DE112011104463T5

DE112011104463T5 - Solenoidaktuator und Kraftstoffinjektor mit demselben

Info

Publication number: DE112011104463T5
Application number: DE112011104463T
Authority: DE
Inventors: Christopher D. Hanson; Jayaraman Venkataraghavan; John McDonnell; Nadeem Bunni
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-09-12
Also published as: CN103328808A; US8729995B2; WO2012087865A1; US9506435B2; US20140203113A1; US20120153034A1

Abstract

In einem Aspekt weist ein Kraftstoffinjektor (10) einen Injektorkörper (11) auf, der einen Kraftstoffeinlass (12), einen Ablaufauslass (13) und einen Düsenauslass (14) definiert. Ein direkt betätigtes Rückschlagventil (20) ist in dem Injektorkörper (11) angeordnet und weist ein Nadelventilglied (21) mit einer Öffnungshydraulikfläche (22), die einem Fluiddruck in einem Düsenzufuhrdurchgang (16) ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche (23), die einem Fluiddruck in einer Nadelsteuerkammer (17) ausgesetzt ist, auf. Das Nadelventilglied (21) ist zwischen einer ersten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang (16) zu dem Düsenauslass (14) versperrt ist, und einer zweiten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang (16) zu dem Düsenauslass (14) geöffnet ist, bewegbar. Ein Nadelsteuerventil (30) ist in dem Injektorkörper (11) angeordnet und weist ein Steuerventilglied (31) auf, das zwischen einer ersten Position, in welcher die Nadelsteuerkammer (17) in Fluidverbindung mit dem Ablaufauslass (13) steht, und einer zweiten Position, in welcher die Fluidverbindung der Nadelsteuerkammer (17) zu dem Ablaufauslass (13) versperrt ist, bewegbar ist. Ein Solenoidaktuator (50) ist in dem Injektorkörper (11) angeordnet und weist eine Statorbaugruppe (51) und eine Ankerbaugruppe (52, 152) auf, die mit dem Steuerventilglied (31) verbunden ist. Entweder die Statorbaugruppe (51) oder die Ankerbaugruppe (52, 152) weist einen nicht-magnetischen Einsatz (55, 155, 255) auf, der sich bewegt, um die jeweils andere von der Statorbaugruppe (51) oder der Ankerbaugruppe in der eingeschalteten Position zu berühren bzw. in der ausgeschalteten Position nicht zu berühren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Hochgeschwindigkeitssolenoidaktuatoren und insbesondere auf einen Aufbau einer Statorbaugruppe und einer Ankerbaugruppe eines Solenoids eines Kraftstoffinjektors.
Hintergrund
Common-Rail-Kraftstoffsysteme haben insbesondere in Bezug auf Kompressionszündungskraftmaschinen ein erhebliches Potenzial bei der Bereitstellung der notwendigen Flexibilität zum Verbessern der Leistung aufgezeigt, während zudem ungewünschte Emissionen reduziert werden. Da die Industrie stetig mehr Leistungsfähigkeit bei einer breiten Flexibilität der Betriebsbedingungen der Kraftmaschinen erfordert, sind neue Probleme aufgetreten. Um beispielsweise die geringstmöglichen Emissionen während eines Verbrennungsvorgangs zu erzeugen, wird von Kraftstoffinjektoren häufig die Fähigkeit verlangt, relativ große Volumina und extrem kleine Volumina von Kraftstoff einzuspritzen, manchmal in der gleichen Sequenz umfassend einen Haupteinspritzvorgang, der nahe gefolgt von einem nahe verbundenen Nacheinspritzvorgang wird. Die Fähigkeit zum genauen Einspritzen unterschiedlicher Kraftstoffvolumina über einen weiten Bereich zu präzise bestimmten Zeitpunkten unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors in einer begrenzten räumlichen Hülle kann es erfordern, eine große Aufmerksamkeit auf die verwendeten Materialien und Konstruktionen, die der zum Steuern der Einspritzvorgänge verwendeten Solenoidbaugruppe zugeordnet sind, zu richten.
Zusätzlich müssen diese Baugruppen robust und beständig in der aggressiven Umgebung einer Verbrennungskraftmaschine sein.
Ein Beispiel eines Kraftstoffinjektors wird in der miteigenen US-Patentveröffentlichung 2010/0176223 beschrieben, welche einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor zeigt, der ein direkt betätigtes Rückschlagventil, das über ein Zweiwege-Nadelsteuerventil gesteuert wird, verwendet. Das Nadelsteuerventil öffnet bzw. verschließt eine Nadelsteuerkammer zu einem Niedrigdruckdurchgang durch Einschalten bzw. Ausschalten eines Solenoidaktuators. Neben anderen Dingen demonstriert dieser Verweis, dass viele Variablen beachtet und sehr viele Entscheidungen getroffen werden müssen, um zu einer Solenoidbaugruppenlösung zu gelangen, die sowohl die Leistung, Lebenserwartung, Beständigkeit als auch andere Anforderungen erfüllt, die mit einer wirklichen Gerätetechnikkombination verbunden sind, die in einer wirklichen Verbrennungskraftmaschine wie gewünscht arbeiten und in Massenmengen bei wettbewerbsfähigen Kosten herstellbar sind.
Die vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der oben beschriebenen Probleme gerichtet.
Zusammenfassung der Offenbarung
In einem Aspekt weist ein Solenoid eine Statorbaugruppe mit einem Gehäuse auf, das einen Aufsatz aufweist und eine Stiftbohrung definiert. Ein zerbrechlicher hochmagnetischer Kern erstreckt sich zwischen einem oberen Ende und einem Ankerende. Eine Spulenwicklung ist um den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern angeordnet. Ein Mittelstück erstreckt sich vollständig durch den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern mit einem von der Stiftbohrung aufgenommenen Ende und einem gegenüber liegenden Ende, das eine Kernabschirmung, die das Ankerende des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns abdeckt, aufweist. Die Kernabschirmung weist einen Ankeranschlag auf. Die Statorbaugruppe weist ferner einen Flussring auf. Eine Ankerbaugruppe weist einen Anker, der zum Bewegen mit einem Stift in dem Flussring angebracht, aber getrennt von dem Flussring durch einen Gleitluftspalt ist, auf. Der Stift und Anker sind zwischen einer eingeschalteten Position und einer ausgeschalteten Position bewegbar. Entweder die Statorbaugruppe oder die Ankerbaugruppe weist einen nicht-magnetischen Einsatz auf, der sich bewegt, um die jeweils andere von der Statorbaugruppe oder der Ankerbaugruppe in der eingeschalteten Position zu berühren bzw. in der ausgeschalteten Position nicht zu berühren.
In einem anderen Aspekt weist ein Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper auf, der einen Kraftstoffeinlass, einen Ablaufauslass und einen Düsenauslass definiert. Ein direkt betätigtes Rückschlagventil ist in dem Injektorkörper angeordnet und weist ein Nadelventilglied mit einer Öffnungshydraulikfläche, die dem Fluiddruck in einem Düsenzufuhrdurchgang ausgesetzt ist, und eine Schließhydraulikfläche, die einem Fluiddruck in einer Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist, auf. Das Nadelventilglied ist zwischen einer ersten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang in den Düsenauslass versperrt ist, und einer zweiten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang zu dem Düsenauslass geöffnet ist, bewegbar. Ein Nadelsteuerventil ist in dem Injektorkörper angeordnet und weist ein Steuerventilglied auf, das zwischen einer ersten Position, in welcher die Nadelsteuerkammer in Fluidverbindung mit dem Ablaufauslass steht, und einer zweiten Position, in welcher die Fluidverbindung der Nadelsteuerkammer mit dem Ablaufauslass versperrt ist, bewegbar ist. Ein Solenoidaktuator ist in dem Injektorkörper angeordnet und weist eine Statorbaugruppe und eine Ankerbaugruppe, die mit dem Steuerventilglied verbunden ist, auf. Entweder die Statorbaugruppe oder die Ankerbaugruppe weist einen nicht-magnetischen Einsatz auf, der sich bewegt, um die jeweils andere von der Statorbaugruppe oder der Ankerbaugruppe in der eingeschalteten Position zu berühren bzw. in der ausgeschalteten Position nicht zu berühren.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffinjektors das Initiieren eines Einspritzvorgangs durch Einschalten eines Solenoids und das Beenden des Einspritzvorgangs durch Ausschalten des Solenoids auf. Ein nicht-magnetischer Einsatz von entweder der Statorbaugruppe oder der Ankerbaugruppe berührt die jeweils andere von der Statorbaugruppe oder der Ankerbaugruppe in Reaktion auf das Einschalten des Solenoids. Der nicht-magnetische Einsatz wird zum nicht mehr Berühren des jeweils anderen von der Statorbaugruppe oder der Ankerbaugruppe in Reaktion auf das Ausschalten des Solenoids bewegt. Ein Steuerventilglied wird in Richtung einer Position bewegt, die eine Fluidverbindung einer Nadelsteuerkammer zu einem Ablaufauslass in Reaktion auf das Einschalten des Solenoids herstellt. Ein Druck auf eine Schließhydraulikfläche eines Nadelventilglieds, welche einem Fluiddruck in der Nadelsteuerkammer ausgesetzt ist, wird in Reaktion auf die Bewegung des Steuerventilglieds abgebaut. Das Nadelventilglied wird aus einer Position, die den Düsenauslass versperrt, zu einer Position, die eine Fluidverbindung eines Düsenzufuhrdurchgangs zu dem Düsenauslass in Reaktion auf das Aussetzen einer Öffnungshydraulikfläche des Nadelventilglieds zu einem Fluiddruck in einem Düsenzufuhrdurchgang und in Reaktion auf den Druckabbau auf die Schließhydraulikfläche herstellt, bewegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittseitenansicht eines Kraftstoffinjektors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung,
2 ist eine vergrößerte Schnittseitenansicht eines Solenoidaktuators des Kraftstoffinjektors der 1,
3 ist eine vergrößerte schematische Schnittseitenansicht einer Ankerbaugruppe gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung,
4 ist eine Schnittseitenansicht einer Statorbaugruppe gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung, und
5 ist eine Reihe von Ansichten, die eine Herstellstrategie für ein Mittelstück einer Statorbaugruppe gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigen.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 weist ein Kraftstoffinjektor 10 einen Solenoidaktuator 50 auf, der in einem Injektorkörper 11, der einen Kraftstoffeinlass 12, einen Ablaufauslass 13 und einen Düsenauslass 14 definiert, aufgenommen ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kraftstoffinjektor 10 ein Common-Rail-Kraftstoffinjektor, was durch die Aufnahme eines konischen Sitzes 15 an dem Kraftstoffeinlass 12 zum Aufnehmen eines Rohrstücks (nicht gezeigt) zum Übertragen von Hochdruckkraftstoff von einem Common-Rail (nicht gezeigt) ersichtlich ist. Nichtsdestotrotz können andere Kraftstoffinjektoren (beispielsweise nockenaktuiert) ebenso in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein direkt betätigtes Rückschlagventil 20 auf, das in dem Injektorkörper 11 angeordnet ist und ein Nadelventilglied 21 mit einer Öffnungshydraulikfläche 22, die dem Fluiddruck in einem Düsenzufuhrdurchgang 16, der in Fluidverbindung mit dem Kraftstoffeinlass 12 steht, ausgesetzt ist. Zusätzlich weist das Nadelventilglied 21 eine Schließhydraulikfläche 23 auf, die dem Fluiddruck in einer Nadelsteuerkammer 17 ausgesetzt ist. Das Nadelventilglied 21 ist zwischen einer ersten Position (wie gezeigt), in welcher der Düsenzufuhrdurchgang 16 zu dem Düsenauslass 14 versperrt ist, und einer zweiten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang 16 zu dem Düsenauslass 14 für einen Einspritzvorgang geöffnet ist, bewegbar. Ein Nadelsteuerventil 30 ist in dem Injektorkörper 11 angeordnet und weist ein Steuerventilglied 31 auf. Der Solenoidaktuator 50 weist eine Statorbaugruppe 51 und eine Ankerbaugruppe 52, die zum Bewegen des Steuerventilglieds 31 verbunden ist, auf. Das Steuerventilglied 31 ist zwischen einer ersten Position, in welcher die Nadelsteuerkammer 17 in Fluidverbindung mit dem Ablaufauslass 13 steht, und einer zweiten Position, in welcher die Fluidverbindung der Nadelsteuerkammer 17 zu dem Ablaufauslass 13 versperrt ist, bewegbar. In dem Kraftstoffinjektor der 1 und 2 ist die Berührung des Nadelventilglieds 31 mit einen Flachsitz 32 über eine Feder 36, die auf das Steuerventilglied 31 über einen Stift 80 drückt, vorgespannt. Wenn der Solenoidaktuator 50 eingeschaltet wird, hebt sich das Steuerventilglied 31 aus dem Flachsitz 32, um eine Fluidverbindung der Nadelsteuerkammer 17 mit dem Ablaufauslass 13 über den/die Niedrigdruckdurchgang/-durchgänge 33 herzustellen.
In allen Kraftstoffinjektoren gemäß der vorliegenden Offenbarung weist entweder die Statorbaugruppe 51 oder die Ankerbaugruppe 52 einen nicht-magnetischen Einsatz 55 auf, der sich bewegt, um die jeweils andere von der Statorbaugruppe oder der Ankerbaugruppe in der eingeschalteten Position zu berühren bzw. in der ausgeschalteten Position nicht zu berühren. In den Ausführungsformen der 1 und 2 ist der nicht-magnetische Einsatz 55 ein Bereich der Statorbaugruppe 51. Die Ausführungsform der 3 zeigt einen nicht-magnetischen Einsatz 155, der ein Bereich einer Ankerbaugruppe 152 ist. Gemäß dem Kontext der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Ausdruck „nicht-magnetischer Einsatz” eine identifizierbare separate Komponente, die aus einem Material hergestellt ist, das eine magnetische Flussdichte von weniger als 0,5 Tesla bei einer Feldstärke von 10000 (Ampere/Meter) besitzt. Beispielsweise können ein metallischer nicht-magnetischer Einsatz aus Wolframcarbid und ein nicht-metallischer Einsatz aus Keramik hergestellt sein. Bestimmte Edelstahllegierungen können auch für nicht-magnetische Einsätze gemäß der vorliegenden Offenbarung berücksichtigt werden. Der nicht-magnetische Einsatz 55 ist immer ein Bereich eines Ankeranschlags oder berührt den Ankeranschlag, wenn der Solenoidaktuator 50 eingeschaltet wird, soweit dieser in einem Solenoidaktuator 50 gemäß der vorliegenden Offenbarung eingebaut ist.
Demnach weist ein nicht-magnetischer Einsatz 55 gemäß der vorliegenden Offenbarung immer eine Berührungsoberfläche auf. Wenn die Statorbaugruppe 51 und die Ankerbaugruppe 52 einander an dem nicht-magnetischen Einsatz berühren, wird ein Endluftspalt zwischen der Statorbaugruppe und dem oberen Teil der Oberfläche des Ankers auf eine typischen Weise beibehalten.
Die Statorbaugruppe 51 weist ein Gehäuse 60 (2) auf, das einen Aufsatz 61 aufweist, der eine Stiftbohrung 62 definiert. Wie bereits in 1 gesehen, ist das Gehäuse 60 in einem Hohlsegment 18 des Injektorkörpers 11 zum Zeitpunkt der Herstellung angeordnet. Ein zerbrechlicher hochmagnetischer Kern 70 erstreckt sich zwischen einem oberen Ende 71 und einem Ankerende 72, welches zur Bezugnahme auf einen Mittelbereich und einen radialen Außenbereich zweifach in 2 vorkommt. Der zerbrechliche hochmagnetische Kern 70 kann aus einem geeigneten, zerbrechlichen, aber hochmagnetischen Material wie Somoloy oder dergleichen ausgebildet sein, das nur eine geringe Fähigkeit zum Tragen der typischen Klemmkräfte, die mit Kraftstoffinjektoren verbunden sind, aber überlegene Flussübertragungsfähigkeiten aufweist, die derzeit nicht in weiteren Strukturmetalllegierungen wie solchen, die zum Aufbau des Gehäuses 60 verwendet werden, verfügbar sind. Das Gehäuse 60 kann, wenn es in dem Kraftstoffinjektor 10 eingebaut ist, dazu dienen, die Pressklemmkräfte des Kraftstoffinjektors 10 um den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern 72 zum Schützen des Kerns vor einem Bruch zu leiten. Eine Spulenwindung 74 wird durch einen Spulenträger 66 getragen und ist um den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern 70 angeordnet. Ein Mittelstück 75 erstreckt sich vollständig durch den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern 70 mit einem Ende 76, das in der Stiftbohrung 62 aufgenommen ist, und einem gegenüberliegenden Ende 73, das eine Kernabschirmung (Kernschild) 77 aufweist, die einen Mittelbereich des Ankerendes 72 des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns 70 abdeckt. Die Kernabschirmung 77 weist einen Ankeranschlag 78 auf. Ein Bodenstückring 64 schützt den radialen Außenbereich des Ankerendes 72 des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns 72. Die Statorbaugruppe 51 weist auch einen Flussring 69 auf, der auf einer Injektorblockkomponente 19 getragen wird und einen Bereich aufweist, der eine Führungsbohrung 84 definiert. Der Flussring 69 kann zwischen dem Gehäuse 60 und einem Bereich des Injektorkörpers 11 zusammengepresst sein. In der Ausführungsform der 1 und 2 ist der nicht-magnetische Einsatz 55 in einer Einsatzkavität 79, die durch das Mittelstück 75 definiert ist, angebracht. Obwohl nicht absolut notwendig, kann der zerbrechliche hochmagnetische Kern 70 von einem Gehäuse 60 und der Kernabschirmung 77 umgeben sein. In der Ausführungsform der 1 und 2 weist das Gehäuse 60 einen Aufsatz 61 und einen Hohlzylinder 63, der ein Bereich der gleichen Komponente des Aufsatzes 61 sein kann oder nicht, und ein Bodenstück 64 auf. Nichtsdestotrotz werden Fachmänner erkennen, dass das Gehäuse 60 aus mehreren Komponenten ohne Verlassen der vorliegenden Offenbarung aufgebaut sein kann.
Die Ankerbaugruppe 52 weist den Stift 80 auf, der zum Bewegen mit einem Anker 81 zwischen einer eingeschalteten Position, in der der Stift 80 den Ankeranschlag 78 berührt, und einer ausgeschalteten Position, in welcher der Stift 80 den Ankeranschlag 78 nicht berührt, angebracht ist. Während dieser Bewegung hält der Anker 81 immer einen Luftspalt bezüglich der Statorbaugruppe 51 im Allgemeinen und der Kernabschirmung 77 im Speziellen in der offenbarten Ausführungsform. In der dargestellten Ausführungsform ist der Anker 81 von dem Flussring 69 durch einen Gleitluftspalt 82 getrennt. Nichtsdestotrotz werden Fachmänner erkennen, dass Solenoide, die keinen Gleitluftspalt aufweisen, auch in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen können. Der Stift 80 kann an dem Anker 81 in irgendeiner geeigneten Weise wie beispielsweise mittels einer Presspassung angebracht werden.
Unter Bezugnahme auf 3 ist in einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung der nicht-magnetische Einsatz 155 als ein Bereich der Ankerbaugruppe 152 anstatt eines Bereichs der Statorbaugruppe 51 wie in den Ausführungsformen der 1 und 2 dargestellt. Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich ebenso von denen der 1 und 2 durch die Aufnahme eines Mittelstücks, das aus einem einzelnen Material besteht, das bis auf eine gehärtete Mittlelschicht 91, die den Ankeranschlag 178 darstellt, homogen ist. Die gehärtete Mittelbeschichtung weist niedrigere magnetische Eigenschaften auf, ist aber im Vergleich zu einem Restbereich 92 der Kernabschirmung 175 gehärtet. Demnach kann der Restbereich 92 ein vergleichsweise weiches magnetisches Material sein, jedoch die gehärtete Mittelbeschichtung 91 eine Minorität eines Volumens der Kernabschirmung 175 einnehmen. In der Ausführungsform der 3 bewegen sich der nicht-magnetische Einsatz 155, der Stift 80 und der Anker 81 als eine Einheit zwischen einer ausgeschalteten Position, in welcher der nicht-magnetische Einsatz die gehärteten Mittelbeschichtung 91 (Ankeranschlag 178) nicht berührt, und einer eingeschalteten Position, in welcher der nicht-magnetische Einsatz 155 den Ankeranschlag 178 berührt. Der nicht-magnetische Einsatz 155 kann in irgendeiner geeigneten Weise wie beispielsweise mittels einer Presspassung in dem Anker 81 angebracht sein. Wie die vorherige Ausführungsform hält der Anker 81 einen Gleitluftspalt zu dem Flussring 69 und hält einen Luftspalt an allen Positionen bezüglich der Statorbaugruppe 51 im Allgemeinen und der Kernabschirmung 177 im Speziellen.
4 zeigt eine weitere andere Ausführungsform, in welcher der nicht-magnetische Einsatz 255 vergleichsweise größer ist als in den vorherigen Ausführungsformen und die Form eines Stifts einnimmt. Ein Ende des nicht-magnetischen Einsatzes 255 wird in der Stiftbohrung 62 des Aufsatzes 61 aufgenommen und das andere Ende erstreckt sich hindurch, ist jedoch an der Kernabschirmung 77 angebracht. Wie die vorherigen Ausführungsformen bilden der nicht-magnetische Einsatz 255 und die Kernabschirmung 77 zusammen ein Mittelstück 275 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Obwohl die Ausführungsform der 4 eine haltbarere und robustere Strategie der vorliegenden Offenbarung darstellt, geschieht dies auf Kosten der Flussübertragungsfähigkeit des Mittelstücks 275, welche im Wesentlichen zu den Leistungscharakteristika (z. B. Geschwindigkeit) des Solenoidaktuators beiträgt. Obwohl die Ausführungsformen der 1 und 3 ziemlich äquivalent erscheinen, legen Tests nahe, dass die Ausführungsform der 1 und 2 die Leistung, die der Ausführungsform der 3 zugeordnet ist, übertrifft.
Unter Bezugnahme auf die 5 ist eine Reihe von Schritten für eine Strategie zum Aufbauen des Mittelstücks 175, das der Ausführungsform der 3 zugeordnet ist, gezeigt. Wie zuvor angegeben, besteht das Mittelstück 175 aus einem einzelnen homogenen magnetischen Material, das allgemein vergleichsweise weich ist, weist jedoch eine gehärtete Mittelbeschichtung 91 auf, die als ein Ankeranschlag 178 fungiert. Eine Strategie zum Herstellen des Mittelstücks 175 ist es, mit einem homogenen überdimensionierten Basisstück 40 anzufangen. Dieses Stück kann dann in ein einsatzgehärtetes Stück 41 mit überdimensionierten Abmaßen ähnlich zu denen des Basisstücks 40 über bekannte Techniken wie Aufkohlen des Basisstücks 40 zum Erzeugen einer gehärteten Schicht, die im Bereich von ungefähr einem halben Millimeter Dicke liegen kann, umgewandelt werden. Als nächstes kann das überdimensionierte einsatzgehärtete Stück 41 zum Entfernen der gehärteten Beschicht an allen Oberflächen bearbeitet werden ausgenommen des Zurücklassens einer niedrigmagnetischen gehärteten Beschichtung 91 an der Mittelposition zum Fungieren als der Ankeranschlag 178. Die gehärtete Beschichtung 91 kann eine Härte im Bereich von ungefähr 56 RWC aufweisen. Andere Strategien zum Herstellen der gehärteten Mittelbeschichtung auf einem homogenen Stück eines vergleichsweise weichen magnetischen Materials können Laserhärtungsprozesse oder eine Strategie, die mit Induktionshärtung an der Stelle des Ankeranschlags unter Verwendung von bekannten Induktionshärtungstechniken zugeordnet ist, aufweisen. Andere Strategien zum Beibehalten des Mittelstücks als ein Flussübertrager, der vergleichsweise weich ist zum Aufnehmen einer gehärteten Schicht an dem Ankeranschlag 178 würden ebenso in den angedachten Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung findet allgemeine Anwendbarkeit in jedem Solenoidaktuator, ist jedoch insbesondere anwendbar in Hochgeschwindigkeitssolenoidaktuatoren, die häufig mit Kraftmaschinenkomponenten wie Kraftstoffinjektoren und -pumpen verbunden sind. Der Solenoidaktuator der vorliegenden Offenbarung findet spezifische Anwendbarkeit in Common-Rail-Kraftstoffinjektoren für Kompressionszündungskraftmaschinen, könnte aber auch potenzielle Anwendung in nockenaktuierten Kraftstoffinjektoren oder vielleicht sogar in direkt gesteuerten Kraftstoffinjektoren des Typs, der mit Benzinfunkenzündkraftmaschinen verbunden ist, finden. Der Solenoidaktuator der vorliegenden Offenbarung findet spezifische Anwendbarkeit in Common-Rail-Kraftstoffinjektoren, die breite Leistungserfordernisse besitzen, die die Fähigkeit zum Einspritzen extrem kleiner Kraftstoffmengen wie solcher, die mit nahe verbundenen Nacheinspritzungen, die kurz nach einem vergleichsweise langem Haupteinspritzvorgang folgen, verbunden sind, aufweisen.
Der Kraftstoffinjektor 10 wird durch Einschalten des Solenoidaktuators zum Initiieren eines Einspritzvorgangs betätigt. Der Solenoidaktuator 50 wird dann zum Beenden eines Einspritzvorgangs ausgeschaltet. Wenn der Solenoidaktuator 50 eingeschaltet wird, bewegt sich die Ankerbaugruppe 52 in Richtung der Statorbaugruppe bis der nicht-magnetische Einsatz 55 den Stift 80 der Ankerbaugruppe 52 berührt. In dem Fall der Ausführungsform der 3 berührt der nicht-magnetische Einsatz 155 der Ankerbaugruppe die gehärtete Mittelbeschichtung 91, die den Ankeranschlag 178 des Mittelstücks 175 der Statorbaugruppe darstellt. Wenn der Solenoid ausgeschaltet wird, bewegt sich der nicht-magnetische Einsatz, so dass entweder die Ankerbaugruppe (1, 2 und 4) oder die Statorbaugruppe (3) nicht mehr berührt wird in Reaktion auf das Einschalten des Solenoidaktuators 50. Das Steuerventilglied 31 wird in Richtung einer Position bewegt, die eine Fluidverbindung der Nadelsteuerkammer 17 zu dem Ablaufauslass 13 in Reaktion auf das Einschalten des Solenoidaktuators 50 herstellt. Wenn dies geschieht, wird der Druck auf die Schließhydraulikfläche 23 des Nadelventilglieds 21 in Reaktion auf die Bewegung des Steuerventilglieds 31 abgebaut. Wenn dies geschieht, bewegt sich das Nadelventilglied 21 aus einer Position, die die Düsenauslässe 14 versperrt, zu einer Position, die eine Fluidverbindung des Düsenzufuhrdurchgangs 16 zu dem Düsenauslass 14 in Reaktion auf den Abbau des Drucks auf die Schließhydraulikfläche 23 herstellt. Dies erlaubt es dem Nadelventilglied, durch die Druckkraft, die auf die Öffnungshydraulikfläche 22, die dem Fluiddruck in dem Düsenzufuhrdurchgang 16 ausgesetzt ist, wirkt, angehoben zu werden. Während der Bewegung der Ankerbaugruppe 52 wird ein Gleitluftspalt 82 zwischen dem Anker 81 und dem Flussring 69 der Statorbaugruppe 51 beibehalten. Die vorliegende Offenbarung beachtet ebenso den Schutz des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns 70 vor einem Zerbrechen durch Umgeben des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns 70 durch das Gehäuse 60 (Aufsatz 61, Hohlzylinder 63 und Bodenstück 64) und die Kernabschirmung 77.
Durch Aufnahme eines nicht-magnetischen Kerns an der Stelle, an der die Ankerbaugruppe die Statorbaugruppe berührt, wenn der Solenoidaktuator 50 eingeschaltet wird, ist der Stift 80 magnetisch isoliert und ein Aufbau von Restmagnetismus in dem Stift 80 kann reduziert oder verhindert werden. Mit anderen Worten beschrieben, wird der magnetische Fluss von dem oberen Bereich des Stifts 80 zu dem Anker 81 durch Verringerung des Flusses in dem nicht-magnetischen Einsatz 55, 155 abgeleitet. Fachmänner werden erkennen, dass, wenn der Stift übermäßig magnetisiert wird, die Leistung des Solenoidaktuators im Speziellen und die des Kraftstoffinjektors 10 im Allgemeinen beeinträchtigt werden könnte, insbesondere wenn sie zum Erzeugen kleiner Einspritzmengen nach einer kurzen Haltezeit, die einem Haupteinspritzvorgang nachfolgt, gesteuert werden. Der Restmagnetismus in dem Stift könnte bewirken, dass sich der Stift sehr nahe der eingeschalteten Position aufhält, auch nachdem der Solenoidaktuator ausgeschaltet wird. Dadurch kann die Leistungsgeschwindigkeit der Ankerbaugruppe 52 beim Zurückbewegen in die ausgeschaltete Position derselben durch das Auftreten von Restmagnetismus in dem Stift 80 verlangsamt werden. Indes kann der nicht-magnetische Einsatz der vorliegenden Offenbarung den Aufbau von Restmagnetismus in dem Stift 80 verhindern oder im Wesentlichen verringern und die Leistung gegenüber einem Gegenstück eines äquivalenten Kraftstoffinjektors, der ansonsten identisch ist, ausgenommen des nicht vorhandenen magnetischen Einsatzes der vorliegenden Offenbarung, verbessern. Demnach stellt die Aufnahme des nicht-magnetischen Einsatzes der vorliegenden Offenbarung eine schrittweise Verbesserung insbesondere im verbesserten Ermöglichen von kleinen Nacheinspritzkraftstoffmengen, die einem Haupteinspritzvorgang nachfolgen, was häufig eine gewünschte Leistungseigenschaft in heutigen Kraftstoffeinspritzsystemen darstellt, dar.
Es sollte verstanden werden, dass die obige Beschreibung nur zu Beschreibungszwecken und nicht zum Begrenzen des Umfangs der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise gedacht ist. Demnach werden Fachmänner erkennen, dass andere Aspekte der Offenbarung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche erhalten werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0176223 [0004]

Claims

Kraftstoffinjektor (10) mit: einem Injektorkörper (11), der einen Kraftstoffeinlass (12), einen Ablaufauslass (13) und einen Düsenauslass (14) definiert, einem direkt betätigten Rückschlagventil (20), das in dem Injektorkörper (11) angeordnet ist und ein Nadelventilglied (21) mit einer Öffnungshydraulikfläche (22), die einem Fluiddruck in einem Düsenzufuhrdurchgang (16) ausgesetzt ist, und einer Schließhydraulikfläche (23), die einem Fluiddruck in einer Nadelsteuerkammer (17) ausgesetzt ist, aufweist, wobei das Nadelventilglied (21) zwischen einer ersten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang (16) zu dem Düsenauslass (14) versperrt ist, und einer zweiten Position, in welcher der Düsenzufuhrdurchgang (16) zu dem Düsenauslass (14) geöffnet ist, bewegbar ist, einem Nadelsteuerventil (30), das in dem Injektorkörper (11) angeordnet ist und ein Steuerventilglied (31) aufweist, das zwischen einer ersten Position, in welcher die Nadelsteuerkammer (17) in Fluidverbindung mit dem Ablaufauslass (13) steht, und einer zweiten Position, in welcher die Fluidverbindung der Nadelsteuerkammer (17) zu dem Ablaufauslass (13) versperrt ist, bewegbar ist, einem Solenoidaktuator (50), der in dem Injektorkörper (11) angeordnet ist und eine Statorbaugruppe (51) und eine Ankerbaugruppe (52, 152) aufweist, die mit dem Steuerventilglied (31) verbunden ist, und entweder die Statorbaugruppe (51) oder die Ankerbaugruppe (52, 152) einen nicht-magnetischen Einsatz (55, 155, 255) aufweist, der sich bewegt, um die jeweils andere von der Statorbaugruppe (51) oder der Ankerbaugruppe (52, 152) in der eingeschalteten Position zu berühren bzw. in der ausgeschalteten Position nicht zu berühren.
Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Statorbaugruppe (51) aufweist: einen Aufsatz (61), der eine Stiftbohrung (62) definiert, einen zerbrechlichen hochmagnetischen Kern (70), der sich zwischen einem oberen Ende (71) und einem Ankerende erstreckt, eine Spulenwicklung (74), die um den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern (70) angeordnet ist, ein Mittelstück, das sich vollständig durch den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern (70) erstreckt, mit einem ersten Ende, das in der Stiftbohrung (62) aufgenommen ist, und einem gegenüber liegenden Ende (72) mit einer Kernabschirmung (77, 177), die das Ankerende des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns (70) abdeckt, wobei die Kernabschirmung (77, 177) einen Ankeranschlag (78, 178) aufweist, und einen Flussring (69), der eine Führungsbohrung (84) definiert, und die Ankerbaugruppe (52, 152) aufweist: einen Stift, der in Führungskontakt mit der Führungsbohrung (84) steht und zwischen einer eingeschalteten Position und einer ausgeschalteten Position bewegbar ist, einen Anker (81), der zum Bewegen mit dem Stift angebracht und in dem Flussring bewegbar, aber von dem Flussring (69) durch einen Gleitluftspalt (82) getrennt ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 2, wobei die Kernabschirmung (77, 177) aus einem einzelnen Material besteht, das homogen ist, ausgenommen einer gehärteten Mittelbeschichtung (91), die den Ankeranschlag (78, 178) darstellt, niedrigere magnetische Eigenschaften als ein Restbereich (92) der Kernabschirmung (77, 177) aufweist und eine Minorität eines Volumens der Kernabschirmung (77, 177) einnimmt, der nicht-magnetische Einsatz (55, 155, 255) ein Bereich der Aktorbaugruppe (52, 152) ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Statorbaugruppe (51) eine Kernabschirmung (77, 177) aufweist, die eine Einsatzkavität (79) definiert, und der nicht-magnetische Einsatz (55, 155, 255) in der Einsatzkavität (79) angebracht ist.
Kraftstoffinjektor (10) nach Anspruch 1, wobei die Statorbaugruppe (51) ein Mittelstück (75, 175, 275) aufweist, das den nicht-magnetischen Einsatz (55, 155, 255) aufweist, dessen erstes Ende in der Stiftbohrung (62) des Aufsatzes (61) aufgenommen ist, der zerbrechliche hochmagnetische Kern (70) von einem Gehäuse (60), das den Aufsatz (61) aufweist, umgeben ist, das Gehäuse (60) in einem Hohlsegment (18) des Injektorkörpers (11) aufgenommen ist, und der Flussring (69) zwischen dem Gehäuse (60) und einem Teil des Injektorkörpers (11) zusammengepresst ist.
Solenoid mit: einer Statorbaugruppe ((51) mit: einem Gehäuse (60), das einen Aufsatz (61) aufweist, der eine Stiftbohrung (62) definiert, einem zerbrechlichen hochmagnetischen Kern (70), der sich zwischen einem oberen Ende (71) und einem Ankerende erstreckt, einer Spulenwicklung (74), die um den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern (70) angeordnet ist, einem Mittelstück (75, 175, 275), das sich vollständig durch den zerbrechlichen hochmagnetischen Kern (70) erstreckt, mit einem Ende (76), das in der Stiftbohrung (62) aufgenommen ist, und einem gegenüber liegenden Ende (72) mit einer Kernabschirmung (77, 177), die das Ankerende des zerbrechlichen hochmagnetischen Kerns (70) abdeckt, wobei die Kernabschirmung (77, 177) einen Ankeranschlag (78, 178) aufweist, und einem Flussring, einer Ankerbaugruppe (52, 152) mit: einem Stift (80), der zwischen einer eingeschalteten Position und einer ausgeschalteten Position bewegbar ist, einem Anker (81), der zum Bewegen mit dem Stift angebracht und in dem Flussring bewegbar, aber von dem Flussring (69) durch einen Gleitluftspalt (82) getrennt ist, und entweder die Statorbaugruppe (51) oder die Ankerbaugruppe (52, 152) einen nicht-magnetischen Einsatz (55, 155, 255) aufweist, der sich bewegt, um die jeweils andere von der Statorbaugruppe (51) oder der Ankerbaugruppe (52, 152) in der eingeschalteten Position zu berühren bzw. in der ausgeschalteten Position nicht zu berühren.
Solenoid nach Anspruch 6, wobei der zerbrechliche hochmagnetische Kern (70) von einem Gehäuse (60) und der Kernabschirmung (77, 177) umgeben ist, die Kernabschirmung (77, 177) aus einem einzelnen Material besteht, das homogen ist, ausgenommen einer gehärteten Mittelbeschichtung (91), die den Ankeranschlag (78, 178) darstellt, niedrigere magnetische Eigenschaften als ein Restbereich (92) der Kernabschirmung (77, 177) besitzt und eine Minorität eines Volumens der Kernabschirmung (77, 177) einnimmt, der nicht-magnetische Einsatz (55, 155, 255) ein Bereich der Ankerbaugruppe (52, 152) ist.
Solenoid nach Anspruch 6, wobei die Kernabschirmung (77, 177) eine Einsatzkavität (79) definiert, und der nicht-magnetische Einsatz (55, 155, 255) in der Einsatzkavität (79) angebracht ist.
Solenoid nach Anspruch 6, wobei das Mittelstück (75, 175, 275) den nicht-magnetischen Einsatz (55, 155, 255) mit dem ersten Ende, das in der Stiftbohrung (62) des Aufsatzes (61) aufgenommen ist, aufweist.
Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffinjektors (10), aufweisend die Schritte: Initiieren eines Einspritzvorgangs durch Einschalten eines Solenoids, Beenden des Einspritzvorgangs durch Ausschalten des Solenoids, Berühren eines nicht-magnetischen Einsatzes (55, 155, 255) entweder der Statorbaugruppe (51) oder der Ankerbaugruppe (52, 152) mit dem jeweils anderen von der Statorbaugruppe (51) oder der Ankerbaugruppe (52, 152) in Reaktion auf den Schritt des Einschaltens, Bewegen des nicht-magnetischen Einsatzes (55, 155, 255) zum nicht mehr Berühren mit dem jeweils anderen von der Statorbaugruppe (51) oder der Ankerbaugruppe (52, 152) in Reaktion auf den Schritt des Ausschaltens, Bewegen eines Steuerventilglieds (31) in Richtung einer Position, die eine Nadelsteuerkammer (17) in Fluidverbindung mit einem Ablaufauslass (13) in Reaktion auf den Schritt des Einschaltens setzt, Abbauen des Drucks auf eine Schließhydraulikfläche (23) eines Nadelventilglieds (21), welche einem Fluiddruck in der Nadelsteuerkammer (17) ausgesetzt ist, in Reaktion auf den Schritt des Bewegens des Steuerventilglieds (31), und Bewegen eines Nadelventilglieds (21) aus einer Position, die einen Düsenauslass (14) versperrt, zu einer Position, die eine Fluidverbindung eines Düsenzufuhrdurchgangs (16) zu dem Düsenauslass (14) herstellt in Reaktion auf das Aussetzen einer Öffnungshydraulikfläche (22) des Nadelventilglieds (21) zu einem Fluiddruck in dem Düsenzufuhrdurchgang (16) und in Reaktion auf den Schritt des Druckabbauens.