DE102013218934A1 - Magnetic actuator for actuating fuel injectors, fuel injector - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Magnetaktor zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren, umfassend einen Magnetkern (1), eine Magnetspule (2) sowie einen mit der Magnetspule (2) zusammenwirkenden Anker (3), der über einen fest mit dem Anker (3) verbundenen Ankerstift (4) hubbeweglich geführt ist. Erfindungsgemäß besitzt der Ankerstift (4) eine zentrale Bohrung (5) und/oder eine sich über einen Außenumfangsbereich (6) wendelförmig erstreckende Nut (7) als Strömungskanal für ein Fluid, insbesondere Kraftstoff. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Magnetaktor.The invention relates to a magnetic actuator for actuating fuel injectors, comprising a magnet core (1), a magnet coil (2) and an armature (3) cooperating with the magnet coil (2) and connected via an armature pin (4) fixedly connected to the armature (3) ) is guided in a liftable manner. According to the invention, the anchor pin (4) has a central bore (5) and / or a helically extending groove (7) over an outer peripheral region (6) as a flow channel for a fluid, in particular fuel. Furthermore, the invention relates to a fuel injector with such a magnetic actuator.
Description
Die Erfindung betrifft einen Magnetaktor zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner wird ein Krafstoffinjektor mit einem solchen Magnetaktor vorgeschlagen.The invention relates to a solenoid actuator for actuating fuel injectors having the features of the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Magnetaktoren der vorstehend genannten Art sind hinlänglich bekannt. Sie werden häufig in Kraftstoffinjektoren zur Steuerung einer hubbeweglichen Düsennadel eingesetzt, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Hierzu umfasst der Magnetaktor in der Regel einen Magnetkern, eine Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden, hubbeweglichen Anker. Bei einer direkten Betätigung des Kraftstoffinjektors über den Magnetaktor ist der Anker unmittelbar oder mittelbar, beispielweise über eine Kraftverstärkungseinrichtung in Form eines hydraulischen Kopplers, mit der Düsennadel koppelbar. Bei der indirekten Betätigung ist der Magnetaktor Bestandteil eines Magnetventils, mittels dessen ein die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagender Steuerdruck beeinflussbar ist.Magnetic actuators of the aforementioned type are well known. They are often used in fuel injectors for controlling a hubbeweglichen nozzle needle, on the lifting movement at least one injection port is releasable or closed. For this purpose, the magnetic actuator usually comprises a magnetic core, a magnetic coil and a cooperating with the magnetic coil, liftable anchor. In a direct actuation of the fuel injector via the magnetic actuator of the armature is directly or indirectly, for example via a power amplification device in the form of a hydraulic coupler, coupled to the nozzle needle. In the indirect actuation of the solenoid actuator is part of a solenoid valve, by means of which a nozzle needle in the closing direction acting on the control pressure can be influenced.
Ein über einen Magnetaktor direkt betätigbarer Kraftstoffinjektor geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
Darüber hinaus sind Magnetaktoren für direkt betätigbare Kraftstoffinjektoren bekannt, die mit einem als Tauchanker ausgebildeten Anker zusammenwirken. In diesem Fall ist es in Bezug auf die zu erreichende Magnetkraft von Vorteil, wenn zwischen dem Magnetaktor und dem Anker vorhandene Nebenluftspalte minimal ausgebildet sind. Der Kraftstoff kann in diesem Fall durch den Anker geführt werden, der hierzu wenigstens eine Bohrung und/oder einen außenumfangseitigen Schlitz besitzt. Im Falle einer Bohrung ist diese regelmäßig schräg geführt, wodurch sich jedoch der Ankerschwerpunkt aus der Mittelachse heraus verschiebt. Strömungsumlenkungen führen zudem zu Querkräften auf den Anker, welche wiederum dazu führen können, dass der Anker exzentrisch an einer Anschlagfläche auftrifft. Schlitze weisen den Nachteil auf, dass sie einen höheren Fertigungsaufwand verursachen und die Polfläche des Ankers reduzieren, was sich wiederum mindernd auf die Antriebskraft auswirkt.In addition, magnetic actuators for directly operable fuel injectors are known, which interact with an armature designed as a plunger anchor. In this case, it is advantageous in relation to the magnetic force to be achieved if secondary air gaps existing between the magnetic actuator and the armature are minimally formed. In this case, the fuel can be guided through the armature, which has at least one bore and / or an outer peripheral side slot for this purpose. In the case of a bore this is regularly led obliquely, whereby, however, the anchor focus shifts out of the central axis out. Flow deflections also lead to transverse forces on the armature, which in turn can cause the armature eccentrically impinges on a stop surface. Slots have the disadvantage that they cause a higher production cost and reduce the pole face of the armature, which in turn has a reducing effect on the driving force.
Es besteht somit ein Bedarf, die Strömungsführung in einem Kraftstoffinjektor zu optimieren. Um dies zu erreichen, werden vorliegend ein Magnetaktor zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Krafstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.There is thus a need to optimize the flow guidance in a fuel injector. To achieve this, a magnetic actuator for actuating fuel injectors having the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren vorgeschlagene Magnetaktor umfasst einen Magnetkern, eine Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden Anker, der über einen fest mit dem Anker verbundenen Ankerstift hubbeweglich geführt ist. Erfindungsgemäß besitzt der Ankerstift eine zentrale Bohrung und/oder eine sich über einen Außenumfangsbereich wendelförmig erstreckende Nut als Strömungskanal für ein Fluid, insbesondere Kraftstoff. Die alternativ oder ergänzend vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglichen eine zentrische bzw. annähernd zentrisch Fluidführung durch die Ankeranordnung. Nebenluftspalte bzw. Führungsspiele zwischen den Bauteilen der Ankeranordnung können auf diese Weise minimiert werden, wodurch maximale Antriebskräfte sowie eine optimale Führung erreicht werden.The proposed for actuation of fuel injectors magnetic actuator comprises a magnetic core, a magnetic coil and a cooperating with the solenoid armature, which is guided in a lift-movable manner via an anchor pin fixedly connected to the armature. According to the invention, the anchor pin has a central bore and / or a groove extending helically over an outer circumferential region as a flow channel for a fluid, in particular fuel. The alternatively or additionally proposed measures allow a centric or approximately centric fluid guidance through the armature arrangement. Secondary air gaps or guide games between the components of the armature arrangement can be minimized in this way, whereby maximum driving forces and optimum guidance can be achieved.
Bei einer Fluidführung über eine zentrale Bohrung im Ankerstift wird das Fluid im Zentrum der Ankeranordnung geführt, d. h. dort, wo das Material in Bezug auf die Biegebelastung des Ankerstifts durch magnetische Querkräfte keinen signifikanten Beitrag leistet und demnach ohne Weiteres entfernt werden kann. Über die zentrale Bohrung, die vorzugsweise einen runden Strömungsquerschnitt besitzt, kann das Fluid zudem weitgehend ungedrosselt und ohne Strömungsumlenkung geführt werden. Dadurch wird die Belastung der Ankeranordnung durch Querkräfte reduziert. Zugleich wird eine optimale Führung der Ankeranordnung erreicht, da im Vergleich zu einer Führung über segmentierte Führungsflächen durch Mehrfachanschliffe des Ankerstifts die Führung vollflächig über den gesamten Umfang des Ankerstifts erfolgt. Die Hohlbohrung des Ankerstifts bewirkt zudem eine geringere zu bewegende Masse, was sich ebenfalls als vorteilhaft in Bezug auf die erforderlichen Antriebskräfte auswirkt.In a fluid guide via a central bore in the anchor pin, the fluid is guided in the center of the armature assembly, ie where the material in relation to the bending load of the anchor pin by magnetic shear forces no significant contribution and therefore can be easily removed. In addition, the fluid can be guided largely unthrottled and without flow deflection via the central bore, which preferably has a round flow cross-section. As a result, the load on the armature assembly is reduced by lateral forces. At the same time an optimal guidance of the armature assembly is achieved because compared to a guide on segmented guide surfaces by Mehrfachanschliffe the anchor pin, the guide over the entire circumference of the anchor pin takes place. The hollow bore of the anchor pin also causes a lower mass to be moved, which also has an advantageous effect in terms of the required driving forces.
Bei einer Fluidführung über eine sich über einen Außenumfangsbereich wendelförmig erstreckende Nut wird das Fluid annähernd zentrisch durch die Ankeranordnung geführt. Im Vergleich zu den bereits genannten Mehrfachanschliffen wird über die wendelförmige Nut eine verbesserte Führung des Ankerstifts und damit der Ankeranordnung erreicht. Denn es gibt keinen Bereich, an denen die Außenumfangsfläche des Ankerstifts durchgängig über die gesamte Führungslänge unterbrochen ist. Als vorteilhaft erweist sich zudem ein durch die Wendelform der Nut induziertes Drehmoment, das die Ankeranordnung zu einer Drehbewegung anregt und dadurch die Schmierung im Führungsspalt verbessert.In the case of a fluid guide via a groove extending helically over an outer circumferential area, the fluid is guided approximately centrically through the armature arrangement. Compared to the already mentioned Mehrfachanschliffen an improved leadership of the anchor pin and thus the armature assembly is achieved via the helical groove. Because there is no area where the outer peripheral surface of the anchor pin is interrupted throughout the entire guide length. In addition, a torque induced by the helical shape of the groove proves to be advantageous, which excites the armature arrangement to rotate and thereby improves the lubrication in the guide gap.
Zur Optimierung der Führung wird daher vorgeschlagen, dass die Bohrung und/oder die wendelförmige Nut sich zumindest über einen vorgegebenen Führungsbereich des Ankerstifts erstreckt. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Bohrung und/oder die Nut über den Führungsbereich hinaus durch den Anker hindurch. Das heißt, dass die Bohrung und/oder die Nut im Anker fortgeführt ist bzw. durch eine Bohrung des Ankers fortgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass ein axialer Arbeitsluftspalt zwischen dem Anker und dem Magnetkern an die Fluidführung angebunden ist, so dass beim Hub des Ankers ein Druckausgleich möglich ist.To optimize the guidance, it is therefore proposed that the bore and / or the helical groove extends at least over a predetermined guide region of the anchor pin. Advantageously, the bore and / or the groove extends beyond the guide area through the armature. This means that the bore and / or the groove in the anchor is continued or is continued by a bore of the anchor. This has the advantage that an axial working air gap between the armature and the magnetic core is connected to the fluid guide, so that a pressure equalization is possible during the stroke of the armature.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bewirkt die Bohrung und/oder die Nut eine hydraulische Verbindung eines Ankerraums mit einem Federraum, der vorzugsweise der Aufnahme einer Rückstellfeder dient. Der Ankerraum und der Federraum können in einem Körperbauteil oder in mehreren Körperbauteilen des Kraftstoffinjektors angeordnet sein, wobei zumindest in einem Körperbauteil eine Führungsbohrung ausgebildet ist, in welcher der Ankerstift geführt ist. Das Führungsspiel kann minimal ausgelegt werden, da die Fluidführung über die zentrale Bohrung und/oder die wendelförmige Nut des Ankerstifts erfolgt.According to a preferred embodiment of the invention, the bore and / or the groove causes a hydraulic connection of an armature space with a spring chamber, which preferably serves to receive a return spring. The armature space and the spring chamber may be arranged in a body component or in a plurality of body components of the fuel injector, wherein a guide bore is formed in at least one body component in which the anchor pin is guided. The guide clearance can be minimized, since the fluid guide via the central bore and / or the helical groove of the anchor pin takes place.
In Abhängigkeit von der konkreten Ausbildung des Ankerstifts kann die zentrale Bohrung zur Fluidführung als Sacklochbohrung ausgeführt sein. In diesem Fall ist wenigstens eine von der Bohrung abzweigende weitere Bohrung vorgesehen, die in einem Außenumfangsbereich aus dem Ankerstift austritt. Die abzweigende weitere Bohrung kann radial oder schräg verlaufend ausgeführt sein, wobei zur Reduzierung der Strömungsumlenkung der Winkel einer Schrägbohrung möglichst klein in Bezug auf die Längsachse des Ankerstifts gewählt werden sollte.Depending on the specific design of the anchor pin, the central bore for fluid guidance can be designed as a blind hole. In this case, at least one additional bore branching off from the bore is provided, which emerges from the anchor pin in an outer circumferential region. The branching further bore can be designed to extend radially or obliquely, wherein to reduce the flow deflection of the angle of a helical bore should be selected as small as possible with respect to the longitudinal axis of the anchor pin.
Die durch die abzweigende Bohrung bewirkte Strömungsumlenkung kann jedoch auch Vorteile aufweisen. Denn durch die Strömungsumlenkung wird eine vom Ankerstift auf die Düsennadel übertragbare zusätzliche Schließkraft bewirkt, mittels welcher das Schließverhalten der Düsennadel zur Beendigung eines Einspritzvorgangs gezielt beeinflusst werden kann.However, the flow deflection effected by the branching bore can also have advantages. Because of the flow deflection, a transferable from the anchor pin on the nozzle needle additional closing force is effected, by means of which the closing behavior of the nozzle needle to terminate an injection process can be selectively influenced.
Soweit vorliegend der Begriff „Bohrung“ verwendet wird, soll hierunter eine beliebig geformte Öffnung bzw. Ausnehmung verstanden werden, die durch Bohren, Fräsen oder aber auf andere Weise hergestellt worden ist.As far as present, the term "hole" is used, this is to be understood as an arbitrarily shaped opening or recess, which has been prepared by drilling, milling or otherwise.
Die abzweigende weitere Bohrung stellt die hydraulische Verbindung der als Sacklochbohrung ausgebildeten zentralen Bohrung mit einem Druckraum, beispielsweise dem Federraum zur Aufnahme der Rückstellfeder, sicher. Die Ausbildung der zentralen Bohrung als Sacklochbohrung besitzt den Vorteil, dass der Ankerstift bis an die direkt zu betätigende Düsennadel des Kraftstoffinjektors heran geführt werden kann, um beispielsweise eine mechanische Kopplung des Ankerstifts mit der Düsennadel durch Anschlagen des Ankerstifts an einer Stirnfläche der Düsennadel zu bewirken. Die Fluidführung wird im Bereich der massiven Ausbildung des Ankerstifts über einen den Ankerstift umgebenden Druckraum, beispielsweise den Federraum, fortgesetzt.The branching further bore ensures the hydraulic connection of the blind hole formed as a central bore with a pressure chamber, such as the spring chamber for receiving the return spring safely. The formation of the central bore as a blind hole has the advantage that the anchor pin can be zoomed up to the directly operable nozzle needle of the fuel injector, for example, to effect a mechanical coupling of the anchor pin to the nozzle needle by abutment of the anchor pin on an end face of the nozzle needle. The fluid guide is continued in the region of the massive formation of the anchor pin via a pressure chamber surrounding the anchor pin, for example the spring chamber.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ankerstift in eine zentrale Durchgangsbohrung des Ankers eingesetzt und mit dem Anker kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Dadurch ist in einfacher Weise eine Fortführung der zentralen Bohrung bzw. der wendelförmigen Nut im Anker realisierbar. Die kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Einstecken, Einpressen, Umformen und/oder durch eine Schweißverbindung erzielt werden. Sofern eine Schweißverbindung vorgesehen ist, kann die Schweißnaht, vorzugsweise mittels Laserschweißen, als Kehlnaht an der Ober- oder Unterseite des Ankers gesetzt werden. Als Umformverfahren bieten sich insbesondere das Bördeln und/oder Nieten an.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the anchor pin is inserted into a central through-hole of the armature and connected to the armature force, shape and / or material fit. As a result, a continuation of the central bore or the helical groove in the armature can be realized in a simple manner. The positive, positive and / or cohesive connection can be achieved for example by inserting, pressing, forming and / or by a welded connection. If a welded connection is provided, the weld seam, preferably by means of laser welding, can be set as a fillet weld on the upper or lower side of the armature. Beading and / or riveting are particularly suitable as forming methods.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Ankerstift an den Anker angesetzt und mit dem Anker kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Der Ankerstift kann stumpf angesetzt oder auf einen zylinder- bzw. hohlzylinderförmigen Ansatz des Ankers aufgeschoben sein. Zur kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung können die vorstehend bereits genannten Verbindungsverfahren eingesetzt werden. According to an alternative preferred embodiment, the anchor pin is attached to the anchor and connected to the armature force, shape and / or material fit. The anchor pin can be stumped or pushed onto a cylindrical or hollow cylindrical neck of the anchor. For positive, positive and / or cohesive connection, the connection methods already mentioned above can be used.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Anker als Tauchanker ausgebildet ist. Im Vergleich zu einem als Flachanker ausgebildeten Anker kann mittels eines Tauchankers ein größerer Ankerhub realisiert werden. Zudem können durch die zentrische bzw. annähernd zentrische Fluidführung Nebenluftspalte minimiert werden, was sich günstig auf die zu erreichende Magnetkraft auswirkt.It is also proposed that the armature is designed as a plunger anchor. Compared to an armature designed as a flat armature, a larger armature stroke can be realized by means of a plunger armature. In addition, secondary air gaps can be minimized by the centric or approximately centric fluid guide, which has a favorable effect on the magnetic force to be achieved.
In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung des Ankers kann dieser wenigstens einen weiteren Strömungskanal besitzen. Dieser kann als eine den Anker durchsetzende Bohrung, als außenumfangseitige Längsnut und/oder als Anschliff ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Ankerstifts mit einer wendelförmigen Nut vorgesehen sein, die dann mit der Nut einen Strömungskanal ausbildend zusammenwirkt.Depending on the specific configuration of the armature, it may have at least one further flow channel. This can be designed as a hole passing through the armature, as an outer peripheral side longitudinal groove and / or as a polished section. For example, a central bore for receiving an anchor pin can be provided with a helical groove, which then cooperates with the groove forming a flow channel.
Da der erfindungsgemäße Magnetaktor bevorzugt Einsatz in einem Kraftstoffinjektor findet, wird ferner ein Kraftstoffinjektor mit einem solchen Magnetaktor vorgeschlagen. Über den Magnetaktor ist der Kraftstoffinjektor weiterhin bevorzugt direkt betätigbar. Das heißt, dass der Ankerstift unmittelbar oder mittelbar über eine Kraftverstärkungseinrichtung auf eine Düsennadel des Kraftstoffinjektors einwirkt.Since the magnetic actuator according to the invention is preferably used in a fuel injector, a fuel injector is proposed with such a magnetic actuator. Furthermore, the fuel injector can preferably be actuated directly via the magnetic actuator. This means that the anchor pin acts directly or indirectly via a force amplification device on a nozzle needle of the fuel injector.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. These show:
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der in der
Bei einer Bestromung der Magnetspule
Der einzuspritzende Kraftstoff wird durch den Magnetaktor geführt. Hierzu besitzt der Magnetkern
Anstelle der radial verlaufenden Bohrungen
Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Bestromung der Magnetspule
Der Anker
Eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetaktors ist in der
Im Unterschied zur Ausführungsform der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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