DE4421947A1 - Elektromagnetisch betätigbares Ventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betä­ tigbaren Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits verschiedene elektromagnetisch betätigbare Ventile, insbesondere Brennstoffeinspritzventile bekannt, bei denen verschleißbeanspruchte Bauteile mit verschleiß­ festen Schichten versehen sind.

Aus der DE-OS 29 42 928 ist bereits bekannt, verschleißfe­ ste diamagnetische Materialschichten an verschleißbean­ spruchten Teilen, wie Anker und Düsenkörper, aufzutragen. Diese aufgebrachten Schichten dienen der Begrenzung des Hubes der Ventilnadel, wodurch die Auswirkungen des Rest­ magnetismus auf die bewegten Teile des Brennstoffein­ spritzventils minimiert werden.

Aus der DE-OS 32 30 844 ist ebenfalls bekannt, Anker und Anschlagfläche eines Brennstoffeinspritzventils mit ver­ schleißfesten Oberflächen zu versehen. Diese Oberflächen können beispielsweise vernickelt, also mit einer zusätz­ lichen Schicht versehen sein, oder nitriert, also durch Einlagerung von Stickstoff gehärtet sein.

Außerdem ist bereits aus der DE-OS 37 16 072 bekannt, für durch Verschleiß und Korrosion besonders beanspruchte Teile eines Einspritzventils Molybdänhartschichten zu ver­ wenden, die dünn ausgebildet sind und nachträglich mit Diamanten bearbeitet werden können.

In der DE-OS 38 10 826 ist ein Brennstoffeinspritzventil beschrieben, bei dem wenigstens eine Anschlagfläche ku­ gelkalottenförmig ausgeführt ist, um einen äußerst exakten Luftspalt zu erreichen, wobei mittig an der Anschlagfläche ein Rundkörpereinsatz aus nichtmagnetischem, hochfestem Werkstoff ausgebildet ist.

Aus der EP-OS 0 536 773 ist ebenfalls ein Brennstoffein­ spritzventil bekannt, bei dem am Anker an dessen zylindri­ scher Umfangsfläche und ringförmiger Anschlagfläche eine Hartmetallschicht durch Galvanisieren aufgetragen ist. Diese Schicht aus Chrom oder Nickel besitzt beispielsweise eine Dicke von 15 bis 25 µm. Infolge der galvanischen Be­ schichtung entsteht eine gering keilige Schichtdickenver­ teilung, wobei an den äußeren Kanten eine minimal dickere Schicht erreicht wird. Durch die galvanisch abgeschiedenen Schichten ist die Schichtdickenverteilung physikalisch vorgegeben und kaum beeinflußbar. Nach einer gewissen Be­ triebszeit verbreitert sich die Anschlagfläche durch Ver­ schleiß in unerwünschter Weise, wodurch sich Änderungen bei der Anzugs- und Abfallzeit des Ankers ergeben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß wenigstens eines der anein­ ander anschlagenden Bauteile so gestaltet ist, daß nach dem Erzeugen einer verschleißfesten Oberfläche gewährlei­ stet ist, daß die Anschlagfläche auch nach längerer Be­ triebszeit nicht durch Verschleiß in unerwünschter Weise vergrößert wird, so daß die Anzugs- und Abfallzeiten des beweglichen Bauteils nahezu konstant bleiben. Das wird da­ durch erreicht, daß wenigstens eines der aneinander an­ schlagenden Bauteile bereits vor dem Erzeugen der Ver­ schleißfestigkeit eine gestufte Oberfläche besitzt. Diese gestufte Oberfläche läßt sich zur Erzielung eines magneti­ schen und hydraulischen Optimums jeweils an verschiedene Gegebenheiten genau anpassen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektromagnetisch betätigba­ ren Ventils, insbesondere Brennstoffeinspritzventils mög­ lich.

Besonders vorteilhaft ist es, die äußerst genaue Oberflä­ chengestalt wenigstens eines der anschlagenden Bauteile mechanisch mit einem geschliffenen Senkwerkzeug herzu­ stellen. So sind sehr präzise Abmessungen erreichbar. Mit Hilfe der sehr genau geschliffenen Werkzeuge können engere Fertigungstoleranzen als bisher eingehalten werden, so daß es beim Betrieb des Einspritzventils zu einer sehr gerin­ gen Streuung der Anzugs- und insbesondere Abfallzeit des Ankers kommt.

Die gestufte Oberflächengestalt des mindestens einen Bau­ teils, z. B. des Ankers, erlaubt es zudem, daß auch nicht­ galvanische und magnetische verschleißfeste Schichten aufgebracht werden können, ohne daß die Forderung nach ei­ nem sehr kleinen Anschlagbereich unerfüllt bleibt.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Oberfläche des Anschlagbereichs wenigstens eines der aneinanderan­ schlagenden Bauteile dadurch verschleißfest gemacht wird, daß sie mittels eines an sich bekannten Verfahrens, z. B. einem Nitrierverfahren wie Plasmanitrieren oder Gasnitrie­ ren o. ä. gehärtet wird.

Ein kleiner, ringförmiger und in seiner Größe genau defi­ nierter Anschlagbereich ist dann gegeben, wenn in vor­ teilhafter Weise an wenigstens einer als Anschlag dienen­ den Bauteiloberfläche eine Stufe eingebracht ist. Der so­ mit ringförmige Anschlagbereich mit einer definierten An­ schlagflächenbreite, die der Kontaktbreite entspricht, bleibt nämlich über die gesamte Lebensdauer konstant, da ein Anschlagflächenverschleiß bei Dauerbetrieb durch die Stufe nicht zu einer Vergrößerung der Kontaktbreite führt. Die Anschlagsicherheit ist vollständig gewährleistet. Ein hydraulisches Kleben ist aufgrund der kleinen Anschlagflä­ che ausgeschlossen. Da über die gesamte Lebensdauer eine konstante Kontaktbreite gewährleistet ist, bleiben auch als großer Vorteil die hydraulischen Verhältnisse im Spalt zwischen den anschlagenden Teilen, z. B. zwischen Kern und Anker, konstant.

Zeichnung

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

Fig. 1 ein Brennstoffein­ spritzventil,

Fig. 2 einen vergrößerten Anschlag des Einspritzventils im Bereich von Kern und Anker,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ge­ stuften Ankers,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines gestuften Ankers und

Fig. 5 ein drittes Ausfüh­ rungsbeispiel eines gestuften Ankers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Fig. 1 beispielsweise dargestellte elektroma­ gnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritz­ ventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdich­ tenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Brennstoffeinlaßstutzen dienenden Kern 2, der beispielsweise hier rohrförmig aus­ gebildet ist und über seine gesamte Länge einen konstanten Außendurchmesser aufweist. Ein in radialer Richtung gestufter Spulenkörper 3 nimmt eine Bewicklung der Ma­ gnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem einen konstanten Außendurchmesser aufweisenden Kern 2 einen be­ sonders kompakten Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1.

Mit einem unteren Kernende 9 des Kerns 2 ist konzentrisch zu einer Ventillängsachse 10 dicht ein rohrförmiges metal­ lenes Zwischenteil 12 beispielsweise durch Schweißen ver­ bunden und umgibt dabei das Kernende 9 teilweise axial. Der gestufte Spulenkörper 3 übergreift teilweise den Kern 2 und mit einer Stufe 15 größeren Durchmessers das Zwi­ schenteil 12 zumindest teilweise axial. Stromabwärts des Spulenkörpers 3 und des Zwischenteils 12 erstreckt sich ein rohrförmiger Ventilsitzträger 16, der beispielsweise fest mit dem Zwischenteil 12 verbunden ist. In dem Ven­ tilsitzträger 16 verläuft eine Längsbohrung 17, die kon­ zentrisch zu der Ventillängsachse 10 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 17 ist eine zum Beispiel rohrförmige Ven­ tilnadel 19 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen En­ de 20 mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 21, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 22 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind, beispiels­ weise durch Schweißen verbunden ist.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventil­ nadel 19 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft ei­ ner 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 Ventilna­ del 19 durch eine erste Schweißnaht 28 verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. In das stromabwärts liegende, dem Kern 2 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 16 ist in der Längsbohrung 17 ein zylinderförmiger Ventilsitzkörper 29, der einen festen Ventilsitz aufweist, durch Schweißen dicht montiert.

Zur Führung des Ventilschließkörpers 21 während der Axial­ bewegung der Ventilnadel 19 mit dem Anker 27 entlang der Ventillängsachse 10 dient eine Führungsöffnung 32 des Ven­ tilsitzkörpers 29. Der kugelförmige Ventilschließkörper 21 wirkt mit dem sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitz des Ventilsitzkörpers 29 zusammen. An seiner dem Ventilschließkörper 21 abgewandten Stirn­ seite ist der Ventilsitzkörper 29 mit einer beispielsweise topfförmig ausgebildeten Spritzlochscheibe 34 konzentrisch und fest, verbunden. Im Bodenteil der Spritzlochscheibe 34 verläuft wenigstens eine, beispielsweise verlaufen vier durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 39.

Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 29 mit der topfförmigen Spritzlochscheibe 34 bestimmt die Voreinstel­ lung des Hubs der Ventilnadel 19. Dabei ist die eine End­ stellung der Ventilnadel 19 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 21 am Ventil­ sitz des Ventilsitzkörpers 29 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 19 bei erregter Magnet­ spule 1 durch die Anlage des Ankers 27 am Kernende 9 er­ gibt, also genau in dem Bereich, der erfindungsgemäß aus­ gebildet und durch einen Kreis näher gekennzeichnet ist.

Eine in eine konzentrisch zur Ventillängsachse 10 verlau­ fende Strömungsbohrung 46 des Kerns 2 eingeschobene Ein­ stellhülse 48, die beispielsweise aus gerolltem Feder­ stahlblech ausgeformt ist, dient zur Einstellung der Fe­ dervorspannung der an der Einstellhülse 48 anliegenden Rückstellfeder 25, die sich wiederum mit ihrer gegenüber­ liegenden Seite an der Ventilnadel 19 abstützt.

Das Einspritzventil ist weitgehend mit einer Kunststoffum­ spritzung 50 umschlossen, die sich vom Kern 2 ausgehend in axialer Richtung über die Magnetspule 1 bis zum Ventil­ sitzträger 16 erstreckt. Zu dieser Kunststoffumspritzung 50 gehört beispielsweise ein mitangespritzter elektrischer Anschlußstecker 52.

Ein Brennstoffilter 61 ragt in die Strömungsbohrung 46 des Kerns 2 an dessen zulaufseitigem Ende 55 hinein und sorgt für die Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile, die aufgrund ihrer Größe im Einspritzventil Verstopfungen oder Beschädigungen verursachen könnten.

In der Fig. 2 ist der in Fig. 1 mit einem Kreis gekenn­ zeichnete Bereich der einen Endstellung der Ventilnadel 19, in dem der Anker 27 an dem Kernende 9 des Kerns 2 an­ schlägt, in einem anderen Maßstab dargestellt. Bereits be­ kannt ist das Aufbringen von metallischen Schichten 65 auf dem Kernende 9 des Kerns 2 und auf dem Anker 27, bei­ spielsweise von Chrom- oder Nickelschichten, mittels Gal­ vanisierens. Dabei werden die Schichten 65 sowohl auf eine senkrecht zur Ventillängsachse 10 verlaufende Stirnfläche 67 als auch zumindest teilweise auf eine Umfangsfläche 66 des Ankers 27 aufgebracht. Diese Schichten 65 sind besonders verschleißfest und reduzieren mit ihrer kleinen Oberfläche ein hydraulisches Kleben der anschlagenden Flä­ chen, ohne es jedoch sicher verhindern zu können. Die Schichtdicke dieser Schichten 65 beträgt im allgemeinen zwischen 10 und 25 µm.

Für die Funktion des Einspritzventils ist es notwendig, daß Kern 2 und Anker 27 nur in einem relativ kleinen Be­ reich, beispielsweise nur im äußeren, von der Ventillängs­ achse 10 abgewandten Bereich der oberen Stirnfläche des Ankers 27 anschlagen. Diese Forderung wird gerade durch die galvanische Beschichtung erreicht. Bei der galvani­ schen Beschichtung tritt an den Kanten der zu beschichten­ den Teile, hier Kern 2 und Anker 27, eine Feldlinienkon­ zentration auf, die dazu führt, daß eine keilige Schicht­ dickenverteilung, wie sie in Fig. 2 angedeutet ist, auf­ tritt. Die aufgebrachte keilige Schicht 65 wird also beim Betrieb des Einspritzventils nur in einem kleinen Bereich beansprucht. Beim Dauerbetrieb liegt allerdings nicht mehr eine definierte Anschlagfläche vor, da durch mehrere Mil­ lionen Anschläge Teile der Schicht 65 abgetragen werden, so daß sich die Anschlagfläche immer weiter vergrößert und somit die Keiligkeit ständig weiter reduziert wird.

Demgegenüber ist in der Fig. 3 ein Teil des erfindungsge­ mäßen Ankers 27 im Bereich seiner oberen Stirnfläche 67 gezeigt, die bereits vor der Beschichtung oder dem Erzeu­ gen der Verschleißfestigkeit der Oberfläche einen Stufen­ abschnitt 70 aufweist.

Während die bei galvanisch abgeschiedenen Schichten 65 entstehende Schichtdickenverteilung physikalisch vorgege­ ben und kaum beeinflußbar ist, kann die Stufe des An­ kers 27 vor der Beschichtung bzw. dem Erzeugen der Ver­ schleißfestigkeit entsprechend geforderter Werte so vor­ bestimmt und gefertigt werden, daß bei der Benutzung je­ weils ein magnetisches und hydraulisches Optimum erreicht wird. Mit Hilfe sehr genau geschliffener Senkwerkzeuge können enge Fertigungstoleranzen für die Stufe eingehalten werden, so daß es beim Betrieb des Einspritzventils zu einer äußerst geringen Streuung der Anzugs- und Abfallzeit des Ankers 27 kommt. Der Stufenabschnitt 70 der Stirnflä­ che 67 erlaubt es zudem, daß auch nichtgalvanische, ver­ schleißfeste Schichten, die auch magnetisch sein dürfen, aufgebracht werden können, ohne daß die Forderung nach ei­ nem sehr kleinen Anschlagbereich unerfüllt bleibt.

Außerdem kann die Stirnfläche 67, zumindest im Bereich ih­ res Anschlagabschnitts 69, durch eine Behandlung der Ober­ fläche mittels eines Härteverfahrens verschleißfest ge­ macht werden. Als Härteverfahren sind hierzu z. B. die be­ kannten Nitrierverfahren wie Plasmanitrieren oder Gasni­ trieren geeignet.

Mit dem Stufenabschnitt 70 in der oberen Stirnfläche 67 des Ankers 27, der so wie es die Fig. 3 zeigt, eine Ver­ tiefung darstellt, ist die höchste Sicherheit einer über die gesamte Lebensdauer des Einspritzventils konstant bleibenden Anschlagflächenbreite und damit Kontaktbreite gegeben. Der Stufenabschnitt 70 hat zur Folge, daß der ge­ nau definierte ringförmige Anschlagabschnitt 69 an der Stirnfläche 67 gebildet wird.

Bei Dauerbetrieb des Einspritzventils können mehrere Mil­ lionen Anschläge vom Anker 27 am Kern 2 stattfinden. Das wiederum bedeutet, daß ein minimaler Anschlagflächenver­ schleiß nicht zu vermeiden ist. Durch den Stufenabschnitt 70 ragt nun der als Anschlag dienende Anschlagabschnitt 69 der oberen Stirnfläche 67 des Ankers 27 über einen Stufenboden 71 deutlich heraus. Als Anschlag dient somit der herausragende, ringförmige Anschlagabschnitt 69 mit einer Breite b zwischen 20 und 500 µm, der bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 3 zwischen der Umfangsfläche 66 und dem nach innen versetzt ausgebildeten Stufenabschnitt 70 liegt. Dieser Anschlagabschnitt 69 behält über die ge­ samte Betriebsdauer eine konstante Breite b. Der bereits erwähnte Verschleiß hat also keinen Einfluß mehr auf die Anschlagflächenbreite bzw. Kontaktbreite. Ein hydrauli­ sches Kleben ist aufgrund der kleinen Anschlagfläche aus­ geschlossen. Da über die gesamte Lebensdauer eine kon­ stante Kontaktbreite gewährleistet ist, bleiben auch als großer Vorteil die hydraulischen Verhältnisse im Spalt zwischen den anschlagenden Teilen, hier zwischen Kern 2 und Anker 27, konstant. Gegenüber der eben verlaufenden Anschlagfläche des Anschlagabschnitts 69 ergeben sich be­ reits bei einem axialen Abstand ab 5 µm von dem Stufenbo­ den 71 die Vorteile der Erfindung. Das hydraulische und magnetische Optimum wird durch eine geeignete Wahl der Breite b und der Tiefe des Stufenbodens 71, die beispiels­ weise zwischen 5 und 15 µm beträgt, erzielt.

Es ist auch denkbar, daß sowohl der Anker 27 als auch der Kern 2 vor dem Beschichten bzw. dem Erzeugen einer ver­ schleißfesten Oberfläche mit einem entsprechenden Stufen­ abschnitt 70 versehen werden, so daß an beiden anschla­ genden Seiten sehr genau definierte ringförmige Anschlag­ abschnitte 69 gebildet sind, so wie es die Fig. 3 zeigt. Außerdem ist es möglich, nur am Kern 2 diesen Stufenab­ schnitt 70 vorzusehen, während der Anker 27 beispielsweise eine plane Stirnfläche erhält. Diese nicht dargestellten Beispiele werden sicherlich nicht so häufig zur Anwendung kommen; stellen aber von der Geometrie der Stufe nichts anderes dar als das in der Fig. 3 gezeigte Ausführungs­ beispiel am Anker 27.

Weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgebil­ deten Ankern 27 zeigen die Fig. 4 und 5. So ist es denkbar, daß der Anschlagabschnitt 69 zur Ventillängsachse 10 hin an der Stirnfläche 67 ausgebildet ist, während der Stufenabschnitt 70 axial versetzt nach außen zur Umfangs­ fläche 66 hin liegt (Fig. 4). In der Fig. 5 ist ein Aus­ führungsbeispiel des Ankers 27 dargestellt, bei dem der Anschlagabschnitt 69 innen und außen, also zur Umfangsflä­ che 66 und zur Ventillängsachse 10 hin, von Sufenabschnit­ ten 70 umgeben ist.

Da an wenigstens einer Stirnfläche 67 von Anker 27 und/oder Kern 2 bereits der Stufenabschnitt 70 vorliegt, können nun, wie bereits erwähnt, auch vom Aufbringen von Chrom- oder Nickelschichten abweichende Verfahren zur Qua­ litätserhöhung durch Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Stirnfläche 67 zum Einsatz kommen. Durch den Einsatz von Härteverfahren, wie z. B. Plasmanitrieren, Gasnitrieren oder Carburieren, durch die die Oberflächenstruktur am An­ ker 27 und/oder Kern 2 verändert wird, kann sogar ganz auf Verfahren zur unmittelbaren Beschichtung verzichtet wer­ den.

Claims (8)

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse, mit einem Kern aus ferromagnetischem Material, mit einer Ma­ gnetspule und mit einem Anker, der ein mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper betätigt und bei erregter Magnetspule gegen eine Anschlagfläche des Kerns gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Stirnflächen (67) der Bauteile Anker (27) und Kern (2), die jeweils zu dem anderen gegenüberliegen­ den Bauteil gerichtet sind, in einen Anschlagabschnitt (69) und wenigstens einen gegenüber dem Anschlagabschnitt (69) vertieften Stufenabschnitt (70) aufgeteilt ist und der wenigstens eine Anschlagabschnitt (69) eine definierte Breite (b) hat.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Anschlagabschnitt (69) an Anker (27) und/oder Kern (2) eine Breite (b) besitzt, die nur einen Bruchteil des Durchmessers der Stirnfläche (67) darstellt.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Anschlagabschnitt (69) an Anker (27) und/oder Kern (2) eine Breite (b) zwischen 20 und 500 µm besitzt.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der wenigstens eine Stufenabschnitt (70) am Kern (2) und/oder Anker (27) ausgehend von dem Anschlagabschnitt (69) in Richtung zu der Ventillängsachse (10) hin er­ streckt.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der wenigstens eine Stufenabschnitt (70) am Kern (2) und/oder Anker (27) ausgehend von dem Anschlagabschnitt (69) in Richtung von der Ventillängsachse (10) weg er­ streckt.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (2) und/oder Anker (27) im Bereich der Stirnfläche (67) beschichtet sind.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Beschichten aufgebrachte Schicht (65) magnetisch ist.

8. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (2) und/oder Anker (27) im Bereich der Stirnfläche (67) mittels eines Härteverfahrens behandelt sind.