Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventile gemäß der US-A-4 483 485 nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil aus der DE-PS 38 31 196 bekannt, bei dem eine Ventilnadel aus einem Anker, einem rohrförmigen Verbindungsteil und einem kugelförmigen Ventilschließkörper gebildet ist. Über das rohrförmige Verbindungsteil sind der Anker und der Ventilschließkörper miteinander verbunden, wobei als unmittelbarer Schließkörperträger das Verbindungsteil dient, mit dem der Ventilschließkörper mittels einer Schweißnaht fest verbunden ist. Das Verbindungsteil weist eine Vielzahl von Strömungsöffnungen auf, durch die Brennstoff aus einer inneren Durchgangsöffnung hinaustreten und außerhalb des Verbindungsteils bis zum Ventilschließkörper bzw. zu einer mit dem Ventilschließkörper zusammenwirkenden Ventilsitzfläche strömen kann. Außerdem weist das Verbindungsrohr einen über die gesamte Länge verlaufenden Längsschlitz auf, durch den aufgrund seines großflächigen hydraulischen Strömungsquerschnitts Brennstoff sehr schnell aus der inneren Durchgangsöffnung kommend strömen kann. Der größte Teil des abzuspritzenden Brennstoffs strömt bereits über die Länge des Verbindungsteils aus diesem heraus, während eine geringe Restmenge unmittelbar erst an der Kugeloberfläche aus dem Verbindungsteil austritt.
Aus der DE-OS 195 03 224 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil bekannt, das eine Ventilnadel aufweist, deren als Verbindungsteil 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 Schließkörperträgers entlang in Richtung zu einer Ventilsitzfläche, wobei er kurz vor der Ventilsitzfläche am äußeren Umfang des Schließkörperträgers ausgeformte Strömungskanäle durchströmt.
Hinlänglich bekannt ist es, wie auch der DE-OS 40 08 675 zu entnehmen ist, feste Verbindungen einzelner Bauteile von Ventilnadeln stoffschlüssig, z. B. mittels Schweißnähten zu erzielen.
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. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß eine äußerst einfache und kostengünstige Verbindung zwischen einem Schließkörperträger und einem kugelförmigen Ventilschließkörper erzielbar ist. Dabei ist der Schließkörperträger in einem Endbereich zum Umgreifen des Ventilschließkörpers derart ausgeformt, daß er einen oder mehrere Kanäle unmittelbar an der Oberfläche des Ventilschließkörpers bildet, durch die Brennstoff ungehindert von einer inneren Längsbohrung kommend in Richtung zu einer Ventilsitzfläche strömen kann. Mit geringem Fertigungsaufwand wird so eine optimale Zuströmung zum Zumeßbereich des Ventils erreicht. Gegenüber bekannten Ventilen entfallen einerseits Queröffnungen und Schlitze im Schließkörperträger und andererseits Anschliffe am Ventilschließkörper bzw. Durchströmnuten im Ventilsitzkörper.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektromagnetisch betätigbaren Ventils möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, den Ventilschließkörper mittels eines nichtstoffschlüssigen Fügeverfahrens, z. B. mittels Einpressen oder Bördeln, am Schließkörperträger zu befestigen. Von Vorteil ist es dann, wenn der Endbereich des Schließkörperträgers in stromabwärtiger Richtung noch über einen Kugeläquator des kugelförmigen Ventilschließkörpers hinausragt.
In besonders vorteilhafter Weise kann der Anker unmittelbar selbst als Schließkörperträger dienen, so daß zusammen mit dem Ventilschließkörper eine zweiteilige Ventilnadel vorliegt. Eine solche Ventilnadel ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar und weist durch die reduzierte Teileanzahl nur eine einzige Verbindungsstelle auf. In vorteilhafter Weise ist die Längsbohrung des Ankers mit Strömungsarmen ausgebildet, die unmittelbar in die Kanäle im Endbereich des Schließkörperträgers übergehen. Besonders effektiv sind solche Strömungsarme und die Kanäle mittels Räumen ausformbar.
In vorteilhafter Weise kann der Anker als Kaltpreßteil ausgeführt sein. Ebenso kann ein als Schließkörperträger dienendes Verbindungsteil fließgepreßt vorliegen. Beim Fließpressen lassen sich im Endbereich die Kanäle bildende Aussparungen sehr einfach ausbilden. Die Aussparungen müssen nicht mehr entgratet werden. In vorteilhafter Weise kann der Anker als Sinterteil oder MIM-Teil ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigbares Ventil, Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel, Figur 3 einen Schnitt durch die Ventilnadel gemäß Figur 2 entlang der Linie III-III, Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel und Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel.
Das in der Figur 1 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.
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. 58, 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 54 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 des Ankers 17 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 58 im Abdeckelement 3 erlaubt es, die Hülse 12 und somit auch den Kern 2 verlängert auszubilden, so daß beide Bauteile die Öffnung 58 durchragend über das Abdeckelement 3 hinausstehen.
An den unteren Leitabschnitt 8 des Ventilmantels 5 schließt sich ein Ventilsitzkörper 14 an, der eine feste Ventilsitzfläche 15 als Ventilsitz aufweist. Der Ventilsitzkörper 14 ist mit einer beispielsweise mittels eines Lasers erzeugten zweiten Schweißnaht 16 fest mit dem Ventilmantel 5 verbunden. Die Ventilnadel 13 wird von einem rohrförmigen Anker 17 und einem kugelförmigen Ventilschließkörper 18 gebildet, wobei der Anker 17 unmittelbar als Schließkörperträger dient. An der stromabwärtigen Stirnseite des Ventilsitzkörpers 14 ist z. B. in einer Vertiefung 19 eine flache Spritzlochscheibe 20 angeordnet, wobei die feste Verbindung von Ventilsitzkörper 14 und Spritzlochscheibe 20 z. B. durch eine umlaufende dichte Schweißnaht 21 realisiert ist. Der rohrförmige Anker 17 ist an seinem stromabwärtigen, der Spritzlochscheibe 20 zugewandten Ende mit dem kugelförmigen Ventilschließkörper 18 beispielsweise durch Bördeln fest verbunden, wobei im Verbindungsbereich Nuten oder Kanäle vorgesehen sind, so daß den Anker 17 in einer inneren Längsbohrung 23 durchströmender Brennstoff nach außen treten und unmittelbar am Ventilschließkörper 18 entlang bis zur Ventilsitzfläche 15 strömen kann.
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 17. Der Anker 17 ist mit dem dem Ventilschließkörper 18 abgewandten Ende auf den Kern 2 ausgerichtet.
Der kugelförmige Ventilschließkörper 18 wirkt mit der sich in Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 15 des Ventilsitzkörpers 14 zusammen, die in axialer Richtung stromabwärts einer Führungsöffnung 26 im Ventilsitzkörper 14 ausgebildet ist. Die Spritzlochscheibe 20 besitzt wenigstens eine, beispielsweise vier durch Erodieren oder Stanzen ausgeformte Abspritzöffnungen 27.
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 18 an der Ventilsitzfläche 15 des Ventilsitzkörpers 14 festgelegt, während sich die andere Endstellung der Ventilnadel 13 bei erregter Magnetspule 1 durch die Anlage des Ankers 17 am stromabwärtigen 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 22 sinnvoll ist.
In eine konzentrisch zu der Ventillängsachse 10 verlaufende Strömungsbohrung 28 des Kerns 2, die der Zufuhr des Brennstoffs in Richtung der Ventilsitzfläche 15 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 17 abstützt, wobei auch eine Einstellung der dynamischen Abspritzmenge mit der Einstellhülse 29 erfolgt.
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.
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 Verbindungsstabilität 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.
Figur 2 zeigt die Ventilnadel 13 in einem gegenüber der Figur 1 vergrößerten Maßstab. Der rohrförmige Anker 17 ist als Drehteil ausgeführt, das eine mehrfach gestufte Außenkontur besitzt. Am äußeren Umfang des Ankers 17 sind beispielsweise zwei ringförmige Führungsflächen 40 und 41 ausgeformt, die einerseits der Führung der axial beweglichen Ventilnadel 13 in der Hülse 12 und andererseits der Führung im Ventilsitzkörper 14 dienen. Der beispielsweise aus einem ferritischen Material (Chromstahl) gefertigte Anker 17 weist eine obere, dem Kern 2 zugewandte Anschlagfläche 42 auf, die mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist, z. B. verchromt ist.
Die innere Längsbohrung 23 im Anker 17 besitzt einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt, der jedoch z. B. nach jeweils 120° im Umfang unterbrochen ist, da sich von ihr heraus drei Strömungsarme 44 erstrecken. Die beispielsweise durch Räumen eingebrachten Strömungsarme 44 verlaufen dabei über die gesamte axiale Länge des Ankers 17. Die profilierte Innenkontur des Ankers 17 kann mittels sogenannten Innenräumens erzeugt werden, wobei das Räumwerkzeug mehrere gestaffelte Schneiden aufweist und eine geradlinige Schnittbewegung in der Längsbohrung 23 ausführt. An ihrem unteren, dem Ventilschließkörper 18 zugewandten Ende besitzt die innere Längsbohrung 23 eine konische Schulter 45, durch die sich die Längsbohrung 23 in stromabwärtiger Richtung erweitert und die als Anschlag für den Ventilschließkörper 18 dient. Von der Schulter 45 ausgehend erstreckt sich ein Endbereich 46 des Ankers 17 am Außenumfang des kugelförmigen Ventilschließkörpers 18 entlang, wobei die Strömungsarme 44 auch im Endbereich 46 für entsprechende Unterbrechungen sorgen.
Der kugelförmige Ventilschließkörper 18 weist einen senkrecht zur Ventillängsachse 10 verlaufenden Kugeläquator 48 auf, bis zu dem sich oder über den sich der Endbereich 46 in stromabwärtiger Richtung gesehen hinweg erstreckt. Anders ausgedrückt wird also wenigstens eine Halbkugel und damit der Radius des kugelförmigen Ventilschließkörpers 18 vom Anker 17 umgriffen. Der Endbereich 46 besitzt einen größeren Außendurchmesser als der Ventilschließkörper 18. Die feste Verbindung von als Schließkörperträger dienendem Anker 17 und Ventilschließkörper 18 wird beispielsweise durch Bördeln oder Pressen bzw. durch Einpressen und nachfolgendes Bördeln erzielt, wobei vor allen Dingen der Umgreifungsbereich stromabwärts des Kugeläquators 48 eine sichere Verbindung gewährleistet. Die Strömungsarme 44 der Längsbohrung 23 gehen im Bereich des Ventilschließkörpers 18 in schmale, zum Umfang des Endbereichs 46 hin offene Kanäle 49 über, durch die der in der Längsbohrung 23 zugeführte und an der Kugeloberfläche entlangströmende Brennstoff in Richtung zur Ventilsitzfläche 15 weitergeleitet wird. Diese Kanäle 49 werden beispielsweise im gleichen Räumvorgang wie die Strömungsarme 44 ausgebildet. Diese Ausführung der Ventilnadel 13 ermöglicht ein sehr einfaches Zuströmen des Brennstoffs zum Zumeßbereich des Einspritzventils. Figur 3 ist eine Schnittdarstellung eines Schnittes entlang der Linie III-III in Figur 2. Sie verdeutlicht hauptsächlich die Kontur der inneren Längsbohrung 23 im Anker 17 mit ihren drei jeweils um 120° ausgebildeten, radial nach außen verlaufenden Strömungsarmen 44.
In der Figur 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel 13 dargestellt, in dem die gegenüber dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel gleichbleibenden bzw. gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Ventilnadel 13 gemäß Figur 4 zeichnet sich durch eine etwas anders ausgeformte innere Längsbohrung 23 aus. Der nun als Kaltpreßteil vorliegende Anker 17 besitzt eine gestufte Längsbohrung 23, die einen durchgehend kreisförmigen Querschnitt aufweist. Am äußeren Umfang des Ankers sind wiederum Führungsflächen 40 und 41 vorgesehen, die der Führung der Ventilnadel 13 dienen. Ebenso erstreckt sich der Endbereich 46 des Ankers 17 über den Kugeläquator 48 des Ventilschließkörpers 18 in stromabwärtiger Richtung hinaus. Im Bereich der Schulter 45 beginnend sind im Endbereich 46 wiederum wenigstens eine, beispielsweise drei Nuten oder Kanäle 49 ausgeformt, die von der Längsbohrung 23 ausgehend eine axiale Erstreckungskomponente aufweisen und vom Brennstoff in Richtung zur Ventilsitzfläche 15 durchströmt werden. Der kugelförmige Ventilschließkörper 18 ist beispielsweise in die Längsbohrung 23 des Ankers 17 eingepreßt und/oder durch Bördeln im Endbereich 46 befestigt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilnadel 13 zeigt Figur 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Ventilnadel 13 sind der Anker 17 und der Ventilschließkörper 18 über ein hülsenförmiges Verbindungsteil 50 miteinander verbunden. Alle Verbindungen an der Ventilnadel 13 sind dabei mittels nichtstoffschlüssiger Fügeverfahren hergestellt. Der ferritische Anker 17, der beispielsweise ein Fließpreßteil darstellt, ist z. B. auf das stromaufwärtige Ende des Verbindungsteils 50 mit einem zentralen Haltebereich 53 aufgepreßt. Eine obere ringförmige Führungsfläche 40 zur Führung der Ventilnadel 13 bei ihrer Axialbewegung ergibt sich dadurch, daß der Anker 17 mit einem maßgenauen Ringschenkel 51 ausgeformt ist. Im Verbindungsbereich mit dem Anker 17 ist das beispielsweise ebenfalls fließgepreßte, jedoch austenitische Verbindungsteil 50 mit wenigstens einer sich axial erstreckenden schlitzförmigen Aussparung 52 versehen, durch die die Montage des Ankers 17 auf dem Verbindungsteil 50 verbessert wird.
Am stromabwärtigen Ende des Verbindungsteils 50 ist auf den äußeren Umfang des Verbindungsteils 50 ein Führungsring 55 aufgepreßt, der einen H-förmigen Querschnitt besitzt und die untere Führungsfläche 41 an seinem äußeren Umfang aufweist. Wie bereits beschrieben ist der kugelförmige Ventilschließkörper 18 wiederum durch Einpressen oder Bördeln fest verbunden, hier jedoch nicht mit dem Anker 17, sondern mit dem nun als Schließkörperträger dienenden Verbindungsteil 50. Die für den Brennstoffdurchtritt benötigten Nuten oder Kanäle 49 werden beim Fließpressen des Verbindungsteils 50 auf sehr einfache Weise einmal oder mehrfach ausgespart. Der kugelförmige Ventilschließkörper 18 ist auf Anschlag in das stromabwärtige Ende der den Brennstoff zuführenden Längsbohrung 23 eingebracht, wobei als Anschlag wiederum eine konische Schulter 45 dient. In vorteilhafter Weise müssen die beim Fließpressen des Verbindungsteils 50 eingebrachten Nuten oder Kanäle 49 bzw. Aussparungen 52 nicht entgratet werden. Des weiteren werden an dem Ventilschließkörper 18 keine Anschliffe zum Brennstoffdurchtritt benötigt, da dieser von der Längsbohrung 23 kommend an der Oberfläche des Ventilschließkörpers 18 entlang durch die Kanäle 49 ungehindert durchströmen kann.
Neben der Ausbildung des Schließkörperträgers 17, 50 als Drehteil oder Kaltpreßteil kommen auch Ausführungen als Sinterteil oder MIM(Metal Injection Moulding)-Teil in Frage.