EP0937200B1 - Elektromagnetisch betätigbares ventil - Google Patents

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EP0937200B1
EP0937200B1 EP98941251A EP98941251A EP0937200B1 EP 0937200 B1 EP0937200 B1 EP 0937200B1 EP 98941251 A EP98941251 A EP 98941251A EP 98941251 A EP98941251 A EP 98941251A EP 0937200 B1 EP0937200 B1 EP 0937200B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
core
armature
valve
return flow
flow element
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98941251A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0937200A1 (de
Inventor
Jürgen GRANER
Andreas Eichendorf
Thomas Sebastian
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of EP0937200B1 publication Critical patent/EP0937200B1/de
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0614—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of electromagnets or fixed armature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M51/0682—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a cylindrically or partly cylindrically shaped armature, e.g. entering the winding; having a plate-shaped or undulated armature entering the winding the armature having an elongated valve body attached thereto the body being hollow and its interior communicating with the fuel flow
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    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/166—Selection of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/08—Fuel-injection apparatus having special means for influencing magnetic flux, e.g. for shielding or guiding magnetic flux

Definitions

  • the invention is based on an electromagnetically actuated valve, in particular a fuel injection valve for fuel injection systems of internal combustion engines, according to the genus of the main claim.
  • a Fuel injector in which a tubular core of one Magnetic coil is surrounded.
  • An anchor closes at the spray-side end of the core on, which is connected to a valve closing body with a valve seat interacts.
  • the valve seat is formed on a valve seat body, which in one tubular valve seat support is held.
  • the valve seat body also serves as Partial element for the magnetic reflux of the magnetic flux circuit.
  • valve seat support To encloses the valve seat support at its end opposite the spray end End the armature sleeve-like and directs the magnetic reflux radially to one Guide element, which connects the valve seat support to the core axially and thus the magnetic flux circuit closes.
  • a magnetic short circuit between the core and to avoid the valve seat support serving as the reflux body Valve seat carrier separated from the core by a non-magnetic intermediate part, which as metalleries valve inner tube is formed.
  • the magnetic flux therefore does not occur directly from the core into the valve seat support, but in an intended manner indirectly via the armature, so that the armature with electrical excitation of the Solenoid an axial force component to open the fuel injector is exercised.
  • the formation of the metal intermediate part as an additional turned part requires an additional manufacturing effort and an additional assembly effort.
  • the core the valve seat support and the non-magnetic intermediate part are separate turning parts manufactured and must be connected by two welds.
  • the Welding seams serve at the same time for the hydraulic sealing, so that an overflow of the Fuel is prevented in an annular space receiving the solenoid.
  • the quality of the weld seams must therefore meet and meet special requirements simplified welding process, e.g. B. a spot welding process can not Application come.
  • non-magnetic intermediate part can also Eddy currents occur that affect the efficiency of the electromagnetic actuation of the Affect the valve.
  • DE-PS 195 03 821 has already proposed the core and the To form the valve seat support as a one-piece component.
  • the magnetic separation between The core and the valve seat support are replaced by a magnetic throttle achieved.
  • the one-piece overall component forming the core and the valve seat support is included in the area of the throttle point with an extremely small wall thickness of, for example 0.2 mm. If the magnetic coil is excited magnetically, it will Range reached the saturation flux density, so that a restriction of the magnetic flux occurs and the magnetic exceeding the saturation flux density of the choke point Flow from the core passes through the armature into the valve seat support. Because of the low Wall thickness in the area of the magnetic choke point is however the mechanical one Stability of the overall component forming the core and the valve seat support is impaired, so assembly requires carefulness and precision.
  • the on the The throttling point of the saturation flux density basically stands for the magnetic one Actuation of the armature is not available and thus deteriorates the efficiency electromagnetic actuation.
  • the current flow in the solenoid coil is correspondingly too increase and the resulting thermal power loss must also be dissipated.
  • the electromagnetically actuated valve according to the invention with the characteristic Features of the main claim has the advantage that the magnetic Separation point between the core and the reflux body is realized in a simple manner, by the ferritic or ferromagnetic material of the core or Reflux body is mechanically clamped in the area of the separation point.
  • the Separation point have a relatively large wall thickness, so that mechanical instability does not occur at the magnetic separation point.
  • the mechanical bracing in the area of the separation point can be particularly advantageous Way generated by plastic deformation, the material in the area the separation point is under mechanical residual stress.
  • the plastic deformation can e.g. B. by a suitable pressing, mortising or stamping in an automatic Manufacturing processes can be realized.
  • the core and the reflux body are in one piece Form entire component and the magnetic separation point by a plastic To realize deformation on the one-piece overall component.
  • the assembly and Manufacturing costs are reduced to a minimum with this training. It can on the one-piece overall component in the area of the plastically deformed magnetic Separation point an annular recess surrounding the armature to be formed prevent the guide of the armature in the reflux body surrounding the armature is affected by the separation point.
  • the separation point can be a extend axially out between the core and the armature formed to ensure that the anchor is on the spray end of the core and not on the plastically deformed separation point and thus the valve stroke through the plastically deformed separation point is not impaired.
  • the core 3 has an axial longitudinal bore 4, in which a fluid, for. B. fuel flows. The direction of flow is indicated by arrow 5.
  • the core 3 has an end face 6 which has an upstream end face 7 of a Anchor 8 is opposite.
  • a gap 9 is formed in the core 3 and the upstream end face 7 of the armature 8.
  • valve closing body When the solenoid 2 is excited by an electric current, the upstream End face 7 of the armature 8 pulled to the downstream end face 6, so that the End face 7 of the armature 8 strikes the end face 6 of the core 3.
  • valve closing body lifts from one valve seat, also not shown, so that valve 1 opens.
  • the not shown Valve closing body can with a Anchor 8 are connected.
  • the solenoid 2 To actuate the valve 1, the solenoid 2 generates a magnetic flux which the core 3 enters the armature 8 via the gap 9 and radially out of the armature 8 Direction to a reflux body 10 surrounding the armature 8 passes.
  • the Reflux body 10 is in the embodiment shown in Fig. 1 still Separation point 12 to be described in more detail is formed in one piece with the core 3. Further is a guide element 11 is provided, which the magnetic reflux to the core 3rd returns.
  • the core 3, the armature 8, the reflux body 10 and the guide element 11 form a closed magnetic flux circuit.
  • the separation point 12 also has one Sealing function to prevent the fluid flowing in the longitudinal bore 4 of the core 3 from a Annular space 13, which houses the magnet coil 2, to be hydraulically sealed.
  • the fluid can e.g. B. on provided on the end face 7 of the armature 8 radial grooves a gap 14 radially surrounding the armature 8 to be guided in the direction of the Continue to flow valve seat.
  • the armature 8 itself can be directly axial have flowing flow bores or grooves.
  • the separation point 12 is according to the invention from the same ferritic or ferromagnetic material such as the core 3 and the reflux body 10 formed so that the separation point 12 is formed in one piece with the core 3 and / or the reflux body 10 can be without an additional intermediate part z. B. from one non-magnetic metal or plastic material is required. To one magnetic short circuit between the core 3 and the reflux body 10 too avoid, the separation point 12 may, however, no or only an insignificant magnetic flux from the core 3 directly to the reflux body 10 below Bypass the anchor 8 transferred.
  • the Core 3 and / or the reflux body 10 made of a ferritic or ferromagnetic Material exists, the permeability of the mechanical stress, under which the material stands, depends and that the core 3 and / or the reflux body 10 in one Border area between the core 3 and the reflux body 10 to form the magnetic separation point 12 is mechanically clamped.
  • the material of the Core 3 and / or the reflux body 10 in the region of the magnetic separation point 12 plastically deformed so that the material in the area of the separation point 12 under a mechanical residual stress, which is the permeability compared to the stress-free Condition of the material considerably reduced.
  • the magnetic induction B as a function of the magnetic field strength H is shown in FIG. 2 merely by way of example for a preferred material for the core 3, the reflux body 10 and the separation point 12 in order to illustrate the invention.
  • the functional relationship shown between the magnetic induction B and the magnetic field strength H relates to the commercially available ferritic magnetic material DMER 1F (K-M35FL). Of course, other ferritic or ferromagnetic materials are also suitable for carrying out the invention.
  • the magnetic material shown in diagram 30 was only finally annealed. According to diagram 31, however, the magnetic material was subjected to a mechanical stress of 120 N / mm 2 after the final annealing.
  • a comparison of the two diagrams shows that the permeability ⁇ for the magnetic material exposed to mechanical stress is relatively low in the range of a magnetic field strength H below 1.0 kA / m and only increases significantly in the range above 1.0 kA / m.
  • For the stress-free magnetic material on the other hand, in a range of the magnetic field strength H below 10 kA / m there is a significantly greater permeability ⁇ in comparison to the magnetic material exposed to mechanical stress.
  • the invention makes use of this to the extent that at the magnetic separation point 12 the material to reduce the permeability and thus to reduce the Flux density is mechanically braced for a given field strength.
  • this mechanical tension due to a plastic deformation of the material in the Area of the separation point 12, for. B. by caulking, pressing or by stamping achieved so that the material is under mechanical residual stress.
  • the advantage consists in particular in the fact that there is no separate component for the separation point 12 is required, but the separation point 12 from the same ferritic or Ferromagnetic material can be made, from which the core 3 and / or the reflux body 10.
  • the core 3 and the reflux body 10 can with the Separation point 12 can therefore be integrally connected to form a one-piece overall component.
  • the separation point 12 has a relatively high magnetic resistance and reduces the magnetic short circuit flow between the core 3 and the reflux body 10. At the same time, the separation point 12 ensures hydraulic sealing of the Magnetic coil 2 receiving annulus 13 compared to that of the invention Valve 1 flowing fluid.
  • Electromagnetically actuated valve 1 in the form of a fuel injection valve for Fuel injection systems from mixture-compressing, spark-ignited Internal combustion engines. Elements already described with reference to FIG. 1 are included matching reference numerals to facilitate the assignment.
  • the electromagnetically actuated valve 1 shown in FIG. 3 in the form of a Fuel injector has a surrounding by a solenoid 2, as Fuel inlet connector serving tubular core 3 as a so-called inner pole.
  • On Coil body 40 receives a winding of the magnet coil 2.
  • the core 3 is not like in the fuel injection valves of the prior art as a component that actually ends with a core end 41, but the core 3 runs over the magnetic separation point 12 continues in the downstream direction, so that a downstream of the coil body 40 arranged tubular connecting part, which in the further course as Reflux body 10 is referred to as a so-called outer pole in one piece with the core 3rd is formed, the resulting overall component being referred to as valve tube 42.
  • the valve tube 42 has one magnetic separation point 12.
  • a longitudinal bore 44 which is concentric with the Longitudinal valve axis 43 is formed.
  • a longitudinal bore 44 In the longitudinal bore 44 is a z.
  • tubular Valve needle 45 arranged at its downstream end 46 with a spherical valve closing body 47, on the circumference, for example, five Flattenings 48 are provided for the fuel to flow past, for example is connected by welding.
  • a return spring 49 or closing the injection valve is used for electromagnetic Circle with the magnet coil 2, the core 3 and the armature 8.
  • the armature 8 is with the Valve closing body 47 facing away from the end of the valve needle 45 by a weld connected and aligned to the core 3.
  • a cylindrical valve seat body 50 In the downstream core 3 opposite end of the reflux body 10 also serving as a valve seat support is in the Longitudinal bore 44 is a cylindrical valve seat body 50, one with the Has valve closing body 47 cooperating valve seat, tight by welding assembled.
  • a guide opening 51 of the Valve seat body 50 To guide the valve closing body 47 during the axial movement of the valve needle 45 with the armature 8 along the longitudinal valve axis 43, a guide opening 51 of the Valve seat body 50.
  • the spherical valve closing body 47 acts with the in Flow direction frustoconical valve seat of valve seat body 50 together.
  • the Valve seat body 50 On its end facing away from the valve closing body 47 is the Valve seat body 50 with, for example, a cup-shaped spray plate 52 firmly connected.
  • the cup-shaped spray perforated disk 52 has at least one, for example four spray openings 53 formed by eroding or stamping.
  • the armature 8 connected to the valve needle 45 during the Axial movement is the non-magnetic in the known fuel injection valves
  • the extremely precise and highly accurate z. B. on precision lathes be made to achieve a small leadership game. Because with that no intermediate part is necessary, it makes sense to on the outer circumference of the armature 8 at least one guide surface, the z. B. by turning is made to provide.
  • the guide surface can, for. B. as a circulating continuous guide ring or as several on the circumference with a distance from each other trained guide surfaces.
  • the insertion depth of the valve seat body 50 with the cup-shaped spray perforated disk 52 determines the size of the stroke of the valve needle 45.
  • the one end position is the Valve needle 45 when the solenoid coil 2 is not energized by the contact of the valve closing body 47 fixed to the valve seat of the valve seat body 50 while the other end position the valve needle 45 when the magnet coil 2 is excited by the contact of the armature 8 on Core end 41 results.
  • the magnet coil 2 is of at least one, for example as a bracket trained guide element 54 surround the solenoid 2 in the circumferential direction at least partially surrounds and with one end of the core 3 and its at the other end against the reflux body 10 serving as valve seat support and with this z. B. can be connected by welding, soldering or gluing.
  • the fuel injector is largely with a plastic extrusion 55 enclosed, starting from the core 3 in the axial direction via the magnet coil 2 and the at least one guide element 54 extends to the reflux body 10, the Guide element 54 is completely covered axially and in the circumferential direction.
  • This Plastic encapsulation 55 belongs, for example, to an electrical injection molded onto it Connector 56.
  • the one-piece, in the core 3, the magnetic separation point 12th and the reflux body 10 dividing valve tube 42 extends completely over the entire length of the fuel injector.
  • Fig. 4 shows the detail IV in Fig. 3 in an enlarged view.
  • Fig. 4 are in particular the armature 8, the core 3 and the via the separation point 12 of the core 3 separate reflux body 10 can be seen.
  • Fig. 4 The upstream end face 7 of the armature 8 and the downstream end face 6 of the core 3 spaced apart by the gap 9.
  • the separation point 12 is through a plastic deformation to generate the mechanical residual stress shaped like a bead. Between the separation point 12 and the an annular recess 60 is provided upstream end of the armature 8 z. B. by the deformation tool, e.g. an embossing stamp or an embossing die, can be trained.
  • the annular recess 60 extends axially Direction against the spray direction of the fuel injector over the between the core 3 and the armature 8 formed gap 9 also.

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Description

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil, insbesondere einem Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-PS 40 03 227 geht ein Brennstoffeinspritzventil hervor, bei welchem ein rohrförmiger Kern von einer Magnetspule umgeben ist. An dem abspritzseitigen Ende des Kerns schließt sich ein Anker an, welcher mit einem Ventilschließkörper verbunden ist, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Der Ventilsitz ist an einem Ventilsitzkörper ausgebildet, welcher in einem rohrförmigen Ventilsitzträger gehalten ist. Der Ventilsitzkörper dient gleichzeitig als Teilelement für den magnetischen Rückfluß des magnetischen Flußkreises. Dazu umschließt der Ventilsitzträger an seinem dem abspritzseitigen Ende gegenüberliegenden Ende den Anker hülsenartig und leitet den magnetischen Rückfluß radial zu einem Leitelement, welches den Ventilsitzträger mit dem Kern axial verbindet und somit den magnetischen Flußkreis schließt. Um einen magnetischen Kurzschluß zwischen dem Kern und dem als Rückflußkörper dienenden Ventilsitzträger zu vermeiden, ist der Ventilsitzträger von dem Kern durch ein nicht magnetisches Zwischenteil getrennt, das als metalleries Ventilinnenrohr ausgebildet ist. Der magnetische Fluß tritt daher nicht unmittelbar von dem Kern in den Ventilsitzträger über, sondern in beabsichtigter Weise mittelbar über den Anker, so daß auf den Anker bei elektrischer Erregung der Magnetspule eine axiale Kraftkomponente zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils ausgeübt wird.
Die Ausbildung des metallenen Zwischenteils als zusätzliches Drehteil erfordert jedoch einen zusätzlichen Fertigungsaufwand und einen zusätzlichen Montageaufwand. Der Kern, der Ventilsitzträger und das nicht magnetische Zwischenteil werden als separate Drehteile gefertigt und müssen durch zwei Schweißnähte miteinander verbunden werden. Die Schweißnähte dienen gleichzeitig der hydraulischen Abdichtung, so daß ein Übertritt des Brennstoffs in einen die Magnetspule aufnehmenden Ringraum verhindert wird. An die Qualität der Schweißnähte sind daher besondere Anforderungen zu stellen und ein vereinfachtes Schweißverfahren, z. B. ein Punktschweißverfahren, kann nicht zur Anwendung kommen. In dem metallenen, nicht magnetischen Zwischenteil können ferner Wirbelströme auftreten, die den Wirkungsgrad der elektromagnetischen Betätigung des Ventils beeinträchtigen.
In der DE-PS 195 03 821 ist bereits vorgeschlagen worden, den Kern und den Ventilsitzträger als einteiliges Bauteil auszubilden. Die magnetische Trennung zwischen dem Kern und dem Ventilsitzträger wird dabei durch eine magnetische Drosselstelle erzielt. Das einteilige, den Kern und den Ventilsitzträger bildende Gesamtbauteil ist dabei im Bereich der Drosselstelle mit einer äußerst geringen Wandstärke von beispielsweise 0,2 mm ausgebildet. Bei einer magnetischen Erregung der Magnetspule wird in diesem Bereich die Sättigungsflußdichte erreicht, so daß eine Drosselung des magnetischen Flusses auftritt und der die Sättigungsflußdichte der Drosselstelle überschreitende magnetische Fluß von dem Kern über den Anker in den Ventilsitzträger übertritt. Durch die geringe Wandstärke im Bereich der magnetischen Drosselstelle ist jedoch die mechanische Stabilität des den Kern und den Ventilsitzträger bildenden Gesamtbauteils beeinträchtigt, so daß die Montage eine entsprechende Vorsicht und Präzision erfordert. Die an der Drosselstelle auftretende Sättigungsflußdichte steht grundsätzlich für die magnetische Betätigung des Ankers nicht zur Verfügung und verschlechtert somit den Wirkungsgrad der elektromagnetischen Betätigung. Der Stromfluß in der Magnetspule ist entsprechend zu erhöhen und die dabei entstehende thermische Verlustleistung ist zusätzlich abzuführen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die magnetische Trennstelle zwischen dem Kern und dem Rückflußkörper in einfacher Weise realisiert ist, indem der ferritische oder ferromagnetische Werkstoff des Kerns bzw. des Rückflußkörpers im Bereich der Trennstelle mechanisch verspannt ist. Dabei kann die Trennstelle eine relativ große Wandstärke aufweisen, so daß eine mechanische Instabilität an der magnetischen Trennstelle nicht auftritt. Durch die einfache Ausbildung der magnetischen Trennstelle werden die Montage- und Fertigungskosten erheblich gesenkt. Eine automatische oder halbautomatische Fertigung ist möglich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektromagnetisch betätigbaren Ventils möglich.
Die mechanische Verspannung im Bereich der Trennstelle kann in besonders vorteilhafter Weise durch eine plastische Verformung erzeugt werden, wobei der Werkstoff im Bereich der Trennstelle unter einer mechanischen Eigenspannung steht. Die plastische Verformung kann z. B. durch ein geeignetes Pressen, Stemmen oder Prägen in einem automatischen Fertigungsverfahren realisiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, den Kern und den Rückflußkörper als einstückiges Gesamtbauteil auszubilden und die magnetische Trennstelle durch eine plastische Verformung an dem einstückigen Gesamtbauteil zu realisieren. Die Montage- und Fertigungskosten werden bei dieser Weiterbildung auf ein Minimum reduziert. Dabei kann an dem einstückigen Gesamtbauteil im Bereich der plastisch verformten magnetischen Trennstelle eine den Anker umgebende ringförmige Aussparung ausgebildet sein, um zu verhindern, daß die Führung des Ankers in dem den Anker umgebenden Rückflußkörper durch die Trennstelle beeinträchtigt wird. Die Trennstelle kann sich dabei über einen zwischen dem Kern und dem Anker ausgebildeten Spalt axial hinaus erstrecken, um sicherzustellen, daß der Anker an dem abspritzseitigen Ende des Kerns und nicht an der plastisch verformten Trennstelle anschlägt und somit der Ventilhub durch die plastisch verformte Trennstelle nicht beeinträchtigt ist.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Ventils in einer ausschnittsweisen, geschnittenen Prinzipdarstellung,
Fig. 2
die magnetische Induktion B als Funktion der magnetischen Feldstärke H für einen vorzugsweise verwendeten Werkstoff,
Fig. 3
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Ventils in einer geschnittenen Darstellung, und
Fig. 4
den Ausschnitt IV in Fig. 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen, elektromagnetisch betätigbaren Ventils, z. B. eines Brennstoffeinspritzventils, in einer schematischen Darstellung. Ein Kern 3 aus einem ferritischen oder ferromagnetischen Material ist rohrförmig ausgebildet und wird von einer Magnetspule 2 umgeben. Der Kern 3 weist eine axiale Längsbohrung 4 auf, in welchem ein Fluid, z. B. Brennstoff, strömt. Die Strömungsrichtung ist durch den Pfeil 5 angedeutet. An seinem stromabwärtigen Ende weist der Kern 3 eine Stirnfläche 6 auf, welcher eine stromaufwärtige Stirnfläche 7 eines Ankers 8 gegenüberliegt. In dem in Fig. 1 dargestellten Ruhezustand des elektromagnetisch betätigbaren Ventils 1 ist zwischen der stromabwärtigen Stirnfläche 6 des Kerns 3 und der stromaufwärtigen Stirnfläche 7 des Ankers 8 ein Spalt 9 ausgebildet. Bei Erregung der Magnetspule 2 durch einen elektrischen Strom wird die stromaufwärtige Stirnfläche 7 des Ankers 8 an die stromabwärtige Stirnfläche 6 gezogen, so daß die Stirnfläche 7 des Ankers 8 an der Stirnfläche 6 des Kerns 3 anschlägt. Ein mit dem Anker 8 verbundener, in Fig. 1 nicht dargestellter Ventilschließkörper hebt dabei von einem ebenfalls nicht dargestellten Ventilsitz ab, so daß das Ventil 1 öffnet. Der nicht dargestellte Ventilschließkörper kann über eine nur schematisch dargestellte Ventilnadel 15 mit dem Anker 8 in Verbindung stehen.
Zur Betätigung des Ventils 1 erzeugt die Magnetspule 2 einen magnetischen Fluß, der von dem Kern 3 über den Spalt 9 in den Anker 8 eintritt und aus dem Anker 8 in radialer Richtung zu einem den Anker 8 umgebenden Rückflußkörper 10 übertritt. Der Rückflußkörper 10 ist im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine noch genauer zu beschreibende Trennstelle 12 mit dem Kern 3 einstückig ausgebildet. Ferner ist ein Leitelement 11 vorgesehen, das den magnetischen Rückfluß zu dem Kern 3 zurückführt. Der Kern 3, der Anker 8, der Rückflußkörper 10 und das Leitelement 11 bilden dabei einen geschlossenen magnetischen Flußkreis. Die Trennstelle 12 hat auch eine Abdichtfunktion, um das in der Längsbohrung 4 des Kerns 3 strömende Fluid von einem Ringraum 13, welcher die Magnetspule 2 beherbergt, hydraulisch dichtend zu isolieren. Das Fluid kann z. B. über an der Stirnfläche 7 des Ankers 8 vorgesehene radiale Nuten zu einem den Anker 8 radial umgebenden Spalt 14 geführt werden, um in Richtung auf den Ventilsitz weiterzuströmen. Andererseits kann der Anker 8 selbst unmittelbar axial verlaufende Strömungsbohrungen oder -nuten aufweisen.
Die Trennstelle 12 ist erfindungsgemäß aus dem gleichen ferritischen oder ferromagnetischen Material wie der Kern 3 und der Rückflußkörper 10 ausgebildet, so daß die Trennstelle 12 mit dem Kern 3 und/oder dem Rückflußkörper 10 einstückig ausgebildet sein kann, ohne daß für die Trennstelle 12 ein zusätzliches Zwischenteil z. B. aus einem nicht magnetischen Metall oder einem Kunststoffmaterial erforderlich ist. Um einen magnetischen Kurzschluß zwischen dem Kern 3 und dem Rückflußkörper 10 zu vermeiden, darf die Trennstelle 12 jedoch keinen oder nur einen unwesentlichen magnetischen Fluß von dem Kern 3 unmittelbar auf den Rückflußkörper 10 unter Umgehung des Ankers 8 übertragen. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß der Kern 3 und/oder der Rückflußkörper 10 aus einem ferritischen oder ferromagnetischen Werkstoff besteht, dessen Permeabilität von der mechanischen Spannung, unter welcher der Werkstoff steht, abhängt und daß der Kern 3 und/oder der Rückflußkörper 10 in einem Grenzbereich zwischen dem Kern 3 und dem Rückflußkörper 10 zur Ausbildung der magnetischen Trennstelle 12 mechanisch verspannt ist. Vorzugsweise ist der Werkstoff des Kerns 3 und/oder des Rückflußkörpers 10 im Bereich der magnetischen Trennstelle 12 plastisch so verformt, daß der Werkstoff im Bereich der Trennstelle 12 unter einer mechanischen Eigenspannung steht, die die Permeabilität gegenüber dem spannungsfreien Zustand des Werkstoffs erheblich reduziert.
Lediglich beispielhaft ist für einen bevorzugten Werkstoff für den Kern 3, den Rückflußkörper 10 und die Trennstelle 12 zur Verdeutlichung der Erfindung in Fig. 2 die magnetische Induktion B als Funktion der magnetischen Feldstärke H dargestellt. Der Quotient aus der magnetischen Induktion B und der magnetischen Feldstärke H ergibt dabei in bekannter Weise die Permeabilität µ = B/H.
Der dargestellte funktionelle Zusammenhang zwischen der magnetischen Induktion B und der magnetischen Feldstärke H bezieht sich auf den im Handel befindlichen ferritischen Magnetwerkstoff DMER 1F (K-M35FL). Selbstverständlich sind auch andere ferritische oder ferromagnetische Werkstoffe zur Ausführung der Erfindung geeignet. Der in dem Diagramm 30 dargestellte Magnetwerkstoff wurde lediglich schlußgeglüht. Entsprechend dem Diagramm 31 hingegen wurde der magnetische Werkstoff nach der Schlußglühung einer mechanischen Spannung von 120 N/mm2 ausgesetzt. Ein Vergleich der beiden Diagramme läßt erkennen, daß die Permeabilität µ für den einer mechanischen Spannung ausgesetzten Magnetwerkstoff im Bereich einer magnetischen Feldstärke H unterhalb 1,0 kA/m relativ gering ist und erst im Bereich oberhalb von 1,0 kA/m deutlich ansteigt. Für den spannungsfreien Magnetwerkstoff hingegen ergibt sich in einem Bereich der magnetischen Feldstärke H unterhalb von 10 kA/m im Vergleich zu dem einer mechanischen Spannung ausgesetzten magnetischen Werkstoff eine deutlich größere Permeabilität µ.
Die Erfindung macht sich dies insofern zunutze, als an der magnetischen Trennstelle 12 der Werkstoff zur Verringerung der Permeabilität und somit zur Verringerung der Flußdichte bei vorgegebener Feldstärke mechanisch verspannt ist. Vorzugsweise wird diese mechanische Verspannung durch eine plastische Verformung des Werkstoffs im Bereich der Trennstelle 12, z. B. durch Verstemmen, Verpressen oder durch Prägen erzielt, so daß der Werkstoff unter einer mechanischen Eigenspannung steht. Der Vorteil besteht dabei insbesondere darin, daß für die Trennstelle 12 kein separates Bauteil erforderlich ist, sondern die Trennstelle 12 aus dem gleichen ferritischen oder ferromagnetischen Werkstoff gefertigt werden kann, aus dem auch der Kern 3 und/oder der Rückflußkörper 10 besteht. Der Kern 3 und der Rückflußkörper 10 können mit der Trennstelle 12 daher integral zu einem einstückigen Gesamtbauteil verbunden sein. Dabei weist die Trennstelle 12 einen relativ hohen magnetischen Widerstand auf und verringert den magnetischen Kurzschlußfluß zwischen dem Kern 3 und dem Rückflußkörper 10. Gleichzeitig gewährleistet die Trennstelle 12 eine hydraulische Abdichtung des die Magnetspule 2 aufnehmenden Ringraums 13 gegenüber dem durch das erfindungsgemäße Ventil 1 strömenden Fluids.
Fig. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektromagnetisch betätigbaren Ventils 1 in Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Bereits anhand von Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, um die Zuordnung zu erleichtern.
Das in der Fig. 3 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Ventil 1 in der Form eines Brennstoffeinspritzventils hat einen von einer Magnetspule 2 umgebenen, als Brennstoffeinlaßstutzen dienenden rohrförmigen Kern 3 als sogenannten Innenpol. Ein Spulenkörper 40 nimmt eine Bewicklung der Magnetspule 2 auf. Der Kern 3 ist nicht wie bei den Brennstoffeinspritzventilen des Standes der Technik als ein Bauteil ausgeführt, das mit einem Kernende 41 tatsächlich abschließt, sondern der Kern 3 verläuft über die magnetische Trennstelle 12 weiter in stromabwärtiger Richtung, so daß ein stromabwärts des Spulenkörpers 40 angeordnetes rohrförmiges Anschlußteil, das im weiteren Verlauf als Rückflußkörper 10 bezeichnet ist, als sogenannter Außenpol einteilig mit dem Kern 3 ausgebildet ist, wobei das entstehende Gesamtbauteil als Ventilrohr 42 bezeichnet wird. Als Übergang vom Kern 3 zum Rückflußkörper 10 besitzt das Ventilrohr 42 eine magnetische Trennstelle 12.
Aus dem unteren Kernende 41 des Kerns 3 geht konzentrisch zu einer Ventillängsachse 43, um die sich auch der Kern 3 und der Rückflußkörper 10 konzentrisch erstrecken, die magnetische Trennstelle 12 hervor. In diesem dem Kernende 41 unmittelbar stromabwärts folgenden Bereich sind bei bekannten Brennstoffeinspritzventilen metallene, unmagnetische Zwischenteile vorgesehen, die für eine magnetische Trennung von Kern 3 und Rückflußkörper 10 sorgen. Damit ist bei den bekannten Brennstoffeinspritzventilen gewährleistet, daß der magnetische Fluß um das unmagnetische Zwischenteil herum in dem elektromagnetischen Kreis über den Anker 8 fließt. Die Betätigung des Brennstoffeinspritzventils erfolgt auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung in bekannter Weise elektromagnetisch.
In dem Rückflußkörper 10 verläuft eine Längsbohrung 44, die konzentrisch zu der Ventillängsachse 43 ausgebildet ist. In der Längsbohrung 44 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 45 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 46 mit einem kugelförmigen Ventilschließkörper 47, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 48 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind, beispielsweise durch Schweißen verbunden ist.
Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 45 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 49 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 2, dem Kern 3 und dem Anker 8. Der Anker 8 ist mit dem dem Ventilschließkörper 47 abgewandten Ende der Ventilnadel 45 durch eine Schweißnaht verbunden und auf den Kern 3 ausgerichtet. In das stromabwärts liegende, dem Kern 3 abgewandte Ende des auch als Ventilsitzträger dienenden Rückflußkörpers 10 ist in der Längsbohrung 44 ein zylinderförmiger Ventilsitzkörper 50, der einen mit dem Ventilschließkörper 47 zusammenwirkenden Ventilsitz aufweist, durch Schweißen dicht montiert.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 47 während der Axialbewegung der Ventilnadel 45 mit dem Anker 8 entlang der Ventillängsachse 43 dient eine Führungsöffnung 51 des Ventilsitzkörpers 50. Der kugelförmige Ventilschließkörper 47 wirkt mit dem sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitz des Ventilsitzkörpers 50 zusammen. An seiner dem Ventilschließkörper 47 abgewandten Stirnseite ist der Ventilsitzkörper 50 mit einer beispielsweise topfförmig ausgebildeten Spritzlochscheibe 52 fest verbunden. Die topfförmige Spritzlochscheibe 52 besitzt wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 53. Für eine exakte Führung des mit der Ventilnadel 45 verbundenen Ankers 8 während der Axialbewegung werden bei den bekannten Brennstoffeinspritzventilen die unmagnetischen Zwischenteile genutzt, die äußerst exakt und hochgenau z. B. auf Präzisionsdrehmaschinen hergestellt werden, um ein kleines Führungsspiel zu erzielen. Da bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil kein Zwischenteil nötig ist, ist es sinnvoll, am äußeren Umfang des Ankers 8 wenigstens eine Führungsfläche, die z. B. durch Drehen hergestellt ist, vorzusehen. Die Führungsfläche kann z. B. als ein umlaufender durchgehender Führungsring oder als mehrere am Umfang mit einem Abstand zueinander ausgebildete Führungsflächen ausgeführt sein.
Die Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 50 mit der topfförmigen Spritzlochscheibe 52 bestimmt die Größe des Hubs der Ventilnadel 45. Dabei ist die eine Endstellung der Ventilnadel 45 bei nicht erregter Magnetspule 2 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 47 am Ventilsitz des Ventilsitzkörpers 50 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 45 bei erregter Magnetspule 2 durch die Anlage des Ankers 8 am Kernende 41 ergibt. Die Magnetspule 2 ist von wenigstens einem, beispielsweise als Bügel ausgebildeten Leitelement 54 umgeben, das die Magnetspule 2 in Umfangsrichtung wenigstens teilweise umgibt sowie mit seinem einen Ende an dem Kern 3 und seinem anderen Ende an dem als Ventilsitzträger dienenden Rückflußkörper 10 anliegt und mit diesen z. B. durch Schweißen, Löten bzw. Kleben verbindbar ist.
Das Brennstoffeinspritzventil ist weitgehend mit einer Kunststoffumspritzung 55 umschlossen, die sich vom Kern 3 ausgehend in axialer Richtung über die Magnetspule 2 und das wenigstens eine Leitelement 54 bis zum Rückflußkörper 10 erstreckt, wobei das Leitelement 54 vollständig axial und in Umfangsrichtung überdeckt ist. Zu dieser Kunststoffumspritzung 55 gehört beispielsweise ein mitangespritzter, elektrischer Anschlußstecker 56. Das einteilige, sich in den Kern 3, die magnetische Trennstelle 12 und den Rückflußkörper 10 gliedernde Ventilrohr 42 erstreckt sich vollständig über die gesamte Länge des Brennstoffeinspritzventils.
Fig. 4 zeigt den Ausschnitt IV in Fig. 3 in einer vergrößerten Darstellung.
In Fig. 4 sind insbesondere der Anker 8, der Kern 3 und der über die Trennstelle 12 von dem Kern 3 getrennte Rückflußkörper 10 erkennbar. In der in Fig. 4 dargestellten Ruhestellung liegen die stromaufwärtige Stirnfläche 7 des Ankers 8 und die stromabwärtige Stirnfläche 6 des Kerns 3 durch den Spalt 9 beabstandet vor.
Aus Fig. 4 ist eine vorteilhafte geometrische Ausbildung der Trennstelle 12 deutlicher zu erkennen. Die Trennstelle 12 ist durch eine plastische Verformung zur Erzeugung der mechanischen Eigenspannung wulstartig geformt. Zwischen der Trennstelle 12 und dem stromaufwärtigen Ende des Ankers 8 ist eine ringförmige Aussparung 60 vorgesehen, die z. B. durch das Verformungswerkzeug, z.B. einen Prägestempel oder eine Prägematrize, ausgebildet werden kann. Die ringförmige Aussparung 60 erstreckt sich in axialer Richtung entgegen der Abspritzrichtung des Brennstoffeinspritzventils über den zwischen dem Kern 3 und dem Anker 8 ausgebildeten Spalt 9 hinaus. Durch die ringförmige Aussparung 60 ist sichergestellt, daß die Trennstelle 12 den Anker 8 an seinem radialen Umfang nicht berührt und somit die Führung des Ankers 8 nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus wird sichergestellt, daß der Anker 8 mit seiner stromaufwärtigen Stirnfläche 7 nicht an der Trennstelle 12 anschlägt und die durch den Spalt 9 vorgegebene Größe des Ventilhubs durch den Wulst der Trennstelle 12 in keiner Weise beeinträchtigt ist.
Im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich auch vielfältige andere geometrische Ausformungen der Trennstelle 12 denkbar.

Claims (7)

  1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil (1), insbesondere Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem von einer Magnetspule (2) umgebenen Kern (3), einem dem Kern (3) benachbarten Anker (8), mittels welchen ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkender Ventilschließkörper (47) betätigbar ist, und einem den Anker (8) umgebenden Rückflußkörper (10), der von dem Kern (3) durch eine Trennstelle (12) magnetisch getrennt ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) und/oder der Rückflußkörper (10) aus einem ferritischen oder ferromagnetischen Werkstoff besteht, dessen Permeabilität von der mechanischen Spannung, unter welcher der Werkstoff steht, abhängig ist, und
    daß der Kern (3) und/oder der Rückflußkörper (10) in einem Grenzbereich zwischen dem Kern (3) und dem Rückflußkörper (10) zur Ausbildung der Trennstelle (12) mechanisch verspannt ist.
  2. Ventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Kerns (3) und/oder des Rückflußkörpers (10) aufgrund einer plastischen Verformung im Bereich der magnetischen Trennstelle (12) unter einer mechanischen Eigenspannung steht.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) und der Rückflußkörper (10) als einstückiges Gesamtbauteil (42) ausgebildet sind, in welchem die Trennstelle (12) durch plastische Verformung ausgebildet ist.
  4. Ventil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das den Kern (3) und den Rückflußkörper (10) bildende, einstückige Gesamtbauteil (42) den Anker (8) an seinem an den Kern (3) angrenzenden Ende so umschließt, daß radial zwischen der plastisch verformten Trennstelle (12) und dem Anker (8) eine ringförmige Aussparung (60) ausgebildet ist.
  5. Ventil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß sich die ringförmige Aussparung (60) in axialer Richtung über einen zwischen dem Kern (3) und dem Anker (8) ausgebildeten Spalt (9) hinaus erstreckt.
  6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der den Anker (8) umgebende Rückflußkörper (10) rohrförmig ausgebildet ist und gleichzeitig als Ventilsitzträger dient, der einen Ventilsitzkörper (50) trägt, an welchem der Ventilsitz ausgebildet ist.
  7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Rückflußkörper (10) und der Kern (3) durch wenigstens ein die Magnetspule (2) umschließendes Leitelement (54) miteinander verbunden sind und der Kern (3), der Anker (8), der Rückflüßkörper (10) und das Leitelement (54) einen geschlossenen magnetischen Flußkreis bilden.
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