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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Magnetventil ist aus der
DE 10 2009 046 371 A1 der Anmelderin bekannt. Das Magnetventil umfasst einen stufenförmigen, drei unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Magnetanker. Der Bereich des Magnetankers mit dem mittleren Durchmesser ist in einem ortsfest angeordneten Ventilstück an seinem Außenumfang gleitend geführt. Zwischen dem Ventilstück und dem Magnetanker ist ein Dämpfungsraum ausgebildet, dessen Größe sich bei einer Aufbzw. Abwärtsbewegung des Magnetankers zum Öffnen bzw. Schließen eines Schließgliedes verändert. Der Dämpfungsraum ist über eine Drosselbohrung mit dem Ankerraum verbunden. Der eine Dämpfungseinrichtung darstellende Dämpfungsraum bewirkt eine Dämpfung der Bewegung des Magnetankers sowohl beim Öffnen, als auch beim Schließen des Magnetventils durch ein entsprechendes Zuströmen oder Abströmen von Kraftstoff über die Drosselbohrung. Aufgrund der hohen Dynamik beim Schließen des Magnetventils kommt es in der Praxis bei den modernen, einen relativ hohen Systemdruck aufweisenden Kraftstoffinjektoren bzw. Magnetventilen zu einem Prellen des Schließgliedes, d.h., dass das Schließglied (und somit auch der Magnetanker) zum endgültigen Verschließen mehrere kleine Öffnungs- und Schließbewegungen ausführt, bis der Ventilsitz am Schließglied endgültig verschlossen ist. Ein derartiges Verhalten kann mit einer eingangs beschriebenen Dämpfungseinrichtung verbessert werden. Nachteilig dabei ist jedoch, dass der Dämpfungsgrad bzw. die Dämpfungseigenschaften beim Öffnen und Schließen des Schließglieds im Wesentlichen gleich sind, was für die Funktionalität bzw. das Erreichen von bestimmten Kennfeldwerten des Kraftstoffinjektors nachteilig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dessen Betriebsverhalten mit Blick auf Kennfeldwerte des von dem Magnetventil gesteuerten Kraftstoffinjektors verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Dämpfungseinrichtung eine Dämpfungshülse umfasst, die einen Dämpfungsraum begrenzt, dass der Dämpfungsraum von dem Magnetanker begrenzt ist, wobei das Volumen des Dämpfungsraums in einer Schließstellung des Magnetankers ein Minimum und in einer Öffnungsstellung ein Maximum aufweist, und dass die Dämpfungshülse in Richtung der Längsachse beweglich angeordnet und mittels eines Federelements in Richtung einer Dichtfläche kraftbeaufschlagt ist. Eine derartige Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit einer federkraftbeaufschlagten Dämpfungshülse hat den Vorteil, dass einerseits eine relativ geringe Öffnungsgeschwindigkeit beim Abheben des Schließglieds von seinem Ventilsitz, und andererseits eine relativ schnelle Schließbewegung des Schließglieds bei der Bewegung in Richtung des Ventilsitzes erzielbar ist, wobei gleichzeitig eine starke Reduzierung der Anzahl der Schließpreller ermöglicht wird. Es werden somit unterschiedliche Dämpfungseigenschaften der Dämpfungseinrichtung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers erzielt. Dadurch wird insbesondere bei relativ hohen Raildrücken die Kennfeldsteilheit im Kleinstmengenbereich minimiert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetventils, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor, sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung des Magnetankers, bei der dieser einerseits der radialen Führung der Führungshülse dient, und andererseits selbst bei seiner Hubbewegung geführt ist, wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker einen plattenförmigen Bereich aufweist, an den sich auf der Magnetspule abgewandten Seite ein erster zylindrischer Abschnitt anschließt, der von der Dämpfungshülse umfasst ist, und dass sich an den ersten Abschnitt ein zweiter Abschnitt anschließt, der in dem Führungselement geführt ist.
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Um trotz der Verwendung einer Führungshülse eine hydraulische Verbindung zwischen dem Dämpfungsraum und dem Ankerraum herzustellen, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass in dem Magnetanker eine Sacklochbohrung ausgebildet ist, die mit dem Ankerraum verbunden ist, und in der die vorzugsweise als Drosselbohrung ausgebildete Bohrung aus dem Dämpfungsraum mündet.
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In konstruktiv vorteilhafter und herstellungstechnisch relativ einfach ausgestalteter Konstruktion für die Dämpfungshülse wird vorgeschlagen, dass die Dämpfungshülse einen den ersten Abschnitt des Magnetankers radial umschließenden, ringförmigen Abschnitt aufweist, dass die Dämpfungshülse auf der dem plattenförmigen Bereich des Magnetankers abgewandten Seite einen flanschförmigen Abschnitt aufweist, und dass sich das als Druckfeder ausgebildete zweite Federelement zwischen dem flanschförmigen Abschnitt und der der Dämpfungshülse zugewandten Unterseite des plattenförmigen Bereichs des Magnetankers abstützt.
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Um insbesondere ein schnelles Schließen des Magnetankers bzw. des Schließglieds zu erzielen, sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Dämpfungshülse vor, dass die Dämpfungshülse auf der der Dichtfläche zugewandten Seite eine in Wirkverbindung mit dem Dämpfungsraum angeordnete Druckfläche aufweist, die die Dämpfungshülse mit einer hydraulischen Kraft entgegen der Federkraft des zweiten Federelements kraftbeaufschlagt.
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Eine weitere Beeinflussung der Dämpfungseigenschaften der Dämpfungseinrichtung wird erzielt, wenn im Übergangsbereich zwischen den beiden Abschnitten des Magnetankers eine Einstellscheibe angeordnet ist, die gegen die Stirnfläche des ersten Abschnitts anliegt, und die zur Einstellung eines Quetschspalts zwischen der Einstellscheibe und der Dichtfläche in der Schließposition des Magnetankers dient. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, je nach Auslegung des Quetschspaltes, dass ein ansonsten auftretender Schließpreller vollständig vermieden werden kann.
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Um ein Prellen des Magnetankers beim Erreichen seines oberen Totpunktes zu verhindern bzw. abzudämpfen, kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass zwischen dem Magnetanker und der Magnetspule eine zusätzliche Dämpfungseinrichtung angeordnet ist, das als oberer Hubanschlag wirkt.
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Die Erfindung umfasst auch einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen vereinfachten Längsschnitt durch den oberen Bereich eines mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil ausgestatten Kraftstoffinjektors,
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2 einen Teilbereich des Magnetventils gemäß 1 in vergrößerter Darstellung in geschlossener Stellung des Schließglieds im Längsschnitt,
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3 das Magnetventil gemäß 2 während des Schließens,
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4 einen Teillängsschnitt durch eine Dämpfungshülse, wie sie bei dem Magnetventil gemäß der 1 bis 3 verwendet wird und
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5 einen Teillängsschnitt durch ein gegenüber den 1 bis 3 modifiziertes Magnetventil unter Verwendung einer zusätzlichen Einstellscheibe im Bereich der Dämpfungshülse.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit dem gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist der obere Teilbereich eines Kraftstoffinjektors 100 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine dargestellt. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 100 Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems. Der Kraftstoffinjektor 100 umfasst ein Injektorgehäuse 1, das in dem dargestellten Ausschnitt aus einem hülsenartigen ersten Teilelement 2 und einem zweiten, ebenfalls hülsenartigen Teilelement 3 besteht. Die beiden Teilelemente 2 und 3 sind mittels einer Überwurfmutter 4 axial unter Zwischenlage eines Dichtrings 5 miteinander verspannt. Innerhalb des Injektorgehäuses 1 ist ein Ankerraum 6 ausgebildet, der der Aufnahme eines erfindungsgemäßen Magnetventils 10 dient.
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Das Magnetventil 10 dient der Bewegungssteuerung einer lediglich in ihrem oberen Teilbereich dargestellten Düsennadel 11, deren dem Magnetventil 10 zugewandter Endbereich in einem Ventilstück 12 radial geführt ist. Das Ventilstück 12, das zur Aufnahme der Düsennadel 11 eine Sacklochbohrung 13 aufweist, bildet zusammen mit der Düsennadel 11 einen Steuerraum 14 aus, der über einen als Entlastungsbohrung 15 ausgebildeten Durchlass mit integrierter Ablaufdrossel 16 mit dem Ankerraum 6 hydraulisch verbunden ist. Das Ventilstück 12 liegt an einer Schulter 17 des ersten Teilelements 2 des Injektorgehäuses 1 auf, und ist mittels einer ringförmigen Ventilspannschraube 18 axial gegen die Schulter 17 verpresst. Ein mit dem zweiten Teilelement 3 des Injektorgehäuses 1 dichtend verbundener Ablaufstutzen 19 ist über eine Leitung 21 zu einem Kraftstoffbehälter 22 druckentlastet. Darüber hinaus ist der unterhalb des Ventilstücks 12 angeordnete Innenraum des Injektorgehäuses 1 über eine Leitung 23 mit einem Speicher für Kraftstoff verbunden, wobei der Speicher insbesondere als Rail 25 ausgebildet ist.
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Die Bewegungssteuerung der Düsennadel 11 erfolgt in an sich bekannter, und daher nicht mehr erläuterter Art und Weise durch eine Freigabe der Entlastungsbohrung 15 zum Ankerraum 16 hin, so dass das im Steuerraum 14 befindliche Kraftstoffvolumen veränderbar ist.
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Das Ventilstück 12 bildet auf der dem Magnetanker 10 zugewandten Seite im Bereich der Entlastungsbohrung 15 eine trichterförmige Sitzfläche 26 aus, die mit einem kugelförmigen Schließglied 27 zusammenwirkt. In der in der 1 dargestellten Schließposition des Magnetventils 10 liegt das Schließglied 27 unter Bildung eines Dichtsitzes 28 auf der Sitzfläche 26 des Ventilstücks 12 auf. Die Bewegungssteuerung des Schließglieds 27 erfolgt mittels des Magnetventils 10. Das Magnetventil 10 umfasst hierzu eine in einem Magnetkern eingebettete Magnetspule 29, die mit einem Magnetanker 30 zusammenwirkt. Im Bereich der Magnetspule 29 ist in der Längsachse 31 des Magnetventils 10 bzw. des Kraftstoffinjektors 100 eine Durchgangsbohrung 32 ausgebildet, die in dem Ablaufstutzen 19 mündet, und die der radialen Führung einer ersten Druckfeder 33 dient. Die erste Druckfeder 33 ist in Wirkverbindung mit dem Magnetanker 30 angeordnet, derart, dass bei unbestromter Magnetspule 29 die erste Druckfeder 33 auf den Magnetanker 30 eine Druckkraft ausübt, die eine dichte Anlage des Schließglieds 27 auf der Sitzfläche 26 des Ventilstücks 12 bewirkt.
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Der Magnetanker 30 umfasst, wie am Einfachsten anhand der 2 und 3 erkennbar ist, einen im Wesentlichen scheibenförmigen ersten Bereich 34, an den sich auf der der Magnetspule 29 abgewandten Seite ein erster zylindrischer Abschnitt 35 und wiederum daran ein zweiter zylindrischer Abschnitt 36 anschließen. Der erste zylindrische Abschnitt 35 weist einen größeren Durchmesser auf als der zweite zylindrische Abschnitt 36. Der zweite zylindrische Abschnitt 36 ist in einer Führungsbohrung 37 des Ventilstücks 12 radial geführt, wobei über wenigstens zwei seitlich angeordnete Ablaufbohrungen 38, 39 im Ventilstück 12 eine Verbindung zwischen der Entlastungsbohrung 15 und dem Ankerraum 6 ausgebildet ist. Die dem Schließglied 27 zugewandte Stirnfläche des zweiten zylindrischen Abschnitts 36 liegt an dem Schließglied 27 an.
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Erfindungswesentlich ist, dass der erste zylindrische Abschnitt 35 des Magnetankers 20 von einer Dämpfungshülse 40 radial umfasst ist, die Bestandteil einer Dämpfungseinrichtung 41 ist. Wie am Besten aus einer Zusammenschau der 2 bis 4 erkennbar ist, ist die Dämpfungshülse 40 in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Längsachse 31 auf- und abbeweglich angeordnet. Die Dämpfungshülse 40 umfasst einen ringförmigen Abschnitt 42, an den sich auf der dem Ventilstück 12 zugewandten Seite ein radial umlaufender, flanschförmig ausgebildeter Abschnitt 43 anschließt. Eine zweite Druckfeder 45 stützt sich zwischen dem Abschnitt 43 der Dämpfungshülse 40 und der Unterseite des plattenförmigen ersten Bereichs 34 des Magnetankers 30 ab, und beaufschlagt die Dämpfungshülse 40 mit Federkraft in Richtung zum Ventilstück 12 hin. Auf der dem ringförmigen Abschnitt 42 abgewandten Seite des Abschnitts 43 weist die Dämpfungshülse 40 einen radial umlaufenden Wandabschnitt 46 auf, der in radialer Richtung betrachtet in Richtung zum Magnetanker 30 hin eine schräg bzw. kegelförmig ausgebildete Druckfläche 47 aufweist. Eine Dichtkante 48 der Dämpfungshülse 40 dichtet die Dämpfungshülse 40 zur Oberseite 49 des Ventilstücks 12 hin ab.
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Wie am Besten anhand der 2 erkennbar ist, ist zwischen der dem Ventilstück 12 zugewandten Stirnfläche des ersten zylindrischen Abschnitts 35 und der Oberseite 49 des Ventilstücks 12 in der Schließposition des Magnetankers 30 bzw. des Schließglieds 27 ein Abstand ausgebildet, so dass bei abgesenkter Dämpfungshülse 40 zwischen der Dämpfungshülse 40, der als Dichtfläche wirkenden Oberseite 49 des Ventilstücks 12 und den beiden zylindrischen Abschnitten 35, 36 des Magnetankers 30 ein Dämpfungsraum 50 ausgebildet wird.
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Der Dämpfungsraum 50 ist über eine als Drosselbohrung 51 ausgebildete Verbindung mit einer Sacklochbohrung 52 verbunden, die im scheibenförmigen Bereich 34 und im ersten zylindrischen Abschnitt 35 des Magnetankers 30 ausgebildet ist, und die wiederum Verbindung mit dem Ankerraum 6 bzw. dem Ablaufstutzen 19 hat.
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Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass zwischen der Oberseite des Magnetankers 30 und der ihr zugewandten Unterseite der Magnetspule 29 eine ringförmige Auflage 53 angeordnet ist, die als oberer Hubanschlag für den Magnetanker 30 in Richtung zur Magnetspule 29 dient und als zusätzliche Dämpfungseinrichtung 55 wirkt.
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Das soweit beschriebene Magnetventil 10 arbeitet wie folgt: Ausgehend von der in der 2 dargestellten Schließstellung des Schließglieds 27, bei der dieses die Entlastungsbohrung 15 zum Steuerraum 14 hin abdichtet, wird der Magnetanker 30 bei einer Bestromung der Magnetspule 29 in Richtung zur Magnetspule 29, d.h. entgegen der Federkraft der ersten Druckfeder 33 bewegt. Dabei vergrößert sich das Volumen im Dämpfungsraum 50 durch den sich in Richtung zur Magnetspule 29 bewegenden Magnetanker 30, wodurch über die Drosselbohrung 51 Druckmittel bzw. Kraftstoff in den Dämpfungsraum 50 strömt. Da bei der Vergrößerung des Volumens des Dämpfungsraums 50 eine hydraulische Kraft auf die den Dämpfungsraum 50 begrenzende Stirnfläche des ersten zylindrischen Abschnitts 35 des Magnetankers 30 erzeugt wird, die eine Verzögerung der Aufwärtsbewegung des Magnetankers 30 bewirkt, erfolgt das Öffnen des Schließglieds 27 mit einer (im Verhältnis zu einer nicht vorhandenen Dämpfungseinrichtung 41) verminderten Geschwindigkeit. Wesentlich dabei ist, dass die Dämpfungshülse 40 von der Federkraft der zweiten Druckfeder 45 auf die Oberseite 49 des Ventilstücks 12 gedrückt wird, so dass die Dichtkante 48 den Dämpfungsraum 50 zum Ventilstück 12 hin abdichtet.
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In der 3 ist der Zustand des Magnetventils 10 dargestellt, bei der sich der Magnetanker 30 nach dem Abschalten der Bestromung der Magnetspule 29 bereits wieder während seiner Abwärtsbewegung unmittelbar vor dem Erreichen der Schließposition befindet. Hierbei ist erkennbar, dass die Dämpfungshülse 40 mit ihrer Dichtkante 48 etwas beabstandet zur Oberseite 49 des Ventilstücks 12 angeordnet ist. In diesem Zustand kann Druckmittel aus dem Bereich des Dämpfungsraums 50 in den Ankerraum 6 gelangen. Das Abheben der Dämpfungshülse 40 von der Oberseite 49 des Ventilstücks 12 rührt daher, dass bei der Abwärtsbewegung des Magnetankers 30 das im Dämpfungsraum 50 vorhandene Volumen an Kraftstoff komprimiert wird, wobei über die Druckfläche 47 der Dämpfungshülse 40 eine hydraulische Kraft erzeugt wird, die die Dämpfungshülse 40 bzw. die Dichtkante 48 von der Oberseite 49 des Ventilstücks 12 abheben lässt. Dies erfolgt vor allem deshalb, da über den sich einstellenden radialen Spalt zwischen der Oberseite 49 des Ventilstücks 12 und der Dichtkante 48 der Dämpfungshülse 40 das in dem Dämpfungsraum 50 bei der Abwärtsbewegung des Magnetankers 30 komprimierte Volumen an Kraftstoff weitaus schneller abströmen kann als über die Drosselbohrung 51 zur Sacklochbohrung 52 hin. Im Vergleich zur Öffnungsbewegung des Magnetankers 30 erfolgt bei einer Schließbewegung somit eine weitaus geringe Dämpfungswirkung der Dämpfungseinrichtung 41. Es werden somit unterschiedliche Geschwindigkeits- bzw. Dämpfungscharakteristika beim Öffnen bzw. Schließen des Magnetankers 30 bzw. bei der Bewegung des Schließglieds 27 ermöglicht. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht eine Reduzierung der Schließpreller, so dass in der Regel durch die Dämpfung beim Schließen nur noch ein Schließpreller, d.h. ein einmaliges Abheben des Schließglieds 27 von seinem Sitz stattfindet.
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In der 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei ist erkennbar, dass im Bereich des Dämpfungsraums 50 eine Einstellscheibe 60 angeordnet ist, die das Volumen des (ursprünglichen) Dämpfungsraums 50 verkleinert. Hierbei liegt die Oberseite 61 der Einstellscheibe 60 an der ihr zugewandten Stirnfläche des ersten zylindrischen Abschnitts 35 des Magnetankers 30 an, und zwischen der Unterseite 62 der Einstellscheibe 60 und der Oberseite 49 des Ventilstücks 12 ist lediglich noch ein relativ kleiner Quetschspalt 63 ausgebildet. Ergänzend wird erwähnt, dass bei der Variante entsprechend der 5 die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebene Drosselbohrung 51 ebenfalls vorhanden ist, diese jedoch in der Darstellung der 5 nicht gezeigt ist. Die Variante gemäß der 5 bewirkt, dass kurz vor dem Erreichen der Schließposition des Magnetankers 30 eine relativ hohe Dämpfungswirkung durch die Einstellscheibe 60 bzw. durch den Quetschspalt 63 bewirkt wird. Dadurch wird insbesondere ein Prellen beim Schließen der Entlastungsbohrung 15 durch das Schließglied 27 verhindert.
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Das soweit beschrieben Magnetventil 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt werden bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, dass unterschiedliche Charakteristika der Öffnungs- bzw. Schließgeschwindigkeit 10 ermöglicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046371 A1 [0002]