Elektromagnetisch betätigbares Ventil

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, das eine axial bewegbare Ventilnadel (13) besitzt, die einen Anker (20), ein Verbindungsteil (21) aus Kunststoff und einen kugelförmigen Ventilschließkörper (22) umfaßt. Das Verbindungsteil (21) bildet einen Schließkörperträger, der mit einem stromabwärtigen Endbereich (44) den Ventilschließkörper (22) in einer zu einer inneren Öffnung (46) gehörenden Ausnehmung (47) aufnimmt. Von der inneren Öffnung (46) ausgehend erstrecken sich kanalartige Strömungsöffnungen (48) mit einer radialen Komponente bis zur Außenkontur des Verbindungsteils (21), wobei diese erst stromabwärts eines Führungsabschnitts (50) des Verbindungsteils (21) münden.
Das Ventil eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

[0002] Aus der DE-OS 195 03 224 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil bekannt, das eine Ventilnadel aufweist, deren als Verbindungsteil zwischen einem Magnetanker und einem Ventilschließkörper dienender Schließkörperträger aus Kunststoff ausgeformt ist. Der kugelförmige Ventilschließkörper und der Schließkörperträger sind dabei durch eine Schnappverbindung fest miteinander verbunden. Im Schließkörperträger sind mehrere Queröffnungen vorgesehen, durch die Brennstoff bereits stromaufwärts des Ventilschließkörpers aus einer inneren Öffnung austreten kann. Der Brennstoff strömt nachfolgend außerhalb des Schließköperträgers entlang in Richtung zu einer Ventilsitzfläche, wobei er kurz vor der Ventilsitzfläche am äußeren Umfang des Schließkörperträgers ausgeformte Strömungskanäle durchströmt. Die Strömungskanäle werden dabei zwischen jeweils zwei Führungsstegen des Schließkörperträgers gebildet. Somit durchströmt der Brennstoff den Führungsbereich des Schließkörperträgers über dessen gesamte axiale Erstreckung.

Vorteile der Erfindung

[0003] Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß es auf besonders einfache Art und Weise kostengünstig herstellbar ist. In vorteilhafter Weise übernimmt ein Verbindungsteil aus Kunststoff als Teil der Ventilnadel die Aufgaben der axialen Führung der Ventilnadel, als Schließkörperträger der Aufnahme eines Ventilschließkörpers sowie der Strömungsweiterleitung in Richtung zu einem Ventilsitz. Mit geringem Fertigungsaufwand wird eine optimale Zuströmung zum Zumeßbereich des Ventils erreicht. Durch die Verwendung eines Verbindungsteils aus Kunststoff besitzt die Ventilnadel eine geringe Nadelmasse, wodurch eine hohe Ventildynamik erreicht wird. Im Verbindungsteil sind Strömungsöffnungen vorgesehen, die erst stromabwärts eines Führungsabschnitts des Verbindungsteils an dessen Außenkontur münden. Da im Bereich der Führungsfläche keine Mediumströmung erfolgt, kann der Führungsabscbnitt sehr einfach ohne Stege, Nuten, Kanäle oder dergleichen ausgebildet werden.

[0004] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektromagnetisch betätigbaren Ventils möglich.

[0005] Von besonderem Vorteil ist es, daß äußerst einfache und kostengünstige Verbindungen zwischen den einzelnen Ventilnadelbauteilen durch die Anwendung nichtstoffschlüssiger Fügeverfahren erzielbar sind. Dabei ist das Verbindungsteil in einem Endbereich zum Umgreifen des Ventilschließkörpers derart ausgeformt, daß es in stromabwärtiger Richtung noch über den Äquator des kugelförmigen Ventilschließkörpers hinausragt.

[0006] In besonders vorteilhafter Weise ist eine Ventilnadel mit einem Verbindungsteil aus Kunststoff herstellbar, indem durch teilweises Umspritzen des Ankers und des Ventilschließkörpers bei der Ausbildung des Verbindungsteils in einem Kunststoffspritzgießwerkzeug die festen Verbindungen der Ventilnadelbauteile untereinander erzielt werden.

Zeichnung

[0007] Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Ventils ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0008] Das in der Zeichnung beispielhaft und teilweise vereinfacht dargestellte, erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen hat einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Innenpol und teilweise als Brennstoffdurchfluß dienenden weitgehend rohrförmigen Kern 2. Zusammen mit einem oberen, scheibenförmigen Abdeckelement 3 ermöglicht der Kern 2 einen besonders kompakten Aufbau des Einspritzventils im Bereich der Magnetspule 1. Die Magnetspule 1 ist von einem äußeren, ferromagnetischen Ventilmantel 5 als Außenpol umgeben, der die Magnetspule 1 in Umfangsrichtung vollständig umgibt und an seinem oberen Ende fest mit dem Abdeckelement 3 z. B. durch eine Schweißnaht 6 verbunden ist. Zum Schließen des magnetischen Kreises ist der Ventilmantel 5 an seinem unteren Ende gestuft ausgeführt, so daß ein Leitabschnitt 8 gebildet ist, der ähnlich dem Abdeckelement 3 die Magnetspule 1 axial umschließt und der die Begrenzung des Magnetspulenbereichs 1 nach unten hin bzw. in stromabwärtiger Richtung darstellt.

[0009] Der Leitabschnitt 8 des Ventilmantels 5, die Magnetspule 1 und das Abdeckelement 3 bilden eine innere, konzentrisch zu einer Ventillängsachse 10 verlaufende Öffnung 11 bzw. 11', in der sich eine langgestreckte Hülse 12 erstreckt. Eine innere Längsöffnung 9 der ferritischen Hülse 12 dient teilweise als Führungsöffnung für eine entlang der Ventillängsachse 10 axial bewegliche Ventilnadel 13. Die Hülse 12 ist deshalb bezüglich des Innendurchmessers der inneren Öffnung 9 maßgenau gefertigt. Die Hülse 12 endet in stromabwärtiger Richtung gesehen beispielsweise im Bereich des Leitabschnitts 8 des Ventilmantels 5, mit dem sie beispielsweise mit einer Schweißnaht 14 fest verbunden ist. Außer der axial beweglichen Ventilnadel 13 ist auch der feststehende Kern 2 in der Längsöffnung 9 der Hülse 12 angeordnet. Neben der Führung der Ventilnadel 13 bzw. der Aufnahme des Kerns 2 erfüllt die Hülse 12 auch eine Abdichtfunktion, so daß im Einspritzventil eine trockene Magnetspule 1 vorliegt. Das wird auch dadurch erreicht, daß das scheibenförmige Abdeckelement 3 die Magnetspule 1 vollständig an ihrer oberen Seite überdeckt. Die innere Öffnung 11' im Abdeckelement 3 erlaubt es, die Hülse 12 und somit auch den Kern 2 verlängert auszubilden, so daß beide Bauteile die Öffnung 11' durchragend über das Abdeckelement 3 hinausstehen können.

[0010] An den unteren Leitabschnitt 8 des Ventilmantels 5 schließt sich ein Ventilsitzkörper 15 an, der eine feste Ventilsitzfläche 16 als Ventilsitz aufweist. Der Ventilsitzkörper 15 ist mit einer beispielsweise mittels eines Lasers erzeugten Schweißnaht 18 fest mit dem Ventilmantel 5 verbunden. Die Ventilnadel 13 wird von einem rohrförmigen Anker 20, einem als Schließkörperträger dienenden Verbindungsteil 21 und einem kugelförmigen Ventilschließkörper 22 gebildet. An der stromabwärtigen Stirnseite des Ventilsitzkörpers 15 kann eine flache Spritzlochscheibe angeordnet sein, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die in einer solchen Spritzlochscheibe beispielsweise durch Erodieren oder Stanzen ausgeformten Abspritzöffnungen schließen sich dann in Strömungsrichtung einer stromabwärts der Ventilsitzfläche 16 ausgebildeten Austrittsöffnung 24 des Ventilsitzkörpers 15 an.

[0011] Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 13 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 25 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem inneren Kern 2, dem äußeren Ventilmantel 5 und dem Anker 20. Der Anker 20 ist mit dem dem Ventilschließkörper 22 abgewandten Ende auf den Kern 2 ausgerichtet. Der kugelförmige Ventilschließkörper 22 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 zusammen, die in axialer Richtung stromabwärts einer Führungsöffnung 26 im Ventilsitzkörper 15 ausgebildet ist.

[0012] Die Einschubtiefe des Kerns 2 im Einspritzventil ist unter anderem entscheidend für den Hub der Ventilnadel 13. Dabei ist die eine Endstellung der Ventilnadel 13 bei nicht erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 22 an der Ventilsitzfläche 16 des Ventilsitzkörpers 15 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 13 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 20 am stromäbwartigen Ende des Kerns 2 ergibt. Die Hubeinstellung erfolgt durch ein axiales Verschieben des Kerns 2 in der Hülse 12, der entsprechend der gewünschten Position nachfolgend fest mit der Hülse 12 verbunden wird, wobei eine Laserschweißung zur Erzielung einer Schweißnaht 27 sinnvoll ist.

[0013] In eine konzentrisch zu der Ventillängsachse 10 verlaufende Strömungsbohrung 28 des Kerns 2, die der Zufuhr des Brennstoffs in Richtung der Ventilsitzfläche 16 dient, ist außer der Rückstellfeder 25 eine Einstellhülse 29 eingeschoben. Die Einstellhülse 29 dient zur Einstellung der Federvorspannung der an der Einstellhülse 29 anliegenden Rückstellfeder 25, die sich wiederum mit ihrer gegenüberliegenden Seite am Anker 20 abstützt, wobei auch eine Einstellung der dynamischen Abspritzmenge mit der Einstellhülse 29 erfolgt.

[0014] Ein solches Einspritzventil zeichnet sich durch seinen besonders kompakten Aufbau aus, so daß ein sehr kleines, handliches Einspritzventil entsteht, dessen Ventilmantel 5 beispielsweise einen Außendurchmesser von nur ca. 11 mm aufweist. Die bisher beschriebenen Bauteile bilden eine vormontierte eigenständige Baugruppe, die als Funktionsteil 30 bezeichnet werden kann. Das fertig eingestellte und montierte Funktionsteil 30 weist z. B. eine obere Stirnfläche 32 auf, über die beispielsweise zwei Kontaktstifte 33 herausragen. Über die elektrischen Kontaktstifte 33, die als elektrische Verbindungselemente dienen, erfolgt die elektrische Kontaktierung der Magnetspule 1 und damit deren Erregung.

[0015] Mit einem solchen Funktionsteil 30 ist ein nicht dargestelltes Anschlußteil verbindbar, das sich vor allen Dingen dadurch auszeichnet, daß es den elektrischen und den hydraulischen Anschluß des Einspritzventils umfaßt. Eine hydraulische Verbindung von dem nicht dargestellten Anschlußteil und dem Funktionsteil 30 wird beim vollständig montierten Einspritzventil dadurch erreicht, daß Strömungsbohrungen beider Baugruppen so zueinander gebracht werden, daß ein ungehindertes Durchströmen des Brennstoffs gewährleistet ist. Dabei liegt dann z. B. die Stirnfläche 32 des Funktionsteils 30 unmittelbar an einer unteren Stirnfläche des Anschlußteils an und ist mit diesem fest verbunden. Bei der Montage des Anschlußteils auf dem Funktionsteil 30 kann der über die Stirnfläche 32 überstehende Teil des Kerns 2 und der Hülse 12 zur Erhöhung der Verbindungsstabilitäat in eine Strömungsbohrung des Anschlußteils hineinragen. Im Verbindungsbereich ist zur sicheren Abdichtung z. B. ein Dichtring 36 vorgesehen, der auf der Stirnfläche 32 des Abdeckelements 3 aufliegend die Hülse 12 umgibt. Die als elektrische Verbindungselemente dienenden Kontaktstifte 33 gehen im vollständig montierten Ventil eine sichere elektrische Verbindung mit korrespondierenden elektrischen Verbindungselementen des Anschlußteils ein.

[0016] Der rohrförmige Anker 20 ist beispielsweise als Drehteil ausgeführt, das eine innere Längsbohrung 38 als Strömungsweg sowie eine z.B. mehrfach gestufte Außenkontur besitzt. In der Längsbohrung 38 ist optional ein Filterelement 39 angeordnet, das zusätzlich zu einem Brennstoffilter im nicht dargestellten Anschlußteil des Ventils vorgesehen ist. Das als Zweitfilter ausgebildete Filterelement 39 erfüllt den Zweck, eventuell bei der Ventilmontage in das Innere des Ventils gelangten Schmutz vom Sitzbereich fernzuhalten. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Filterelement 39 in der Längsbohrung 38 des Ankers 20 eingepreßt. Alternativ kann das Filterelement 39 auch in dem zur Ventilnadel 13 gehörenden Verbindungsteil 21 aus Kunststoff integriert sein, indem es beispielsweise miteingespritzt wird. Am äußeren Umfang des Ankers 20 ist eine ringförmige Führungsfläche 40 vorgesehen, die der Führung der axial beweglichen Ventilnadel 13 in der Hülse 12 dient. Der beispielsweise aus einem ferritischen Material (Chromstahl) gefertigte Anker 20 weist eine obere, dem Kern 2 zugewandte Anschlagfläche 42 auf, die mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist, z. B. verchromt ist.

[0017] Der kugelförmige Ventilschließkörper 22 weist einen senkrecht zur Ventillängsachse 10 verlaufenden Kugeläquator 43 auf, über den sich in stromabwärtiger Richtung gesehen ein unterer Endbereich 44 des Verbindungsteils 21 hinweg erstreckt. Anders ausgedrückt wird also mehr als eine Halbkugel und damit der Radius des kugelfömigen Ventilschließkörpers 22 vom Verbindungsteil 21 umgriffen. Das Verbindungsteil 21 besitzt eine innere Öffnung 46, die an ihrem dem Ventilsitz 16 zugewandten unteren Ende in einer kalottenförmigen Ausnehmung 47 durch den Ventilschließkörper 22 vollständig ausgefüllt ist. Deshalb verlaufen bereits stromaufwärts des Ventilschließkörpers 22 von der inneren Öffnung 46 ausgehend wenigstens eine, beispielsweise zwei bis acht kanalartige Strömungsöffnungen 48 in einem schrägen Strömungsabschnitt 49 des Verbindungsteils 21 bis hin zu dessen Außenkontur, um die Brennstoffversorgung am Ventilsitz 16 zu gewährleisten. Die Strömungsöffnungen 48 erstrecken sich entsprechend dem Strömungsabschnitt 49 z.B. schräg zur Ventillängsachse 10, also mit einer radialen und einer axialen Komponente. Genausogut können die Strömungsöffnungen 48 auch vollständig radial verlaufend ausgebildet sein.

[0018] Die festen Verbindungen von Anker 20, Verbindungsteil 21 und Ventilschließkörper 22 sind mittels nichtstoffschlüssiger Fügeverfahren hergestellt. Die Verbindung von Anker 20 und als Schließkörperträger dienendem Verbindungsteil 21 wird beispielsweise durch Aufclipsen oder Aufpressen, die Verbindung von Verbindungsteil 21 und Ventilschließkörper 22 z.B. durch Einclipsen, Bördeln oder Einpressen bzw. durch Einpressen und nachfolgendes Bördeln erzielt, wobei vor allen Dingen der Umgreifungsbereich stromabwärts des Kugeläquators 43 eine sichere Verbindung gewährleistet. In besonders vorteilhafter Weise können in einem Kunststoffspritzgießwerkzeug sowohl der Anker 20 als auch der Ventilschließkörper 22 zugleich derart umspritzt werden, daß die dargestellte Ventilnadel 13 mit dem Verbindungsteil 21 aus Kunststoff entsteht. Selbstverständlich können jeweils der Anker 20 und der Ventilschließkörper 22 auch einzeln mit dem Verbindungsteil 21 umspritzt werden. Durch entsprechende Konturgebungen (Stufen, Absätze, Nuten schwalbenschwanzähnliche Hinterschneidungen u.ä.) am stromabwärtigen Ende des Ankers 20 und die kugelförmige Gestalt des Ventilschließkörpers 22 sind sehr einfach beim Umspritzen sichere Verbindungen mit dem Verbindungsteil 21 erzielbar.

[0019] Das Verbindungsteil 21 wird zumindest in einem oberen, dem Anker 20 zugewandten Führungsabschnitt 50 maßgenau gefertigt bzw. nachbearbeitet, da die ringförmige Außenkontur des Verbindungsteils 21 in diesem Bereich mit wenigstens einer Führungsfläche 51 neben der Führungsfläche 40 einer weiteren Führung der axial beweglichen Ventilnadel 13 dient. Die Führung der Ventilnadel 13 erfolgt dabei in der Führungsöffnung 26 gegenüber dem Ventilsitzkörper 15 und/oder dem Ventilmantel 5 an dessen Leitabschnitt 8. Die Strömungsöffnungen 48 münden erst stromabwärts des Führungsabschnitts 50 an der Außenkontur des Verbindungsteils 21; die Brennstoffzufuhr in Richtung zur Ventilsitzfläche 16 erfolgt also völlig separat vom Führungsabschnitt 50 des Verbindungsteils 21.

Ansprüche

1. Elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere Einspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einer Ventillängsachse, mit einem von einer Magnetspule wenigstens teilweise umgebenen Kern, mit einer axial bewegbaren Ventilnadel, die einen Anker und einen Ventilschließkörper sowie ein den Anker und den Ventilschließkörper fest verbindendes Verbindungsteil aus Kunststoff umfaßt, wobei der Ventilschließkörper mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkt, und das Verbindungsteil eine innere Öffnung sowie wenigstens eine äußere Führungsfläche zur axialen Führung der Ventilnadel hat, dadurch gekennzeichnet, daß von der inneren Öffnung (46) des Verbindungsteils (21) ausgehend wenigstens eine Strömungsöffnung (48) mit einer radialen Komponente ausgebildet ist, die erst stromabwärts der Führungsfläche (51) an der Außenkontur des Verbindungsteils (21) mündet.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsteil (21) zwei bis acht kanalartige Strömungsöffnungen (48) vorgesehen sind.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsöffnungen (48) in einem schräg zur Ventillängsachse (10) verlaufenden Strömungsabschnitt (49) des Verbindungsteils (21) eingebracht sind, so daß die Strömungsöffnungen (48) sowohl eine radiale als auch eine axiale Erstreckungskomponente aufweisen.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsfläche (51) ringförmig umlaufend als Außenkontur eines Führungsabschnitts (50) des Verbindungsteils (21) ausgebildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (22) kugelförmig ausgeformt ist.

6. Ventil nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (22) mittels Einpressen in einer unteren Ausnehmung (47) der Öffnung (46) des als Schließkörperträger dienenden Verbindungsteils (21) befestigbar ist.

7. Ventil nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (22) mittels Bördeln in einer unteren Ausnehmung (47) der Öffnung (46) des als Schließkörperträger dienenden Verbindungsteils (21) befestigbar ist.

8. Ventil nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (22) mittels Einclipsen in einer unteren Ausnehmung (47) der Öffnung (46) des als Schließkörperträger dienenden Verbindungsteils (21) befestigbar ist.

9. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (13) durch teilweises Umspritzen des Ankers (20) und/oder des Ventilschließkörpers (22) bei der Ausbildung des Verbindungsteils (21) aus Kunststoff in einem Kunststoffspritzgießwerkzeug herstellbar ist.

10. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer inneren Längsbohrung (38) des Ankers (20) und/oder in der inneren Öffnung (46) des Verbindungsteils (21) ein Filterelement (39) integriert ist.

Zeichnung