleinert werden. Je kleiner das Führungsspiel ist, desto gleichmäßiger ist der Radialluftspalt und um so kleiner werden die wirkenden seitlichen Kräfte. Der Radialluftspalt bleibt auch bei seitlich anliegendem Anker fast konstant, so daß nur geringe seitliche Kräfte und somit kleine Reibungsverluste entstehen.

Der Führungsdurchmesser am Ventilrohr kann genauer als bisher durch ein vorgegebenes Werkzeugmaß und mit geringem Aufwand gefertigt werden. Ohne eine zusätzliche radiale Stufe kann das plastische Verformen in jedem axialen Bereich des Ventilrohres erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, die Führungsflächen im Bereich einer dünnwandigen magnetischen Drosselstelle am Ventilrohr auszubilden, da hier der Flußübertritt von den Führungsflächen auf den Anker reduziert ist.

Die Verfahren des plastischen Verformens, wie z. B. das Prägen, haben den großen Vorteil, daß eine Gratbildung ausgeschlossen ist. Durch die Führung eines Prägedorns im Ventilsitzträger wird eine gute Konzentrizität der Führungsflächen am Ventilsitzträger um die Ventillängsachse erreicht, so daß sich auch der Anker zentrisch im Ventilsitzträger bewegt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Ventil, Fig. 2 einen Ausschnitt des Ventils im Bereich einer Führungsfläche als erstes Beispiel, Fig. 3 einen Ausschnitt des Ventils im Bereich einer Führungsfläche als zweites Beispiel und Fig. 4 ein teilweise dargestelltes Werkzeug zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Fig. 1 beispielsweise dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlaßstutzen dienenden rohrförmigen Kern 2 als sogenannten Innenpol. Ein Spulenkörper 3 nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf. Der Kern 2 ist nicht als ein separates Bauteil ausgeführt, das mit einem Kernende 9 abschließt, sondern verläuft auch weiter in stromabwärtiger Richtung, so daß ein stromabwärts des Spulenkörpers 3 angeordnetes rohrförmiges Anschlußteil, das im weiteren Verlauf als Ventilsitzträger 10 bezeichnet ist, als sogenannter Außenpol einteilig mit dem Kern 2 ausgebildet ist, wobei das Gesamtbauteil als Ventilrohr 12 bezeichnet wird. Als Übergang vom Kern 2 zum Ventilsitzträger 10 besitzt das Ventilrohr 12 eine ebenfalls rohrförmige, jedoch eine wesentlich dünnere Wandung als die Wandungsstärken von Kern 2 und Ventilsitzträger 10 aufweisende magnetische Drosselstelle 13.

Aus dem unteren Kernende 9 des Kerns 2 geht konzentrisch zu einer Ventillängsachse 15, um die sich auch der Kern 2 und der Ventilsitzträger 10 z. B. konzentrisch erstrecken, die magnetische Drosselstelle 13 hervor. In diesem dem Kernende 9 unmittelbar stromabwärts folgenden Bereich sind bei bekannten Einspritzventilen metallene, unmagnetische Zwischenteile vorgesehen, die für eine magnetische Trennung von Kern 2 und Ventilsitzträger 10 sorgen. Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt jedoch auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung in bekannter Weise elektromagnetisch.

In dem Ventilsitzträger 10 verläuft eine Längsbohrung 18, die konzentrisch zu der Ventillängsachse 15 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 18 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 19 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 20 mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 21, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 22 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind, beispielsweise durch Schweißen verbunden ist.

Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 19 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 25 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2 und einem Anker 27. Der Anker 27 ist mit dem dem Ventilschließkörper 21 abgewandten Ende der Ventilnadel 19 durch eine Schweißnaht verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. In das stromabwärts liegende, dem Kern 2 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 10 ist in der Längsbohrung 18 ein zylinderförmiger Ventilsitzkörper 29, der einen festen Ventilsitz aufweist, durch Schweißen dicht montiert.

Zur Führung des Ventilschließkörpers 21 während der Axialbewegung der Ventilnadel 19 mit dem Anker 27 entlang der Ventillängsachse 15 dient eine Führungsöffnung 32 des Ventilsitzkörpers 29. Der kugelförmige Ventilschließkörper 21 wirkt mit dem sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitz des Ventilsitzkörpers 29 zusammen. An seiner dem Ventilschließkörper 21 abgewandten Stirnseite ist der Ventilsitzkörper 29 mit einer beispielsweise topfförmig ausgebildeten Spritzlochscheibe 34 fest verbunden. Die topfförmige Spritzlochscheibe 34 besitzt wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 35. Für eine exakte Führung des mit der Ventilnadel 19 verbundenen Ankers 27 während der Axialbewegung werden bei bekannten Einspritzventilen beispielsweise die unmagnetischen Zwischenteile genutzt, die äußerst exakt und hochgenau z. B. auf Präzisionsdrehmaschinen hergestellt werden, um ein kleines Führungsspiel zu erzielen. Da bei dem erfindungsgemäßen Einspritzventil nun kein Zwischenteil nötig ist, ist es sinnvoll, an der magnetischen Drosselstelle 13 mehrere erfindungsgemäße Führungsflächen 36 (Fig. 2) vorzusehen, die mittels Prägen ausgebildet sind und sich nur teilweise über den Umfang erstrecken.

Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 29 mit der topfförmigen Spritzlochscheibe 34 bestimmt die Größe des Hubs der Ventilnadel 19. Dabei ist die eine Endstellung der Ventilnadel 19 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 21 am Ventilsitz des Ventilsitzkörpers 29 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 19 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 17 am Kernende 9 ergibt.

Die Magnetspule 1 ist von wenigstens einem, beispielsweise als Bügel ausgebildeten und als ferromagnetisches Element dienenden Leitelement 45 umgeben, das die Magnetspule 1 in Umfangsrichtung wenigstens teilweise umgibt sowie mit seinem einen Ende an dem Kern 2 und seinem anderen Ende an dem Ventilsitzträger 10 anliegt und mit diesen z. B. durch Schweißen, Löten bzw. Kleben verbindbar ist.

Das Einspritzventil ist weitgehend mit einer Kunststoffumspritzung 50 umschlossen, die sich vom Kern 2 ausgehend in axialer Richtung über die Magnetspule 1 und das wenigstens eine Leitelement 45 bis zum Ventilsitzträger 10 erstreckt, wobei das wenigstens eine Leitelement 45 vollständig axial und in Umfangsrichtung überdeckt ist. Zu dieser Kunststoffumspritzung 50 gehört beispielsweise ein mitangespritzter elektrischer Anschlußstecker 52. Das einteilige Ventilrohr 12 erstreckt sich vollständig über die gesamte Länge des Einspritzventils und gibt diese damit auch vor.

In der Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus dem in der Fig. 1 gezeigten Einspritzventil im Bereich der magnetischen Drosselstelle 13 und einer Führungsfläche 36 vergrößert dargestellt. Das Kernende 9 des Kerns 2 weist eine stromabwärtige Stirnfläche 55 auf, die als Anschlagfläche für den Anker 27 mit seiner oberen Stirnfläche 56 dient. Bei geschlossenem Ventil, d. h. beim Anliegen des Ventilschließkörpers 21 am Ventilsitz des Ventilsitzkörpers 29, liegt zwischen den beiden Stirnflächen 55 und 56 ein Luftspalt 58 vor, der beispielsweise eine axiale Erstreckung von 60 µm hat. Das Ventilrohr 12 ist einteilig ausgebildet und besitzt damit eine direkte magnetisch leitende Verbindung zwischen dem Kern 2 und dem Ventilsitzträger 10 über die magnetische Drosselstelle 13. Um den den Luftspalt 58 umgehenden Streufluß möglichst klein zu halten, ist die magnetische Drosselstelle 13 mit einer sehr geringen Wandstärke ausgebildet, die wesentlich geringer ist als die Wandstärken von Kern 2 und Ventilsitzträger 10. Die z. B. in axialer Richtung 2 mm lange magnetische Drosselstelle 13 weist eine Wandstärke von beispielsweise 0,2 mm auf. Damit ist ungefähr ein minimaler Grenzwert erreicht, bei dem noch eine ausreichende Stabilität des Ventilrohrs 12 gewährleistet ist.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 sind zur Führung des Ankers 27 an der magnetischen Drosselstelle 13 des Ventilrohrs 12 wenigstens zwei Führungsnasen 60 mit jeweiligen Führungsflächen 36, beispielsweise sechs gleichmäßig über den Umfang der Drosselstelle 13 verteilte, teilweise umlaufende, als Ankerführung dienende Führungsnasen 60 ausgebildet. Die Führungsnasen 60 dienen zur radialen Führung des Ankers 27 und ragen in die Längsbohrung 18 des Ventilsitzträgers 10 hinein, wodurch sich deren Querschnitt verringert. Im Gegensatz zu den sehr engen zwischen dem Anker 27 und den Führungsflächen 36 gebildeten Spalten ergibt sich in in Umfangsrichtung zwischen den Führungsnasen 60 liegenden zurückgesetzten Bereichen der Drosselstelle 13 jeweils zwischen Anker 27 und Ventilsitzträger 10 ein Radialluftspalt 61 mit wesentlich größerem Querschnitt, der eine verlustarme Fluidströmung während der Ankerbewegung an dem Anker 27 vorbei ermöglicht (Umpumpen des Mediums).

In der Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem Ventil im Bereich der Führungsflächen 36 vergrößert dargestellt, bei dem das Ventilrohr 12 zweiteilig ausgeführt ist, und zwar aus dem Kern 2 und dem Ventilsitzträger 10 bestehend. An dem Ventilsitzträger 10 ist einteilig die magnetische Drosselstelle 13 vorgesehen, die wie in dem ersten Beispiel aus dem Ventilsitzträger 10 als sehr schmaler (geringe Wandstärke) Zylinderbereich hervorgeht. In axialer Richtung gesehen geht diese schmale Drosselstelle 13 nicht direkt in den Kern 2 über. Statt dessen schließt sich axial an die Drosselstelle 13, z. B. ab der Stirnfläche 55, ein breiterer Hülsenabschnitt 65 an, der den Kern 2 im Bereich des Kernendes 9 radial umgibt. Damit stellt der Hülsenabschnitt 65 das stromaufwärtige Ende des Ventilsitzträgers 10 dar. Fest verbunden sind der Ventilsitzträger 10 und der Kern 2 durch eine beispielsweise umlaufende Schweißnaht 66 im Bereich des Hülsenabschnittes 65, die z. B. mittels eines Lasers herstellbar ist. Diese zweiteilige Lösung hat den Vorteil, daß die Stirnfläche 55 des Kerns 2 als Anschlag einfacher bearbeitbar ist, da erst später der Hülsenabschnitt 65 des Ventilsitzträgers 10 am Kern 2 befestigt wird.

Die gezeigte Führungsnase 60 besitzt eine etwas veränderte Gestalt gegenüber der in der Fig. 2 dargestellten Führungsnase 60, die sich durch ein entsprechend geformtes, aber nicht näher dargestelltes Prägewerkzeug ergibt. Die Führungsflächen 36 können so sehr einfach den Anforderungen an die Art und Qualität der Ankerführung bei verschiedenen Ventiltypen angepaßt werden. In dem Beispiel nach Fig. 2 liegt eine beispielsweise ebene Führungsfläche 36 vor, während sie im Beispiel nach Fig. 3 zumindest teilweise abgerundet ist.

In den gezeigten Beispielen sind die Führungsnasen 60 jeweils durch plastische Verformung der Drosselstelle 13 des Ventilrohrs 12 hergestellt. Allgemein bietet sich ein solches Umformverfahren wie Prägen an hülsen- oder rohrförmigen Teilen des Ventils an; der Bereich der Drosselstelle 13 stellt also keine ausschließliche Bedingung dar. Die Umformung der Drosselstelle 13 zur Erzielung der Führungsnasen 60 erfolgt durch radiale Einwirkung einer Verformungskraft, also senkrecht zur Ventillängsachse 15. Besonders vorteilhaft ist es bei dem Prägeverfahren, wenn ein gestufter Prägedorn 70 in den Ventilsitzträger 10 eingeschoben wird (Fig. 4), der wenigstens zwei verschiedene Außendurchmesser aufweist. Der größere Durchmesser einer Werkstückführung 71 des Prägedorns 70 ist nur geringfügig kleiner als der Durchmesser der Längsbohrung 18 im Ventilsitzträger 10. Mit sehr geringem radialen Spiel wird der Prägedorn 70 also in der Längsbohrung 18 geführt. Der dem Kernende 9 zugewandte kleinere Durchmesser eines Prägeabschnitts 72 des Prägedorns 70 gibt letztlich die radiale Erstreckung der Führungsnasen 60 vor. Durch radiales Prägen in Richtung der Pfeile 75 mit Prägestempeln 76 des Prägewerkzeugs wird ein Teil des Ventilsitzträgers 10, hier die Drosselstelle 13, bis auf den Durchmesser des Prägeabschnitts 72 des Prägedorns 70, der damit den Führungsdurchmesser später für den Anker 27 darstellt, umgeformt. Dabei hat der rechte Prägestempel 76 z. B. eine kegelstumpfförmige Kontur und der linke Prägestempel 76 z. B. eine abgerundete Kontur. Die Führungsflächen 36 geben somit einen inneren Durchmesser im Ventilsitzträger 10 vor, der dem Durchmesser des Prägeabschnitts 72 des Prägedorns 70 entspricht. Mit Strichlinien ist eine Führungsnase 60 in der Fig. 4 angedeutet, die sich radial bis zum Durchmesser des Prägeabschnitts 72 erstreckt. Dabei wird deutlich, daß im Bereich jeder Führungsnase 60 die Wandung des Ventilrohrs 12 vollständig verformt ist.

Entsprechend der Anzahl der gewünschten Führungsnasen 60 sind an dem Prägewerkzeug in der gleichen Anzahl beispielsweise fingerartige Prägestempel 76 vorgesehen. Durch eine zumindest teilweise radiale Bewegung des Prägewerkzeugs in Richtung des Ventilrohrs 12 wird in das Ventilrohr 12 an den Stellen, an denen die Prägestempel 76 das Ventilrohr 12 berühren, eine radiale Kraft eingeleitet, die aufgrund der fixierten Lage des Ventilrohrs 12 im Prägewerkzeug zu einer plastischen Materialverformung z. B. der Drosselstelle 13 führt. Das Material des Ventilrohrs 12 weicht den Prägestempeln 76 in Richtung des Prägeabschnitts 72 des Prägedorns 70 aus, bis es diesen berührt und bildet so die Führungsnasen 60.

Für Ventilrohre 12 mit unterschiedlichen Durchmessern der Längsbohrungen 18 können z. B. in einem Prägewerkzeug mehrere verschieden große Prägedorne 70 vorgesehen sein, um für verschiedene Ventiltypen einfach und schnell Ankerführungen zu fertigen. Anstelle eines zylindrischen Prägeabschnitts 72 des Prägedorns 70 kann der Prägeabschnitt 72 z. B. auch mit dem Querschnitt eines Sechsecks ausgebildet sein, an dem dann sechs Führungsnasen 60 hergestellt werden. Bei einer solchen Ausbildung des Prägedorns 70 ergeben sich weitgehend ebene Führungsflächen 36 an den Führungsnasen 60. Der zwischen den Führungsnasen 60 gebildete Führungsdurchmesser kann nach dem Prägevorgang relativ einfach prozeßgesteuert mit einem Werkzeug wieder aufgeweitet werden, wenn Messungen ergeben sollten, daß dies nötig ist.

Claims (4)

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem von einer Magnetspule umgebenen Kern, mit einem Anker, durch den ein mit einem festen Ventil sitz zusammenwirkender Ventilschließkörper betätigbar ist, mit einem rohrförmigen, am Kern angeordneten Anschlußteil, das den Anker teilweise radial umgibt und das wenigstens zusammen mit dem Kern ein Ventilrohr bildet, mit einem am Ventilrohr vorgesehenen Führungsabschnitt zur radialen Führung des Ankers, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsabschnitt des Ventilrohrs (12) durch wenigstens zwei Führungsnasen (60) gebildet ist, die mittels radialer plastischer Verformung der Wandung des Führungsabschnitts ausgeformt sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die wenigstens zwei Führungsnasen (60) durch radiales Prägen gefertigt sind.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilrohr (12) als Übergang von Kern (2) und Anschlußteil (10) eine rohrförmige, mit dünnerer Wandung ausgebildete magnetische Drosselstelle (13) hat und die Führungsnasen (60) an der Drosselstelle (13) ausgeführt sind.

4. Verfahren zur Herstellung einer Führung an einem Ventil, das ein Ventilrohr aufweist, in dem sich ein Anker axial bewegen kann, insbesondere an einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Längsbohrung (18) des Ventilrohrs (12) ein Prägedorn (70) eines Prägewerkzeugs geschoben wird, der zumindest einen Prägeabschnitt (72) aufweist, daß mit Prägestempeln (76) des Prägewerkzeugs das Ventilrohr (12) radial so verformt wird, daß Material des Ventilrohrs (12) am Prägeabschnitt (72) des Prägedorns (70) zur Anlage kommt, wobei entsprechend der Anzahl von am Prägewerkzeug vorgesehenen Prägestempeln (76) Führungsnasen (60) am Ventilrohr (12) gebildet werden.