EP2819130A1 - Magnetventil und Kraftstoffinjektor mit einem solchen Magnetventil - Google Patents

Magnetventil und Kraftstoffinjektor mit einem solchen Magnetventil Download PDF

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EP2819130A1
EP2819130A1 EP14166493.8A EP14166493A EP2819130A1 EP 2819130 A1 EP2819130 A1 EP 2819130A1 EP 14166493 A EP14166493 A EP 14166493A EP 2819130 A1 EP2819130 A1 EP 2819130A1
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armature
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Lars Olems
Thomas Nierychlo
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Robert Bosch GmbH
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    • H01F2007/1661—Electromagnets or actuators with anti-stick disc

Definitions

  • the invention relates to a solenoid valve, as can be used in many fields of technology, to control a fluid flow, for example. A fuel flow. Moreover, the invention relates to a fuel injector incorporating such a solenoid valve.
  • Solenoid valves for controlling a fuel flow or other fluid flow are known from the prior art. That's how it shows DE 10 2009 003 213 A1 a solenoid valve comprising an electromagnet having a magnetic coil embedded in a magnetic core. By means of the electromagnet, a magnet armature is moved counter to a spring force and thereby indirectly or directly free a flow area.
  • the area where the magnet armature abuts the solenoid is flooded with fuel in many applications, such as electromagnetic control valves in fuel injectors.
  • This entails the danger that the magnet armature on the electromagnet sticks hydraulically by adhesive forces and changes the dynamics during the closing movement away from the electromagnet.
  • the magnet armature is liable by the residual magnetization of the magnetic core and the anchor bolt even after switching off the coil current to the solenoid, which also leads to a deterioration of the function, in the worst case to the failure of the electromagnetic valve, as the armature no longer releases from the electromagnet.
  • residual air gap disks are used in today's conventional electromagnetic control valves. These are arranged between the armature and the electromagnet and ensure that the magnet armature does not contact the electromagnet and a "residual air gap" remains.
  • the residual air gap disk is made of an amagnetic material, such as an austenitic steel.
  • the residual air gap disc is exposed to high mechanical loads.
  • the solenoid valve By opening the solenoid valve, the residual air gap disk between the armature and the electromagnet is clamped, depending on the valve with considerable forces.
  • the temperature in a fuel injector used for fuel injection in combustion chambers of auto-ignition engines can easily rise to 200 ° C and above.
  • the solenoid valve according to the invention with the characterizing features of claim 1, has the advantage that the solenoid valve maintains its function and its maximum armature stroke over the entire life constant.
  • the solenoid valve comprises an electromagnet for generating a magnetic force and a movably arranged magnet armature (7), wherein the magnet armature (7) is movable by energizing the electromagnet (2) in a longitudinal direction against a restoring force.
  • a spacer (12) for adjusting a Residual air gap (15) is arranged, wherein the spacer (12) is made of a ceramic material.
  • the spacer Due to the ceramic material, the spacer is very heat resistant and does not deform plastically during the entire life. Even elastic deformations are practically negligible. The mechanical properties remain correspondingly constant and the opening and closing behavior of the solenoid valve unchanged.
  • the spacer is made of a zirconia film.
  • Zirconium oxide has a very high hardness and an extremely high chemical resistance; Likewise, zirconia is very heat resistant.
  • a fuel injector is provided with a solenoid valve according to the invention, so that a very reliable function in the fuel injection is ensured over its entire life.
  • FIG. 1 The drawing shows an inventive solenoid valve is shown schematically in longitudinal section, with only the essential components are shown.
  • a solenoid valve according to the invention is shown in longitudinal section.
  • the solenoid valve 1 has a housing 6, in which an electromagnet 2 is arranged.
  • the electromagnet 2 in this case comprises a magnetic core 4, which consists for example of soft iron and has a central opening 10.
  • a recess 3 is formed, in which a magnetic coil 5 is arranged, which is flowed through upon actuation of the solenoid valve with a suitable coil current.
  • a magnet armature 7 is arranged longitudinally displaceable.
  • the armature 7 is penetrated by a valve pin 9, which extends into the central opening of the magnetic core 4, wherein the valve pin 9 is supported by a diameter extension of the armature 7.
  • a closing spring 11 is arranged under pressure bias, which surrounds the valve pin 9 and is supported on the diameter extension so that the closing spring 11, the armature 7 is acted upon by the electromagnet 2 with a closing force.
  • a spacer 12 is arranged between the magnet armature 7 and the electromagnet 2.
  • the spacer 12 is braced with its outer region 14 in the housing 6, so that the spacer 12 always remains in contact with the electromagnet 2 and does not move with the movement of the magnet armature 7 together with this.
  • the spacer 12 can also be applied to the armature 7, so that it moves with the magnet armature 7.
  • the spacer 12 is intended to prevent the magnet armature 7 from magnetically adhering to the electromagnet 2. Due to the residual magnetization of the magnetic core 4 and the magnet armature 7 connected to the massive increase of the magnetic force with decreasing distance between the components, it may otherwise happen that the magnet armature 7 solves only difficult from the electromagnet after switching off the electromagnet 2, so that the armature 7 only with delay by the force of the closing spring 11 from the magnetic core 4 dissolves. The closing behavior is then disturbed and the precise metering of a liquid, as is necessary when using the solenoid valve in a fuel injector, is then no longer guaranteed.
  • the spacer 12 should also prevent the hydraulic bonding of the magnet armature 7. This can occur when the components of the solenoid valve 1 surrounded by a liquid, such as fuel are. This is the case in fuel injectors, but also in applications in fuel pumps and other areas of fuel injection systems.
  • the spacer 12 is exposed during operation of the solenoid valve 1 high mechanical forces. When energizing the magnetic coil 5, this generates a corresponding magnetic field which is amplified and directed by the magnetic core 4 and exerts an attractive force on the armature 7. Each time the electromagnet 2 attracts the armature 7, the spacer 12 is suddenly clamped between the armature 7 and the magnetic core 4 and pressed accordingly.
  • the spacer can be exposed to high thermal loads when used in a fuel injection component, such as a fuel injector or a high-pressure fuel pump.
  • a fuel injection component such as a fuel injector or a high-pressure fuel pump.
  • High temperatures associated with heavy mechanical loads can lead to a plastic deformation of the spacer 12 over the life of the solenoid valve 1. Since the spacer 12 not only, as described above, to prevent the magnetic and hydraulic bonding, but also limits the stroke of the magnet armature 7, even very small changes in the thickness of the spacer 12 can lead to a changed opening behavior, such as a change of Fuel flow, which is controlled by the solenoid valve 1.
  • the spacer 12 is made of a ceramic material, for example of zirconium oxide film (ZrO 2 foil). Ceramics, especially ZrO 2 , has the advantage that it is very hard and does not plastically deform. In addition, ceramic is very heat resistant and is not damaged by temperatures of 300 ° C and above.
  • the shape of the spacer 12 may vary, the embodiment shown here is an annular disk with a central recess 8, through which the valve pin 9 protrudes. However, there are also any other shapes conceivable, for example, to optimally utilize an available space. Important for the lowest possible mechanical load is that the spacer 12 is clamped evenly between the armature 12 and the magnetic core 4 in order to prevent peaks in the surface pressure.
  • the solenoid valve described can be used in fuel injectors, such as those used for fuel injection in combustion chambers of self-igniting internal combustion engines.
  • the solenoid valve as a control valve controls fuel flow within the injector to thereby control the fuel injection.

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Abstract

Magnetventil, insbesondere zur Steuerung eines Flüssigkeitsstroms, umfassend einen Elektromagneten (2) zur Erzeugung einer magnetischen Kraft und einen beweglich angeordneten Magnetanker (7), wobei der Magnetanker (7) durch Bestromung des Elektromagneten (2) in einer Längsrichtung entgegen einer Rückstellkraft bewegbar ist. Zwischen dem Magnetanker (7) und dem Elektromagneten (2) ist eine Distanzscheibe (12) zur Einstellung eines Restluftspalts (15) angeordnet, wobei die Distanzscheibe (12) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, wie es in vielen Bereichen der Technik einsetzbar ist, um einen Fluidstrom, bspw. einen Kraftstoffstrom, zu steuern. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, der ein solches Magnetventil beinhaltet.
    • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Magnetventile zur Steuerung eines Kraftstoffflusses oder eines sonstigen Fluidstroms bekannt. So zeigt die DE 10 2009 003 213 A1 ein Magnetventil, das einen Elektromagneten umfasst, der eine in einem Magnetkern eingebettete Magnetspule aufweist. Mittels des Elektromagneten wird ein Magnetanker entgegen einer Federkraft bewegt und gibt dadurch mittelbar oder unmittelbar einen Durchströmquerschnitt frei.
  • Der Bereich, in dem der Magnetanker am Elektromagneten zur Anlage kommt, ist bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei elektromagnetischen Steuerventilen in Kraftstoffinjektoren, mit Kraftstoff geflutet. Dies birgt die Gefahr, dass der Magnetanker am Elektromagnet hydraulisch durch Adhäsionskräfte klebt und sich die Dynamik bei der Schließbewegung vom Elektromagneten weg ändert. Darüber hinaus kann es zu magnetischem Kleben kommen: Dabei haftet der Magnetanker durch die Restmagnetisierung des Magnetkerns und des Ankerbolzens auch nach dem Abschalten des Spulenstroms am Elektromagneten, was ebenfalls zu einer Beeinträchtigung der Funktion führt, im ungünstigsten Fall zum Ausfall des elektromagnetischen Ventils, da sich der Magnetanker nicht mehr vom Elektromagneten löst.
  • Um dies zu vermeiden werden bei den heute üblichen Elektromagnetischen Steuerventilen sogenannte Restluftspaltscheiben verwendet. Diese sind zwischen dem Magnetanker und dem Elektromagneten angeordnet und sorgen dafür, dass sich der Magnetanker nicht an den Elektromagneten anlegt und ein "Restluftspalt" verbleibt. Die Restluftspaltscheibe ist dabei aus einem amagnetischen Material, beispielsweise aus einem austenitischen Stahl.
  • Die Restluftspaltscheibe ist hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Durch das Öffnen des Magnetventils wird die Restluftspaltscheibe zwischen dem Magnetanker und dem Elektromagneten eingeklemmt, je nach Ventil mit erheblichen Kräften. Darüber hinaus wirken auf die Restluftspaltscheibe, wie auch auf die übrigen Komponenten des Magnetventils, je nach Einsatzort hohe Temperaturen ein. So kann die Temperatur in einem Kraftstoffinjektor, wie er zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume von selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet wird, leicht auf 200 °C und darüber steigen.
  • Stähle können bei den auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen mit der Zeit plastische Verformungen zeigen und damit die Funktion des Magnetventils beeinträchtigen. Insbesondere bei Magnetventilen, bei denen der Maxi-malhub des Magnetankers durch die Dicke der Restluftspaltscheibe festgelegt ist, wirkt sich eine auch nur geringe Verformung stark auf die Funktion des Magnetventils und auf die Menge der mit diesem Magnetventil gesteuerten Flüssigkeit aus.
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, weist den Vorteil auf, dass das Magnetventil seine Funktion und seinen maximalen Ankerhub über die gesamte Lebensdauer konstant erhält. Dazu weist das Magnetventil einen Elektromagneten zur Erzeugung einer magnetischen Kraft und einen beweglich angeordneten Magnetanker (7) auf, wobei der Magnetanker (7) durch Bestromung des Elektromagneten (2) in einer Längsrichtung entgegen einer Rückstellkraft bewegbar ist. Zwischen dem Magnetanker (7) und dem Elektromagneten (2) ist eine Distanzscheibe (12) zur Einstellung eines Restluftspalts (15) angeordnet ist, wobei die Distanzscheibe (12) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.
  • Durch den keramischen Werkstoff ist die Distanzscheibe sehr hitzebeständig und verformt sich während der gesamten Lebensdauer nicht plastisch. Auch elastische Verformungen sind praktisch zu vernachlässigen. Die mechanischen Eigenschaften bleiben entsprechend konstant und das Öffnungs- und Schließverhalten des Magnetventils unverändert.
  • In vorteilhafter Weise ist die Distanzscheibe aus einer Zirkoniumoxid-Folie gefertigt. Zirkoniumoxid weist eine sehr hohe Härte und eine äußerst hohe chemische Beständigkeit auf; ebenso ist Zirkoniumoxid sehr hitzebeständig.
  • In vorteilhafter Weise ist ein Kraftstoffinjektor mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil versehen, so dass eine sehr zuverlässige Funktion bei der Kraftstoffeinspritzung über dessen gesamte Lebensdauer gewährleistet ist.
    • Zeichnung
  • In der Fig. 1 der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Magnetventil schematisch im Längsschnitt dargestellt, wobei nur die wesentlichen Komponenten gezeigt sind.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Magnetventil im Längsschnitt dargestellt. Das Magnetventil 1 weist ein Gehäuse 6 auf, in dem ein Elektromagnet 2 angeordnet ist. Der Elektromagnet 2 umfasst dabei einen Magnetkern 4, der beispielsweise aus Weicheisen besteht und eine zentrale Öffnung 10 aufweist. Im Magnetkern 4 ist eine Ausnehmung 3 ausgebildet, in der eine Magnetspule 5 angeordnet ist, die bei Betätigung des Magnetventils mit einem geeigneten Spulenstrom durchströmt wird.
  • Unterhalb des Elektromagneten 2 ist ein Magnetanker 7 längsverschiebbar angeordnet. Der Magnetanker 7 ist von einem Ventilbolzen 9 durchsetzt, der bis in die zentrale Öffnung des Magnetkerns 4 reicht, wobei sich der Ventilbolzen 9 durch eine Durchmessererweiterung am Magnetanker 7 abstützt. Innerhalb der zentralen Öffnung des Magnetkerns 4 ist eine Schließfeder 11 unter Druckvorspannung angeordnet, die den Ventilbolzen 9 umgibt und sich an der Durchmessererweiterung so abstützt, dass die Schließfeder 11 den Magnetanker 7 vom Elektromagneten 2 weg mit einer Schließkraft beaufschlagt.
  • Zwischen dem Magnetanker 7 und dem Elektromagneten 2 ist ein Restluftspalt 15 ausgebildet, den das Magnetfeld des Elektromagneten 2 überbrücken muss, um eine Kraft auf den Magnetanker 7 auszuüben. Um das direkte Anliegen des Magnetankers 7 am Elektromagneten 2 bzw. am Magnetkern 4 zu verhindern, ist zwischen dem Magnetanker 7 und dem Elektromagneten 2 eine Distanzscheibe 12 angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Distanzscheibe 12 mit ihrem Außenbereich 14 im Gehäuse 6 verspannt, so dass die Distanzscheibe 12 stets in Anlage am Elektromagneten 2 bleibt und sich bei der Bewegung des Magnetankers 7 nicht zusammen mit diesem bewegt. Alternativ kann die Distanzscheibe 12 aber auch auf den Magnetanker 7 aufgebracht werden, so dass sie sich mit dem Magnetanker 7 mitbewegt.
  • Die Distanzscheibe 12 soll verhindern, dass der Magnetanker 7 am Elektromagnet 2 magnetisch klebt. Durch die Restmagnetisierung des Magnetkerns 4 und des Magnetankers 7 verbunden mit der massiven Zunahme der magnetischen Kraft mit abnehmender Distanz zwischen den Komponenten kann es sonst dazu kommen, dass sich der Magnetanker 7 nur noch schwer vom Elektromagneten auch nach Abschalten des Elektromagneten 2 löst, so dass sich der Magnetanker 7 nur mit Verzögerung durch die Kraft der Schließfeder 11 vom Magnetkern 4 löst. Das Schließverhalten ist dann gestört und die genauer Zumessung einer Flüssigkeit, wie es bei der Verwendung des Magnetventils in einem Kraftstoffinjektor notwendig ist, ist dann nicht mehr gewährleistet.
  • Darüber hinaus soll die Distanzscheibe 12 auch das hydraulische Kleben des Magnetankers 7 verhindern. Dies kann dann auftreten, wenn die Komponenten des Magnetventils 1 von einer Flüssigkeit, beispielsweise von Kraftstoff, umgeben sind. Dies ist in Kraftstoffeinspritzventilen, aber auch bei Anwendungen in Kraftstoffpumpen und anderen Bereichen von Kraftstoffeinspritzanlagen der Fall.
  • Die Distanzscheibe 12 ist im Betrieb des Magnetventils 1 hohen mechanischen Kräften ausgesetzt. Beim Bestromen der Magnetspule 5 erzeugt dieses ein entsprechendes magnetisches Feld, das durch den Magnetkern 4 verstärkt und gerichtet wird und eine anziehende Kraft auf den Magnetanker 7 ausübt. Jedes Mal, wenn der Elektromagnet 2 den Magnetanker 7 anzieht, wird die Distanzscheibe 12 zwischen dem Magnetanker 7 und dem Magnetkern 4 schlagartig eingeklemmt und entsprechend gepresst.
  • Weiterhin kann die Distanzscheibe hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sein, wenn sie in einer Kraftstoffeinspritzkomponente, etwa einem Kraftstoffinjektor oder einer Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt wird. Hohe Temperaturen die mit starken mechanischen Belastungen einhergehen, können über die Lebensdauer des Magnetventils 1 zu einer plastischen Verformung der Distanzscheibe 12 führen. Da die Distanzscheibe 12 nicht nur, wie oben beschrieben, das magnetische und hydraulische Kleben verhindern soll, sondern auch den Hub des Magnetankers 7 begrenzt, können schon sehr kleine Änderungen in der Dicke der Distanzscheibe 12 zu einem geänderten Öffnungsverhalten führen, etwa zu einer Änderung eines Kraftstoffdurchflusses, der mit dem Magnetventil 1 gesteuert wird.
  • Die Distanzscheibe 12 ist aus einem keramischen Material gefertigt, zum Beispiel aus Zirkoniumoxid-Folie (ZrO2-Folie). Keramik, insbesondere ZrO2, weist den Vorteil auf, dass sie sehr hart ist und sich nicht plastisch verformt. Darüber hinaus ist Keramik sehr hitzebeständig und wird auch durch Temperaturen von 300 °C und darüber nicht beschädigt.
  • Da Keramik nicht duktil ist, kann es bei Schlagbelastungen grundsätzlich zu einem Sprödbruch kommen. Dies kann verhindert werden, indem man die Keramikfolie entsprechend behandelt und so die Sprödigkeit etwas mindert, was zwar auf Kosten der Härte geht, die jedoch nach wie vor für die beschriebene Anwendung ausreicht.
  • Die Form der Distanzscheibe 12 kann variieren, ist dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kreisringscheibe mit einer zentralen Ausnehmung 8, durch die der Ventilbolzen 9 hindurch ragt. Es sind jedoch auch beliebige andere Formen denkbar, beispielsweise um einen vorhanden Bauraum optimal auszunutzen. Wichtig für die möglichst geringe mechanische Belastung ist, dass die Distanzscheibe 12 gleichmäßig zwischen dem Magnetanker 12 und dem Magnetkern 4 eingeklemmt wird, um Spitzen in der Flächenpressung zu verhindern.
  • In vorteilhafter Weise kann das beschriebene Magnetventil in Kraftstoffinjektoren verwendet werden, wie sie zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume von selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwendet werden. Dabei steuert das Magnetventil als Steuerventil einen Kraftstofffluss innerhalb des Injektors, um dadurch die Kraftstoffeinspritzung zu steuern.

Claims (5)

  1. Magnetventil, insbesondere zur Steuerung eines Flüssigkeitsstroms, umfassend einen Elektromagneten (2) zur Erzeugung einer magnetischen Kraft und einen beweglich angeordneten Magnetanker (7), wobei der Magnetanker (7) durch Bestromung des Elektromagneten (2) in einer Längsrichtung entgegen einer Rückstellkraft bewegbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magnetanker (7) und dem Elektromagneten (2) eine Distanzscheibe (12) zur Einstellung eines Restluftspalts (15) angeordnet ist, wobei die Distanzscheibe (12) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.
  2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe (12) eine zentrale Öffnung (8) besitzt, durch welche ein Ankerbolzen (6) hindurchgeführt ist, wobei der Magnetanker (7) auf dem Ankerbolzen (9) geführt ist.
  3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe (12) aus einer Zirkoniumoxid-Folie gefertigt ist.
  4. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe (12) ringscheibenförmig ausgebildet ist.
  5. Kraftstoffinjektor mit einem Steuerventil zur Steuerung eines Kraftstoffflus-ses im Kraftstoffeinspritzventil, wobei das Steuerventil als Magnetventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
EP14166493.8A 2013-06-26 2014-04-30 Magnetventil und Kraftstoffinjektor mit einem solchen Magnetventil Withdrawn EP2819130A1 (de)

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