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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Schaltventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetische Schaltventile, beispielsweise Kraftstoffeinspritzventile oder Mengensteuerventile, sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen vom Markt her bekannt. Derartige Schaltventile weisen häufig einen axial bewegbaren Magnetanker auf, der beispielsweise einen Ankerhub zwischen 0,05 mm und 1 mm (Millimeter) ausführen kann. Zugehörige Schaltzeiten weisen beispielsweise einen Wert zwischen 0,15 ms und 2 ms (Millisekunden) auf. Einige Ausführungsformen von magnetischen Schaltventilen weisen in einem Ankerraum eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Benzin oder eine Bremsflüssigkeit, auf.
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Häufig werden derartige magnetische Schaltventile nach dem sogenannten Tauchanker-Prinzip ausgeführt. Die Kraftübertragung vom Anker, erfolgt über eine Nadel oder Stößel. Die optimale Lagerung der bewegten Komponenten, erfolgt bei maximalem Abstand der Lagerstellen. Der axial bewegbare Tauchanker und Nadelverbund wird dabei vorzugsweise mittels zwei axial beabstandeter Führungen radial geführt. Eine Führung befindet sich radial am Anker. Der an dem Anker angreifende magnetische Fluss weist in der Regel axiale und radiale Komponenten auf. In Folge von Fertigungstoleranzen und einer dadurch bedingten radialen Unsymmetrie der Führung des Ankers entsteht neben der axialen Kraft im allgemeinen eine Querkraft in einem Nebenluftspalt des magnetischen Schaltventils. Da sich der Nebenluftspalt im Magnetfluss befindet und diesen behindert, ist man bestrebt, den Nebenluftspalt möglichst klein auszuführen. Die unerwünschte radiale magnetische Querkraft wird umso größer, je kleiner der Nebenluftspalt ist. In dem Abschnitt des Ankers, der als Führung verwendet wird, entsteht daher eine vergleichsweise große magnetische Querkraft, die als Normalkraft auf die an der Führung des Ankers beteiligten Oberflächen wirkt, und in einer Reibkraft resultiert. Diese Reibkraft ist unerwünscht und lässt sich beispielsweise mittels einer Verchromung des Ankers im Führungsbereich vermindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Schaltventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Das erfindungsgemäße Schaltventil weist den Vorteil auf, dass eine an einem Anker angreifende radiale magnetische Kraft vermindert ist, so dass durch ungewollte radiale Unsymmetrien unerwünschte Querkräfte und daraus folgende Reibkräfte vermindert werden können. Dadurch kann der Führungsabschnitt des Ankers und ein damit verbundenes Ventilelement über mehrere Bauteile verbunden sein, so dass der Einfluss von Herstelltoleranzen in Bezug auf die radiale Ausrichtung des Ankers und des Ventilelements geringer ist. Damit können auch schnelle Schaltvorgänge besonders präzise durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Schaltventil weist einen axial bewegbaren Anker auf, welcher von einem durch eine Spule erregten magnetischen Pol in Richtung einer axialen Endlage angezogen werden kann. Dabei ist der Anker mit einem ebenfalls axial bewegbaren Betätigungselement gekoppelt. Das Betätigungselement ist beispielsweise eine Ventilnadel eines Kraftstoffeinspritzventils. Zur Führung des Ankers ist vorgesehen, dass ein axialer Abschnitt einer Umfangsfläche des Ankers einen Führungsabschnitt bildet. Der Führungsabschnitt wird von einem gehäusefesten Gegenabschnitt radial geführt. Erfindungsgemäß ist der Gegenabschnitt aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt.
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Der magnetische Pol, der den Anker in Richtung einer axialen Endlage anziehen kann, ist axial zu dem Anker angeordnet. In der Endlage des Ankers berührt der Anker – je nach einer konkreten Ausgestaltung – mit einer axialen Endfläche den magnetischen Pol, oder er ist durch ein Restluftspaltelement von dem magnetischen Pol beabstandet. Dadurch ergibt sich in einem weiten Bereich der axialen Ankerbewegung ein im Wesentlichen axial ausgerichteter magnetischer Fluss. Weil die radiale Gegenfläche zur Ankerführung aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, wird der Gegenabschnitt gar nicht, oder nur vergleichsweise schwach von dem magnetischen Fluss durchströmt. Entsprechend sind radiale Kraftkomponenten im Bereich des Führungsabschnitts und des Gegenabschnitts vergleichsweise gering, und eventuelle radiale Unsymmetrien des Schaltventils führen nur zu einer vergleichsweise geringen resultierenden Querkraft.
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Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn das magnetische Schaltventil Teil eines Mengensteuerventils einer Kraftstoffpumpe ist. Durch die Verminderung der radialen Kräfte werden Reibungskräfte des Schaltventils entsprechend vermindert, wodurch das Mengensteuerventil besonders genau arbeiten und eine höhere Dauerfestigkeit aufweisen kann.
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Ebenso ist die Erfindung besonders nützlich, wenn das magnetische Schaltventil Teil eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine ist. Bei Kraftstoffeinspritzventilen treten üblicherweise besonders schnelle Schaltvorgänge auf, die darüber hinaus auch zeitlich präzise erfolgen sollen. Dabei wirken sich die erfindungsgemäß verminderten radialen magnetischen Kräfte beziehungsweise die dadurch verminderten Reibungskräfte besonders vorteilhaft aus.
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Das Schaltventil arbeitet besonders gut, wenn der Führungsabschnitt im Bereich des von einem Ventilsitz des Schaltventils entfernten Ende des Ankers angeordnet ist. Das Schaltventil weist beispielsweise zwei Führungsabschnitte auf. Einen ersten Führungsabschnitt auf einer Umfangsfläche des Ankers, und einen zweiten Führungsabschnitt beispielsweise an einer Ventilnadel des Schaltventils. Dabei ist es günstig, wenn die mindestens zwei Führungsabschnitte einen besonders großen axialen Abstand aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich radiale Toleranzen des Schaltventils, insbesondere an dem Anker, der Ventilnadel, oder den Führungsabschnitten, besonders wenig auf die Funktion des Schaltventils auswirken.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Führungsabschnitt und/oder der Gegenabschnitt mindestens einen radial abragenden Ringsteg umfasst. Dadurch wird erreicht, dass die Führung des Ankers wirklich nur über den radial abragenden Ringsteg erfolgt, und somit übrige Abschnitte des Ankers nicht für die Führung benötigt werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Gegenabschnitt insgesamt hülsenartig ist. Der Gegenabschnitt kann dadurch beispielsweise den als Führungsabschnitt ausgebildeten Ringsteg des Ankers umfassen, und somit die erforderliche Führung in allen radialen Richtungen ermöglichen. Eine Hülse kann besonders einfach, preiswert und genau hergestellt werden.
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Ergänzend wird vorgeschlagen, dass zwischen jenem Bereich des Ankers, der nicht zu dem Führungsabschnitt gehört, und einem diesem Bereich des Ankers gegenüber liegenden magnetischen Gehäuseabschnitt ein Spalt vorhanden ist. Der magnetische Gehäuseabschnitt ist beispielsweise ein sogenanntes Flussstück, mit dem der durch die Spule erzeugte magnetische Fluss geführt wird. Durch den Spalt wird erreicht, dass der magnetische Fluss kontrolliert auf den Anker übertragen werden kann, wobei keine Reibungseffekte zwischen dem Anker und dem Flussstück auftreten können. Insbesondere treten radiale Komponenten des magnetischen Flusses überwiegend in dem Bereich des Spalts auf, wobei jedoch – bedingt durch den mittels des Spalts erreichten Abstand – radiale Kräfte vergleichsweise gering sind und somit eventuelle Unsymmetrien nicht oder nur wenig zu einer unerwünschten Querkraft führen können.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass der von dem Anker auf den magnetischen Pol übergehende magnetische Fluss eine im Wesentlichen axiale Richtung aufweist. Dies kann durch eine entsprechende geometrische Ausformung beziehungsweise Anordnung des Ankers, des magnetischen Pols, des aus dem nichtmagnetischen Material hergestellten Gegenabschnitts, und/oder dem Flussstück erreicht werden. Damit wird erreicht, dass insbesondere in einer Umgebung des Führungsabschnitts des Ankers keine oder nur wenig magnetische Flusslinien in radialer Richtung entstehen. Entsprechend sind radiale magnetische Kräfte vergleichsweise gering ausgeprägt.
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Das erfindungsgemäße Schaltventil baut besonders einfach, wenn es im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse ausgebildet ist. Dadurch ist es besonders einfach, radiale Kräfte, und daraus folgend durch Unsymmetrien bedingte unerwünschte Querkräfte zu vermindern. Auf diese Weise kann das Schaltventil besonders präzise und schnell schalten.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Teil eines Schaltventils in einer teilweisen Schnittdarstellung;
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2 ein Diagramm zur Darstellung einer radialen Komponente einer Ankerkraft in Abhängigkeit eines radialen Luftspalts;
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3 ein auszugsweises und vereinfachtes Schema des Schaltventils nach 1 in einer Schnittansicht; und
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4 das Schema nach der 3 mit einer Darstellung des magnetischen Flusses.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt einen Teil eines Schaltventils 10 in einer Schnittdarstellung. Das Schaltventil 10 ist ein Element eines Mengensteuerventils einer Kraftstoffpumpe einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es ein Element eines Kraftstoffeinspritzventils. Vorliegend ist das Schaltventil 10 im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 12 ausgeführt. Das Schaltventil 10 umfasst mehrere verschiedenartige Gehäuseabschnitte 14, in welchen Elemente des Schaltventils 10 angeordnet sind. In einem mittleren Bereich der Zeichnung von 1 ist ein Anker 16 angeordnet, welcher axiale Ankerbohrungen 18 aufweist, und welcher mit einer Ventilnadel 20 axial gekoppelt ist. Vorliegend ist der Anker 16 mit der Ventilnadel 20 starr verbunden. In der Zeichnung oberhalb des Ankers 16 ist zwischen dem Anker 16 und einem Gehäuseabschnitt 14 eine Ventilfeder 22 angeordnet. In einem durch einen Doppelpfeil 24 gekennzeichneten Raumabschnitt ist eine Wicklung einer Spule 26 des Schaltventils 10 angeordnet. Die Wicklung der Spule 26 ist so ausgeführt, dass sich im Innern der Spule 26 ein magnetischer Fluss im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 12 ergeben kann. Zur definierten Führung des magnetischen Flusses umfasst das Schaltventil 10 weitere Elemente, wie weiter unten dargestellt werden wird.
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Der Anker 16 und die mit dem Anker 16 gekoppelte Ventilnadel 20 sind vorliegend mittels zweier Führungsabschnitte radial geführt. Ein erster Führungsabschnitt 28 wird durch einen axialen Abschnitt einer Umfangsfläche des Ankers 16 gebildet. Der erste Führungsabschnitt 28 wird durch einen umlaufenden erhabenen Bereich der Umfangsfläche, in der Art eines Ringstegs gebildet. Er arbeitet im Gleitsitz mit einem gehäuseseitigen, nichtmagnetischen Gegenabschnitt 32 zusammen. Ein zweiter Führungsabschnitt 30 wird in einem unteren Bereich der Zeichnung von 1 durch eine Umfangsfläche der Ventilnadel 20 gegenüber von einem Gehäuseabschnitt 14 gebildet. In der Zeichnung rechts neben dem Führungsabschnitt 30 ist eine Öffnung 31 angeordnet. Ein – bezogen auf die Zeichnung der 1 – weiter unten angeordneter Ventilsitz beziehungsweise Dichtabschnitt der Ventilnadel 20 des Schaltventils 10 sind nicht mit dargestellt. Der Führungsabschnitt 28 ist im Bereich des von dem Ventilsitz des Schaltventils 10 entfernten Endes des Ankers 16 angeordnet.
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Bei einer Bestromung der Spule 26 baut sich ein magnetischer Fluss in dem Schaltventil 10 im Wesentlichen wie folgt auf: Das durch die Spule 26 erzeugte Magnetfeld erzeugt einen magnetischen Fluss in einem magnetischen Pol 34, welcher in der Zeichnung oberhalb des Ankers 16 angeordnet ist. Der in dem magnetischen Pol 34 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 12 verlaufende magnetische Fluss wird im oberen Bereich der Zeichnung von einer ersten magnetische Führung 36 aufgenommen und radial umgelenkt. Der radial umgelenkte magnetische Fluss wird durch eine magnetische Rückführung 38 in der Zeichnung von 1 nach unten geführt. Die magnetische Rückführung 38 ist in der 1 lediglich im rechten Bereich der Zeichnung vollständig dargestellt. Der magnetische Fluss gelangt von der magnetischen Rückführung 38 auf ein im Wesentlichen zylinderförmiges Flussstück 40. Dazu ist ein unterer Endabschnitt der magnetischen Rückführung 38 abgewinkelt ausgeführt. Das Flussstück 40 umgreift den Anker 16, wobei jedoch zwischen dem Flussstück 40 und dem Anker 16 außerhalb vom Führungsabschnitt 28 ein ringförmiger Spalt 42 verbleibt. Entlang des Spaltes 42 kann der magnetische Fluss aus dem Flussstück 40 mittels einer vergleichsweise starken radialen Komponente nach innen auf den Anker 16 übertreten. Der in den Anker 16 einströmende magnetische Fluss wird in dem Anker 16 axial umgelenkt, und kann über einen Ankerspalt 44 in den magnetischen Pol 34 übergehen, wodurch der magnetische Kreis des Schaltventils 10 geschlossen wird.
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Der Gegenabschnitt 32 ist erfindungsgemäß nichtmagnetisch ausgeführt und verhindert somit über den Gegenabschnitt 32 fließende radiale Komponenten des magnetischen Flusses. Eine zylindrische Hülse 25, welche vorliegend aus einem nichtmagnetischen Werkstoff ausgeführt ist, umschließt den Gegenabschnitt 32 sowie Abschnitte des magnetischen Pols 34 und des Flussstücks 40 radial. Alternativ kann die zylindrische Hülse 25 aus einem magnetischen Werkstoff ausgeführt sein. Dies ist für die Funktion des Gegenabschnitts 32 jedoch im Wesentlichen unerheblich.
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Der Führungsabschnitt 28 des Ankers 16 ist, wie gesagt, vorliegend als ein radial abragender Ringsteg an dem in der Zeichnung oberen Endabschnitt des Ankers 16 ausgeführt, und wird mittels des nichtmagnetischen Gegenabschnitts 32 radial geführt. Der nichtmagnetische Gegenabschnitt 32 ist vorliegend als zylindrische Hülse ausgeführt, welche aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist. Dadurch kann im Bereich des Führungsabschnitts 28 der magnetische Fluss in dem Anker 16, dem Ankerspalt 44 und dem magnetischen Pol 34 eine im Wesentlichen axiale Richtung aufweisen. Entsprechend sind radiale Komponenten des magnetischen Flusses vermindert. Ebenso werden radiale Kräfte und damit die sich aus Unsymmetrien ergebenden Reibungskräfte zwischen dem Anker 16 beziehungsweise dem Führungsabschnitt 28 und dem Gegenabschnitt 32 vermindert.
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Der Anker 16 und die oben beschriebenen Elemente zur Erzeugung und Führung des magnetischen Flusses stellen insgesamt eine magnetische Betätigungseinrichtung für das Schaltventil 10 dar. Das Schaltventil 10 wird daher auch als ”magnetisches Schaltventil” bezeichnet.
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Die 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit einer radialen Komponente 46 der Ankerkraft von der Größe eines radialen Luftspaltes 48 um den Anker 16. Man erkennt, dass die Abhängigkeit der radialen Komponente 46 der Ankerkraft von dem radialen Luftspalt 48 in etwa einen hyperbolischen Verlauf aufweist. Das bedeutet, dass die radiale Komponente 46 der Ankerkraft mit geringer werdendem radialen Luftspalt 48 stark ansteigt. Beispielsweise entspricht der radiale Luftspalt 48 dem oben beschriebenen Spalt 42.
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Die 3 zeigt ein auszugsweises Schema des Schaltventils 10 in einer Schnittansicht. Die in der 3 dargestellten Elemente entsprechen in etwa den Elementen in dem oberen rechten Bereich der Zeichnung von 1. Die in der 3 dargestellten Elemente sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu der Längsachse 12 ausgeführt und angeordnet. Dargestellt ist nur die rechte Hälfte der Schnittdarstellung.
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Die meisten der in der 3 gezeigten Elemente sind mittels ihrer Bezugszeichen auf die entsprechenden Elemente der 1 rückführbar. Ergänzend ist ein nichtpermeabler Werkstoff 50 dargestellt, in welchem die Spule 26 angeordnet ist. In der 3 ist die Spule 26 nicht bestromt und der Anker 16 nicht von dem magnetischen Pol 34 angezogen. Somit befinden sich der Anker 16 und die Ventilnadel 20 an einem in der Zeichnung unteren Anschlag, und das Schaltventil 10 ist geschlossen. Abhängig von der konkreten Ausführung des Schaltventils 10 in einem in der Zeichnung nicht dargestellten unteren Bereich kann alternativ das Schaltventil 10 bei nicht bestromter Spule 26 auch geöffnet sein.
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Die 4 zeigt eine zu der 3 gleiche Ausführung des Schaltventils 10, wobei jedoch die Spule 26 bestromt ist und der Anker 16 in der Zeichnung nach oben am magnetischen Pol 34 angeschlagen ist. Insbesondere sind in der 4 die Feldlinien des magnetischen Flusses dargestellt. Wegen der vorliegenden schwarz-weiß Darstellung ist die lokale Stärke des magnetischen Flusses nicht überall eindeutig durch den Schwärzungsgrad der eingezeichneten Feldlinien bestimmbar. Pfeile 52 deuten daher Bereiche mit vergleichsweise hohem lokalen magnetischen Fluss an, und Pfeile 54 deuten Bereiche mit einem mittleren lokalen magnetischen Fluss an.
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Der Verlauf des magnetischen Flusses entspricht in der Zeichnung der 4 in weiten Teilen einem bekannten Verlauf bei üblichen Schaltventilen 10 beziehungsweise Magnetkreisen. In einem Bereich um den aus einem nichtmagnetischen Material hergestellten Gegenabschnitt 32 ergibt sich jedoch ein besonderer Verlauf des magnetischen Flusses. Insbesondere an den einander gegenüberliegenden Abschnitten des Ankers 16 und des magnetischen Pols 34 verläuft der magnetische Fluss im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 12. Eine radiale Komponente des magnetischen Flusses ist in diesem Abschnitt nur schwach ausgeprägt.
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In dem Bereich des Führungsabschnitts 28 bzw. des Gegenabschnitts 32 ergibt sich eine besonders kleine radiale Komponente des magnetischen Flusses. Entsprechend ergeben sich in diesem Bereich nur sehr kleine radiale Kräfte, so dass bei einer eventuellen toleranzbedingten Unsymmetrie des Ankers 16 oder der übrigen Elemente des Schaltventils 10 keine oder nur eine geringe resultierende Querkraft auftreten kann. Dadurch werden Reibungen zwischen dem Anker 16 und dem Gegenabschnitt 32 minimiert und die Funktion des Schaltventils 10 allgemein verbessert.
