DE69635840T2 - Kompakte ankeranordnung eines einspritzventils - Google Patents

Kompakte ankeranordnung eines einspritzventils Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrisch betätigte Ventile, zum Beispiel Einspritzventile zum Einspritzen von Flüssigkraftstoff in eine Kraftmaschine mit innerer Verbrennung, und speziell eine wirtschaftliche, kompakte Ankeranordnung für ein magnetbetätigtes Einspritzventil.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Bewegung bestimmter elektrisch betätigter Ventile, etwa bestimmter Kraftstoffeinspritzventile, erfolgt durch eine Nadel, die im Inneren des Ventilkörpers in Reaktion auf die elektrische Erregung und Stromlosschaltung eines elektromechanischen Aktuators axial oszilliert, um dadurch einen Strömungspfad durch das Ventil selektiv zu öffnen und zu schließen. Einspritzventile umfassen in der Regel eine Magnetbaugruppe, die eine elektromagnetische Spule beinhaltet, die, wenn sie erregt wird, dazu dient, eine axiale Bewegung eines Ankers zu bewirken. In der Regel ist der Anker, der auf eine ein Zusammenwirken ermöglichende Weise mit einem Ventil verbunden ist, das relativ zu einem Ventilsitz beweglich ist, um die Kraftstoffeinspritzung zu dosieren, beweglich geführt und wird von seiner umlaufenden Außenfläche in einer Führungsbohrung im Gehäuse des Einspritzventils geführt. Anker können durch eine elektromagnetische Kraft, die von einer Drahtspule erzeugt wird, in eine erste Richtung bewegt werden und durch eine Rückstellfeder in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden.
  • Kraftstoffeinspritzventile bestehen herkömmlicherweise aus einer mindestens zweiteiligen Baugruppe aus Anker und Nadel. Der Anker wird aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt und befindet sich im Magnetflusspfad. Die Nadel besteht in der Regel aus einem gehärteten magnetischen Werkstoff und wird verwendet, um abzudichten, zu dosieren oder eine Führungsfläche bereitzustellen. Weil die Nadel verschiedene Funktionen erfüllt, weist die herkömmliche Nadelkonstruktion viele feinbearbeitete Präzisionsflächen auf, was zu einer Erhöhung von Komplexität und Kosten der Baugruppe beiträgt.
  • Eine neue Nadelkonstruktion, die in einem DEKATM-Einspritzventil des von der Siemens Automotive Corporation hergestellten Typs zum Einsatz kommt, umfasst eine Stange mit Nuten an einem Ende zur Befestigung des Ankers, und eine präzisionsgeschliffene Dichtung und eine Führungsfläche am anderen Ende. Obwohl für diese Nadelkonstruktion weniger Präzisionsbearbeitung erforderlich ist als bei früheren Nadelkonstruktionen und sie somit mit geringeren Kosten verbunden ist, stößt sie an Grenzen. Nicht nur der Außendurchmesser des Ankers ist eine Führungsfläche, sondern auch sowohl die separate Führung als auch die Dichtfläche an der Nadel dienen als Führung, was in einer Dreipunktführungsanordnung resultiert. Wie bei jedem Mehrpunktführungssystem kann eine nicht korrekte Ausrichtung der Führungen zu einer nicht regelgerechten Bewegung und fehlenden Wiederholbarkeit führen und kann schließlich Verschleißerscheinungen verursachen, die negative Auswirkungen auf die Abdichtung eines Einspritzventils haben. Eine Verkürzung der Führungslänge macht die Ausrichtung der Mittelachsen sogar noch kritischer.
  • Ein weiteres Beispiel für eine Einspritzventilbaugruppe ist im Dokument DE 4310819A dargestellt. In diesem Dokument werden ein Gehäuse sowie ein Eintritts- und ein Austrittsbereich beschrieben, durch die Kraftstoff durch das Gehäuse geleitet wird. Der Pfad durch das Gehäuse wird von einem Ventilsitzmechanismus geöffnet und geschlossen, der von der Magnetspule betätigt wird, die mittels der Baugruppe aus Anker und Ventil agiert. Die Baugruppe aus Anker und Ventil umfasst ein Tubuselement mit einem Tubusbereich, der einen Innendurchmesser ausbildet, der axial mit dem Tubuselement ausgerichtet ist. Ein Ventilschließelement dichtet den Ventilsitzmechanismus gegen den durch diesen verlaufenden Fluidstrom ab.
  • Wegen der neuesten Trends zur Verkleinerung von Motorbauteilen, die teilweise auf einer reduzierten Bauhöhe im Motorraum beruhen, müssen die Abstände von O-Ring zu O-Ring auf den Einspritzventilen reduziert werden. Da ein großer Teil der Einspritzventillänge auf der Länge von Anker und Nadel beruht, reduziert eine Verringerung der Länge dieser Bauteile den Gesamtabstand zwischen den O-Ringen. Um diese Länge zu verringern, muss die Verbindung des Ventilschließelements bzw. der Kugel mit dem Anker modifiziert werden.
  • Daher ist ersichtlich, dass es wünschenswert wäre, eine kompakte Ankeranordnung eines Einspritzventils für ein magnetbetätigtes Einspritzventil bereitzustellen, die die Nachteile des bisherigen Stands der Technik überwindet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diesem Bedarf wird durch die wirtschaftliche, kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung entsprochen, bei der ein Ventilschließelement bzw. eine Kugel direkt mit dem Anker verbunden wird. Neben den geringeren Abmessungen ist die Baugruppe sehr wirtschaftlich in der Herstellung und verbessert die Leistungsfähigkeit des Einspritzventils. Kurz zusammengefasst beinhaltet die Erfindung die Realisierung bestimmter Konstruktionsmerkmale für den Ankerbereich des Einspritzventils. Die Prinzipien der Erfindung sind selbstverständlich potenziell anwendbar für andere Formen von Einspritzventilen als die speziell in dieser Patentanmeldung dargestellte und beschriebene.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil für ein magnetbetätigtes Einspritzventil bereitgestellt, die eine Reduzierung des Abstands von O-Ring zu O-Ring auf dem Einspritzventil ermöglicht, wobei das Einspritzventil Folgendes umfasst:
    ein Gehäuse, das eine Magnetspule umfasst, die selektiv von elektrischem Strom erregt wird, um das Einspritzventil zu betätigen;
    einen Kraftstoffeinlassanschlusstubus, der sich in die Magnetspule erstreckt, um Flüssigkraftstoff ins Gehäuse zu leiten;
    ein axial gegenüberliegendes Austrittsende mit einer Düse, durch das Kraftstoff aus dem Gehäuse gefördert wird;
    einen Ventilsitzmechanismus, der im Gehäuse zwischen dem Kraftstoffeinlassanschlusstubus und dem Austrittsende angeordnet ist, der von der Magnetspule betätigt wird, die mittels einer federvorgespannten Baugruppe aus Anker und Ventil agiert, um einen Strömungspfad zwischen dem Kraftstoffeinlassanschlusstubus und dem Austrittsende durch das Gehäuse zu öffnen und zu schließen, wobei die Baugruppe aus Anker und Ventil Folgendes umfasst:
    einen tubusförmigen zylindrischen Anker, dessen oberes Ende gesenkt ist und ein Ende einer Rückstellfeder aufnehmen kann, wobei der besagte Anker eine obere Führung für die Baugruppe aus Anker und Ventil bildet;
    einen abgesetzten tubusförmigen Bereich, der in den Anker integriert ist, um einen Innendurchmesser auszubilden, der kleiner als der Durchmesser der besagten Senkung und axial mit dieser ausgerichtet ist;
    ein Ventilschließelement in Form einer Kugel, die eine umlaufende Nut zwischen ihrem Außendurchmesser und ihrem oberen Ende am besagten Innendurchmesser des besagten abgesetzten Bereichs aufweist, um das besagte Kugelventil durch Quetschen mit dem besagten Innendurchmesser zu verbinden, wobei das besagte Kugelventil zur Abdichtung des Ventilsitzmechanismus gegen den durch diesen verlaufenden Fluidstrom dient.
  • Zum vollständigen Verständnis des Wesens und der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sollte die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den anhängenden Patentansprüchen studiert werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 ist eine Darstellung im Schnitt eines Einspritzventils nach dem bisherigen Stand der Technik; und
  • 2 ist eine Darstellung im Schnitt eines Einspritzventils, das die modifizierte Ankerkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Was die Zeichnungen betrifft, beziehen einander entsprechende Bezugsziffern sich in allen Zeichnungen auf gleiche Teile. In 1 ist ein typisches magnetbetätigtes Einspritzventil 10 nach dem bisherigen Stand der Technik im Schnitt dargestellt, das dafür ausgelegt ist, Kraftstoff in eine Kraftmaschine mit innerer Verbrennung einzuspritzen. Das Einspritzventil 10 umfasst ein tubusförmiges Gehäuse 12, das aus magnetischem Stahl, beispielsweise einem Sinterwerkstoff oder einem weichen unlegierten Stahl, hergestellt ist. Eine Baugruppe 14 mit einer elektromagnetischen Spule wird durch elektrischen Strom von einer geregelten Energiequelle (nicht dargestellt) über zwei Kontaktanschlüsse 15 erregt, um das Einspritzventil 10 zu betätigen. Das Innere des tubusförmigen Gehäuses 12 weist eine Vielzahl von verschiedenen Durchmessern auf, um verschiedene Schultern für eine Reihe von verschiedenen Funktionen auszubilden. An jedem Ende des Einspritzventils 10 sind Dichtmittel oder O-Ringe 16 und 18 angeordnet, die das Einspritzventil 10 in einer Bohrung eines Motorkrümmers abdichten, in dem es angeordnet ist, und in einer Bohrung eines Kraftstoffverteilers, an dem es befestigt ist (beides nicht dargestellt). Das Einspritzventil 10 weist ein Eintrittsende 20 und ein Austrittsende 22 mit einer Düse auf. Am Eintrittsende 20 befindet sich ein Filter 21 in einer Fluidstromverbindung mit einem Kraftstoffeinlassanschlusstubus 50 zum Leiten von Kraftstoff in Richtung des Austrittsendes 22 mit einer Düse. Das Austrittsende 22 mit einer Düse ist gesenkt, so dass es eine Schulter 24 ausbildet, die eine Ventilsitzbaugruppe 26 aufnimmt. Die Ventilsitzbaugruppe 26 besteht aus einem Ventilsitz 30, einer unteren Nadelführungsscheibe 28 und einem Lochkörper 32.
  • Die Ventilsitzbaugruppe 26 ist auf das Ventilkörperelement 39 gequetscht, um die untere Nadelführungsscheibe 28 gegen die Schulter 24 anzuordnen. Die Ventilsitzbaugruppe 26 kann ein Dichtmittel wie zum Beispiel eine Dichtung in Form eines O-Rings 34 umfassen, um das Austreten von Kraftstoff im Bereich der Ventilsitzbaugruppe 26 zu vermeiden. An der Ventilsitzbaugruppe 26 befindet sich die untere Nadelführungsscheibe 28, die eine axial ausgerichtete Öffnung 36 besitzt, durch die sich ein Nadelventil 38 auf- und abbewegt.
  • Das Nadelventil 38 besitzt an einem Ende einen sphärischen Radius für den Kontakt mit dem Ventilsitz 30 in der Ventilsitzbaugruppe 26, um das Einspritzventil 10 zu schließen. Am Ende des Nadelventils 38 befindet sich gegenüber dem sphärischen Radius ein Anker 40, der sich zusammen mit dem Nadelventil 38 mit einem kleinen Maß axial entlang eines oberen Führungselements 41 frei bewegen kann. Der Anker 40 wird durch eine Feder 44 vorgespannt, die beweglich geführt ist in einer Bohrung im Kraftstoffeinlassanschlusstubus 50, um das Ventil in die Schließposition zu drücken.
  • Der jeweilige Aufbau und die Anordnung dieser verschiedenen Bauteile sind typisch für vorhandene Einspritzventile. Die Unterschiede beziehen sich im Wesentlichen auf die erfindungsgemäßen Merkmale in dieser Patentanmeldung. Ein unteres Schließelement in Gestalt eines Kugelelements, das an einem hohlen tubusförmigen Bereich eines Ankers befestigt wird, ist auf diesem technischen Gebiet vorgeschlagen worden. Die Kugel dient sowohl als Dichtung als auch als Führungselement und ermöglicht der Baugruppe aus Anker und Nadel, sich beim Aufsetzen auf den Ventilsitz 30 zu drehen. Eine Führung mittels einer Zweipunktführung ist weniger empfindlich auf Ausrichtungsprobleme als die herkömmliche Dreipunktführung. Dank dieser Zweipunktführung kann diese Art von Baugruppe aus Anker und Nadel kürzer ausgeführt sein als eine herkömmliche Baugruppe aus Anker und Nadel, ohne dass dies zu Problemen mit der Lebensdauer führt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine in 2 dargestellte kompakte Einspritzbaugruppe 52 aus Anker und Ventil für ein magnetbetätigtes Einspritzventil 10 zur Verfügung. Die Baugruppe 52 aus Anker und Ventil besteht aus nur zwei Bauteilen, dem Anker 40, der ein zylindrisches tubusförmiges magnetisches Bauteil mit einem abgesetzten Bereich 42 mit geringerem Durchmesser ist, und einem Ventilschließelement bzw. einer Kugel 54. Das Ventilschließelement 54 ist mittels einer Verformung mit dem abgesetzten Bereich 42 des Ankers 40 verbunden und es ist kein herkömmliches Schweißen erforderlich. Dadurch kann die Gesamtlänge der Baugruppe 52 aus Anker und Ventil erheblich kürzer sein. Dank der Befestigung des abgesetzten Bereichs 42 des Ankers 40 über dem Mittelpunkt des Ventilschließelements bzw. der Kugel 54 können die Vorteile einer Drehführungsanordnung genutzt werden.
  • Weiter zeigt 2, dass der Anker 40, der aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist, an seinem oberen Ende 56 eine Senkung oder einen Innendurchmesser aufweist, die bzw. der ein Ende einer Rückstellfeder 58 aufnehmen kann. Der abgesetzte Bereich 42 weist einen kleineren Innendurchmesser auf, kleiner als der Durchmesser der Senkung und axial mit dieser ausgerichtet, und kann das Ventilschließelement 54 aufnehmen. Das Ventilschließelement 54 ist ein Kugelelement aus einem geeigneten Werkstoff (einschließlich Metall oder Keramik). Die Verbindung des abgesetzten Bereichs 42 mit der Kugel 54 wird durch Verformen erzielt. Die Kugel 54 weist eine umlaufende Nut 62 auf, die sich zwischen dem Außendurchmesser und dem oberen oder höheren Ende der Kugel 54 befindet, um eine einfachere Montage der Kugel am abgesetzten Abschnitt 42 des Ankers 40 zu ermöglichen oder zu unterstützen.
  • Der Anker 40 kann aus jedem geeigneten Mittel ausgebildet sein, das beispielsweise spanend aus einer Stange oder aus Sinterwerkstoff gefertigt wird. Neben den geringeren Abmessungen ist das Ankergehäuse aus Sinterwerkstoff sehr wirtschaftlich in der Herstellung und verbessert die Leistungsfähigkeit des Einspritzventils. Die verbesserte Baugruppe 52 aus Anker und Ventil ist besonders geeignet für die Einspritzventile mit kürzerem Abstand zwischen den O-Ringen wegen des Mittels zur Verbindung der Kugel mit dem abgesetzten Bereich 42.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der obere Außendurchmesser des Ankers 40 als Führungsfläche verwendet, und der Durchmesser der Kugel 54 wird durch ein unteres Führungselement 64 geführt. Das untere Führungselement 64 wird in dem Einspritzventil zwischen dem Ventilsitz 30 und einer Schulter 65 im Ventilkörper 39 befestigt. Das untere Führungselement 64 weist eine Vielzahl von korrelierenden Elementen mit einer Vielzahl von Durchflussöffnungen 68 darin auf.
  • Der Anker 40 verfügt über eine oder mehrere Durchflussöffnungen 66, die den Innendurchmesser des abgesetzten Bereichs 42 mit seinem Außendurchmesser verbinden, allerdings in der Regel nicht im Verbindungsbereich. Die Durchflussöffnungen 66 im abgesetzten Bereich 42 können jederzeit ausgebildet werden, auch während des Herstellungsprozesses. Das untere Führungselement 64 besitzt ebenfalls Durchflussöffnungen 68, um zuzulassen, dass Kraftstoff in Richtung des Ventilsitzes und, wenn das Einspritzventil geöffnet ist, aus dem Düsenende 22 fließt.
  • Es wird somit eine bevorzugte Ausführungsform einer wirtschaftlichen, kompakten Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil zur Anwendung in Kraftstoffeinspritzventilen beschrieben, bei der der Abstand von O-Ring zu O-Ring reduziert ist. Die Baugruppe aus Ventil und Anker weist einen geformten oder gegossenen Anker mit einem abgesetzten Bereich auf, der mit einem Ventilschließelement verbunden ist. Das Ventilschließelement ist eine Kugel, die durch Auf quetschen mit dem abgesetzten Bereich verbunden ist. Eine umlaufende Nut im oberen Bereich der Kugel, der dem abgesetzten Bereich am nächsten ist, wird zur Erleichterung der Befestigung verwendet. Die Führung der kompakten Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil findet mittels der Kugel gegen ein unteres Führungselement 64 und des Ankers gegen ein oberes Führungselement oder Auge 41 statt. Die Kugel kann sich im Ventilsitz drehen, um das Schließen zu gewährleisten.

Claims (5)

  1. Kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil für ein magnetbetätigtes Einspritzventil (10), das die Reduzierung des Abstands von O-Ring zu O-Ring auf dem Einspritzventil (10) ermöglicht, wobei das Einspritzventil Folgendes umfasst: ein Gehäuse (12), das eine Magnetspule (14) umfasst, die selektiv von elektrischem Strom erregt wird, um das Einspritzventil (10) zu betätigen; einen Kraftstoffeinlassanschlusstubus (50), der sich in die Magnetspule (14) erstreckt, um Flüssigkraftstoff in das Gehäuse (12) zu leiten; ein axial gegenüberliegendes Austrittsende (22) mit einer Düse, durch das Kraftstoff aus dem Gehäuse (12) gefördert wird; einen Ventilsitzmechanismus (30), der in dem Gehäuse (12) zwischen dem Kraftstoffeinlassanschlusstubus (50) und dem Austrittsende (22) angeordnet ist, der von der Magnetspule (14) betätigt wird, die mittels einer federvorgespannten Baugruppe (52) aus Anker und Ventil agiert, um einen Strömungspfad zwischen dem Kraftstoffeinlassanschlusstubus (50) und dem Austrittsende (22) durch das Gehäuse (12) zu öffnen und zu schließen, wobei die Baugruppe (52) aus Anker und Ventil Folgendes umfasst: einen tubusförmigen zylindrischen Anker (40), dessen oberes Ende (56) gesenkt ist, um einen Durchmesser der Senkung bereitzustellen, und der ein Ende einer Rückstellfeder (58) aufnehmen kann, wobei der besagte Anker (40) eine obere Führung für die Baugruppe (52) aus Anker und Ventil bildet; einen abgesetzten tubusförmigen Bereich (42), der in den besagten Anker (40) integriert ist, um einen Innendurchmesser auszubilden, der kleiner als der Durchmesser der besagten Senkung und axial mit dieser ausgerichtet ist, ein Ventilschließelement (54) in Form einer Kugel zum Abdichten des Ventilsitzmechanismus (30) gegen den durch diesen fließenden Fluidstrom, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschließelement (54) in Form einer Kugel eine umlaufende Nut (62) zwischen seinem Außendurchmesser und seinem oberen Ende am besagten Innendurchmesser des besagten abgesetzten Bereichs (42) aufweist, um das besagte Kugelventil durch Quetschen mit dem besagten Innendurchmesser zu verbinden.
  2. Kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Ventilschließelement (54) in Form einer Kugel ein Kugelelement aus Metall ist.
  3. Kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Ventilschließelement (54) in Form einer Kugel ein Kugelelement aus Keramik ist.
  4. Kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, die ferner ein unteres Führungselement (64) umfasst, um das besagte Ventilschließelement (54) in Form einer Kugel während dessen oszillierender Bewegung axial zu führen.
  5. Kompakte Einspritzbaugruppe aus Anker und Ventil nach einem der vorgenannten Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der besagte tubusförmige Bereich (42) mindestens eine Durchflussöffnung (66) umfasst, um den Innendurchmesser am einen Ende des besagten tubusförmigen Bereichs (42) mit dem Außendurchmesser des besagten tubusförmigen Bereichs zu verbinden.
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