SCHALTVENTIL FÜR EINEN KRAFTSTOFFINJEKTOR SOWIE KRAFTSTOFFINJEKTOR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem solchen Schaltventil.

Stand der Technik

[0002] Ein Schaltventil der vorstehend genannten Art dient der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel. In Abhängigkeit von der Schaltstellung des Schaltventils wird ein die Düsennadel belastender hydraulischer Druck in einem Steuerraum angehoben oder abgesenkt, so dass bei angehobenem Druck die Düsennadel in Schließrichtung von einer hydraulischen Schließkraft beaufschlagt und bei abgesenktem Druck entlastet wird. Bei einer Entlastung öffnet die Düsennadel, d. h. sie gibt mindestens eine Einspritzöffnung frei, über welche dann die Einspritzung erfolgt.

[0003] Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 077 179 A1 ist ein Magnetventil für ein Brennstoffeinspritzventil einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt, das einen aus einer Ankerplatte und einem Ankerschaft zusammengesetzten Anker umfasst. Über die Ankerplatte wird der Magnetkreis eines Magnetaktors des Magnetventils geschlossen. Bei der Auswahl des Werkstoffs der Ankerplatte werden daher vorrangig Anforderungen an seine magnetischen Eigenschaften gestellt. Für den Anker wird entsprechend ein magnetischer Werkstoff, beispielsweise Eisen und/oder Silizium und/oder Phosphor gewählt. Der Ankerschaft des Ankers besitzt mehrere Funktionen. Erstens wird der Anker über die Länge des Ankerschafts geführt. Zweitens schließt ein unterer Abschnitt des Ankerschafts das Magnetventil. Der Werkstoff des Ankerschafts muss demnach insbesondere eine hohe Verschleiß- und Schlagfestigkeit aufweisen. Für den Ankerschaft wird daher ein Werkstoff mit einem hohen Carbidanteil vorgeschlagen. Alternativ sollen Keramiken, Hartmetalle oder Cermets als Werkstoff verwendet werden können. Um einen festen Verbund zu gewährleisten, sind die Ankerplatte und der Ankerschaft stoffschlüssig miteinander verbunden. Auch aus der EP 2 816 574 A2 ist ein solches Magnetventil bekannt.

[0004] Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor anzugeben, das eine gesteigerte Robustheit, insbesondere im Hinblick auf thermische Einflüsse, und daher eine höhere Funktionssicherheit besitzt.

[0005] Zur Lösung der Aufgabe wird das Schaltventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Kraftstoffinjektor, insbesondere ein Common-Rail-Kraftstoffinjektor, mit einem solchen Schaltventil angegeben.

Offenbarung der Erfindung

[0006] Das vorgeschlagene Schaltventil umfasst einen hubbeweglichen Anker, der zur Aufnahme und Führung eines relativ zum Anker beweglichen Ankerbolzens von einer Axialbohrung durchsetzt ist. Der Anker weist eine die Axialbohrung zumindest abschnittsweise begrenzende Hülse aus einem keramischen Werkstoff auf. Das heißt, dass in jedem Fall ein keramischer Werkstoff enthalten ist, der die Verschleißfestigkeit des Ankers erhöht.

[0007] Darüber hinaus weisen keramische Werkstoffe eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Durch die Anordnung des keramischen Werkstoffs im Bereich der Führung des Ankerbolzens im Anker wird demnach eine Art thermische Trennung zwischen dem Anker und dem Ankerbolzen erreicht, die den Anker vor den regelmäßig im Bereich der Führung auftretenden hohen Temperaturen schützt. Dies hat zur Folge, dass der Temperaturgang des Schaltventils geringer ist. Insbesondere wird der Ankerhub thermischen Einflüssen entzogen, so dass mit der Genauigkeit des Ankerhubs auch die Funktionssicherheit steigt.

[0008] Die bereits erwähnte hohe Verschleißfestigkeit keramischer Werkstoffe hat ferner den Effekt, dass die Widerstandsfähigkeit des Ankers gegen Kavitationserosion und/oder Korrosion steigt. Eine heute oft eingesetzte Beschichtung des Ankerbolzens gegen Ankerbolzenverschleiß ist somit verzichtbar.

[0009] Die vorstehend genannten Vorteile treten bei Einsatz einer keramischen Hülse im Führungsbereich des Ankers am deutlichsten zum Vorschein. Die Verwendung eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs besitzt jedoch den Vorteil der einfacheren Herstellung des Ankers. Die Metall- und Keramikanteile im Verbundwerkstoff sind derart zu wählen, dass er ausreichende magnetische Eigenschaften und zugleich eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die keramische Hülse bis zu mindestens einer Stirnfläche des Ankers. Vorzugsweise ist die Hülse über die gesamte axiale Erstreckung des Ankers geführt. Das heißt, dass die der Führung des Ankerbolzens dienende Axialbohrung vollständig von der Hülse ausgekleidet wird. Auf diese Weise wird eine besonders effektive thermische Trennung bewirkt. Zugleich kann mindestens eine Stirnfläche der keramischen Hülse als Anschlag- und/oder Dichtfläche genutzt werden, was sich wiederum den Verschleiß reduzierend auswirkt.

[0011] In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Anker oder die Hülse eine mit einem Ventilsitz des Schaltventils dichtend zusammenwirkende Dichtkontur ausbildet. Ein separates Ventilschließelement ist somit verzichtbar, wodurch sich der Aufbau des Schaltventils vereinfacht. Bildet der Anker die Dichtkontur aus, ist sie vorzugsweise an einem schaftartigen Abschnitt des Ankers ausgebildet, der weiterhin vorzugsweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gebildet ist. Sofern die Hülse die Dichtkontur ausbildet, ist sie vorzugsweise an einem Bundabschnitt der Hülse realisiert, um auch im Bereich der Dichtkontur die Verschleißfestigkeit des Ankers und des Ventilstücks zu erhöhen.

[0012] Zur Herstellung des Ankers und/oder der Hülse wird ein Pulver-Spritzgussverfahren ("Powder Injection Molding", PIM) vorgeschlagen.

[0013] Vorteilhafterweise besitzen der Werkstoff des Ankers und der Werkstoff der Hülse - sofern eine solche vorgesehen ist - im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Diese Maßnahme hilft thermisch bedingte Spannungen im Anker zu vermeiden.

[0014] Bevorzugt wird Zirkonoxid (ZrO₂) als keramischer Werkstoff verwendet. Denn Zirkonoxid besitzt im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise Stahl. Bei dem keramischen Werkstoff der Hülse handelt es sich demnach ebenfalls bevorzugt um Zirkonoxid oder es ist zumindest Zirkonoxid im keramischen Werkstoff der Hülse enthalten.

[0015] Die Wärmeleitfähigkeit von Zirkonoxid liegt bei etwa 2 bis 3 W/mK und liegt somit deutlich unter der von Stahl (etwa 40 bis 60 W/mK), so dass sich dieses Material ideal zur Ausbildung einer thermischen Trennung zwischen dem Anker und dem Ankerbolzen eignet.

[0016] Im Hinblick auf die geforderten magnetischen Eigenschaften des die Hülse umgebenden Ankers, wird vorgeschlagen, dass dieser ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einer Eisen-Kobalt-Legierung, gefertigt ist. Der Fokus liegt in diesem Fall eindeutig auf den magnetischen Eigenschaften des Ankers, während die Verschleißfestigkeit durch die keramische Hülse gewährleistet wird. Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Schaltventil zur Steuerung der Einspritzungen vorgeschlagen. Da das erfindungsgemäße Schaltventil besonders temperaturunempfindlich ist, steigt nicht nur die Funktionssicherheit des Schaltventils, sondern auch die des Kraftstoffinjektors. Die Einspritzungen können somit präzise gesteuert werden.

[0017] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Längsschnitt durch ein in einen Kraftstoffinjektor eingesetztes erfindungsgemäßes Schaltventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 2

einen schematischen Längsschnitt durch ein in einen Kraftstoffinjektor eingesetztes erfindungsgemäßes Schaltventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0018] Das in der Fig. 1 dargestellte Schaltventil umfasst einen als Flachanker ausgebildeten Anker 1 mit einem plattenförmigen Abschnitt 11 und einem schaftartigen Abschnitt 9. Der schaftartige Abschnitt 9 weist eine Stirnfläche 5 auf, die eine mit einem Ventilsitz 7 des Schaltventils zusammenwirkende Dichtkontur 8 ausbildet. Zur Aufnahme und Führung eines Ankerbolzens 2 ist der Anker 1 von einer Axialbohrung 3 durchsetzt.

[0019] Da der Ankerbolzen 2 relativ beweglich gegenüber dem Anker 1 in der Axialbohrung 3 aufgenommen ist, wird der Führungsbereich des Ankers 1 im Betrieb des Schaltventils stark mechanisch beansprucht. Es gilt demnach die mechanische Festigkeit des Ankers 1 zumindest im Bereich der Führung zu erhöhen. Darüber hinaus können sich im Führungsspalt 12 hohe Temperaturen entwickeln, die wiederum Einfluss auf den Hub des Ankers 1 haben können. Um dem entgegen zu wirken, weist der Anker 1 des Schaltventils der Fig. 1 eine die Axialbohrung 3 begrenzende keramische Hülse 4 auf, die fest mit dem Anker 1 verbunden sein kann. Die keramische Hülse 4 erhöht nicht nur die Verschleißfestigkeit des Ankers 1 im Führungsbereich, sondern ferner dessen Temperaturunempfindlichkeit. Denn der keramische Werkstoff der Hülse 4 bewirkt aufgrund seiner vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit eine thermische Trennung des Ankers 1 vom Ankerbolzen 2, so dass der Temperaturgang des Ankerhubs deutlich reduziert ist.

[0020] Dadurch, dass vorliegend der keramische Werkstoff in Form der Hülse 4 auf den Führungsbereich beschränkt ist, können weiterhin hohe Magnetkräfte erzielt werden. Denn im Übrigen kann der Anker 1 aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus einer Eisen-Kobalt-Legierung, gefertigt sein.

[0021] Zugunsten der Verschleißfestigkeit des Ankers 1 kann dieser im Übrigen aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff gebildet sein, sofern dieses Material zufriedenstellende magnetische Eigenschaften besitzt.

[0022] Darüber hinaus ist es möglich, den Anker 1 vollständig aus einem solchen Metall-Keramik-Verbundwerkstoff herzustellen.

[0023] Der Fig. 2 ist eine Abwandlung des Schaltventils der Fig. 1 zu entnehmen. Die Abwandlung besteht in einer veränderten Ausführung der Hülse 4. Denn diese ist bis zur Stirnfläche 5 des schaftartigen Abschnitts 9 des Ankers 1 geführt und weist einen Bundabschnitt 10 auf, der nunmehr die mit dem Ventilsitz 7 zusammenwirkende Dichtkontur 8 ausbildet. Die hohe Verschleißfestigkeit des keramischen Werkstoffs der Hülse 4 kommt somit ferner im Bereich des Dichtsitzes zum Tragen. Im Übrigen entspricht das Schaltventil der Fig. 2 dem der Fig. 1.

[0024] Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltventile funktionieren wie folgt:
Wird eine oberhalb des Ankers 1 angeordnete, ringförmige Magnetspule 13 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 1 nach oben bewegt, bis dieser mit einer Stirnfläche 6 an einem Polkörper 14 anschlägt. Dabei hebt der Anker 1 vom Ventilsitz 7 ab und das Schaltventil öffnet. Zum Schließen des Schaltventils wird die Bestromung der Magnetspule 13 beendet, so dass die Federkraft einer Ankerfeder 15, die mittelbar über einen Einstellring 16 an der Stirnfläche 6 des Ankers 1 abgestützt ist, den Anker 1 in den Ventilsitz 7 zurückstellt und das Schaltventil schließt.

Ansprüche

1. Schaltventil für einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor, umfassend einen hubbeweglichen Anker (1), der einen schaftartigen Abschnitt (9) aufweist, der zur Aufnahme und Führung eines relativ zum Anker (1) beweglichen Ankerbolzens (2) von einer Axialbohrung (3) durchsetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anker (1) eine die Axialbohrung (3) zumindest abschnittsweise begrenzende Hülse (4) aus einem keramischen Werkstoff aufweist, wobei die Hülse (4) die der Führung des Ankerbolzens (2) dienende Axialbohrung (3) vollständig auskleidet.

2. Schaltventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hülse (4) bis zu mindestens einer Stirnfläche (5, 6) des Ankers (1) erstreckt.

3. Schaltventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) oder die Hülse (4) eine mit einem Ventilsitz (7) des Schaltventils dichtend zusammenwirkende Dichtkontur (8) ausbildet, wobei vorzugsweise die Dichtkontur (8) an einem schaftartigen Abschnitt (9) des Ankers (1) oder an einem Bundabschnitt (10) der Hülse (4) ausgebildet ist.

4. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) und/oder die Hülse (4) in einem Pulver-Spritzgussverfahren hergestellt worden ist bzw. sind.

5. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) fest mit dem Anker (1) verbunden ist.

6. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Ankers (1) und der Werkstoff der Hülse (4) im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

7. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff der Hülse (4) Zirkonoxid ist oder enthält.

8. Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (1) ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einer Eisen-Kobalt-Legierung, gefertigt ist.

9. Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit einem Schaltventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung der Einspritzungen.

Claims

1. Switching valve for a fuel injector, in particular a common rail fuel injector, comprising an armature (1) which is capable of being moved in a reciprocating manner and which has a shaft-type portion (9) which for receiving and guiding an armature bolt (2) that is movable relative to the armature (1) is penetrated by an axial bore (3),
characterized in that
the armature (1) has a sleeve (4) from a ceramic material, said sleeve (4) at least in portions delimiting the axial bore (3), wherein the sleeve (4) completely clads the axial bore (3) that serves for guiding the armature bolt (2).

2. Switching valve according to Claim 1, characterized in that the sleeve (4) extends up to at least one end face (5, 6) of the armature (1).

3. Switching valve according to Claim 1 or 2,
characterized in that the armature (1) or the sleeve (4) configures a sealing contour (8) that interacts in a sealing manner with a valve seat (7) of the switching valve, wherein the sealing contour (8) is preferably configured on a shaft-type portion (9) of the armature (1) or on a collar portion (10) of the sleeve (4).

4. Switching valve according to one of the preceding claims, characterized in that the armature (1) and/or the sleeve (4) is or are, respectively, produced by a powder injection moulding method.

5. Switching valve according to one of the preceding claims, characterized in that the sleeve (4) is fixedly connected to the armature (1).

6. Switching valve according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the armature (1) and the material of the sleeve (4) have substantially identical coefficients of thermal expansion.

7. Switching valve according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic material of the sleeve (4) is or comprises zirconium oxide.

8. Switching valve according to one of the preceding claims, characterized in that the armature (1) is made completely or partially from a ferromagnetic material, in particular from an iron/cobalt alloy.

9. Fuel injector for a fuel injection system, in particular a common rail injection system, having a switching valve according to one of the preceding claims for controlling the injections.

Revendications

1. Soupape de commutation pour un injecteur de carburant, notamment pour un injecteur de carburant à rampe commune, qui comprend une ancre (1) pouvant se déplacer selon un mouvement de levage et qui comporte une section (9) de type tige traversée par un alésage axial (3) destiné à loger et à guider un boulon d'ancre (2) mobile par rapport à l'ancre (1) ;
caractérisée en ce que :
l'ancre (1) comporte une douille (4) délimitant au moins en partie l'alésage axial (3) et se composant d'une matière céramique, la douille (4) revêtant entièrement l'alésage axial (3) et servant au guidage du boulon d'ancre (2).

2. Soupape de commutation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la douille (4) s'étend jusqu'à au moins une surface avant (5, 6) de l'ancre (1).

3. Soupape de commutation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ancre (1) ou la douille (4) forme un contour étanche (8) qui interagit de façon étanche avec un siège de soupape (7) de la soupape de commutation, le contour étanche (8) étant de préférence réalisé au niveau d'une section (9) de type tige de l'ancre (1) ou au niveau d'une section de liaison (10) de la douille (4).

4. Soupape de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ancre (1) et/ou la douille (4) est fabriquée et/ou sont fabriquées selon un procédé de moulage par injection de poudre.

5. Soupape de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la douille (4) est reliée de façon permanente à l'ancre (1) .

6. Soupape de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matière de l'ancre (1) et la matière de la douille (4) possèdent pour l'essentiel le même coefficient de dilatation thermique.

7. Soupape de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matière céramique de la douille (4) est en oxyde de zirconium ou elle en contient.

8. Soupape de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ancre (1) est entièrement ou en partie fabriquée à partir d'un matériau ferromagnétique, notamment à partir d'un alliage de fer et de cobalt.

9. Injecteur de carburant pour un système d'injection de carburant, notamment pour un système à rampe commune d'injection, avec une soupape de commutation selon l'une quelconque des revendications précédentes destinée à commander les injections.

Zeichnung