Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen von Fluid nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, wobei der für ein strömendes oder fließendes Medium stehende, übergeordnet
Begriff Fluid in Übereinstimmung mit der Strömungslehre für Gase und Flüssigkeiten
verwendet wird.
[0002] Ein bekanntes Brennstoffeinspritzventil (
DE 101 08 945 A1) weist einen hülsenförmigen Düsenkörper auf, der von einem Ventilsitzkörper mit einer
von einem Ventilsitz umschlossenen Abspritzöffnung abgeschlossen ist. Im Düsenkörper
ist eine hohle Ventilnadel axial verschieblich angeordnet, die einen im Ventilsitzkörper
geführten, mit dem Ventilsitz einen Dichtsitz bildenden Schließkopf trägt. Die Ventilnadel
wird von einem Elektromagneten gegen die Schließkraft einer die Ventilnadel beaufschlagenden
Ventilschließfeder betätigt. Der Elektromagnet weist einen topfförmigen Außenpol,
einen hohlzylindrischen Innenpol und einen mit der ringförmigen Stirnfläche des Innenpols
einen Arbeitsluftspalt begrenzenden Anker auf, der axial verschieblich auf der Ventilnadel
sitzt. Innenpol und Außenpol sind durch ein amagnetisches Verbindungsbauteil miteinander
verbunden. Zur Verbesserung der Öffnungsdynamik des Einspritzventils und Erzielung
eines Dämpfungseffekts gegen Prellen beim Schließen des Einspritzventils besitzt das
Einspritzventil eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ankervorhubs, die einen an dem
schließkopffernen Ende der Ventilnadel fest angeordneten Mitnehmerflansch, einen auf
der vom Mitnehmerflansch abgekehrten Seite des Ankers auf der Ventilnadel festgelegten
Ankeranschlag und eine Vorhubfeder aufweist. Die Vorhubfeder sitzt innerhalb des Innenpols
auf einem ringförmigen Einstich im Mitnehmerflansch und stützt sich einerseits am
Mitnehmerflansch und andererseits am Anker ab. Bei geschlossenem Einspritzventil ist
durch die Ventilschließfeder über die Ventilnadel der Schließkopf auf den Ventilsitz
aufgepresst. Der Anker liegt, beaufschlagt von der Vorhubfeder, am Ankeranschlag an.
Bei Erregung des Elektromagneten wird durch das Magnetfeder der Anker entgegen Federkraft
der Rückstellfeder sowie der Vorhubfeder in Hubrichtung bewegt. Der Hub des Ankers
ist dabei in einen Vorhub oder Ankerfreiweg, der zum Schließen eines Vorhubspalts
dient, und einen Öffnungshub aufgeteilt. Nach Schließen des Vorhubspalts nimmt der
Anker über den Mitnehmerflansch die Ventilnadel mit, und mit Einsetzen des Öffnungshubs
hebt der Schließkopf vom Ventilsitz ab.
Offenbarung der Erfindung
[0003] Das erfindungsgemäße Zumessventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass durch die Verlagerung der Vorhubfeder in den Bereich des Ankers das Ventil deutlich
kürzer gebaut werden kann. Ein dadurch konstruktiv bedingter kurzer Führungsbereich
des Ankers auf der Ventilnadel, verbunden mit der indirekten, radialen Abstützung
der Ventilnadel über den Anker, kann zu einem unerwünschten Verkippen des Ankers auf
der Ventilnadel und damit zu einem Verkippen der dem Innenpol zugekehrten Stirnfläche
des Ankers, die den Arbeitsluftspalt begrenzt, führen. Dem wird erfindungsgemäß durch
die Zweiteiligkeit des Ankers begegnet. Die fest mit der Ventilnadel verbundene Ankerführungsscheibe
ist außen axial geführt und begrenzt den Arbeitsluftspalt. Damit ist ein Verkippen
der innenpolseitigen Ankerfläche ausgeschlossen. Der Ankerfreiweg oder Vorhubspalt
für den Ankervorhub ist zwischen Ankerführungsscheibe und dem relativ zur Ventilnadel
auf der Ventilnadel verschiebbaren Ankerring verlegt, der in einem längeren Ringabschnitt
die Vorhubfeder überdeckt und mit einem kürzeren Ringabschnitt auf der Ventilnadel
geführt ist. Die Führung der Ankerführungsscheibe im amagnetischen Tennbereich zwischen
Außen- und Innenpol verhindert einen unerwünschten, direkten Magnetfluss zwischen
Ankerführungsscheibe und Außenpol.
[0004] Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
[0005] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind am Umfang der Ankerführungsscheibe
mehrere, winkelversetzte Führungsflächen ausgebildet. Dadurch wird eine radiale Rundumabstützung
der Ankerführungsscheibe - und damit der Ventilnadel - mit nur minimalen Reibungsverlusten
beim Ankerhub geschaffen.
[0006] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem ersten Ringabschnitt
des Ankerrings zwischen dem Ankerring und der Ventilnadel eine mit dem Ankerring fest
verbundene, amagnetische Führungsbuchse angeordnet. Die amagnetische Führungsbuchse
sorgt bei einer Ventilnadel aus einem magnetischen Werkstoff für eine magnetische
Trennung zwischen Ventilnadel und Ankerring.
[0007] Der gleiche Effekt wird gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung durch
einen über den ersten Ringabschnitt des Ankerrings sich erstreckenden, amagnetischen
Bereich der ansonsten magnetischen Ventilnadel erzielt. In diesem Fall kann die Führungsbuchse
durch einen mit dem ersten Ringabschnitt des Ankerrings einstückig ausgebildeten,
über die Innenwand des zweiten Ringabschnitts überstehenden Führungsbund ersetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0008] Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt eines Ventils zum Zumessen von Fluid mit einem Elektromagneten
zur Ventilsteuerung,
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in Figur 1 mit einer Modifikation
des Ankers des Elektromagneten,
Figur 3 eine Unteransicht des Ankers in Richtung Pfeil III in Figur 2.
[0009] Das in Figur 1 im Längsschnitt dargestellte Ventil zum Zumessen von Fluid wird bevorzugt
als Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einer
[0010] Kraftstoffeinspritzanlage von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Es kann jedoch auch
in Gasmotoren oder in Heizungsanlagen zum dosierten Zumessen von fluidem Brennstoff
oder als Dosierventil zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt einer
Brennkraftmaschine zwecks Reduzierung von Stickoxiden Verwendung finden.
[0011] Das Ventil weist einen Ventilsitzkörper 11 mit einer von einem Ventilsitz 12 umschlossenen
Zumessöffnung 13, eine mittels eines Schließkopfs 15 die Zumessöffnung 13 steuernde
Ventilnadel 14, die über den Schließkopf 15 im Ventilsitzkörper 11 geführt ist, eine
die Ventilnadel 14 beaufschlagende Ventilschließfeder 16, die zum Schließen der Zumessöffnung
13 den Schließkopf 15 auf dem Ventilsitz 12 aufpresst, und einen die Ventilnadel 14
gegen die Schließ- oder Federkraft der Ventilschließfeder 16 betätigenden Elektromagneten
17 auf. Der Elektromagnet 17 besitzt in bekannter Weise einen Innenpol 18, einen Außenpol
19 mit einem amagnetischen Trennbereich 20 zum Innenpol 18 und einen auf der Ventilnadel
14 sitzenden, mit dem Innenpol 18 einen Arbeitsluftspalt 21 des Elektromagneten 17
begrenzenden Anker 22. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenpol 19 von
einem topfförmigen Magnetgehäuse 23, der Innenpol 18 von einen hohlzylindrischen Magnetkern
24 und der amagnetische Trennbereich 20 von einem separaten Trennring 25 gebildet,
der stirnseitig am Topfboden des Magnetgehäuses 23 anliegt und den hohlzylindrischen
Magnetkern 24 axial übergreift. Im Magnetgehäuse 23 ist eine Magnetspule 26, bestehend
aus einem am Trennring 25 anliegenden Spulenträger 27 und einer auf dem Spulenträger
27 aufgewickelten Erregerwicklung 28, aufgenommen. Oberhalb der Topföffnung des Magnetgehäuses
23 ist ein magnetischer Rückschluss 29 vom Magnetgehäuse 23 zum Magnetkern 24 hergestellt.
Die Erregerwicklung 28 der Magnetspule 26 ist über Kontaktstreifen 30 mit einem elektrischen
Anschlussstecker 31 verbunden. Auf den hohlzylindrischen Magnetkern 24 ist stumpf
ein hohlzylindrisches Anschlussstück 32 koaxial aufgesetzt, in dem ein Fluidzulauf
33 ausgebildet ist. Das Anschlussstück 32, ein Teil des Magnetkerns 24 und der elektrische
Anschlussstecker 31 sind in eine Kunststoffummantelung 34 eingebunden, die das Magnetgehäuse
23 teilweise axial übergreift. Das Magnetgehäuse 23 ist mit einem gestuften Topfboden
versehen, und eine Ventilhülse 35 verbindet den Ventilsitzkörper 11 mit dem im Durchmesser
kleinsten Abschnitt des Topfbodens. Die in der Ventilhülse 35 sich koaxial erstreckende,
hohlzylindrische Ventilnadel 14 ragt in den hohlzylindrischen Magnetkern 24 hinein
und ist stirnseitig offen. Im Magnetkern 24 ist der Ventilnadel 14 ein Filter 36 vorgeordnet.
Das über den Fluidzulauf 33 in das Ventil einströmende Fluid tritt radial in den Filter
36 ein und axial aus dem Filter 36 aus und strömt durch die hohle Ventilnadel 14 und
über Radialbohrungen 37 der Ventilnadel 14 im Bereich der Ventilhülse 35 zur Zumessöffnung
13, so dass der Schließkopf 15 von dem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt ist.
Die Ventilschließfeder 16 ist im Innern des hohlzylindrischen Magnetkerns 24 angeordnet,
sitzt auf der Ventilnadel 14 und stützt sich axial einerseits an der Ventilnadel 14
und andererseits an dem fest in den Magnetkern 24 eingepressten Filter 36 ab, der
zugleich ein Justierelement zur Einstellung der Schließkraft der Ventilschließfeder
16 bildet.
[0012] Zur Verbesserung der Öffnungsdynamik des Ventils ist eine Vorrichtung zum Erzeugen
eines Ankervorhubs oder eines Ankerfreiwegs vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen
an der Ventilnadel 14 fest angeordneten Ankeranschlag 38 und eine den Anker 22 in
Richtung Ankeranschlag 38 beaufschlagende Vorhubfeder 39, die zur Verkürzung der axialen
Baulänge des Ventils innerhalb des Ankers 22 auf der Ventilnadel 14 angeordnet ist.
Um wegen der dadurch verkürzten axialen Führung des Ankers 22 auf der Ventilnadel
14 der Gefahr eines Verkippens des Ankers 22 auf der Ventilnadel 14 zu begegnen, ist
der in Figur 2 in vergrößerter Schnittdarstellung und in Figur 3 in vergößerter Unteransicht
zu sehende Anker 22 axial in eine Ankerführungsscheibe 221 und in einen Ankerring
222 unterteilt. Die Ankerführungsscheibe 221 ist fest mit der Ventilnadel 14 verbunden
und begrenzt mit ihrer innenpolseitigen Ringfläche den Arbeitsluftspalt 21 des Elektromagneten
17. Die Ankerführungsscheibe 221 ist axial verschieblich im amagnetischen Trennbereich
20 des Außenpols 19, also im Trennring 25, geführt und weist hierzu am Außenumfang
mehrere winkelversetzte Führungsflächen 221 a auf (Figur 3). Der Ankerring 222 sitzt
axial verschieblich auf der Ventilnadel 14 zwischen Ankerführungsscheibe 221 und Ankeranschlag
38. Sein den Ankerfreiweg oder-vorhub 41 bildender Verschiebeweg auf der Ventilnadel
14 ist einerseits durch den Ankeranschlag 38 und andererseits durch die Ankerführungsscheibe
221 begrenzt. Der Ankerring 222 ist so positioniert, dass ein radialer Magnetfluss
zwischen Außenpol 19 bzw. Magnetgehäuse 23 und dem Ankerring 222 sichergestellt ist.
Der Außendurchmesser des Ankerrings 222 ist so gewählt, dass bei dessen Verschiebung
ein mechanischer Kontakt zum Außenpol 19 bzw. Magnetgehäuse 23 ausgeschlossen ist.
Der Ankerring 222 weist einen axial kürzeren ersten Ringabschnitt 222a mit kleinerem
Innendurchmesser und einen axial längeren zweiten Ringabschnitt 222b mit größerem
Innendurchmesser auf. Aufgrund dieser Durchmesserdifferenz ist am ersten Ringabschnitt
222a ein über die Innenwand des zweiten Ringabschnitts 222b radial überstehender,
einstückiger Führungsbund vorhanden. Das in Figur 2 für eine später beschriebene Modifikation
des Ankers 22 dargestellte und mit 40 bezeichnete Bauteil stellt in diesem Zusammenhang
diesen Führungsbund dar, der im übrigen in Figur 1 als einstückiger Bestandteil des
Ankerrings 22 zu erkennen ist. Mit dem Führungsbund am ersten Ringabschnitt 222a ist
der Ankerring 222 auf der Ventilnadel 14 axial verschieblich geführt. Der zweite Ringabschnitt
222b umschließt aufgrund seines größeren Innendurchmessers die auf der Ventilnadel
14 sitztende Vorhubfeder 39 mit radialem Abstand. Die Vorhubfeder 39 stützt sich einerseits
an der Ankerführungsscheibe 221, und damit an der Ventilnadel 14, und andererseits
am Ankerring 222 ab, wobei die ankerringseitige Abstützung an dem Führungsbund, und
zwar an dessen ringförmigen Stirnfläche, vorgenommen ist.
[0013] Die Ventilnadel 14 ist vorzugsweise amagnetisch, besteht also aus einem magnetisch
nicht oder nur schlecht leitenden Werkstoff. Ist die Ventilnadel 14 magnetisch, besteht
also aus einem magnetisch gut leitenden Werkstoff, so ist in der Ventilnadel 14 ein
Nadelabschnitt amagnetisch ausgebildet, der sich über den ersten Ringabschnitt 222a
erstreckt. Dieser amagnetische Nadelabschnitt sorgt für eine magnetische Trennung
zwischen Ankerring 222 und Ventilnadel 14.
[0014] Alternativ kann bei einer Ventilnadel 14 aus magnetischem Werkstoff die magnetische
Trennung von Ventilnadel 14 und Anker 22 in den Ankerring 222 verlegt werden. Hierzu
weist der auf der Ventilnadel 14 sitzende Führungsbund des ersten Ringabschnitts 222a
einen großen magnetischen Widerstand auf. Dies ist in einer in Figur 2 dargestellten
Modifizierung des Ankers 22 fertigungstechnisch vorteilhaft dadurch realisiert, dass
der Führungsbund durch eine separate Führungsbuchse 40 aus einem magnetisch nicht
oder nur schlecht leitenden Werkstoff ersetzt ist, die fest mit dem Ankerring 222
verbunden ist. Vorteilhaft ist dazu der Innendurchmesser des ersten Ringabschnitts
222a gleich dem Innendurchmesser des zweiten Ringabschnitts 222b gemacht und die Führungshülse
40 zwischen dem ersten Ringabschnitts 222a und der Ventilnadel 14 angeordnet. Die
Führungshülse 40 übernimmt die Führung des Ankerrings 222 auf der Ventilnadel 14 und
mit ihrer ringförmigen Stirnfläche die ankerringseitige Abstützung der Vorhubfeder
39.
[0015] Im unbestromten Zustand des Elektromagneten 17 ist der Schließkopf 15 von der die
Ventilnadel 14 über die mit der Ventilnadel 14 fest verbundene Ankerführungsscheibe
221 beaufschlagenden Ventilschließfeder 16 auf den Ventilsitz 12 aufgedrückt und somit
die Zumessöffnung 13 verschlossen. Zwischen der Ankerführungsscheibe 221 und dem Innenpol
18 bzw. dem Magnetkern 24 besteht der Arbeitsluftspalt 21des Elektromagneten 17. Der
Ankerring 222 ist durch die Vorhubfeder 39 an den Ankeranschlag 38 angelegt, wobei
sich zwischen der Ankerführungsscheibe 221 und dem Ankerring 22 ein dem Ankerfreiweg
oder -vorhub 41 darstellender axialer Spalt einstellt.
[0016] Wird der Elektromagnet 17 bestromt, so bleibt die Ankerführungsscheibe 221 durch
die Druckkraft der Ventilschließfeder 16 in der beschriebenen Position. Der Ankerring
222 wird durch die Magnetkraft in Richtung Ankerführungsscheibe 221 beschleunigt.
Erreicht der Ankerring 222 die Ankerführungsscheibe 221, überträgt er seinen mechanischen
Impuls auf die Ankerführungsscheibe 221 und damit auf die Ventilnadel 14, so dass
der Schließkopf 15 beginnt, von dem Ventilsitz 12 abzuheben. Ankerring 222, Ankerführungsscheibe
221 und Ventilnadel 14 bewegen sich gemeinsam, bis die Ankerführungsscheibe 221 den
Innenpol 18 bzw. Magnetkern 24 erreicht. Das Ventil ist voll geöffnet. Bei Wegfall
der Bestromung der Magnetspule 26 schiebt die Ventilschließfeder 16 die Ventilnadel
14 mit Anker 22 zurück, bis der Schließkopf 15 sich auf den Ventilsitz 12 aufpresst
und die Zumessöffnung 13 verschließt. Die Vorhubfeder 39 drückt den Ankerring 222
gegen den Ankeranschlag 38 und stellt zwischen Ankerring 222 und Ankerführungsscheibe
221 den Spalt für den Ankerfreiweg oder -vorhub 41 wieder ein.
1. Ventil zum Zumessen von Fluid mit einer in einem Ventilsitzkörper (11) ausgebildeten
Zumessöffnung (13), mit einer die Zumessöffnung (13) mittels eines Schließkopfs (15)
steuernden, axial verschieblichen Ventilnadel (14), die über den Schließkopf (15)
im Ventilsitzkörper (11) geführt ist, mit einem die Ventilnadel (14) gegen die Schließkraft
einer Ventilschließfeder (16) betätigenden Elektromagneten (17), der einen Innenpol
(18), einen Außenpol (19) mit einem amagnetischen Trennbereich (20) zum Innenpol (18)
und eine auf der Ventilnadel (14) sitzenden, mit dem Innenpol (18) einen Arbeitsluftspalt
(21) des Elektromagneten (17) begrenzenden Anker (22) aufweist, und mit einer Vorrichtung
zum Erzeugen eines Ankervorhubs, die einen an der Ventilnadel (14) fest angeordneten
Ankeranschlag (38) und eine den Anker (22) in Richtung Ankeranschlag (38) beaufschlagende
Vorhubfeder (39) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (22) in eine mit der Ventilnadel (14) fest verbundene Ankerführungsscheibe
(221), die an ihrem Scheibenumfang im amagnetischen Trennbereich (20) axial verschieblich
geführt ist und mit ihrer ringförmigen Scheibenfläche den Arbeitsluftspalt (21) begrenzt,
und einen zwischen Ankerführungsscheibe (221) und Ankeranschlag (28) angeordneten
Ankerring (222) unterteilt ist, der einen ersten Ringabschnitt (222a) und einen zweiten
Ringabschnitt (222b) aufweist, und dass der Ankerring (222) mit dem ersten Ringabschnitt
(222a) auf der Ventilnadel (14) axial verschieblich geführt und die Vorhubfeder (39)
im zweiten Ringabschnitt (222b) auf der Ventilnadel (14) angeordnet und am Ankerring
(222) und an der Ankerführungsscheibe (221) axial abgestützt ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang der Ankerführungsscheibe (221) mehrere winkelversetzte Führungsflächen
(221a) ausgebildet sind.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (14) aus einem magnetischen Werkstoff besteht und im ersten Ringabschnitt
(222a) des Ankerrings (222) zwischen dem Ankerring (222) und der Ventilnadel (14)
eine auf der Ventilnadel (14) gleitgeführte und mit dem Ankerring (222) fest verbundene
Führungsbuchse (40) aus einem amagnetischen Werkstoff angeordnet ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ankerringseitige Abstützung der Vorhubfeder (39) an der Führungsbuchse (40) vorgenommen
ist.
5. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (14) aus einem amagnetischen Werkstoff besteht oder zumindest einen
über den ersten Ringabschnitt (222a) des Ankerrings (222) sich erstreckenden Nadelabschnitt
aus einem amagnetischen Werkstoff aufweist und dass der erste Ringabschnitt (222a)
einen über die Innenwand des zweiten Ringabschnitts (222b) radial überstehenden, einstückig
angeformten Führungsbund aufweist, der auf der Ventilnadel (14) gleitgeführt ist.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ankerringseitige Abstützung der Vorhubfeder (39) an dem Führungsbund vorgenommen
ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenpol (19) von einem topfförmigen Magnetgehäuse (23), der Innenpol (18) von
einem hohlzylindrischen Magnetkern (24) und der amagnetische Trennbereich (20) von
einem stirnseitig an dem Magnetgehäuse (23) ansetzenden Trennring (25) gebildet ist,
der den Innenpol (18) übergreift, und dass auf dem Trennring (25) einem im Magnetgehäuse
(23) aufgenommene Magnetspule (26) fest angeordnet ist.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im hohlzylindrischen Magnetkern (24) die Ventilschließfeder (16) angeordnet ist,
die sich an einem in den Magnetkern (24) fest eingesetzten Justierelement und an der
Ankerführungsscheibe (221) axial abstützt.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (14) hohl ausgebildet und zu einem Fluidzulauf (33) hin offen ist
und stromabwärts des Ankeranschlags (38) Radialbohrungen (37) aufweist und dass der
Ventilsitzkörper (11) über eine Ventilhülse (35) mit dem Magnetgehäuse (36) fest verbunden
ist, die die Ventilnadel (14) mit Radialabstand umschließt.