DE3733809A1 - Magnetventil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Solche Magnetventile werden betätigt durch entsprechende
Steuerung eines im Ventil befindlichen Elektromagneten, wobei ein Schließglied
im Ventil einen Druckmitteldurchlaß öffnet oder schließt. Die Erfindung
betrifft in bevorzugter Weise ein Magnetventil zur Steuerung der
Einspritzmenge bei Motoren mit elektronisch gesteuerter Kraftstoffeinspritzung.
Solche Motoren arbeiten z. B. mit Benzin, Flüssiggas, Alkohol
oder dergleichen. In gleicher Weise eignet sich ein erfindungsgemäßes
Magnetventil für hydraulische Geräte, z. B. sogenannte Tempomaten, automatische
Getriebe mit Flüssigkeitswandler, ABS-Systeme, Verstellsysteme
für das Fahrwerk (Aufhängung) eines Kraftfahrzeugs, und anderes mehr.
Bei Kraftfahrzeugen mit Benzinmotoren wird immer häufiger die elektronisch
gesteuerte Benzineinspritzung verwendet, um den Kraftstoffverbrauch zu
optimieren, die Leistung des Verbrennungsmotors zu verbessern und eine
bessere Abgasqualität zu erhalten. Bei solchen Anlagen mit elektronisch
gesteuerter Benzineinspritzung verwendet man zur Steuerung der Einspritzung
Einspritzventile oder ein oder mehrere Magnetventile, um den Kraftstoff
- der normalerweise auf einem konstanten Überdruck gehalten wird - in
einen Einlaß einzuspritzen, der sich z. B. vor oder hinter der Drosselklappe
befinden kann, oder an der Saugöffnung eines Zylinders, oder der auch
die Verbrennungskammer des Motors selbst sein kann. Zur Steuerung der
Einspritzmenge dient ein intermittierendes Einspritzsystem, welches das
Einspritzventil jeweils während einer vorgegebenen Zeitspanne öffnet,
entsprechend der dem Verbrennungsmotor pro Kurbelwellenumdrehung
zugeführten Luftmenge, um z. B. eine bestimmte Luftzahl lambda zu erhalten.
Wieviel Kraftstoff dabei jeweils eingespritzt wird, ist dann nur eine
Funktion der Zeitdauer des elektrischen Impulses, der dem Elektromagneten
des Einspritzventils zugeführt wird. Dies gewährleistet eine einfache und
sehr genaue Steuerung der Einspritzmenge. Da ferner die verschiedenen
Betriebsparameter eines solchen Verbrennungsmotors in elektrische
Signale umgeformt werden, welche ihrerseits ausgewertet werden und
die Dauer der Impulse bestimmen, die dem Einspritzventil (oder den
Einspritzventilen) zugeführt werden, kann ein solches System leicht
modifiziert werden, z. B. durch Änderung der internen Programme, und
Korrekturparameter können leicht hinzugefügt werden.
Ein derartiges Einspritzventil hat typisch ein Gehäuse, an dessen
einspritzseitigem Ende ein Ventilkörper angeordnet ist, ferner einen
im Gehäuse fest angeordneten Elektromagneten, sowie eine Ventilnadel,
im folgenden auch als Düsennadel bezeichnet, die in einer Führungsausnehmung
des Ventilkörpers frei verschiebbar angeordnet und mit einem
beweglichen Anker verbunden ist, welch letzterer aus einem weichmagnetischen
Werkstoff hergestellt ist und durch die Kraft des Elektromagneten
bzw. die Kraft einer Rückstellfeder bewegt wird.
Wird dem Elektromagneten ein Stromimpuls zugeführt, so wird der bewegliche
Anker entgegen der Kraft der Rückstellfeder verschoben. Dabei
nimmt der bewegliche Anker die Ventilnadel (Düsennadel) mit, und
durch eine Einspritzöffnung des Ventilkörpers wird Kraftstoff eingespritzt.
Die Einspritzrate wird dabei bestimmt durch die Größe des kreisförmigen
Spaltes zwischen dem einspritzseitigen Ende der Düsennadel und der
Einspritzöffnung des Ventilkörpers, sowie durch den Einspritzdruck.
Solche Einspritzventile müssen in einem Kraftfahrzeug jahrelang klaglos
ihren Dienst tun, und zur Erhöhung der Lebensdauer werden der Ventilkörper
und die Düsennadel gewöhnlich aus rostfreiem Stahl hergestellt,
z. B. aus Stahl der Qualität SUS 440 C, der abnutzungsbeständig
ist, und diese Teile werden wärmebehandelt, um ihre Härte zu erhöhen.
Derartige Magnetventile werden aber auch für andere Aufgaben verwendet:
ein hydraulisches Gerät, z. B. die Steuerung eines automatischen
Getriebes, oder die Tiefensteuerung eines Pfluges, verwendet viele
hydraulische Steuerventile, meist Magnetventile, da diese leicht zu steuern
sind. Solche Steuerventile haben typisch ein Gehäuse, in dem sich ein
Elektromagnet und ein Führungsglied befinden, welch letzteres eine
Führungsausnehmung aufweist, in der eine Ventilstange verschiebbar
angeordnet ist. Diese Ventilstange ist mit einem beweglichen Anker verbunden,
der durch den Elektromagneten bzw. eine Rückstellfeder betätigt
werden kann. Ist der Elektromagnet nicht erregt, so beaufschlagt die
Rückstellfeder die Ventilstange, und diese schließt das Steuerventil.
Wird der Elektromagnet erregt, so zieht seine Kraft den beweglichen
Anker entgegen der Kraft der Rückstellfeder an, verschiebt die Ventilstange,
und öffnet das Steuerventil.
Zur Erhöhung der Lebensdauer eines solchen Steuerventils wird die
Ventilstange gewöhnlich aus rostfreiem Stahl hergestellt, z. B. aus den
Qualitäten SUS 304 oder SUS 440 C, die korrosions- und abnutzungsbeständig
sind. Bei SUS 304 wird ferner eine Oberflächen-Nitrierbehandlung
verwendet, und bei SUS 440 C eine Wärmebehandlung zur Oberflächenhärtung,
um die Härte der Ventilstange zu erhöhen.
Da rostfreier Stahl vom Typ SUS 304 ein ferromagnetischer Werkstoff ist,
wird er durch die Herstellungsschritte gehärtet, und Eisenpartikel
bleiben folglich an ihm haften. Ein solches Anhaften von Eisenpartikeln
hat aber einen negativen Einfluß auf die Herstellungsgenauigkeit, auf die
Dichtigkeitsprüfung, die Einstellung der Durchflußrate, etc. Wird der
rostfreie Stahl wärmebehandelt, so nimmt er eine Martensitstruktur an
und wird magnetisch. Ferner wird im Betrieb die Düsennadel oder die
Ventilstange (im folgenden allgemein als "Ventilglied" bezeichnet) durch
das Magnetfeld des Elektromagneten beeinflußt und magnetisiert.
Im Betrieb eines solchen Magnetventils können magnetische Partikel auftreten,
z. B. durch Reibung zwischen Düsennadel und Ventilkörper, oder
durch Reibung zwischen Ventilstange und Ventilführung. Eine solche
Reibung entsteht im Betrieb durch die Betätigung der Düsennadel oder
der Ventilstange. Ferner kann Eisenstaub bei der Herstellung in ein Kraftstoffeinspritzsystem
gelangen und dort verbleiben, oder im Kraftstoff
oder der Hydraulikflüssigkeit kann sich Eisenpulver befinden, und dieses
Eisenpulver setzt sich dann an den Reibungsstellen fest. Auch kann das
Eisenpulver, das sich an den Reibungsstellen befindet, dort abfallen und
sich in der Düsenöffnung oder auf dem Ventilsitz festsetzen. Dies beeinträchtigt
die Funktion eines solchen Ventils und verschlechtert die Arbeitsweise
einer elektronisch gesteuerten Einspritzanlage oder die
hydraulischen Steuereigenschaften eines solchen Ventils. Auch kann solches
Eisenpulver den Verschleiß an den Reibungsstellen beschleunigen.
Werden die Teile eines solchen Ventils hartmagnetisch und nehmen eine
dauerhafte Magnetisierung an, so bewirkt dies eine Anziehung oder Abstoßung zwischen der Düsennadel und dem Ventilkörper, oder der Ventilstange
und der Ventilführung, und dies beeinträchtigt ebenfalls
die einwandfreie Funktion eines solchen Ventils und/oder seine Eigenschaften
als Stellglied in einer hydraulischen Steuerung.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, die bekannten Ventile dieser
Art zu verbessern.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1
angegebenen Maßnahmen. Da zumindest das Ventilglied aus unmagnetischem
Werkstoff besteht, wird es durch das vom Elektromagneten erzeugte
magnetische Feld nicht magnetisiert, so daß an ihm kein restliches Magnetfeld
vorhanden ist. Befinden sich in einem solchen Magnetventil kleine
Eisenpartikel, z. B. entstanden durch Reibung bei der Betätigung des
Ventilglieds, oder in der Hydraulikflüssigkeit, die vom Ventil gesteuert
wird, so können sich diese Eisenpartikel nicht durch magnetische Anziehung
am Ventilglied festsetzen. Auch wird so eine Anziehung oder Abstoßung
zwischen dem Ventilglied und dem Führungsglied vermieden, die sonst
durch das Magnetfeld des Elektromagneten verursacht werden könnte.
All das hat eine entsprechende Leichtgängigkeit des Ventils zur Folge,
auch nach längerem Betrieb. Gerade bei Einspritzventilen für die elektronisch
gesteuerte Benzineinspritzung ist eine solche Leichtgängigkeit von größtem
Wert. Bei den ersten Fahrzeugen, die mit solchen Ventilen ausgerüstet
waren, wurden die Einspritzventile im Laufe der Zeit derart schwergängig,
daß die Fahrzeuge kaum noch gestartet werden konnten. - Da außerdem die
Außenseite des Ventilglieds mindestens bereichsweise nitriert ist, wird die
Abnutzung des Ventilglieds - und damit die Entstehung von Eisenpartikeln -
sehr stark reduziert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der magnetische
Kreis des Elektromagneten durch das Ventilglied nicht gestört wird. Dies
bewirkt eine Konzentration des magnetischen Feldes im Bereich des beweglichen
Ankers, so daß die Kraft auf diesen Anker erhöht wird und
die Ansprechzeit eines solchen Ventils entsprechend verkürzt wird.
Durch die Erfindung erhält man also wesentliche Vorteile:
Ein Ventil nach der Erfindung ist leichtgängig und hat eine gute Beständigkeit
gegen Korrosion und Abnutzung.
Das Anhaften von kleinen Eisenpartikeln am Ventilglied wird vermieden,
und das vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeld wird nicht ungünstig
beeinflußt, sondern wirkt hauptsächlich auf den beweglichen Anker.
Ein solches Magnetventil eignet sich deshalb besonders gut für die elektronisch
gesteuerte Kraftstoffeinspritzung und ändert seine Eigenschaften auch
nach längerer Betriebsdauer nur wenig.
Ebenso eignet sich ein solches Magnetventil auch als Steuerventil in
hydraulischen Geräten z. B. automatischen Getrieben, ABS, etc., um
das Öffnen/Schließen von Öldurchlässen zu steuern und dabei eine leichte
Gängigkeit zu erreichen.
Bevorzugt wird dabei ein solches Magnetventil gemäß Anspruch 2 ausgebildet,
da hierbei die erwähnten Vorteile auch beim Führungsglied zum Tragen
kommen.
Mit besonderem Vorteil wird das Magnetventil gemäß Anspruch 3 ausgebildet,
da man auf diese Weise ein besonders abnutzungsbeständiges Ventil erhält.
Ein erfindungsgemäßes Ventil eignet sich, wie bereits erwähnt, besonders
gut für die Verwendung gemäß Anspruch 4, da seine Betriebseigenschaften
über lange Zeit im wesentlichen konstant bleiben und es einer
geringen Abnutzung unterliegt.
Ein erfindungsgemäßes Ventil eignet sich aber auch sehr gut für die
Verwendung gemäß Anspruch 5, wie das ebenfalls bereits erläutert
wurde.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung
dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden
Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Magnetventil nach einem
ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
dieses Ventil ist ein Einspritzventil zur Verwendung bei
einem Verbrennungsmotor,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Magnetventil nach einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das als Steuerventil in einer hydraulischen Steuerschaltung
Anwendung findet, um den Durchstrom von Hydrauliköl
zu steuern, und
Fig. 3 ein Schaubild, das den Zusammenhang zwischen der
Ziehbarkeit einer Stange und ihrer magnetischen Permeabilität
zeigt, und zwar bei einem Teil aus unmagnetischem Stahl,
das als Ventilglied für die Magnetventile nach Fig. 1 und 2
Verwendung findet.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil, welches die
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetventils darstellt.
Ein Ventilkörper 5, der als Führungsglied dient, ist über einen Anschlag
3 am einspritzseitigen Ende eines Gehäuses 2 befestigt, welches die
äußere Hülle eines Einspritzventils 1 bildet. Der Ventilkörper 5 ist mittels
eines Dichtungsglieds 4 flüssigkeitsdicht am Gehäuse 2 befestigt. Ferner
ist eine Kappe 6 am einspritzseitigen Ende des Ventilkörpers 5 befestigt.
Eine Spule 10 mit einer auf sie aufgewickelten Wicklung 9 ist im Gehäuse 2
angeordnet und dort durch zwei Dichtungen 7 und 8 abgedichtet. Am
rückwärtigen, also von der Einspritzseite abgewandten Ende des Gehäuses 2
befindet sich ein Halter 11, der aus weichmagnetischem Werkstoff hergestellt
ist. Das einspritzseitige Ende 11 a des Halters 11 befindet sich im
Gehäuse 2 in einer zentralen durchgehenden Ausnehmung des Spulenkörpers
10 und ist dort durch ein Dichtglied 12 abgedichtet. Der Mittelabschnitt
11 b des Halters 11 ist fest in eine Öffnung am rückwärtigen
Ende des Gehäuses 2 eingebördelt, und das rückwärtige Ende 11 c des
Halters 11 ragt aus dem rückwärtigen Ende des Gehäuses 2 nach außen und
wird über eine Dichtung 13 mit einem (nicht dargestellten) Kraftstoffschlauch
verbunden, durch den dem Ventil 1 Kraftstoff zugeführt wird.
Ein Kraftstoffdurchlaß 11 d erstreckt sich längs der Längsachse des
Halters 11, und etwa in der Mitte dieses Durchlasses 11 d ist ein zylindrischer
Anschlag 14 fest angeordnet. Ferner ist am Mittelabschnitt 11 b des
Halters 11 eine Steckverbindung 15 befestigt, die in üblicher Weise mit
den Anschlüssen der Wicklung 9 elektrisch verbunden ist. Diese Steckverbindung
15 wird im Betrieb mit der (nicht dargestellten) Treiberschaltung
einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung
verbunden.
Ein beweglicher Anker 20 weist längs seiner Längsachse einen Kraftstoffdurchlaß
20 a auf und ist aus weichmagnetischem Werkstoff hergestellt.
Der bewegliche Anker 20 ist im Gehäuse 2 zwischen dem Anschlag 3
und der Spule 10 längsverschieblich angeordnet. Sein einspritzseitiges
Ende befindet sich in einer Ausnehmung 2 a des Gehäuses 2, und sein
anderes Ende ist so ausgebildet, daß es in eine Öffnung der Mittelausnehmung
des Spulenkörpers 10 verschoben werden kann. Eine Rückstellfeder
21 ist mit Vorspannung zwischen dem rückwärtigen Ende des
beweglichen Ankers 20 und der einspritzseitigen Stirnseite des im Halter 11
befestigten Anschlags 14 angeordnet. Eine Düsennadel 22 ist verschiebbar
in einer Führungsausnehmung 5 a angeordnet, welch letztere sich längs der
Längsachse des Ventilkörpers erstreckt. Die Düsennadel hat ein
einspritzseitiges Ende 22 a, welches eine Einspritzöffnung 5 b im einspritzseitigen
Ende des Ventilkörpers 5 mit einem kleinen Spalt durchdringt und
welches auch eine Einspritzöffnung 6 a der Kappe 6 mit Spiel durchdringt.
Eine Stirnfläche 22 b der Düsennadel 22 liegt an gegen einen Ventilsitz 5 c
des Ventilkörpers 5. Ein Mittelabschnitt 22 c der Düsennadel 22 hat einen
etwas kleineren Durchmesser als die Führungsausnehmung 5 a des Ventilkörpers
5. An den beiden Enden dieses Mittelabschnitts 22 c befinden sich
Abschnitte 22 d und 22 e größeren Durchmessers, und diese beiden Abschnitte
sind verschiebbar in der Führungsausnehmung 5 a des Ventilkörpers
5 angeordnet. Bei diesen Abschnitten 22 d und 22 e ist, wie dargestellt,
jeweils die Umfangsfläche mit vier gleichen Abflachungen versehen, die sich
in Umfangsrichtung erstrecken. Diese Abflachungen dienen als Kraftstoffdurchlässe,
d. h. zwischen jeder Abflachung der Abschnitte 22 d und
22 e sowie der Innenwand der Führungsausnehmung 5 a des Führungskörpers
5 kann im Betrieb Kraftstoff durchströmen.
Ein rückwärtiges Ende 22 f der Düsennadel 22 durchdringt mit Spiel eine
Ausnehmung 3 a des Anschlags 3 und erstreckt sich zum beweglichen
Anker 20 und ist in einer Ausnehmung dieses beweglichen Ankers in der
dargestellten Weise befestigt. In das rückwärtige Ende 22 f der Düsennadel
22 ist eine Ausnehmung 22 g gebohrt, und die Öffnung dieser Ausnehmung
22 g steht in Verbindung mit dem Kraftstoffdurchlaß 20 a des
beweglichen Kolbens 20 und steht über mehrere Löcher 22 h, die in der
Seitenwand des rückwärtigen Endes 22 f in der Nähe des Bodens der Ausnehmung
22 g ausgebildet sind, mit der Außenseite der Düsennadel 22 in
Verbindung.
Der Ventilkörper 5 und die Düsennadel 22 sind aus einem unmagnetischen
Stahl hergestellt, welcher korrosions- und abriebbeständig ist. Die Tabelle 1
gibt die chemischen Zusammensetzungen von unmagnetischen Stählen
an, die hier bevorzugt verwendet werden.
Zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit solcher unmagnetischen Stähle,
ohne diese dabei magnetisch zu machen, werden diese Stähle einer Oberflächenbehandlung
ausgesetzt, um ihre Oberflächen zu härten. Es gibt
verschiedene Arten von Oberflächenbehandlungen, darunter Ionen-Kohlenstoff-Nitrierung,
Ionen-Nitrierung, Gasnitrierung, Plasma-Kohlenstoff-Nitrierung,
Plasma-Nitrierung und Salzbadnitrierung (Tenifer-Verfahren).
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der Stahl PCD 18 gemäß der Tabelle 1
als Stahl für den Ventilkörper 5 und die Düsennadel 22 verwendet, und
das Ionen-Kohlenstoff-Nitrierverfahren wird als Oberflächenbehandlung
verwendet. Fig. 3 zeigt die magnetischen Eigenschaften des Stahls PCD 18.
Aus dem Zusammenhang zwischen der Ziehbarkeit einer Stange und der
magnetischen Permeabilität ergibt sich, daß der Ventilkörper 5 und die
Düsennadel 22, die beide aus dem Stahl PCD 18 hergestellt werden, durch
die Herstellungsschritte nicht wesentlich magnetisiert werden können.
Da dieser unmagnetische Stahl PCD 18 Mangan (Mn) und Chrom (Cr) enthält,
ist er hart und sehr abnutzungsbeständig. Wird der Stahl PCD 18 als
Draht gezogen, um eine Härtung durch Bearbeitung zu bewirken, so wird
seine mechanische Festigkeit weiter erhöht. Wird die Oberfläche eines
solchen Stahls einer Ionen-Kohlenstoff-Nitrierbehandlung unterzogen,
so erhält man ein gute Kohlenstoff-Nitrierschicht wegen der Bestandteile
N und C, und dadurch wird die Abnutzungsbeständigkeit weiter erhöht,
aber ein stabiler unmagnetischer Zustand erhalten. Da ferner ein solcher Stahl
große Mengen Cr und Ni enthält, hat er eine signifikant hohe Korrosionsbeständigkeit.
Ferner sind, wegen der chemischen Zusammensetzung dieses
Stahls, wie sie in Tabelle 1 dargestellt ist, die Kosten dieses Werkstoffs
nicht so hoch.
Die anderen Bestandteile des Einspritzventils 1, also das Gehäuse 2,
der Halter 11 und der bewegliche Anker 20, werden aus demselben Werkstoff
hergestellt wie bei bekannten Einspritzventilen.
Wird die Spule 9 stromlos gemacht, so drückt die Rückstellfeder 21
den beweglichen Anker 20 vom Spulenkörper 10 weg, wie das Fig. 1
zeigt. Dies verschiebt die Düsennadel 22 in Richtung zur Einspritzseite,
so daß ihre Schließfläche 22 b gegen den Ventilsitz 5 c des Ventilkörpers 5
gepreßt wird, wodurch die Einspritzöffnung 5 b verschlossen wird. Das
Einspritzventil 1 ist also in diesem Zustand geschlossen, und es wird
kein Kraftstoff eingespritzt.
Wie bereits erläutert wurde, wird im Betrieb über einen (nicht dargestellten)
Anschlußschlauch unter Druck stehender Kraftstoff dem Kraftstoffdurchlaß
11 d des Halters zugeführt, und dieser Kraftstoff wird über die oben
erläuterten Durchlässe 20 a, 22 g, 22 h, 3 a sowie die Abflachungen der
Teile 22 d, 22 e einem Kraftstoffraum 23 am einspritzseitigen Ende des
Ventilkörpers 5 zugeführt, so daß dort unter Druck stehender Kraftstoff
vorhanden ist.
Wird die Spule 9 durch die Treiberschaltung der elektronisch gesteuerten
Kraftstoffeinspritzung erregt, so wird der bewegliche Anker 20 entgegen
der Kraft der Rückstellfeder 21 durch den Elektromagneten 9,
11 angezogen, so daß das rückwärtige Ende des beweglichen Ankers 20
in den Spulenkörper 10 hineingezogen wird. Bei dieser Verschiebung
verschiebt sich die Düsennadel 22 nach rechts, bezogen auf Fig. 1,
bis ihre Verbreiterung 22 i, die sich zwischen dem Teil 22 e und den
radialen Öffnungen 22 h befindet, gegen den Anschlag 3 zur Anlage kommt
und dadurch angehalten wird. Dadurch wird die Schließfläche 22 b
der Düsennadel 22 vom Ventilsitz 5 c abgehoben und öffnet die Einspritzöffnung
5 b. Infolgedessen wird der Kraftstoff im Kraftstoffraum
23 durch die Einspritzöffnung 5 b in einen entsprechenden Raum des
zugeordneten Verbrennungsmotors injiziert.
Da der Ventilkörper 5 und die Düsennadel 22 aus einem unmagnetischen
Werkstoff hergestellt sind, werden sie bei Erregung der Spule 9 nicht
durch diese magnetisiert und haben auch kein magnetisches Restfeld.
Infolgedessen tritt auch, wie bereits eingangs ausführlich erläutert wurde,
keine Anziehung oder Abstoßung zwischen dem Ventilkörper 5 und der
Düsennadel 22 auf, so daß die Bedienung der Düsennadel 22 leichtgängig
ist. Außerdem wird das von der Spule 9 erzeugte Magnetfeld bzw. dessen
magnetischer Kreis nicht durch den Ventilkörper 5 oder die Düsennadel
22 beeinträchtigt, da beide aus unmagnetischem Werkstoff bestehen.
Das magnetische Feld der Spule 9 konzentriert sich also auf den beweglichen
Anker 20, so daß ein solches Ventil sehr rasch und sicher anspricht.
Da ferner Ventilkörper 5 und Düsennadel 22 aus einem Stahl hergestellt sind,
der sehr korrosions- und abnutzungsbeständig ist, und da sie außerdem
mit einem Kohlenstoff-Nitrier-Verfahren behandelt sind, ist ihre Abnutzung
unbedeutend und sehr gering, und die Erzeugung von Eisenstaub
durch die Betätigung der Düsennadel 22 entfällt weitgehend.
Dies erhöht bzw. bewahrt die Leichtgängigkeit des Einspritzventils 1
und gewährleistet eine sichere Einspritzung während der gesamten Lebensdauer
eines solchen Ventils.
Das vorstehende erste Ausführungsbeispiel wurde für den Fall beschrieben,
daß sowohl der Ventilkörper 5 wie die Ventilnadel 22
aus unmagnetischem Werkstoff hergestellt sind. Die Erfindung ist aber
hierauf nicht beschränkt. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, nur
die Ventilnadel (Düsennadel) aus unmagnetischem Werkstoff herzustellen.
Ferner wird nach dem ersten Ausführungsbeispiel die Düsennadel 22,
deren einspritzseitiges Ende - wie dargestellt - so ausgebildet ist, daß
es aus dem Einspritzloch 6 a herausragt, als das Ventilglied des Einspritzventils
verwendet. Jedoch kann derselbe Effekt auch erreicht werden,
wenn das Ventilglied an seinem einspritzseitigen Ende kugelig ausgebildet
ist oder die Form einer kreisförmigen Platte hat.
Anhand der Fig. 2 wird nun das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Steuerventil
31, welches in einer hydraulischen Vorrichtung 46, z. B. einem automatischen
Getriebe, montiert wird, um das Durchströmen des Hydrauliköls
zu steuern.
Das Steuerventil 31 hat eine Ventilführung 33, die als Führungsglied dient,
ferner einen Spulenkörper 36, auf den eine Spule 35 aufgewickelt ist,
und eine Platte 34, die Teil des magnetischen Kreises ist. Bezogen auf Fig. 2
sind in einem Gehäuse 32, das die äußere Hülle des Steuerventils 31 bildet,
von unten nach oben angeordnet: Das Ventilführungsglied 33; die Platte 34;
der Spulenkörper 36 mit der Spule 35 und schließlich zuoberst ein Abdeckglied
37, das in einer Ausnehmung 32 a des Gehäuses 32 liegt und dort
flüssigkeitsdicht festgebördelt bzw. festgestemmt ist, wie das Fig. 2 zeigt.
Das Abdeckglied 37, das - ebenso wie das Gehäuse 32 - Teil des magnetischen
Kreises des Elektromagneten ist, hat in seiner Mitte eine Ausnehmung 37 a,
und dort ist das eine Ende eines feststehenden Ankers 38 befestigt,
dessen anderes Ende wie dargestellt in die Mittelausnehmung des Spulenkörpers
36 ragt. Der feststehende Anker 38 ist, wie bereits erläutert,
über das Abdeckglied 37 magnetisch mit dem Gehäuse 32 verbunden und
besteht aus weichmagnetischem Werkstoff.
Ein beweglicher Anker 39, der ebenfalls aus weichmagnetischem Werkstoff
besteht, ist im Gehäuse 32 zwischen der Ventilführung 33 und dem feststehenden
Anker 38 angeordnet und kann, bezogen auf Fig. 2, nach oben
in den Spulenkörper 36 hineinverschoben werden. Eine Rückstellfeder 40
ist mit Vorspannung zwischen dem feststehenden Anker 38 und einem
Distanzstück 39 b angeordnet, das sich auf der in Fig. 2 oberen Seite des
beweglichen Ankers 39 befindet. Eine Ventilstange 41, die als Ventilglied
bzw. Schließglied dient, ist in einer Führungsausnehmung 33 a der Ventilführung
33 verschiebbar angeordnet. Ihr oberes Ende ist in einer Ausnehmung
39 a des beweglichen Ankers 39 in der dargestellten Weise befestigt.
Ihre untere Stirnfläche 41 a wird, wenn die Spule 35 nicht erregt ist,
durch die Kraft der Rückstellfeder 40 auf einen Ventilsitz 42 b oberhalb
einer Ausnehmung 42 a gepreßt. Ventilsitz 42 b und Ausnehmung 42 a sind
in einer Platte 42 ausgebildet, welche flüssigkeitsdicht in der dargestellten
Weise in der unteren Öffnung 32 b des Gehäuses 32 befestigt ist. In der
Seitenwand des Gehäuses 32 und in dessen unterem Teil (wie immer bezogen
auf Fig. 2) sind seitliche Ausnehmungen 32 c vorgesehen, durch die
Hydraulikflüssigkeit hindurchströmen kann.
An der Oberseite des Gehäuses 32 und im Bereich von dessen oberer
Ausnehmung 32 a ist an der Gehäuse-Seitenwand ein Steckverbinder 43 befestigt
und mit den entsprechenden Anschlüssen der Spule 35 verbunden. Dieser
Steckverbinder 43 wird mit der (nicht dargestellten) Treiberschaltung
einer entsprechenden Steuerschaltung verbunden.
Die Ventilstange 41 ist aus einem unmagnetischen Stahl ausgebildet, der
korrosions- und abriebbeständig ist. Hierfür eignen sich besonders die
in Tabelle 1 dargestellten Stahlsorten.
Um die Abriebbeständigkeit dieser Stahlsorten zu erhöhen, ohne sie
magnetisch zu machen, werden sie einer härtenden Oberflächenbehandlung
unterzogen. Es gibt verschiedene Arten von Oberflächenbehandlung wie
Kohlenstoff-Nitrierung, Ionen-Nitrierung, Gasnitrierung, Plasma-Kohlenstoff-Nitrierung,
Plasma-Nitrierung und Salzbadnitrierung (Tenifer-Verfahren).
Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird der Stahl PCD 18
gemäß Tabelle 1 für die Ventilstange 41 verwendet, ebenso wie beim ersten
Ausführungsbeispiel, und als Oberflächenbehandlung wird das Ionen-Nitrier-Verfahren
verwendet.
Das so aufgebaute Magnetventil 31 wird über eine Dichtung 45 und mittels
einer Überwurfmutter am hydraulischen Gerät 46 befestigt. Die untere
Öffnung 32 b des Ventilgehäuses 32 steht dann in Flüssigkeitsverbindung
mit einem Druckmitteldurchlaß 46 a des hydraulischen Geräts 46. Die
seitlichen Durchlässe 32 c des Gehäuses 32 stehen in Verbindung mit einem
- nicht dargestellten - Druckmitteldurchlaß des hydraulischen Geräts 46
und bilden damit ein hydraulisches Steuersystem.
Wird die Spule 35 stromlos gemacht, so drückt die Rückstellfeder 40 den
beweglichen Anker 39 von der Spule 36 weg, wie das Fig. 2 zeigt. Dies
drückt die Ventilstange 41 nach unten, so daß ihre Schließfläche 41 a gegen
den Ventilsitz 42 b gepreßt wird und dadurch die Ausnehmung 42 a verschließt,
wie das Fig. 2 zeigt. Dies bringt das Steuerventil 31 in seinen
geschlossenen Zustand. Der Ventilöffnungsdruck für das Steuerventil 31
wird eingestellt durch die Vorspannkraft der Rückstellfeder 40.
Wird die Spule 35 durch die zugeordnete Treiberschaltung erregt, so wird
der bewegliche Anker 39 durch die Kraft des Elektromagneten 35, 38
und entgegen der Kraft der Feder 40 nach oben und in den Spulenkörper
36 hineingezogen. Danach kommt die Oberseite des beweglichen Ankers 39,
bzw. die dort befindliche Beilagescheibe 39 b, in Anlage gegen die untere
Stirnfläche des feststehenden Ankers 38. (Die Rückstellfeder 40 befindet sich
dann, wie dargestellt, in einer Ausnehmung des feststehenden Ankers 38.)
Dabei entfernt sich die untere Stirnfläche 41 a der Ventilstange 41 vom
Ventilsitz 42 b und öffnet dadurch das Steuerventil 31. Infolgedessen steht
nun der Durchlaß 46 a des hydraulischen Geräts 46 in Verbindung mit den
seitlichen Öffnungen 32 c und den sich hieran anschließenden Druckmittelverbindungen.
Deshalb kann nun Hydraulikflüssigkeit vom Durchlaß 46 a
durch das Steuerventil 31 zu den seitlichen Öffnungen 32 c und von dort
weiter strömen. Wird die Spule 35 wieder stromlos gemacht, so wird der
bewegliche Anker 39 durch die Kraft der Rückstellfeder 40 wieder nach
unten gedrückt, und die Ventilstange 41 verschließt wieder die Ausnehmung
42 a.
Da die Ventilstange 41 aus einem unmagnetischen Werkstoff hergestellt
ist, wie das bereits weiter oben erläutert wurde, wird sie durch das
Magnetfeld der Spule 35 nicht magnetisiert und hat auch kein remanentes
Magnetfeld. Da ferner der Stahl der Magnetstange 41 eine ausgezeichnete
Beständigkeit gegen Korrosion und Abnutzung aufweist, ist ihre Abnutzung
nur minimal, und es entsteht an ihr praktisch kein Abrieb in
Form von Eisenpulver, wenn sie betätigt wird. Dadurch wird verhindert,
daß Eisenpulver, das durch die Betätigung der Ventilstange 41 erzeugt
wird oder das sich in der Hydraulikflüssigkeit befindet, von der Ventilstange
41 angezogen wird und sich an deren Gleitflächen oder an deren Stirnfläche
41 a festsetzt. Deshalb wird ein dichtes Schließen zwischen der
Ventilstange 41 und dem Ventilsitz 42 b gewährleistet, und die Betätigung
der Ventilstange 41 bleibt auf Dauer leichtgängig. Dies verbessert die
Steuereigenschaften des betreffenden hydraulischen Geräts.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird nur die Ventilstange 41 aus unmagnetischem
Werkstoff hergestellt. Wird auch die Ventilführung 33, die
die Ventilstange 41 führt, aus unmagnetischem Werkstoff hergestellt,
so kann sich Eisenstaub auch nicht an den Gleitflächen der Ventilführung
33 ansetzen, und die Ventilstange 41 läßt sich leichtgängiger und sicherer
betätigen.
Ein Steuerventil nach dem zweiten Ausführungsbeispiel kann z. B. in dem
hydraulischen Gerät eines Kraftfahrzeugs montiert werden, z. B. in der
Steuerung eines automatischen Getriebes, einem ABS-System, einer Servolenkung,
oder in einer Steuerung für die Veränderung der Federcharakteristik
eines Fahrzeugs oder einer Anordnung vom Typ Niveaulift (Anpassung der
Bodenfreiheit an die Fahrzeugbelastung), oder auch in sonstigen
hydraulischen Steuerungen für industrielle Maschinen und Geräte.
Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung für den Fachmann vielfache
weitere Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Claims (5)
1. Magnetventil zum Steuern eines Druckmitteldurchlasses (5 b; 42 a),
mit einem Gehäuse (2; 32),
einem in diesem Gehäuse (2; 32) angeordneten Elektromagneten (9, 11; 35, 38),
einem in diesem Gehäuse angeordneten, mit einer Führungsausnehmung (5 a; 33 a) versehenen Führungsglied (5; 33),
einem zwischen dem Elektromagneten (9, 11; 35, 38) und dem Führungsglied (5; 33) angeordneten beweglichen Anker (20; 39), der vom Elektromagneten betätigbar ist,
und mit einem in der Führungsausnehmung (5 a; 33 a) des Führungsglieds (5; 33) verschiebbar angeordneten und mit dem beweglichen Anker (20; 39) verbundenen Ventilglied (22; 41) zum Öffnen oder Schließen des Druckmitteldurchlasses (5 b; 42 a) entsprechend dem Erregungszustand des Elektromagneten,
dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Anker (20; 39) aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgebildet ist,
und daß von der von Führungsglied (5; 33) und Ventilglied (22; 41) gebildeten Menge mindestens ein Element, nämlich das Ventilglied (22; 41) aus einem unmagnetischen Werkstoff, insbesondere Stahl, ausgebildet und an seiner Oberfläche mindestens teilweise nitriert ist.
einem in diesem Gehäuse (2; 32) angeordneten Elektromagneten (9, 11; 35, 38),
einem in diesem Gehäuse angeordneten, mit einer Führungsausnehmung (5 a; 33 a) versehenen Führungsglied (5; 33),
einem zwischen dem Elektromagneten (9, 11; 35, 38) und dem Führungsglied (5; 33) angeordneten beweglichen Anker (20; 39), der vom Elektromagneten betätigbar ist,
und mit einem in der Führungsausnehmung (5 a; 33 a) des Führungsglieds (5; 33) verschiebbar angeordneten und mit dem beweglichen Anker (20; 39) verbundenen Ventilglied (22; 41) zum Öffnen oder Schließen des Druckmitteldurchlasses (5 b; 42 a) entsprechend dem Erregungszustand des Elektromagneten,
dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Anker (20; 39) aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgebildet ist,
und daß von der von Führungsglied (5; 33) und Ventilglied (22; 41) gebildeten Menge mindestens ein Element, nämlich das Ventilglied (22; 41) aus einem unmagnetischen Werkstoff, insbesondere Stahl, ausgebildet und an seiner Oberfläche mindestens teilweise nitriert ist.
2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl
das Führungsglied (5) wie das Ventilglied (22) aus einem unmagnetischen
Werkstoff, insbesondere Stahl, ausgebildet sind.
3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ventilglied auf seiner Außenseite mindestens teilweise nitriert und
kohlenstoffeinsatzgehärtet (karburiert) ist.
4. Magnetventil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmitteldurchlaß (5 b) zum Durchlaß
von Kraftstoff und zur Zufuhr von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor
ausgebildet ist, und daß das Magnetventil als Kraftstoffeinspritzventil
zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Einlaß dieses Verbrennungsmotors
ausgebildet ist (Fig. 1).
5. Magnetventil nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckmitteldurchlaß (42 a) der eines hydraulischen
Geräts (46) ist, und daß das Magnetventil (31) als Steuerventil zum
Öffnen oder zum Schließen dieses Durchlasses (42 a) und damit zur Steuerung
eines Druckmittelstromes in diesem hydraulischen Gerät (46) ausgebildet
ist (Fig. 2).
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