EP0862781B1

EP0862781B1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: EP0862781B1
Application number: EP97909180A
Authority: EP
Inventors: Dietrich Schuldt; Ferdinand Reiter; Martin Müller; Bo Yuan; Andreas Eichendorf; Christiane Glumann; Thomas Sebastian; Gerhard Stokmaier; Rainer Norgauer; Christian Preussner; Rainer Schneider; Norbert Keim; Ottmar Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JP2000501570A; KR19990071489A; WO1998013837A1; DE59709572D1; RU2193685C2; DE19639117A1; EP0862781A1; US6244526B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, das sich dadurch auszeichnet, daß ein als Innenpol dienender Kern (2) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff (Compositwerkstoff) besteht. Bei dem Pulververbundwerkstoff handelt es sich um ein Eisenpulver, das mit einem Polymer-Zusatz versehen ist und bei dem die einzelnen Eisenkörner mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind. Ein solcher Pulververbundwerkstoff sorgt für eine deutliche Wirbelstromminimierung im Magnetkreis gegenüber bisher bekannten Materialien, wie Chromstahl, die üblicherweise als Magnetwerkstoffe eingesetzt werden. Der mechanisch und gegenüber Brennstoff empfindliche Kern (2) liegt zumindest gegenüber den Brennstoff führenden Bauteilen des Einspritzventils gekapselt vor. Dabei ragt eine Hülse (10) durch eine innere Längsöffnung (7) des Kerns (2), die in ihrem Inneren einen Brennstofffluß ermöglicht und mit einem den Kern (2) nach unten hin abschließenden Polteil (13) fest verbunden ist. Der Kern (2) und die Magnetspule (1) sind damit keiner Brennstoffbenetzung ausgesetzt. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.

Es sind bereits Brennstoffeinspritzventile bekannt, die elektromagnetisch betätigbar sind und also einen Magnetkreis besitzen, der wenigstens eine Magnetspule, einen Kern, einen Anker und einen Außenpol umfaßt. Solche Brennstoffeinspritzventile sind beispielsweise schon in den Schriften DE-OS 30 16 993, DE-PS 32 30 844, DE-PS 37 33 809, DB-PS 40 03 227 und DE-OS 195 03 821 gezeigt und beschrieben. Für den festen, einteilig kompakt ausgebildeten Kern (sowie für den beweglichen Anker) kommen dabei üblicherweise ferromagnetische (weichmagnetische) Materialien zum Einsatz. Als besonders geeigneter Werkstoff für Kerne in Brennstoffeinspritzventilen hat sich ferritischer Chromstahl durchgesetzt, der z. B. als 13 %iger Cr-Stahl eingesetzt wird. Ein solcher ferritischer Chromstahl stellt einen guten Kompromiß dar, da er zwar z. B. gegenüber ferritischem Weicheisen etwas weniger gute magnetische Eigenschaften besitzt, aber durch seine gute Bearbeitbarkeit und Handhabung für den Einsatz in einem kompakten und stark strukturierten Brennstoffeinspritzventil gut geeignet ist. Ändert sich in dem einen magnetischen Fluß führenden Kern durch die Bestromung der Magnetspule die magnetische Flußdichte, so werden in dem Flußfeld senkrecht zur Flußrichtung Spannungen induziert, die Wirbelströme zur Folge haben. Diese Wirbelströme schwächen das magnetische Nutzfeld, da sie ein Gegenfeld aufbauen. Das Resultat ist ein in seiner Effektivität herabgesetzter Magnetkreis, der erfindungsgemäß verbessert werden soll.

Aus der EP 0 665 374 A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Dieselkraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, das ein Steuerventil zur Steuerung des Hochdruckeinspritzventils aufweist. Das Steuerventil weist eine Magnetspule, einen Anker und einen als Innenpol dienenden, von der Magnetspule zumindest teilweise umgebenen Kern auf. Der Kern hat eine innere Längsöffnung und ist aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellt. Die innere Längsöffnung liegt dabei abseits der eigentlichen Versorgungsstrecke mit dem unter Hochdruck stehenden Dieselkraftstoff. Im Bereich der Leckage führenden inneren Längsöffnung des Kerns kommt es zur direkten Berührung von Brennstoff mit dem relativ empfindlichen und nicht brennstoffbeständigen Pulververbundwerkstoff des Kerns.

Aus den Dokumenten GB 2 062 092 A und DE 41 37 786 A1 sind bereits Brennstoffeinspritzventile zum Einspritzen von Benzin als Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennstoffeinspritzventile weisen jeweils Hülsen auf, die den Kern in einer inneren Längsöffnung durchragen. Die Hülsen dienen dabei der Einstellung der Federkraft einer Rückstellfeder, auf die sie einwirken, bzw. der Hubeinstellung einer axial beweglichen Ventilnadel. Da die Hülsen aufgrund ihrer Funktion den Kern, den Anker und die Magnetspule nicht vom Brennstoffströmungsweg vollständig abschirmen, kann Brennstoff jederzeit über Ringspalte zwischen den Hülsen und den Magnetkreisbauteilen bis in den Spulenbereich vordringen. Deshalb sind Dichtringe im Bereich der den Kern umgebenden Magnetspule vorgesehen, die die Wicklung vor einem Brennstoffkontakt schützen sollen. Der Kern kann dabei allerdings jederzeit von Brennstoff benetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 hat den Vorteil, daß ein wirbelstromminimierter Magnetkreis durch einen einfachen und kostengünstigen Einsatz von Werkstoffen mit geringerer Wirbelstromneigung für den Kern geschaffen ist. Das Ausführen ausgewählter Teilvolumina des Innenpols des Magnetkreises, insbesondere des Kerns, mit einem wirbelstromarmen Werkstoff verkürzt, verglichen mit bekannten Magnetkreisen gleicher Geometrie, in vorteilhafter Weise die Schaltzeiten (Anzugszeit, Schließzeit) des Ventils ohne eine nennenswerte Absenkung des Maximalkraftniveaus des Magnetkreises. Die Schaltzeitverkürzungen gegenüber bekannten vergleichbaren Einspritzventilen betragen 15 bis 50 %. Als wirbelstromarme Materialien sind besonders weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe (Compositwerkstoffe) vorteilhaft.

Vorteilhaft ist es auch, den einen Teil des Magnetkreises bildenden Kern aus einem gediegenen, ferritischen Material zu fertigen, wobei der Kern aus mehreren Sektoren zu einem Kreisring zusammengesetzt ist und die einzelnen Sektoren gegeneinander elektrisch isoliert sind. Auch ein solcher Aufbau des Kerns weist eine geringere Wirbelstromneigung auf als bekannte kompakte Kerne aus ferritischem Chromstahl, so daß auch in diesem Fall bei gleicher Qualität der Magneteigenschaften eine Schaltzeitverkürzung des Ventils erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird eine Verkürzung der Schaltzeiten und damit die Verbesserung der Linearität des Brennstoffeinspritzventils ohne gleichzeitige Magnetkrafteinbuße erzielt. Weiterhin wird die Energieausnutzung verbessert, wodurch sich eine geringere Erwärmung der Magnetspule und die Möglichkeit ergibt, beim Abschalten die Magnetkreisenergie für das jeweils nächste Einschalten zu nutzen. Dies wiederum ermöglicht es, ein einfaches und kostengünstiges Layout der ansteuernden Endstufe zu realisieren.

Eine Kapselung des wirbelstromarmen, aber mechanisch anfälligeren und nicht unbedingt vollständig brennstoffbeständigen (besonders gegenüber Benzin als Brennstoff) Materials vermeidet bei den Brennstoffeinspritzventilen Verschmutzungsprobleme und gewährleistet die geforderte Funktionssicherheit und Standfestigkeit. Die Mittel zur Kapselung des Kerns sorgen dafür, daß ein dichter Abschluß zum Brennstoffströmungsweg vorhanden und eine Brennstoffbenetzung des Kerns somit ausgeschlossen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, als Pulververbundwerkstoff ein mit einem Polymer-Zusatz versehenes Eisenpulver zu verwenden, bei dem die einzelnen Eisenkörner jeweils mit elektrisch isolierenden Schichten (Phosphatschichten) überzogen sind. Durch den hohen elektrischen Widerstand zwischen den Pulverteilchen können sich dort kaum Wirbelströme bilden. Während die an den Eisenkörnern vorgenommene Phosphatierung für eine Isolation der Körner sorgt, dient der Polymer-Zusatz ebenfalls der Isolation der Körner und auch dem Zusammenbinden der einzelnen Körner. Dieser Materialaufbau ermöglicht die bereits erwähnte Wirbelstromarmut und die daraus resultierende sehr gute Schaltdynamik des Einspritzventils.

In vorteilhafter Weise ist eine durch eine Längsöffnung des Kerns ragende und ihn nach innen hin kapselnde Hülse sehr dünnwandig aus einem rostbeständigen austenitischen Stahl (z. B. V2A-Stahl) ausgebildet, die weitgehend magnetflußund wirbelstromfrei ist. Die Magnetkreiseffektivität wird durch die dünnwandige nichtmagnetische Hülse nur sehr gering beeinflußt, so daß die positiven Magneteigenschaften der wirbelstromarmen Materialien deutlich überwiegen. Der Kern wird an seiner unteren Stirnfläche mit einem angrenzenden Polteil gekapselt, das aus einem ferritischen Material ausgebildet ist. Von Vorteil ist es, wenn sowohl die Hülse als auch das Polteil möglichst dünn ausgebildet werden, wobei die Hülse aus einem Material sein sollte, das einen höheren magnetischen Widerstand hat als der Kern und auch einen höheren magnetischen Widerstand hat als das Polteil.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils mit einem erfindungsgemäßen Magnetkreis, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Magnetkreises, Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Magnetkreises, Figur 4 vier Abdichtmöglichkeiten bzw. Verbindungstechniken an einem Magnetkreis, Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Magnetkreises und Figur 6 einen Schnitt durch einen Kern entlang der Linie VI-VI in Figur 2, der aus mehreren Sektoren zusammengesetzt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Figur 1 beispielsweise als erstes Ausführungsbeispiel dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 zumindest teilweise umgebenen, als Innenpol eines Magnetkreises dienenden, erfindungsgemäß ausgebildeten, rohrförmigen, weitgehend hohl zylindrischen Kern 2. Das Brennstoffeinspritzventil eignet sich besonders zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ein beispielsweise gestufter Spulenkörper 3 nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 1 auf und ermöglicht in Verbindung mit dem Kern 2 und einem ringförmigen, nichtmagnetischen, von der Magnetspule 1 teilweise umgebenen Zwischenstück 4 mit einem L-förmigen Querschnitt einen besonders kompakten und kurzen Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1. Das Zwischenstück 4 ragt dabei mit einem Schenkel in axialer Richtung in eine Stufe 5 des Spulenkörpers 3 und mit dem anderen Schenkel radial entlang einer in der Zeichnung unten liegenden Stirnfläche des Spulenkörpers 3. Der Kern 2 besteht erfindungsgemäß aus einem Pulververbundwerkstoff, dessen Eigenschaften später detailliert erläutert werden.

In dem Kern 2 ist eine durchgängige Längsöffnung 7 vorgesehen, die sich entlang einer Ventillängsachse 8 erstreckt. Konzentrisch zur Ventillängsachse 8 verläuft ebenso eine dünnwandige, rohrförmige Hülse 10, die die innere Längsöffnung 7 des Kerns 2 durchragt und in stromabwärtiger Richtung mindestens bis zu einer unteren Stirnfläche 11 des Kerns 2 eingebracht ist. Die Hülse 10 liegt unmittelbar an der Wandung der Längsöffnung 7 an oder hat gegenüber dieser ein Spiel und besitzt eine Abdichtfunktion zum Kern 2 hin. Mit der nichtmagnetischen, z. B. aus rostbeständigem austenitischem CrNi-Stahl, kurz V2A-Stahl, bestehenden Hülse 10 ist ein ringscheibenförmiges ferritisches Polteil 13 fest und dicht verbunden, das an der unteren Stirnfläche 11 des Kerns 2 anliegt und den Kern 2 in stromabwärtiger Richtung begrenzt. Die Hülse 10 und das Polteil 13, das z. B. als Preßteil ausgebildet und mittels Schweißen oder Löten mit der Hülse 10 verbunden ist, bilden in Richtung der Ventillängsachse 8 bzw. in stromabwärtiger Richtung eine Kapselung des Kerns 2, die einen Kontakt von Brennstoff am Kern 2 wirksam verhindert. Dabei ragt die Hülse 10 beispielsweise mit ihrem stromabwärtigen Ende bis zu einem Absatz 17 einer inneren Durchlaßöffnung 12 des Polteils 13 und ist beispielsweise mit diesem Absatz 17 verbunden. Zusammen mit dem ebenfalls fest und dicht z. B. durch Schweißen oder Hartlöten beispielsweise mit dem in axialer Richtung verlaufenden Schenkel des Polteils 13 verbundenen Zwischenstück 4 sorgt diese Kapselung auch dafür, daß die Magnetspule 1 im mit Brennstoff durchströmten Zustand vollständig trocken bleibt und also nicht mit Brennstoff benetzt wird.

Die Hülse 10 dient auch als Brennstoffzufuhrkanal, wobei sie zusammen mit einem oberen metallenen (z. B. ferritischen), die Hülse 10 weitgehend umgebenden Gehäuseteil 14 einen Brennstoffeinlaßstutzen bildet. In dem Gehäuseteil 14 ist eine Durchgangsöffnung 15 vorgesehen, die beispielsweise den gleichen Durchmesser aufweist wie die Längsöffnung 7 des Kerns 2. Die das Gehäuseteil 14, den Kern 2 und das Polteil 13 in den jeweiligen Öffnungen 7, 12 und 15 durchragende Hülse 10 ist neben der festen Verbindung mit dem Polteil 13 auch dicht und fest mit dem Gehäuseteil 14 z. B. durch Schweißen oder Bördeln am oberen Ende 16 der Hülse 10 verbunden. Das Gehäuseteil 14 bildet das zulaufseitige Ende des Brennstoffeinspritzventils und umhüllt die Hülse 10, den Kern 2 und die Magnetspule 1 zumindest teilweise in axialer und radialer Richtung und erstreckt sich beispielsweise in axialer Richtung stromabwärts gesehen noch über die Magnetspule 1 hinaus. An das obere Gehäuseteil 14 schließt sich ein unteres Gehäuseteil 18 an, das z. B. ein axial bewegliches Ventilteil bestehend aus einem Anker 19 und einer Ventilnadel 20 bzw. einen Ventilsitzträger 21 umschließt bzw. aufnimmt. Die beiden Gehäuseteile 14 und 18 sind im Bereich des unteren Endes 23 des oberen Gehäuseteils 14 z. B. mit einer umlaufenden Schweißnaht fest miteinander verbunden.

In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das untere Gehäuseteil 18 und der weitgehend rohrförmige Ventilsitzträger 21 durch Verschrauben fest miteinander verbunden; Schweißen oder Löten stellen aber ebenso mögliche Fügeverfahren dar. Die Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 18 und dem Ventilsitzträger 21 erfolgt z. B. mittels eines Dichtrings 22. Der Ventilsitzträger 21 besitzt über seine gesamte axiale Ausdehnung eine innere Durchgangsoffnung 24, die konzentrisch zu der Ventillängsachse 8 verläuft. Mit seinem unteren Ende 25, das auch zugleich den stromabwärtigen Abschluß des gesamten Brennstoffeinspritzventils darstellt, umgibt der Ventilsitzträger 21 einen in der Durchgangsöffnung 24 eingepaßten Ventilsitzkörper 26. In der Durchgangsöffnung 24 ist die z. B. stangenförmige, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Ventilnadel 20 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende einen Ventilschließabschnitt 28 aufweist. Dieser sich keglig verjüngende Ventilschließabschnitt 28 wirkt in bekannter Weise mit einer im Ventilsitzkörper 26 vorgesehenen, sich in Strömungsrichtung z. B. kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 29 zusammen, die in axialer Richtung stromabwärts einer im Ventilsitzkörper 26 befindlichen Führungsöffnung 30 ausgebildet ist. Stromabwärts der Ventilsitzfläche 29 ist bzw. sind im Ventilsitzkörper 26 wenigstens eine, z. B. aber auch zwei oder vier Austrittsöffnungen 32 für den Brennstoff eingebracht. In der Führungsöffnung 30 bzw. in der Ventilnadel 20 sind nicht dargestellte Strömungsbereiche (Vertiefungen, Nuten oder ähnliches) vorgesehen, die einen ungehinderten Brennstofffluß von der Durchgangsöffnung 24 bis zu der Ventilsitzfläche 29 gewährleisten.

Die in Figur 1 gezeigte Anordnung des unteren Gehäuseteils 18, des Ventilsitzträgers 21 und des beweglichen Ventilteils (Anker 19, Ventilnadel 20) stellt nur eine mögliche Ausbildungsvariante der dem Magnetkreis stromabwärts folgenden Ventilbaugruppe dar. In allen folgenden Figuren wird auf diesen Ventilbereich verzichtet, wobei betont werden soll, daß die unterschiedlichsten Ventilbaugruppen zusammen mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kerns 2 kombiniert werden können. Neben sogenannten nach innen öffnenden Einspritzventilen (z. B. US-PS 5,247,918) können auch Ventilbaugruppen eines nach außen öffnenden Einspritzventils, wie sie z. B. aus der US-PS 4,958,771 bekannt sind bzw. in der Patentanmeldung DE-P 196 01 019.5 vorgeschlagen wurden, zusammen mit der neuen Magnetkreisgestaltung verwendet werden. Auch kugelförmige Ventilschließkörper bzw. Spritzlochscheiben sind z. B. in solchen Ventilbaugruppen denkbar.

Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 20 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer im Inneren der Hülse 10 angeordneten Rückstellfeder 33 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem Kern 2, dem Polteil 13 und dem Anker 19. Der Anker 19 ist mit dem dem Ventilschließabschnitt 28 abgewandten Ende der Ventilnadel 20 z. B. durch eine Schweißnaht verbunden und auf den Kern 2 ausgerichtet. Zur Führung der Ventilnadel 20 während ihrer Axialbewegung mit dem Anker 19 entlang der ventillängsachse 8 dient die Führungsöffnung 30 des Ventilsitzkörpers 26. Der Anker 19 wird während der Axialbewegung in dem genau gefertigten nichtmagnetischen Zwischenstück 4 geführt. Wie auf der linken Seite der Figur 1 gezeigt, kann alternativ zur beschriebenen separaten Ausführung von Polteil 13 und unterem Gehäuseteil 18 auch eine einteilige Version vorgesehen werden, bei der sich vom Polteil 13 ausgehend ein umlaufender, schmaler Steg 35 in axialer Richtung als Übergang zum Gehäuseteil 18 erstreckt und alle Abschnitte zusammen (Polteil 13, hülsenförmiger Steg 35, unteres Gehäuseteil 18) ein ferritisches Bauteil bilden. Entsprechend dient dann die innere Begrenzungsfläche des Stegs 35 als Führung des Ankers 19.

In eine konzentrisch zu der Ventillängsachse 8 verlaufende innere Strömungsbohrung 37 der Hülse 10, die der Zufuhr des Brennstoffs in Richtung der Ventilsitzfläche 29 dient, ist eine Einstellhülse 38 eingeschoben, eingepreßt oder eingeschraubt. Die Einstellhülse 38 dient zur Einstellung der Federvorspannung der an der Einstellhülse 38 anliegenden Rückstellfeder 33, die sich wiederum mit ihrer gegenüberliegenden Seite an einem Absatz 39 des an der Ventilnadel 20 befestigten Ankers 19 abstützt. Im Anker 19 sind ein oder mehrere ringförmige oder bohrungsähnliche Strömungskanäle 40 vorgesehen, durch die der Brennstoff von der Strömungsbohrung 37 aus bis in die Durchgangsöffnung 24 gelangen kann. Alternativ sind auch Anschliffe an der Ventilnadel 20 denkbar, so daß Strömungskanäle 40 im Anker 19 nicht mehr erforderlich wären. In die Strömungsbohrung 37 der Hülse 10 ragt zulaufseitig ein Brennstoffilter 42 hinein, der für die Herausfiltrierung solcher Brennstoffbestandteile sorgt, die aufgrund ihrer Größe im Einspritzventil Verstopfungen oder Beschädigungen verursachen könnten. Der Brennstoffilter 42 ist z. B. durch Einpressen im Gehäuseteil 14 fixiert.

Der Hub der Ventilnadel 20 wird durch den Ventilsitzkörper 26 und das Polteil 13 vorgegeben. Eine Endstellung der Ventilnadel 20 ist bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließabschnitts 28 an der Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 26 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 20 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 19 an dem Polteil 13 ergibt. Die Oberflächen der Bauteile in diesem Anschlagbereich sind beispielsweise verchromt.

Die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung erfolgt über Kontaktelemente 43, die auch außerhalb des eigentlichen Spulenkörpers 3 aus Kunststoff noch mit einer Kunststoffumspritzung 45 versehen sind. Die Kunststoffumspritzung kann sich auch über weitere Bauteile (z. B. Gehäuseteile 14 und 18) des Brennstoffeinspritzventils erstrecken. Aus der Kunststoffumspritzung 45 heraus verläuft ein elektrisches Anschlußkabel 44, über das die Bestromung der Magnetspule 1 erfolgt. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Kerns 2 zeigt die Figur 1. Hier ist der Kern 2 zwar rohrförmig, allerdings nicht mit konstantem Außendurchmesser ausgeführt. Nur im Bereich der Kunststoffumspritzung 45 besitzt der Kern 2 über seine gesamte axiale Erstreckung einen konstanten Außendurchmesser. Außerhalb der Kunststoffumspritzung 45 ist der Kern 2 mit einem radial nach außen weisenden Kragen 46 ausgestaltet, der sich teilweise deckelartig über die Magnetspule 1 erstreckt. Die Kunststoffumspritzung 45 ragt somit durch eine Nut im Kragen 46. Da der Kern 2 aus einem Wirbelströme vermindernden Material, z. B. einem Pulververbundwerkstoff, besteht, ist diese Ausführung zur Erzielung eines sehr effektiven Magnetkreises besonders sinnvoll.

Im folgenden wird auf die erfindungsgemäße Ausbildung des Magnetkreises näher eingegangen. Ein aus magnetischer Sicht idealer Werkstoff für den Kern 2 ist z. B. ferritisches Weicheisen. Dieses Material weist jedoch auch Nachteile auf. Einerseits ist der Werkstoff sehr gut elektrisch leitend, was dazu führt, daß nachteilige Wirbelströme in großem Ausmaß entstehen, die gerade erfindungsgemäß stark reduziert werden sollen. Zum anderen ist solches Weicheisen äußerst schwierig mechanisch bearbeitbar. Deshalb wird heutzutage für Magnetkreise, speziell für den Kern 2, von Brennstoffeinspritzventilen kaum Weicheisen eingesetzt, sondern üblicherweise ein ferritischer Chromstahl, z. B. ein 13 %iger Cr-Stahl, der zwar weniger gute magnetische Eigenschaften besitzt, aber sehr gut handhabbar ist.

Ausgehend von diesem bekannten Material für Magnetkreise wird kurz die Entstehung von Wirbelströmen erläutert, die möglichst gering gehalten werden sollen. Ändert sich in einem einen magnetischen Fluß führenden Bauteil die magnetische Flußdichte (durch die Bestromung der Magnetspule 1), dann werden in das ganze Flußfeld oder in Teile des Flußfeldes umfassenden, leitenden Bahnschleifen senkrecht zur Flußrichtung Spannungen induziert, die Wirbelströme zur Folge haben (2. Maxwellsches Gesetz). Die Wirbelströme wirken immer ihrer Ursache entgegen (Lenzsche Regel). Konkret schwächen sie das magnetische Nutzfeld dadurch, daß sie ein Gegenfeld aufbauen. Durch diese Wirbelströme wird ein großer Teil der zugeführten elektrischen Energie nicht in gewünschter Weise in magnetische Energie umgesetzt, sondern in nicht nutzbare Wärmeenergie umgewandelt. Ziel ist es deshalb, einen wirbelstromminimierten Magnetkreis zu schaffen.

Es wurde gefunden, daß weichmagnetische Pulververbundwerkstoffe bzw. Compositwerkstoffe (SMC - Soft Magnetic Composites) eine besonders geringe Wirbelstromneigung besitzen. Aus diesem Grund wird ein solches Material für ausgewählte, magnetflußführende Teilvolumina des Magnetkreises verwendet, wobei sich speziell der Kern 2 zur Ausbildung mit einem solchen Pulververbundwerkstoff eignet. Berechnungen haben nämlich ergeben, daß die höchste Wirbelstromdichte gerade im inneren Bauteil, also im Kern 2, des Magnetkreises entsteht. Hier kann also ein wirbelstromminimierendes Material besonders wirksam eingesetzt werden. In Verbindung mit dem ferritischen Gehäuseteil 14 und dem ferritischen Polteil 13 liegt also ein hybrider Magnetkreis vor. Besonders geeignet ist dabei für den Kern 2 ein Pulververbundwerkstoff. Dieses Material besteht z.B. aus handelsüblichen Reineisenpulver, welches in einer Kunststoffmatrix liegt. Das Eisenpulver weist eine sehr kleine Körnigkeit auf, wobei die einzelnen Eisenkörner mit einer sehr dünnen, elektrisch isolierenden Phosphatschicht überzogen sind. Das Pulver ist außerdem mit einem z.B. 0,5 Masse-% Polymer-Zusatz (z.B. Polyamid, Phenolharz u.a.) versehen, der elektrisch isolierend wirkt und die Körner bindet. Durch den hohen elektrischen Widerstand zwischen den Pulverteilchen eines solchen pulvermetallurgischen, "verbackenen" Compositwerkstoffs können sich dort kaum Wirbelströme bilden. Neben der vorteilhaften wirbeistromreduzierung ergeben sich weitere Vorteile der Verwendung eines Pulververbundwerkstoffs, wie eine kostengünstige Herstellbarkeit, eine einfache Handhabbarkeit und maßgenaue Bearbeitbarkeit (z. B. Herstellung einer inneren Preßpassung für die Längsöffnung 7 im Kern 2) sowie gute Klebeeigenschaften. Von besonderem Vorteil ist jedoch, daß die Magneteigenschaften trotz verminderter Wirbelstromneigung gegenüber den bekannten Magnetkreismaterialien vergleichbar gut sind.

Das Ausführen ausgewählter Teilvolumina des Innenpols des Magnetkreises, speziell des Kerns 2, mit einem wirbelstromarmen Werkstoff verkürzt, verglichen mit herkömmlichen Magnetkreisen gleicher Geometrie, in vorteilhafter Weise die Schaltzeiten des Ventils (Anzugszeit, Schließzeit) ohne eine nennenswerte Absenkung des Maximalkraftniveaus des Magnetkreises. Die mechanischen Eigenschaften der Pulververbundwerkstoffe (relativ hohe Sprödigkeit, relativ geringe Festigkeit) haben einen Einsatz in einem Brennstoffeinspritzventil (besonders für Benzinanwendungen) bisher nicht sinnvoll erscheinen lassen, da eine Brennstoffbeständigkeit nicht vollständig gewährleistet werden kann. Die Ventilfunktion könnte durch aus dem Verbund herausgelöste Teilchen bei permanenter Benetzung mit Brennstoff beeinträchtigt werden. Erfindungsgemäß wird deshalb eine Kapselung des Pulververbundwerkstoffs mit der Hülse 10 und dem Polteil 13 mit einer Abdichtung zu dem Brennstoff führenden inneren Strömungsweg vorgenommen. Die nichtmagnetische Hülse 10 ist sehr dünnwandig ausgeführt, um die guten Magneteigenschaften des Compositwerkstoffs bestmöglich auszunutzen. Die Kapselung und mechanische Entlastung des wirbelstromarmen Werkstoffs des Kerns 2 durch ein flußleitendes, ferritisches Polteil 13 und eine nichtmagnetische, wirbelstromfreie Hülse 10 vermeidet die Zerrüttung und Abtragung des mechanisch empfindlichen Verbundwerkstoffs.

In den Figuren 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele des neuartigen Magnetkreises für Brennstoffeinspritzventile dargestellt. Wie bereits erwähnt, wird in den Darstellungen auf die abspritzseitigen Ventilbaugruppen verzichtet, da sie nicht erfindungswesentlich sind. In diesen Ausführungsbeispielen der nachfolgenden Figuren sind die gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gleichbleibenden bzw. gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Nur die gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 modifizierten bzw. geänderten Bauteile werden nachfolgend näher beschrieben.

Die Figur 2 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil teilweise, das einen rohrförmigen Kern 2 mit weitgehend konstantem Außendurchmesser aufweist, der also keinen radial nach außen, einen die Magnetspule 1 teilweise überdeckenden Kragen 46 hat. Vielmehr ist der Kern 2 beispielsweise an seiner unteren Stirnfläche 11 gestuft ausgeführt, um von dem nun im Querschnitt L-förmigen Polteil 13 maßgenau umschlossen zu werden. Das Polteil 13 besitzt nämlich an seiner radial äußeren, der Hülse 10 gegenüberliegenden Begrenzungsseite einen umlaufenden, nach oben stehenden Kragen 48, der z. B. axial bündig mit dem Zwischenstück 4 abschließt. Somit ist der Kern 2 auch noch an seiner äußeren, der Magnetspule 1 zugewandten Umfangsfläche teilweise umfaßt. Die festen Verbindungen von Hülse 10 und Polteil 13 bzw. Polteil 13 und Zwischenstück 4 werden wiederum durch Schweißen oder Hartlöten erzielt. Ein elastischer Ring 49 zwischen einer oberen Stirnfläche 50 des Kerns 2 und dem Boden des Gehäuseteils 14 besitzt im wesentlichen keine Dichtaufgabe, sondern drückt z. B. den Pulververbundwerkstoff des Kerns 2 in Richtung des Polteils 13. Die Einstellhülse 38 ist beispielsweise durch Verschrauben oder Verstemmen im Gehäuseteil 14 eingebracht und drückt mit einem langgestreckten, stromabwärts verjüngten Hülsenabschnitt 52 gegen die Rückstellfeder 33. Die Hülse 10 ist gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verkürzt ausgeführt. Ihre axiale Erstreckung reicht von einem Gehäuseabsatz 53 der Längsöffnung 7 nahe der oberen Stirnfläche 50 des Kerns 2 bis zur stromabwärtigen Begrenzungsfläche des Polteils 13.

In der Figur 3 ist ein Brennstoffeinspritzventil teilweise dargestellt, das eine nur sehr kurze Hülse 10 aufweist, die nur eine geringfügig größere axiale Ausdehnung besitzt als der Kern 2, der kreisringförmig sowohl mit konstantem Innendurchmesser als auch konstantem Außendurchmesser ausgeführt ist. Die Hülse 10 steht ohne Überlappung nur auf dem Polteil 13 auf, was keine optimale dichte Verbindung erlaubt.

Vier verschiedene Ausführungsformen der Hülse 10 bzw. Abdichtmöglichkeiten und Verbindungstechniken sind in der Figur 4 zusammengefaßt. Wird die Hülse 10 mit einer größeren Länge z. B. bis zum zulaufseitigen Ende des Einspritzventils ausgeführt, bietet sich ein festes Verbinden der Hülse 10 in der Längsöffnung 7 des Gehäuseteils 14 durch eine Schweißnaht 56 nahe des Einspritzventilendes an. Ist die Hülse 10 kürzer ausgeführt, so kann eine Abdichtung zwischen der Hülse 10 und dem Gehäuseteil 14 durch einen Dichtring 57 erfolgen, der oberhalb der Magnetspule 1 in einer in der Längsöffnung 7 eingebrachten umlaufenden Ringnut 58 eingesetzt ist. Als Alternativen zu dem in Figur 3 gezeigten kleinen Berührungsbereich von Hülse 10 und Polteil 13 sind in der Figur 4 zwei Möglichkeiten einer sicheren Verbindung beider Bauteile dargestellt. Durch abgewinkelte Bereiche 60 und 61 an der Hülse 10 und an dem Polteil 13 entstehen jeweils Überlappungen mit dem anderen Bauteil, die eine einfachere und sichere Befestigung erlauben. Der am unteren Ende der Hülse 10 z. B. rechtwinklig nach außen stehende Bereich 60 greift teilweise unter den Kern 2 an seiner unteren Stirnfläche 11. Andererseits kann auch das Polteil 13 der Hülse 10 zugewandt einen dünnwandigen, nach oben stehenden Bereich 61 aufweisen, der von der in diesem Bereich leicht nach außen gebogenen Hülse 10 hintergriffen wird und somit für die gewünschte Überlappung sorgt. In beiden Fällen läßt sich durch Schweißen oder Löten sehr einfach eine feste und dichte Verbindung erzielen.

In der Figur 5 ist ein Magnetkreis mit einem verkürzten Kern 2 dargestellt. Das Gehäuseteil 14 ist zweiteilig ausgeführt, wobei ein erstes Gehäuseteil 14a weitgehend einen Brennstoffeinlaßstutzen bildet und ein zweites Gehäuseteil 14b ein Magnetgehäuse darstellt. Das Gehäuseteil 14b besitzt einen die Magnetspule 1 überdeckenden Deckelabschnitt 63, der auch über den Kern 2 hinweg bis zur Hülse 10 verläuft und damit den Kern 2 nach oben hin abschließt.

Einen Schnitt durch einen Kern 2 beispielsweise entlang der Linie VI-VI in Figur 2 zeigt die Figur 6. Allerdings zeigt diese Schnittdarstellung bereits eine alternative Ausführungsform. Hierbei handelt es sich nicht um einen Pulververbundwerkstoff im oben beschriebenen Sinn als Material für den Kern 2, sondern um ein gediegenes (reines), ferritisches Material. Der Kern 2 wird bei dieser Ausbildung aus mehreren, beispielsweise vier Sektoren 65 gebildet, die zusammengesetzt einen vollständigen Kreisring ergeben. Bedingung für die Erzielung des positiven Effektes der Wirbelstromminimierung ist mindestens eine Zweiteilung des Kerns 2; es sind auch z.B. sechs, acht oder zehn Sektoren 65 denkbar. Bei allen diesen Ausführungsformen wird in vorteilhafter Weise das Verhältnis von Umfang zu Fläche des Kerns 2 durch die mehreren elektrisch voneinander isolierten Sektoren 65 vergrößert.

Bei dem aus Sektoren 65 zusammengefügten (sektorierten) Kern 2 werden die einen kleineren magnetischen Widerstand gegenüber den zuvor beschriebenen Materialien aufweisenden Sektoren 65 innerhalb der Magnetspule 1 in den Magnetkreis eingesetzt. Die einzelnen Sektoren 65 sind mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht 66 (z. B. Lackierung) gegeneinander und gegen die umgebenden Bauteile versehen. Eine solche Anordnung weist bezüglich der Wirbelstromminimierung Gemeinsamkeiten mit dem Pulververbundwerkstoff-Kern 2 auf. Die Hülse 10 und das Polteil 13 sind wiederum so konstruiert, daß sie den positiven Effekt des wirbelstromarmen Volumens so wenig wie möglich beeinflussen oder abschwächen. Maßnahmen hierfür sind ein möglichst dünnes Polteil 13 und eine Hülse 10 mit höherem magnetischen Widerstand als die Materialien der Sektoren 65 bzw. dem des Pulververbundwerkstoffs, so daß kein nennenswerter magnetischer Fluß in die Hülse 10 eindringt, der dort ansonsten Wirbelströme erzeugen könnte. Außerdem sollten die Materialien der Hülse 10 stets einen höheren magnetischen Widerstand haben als die Materialien des Polteils 13.

Es soll betont werden, daß die Kapselung des Kerns 2 nicht ausschließlich mit festen, metallischen Bauteilen, wie der Hülse 10 und dem Polteil 13, erfolgen muß. Weitere Möglichkeiten des Schutzes des Kerns 2 vor einer Brennstoffbenetzung stellen dünnwandige Kunststoffbauteile dar, die z.B. die Hülse 10 bilden können. Außerdem ist auch eine zumindest teilweise Kapselung des Kerns 2 durch Aufbringen von elektrolytischen Schichten oder eines Harzes denkbar.

Claims

Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Magnetspule (1), mit einem als Innenpol dienenden, von der Magnetspule (1) zumindest teilweise umgebenen Kern (2), der eine innere Längsöffnung (7) als Teil eines Brennstoffströmungsweges aufweist und mit einem Anker (19), wobei der Kern (2) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (10, 13) vorgesehen sind, die für eine dichte Kapselung des Kerns (2) gegenüber den von Brennstoff durchströmten Bereichen sorgen, so daß keine Brennstoffbenetzung des Kerns (2) auftritt.
Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Magnetspule (1), mit einem als Innenpol dienenden, von der Magnetspule (1) zumindest teilweise umgebenen Kern (2), der eine innere Längsöffnung (7) als Teil eines Brennstoffströmungsweges aufweist und mit einem Anker (19), dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Kern (2) aus mehreren Sektoren (65) in Kreisringform zusammengesetzt ist,

b) die Sektoren (65) aus einem gediegenen, ferritischen Material bestehen und gegeneinander elektrisch isoliert sind und

c) Mittel (10, 13) vorgesehen sind, die für eine dichte Kapselung des Kerns (2) gegenüber den von Brennstoff durchströmten Bereichen sorgen, so daß keine Brennstoffbenetzung des Kerns (2) auftritt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Pulververbundwerkstoff für den Kern (2) ein Eisenpulver ist, das mit einem Polymer-Zusatz versehen ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Eisenkörner unmittelbar mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht eine Phosphatschicht ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymer-Zusatz ca. 0,5 Masse-% beträgt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (10) durch die innere Längsöffnung (7) des Kerns (2) vollständig verläuft, dabei den Kern (2) nach innen kapselt und mit ihrer inneren Strömungsbohrung (37) den Brennstoffströmungsweg begrenzt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) aus einem rostbeständigen austenitischen Stahl besteht.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) eine untere Stirnfläche (11) besitzt, an der ein Polteil (13) anliegt, das den Kern (2) in Richtung zum Anker (19) hin kapselt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Polteil (13) ringscheibenförmig aus. einem ferritischen Material ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) und das Polteil (13) mittels Schweißen oder Hartlöten dicht und fest miteinander verbindbar sind.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Hülse (10) einen höheren magnetischen Widerstand hat als das Material des Polteils (13).
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) auf seiner der unteren Stirnfläche (11) gegenüberliegenden Seite einen radial nach außen weisenden Kragen (46) aufweist, der zumindest teilweise die Magnetspule (1) überdeckt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polteil (13) im Querschnitt L-förmig ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polteil (13) einen Abschnitt eines ferritischen Gehäuseteils (18) darstellt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) mit einem vom Kern (2) unabhängigen Gehäuseteil (14) fest und dicht mittels Schweißen, Löten oder Bördeln verbunden ist.