DE102013220877A1

DE102013220877A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102013220877A1
Application number: DE201310220877
Authority: DE
Inventors: Matthias Bleeck; Rainer Weber; Bernd Wöllisch
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16
Also published as: JP2016540934A; JP6253772B2; CN105637213B; KR20160067955A; WO2015055701A1; CN105637213A; US20160237973A1

Abstract

Es wird ein Ventil mit einer Steuereinheit (10) zur Steuerung eines Ventilelements (20) angegeben, wobei die Steuereinheit (10) einen Elektromagneten (1) und eine Ankergruppe (2) aufweist, der Elektromagnet (1) eine Spule (11) und einen Polkern (12) aufweist, die Ankergruppe (2) einen Magnetanker (21), der mittels des Elektromagnets (1) bewegbar ist, ein Zwischenelement (22) und einen Steuerstift (23) zur Steuerung des Ventilelements (20) aufweist, der Steuerstift (23) über das Zwischenelement (22) mit dem Magnetanker (21) verbunden und zusammen mit dem Magnetanker (21) bewegbar ist und das Zwischenelement (22) federnd ausgebildet ist und den Steuerstift (23) federnd an den Magnetanker (21) koppelt.

Description

Es wird ein Ventil angegeben. Insbesondere kann das Ventil ein Druckregelventil zur Regelung eines Drucks eines Fluids in einem Druckkreis sein und beispielsweise für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
Bekannte derartige Ventile können einen Schaltmagneten aufweisen, der eine Öffnung und/oder eine Schließung eines Ventils bewirken. Durch die mechanischen Impulse des Schaltmagneten bei üblichen Ventilen können Geräusche und mechanischer Verschleiß auftreten. Zur Vermeidung der Geräusche wird derzeit beispielsweise eine Reduktion der Masse der bewegten Bauteile oder eine Reduzierung der Magnetkräfte durch eine Anpassung der elektrischen Ansteuerung angestrebt. Zur Vermeidung von Verschleiß werden beispielsweise gehärtete Materialien verwendet.
Im Folgenden soll ein Ventil angegeben werden, das eine verringerte Geräuschentwicklung und/oder einen geringeren Verschleiß aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Ventil eine Steuereinheit zur Steuerung eines Ventilelements auf. Die Steuereinheit weist einen Elektromagneten und eine Ankergruppe auf. Insbesondere kann das Ventil als Magnetventil ausgebildet sein, bei dem der Elektromagnet zusammen mit der Ankergruppe der Steuereinheit ein Öffnen und/oder ein Schließen des Ventilelements bewirken können, das beispielsweise eine Ventilnadel oder Ventilklappe aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Elektromagnet eine Spule und einen Polkern auf, wobei die Spule den Polkern umgeben kann. Die Ankergruppe weist einen Magnetanker auf, der mittels des Elektromagnets bewegbar ist. Weiterhin weist die Ankergruppe ein Zwischenelement und einen Steuerstift zur Steuerung des Ventilelements auf. Der Steuerstift ist über das Zwischenelement mit dem Magnetanker verbunden und zusammen mit dem Magnetanker bewegbar, wobei das Zwischenelement federnd ausgebildet ist und im Steuerstift federnd an den Magnetanker koppelt. Insbesondere kann die Ankergruppe aufweisend den Magnetanker, das Zwischenelement und den Steuerstift bei einer Bestromung der Spule durch die Magnetkraft zum Polkern angezogen werden. Der Polkern dient dabei als Anschlag für den Magnetanker, der die Bewegung des Magnetankers und damit der Ankergruppe in Richtung zum Polkern begrenzt. Wäre der Magnetanker mit dem Steuerstift direkt starr verbunden oder wäre das Zwischenelement starr ausgeführt, würde die gesamte Ankergruppe zum Impuls beim Anschlagen der Ankergruppe an den Polkern beitragen. Dadurch, dass das Zwischenelement federnd ausgebildet ist, wird die effektive Masse der Elemente der Ankergruppe, die bei einer Bestromung der Spule an den Polkern anschlagen, reduziert, weil ein Teil des Impulses durch das federnd ausgebildete Zwischenelement aufgenommen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinheit eine Feder auf, die bestrebt ist, den Magnetanker und den Polkern auseinander zu drücken. Insbesondere kann die Feder in einer Öffnung des Ankers angeordnet sein und so zwischen dem Magnetanker und dem Polkern angeordnet sein, dass die Feder gegen das Zwischenelement und gegen den Polkern drückt. Wird die Bestromung der Spule ausgeschaltet, drückt die Feder die Ankergruppe in eine Richtung vom Polkern weg. Um die Bewegung der Ankergruppe in der Richtung vom Polkern weg zu begrenzen, kann besonders bevorzugt der Steuerstift einen Anschlagsbereich aufweisen, der in einem ausgeschalteten Zustand des Elektromagneten gegen einen Anschlag gedrückt wird. Insbesondere kann der Anschlagsbereich als vom Magnetanker abgewandter kragenförmiger Teilbereich des Steuerstifts ausgebildet sein. Wie schon vorab im Zusammenhang mit dem eingeschalteten Zustand des Elektromagneten beschrieben, würde im Falle, dass der Steuerstift und der Magnetanker direkt starr miteinander verbunden sind oder dass das Zwischenelement starr ausgeführt ist, alle Elemente der Ankergruppe zum Impuls beitragen, der auf den Anschlag ausgeübt wird. Entsprechend der obigen Ausführungen kann durch das hier beschriebene federnd ausgeführte Zwischenelement ein Teil des Impulses durch das Zwischenelement aufgenommen werden, sodass der Impuls zwischen dem Steuerstift und dem Anschlag verringert werden kann.
Durch das federnd ausgebildete Zwischenelement und dessen Eigenschaft, Impulse zwischen dem Magnetanker und dem Polkern sowie zwischen dem Steuerstift und dem Anschlag zu verringern, können die Geräuschbildung und der Verschleiß in der Steuereinheit insbesondere am Anschlag und am Polkern sowie am Steuerstift verringert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Zwischenelement eine Scheibenform auf. In der Mitte des scheibenförmigen Zwischenelements kann eine zentrale Öffnung vorhanden sein, durch die der Steuerstift ragt und in der der Steuerstift befestigt ist. Der Rand des scheibenförmigen Zwischenelements kann am Magnetanker zumindest in Bereichen befestigt sein. Weiterhin kann das Zwischenelement Aussparungen aufweisen. Durch die Anordnung von Aussparungen können im Zwischenelement zwischen den Aussparungen Stege oder Arme ausgebildet werden, die Hebel bilden können, durch die die federnde Wirkung des Zwischenelements gezielt beeinflusst werden kann. Das Zwischenelement kann insbesondere aus einem federnden Stahl sein oder einen solchen aufweisen. Hierbei sind generell Stahlarten möglich, die eine elastische Verformung ermöglichen, beispielsweise Federstahl.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Steuerstift ein geräuschdämpfendes und/oder verschleißunempfindliches Material auf. Beispielsweise kann der Steuerstift zumindest im Bereich des kragenförmigen Teilbereichs, der im ausgeschalteten Zustand des Elektromagneten gegen den Anschlag gedrückt wird, einen Gummibelag aufweisen. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Steuerstift zumindest teilweise oder auch über seine gesamte Länge Carbonfasern aufweist, die besonders vorteilhafte geräuschdämpfende und verschleißunempfindliche Eigenschaften aufweisen.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2A und B schematische Darstellungen von Zwischenelementen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In 1 ist ein Ausschnitt eines Ventils 100 gezeigt, das insbesondere als Magnetventil ausgebildet ist und beispielsweise ein Druckregelventil zur Regelung eines Drucks eines Fluids in einem Druckkreis sein kann. Beispielsweise kann das Ventil 100 für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen verwendet werden.
Das Ventil 100 weist eine Steuereinheit 10 sowie ein Ventilelement 20 auf. Das nur ausschnittsweise gezeigte Ventilelement 20 kann beispielsweise eine Ventilnadel oder eine Ventilklappe aufweisen, die durch einen Steuerstift gesteuert werden kann. Derartige Ventilelemente sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt. Weiterhin sind auch elektrische Anschlüsse und Stecker zur elektrischen Kontaktierung und Ansteuerung des Ventils 100 nicht gezeigt.
Die Steuereinheit 10 des Ventils 100 weist einen Elektromagneten 1 und eine Ankergruppe 2 auf. Die Steuereinheit 10 ist somit als elektromagnetische Aktuatoreinheit ausgebildet. Der Elektromagnet 1 weist eine Spule 11, insbesondere eine Magnetspule, auf, die in einem Gehäuse 5 angeordnet ist. Weiterhin weist der Elektromagnet 1 einen Polkern 12 auf.
Die Ankergruppe 2 weist einen Magnetanker 21 auf, der zusammen mit dem Polkern 12 in einem becherförmigen Gehäuse 6 angeordnet ist. Im ausgeschalteten Zustand der Spule 11 ist ein Luftspalt zwischen dem Polkern 12 und dem Magnetanker 21. Das Gehäuse 5 mit der Spule 11 ist in einer Richtung entlang der gestrichelt angedeuteten Längsachse L über das becherförmige Gehäuse 6 geschoben. Die Spule 11 und das Gehäuse 5 sowie das becherförmige Gehäuse 6 mit dem Polkern 12 und dem Magnetanker 21 bilden zusammen einen elektromagnetischen Kreis. Dieser ist bestrebt, bei einer Bestromung der Spule 11 der Luftspalt zwischen dem Polkern 12 und dem Magnetanker 21 verringert wird, so dass der Magnetanker 21 gegen den Polkern 12 gezogen wird.
Die Ankergruppe 2 weist weiterhin ein Zwischenelement 22 auf, das mit dem Magnetanker 21 verbunden ist. Weiterhin ist das Zwischenelement 22 mit einem Steuerstift 23 verbunden, der in das Ventilelement 20 hineinragt. Beispielsweise ist der Steuerstift 23 mit einer Ventilnadel oder Ventilklappe des Ventilelements 20 so verbunden, dass durch den Steuerstift 23 das Ventilelement 20 gesteuert, also geöffnet und geschlossen, werden kann. Der Steuerstift 23 ist durch das Zwischenelement 22 an den Magnetanker 21 gekoppelt und so zusammen mit dem Magnetanker 21 bewegbar. Das Zwischenelement 22 ist federnd ausgebildet und koppelt somit den Steuerstift 23 federnd an den Magnetanker 21. Hierzu weist das federnde Zwischenelement 22 insbesondere einen federnden Stahl auf, der in der Lage ist, sich elastisch zu verformen. Beispielsweise kann das Zwischenelement 22 aus Federstahl sein.
Weiterhin weist die Steuereinheit 10 eine Feder 3 auf, die bestrebt ist, den Magnetanker 21 und den Polkern 12 auseinander zu drücken. Insbesondere wirkt die Feder 3 der Bewegung des Magnetankers 21 bei einer Bestromung der Spule 11 entgegen. Wird die Bestromung der Spule 11 ausgeschaltet, so drückt die Feder 3 den Magnetanker entlang der Längsachse L vom Polkern 12 weg.
Der Magnetanker 21 weist insbesondere eine Ankeröffnung 211 auf, durch die der Steuerstift 23 zumindest teilweise hindurchragt.
Weiterhin ist auch die Feder 3 in der Ankeröffnung 211 angeordnet und drückt gegen den Polkern 12 und das Zwischenelement 22.
Das Zwischenelement 22 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine zentrale Öffnung auf, durch die der Steuerstift 23 hindurchragt. Im Bereich der zentralen Öffnung ist der Steuerstift 23 mit dem Zwischenelement 22 verbunden, beispielsweise verschweißt. Das Zwischenelement 22 ist weiterhin an einem Randbereich mit dem Magnetanker 21 verbunden, beispielsweise verschweißt. Insbesondere kann das Zwischenelement 22 punktuell in Randbereichen oder auch in einem gesamten umlaufenden Randbereich mit dem Magnetanker 21 verbunden sein. Beispiele für besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Zwischenelements 22 sind im Zusammenhang mit den 2A und 2B weiter unten erläutert.
Der Steuerstift 23 weist einen Anschlagsbereich in Form eines vom Magnetanker 21 abgewandten kragenförmigen Teilbereichs 231 auf, der in einem ausgeschalteten Zustand des Elektromagneten 1 durch die Wirkung der Feder 3 gegen einen Anschlag 4 gedrückt wird. Der Anschlag 4 wird durch einen Teil des Ventilelements 20 gebildet, in das der Steuerstift 23 hineinragt. Beispielsweise kann der Anschlag 4 durch einen Teil eines Ventilgehäuses gebildet werden, in das der Steuerstift durch eine Öffnung hineinragt. Der kragenförmige Teilbereich 231 kann in diesem Fall durch eine stufenförmige Querschnittsänderung des Steuerstifts 23 gebildet werden, während der Anschlag 4 durch den die Öffnung begrenzenden Rand gebildet wird, durch die der Steuerstift 23 hindurchragt.
Zum Öffnen und Schließen des Ventils 100 wird die Spule 11 bestromt beziehungsweise wird die Bestromung ausgeschaltet. Bei einer Bestromung der Spule 11 wird wie vorab beschrieben die Ankergruppe 2 durch die Magnetkraft gegen die Feder 3 zum Polkern 12 angezogen, während bei ausgeschalteter Bestromung die Feder 3 die Ankergruppe 2 gegen den Anschlag 4 drückt. Der jeweilige Impuls, mit dem der Magnetanker 21 am Polkern 12 beziehungsweise der kragenförmige Teilbereich 231 des Steuerstifts 23 am Anschlag 4 anschlägt, kann beim Ventil 100 durch das federnd ausgebildete Zwischenelement 22 verringert werden, da das federnd ausgebildete Zwischenelement 22 bei beiden Bewegungen jeweils einen Teil des Impulses durch eine elastische Verformung aufnehmen kann. Hierdurch kann sowohl eine Geräuschentwicklung als auch ein Verschleiß am Polkern 12 und am Magnetanker 21 sowie am Steuerstift 23 und am Anschlag 4 im Vergleich zu einer starren Befestigung des Steuerstifts 23 am Magnetanker 21 verringert werden.
Weiterhin kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Steuerstift 23 ein geräuschdämpfendes und/oder verschleißunempfindliches Material, beispielsweise Carbonfasern oder einen Gummibelag zwischen dem Stift 23 und dem Anschlag 4, aufweist.
In den 2A und 2B sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele für das federnde Zwischenelement 22 gezeigt. Insbesondere weist das Zwischenelement 22 gemäß den gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils eine scheibenförmige Ausbildung auf. Durch eine zentrale Öffnung 221 ragt der Steuerstift 23, wie in 1 gezeigt ist, hindurch und ist im Bereich der zentralen Öffnung 221 mit dem Zwischenelement 22 beispielsweise durch Verschweißen verbunden. Der Randbereich des Zwischenelements 22 ist mit dem Magnetanker 21, wie in 1 gezeigt ist, verbunden, beispielsweise ebenfalls durch Verschweißung.
Wie in 2A gezeigt ist, weist das Zwischenelement 22 weiterhin Aussparungen 222 auf, die um die zentrale Öffnung 221 und damit um den Steuerstift 23 herum angeordnet sind. Durch die Aussparungen 222 ergeben sich Geometrien mit Stegen oder Armen auf, die Hebel bilden, die sich elastisch verformen können.
Hierdurch kann die federnde Wirkung des Zwischenelements 23 gezielt beeinflusst werden.
Das Zwischenelement 22 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2B weist Aussparungen auf, die sich jeweils bis zum Randbereich des Zwischenelements 22 erstrecken, sodass durch die Aussparungen 222 voneinander getrennte spiralförmige Arme gebildet werden. Diese bilden im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 2A längere Hebel, die sich elastisch verformen können, wodurch die oben beschriebene Verringerung der Impulse zwischen dem Magnetanker 21 und dem Polkern 12 sowie zwischen dem Steuerstift 23 und dem Anschlag 4 verstärkt werden kann. Insbesondere können die federnden Eigenschaften des Zwischenelements 23 durch das Material, die Materialdicke, die Größe der Aussparungen und die Lage der Aussparungen gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise kann das Zwischenelement 23 je nach Federeigenschaft in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine Dicke von größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 3 mm oder sogar von mehr als 3 mm aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Ventil mit einer Steuereinheit (10) zur Steuerung eines Ventilelements (20), wobei die Steuereinheit (10) einen Elektromagneten (1) und eine Ankergruppe (2) aufweist, der Elektromagnet (1) eine Spule (11) und einen Polkern (12) aufweist, die Ankergruppe (2) einen Magnetanker (21), der mittels des Elektromagnets (1) bewegbar ist, ein Zwischenelement (22) und einen Steuerstift (23) zur Steuerung des Ventilelements (20) aufweist, der Steuerstift (23) über das Zwischenelement (22) mit dem Magnetanker (21) verbunden und zusammen mit dem Magnetanker (21) bewegbar ist und das Zwischenelement (22) federnd ausgebildet ist und den Steuerstift (23) federnd an den Magnetanker (21) koppelt.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das Zwischenelement (22) scheibenförmig ausgebildet ist und der Steuerstift (23) durch eine zentrale Öffnung (221) des Zwischenelements (22) hindurchragt und im Bereich der zentralen Öffnung (221) mit dem Zwischenelement (22) verbunden ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Zwischenelement (22) in einem Randbereich mit dem Magnetanker (21) verbunden ist.
Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Zwischenelement (22) Aussparungen (222) aufweist, die um den Steuerstift (23) herum angeordnet sind.
Ventil nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Zwischenelement (22) durch die Aussparungen (222) voneinander getrennte spiralförmige Arme aufweist.
Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Zwischenelement (22) aus federndem Stahl ist.
Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetanker (21) eine Ankeröffnung (211) aufweist, durch die der Steuerstift (23) hindurchragt und in der eine Feder (3) angeordnet ist, die bestrebt ist, den Magnetanker (21) und den Polkern (12) auseinander zu drücken.
Ventil nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Feder (3) gegen den Polkern (12) und gegen das Zwischenelement (22) drückt.
Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Steuerstift (23) einen vom Magnetanker (21) abgewandten kragenförmigen Teilbereich (231) aufweist und in einem ausgeschalteten Zustand des Elektromagneten (1) mit dem kragenförmigen Teilbereich (231) gegen einen Anschlag (4) gedrückt wird.
Ventil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Steuerstift (23) Carbonfasern aufweist.