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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil mit einem Magnetanker, wie es zum Öffnen und Schließen einer Ablauföffnung Verwendung findet, beispielsweise in einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Magnetventil aus, wie es beispielsweise aus der
DE 102 35 240 B4 bekannt ist und dort in einem Kraftstoffeinspritzventil zum Öffnen und Schließen einer Ablaufdrossel Verwendung findet. Das Magnetventil umfasst dabei einen Magnetaktor bestehend aus einem Magnetkern und einer darin angeordneten Magnetspule, so dass durch die Bestromung der Magnetspule eine magnetische Kraft auf einen beweglichen Magnetanker ausgeübt werden kann. Der Magnetanker kann durch die Magnetkraft entgegen der Kraft einer Schließfeder bewegt werden und öffnet und schließt dabei eine Ablauföffnung, durch die ein Steuerraum mit einem Niederdruckraum verbindbar ist. Der Magnetkern ist dabei im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und weist eine Ausnehmung auf, in der die Magnetspule angeordnet ist. Der Unterseite des Magnetkerns liegt der Magnetanker gegenüber, wobei der Magnetanker durch die Kraft der Schließfeder im nicht bestromten Zustand des Elektromagneten von diesem weggedrückt und damit beabstandet ist.
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Der durch den Magnetkern und die Magnetspule gebildete Elektromagnet erzeugt eine Magnetkraft auf den Magnetanker, wobei die Stärke der Magnetkraft die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Magnetventil geöffnet werden kann. Je stärker die Magnetkraft, desto größer ist die Kraft auf den Magnetanker und desto rascher kann es geöffnet werden. Dies ist insbesondere zur Steuerung in Kraftstoffeinspritzventilen oder anderen Komponenten eines Kraftstoffeinspritzsystems von Bedeutung, wo ein sehr präzises Schalten erwünscht ist, damit die Kraftstoffeinspritzung – häufig unterteilt in mehrere Teileinspritzungen – genau zum erforderlichen Zeitpunkt erfolgt.
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Zur Führung des Magnetankers weist das aus
DE 102 35 240 B4 bekannte Magnetventil dem Ventilsitz abgewandt einen Führungskolben auf, der mit dem Magnetanker verbunden ist und der in einer Bohrung innerhalb des Magnetkerns geführt ist. Darüber hinaus ist die Schließfeder so angeordnet, dass sie eine Schließkraft auf diesen Führungskolben ausüben kann und dabei in etwa den Durchmesser des Führungskolbens einnimmt. Entsprechend groß muss die Ausnehmung innerhalb des Magnetkerns sein, um den Magnetkolben aufzunehmen, was bei begrenztem Außendurchmesser die Größe des Magnetkerns limitiert und damit auch die durch den Elektromagneten erzeugbare Magnetkraft.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Magnetventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch den Elektromagneten eine höhere Magnetkraft erzielbar ist und damit ein schnelles Schalten des Magnetventils ermöglicht wird. Dazu weist das Magnetventil einen beweglich angeordneten Magnetanker, einen Magnetkern und eine darin angeordnete Magnetspule auf, wobei durch die Bestromung der Magnetspule eine Kraft auf den Magnetanker ausgeübt wird. Der Magnetkern weist weiterhin eine vorzugsweise mittig angeordnete Bohrung auf, der eine Druckstange längsverschiebbar aufgenommen ist, die an einem Ende am Magnetanker anliegt und die den Magnetkern vollständig durchsetzt, wobei auf das dem Magnetanker abgewandte Ende der Druckstange die Kraft einer Schließfeder in Richtung des Magnetankers wirkt.
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Die Druckstange, die innerhalb des Magnetkerns angeordnet ist, kann dünn ausgeführt werden, während die Schließfeder außerhalb des Magnetkerns einen größeren Bauraum für sich beanspruchen kann, ohne dass eine geringere Schließkraft über die Schließfeder auf den Magnetanker ausübbar ist. Dadurch kann der Magnetkern bis auf eine dünne Bohrung, die die Druckstange aufnimmt, massiv ausgebildet werden und kann so bei Bestromung der Magnetspule eine entsprechend starke Magnetkraft auf den Magnetanker ausüben, was zu einem schnellen Öffnen des Magnetventils führt. Der im Bereich des Magnetkerns gewonnene Bauraum kann auch dazu benutzt werden, den Außendurchmesser des Magnetkerns kleiner auszubilden, da sozusagen Material von außen nach innen transferiert wird, so dass eine ähnliche Magnetkraft wie mit dem bekannten Magnetventil ausgeübt werden kann, jedoch bei einem geringeren Außendurchmesser.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schließfeder vollständig außerhalb des Magnetkerns angeordnet. Vorzugsweise ist dabei die Schließfeder zwischen dem dem Magnetanker abgewandten Ende der Druckstange und einem das Magnetventil zumindest teilweise umschließenden Ventilgehäuse unter Druckvorspannung angeordnet, so dass in einfacher Weise eine Schließkraft auf den Magnetanker ausgeübt wird, beispielsweise in Richtung eines Ventilsitzes, mit dem der Magnetanker zum Öffnen und Schließen einer Ablaufdrossel zusammenwirkt.
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In vorteilhafter Weise ist die Schließfeder als Schraubendruckfeder ausgebildet und weist einen größeren Durchmesser auf als die Druckstange. Weiter weist die Bohrung in vorteilhafter Weise einen Durchmesser auf, der nur geringfügig größer ist als der Durchmesser der Druckstange. Dadurch wird zum einen die Druckstange innerhalb des Magnetkerns geführt und zum anderen kann der Magnetkern dadurch seine maximal mögliche Größe an der radialen Innenseite ausbilden.
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Der Magnetkern ist im Wesentlichen so ausgebildet, dass er eine zylindrische Außenkontur aufweist, wobei die Bohrung im Wesentlichen mittig im Magnetkern ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Magnetventil kann in vorteilhafter Weise in einem Kraftstoffventil zum Einsatz kommen, wo es als Steuerventil zur Entlastung eines Steuerraums dient.
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Zeichnung
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In 1 der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Magnetventil samt einer möglichen Einbauposition innerhalb eines Kraftstoffeinspritzventils schematisch im Längsschnitt dargestellt.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Magnetventil als Teil eines Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt schematisch dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfasst ein Magnetventil 2, das innerhalb eines Ventilgehäuses 4 angeordnet ist. Das Magnetventil 2 weist dabei einen Magnetkern 5 mit einer darin angeordneten Magnetspule 6 auf, wobei der Magnetkern im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und eine zentrale Bohrung 7 bildet, während die Magnetspule 6 in eine entsprechend torusförmige Ausnehmung des Magnetkerns 5 eingesetzt ist. Der Magnetkern 5 ist innerhalb des Ventilgehäuses 4 fixiert und damit innerhalb eines Niederdruckraums 13, also einem Bereich innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 1, der mit Kraftstoff unter niedrigem Druck geflutet ist. Dem Magnetkern 5 gegenüber ist ein längsbeweglicher Magnetanker 8 angeordnet, wobei der Magnetanker 8 eine Ankerscheibe 8a und einen Längsabschnitt 8b aufweist, wobei am Ende des Längsabschnitt 8b eine Dichtkugel 9 befestigt ist.
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Am Magnetanker 8 stützt sich eine Druckstange 11 ab, die die Bohrung 7 innerhalb des Magnetkerns 5 vollständig durchsetzt und die an ihrem dem Magnetanker 8 abgewandten Ende eine tellerförmige Verbreiterung 10 aufweist. Zwischen der tellerförmigen Verbreiterung 10 und dem Ventilgehäuse 4 ist eine Schließfeder 12 unter Druckvorspannung angeordnet, die hier als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und die eine Schließkraft auf den Magnetanker 8 ausübt. Der Durchmesser der Schließfeder 12 ist dabei deutlich größer als der Durchmesser der Druckstange 11 und auch der Bohrung 7 im Magnetkern 5, wobei die Schließfeder 12 vollständig außerhalb des Magnetkerns 5 angeordnet ist, so dass für deren Ausgestaltung ein großer Bauraum zur Verfügung steht. Die Bohrung 7 innerhalb des Magnetkerns 5 weist einen Durchmesser auf, der nur geringfügig größer ist als der Durchmesser der Druckstange 11, so dass die Druckstange 11 im Magnetkern 5 geführt ist und dadurch ein Verkippen der Druckstange 11 verhindert wird.
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Das Magnetventil 2 dient in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 1 dem Öffnen und Schließen einer Ablaufdrossel 22. Dazu wirkt die Dichtkugel 9 mit einem Ventilsitz 16 zusammen, der an einem Ventilstück 15 ausgebildet ist, wobei im Ventilstück 15 eine Aufnahme 17 ausgebildet ist, in der eine kolbenförmige Düsennadel 32 längsverschiebbar im Ventilstück 15 geführt wird. Durch die Aufnahme 17 des Ventilstücks 15 und die Stirnseite der Düsennadel 32 wird ein Steuerraum 20 begrenzt, von dem eine Ablaufdrossel 22 ausgeht und in den Ventilsitz 16 mündet, so dass bei Anlage der Dichtkugel 19 auf dem Ventilsitz 16 die Ablaufdrossel 22 verschlossen wird.
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Die Düsennadel 32 ragt mit ihrem dem Steuerraum 20 abgewandten Ende in einen Druckraum 31, der in einem Düsenkörper 30 ausgebildet ist und das brennraumzugewandte Ende des Kraftstoffeinspritzventils bildet. Der Druckraum 31 wird an seinem brennraumseitigen Ende von einem konischen Ventilsitz 33 begrenzt, der in ein Sackloch 35 übergeht, von dem mehrere Einspritzöffnungen 34 ausgehen. Die Düsennadel 32 wirkt mit dem Düsensitz 33 zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen 34 zusammen, so dass bei Anlage der Düsennadel 32 auf dem Düsensitz 33 die Einspritzöffnungen 34 gegen den Druckraum 31 verschlossen sind.
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Der zur Einspritzung dienende Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 1 unter hohem Druck über eine Hochdruckleitung 25 zugeführt, die von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 26 ausgeht. Der Kraftstoffhochdruckspeicher 26, der sich außerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 1 befindet, wird über eine Hochdruckpumpe 27 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 28 versorgt, wobei der Kraftstoff über eine Leitung 29 der Hochdruckpumpe 27 zufließt. Vom Hochdruckspeicher 26 gehen mehrere Hochdruckleitungen 25 zu entsprechend vielen Kraftstoffeinspritzventilen ab, von denen in der Zeichnung nur die ganz dargestellt ist, die zum Kraftstoffeinspritzventil 1 führt. Dabei verzweigt die Hochdruckleitung 25 und mündet einerseits in den Druckraum 31 und versorgt andererseits über eine Zulaufdrossel 23 den Steuerraum 20 mit Kraftstoff unter hohem Druck.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist wie folgt: Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird die Magnetspule 6 mit Strom versorgt, so dass eine Magnetkraft aufgebaut wird, die durch den Magnetkern 5 verstärkt wird und auf den Magnetanker 8 wirkt. Dieser wird dadurch entgegen der Kraft der Schließfeder 12 vom Ventilsitz 16 weggezogen und gibt die Ablaufdrossel 22 frei, so dass Kraftstoff aus dem Steuerraum 20 über die Ablaufdrossel 22 in den Niederdruckraum 13 abfließen kann. Durch geeignete Dimensionierung der Zulaufdrossel 23 gegenüber der Ablaufdrossel 22 sinkt der Druck im Steuerraum 20 ab, so dass auch die hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 32 in Richtung des Düsennadelsitzes 33 abnimmt und die Düsennadel 32 durch den hydraulischen Druck auf Flächen der Düsennadel 32 innerhalb des Druckraums 31 vom Düsensitz 33 abhebt. Dadurch fließt Kraftstoff aus dem Druckraum 31 in das Sackloch 35 und die Einspritzöffnungen 34 und wird durch diese in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung der Magnetspule 6 unterbrochen, so dass die Schließfeder 12 über die Druckstange 11 den Magnetanker 8 zurück in seine Schließstellung an den Ventilsitz 16 drückt.
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Für eine präzise Einspritzung des Kraftstoffs ist es essentiell, dass der Elektromagnet, d. h. die Magnetspule 6 und der Magnetkern 5, rasch eine große magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 aufbauen. Neben der Höhe des Stroms durch die Magnetspule 6 ist dabei die Fläche des Magnetkerns 5 entscheidend, die dem Magnetanker 8 gegenüber liegt, wenn man näherungsweise davon ausgeht, dass der magnetische Fluss in dieser Fläche gleichmäßig ist. Der Magnetkern 5 kann in seinem Inneren bis auf die relativ dünne Bohrung 7 massiv ausgeführt werden und weist somit viel Material in diesem Bereich und eine entsprechend große, dem Magnetanker zugewandte Fläche auf, was die Magnetkraft auf den Magnetanker 8 entsprechend verstärkt. Die Schließfeder 12 befindet sich außerhalb des Magnetkerns 5 und kann somit in Form und Größe relativ frei gestaltet werden, ohne dass dadurch die Außenabmessungen des Magnetkerns 5 geändert werden müssen.
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Das erfindungsgemäße Magnetventil kann auch in anderen Komponenten eingesetzt werden, wo rasch schaltende Schaltventile benötigt werden oder bei denen nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Anwendungsbeispiele dafür sind beispielsweise hydraulische Steuerventile für ABS- oder ESP-Systeme für Getriebesteuerungen, Hydraulikaggregate und sonstige Vorrichtungen, bei denen entsprechende Hydraulikventile benötigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10235240 B4 [0002, 0004]
