Ventil zum Zumessen von Fluid

Abstract

 Es wird ein Ventil zum Zumessen von Fluid angegeben, das einen Elektromagneten (15) zum Betätigen einer eine Zumessöffnung steuernden Ventilnadel (13) aufweist. Der Elektromagnet (15) weist einen Außenpol (21), einen hohlzylindrischen Innenpol (22), einen auf der Ventilnadel (13) verschiebbaren Anker (23) und einen vom Anker (23) und Innenpol (22) begrenzten Arbeitsluftspalt (24) auf. Auf voneinander abgekehrten Seiten des Ankers (23) sind auf der Ventilnadel (13) ein Mitnehmer (25) und ein Ankeranschlag (27) jeweils fest angeordnet, die einen gegenüber der axialen Spaltbreite des Arbeitsluftspalts (24) kleineren Frei- oder Vorhubweg (26) des Ankers (23) relativ zur Ventilnadel (13) begrenzen. Ventilnadel (13) und Mitnehmer (25) bestehen aus einem magnetisch leitenden Werkstoff, und zwischen Anker (23) und Ventilnadel (13) ist eine fest mit dem Anker (23) verbundene amagnetische Trennhülse (33) mit einer mit einer Anschlagschulter (251) am Mitnehmer (25) zusammenwirkenden Anschlagfläche (331) angeordnet.

Beschreibung

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, übergeordnete 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 der Abspritzöffnung eine Ventilkammer vorgelagert, die mit einem Brennstoffzulauf in Verbindung steht. In den Düsenkörper taucht eine die Abspritzöffnung steuernde Ventilnadel ein, die einen mit dem Ventilsitz einen Dichtsitz bildenden Schließkopf trägt. Die Ventilnadel ist an dem vom Schließkopf abgekehrten Nadelende von einer Ventilschließfeder beaufschlagt, die den Schließkopf auf den Ventilsitz aufpresst, so dass die Abspritzöffnung verschlossen ist. Das Freigeben der Abspritzöffnung wird durch einen Elektromagneten bewirkt, der die Ventilnadel gegen die Kraft der Ventilschließfeder zu einem den Schließkopf vom Ventilsitz abhebenden Hub antreibt. Bei Bestromung des Elektromagneten entsteht ein Magnetfluss, der über einen Außenpol, einen Innenpol, einen auf der Ventilnadel axial verschiebbar sitzenden Anker und einen zwischen Anker und Innenpol eingeschlossenen Arbeitsluftspalt verläuft und im Arbeitsluftspalt eine Magnetkraft erzeugt, die den Anker zur Hubbewegung in Richtung Innenpol antreibt. Auf der Ventilnadel ist ein Mitnehmer fest angeordnet, der im Innern des hohlzylindrischen Innenpols axial verschieblich geführt ist und einen ersten Ankeranschlag für den Anker aufweist. Auf der vom Mitnehmer abgekehrten Seite des Ankers ist auf der Ventilnadel ein zweiter Ankeranschlag festgelegt, an den der Anker durch eine zwischen Anker und Mitnehmer sich abstützende Vorhubfeder angedrückt ist. Bei Bestromen des Elektromagneten führt der Anker zunächst einen Freiweg oder Vorhub relativ zur Ventilnadel aus, bis er an dem ersten Ankeranschlag am Mitnehmer anschlägt, der Ventilnadel einen mechanischen Öffnungsimpuls verleiht und über den Mitnehmer die Ventilnadel mitnimmt, wodurch der Schließkopf beginnt, sich vom Ventilsitz abzuheben. Am Ende des vollständigen Ankerhubs schlägt der Anker an der Polfläche des Innenpols an, und die Abspritzöffnung ist vollständig freigegeben, so dass der in der Ventilkammer unter Druck stehende Brennstoff über die Abspritzöffnung in einer dosierten Menge abgespritzt wird. Bei Wegfall der Bestromung des Elektromagneten drückt die Ventilschließfeder über die Ventilnadel den Schließkopf auf den Ventilsitz auf und die Vorhubfeder den Anker gegen den zweiten Ankeranschlag.

Offenbarung der Erfindung

[0003] Das erfindungsgemäße Ventil zum Zumessen von Fluid mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass einerseits ein für die Ventilnadel preiswerter, ferromagnetischer Werkstoff eingesetzt werden kann und andererseits durch die kompakte, aus magnetisch nicht oder nur schlecht leitendem Material bestehende, amagnetische Trennhülse als fester Bestandteil des Ankers ein Magnetfluss über die Ventilnadel zum Innenpol unterbunden und damit ein Flussverlust zwischen Anker und Innenpol, verbunden mit einem Absenken der Magnetkraft, verhindert wird. Die Verlagerung der am Anker erforderlichen Anschlagfläche zur Ventilnadelmitnahme am Ende des Ankervorhubs oder -freiwegs auf die amagnetische Trennhülse verhindert auch eine Schwächung der Magnetkraft in dem an den Ankervorhub sich anschließenden Arbeitshub des Ankers bis zum Anschlagen an der Polfläche des Innenpols. Durch diese bereits innerhalb des Ankers erzielte Blockierung des Magnetflusses in die Ventilnadel kann auf eine magnetische Isolierung des Mitnehmers innerhalb seines Führungsbereichs im hohlzylindrischen Innenpol verzichtet werden und damit die radiale Abmessung des Mitnehmers und demzufolge der lichte Durchmesser des Innenpols klein gehalten werden, so dass der Innenpol dem Anker eine größere Polfläche zu bieten vermag oder die radialen Außenmaße von Innenpol und Anker reduziert werden können. Die Trennhülse ist als separates Bauteil gefertigt und fest mit dem Anker verbunden, vorzugsweise in den Anker eingepresst oder mit dem Anker verschweißt. Alternativ können Anker und Trennhülse einstückig in einem 2K-MIM-Prozess hergestellt werden.

[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 ist zwischen Trennhülse und Ventilnadel ein Führungsbereich für den relativ zur Ventilnadel axial verschiebbaren Anker vorhanden, der vorteilhaft zwei voneinander axial beabstandete, ringförmige Führungsflächen aufweist, wovon die eine Führungsfläche auf dem Umfang eines fest mit der Ventilnadel verbundenen Rings angeordnet ist, auf dem sich die Trennhülse radial abstützt, und die andere Führungsfläche zentral in einem die Trennhülse abschließenden Hülsenboden ausgebildet ist, der sich auf der Ventilnadel radial abstützt. Die Aufteilung des Führungsbereichs auf zwei axial voneinander beabstandete Führungsflächen ermöglicht eine einfache Integration der Vorhubfeder in die Trennhülse, was zu einem axial kurz bauenden Ventil führt. Die die beiden Führungsflächen tragenden Bauelemente Ring und Hülsenboden sind zugleich zur axialen Abstützung der Vorhubfeder genutzt.

[0006] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung steht die Trennhülse über das dem Ankeranschlag zugekehrte Stirnende des Ankers über. Dieser Überstand ermöglicht einen größeren axialen Abstand zwischen den beiden Führungsflächen, wodurch die Gefahr des Verkippens des Ankers auf der Ventilnadel weiter reduziert ist.

[0007] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im Überstandsbereich der Trennhülse mindesten eine im Innern der Trennhülse mündende Radial- oder Querbohrung eingebracht. Dadurch ist der Aufnahmeraum für die Vorhubfeder geöffnet.

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 ausschnittweise einen Schnitt eines Ventils zum Zumessen von Fluid mit einem in Seitenansicht dargestellten Anker eines Elektromagneten zur Ventilsteuerung,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in Figur 1 mit im Schnitt dargestelltem Anker.

[0009] Das in Figur 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Ventil zum Zumessen von Fluid wird bevorzugt als Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einer 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 fluiden Reduktionsmittels in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zwecks Reduzierung von Stickoxiden Verwendung finden.

[0010] Das Ventil weist eine mit einem Fluidzulauf 11 in Verbindung stehende Zumessöffnung 12 sowie eine die Zumessöffnung 12 mittels eines Schließkopfs 131 steuernde Ventilnadel 13 auf, die zum Schließen der Zumessöffnung 12 von einer Ventilschließfeder 14 beaufschlagt ist und zum Freigeben der Zumessöffnung 12 von einem Elektromagneten 15 gegen die Schließkraft der Ventilschließfeder 14 betätigt wird. Der Schließkopf 131 ist in einem Ventilsitzkörper 16 geführt, der die Zumessöffnung 12 und einen die Zumessöffnung 12 umschließenden, mit dem Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 einen Dichtsitz bildenden Ventilsitz 17 aufweist. Der Ventilsitzkörper 16 schließt ein zumessseitiges Ende einer Ventilhülse 18 fluiddicht ab, die mit ihrem anderen Ende an einem einen Radialflansch 191 aufweisenden, hohlen Ventilkörper 19 fest angebunden, z. B. angeschweißt, ist

[0011] Der Elektromagnet 15 weist eine Magnetspule 20 auf, die über einen nicht dargestellten Anschlussstecker am Ventil bestrombar ist. Bei Bestromung der Magnetspule 20 bildet sich im Elektromagneten 15 ein Magnetfluss aus, der über einen Außenpol 21, einen hohlzylindrischen Innenpol 22, einen auf der Ventilnadel 13 axial verschiebbaren Anker 23 und einen von Anker 23 und Innenpol 22 begrenzten Arbeitsluftspalt 24 verläuft. Auf der Ventilnadel 13 ist ein Mitnehmer 25 fest angeordnet, z.B. verschweißt oder einstückig angeformt, der in das hohlzylindrische Innere des Innenpols 22 eintaucht und darin axial verschieblich geführt ist. Der Mitnehmer 25 besitzt eine radiale Anschlagschulter 251 für den Anker 23, die einen gegenüber der axialen Spaltbreite des Arbeitsluftspalts 24 kleineren Freiweg oder Vorhubweg 26 des Ankers 23 relativ zur Ventilnadel 13 begrenzt (Figur 2). Dieser Vorhubweg 26 des Ankers 23 wird durch einen Ankeranschlag 27, der auf der vom Mitnehmer 25 abgekehrten Seite des Ankers 23 auf der Ventilnadel 13 fest angeordnet, z. B. verschweißt oder einstückig angeformt, ist und einer Freiweg- oder Vorhubfeder 28 festgelegt, die den Anker 13 an den Ankeranschlag 27 andrückt. Der Frei- oder Vorhubweg 26 des Ankers 23 ermöglicht bei Bestromen der Magnetspule 20 des Elektromagneten 15 ein Abheben des Ankers 23 vom Ankeranschlag 27, ohne dass die Ventilnadel 13 mitgeführt wird und der Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 vom Ventilsitz 17 abhebt. Der durch die Magnetkraft in Richtung Mitnehmer 25 beschleunigte Anker 23 schlägt an die Anschlagschulter 251 des Mitnehmers 25 an und überträgt dadurch einen mechanischen Impuls auf die Ventilnadel 13, der das Abheben des Schließkopfs 131 vom Ventilssitz 17 fördert, so dass die Öffnungsdynamik des Ventils verbessert ist.

[0012] In dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen des Ventils ist konstruktiv der Innenpol 22 von einem hohlzylindrischen Magnetkern 30 gebildet und umfasst der Außenpol 21 den Ventilkörper 19 und eine konzentrisch zur Magnetspule 20 auf dem Radialflansch 191 des Ventilkörpers 19 sitzende Magnethülse 31. Die Magnethülse 31 ist auf dem Ventilkörper 19 verschweißt und über einen magnetischen Rückschluss 32 an den Magnetkern 30 angebunden. Magnetkern 30, Magnethülse 31, Ventilkörper 19 und Anker 23 bestehen üblicherweise aus einem magnetisch gut leitenden Werkstoff, z. B. einem ferromagnetischen Material. Ventilkörper 19 und Magnetkern 30 sind fest miteinander verbunden, was zur Vermeidung eines den Anker 23 überbrückenden, magnetischen Kurzschlusses zwischen Innen- und Außenpol 22, 21 über ein amagnetisches Zwischenteil 29 mit einem hohen magnetischen Widerstand erfolgt.

[0013] Aus Gründen einer kostengünstigen Fertigung des Ventils ist die Ventilnadel 13 mit vorzugsweise angeformten Mitnehmer 25, Ankeranschlag 27 und Schließkopf 131 aus einem magnetisch leitendem Werkstoff, z. B. einem ferromagnetischen Material, hergestellt. Um einen Magnetfluss vom Anker 23 über die Ventilnadel 13 und den Mitnehmer 25 zum Innenpol 22 und damit einen Flussverlust über den Arbeitsluftspalt 24 zu verhindern, ist zwischen Anker 23 und Ventilnadel 13 eine amagnetische Trennhülse 33 angeordnet, die fest mit dem Anker 23 verbunden ist, z. B. zentral in den Anker 23 eingepresst und/oder mit dem Anker 23 verschweißt ist. Alternativ sind Anker 23 und Trennhülse 33 einstückig in einem 2K-MIM-Prozess hergestellt. Unter amagnetisch wird ein magnetisch nicht oder nur schlecht leitendes Material verstanden, also ein Material mit einem sehr hohen magnetischen Widerstand. An der Trennhülse 33 sind an voneinander abgekehrten Stirnenden eine mit der Anschlagschulter 251 am Mitnehmer 25 zusammenwirkende erste Anschlagfläche 331 und eine mit dem Ankeranschlag 27 zusammenwirkende zweite Anschlagfläche 332 ausgebildet. Zwischen Trennhülse 33 und Ventilnadel 13 ist ein Führungsbereich für den relativ zur Ventilnadel 13 axial verschiebbaren Anker 23 vorgesehen, der so gestaltet ist, dass einerseits die auf der Ventilnadel 13 angeordnete Vorhubfeder 28 in die Trennhülse 33 integriert werden kann und andererseits ein Verkippen des Ankers 23 auf der Ventilnadel 13 weitgehend unterbunden ist. Hierzu weist der Ankerführungsbereich zwei axial voneinander beabstandete, ringförmige Führungsflächen 34 und 35 auf. Die eine Führungsfläche 34 bildet der Außenmantel eines auf der Ventilnadel 13 befestigten Rings 36, auf dem sich die Trennhülse 33 radial abstützt, und die andere Führungsfläche 35 ist zentral in einem Hülsenboden 333 ausgebildet, der die Trennhülse 33 an ihrem dem Ankeranschlag 27 zugekehrten Ende abschließt und sich auf der Ventilnadel 13 abstützt. Die Vorhubfeder 28 sitzt in einem zwischen den beiden Führungsflächen 34 und 35 vorhandenen sog. Vorhubfederraum 43 lose auf der Ventilnadel 13 und stützt sich axial zwischen dem Ring 36 und dem Hülsenboden 333 ab. Die mit der Anschlagschulter 251 am Mitnehmer 25 kommunizierende erste Anschlagfläche 331 ist am Öffnungsrand der Trennhülse 33 und die mit dem Ankeranschlag 27 kommunizierende zweite Anschlagfläche 332 ist am Hülsenboden 333 ausgebildet.

[0014] Um einen größeren Axialabstand zwischen den beiden Führungsflächen 34 und 35 zu erzielen, der die Gefahr des Verkippens des Ankers 23 auf der Ventilnadel 13 weiter reduziert, steht die Trennhülse 33 über das dem Ankeranschlag 27 zugekehrte Stirnende des Ankers 23 über. Dieser Überstand eröffnet zudem die Möglichkeit, hier mindestens eine die Hülsenwand vollständig durchdringende Quer- oder Radialbohrung 37 in die Trennhülse 33 einzubringen, um den Vorhubfederraum 43 zwischen dem Ringbund 36 und dem Hülsenboden 333 zu öffnen.

[0015] Auf den Magnetkern 30 ist ein den Fluidzulauf 11 umschließender Anschlussstutzen 38 koaxial aufgesetzt, und Anschlussstutzen 38 und Magnetkern 30 sind über eine Kunststoffummantelung 39 fest miteinander verbunden. In der Kunststoffummantelung 39 ist auch eine den elektrischen Anschlussstecker zur Bestromung der Magnetspule 20 umschließende Steckerfassung 40 ausgebildet. In den Anschlussstutzen 38 und Magnetkern 30 ist ein Fluid-Filter 41 eingesetzt, der zugleich als Einstellmittel für die Schließkraft der im hohlen Magnetkern 30 aufgenommenen Ventilschließfeder 14 dient, die sich hierzu am Mitnehmer 25 und am Fluid-Filter 41 abstützt. Fluidzulauf 11 und Zumessöffnung 12 stehen über das hohle Innere des den Innenpol 22 darstellenden Magnetkerns 30 und mindestens einen im Anker 23 vorgehaltenen Axialkanal 42 miteinander in Verbindung. Um den Fluiddurchfluss im Führungsbereich des Mitnehmers 25 zum Innenpol 22 zu ermöglichen, ist in der im Innenpol 22 geführten Außenfläche des Mitnehmers 25 mindestens ein axialer Flächenanschliff 252 vorgesehen.

Ansprüche

1. Ventil zum Zumessen von Fluid, mit einer mit einem Fluidzulauf (11) in Verbindung stehenden Zumessöffnung (12), mit einer die Zumessöffnung (12) steuernden Ventilnadel (13), die zum Schließen der Zumessöffnung (12) von einer Ventilschließfeder (14) beaufschlagt ist, mit einem zum Freigeben der Zumessöffnung (12) die Ventilnadel (13) gegen die Schließkraft der Ventilschließfeder (14) betätigenden Elektromagneten (15), der einen Außenpol (21), einen hohlzylindrischen Innenpol (22), einen auf der Ventilnadel (13) verschiebbaren Anker (23) und einen von Anker (23) und Innenpol (22) begrenzten Arbeitsluftspalt (24) aufweist, mit einem im Innenpol (22) geführten, eine Anschlagschulter (251) für den Anker (23) aufweisenden Mitnehmer (25) und einem Ankeranschlag (27), die auf voneinander abgekehrten Seiten des Ankers (23) auf der Ventilnadel (13) fest angeordnet sind und einen Frei- oder Vorhubweg (26) des Ankers (23) relativ zur Ventilnadel (13) begrenzen, der kleiner ist als die axiale Spaltbreite des Arbeitsluftspalts (24), und mit einer Vorhubfeder (28) die sich zwischen Ventilnadel (13) und Anker (23) abstützt und den Anker (23) an den Ankeranschlag (27) andrückt, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilnadel (13) und Mitnehmer (25) aus einem magnetisch leitenden Werkstoff bestehen und zwischen Anker (23) und Ventilnadel (13) eine fest mit dem Anker (23) verbundene amagnetische Trennhülse (33) angeordnet ist, die eine mit der Anschlagschulter (251) am Mitnehmer (25) zusammenwirkende Anschlagfläche (331) aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trennhülse (33) und Ventilnadel (13) ein Führungsbereich für die axiale Verschiebbarkeit des Ankers (23) auf der Ventilnadel (13) ausgebildet ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsbereich eine erste und eine davon axial beabstandete zweite, jeweils ringförmige Führungsfläche (34, 35) aufweist, dass die erste Führungsfläche (34) auf dem Außenumfang eines fest mit der Ventilnadel (13) verbundenen Rings (36), auf dem sich die Trennhülse (33) abstützt, und die zweite Führungsfläche (35) zentral in einem die Trennhülse (33) abschließenden Hülsenboden (333) ausgebildet ist, der sich auf der Ventilnadel (13) abstützt, und dass die Vorhubfeder (28) in der Trennhülse (33) einliegt und sich axial zwischen Ring (36) und Hülsenboden (333) abstützt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Anschlagschulter (251) am Mitnehmer (25) zusammenwirkende Anschlagfläche (331) am Öffnungsrand der Trennhülse (33) und eine mit dem Ankeranschlag (27) zusammenwirkende weitere Anschlagfläche (332) auf dem Hülsenboden (333) ausgebildet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennhülse (33) über das dem Ankeranschlag (27) zugekehrte Stirnende des Ankers (23) übersteht.

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Überstandsbereich der Trennhülse (33) mindestens eine in das Hülseninnere mündende Radialbohrung (37) in die Trennhülse (33) eingebracht ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennhülse (33) in den Anker (23) eingepresst und/oder eingeschweißt ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Anker (23) und Trennhülse (33) einstückig in einem 2K-MIM-Prozess hergestellt sind.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Fluidzulauf (11) und Zumessöffnung (12) über das hohle Innere des Innenpols (22) und mindestens einen Axialkanal (42) im Anker (23) hergestellt ist und dass in der im Innenpol geführten Außenfläche des Mitnehmers (25) mindestens ein Flächenanschliff (252) für den Fluiddurchtritt vorgesehen ist.

Zeichnung