EP3822475A1 - Ventil zum zumessen eines fluids - Google Patents

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EP3822475A1
EP3822475A1 EP20209959.4A EP20209959A EP3822475A1 EP 3822475 A1 EP3822475 A1 EP 3822475A1 EP 20209959 A EP20209959 A EP 20209959A EP 3822475 A1 EP3822475 A1 EP 3822475A1
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EP
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armature
spring
length
valve
stop element
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EP20209959.4A
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Andreas Glaser
Norbert Redlich
Martin Buehner
Matthias Boee
Peter Schramm
Christian Suenkel
Stefan Cerny
Joerg Abel
Marcel Behringer
Frank Mueller
Murat Ucal
Axel Heinstein
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M63/007—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of the groups F02M63/0014 - F02M63/0059
    • F02M63/0075—Stop members in valves, e.g. plates or disks limiting the movement of armature, valve or spring

Definitions

  • the invention relates to a valve for metering a fluid, in particular a fuel injection valve for internal combustion engines.
  • the invention relates to the field of injectors for fuel injection systems of motor vehicles, in which fuel is preferably injected directly into the combustion chambers of an internal combustion engine.
  • a valve for metering fluid is known.
  • the known valve has an electromagnet for actuating a valve needle controlling a metering opening.
  • the electromagnet is used to actuate an armature that can be displaced on a valve needle.
  • the armature has a bore adjoining the valve needle which forms a spring receptacle for a forward stroke spring.
  • This embodiment has the disadvantage that a guide between the armature and the valve needle is only implemented over a short guide length.
  • the valve according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an improved design and functionality are made possible.
  • improved guidance between the armature and the valve needle and the valve needle can be implemented along a longitudinal axis of the housing.
  • the embodiment of the stop element according to the invention has the advantage that an advantageous fuel flow can be achieved in the area of the stop element without the inner bore of the inner pole having to be enlarged.
  • the armature serving as a magnet armature is not permanently connected to the valve needle, but rather is overhung between stops.
  • a stop can be formed on a stop element which can be implemented as a stop sleeve and / or stop ring.
  • the stop element can, however, also be designed in one piece with the valve needle.
  • the development according to claim 2 has the advantage that the guide length between the armature and the valve needle is increased.
  • the armature can be guided on its outside in the valve housing along the longitudinal axis.
  • the guidance of the valve needle along the longitudinal axis is then correspondingly improved over the increased guide length between the armature and the valve needle.
  • the valve needle is guided via the stop element, for example on an inner pole arranged in a stationary manner in the housing, there is correspondingly improved guidance of the armature relative to the housing.
  • the further development according to claim 5 has the advantage that the guide extension can in particular be designed with an outer diameter that lies within the mouth openings of through openings of the armature, which are used to guide a fluid through the armature. This has a positive effect on the operating behavior.
  • the disadvantages of a conventional design relate firstly to the manufacturability, the costs and the assembly, if a design is implemented without a spring receptacle, in which an additional component is required to accommodate the spring and its connection to the armature. Secondly, there are disadvantages if a pole area between the armature and the inner pole is reduced, since a lower magnetic force then occurs. This relates in particular to a possible embodiment in which a stepped bore is made on the inner pole in order to create space for a spring.
  • a third disadvantage relates to a magnetic short circuit across the spring and the associated loss of magnetic force, which results in a slower build-up of force and a lower holding force in the open state. This usually affects the magnetic spring steels used, which represent a bypass for the magnetic flux between the armature and the inner pole.
  • a fourth disadvantage relates to the smaller contact area between the armature and a stop ring in a variant in which the stop ring dips into the spring receptacle formed on the armature. This can result in increased wear and tear and reduced hydraulic damping.
  • a fifth disadvantage can result in a lever arm between the upper needle guide and the armature, which relates in particular to the above-mentioned embodiment in which the stop ring dips into the spring receptacle. This can result in a large deflection of the needle, which leads to increased wear, skewed striking and the like.
  • a sixth potential disadvantage relates to designs that require a large spring diameter. Because of the limited radial installation space, lower spring forces can then be achieved, which is bad for quick armature calming after the first injection, in particular with regard to multiple injections. With the same spring force, a larger spring diameter also means a greater tilting moment on the armature, which is also disadvantageous for the injector function and, in particular, can result in a tilted armature stop.
  • a seventh and final disadvantage relates to the risk of the spring bulging under load and the resulting contact with the inner pole and / or the stop ring due to a relatively long spring length and limited radial space. This leads to undefined friction, which, in addition to possible wear and the formation of particles, results in considerable variations in the injection behavior.
  • the stop element can be made of a non-magnetic material which allows it to separate the inner pole from the armature from a magnetic point of view.
  • the lever arm can be kept short. Both a pole face and a stop face between the armature and the stop element, in particular a stop ring, can be chosen to be sufficiently large.
  • a relatively small inner diameter of the spring can be realized, so that relatively high spring forces can be achieved even with a comparatively thin wire thickness of the spring.
  • the spring can also be designed to be relatively short, so that the risk of bulging and corresponding wear is reduced and a tilting moment applied to the armature in this regard remains within acceptable limits.
  • the development according to claim 8 enables an advantageous flow through the armature.
  • the armature can be guided in the housing.
  • an annular gap between the armature and the housing can be minimized. In relation to the given housing dimensions, this results in a quick build-up of force and a large holding force.
  • the end face of the armature facing the inner pole can also be made larger than if separate through openings are implemented.
  • the development according to claim 9 has the further advantage that the flow cross-section can be increased disproportionately to the reduction in the area of the end face of the armature caused thereby.
  • Fig. 1 shows a valve 1 for metering a fluid in a partial, schematic sectional illustration according to a first embodiment.
  • the valve 1 can in particular be designed as a fuel injector 1.
  • a preferred application is a fuel injection system in which such fuel injection valves 1 are designed as high-pressure injection valves 1 and are used for direct injection of fuel into assigned combustion chambers of the internal combustion engine. Liquid or gaseous fuels can be used as fuel. Accordingly, the valve 1 is suitable for metering liquid or gaseous fluids.
  • the valve 1 has a housing (valve housing) 2 in which an inner pole 3 is arranged in a stationary manner.
  • a longitudinal axis 4 is defined by the housing 2, which here serves as a reference for guiding a valve needle 5 arranged within the housing 2. This means that the valve needle 5 should be aligned along the longitudinal axis 4 during operation.
  • An armature (magnet armature) 6 is arranged on the valve needle 5.
  • a stop element 7 and a further stop element 8 are also arranged on the valve needle 5. Stops 7 ', 8' are formed on the stop elements 7, 8.
  • the armature 6 can be moved between the stop elements 7, 8 when actuated, an armature free path 9 being predetermined.
  • the armature 6, the inner pole 3 and a magnetic coil (not shown) are components of an electromagnetic actuator 10.
  • a valve closing body 11 On the valve needle 5, a valve closing body 11 is formed, which interacts with a valve seat surface 12 to form a sealing seat.
  • the armature 6 When the armature 6 is actuated, it is accelerated in the direction of the inner pole 3.
  • fuel can be injected into a space, in particular a combustion chamber, via the open sealing seat and at least one nozzle opening 13.
  • the valve 1 has a return spring 14 which moves the valve needle 5 via the stop element 7 into its starting position in which the sealing seat is closed.
  • the armature 6 is based on a cylindrical basic shape 20 with a through hole 21, the armature 6 being guided on the through hole 21 on the valve needle 5.
  • the basic shape 20 of the armature 6 has a length L between an end face 22 facing the inner pole 3 and an end face 23 facing away from the inner pole 3.
  • the armature 6 has a spring receptacle 25.
  • the spring receptacle 25 is open on the end face 22 of the armature 6.
  • the spring receptacle 25 has a length f along the longitudinal axis 4 between the end face 22 and a spring support surface 26 of the armature 6.
  • the spring support surface 26 represents the bottom 26 of the spring receptacle 25.
  • a spring 27 partially arranged in the spring receptacle 25 has a spring length F.
  • the spring length F is here the spring length F of the spring 27 in the unactuated initial state.
  • the spring 27 is supported on the one hand on the spring support surface 26 of the armature 6 and on the other hand on the stop 7 ′ of the stop 7.
  • the spring length F is greater than the length f of the spring receptacle 25.
  • the spring 27 is, however, shortened compared to its initial length F, whereby it can plunge completely into the spring receptacle 25.
  • a guide web 28 is formed on the armature 6. Between the spring support surface 26 and the end face 23, the armature 6 has a (shortened) length I along the longitudinal axis 4. Without the guide web 28, only this shortened length I would be available as a guide length.
  • the length I is lengthened by the length s of the guide web 28 along the longitudinal axis 4. This results in the guide length I + s in this exemplary embodiment.
  • the length s of the guide web 28 is preferably selected to be equal to or even greater than the length f of the spring receptacle 25.
  • the guide length I + s of the armature 6 on the valve needle 5 is equal to or even greater than the length L of the armature 6 between its end faces 22, 23.
  • valve needle 5 is guided with respect to the longitudinal axis 4 or with respect to the housing 2 via the stop element 7.
  • the stop element 7 is guided in a guide region 30 on an inner bore 31 of the inner pole 3.
  • Possible configurations of the stop element 7, which enable the fluid, in particular fuel, to be advantageously passed through, are illustrated in FIG the Figures 5 to 8 described.
  • valve needle 5 can additionally or alternatively also be guided via the armature 6.
  • the outside 32 of the armature 6 extends at least partially up to the inside 33 of the housing 2.
  • an annular gap can then be implemented between the stop element 7 and the inner pole 3.
  • valve needle 5 can be advantageously guided along the longitudinal axis 4. This also results in an advantageous guidance between the armature 6 and the valve needle 5 over a guide length I + s, which is preferably not less than the length L.
  • Fig. 2 shows a valve 1 in a partial, schematic sectional view corresponding to a second embodiment.
  • a guide extension 40 is provided.
  • the guide extension 40 has a length s ′ along the longitudinal axis 4, by which the guide of the armature 6 on the valve needle 5 is extended. This means that in this exemplary embodiment the guide length s ′ + I is implemented along the longitudinal axis 4 between the armature 6 and the valve needle 5.
  • the spring receptacle 25 can directly adjoin the valve needle 5. This particularly facilitates the manufacture of the armature 6, since the spring receptacle 25 can be realized by a cylindrical recess aligned on the longitudinal axis 4. As a result, however, only the length I, which is shortened compared to the length L of the armature 6, which it has between the end faces 22, 23, is available directly on the basic shape 20 of the armature 6. This shortened length I is hereby extended to a certain extent via the guide extension 40 by the length s'. Specifically, the length s 'can be specified in such a way that the guide length s' + I is equal to or even greater than the length L of the armature 6 between its end faces 22, 23.
  • the guide extension 40 is designed in the shape of a sleeve. This means that an outside diameter 41 on the guide extension 40 is selected to be significantly smaller than an outside diameter 42 on the outside 32 of the armature 6.
  • the spring 27 is designed with ground spring ends 43, 44. This results in an even better print run. There are also a Reduced wear and a more uniform introduction of force, on the one hand, into armature 6 on spring support surface 26 and, on the other hand, on stop 7 ′ of stop element 7.
  • Figures 3 and 4 show possible configurations of the armature 6 of the valve 1 from FIG Fig. 1 Direction of view marked III, the valve needle 5 being shown as a cut surface for better understanding.
  • the end face 22 is divided into partial areas 22A and 22B, between which the spring receptacle 25 is provided.
  • through-openings 51 to 54 are provided, which in this exemplary embodiment are designed as through-bores 51 to 54 with a circular cross-section. This results in intersections between the through bores 51 to 54 and the spring receptacle 25. This means that the fuel can flow over the length f of the spring receptacle both through the part of the spring receptacle 25 not filled by the spring 27 and through the through openings 51 to 54 .
  • the fuel then flows over the shortened length I only through the through openings 51 to 54.
  • This enables fuel to flow from the end face 22 to the end face 23 with little restriction, without affecting the total area of the end face 22, which is made up of the partial areas 22A, 22B composed, is further reduced.
  • This has a favorable effect on the control behavior when the armature 6 is actuated, since both a large magnetic force and a reduced hydraulic throttling result.
  • kidney-shaped configurations of the through openings 51 to 54 are also implemented so that the through openings 51 to 54 extend in a circumferential direction 55 around the longitudinal axis 4 or circumferentially around the longitudinal axis 4 over a larger angular range. In particular, this improves the fuel flow over the shortened length I of the armature 6.
  • Figures 5 to 8 show possible configurations of the stop element 7 of the valve 1 contrary to that in FIG Fig. 1
  • Direction of view denoted by III the valve needle 5 being shown in section for the purpose of illustration.
  • a support area 60 for the spring 27 is specified here.
  • the support region 60 is delimited radially outward by a line 60A shown in broken lines.
  • the support region 60 is delimited radially inward by a line 60I shown in broken lines.
  • the support area 60 serves as the structurally predetermined support area 60 in which the selected spring 27 is intended to be supported.
  • the refinements preferably relate to an application in which a guide is implemented between the stop element 7 and the inner pole 3, as is the case, for example, in FIG Fig. 1 is illustrated.
  • depressions 61 to 64 are provided.
  • the recesses 61 to 64 are designed here in such a way that, viewed from the longitudinal axis 4, they extend at most up to a diameter d. This means that an annular surface 66 remains from the valve needle 5 up to the diameter d.
  • the diameter d is preferably specified in such a way that it lies between the outer line 60A and the inner line 60I.
  • the spring 27 also rests at least partially, namely at least on the annular surface 66, on the support region 60 in the region of the depressions 61 to 64. This results in a compromise between good contact between the spring 27 and the support area 60 and the largest possible depressions 61 to 64 and, at the same time, the possibility of guidance on the outer diameter D.
  • FIGS. 5 to 8 show different ways of implementing the depressions 61 to 64.
  • Fig. 5 as an intersection with cylinder bores
  • Fig. 6 as intersections with rectangular cutouts
  • Fig. 7 as an intersection with flattened areas.
  • the flow cross-section can be formed by ring segments.

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Abstract

Ein Ventil (1) zum Zumessen eines Fluids, das insbesondere als Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen dient, umfasst einen elektromagnetischen Aktuator (10) und eine von dem Aktuator (10) betätigbare Ventilnadel (5), wobei an der Ventilnadel (5) ein Anker (6) des Aktuators (10) geführt ist, wobei an der Ventilnadel (5) ein Anschlagelement (7) angeordnet ist, das eine Bewegung des Ankers (6) relativ zu der Ventilnadel (5) begrenzt und wobei der Anker (6) eine zu dem Anschlagelement (7) hin offene Federaufnahme (27) aufweist, in die eine an dem Anschlagelement (7) abgestützte Feder (27) eingesetzt ist. Hierbei ist die Ventilnadel (5) über den Anker (6) und/oder das Anschlagelement (7) entlang einer Längsachse (4) eines Gehäuses (2) geführt. Ferner ist entlang der Längsachse (4) betrachtet eine Länge (f) der Federaufnahme (25) kleiner als eine Federlänge (F) der Feder im unbetätigten Ausgangszustand.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, insbesondere ein Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen, bei denen vorzugsweise eine direkte Einspritzung von Brennstoff in Brennräume einer Brennkraftmaschine erfolgt.
  • Aus der DE 10 2013 222 613 A1 ist ein Ventil zum Zumessen von Fluid bekannt. Das bekannte Ventil weist einen Elektromagneten zum Betätigen einer eine Zumessöffnung steuernden Ventilnadel auf. Der Elektromagnet dient zum Betätigen eines auf einer Ventilnadel verschiebbaren Ankers. Hierbei weist der Anker eine an die Ventilnadel angrenzende Bohrung auf, die eine Federaufnahme für eine Vorhubfeder bildet. Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, dass eine Führung zwischen dem Anker und der Ventilnadel nur über eine kurze Führungslänge realisiert ist.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere kann eine verbesserte Führung zwischen dem Anker und der Ventilnadel sowie der Ventilnadel entlang einer Längsachse des Gehäuses realisiert werden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Anschlagelements hat den Vorteil, dass ein vorteilhafter Brennstofffluss im Bereich des Anschlagelements erzielt werden kann, ohne dass die Innenbohrung des Innenpols vergrößert werden muss.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
  • Bei dem Ventil zum Zumessen des Fluids ist der als Magnetanker dienende Anker nicht fest mit der Ventilnadel verbunden, sondern zwischen Anschlägen fliegend gelagert. Solch ein Anschlag kann an einem Anschlagelement ausgebildet sein, das als Anschlaghülse und/oder Anschlagring realisiert werden kann. Das Anschlagelement kann allerdings auch einstückig mit der Ventilnadel ausgebildet sein. Über eine Feder wird der Anker im Ruhezustand an einen bezüglich der Ventilnadel ortsfesten Anschlag verstellt, so dass der Anker dort anliegt. Bei der Ansteuerung des Ventils steht dann der komplette Ankerfreiweg als Beschleunigungsstrecke zur Verfügung, wobei die Feder während der Beschleunigung verkürzt wird. Der Ankerfreiweg kann über das axiale Spiel zwischen dem Anker und den beiden Anschlägen vorgegeben werden.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 2 hat den Vorteil, dass die Führungslänge zwischen dem Anker und der Ventilnadel vergrößert ist. Beispielsweise kann der Anker an seiner Außenseite in dem Ventilgehäuse entlang der Längsachse geführt sein. Dann verbessert sich über die vergrößerte Führungslänge zwischen dem Anker und der Ventilnadel entsprechend die Führung der Ventilnadel entlang der Längsachse. Bei einer Ausgestaltung, bei der die Ventilnadel über das Anschlagelement beispielsweise an einem ortsfest im Gehäuse angeordneten Innenpol geführt ist, ergibt sich entsprechend eine verbesserte Führung des Ankers relativ zu dem Gehäuse.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 3 hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Verlängerung der Führungslänge erzielt werden kann, die unabhängig von der Ausgestaltung der Federaufnahme ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dass die Federaufnahme direkt an die Ventilnadel angrenzt. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Führungsverlängerung und des Ankers sind im Anspruch 4 angegeben. Hierdurch ist insbesondere eine robuste Ausgestaltung möglich, bei der die Führungsverlängerung Anschlagkräfte aufnehmen kann.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 5 hat den Vorteil, dass die Führungsverlängerung insbesondere mit einem Außendurchmesser ausgebildet werden kann, der innerhalb von Mündungsöffnungen von Durchgangsöffnungen des Ankers liegt, die zum Durchleiten eines Fluids durch den Anker dienen. Dies wirkt sich günstig auf das Betriebsverhalten aus.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 6 hat den Vorteil, dass sich eine Führung realisieren lässt, die genauso gut oder sogar besser als bei einem Anker ohne Federaufnahme ist.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 7 hat den Vorteil, dass die Feder bei der Betätigung ganz in die Federaufnahme eintauchen kann, so dass ein optimaler Kompromiss in Bezug auf mehrere Nachteile einer herkömmlichen Ausgestaltung erzielt werden kann.
  • Die Nachteile einer herkömmlichen Ausgestaltung betreffen zum Ersten die Herstellbarkeit, die Kosten und die Montage, wenn eine Ausgestaltung ohne Federaufnahme realisiert wird, bei der ein zusätzliches Bauteil zur Aufnahme der Feder sowie deren Anbindung an den Anker erforderlich ist. Zum Zweiten ergeben sich Nachteile, wenn eine Polfläche zwischen dem Anker und dem Innenpol reduziert ist, da dann eine geringere Magnetkraft auftritt. Dies betrifft speziell eine mögliche Ausgestaltung, bei der am Innenpol eine Stufenbohrung ausgestaltet wird, um Platz für eine Feder zu schaffen.
  • Ein dritter Nachteil betrifft einen magnetischen Kurzschluss über die Feder und den damit verbundenen Verlust von Magnetkraft, was einen langsameren Kraftaufbau und eine geringere Haltekraft im geöffneten Zustand zur Folge hat. Dies betrifft in der Regel die eingesetzten magnetischen Federstähle, die einen Bypass für den magnetischen Fluss zwischen dem Anker und dem Innenpol darstellen. Ein vierter Nachteil betrifft die geringere Kontaktfläche zwischen dem Anker und einem Anschlagring bei einer Variante, bei der der Anschlagring in die an dem Anker ausgebildete Federaufnahme eintaucht. Dies kann einen erhöhten Verschleiß sowie eine reduzierte hydraulische Dämpfung bedingen.
  • Bei einem fünften Nachteil kann sich ein Hebelarm zwischen der oberen Nadelführung und dem Anker ergeben, was insbesondere die obengenannte Ausgestaltung betrifft, bei der der Anschlagring in die Federaufnahme eintaucht. Dies kann eine große Nadeldurchbiegung zur Folge haben, was zu erhöhtem Verschleiß, einem schiefen Anschlagen und dergleichen führt. Ein sechster möglicher Nachteil betrifft Ausgestaltungen, bei denen ein großer Federdurchmesser nötig wird. Aufgrund des begrenzten radialen Bauraums sind dann geringere Federkräfte realisierbar, was schlecht für eine schnelle Ankerberuhigung nach der ersten Einspritzung, insbesondere in Bezug auf Mehrfacheinspritzungen, ist. Bei gleicher Federkraft bedeutet ein größerer Federdurchmesser außerdem ein größeres Kippmoment auf den Anker, was für die Injektorfunktion ebenfalls nachteilig ist und insbesondere einen verkippten Ankeranschlag zur Folge haben kann. Ein siebter und letzter Nachteil betrifft die Gefahr des Ausbeulens der Feder unter Last und der dadurch bedingten Berührung des Innenpols und/oder des Anschlagrings aufgrund einer relativ langen Federlänge und geringer radialer Platzverhältnisse. Hierdurch kommt es zu einer undefinierten Reibung, die neben einem möglichen Verschleiß und der Entstehung von Partikeln erhebliche Streuungen des Einspritzverhaltens zur Folge hat.
  • Somit kann durch das komplette Eintauchen der Feder in die Federaufnahme des Ankers ein optimaler Kompromiss in Bezug auf die oben aufgeführten möglichen Nachteile erzielt werden. Hierbei kann das Anschlagelement aus einem nicht magnetischen Werkstoff hergestellt werden, wodurch es den Innenpol aus magnetischer Sicht vom Anker trennen kann. Ferner kann der Hebelarm kurz gehalten werden. Sowohl eine Polfläche als auch eine Anschlagfläche zwischen dem Anker und dem Anschlagelement, insbesondere Anschlagring, können ausreichend groß gewählt werden. Ferner kann ein relativ geringer Innendurchmesser der Feder realisiert werden, so dass auch bei einer vergleichsweise dünnen Drahtstärke der Feder relativ hohe Federkräfte erzielt werden können. Des Weiteren kann die Feder auch relativ kurz ausgestaltet werden, so dass die Gefahr eines Ausbeulens und eines dementsprechend auftretenden Verschleißes reduziert ist und ein diesbezüglich auf den Anker eingeleitetes Kippmoment innerhalb vertretbarer Grenzen bleibt.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht ein vorteilhaftes Durchströmen des Ankers. Dadurch kann bei einer möglichen Ausgestaltung eine Führung des Ankers in dem Gehäuse erzielt werden. Ferner kann bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ein Ringspalt zwischen dem Anker und dem Gehäuse minimiert werden. In Bezug auf vorgegebene Gehäuseabmessungen ergeben sich dadurch ein schneller Kraftaufbau und eine große Haltekraft. Durch die Verschneidung der Durchgangsöffnungen mit der Federaufnahme kann außerdem die dem Innenpol zugewandte Stirnseite des Ankers größer ausgestaltet werden als wenn separate Durchgangsöffnungen realisiert sind.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 9 hat den weiteren Vorteil, dass der Durchflussquerschnitt überproportional zur dadurch bedingten Verringerung der Fläche der Stirnseite des Ankers vergrößert werden kann.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel;
    • Fig. 2 ein Ventil in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel;
    • Fig. 3 und 4 mögliche Ausgestaltungen eines Ankers eines Ventils aus der in Fig. 1 mit III bezeichneten Blickrichtung und
    • Fig. 5 bis 8 mögliche Ausgestaltungen eines Anschlagelements eines Ventils entgegen der in Fig. 1 mit III bezeichneten Blickrichtung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt ein Ventil 1 zum Zumessen eines Fluids in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Ventil 1 kann insbesondere als Brennstoffeinspritzventil 1 ausgebildet sein. Ein bevorzugter Anwendungsfall ist eine Brennstoffeinspritzanlage, bei der solche Brennstoffeinspritzventile 1 als Hochdruckeinspritzventile 1 ausgebildet sind und zur direkten Einspritzungen von Brennstoff in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine dienen. Als Brennstoff können hierbei flüssige oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz kommen. Entsprechend eignet sich das Ventil 1 zum Zumessen von flüssigen oder gasförmigen Fluiden.
  • Das Ventil 1 weist ein Gehäuse (Ventilgehäuse) 2 auf, in dem ortsfest ein Innenpol 3 angeordnet ist. Durch das Gehäuse 2 ist eine Längsachse 4 bestimmt, die hier als Reverenz zur Führung einer innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Ventilnadel 5 dient. Dies bedeutet, dass im Betrieb eine Ausrichtung der Ventilnadel 5 entlang der Längsachse 4 erfolgen soll.
  • An der Ventilnadel 5 ist ein Anker (Magnetanker) 6 angeordnet. An der Ventilnadel 5 sind außerdem ein Anschlagelement 7 und ein weiteres Anschlagelement 8 angeordnet. An den Anschlagelementen 7, 8 sind Anschläge 7', 8' ausgebildet. Der Anker 6 kann hierbei bei einer Betätigung zwischen den Anschlagelementen 7, 8 bewegt werden, wobei ein Ankerfreiweg 9 vorgegeben ist. Der Anker 6, der Innenpol 3 sowie eine nicht dargestellte Magnetspule sind Bestandteile eines elektromagnetischen Aktuators 10.
  • An der Ventilnadel 5 ist ein Ventilschließkörper 11 ausgebildet, der mit einer Ventilsitzfläche 12 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei einer Betätigung des Ankers 6 wird dieser in Richtung auf den Innenpol 3 beschleunigt. Wenn der Anker 6 an dem Anschlag 7' des Anschlagelement 7 anschlägt und dadurch die Ventilnadel 5 betätigt, dann kann Brennstoff über den geöffneten Dichtsitz und zumindest eine Düsenöffnung 13 in einen Raum, insbesondere einen Brennraum, eingespritzt werden.
  • Das Ventil 1 weist eine Rückstellfeder 14 auf, die die Ventilnadel 5 über das Anschlagelement 7 in ihre Ausgangsstellung verstellt, in der der Dichtsitz geschlossen ist.
  • Der Anker 6 basiert auf einer zylinderförmigen Grundform 20 mit einer Durchgangsbohrung 21, wobei der Anker 6 an der Durchgangsbohrung 21 an der Ventilnadel 5 geführt ist. Hierbei weist die Grundform 20 des Ankers 6 eine Länge L zwischen einer dem Innenpol 3 zugewandten Stirnseite 22 und einer von dem Innenpol 3 abgewandten Stirnseite 23 auf.
  • Der Anker 6 weist eine Federaufnahme 25 auf. Die Federaufnahme 25 ist hierbei an der Stirnseite 22 des Ankers 6 geöffnet. Die Federaufnahme 25 weist entlang der Längsachse 4 eine Länge f zwischen der Stirnseite 22 und einer Federstützfläche 26 des Ankers 6 auf. Die Federstützfläche 26 stellt hierbei den Boden 26 der Federaufnahme 25 dar. Im Ausgangszustand, in dem der Dichtsitz geschlossen ist, weist eine teilweise in der Federaufnahme 25 angeordnete Feder 27 eine Federlänge F auf. Die Federlänge F ist hier also die Federlänge F der Feder 27 im unbetätigten Ausgangszustand. Die Feder 27 stützt sich hierbei einerseits an der Federstützfläche 26 des Ankers 6 und andererseits an dem Anschlag 7' des Anschlags 7 ab. Die Federlänge F ist größer als die Länge f der Federaufnahme 25. Bei einer Betätigung des Ankers 6 wird die Feder 27 allerdings gegenüber ihrer Ausgangslänge F verkürzt, wobei sie vollständig in die Federaufnahme 25 eintauchen kann.
  • An dem Anker 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Führungssteg 28 ausgebildet. Zwischen der Federstützfläche 26 und der Stirnseite 23 weist der Anker 6 entlang der Längsachse 4 eine (verkürzte) Länge I auf. Ohne den Führungssteg 28 würde nur diese verkürzte Länge I als Führungslänge zur Verfügung stehen. Durch den Führungssteg 28 wird die Länge I um die Länge s des Führungsstegs 28 entlang der Längsachse 4 verlängert. Somit ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel die Führungslänge I + s. Hierbei wird die Länge s des Führungsstegs 28 vorzugsweise gleich groß oder sogar größer als die Länge f der Federaufnahme 25 gewählt. Dadurch ist die Führungslänge I + s des Ankers 6 an der Ventilnadel 5 gleich oder sogar größer als die Länge L des Ankers 6 zwischen seinen Stirnseiten 22, 23.
  • Die Führung der Ventilnadel 5 bezüglich der Längsachse 4 beziehungsweise bezüglich des Gehäuses 2 ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel über das Anschlagelement 7. Hierbei ist das Anschlagelement 7 in einem Führungsbereich 30 an einer Innenbohrung 31 des Innenpols 3 geführt. Mögliche Ausgestaltungen des Anschlagelements 7, die eine vorteilhafte Durchleitung des Fluids, insbesondere Brennstoffs, ermöglichen, sind anhand der Fig. 5 bis 8 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich zwischen einer Außenseite 32 des Ankers 6 und einer Innenseite 33 des Gehäuses 2 ein Ringspalt 34.
  • Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann die Führung der Ventilnadel 5 zusätzlich oder alternativ auch über den Anker 6 realisiert werden. Hierbei reicht die Außenseite 32 des Ankers 6 zumindest teilweise bis an die Innenseite 33 des Gehäuses 2. Bei dieser Ausgestaltung kann anstelle des Führungsbereichs 30 dann ein Ringspalt zwischen dem Anschlagelement 7 und dem Innenpol 3 realisiert werden.
  • Somit kann eine vorteilhafte Führung der Ventilnadel 5 entlang der Längsachse 4 realisiert werden. Hierbei ergibt sich zugleich eine vorteilhafte Führung zwischen dem Anker 6 und der Ventilnadel 5 über eine Führungslänge I + s, die vorzugsweise nicht kleiner als die Länge L ist.
  • Fig. 2 zeigt ein Ventil 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Führungsverlängerung 40 vorgesehen. Die Führungsverlängerung 40 hat entlang der Längsachse 4 eine Länge s', um die sich die Führung des Ankers 6 an der Ventilnadel 5 verlängert. Dies bedeutet, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Führungslänge s' + I entlang der Längsachse 4 zwischen dem Anker 6 und der Ventilnadel 5 realisiert ist.
  • Somit ist es in diesem Ausführungsbeispiel möglich, dass die Federaufnahme 25 direkt an die Ventilnadel 5 angrenzt. Dies erleichtert insbesondere die Herstellung des Ankers 6, da die Federaufnahme 25 durch eine an der Längsachse 4 ausgerichtete zylinderförmige Ausnehmung realisiert werden kann. Dadurch steht allerdings direkt an der Grundform 20 des Ankers 6 nur die gegenüber der Länge L des Ankers 6, die dieser zwischen den Stirnseiten 22, 23 aufweist, verkürzte Länge I zur Verfügung. Diese verkürzte Länge I wird hierdurch gewissermaßen über die Führungsverlängerung 40 um die Länge s' verlängert. Speziell kann die Länge s' so vorgegeben sein, dass die Führungslänge s' + I gleich groß oder sogar größer als die Länge L des Ankers 6 zwischen seinen Stirnseiten 22, 23 ist.
  • Außerdem ist die Führungsverlängerung 40 hülsenförmig ausgestaltet. Dies bedeutet, dass ein Außendurchmesser 41 an der Führungsverlängerung 40 deutlich kleiner gewählt ist als ein Außendurchmesser 42 an der Außenseite 32 des Ankers 6.
  • Ferner ist die Feder 27 in diesem Ausführungsbeispiel mit angeschliffenen Federenden 43, 44 ausgestaltet. Dadurch ergibt sich eine noch bessere Auflage. Ferner ergeben sich ein reduzierter Verschleiß sowie eine gleichmäßigere Krafteinleitung einerseits in den Anker 6 an der Federstützfläche 26 und andererseits an dem Anschlag 7' des Anschlagelements 7.
  • Fig. 3 und 4 zeigen mögliche Ausgestaltungen des Ankers 6 des Ventils 1 aus der in Fig. 1 mit III bezeichneten Blickrichtung, wobei zur besseren Verständlichkeit die Ventilnadel 5 als Schnittfläche dargestellt ist. Die Stirnseite 22 teilt sich in Teilflächen 22A und 22B auf, zwischen denen die Federaufnahme 25 vorgesehen ist. Ferner sind Durchgangsöffnungen 51 bis 54 vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel als Durchgangsbohrungen 51 bis 54 mit kreisförmigem Querschnitt ausgestaltet sind. Hierbei ergeben sich Verschneidungen zwischen den Durchgangsbohrungen 51 bis 54 und der Federaufnahme 25. Dies bedeutet, dass der Brennstoff über die Länge f der Federaufnahme sowohl durch den von der Feder 27 nicht ausgefüllten Teil der Federaufnahme 25 als auch durch die Durchgangsöffnungen 51 bis 54 strömen kann. Anschließend strömt der Brennstoff dann über die verkürzte Länge I nur durch die Durchgangsöffnungen 51 bis 54. Dadurch ist ein Brennstofffluss von der Stirnseite 22 zur Stirnseite 23 mit geringer Drosselung ermöglicht, ohne dass die Gesamtfläche der Stirnseite 22, die sich aus den Teilflächen 22A, 22B zusammensetzt, weiter verkleinert ist. Dies wirkt sich günstig auf das Ansteuerverhalten bei einer Betätigung des Ankers 6 aus, da sich sowohl eine große Magnetkraft als auch eine reduzierte hydraulische Drosselung ergeben.
  • Bei dem anhand der Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zusätzlich nierenförmige Ausgestaltungen der Durchgangsöffnungen 51 bis 54 realisiert, so dass sich die Durchgangsöffnungen 51 bis 54 in einer Umfangsrichtung 55 um die Längsachse 4 beziehungsweise umfänglich um die Längsachse 4 über einen größeren Winkelbereich erstrecken. Dadurch wird insbesondere der Brennstofffluss über die verkürzte Länge I des Ankers 6 verbessert.
  • Fig. 5 bis 8 zeigen mögliche Ausgestaltungen des Anschlagelements 7 des Ventils 1 entgegen der in Fig. 1 mit III bezeichneten Blickrichtung, wobei zur Veranschaulichung die Ventilnadel 5 im Schnitt dargestellt ist. Hierbei ist ein Stützbereich 60 für die Feder 27 vorgegeben. Der Stützbereich 60 ist radial nach außen durch eine unterbrochen dargestellte Linie 60A begrenzt. Ferner ist der Stützbereich 60 radial nach innen durch eine unterbrochen dargestellte Linie 60I begrenzt. Der Stützbereich 60 dient als der konstruktiv vorgegebene Stützbereich 60, in dem sich die gewählte Feder 27 abstützen soll. Ferner beziehen sich die Ausgestaltungen vorzugsweise auf einen Anwendungsfall, bei dem eine Führung zwischen dem Anschlagelement 7 und dem Innenpol 3 realisiert ist, wie es beispielsweise in der Fig. 1 veranschaulicht ist.
  • Um den Brennstoff an dem Anschlagelement 7 vorbeizuleiten, sind Vertiefungen 61 bis 64 vorgesehen. Hierbei kann das Anschlagelement 7 ausgehend von einer hohlzylinderförmigen Grundform 65, die durch einen Außendurchmesser D charakterisiert ist, durch solche Vertiefungen 61 bis 64 modifiziert werden. Dadurch ergibt sich sowohl die Möglichkeit einer Führung an dem Außendurchmesser D als auch einer Brennstoffdurchleitung durch die Vertiefungen 61 bis 64.
  • Die Vertiefungen 61 bis 64 sind hier so ausgeführt, dass sie von der Längsachse 4 aus betrachtet maximal bis zu einem Durchmesser d reichen. Dies bedeutet, dass von der Ventilnadel 5 bis zu dem Durchmesser d eine kreisringförmige Fläche 66 verbleibt.
  • Vorzugsweise ist der Durchmesser d so vorgegeben, dass dieser zwischen der äußeren Linie 60A und der inneren Linie 60I liegt. Dadurch liegt die Feder 27 auch im Bereich der Vertiefungen 61 bis 64 zumindest teilweise, nämlich zumindest an der kreisringförmigen Fläche 66, an dem Stützbereich 60 an. Hierdurch ergibt sich ein Kompromiss aus einer guten Anlage der Feder 27 an dem Stützbereich 60 und möglichst großen Vertiefungen 61 bis 64 sowie gleichzeitig der Möglichkeit einer Führung an dem Außendurchmesser D.
  • Die Fig. 5 bis 8 zeigen verschiedene Möglichkeiten, die Vertiefungen 61 bis 64 auszuführen. Fig. 5 als Verschneidung mit Zylinderbohrungen, Fig. 6 als Verschneidungen mit rechteckförmigen Ausfräsungen, Fig. 7 als Verschneidung mit Abflachungen. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 8 kann der Durchflussquerschnitt durch Ringsegmente gebildet werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (9)

  1. Ventil (1) zum Zumessen eines Fluids, insbesondere Brennstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem elektromagnetischen Aktuator (10) und einer von dem Aktuator (10) betätigbaren Ventilnadel (5), wobei an der Ventilnadel (5) ein Anker (6) des Aktuators (10) geführt ist, wobei an der Ventilnadel (5) ein Anschlagelement (7) angeordnet ist, das eine Bewegung des Ankers (6) relativ zu der Ventilnadel (5) begrenzt, und wobei der Anker (6) eine zu dem Anschlagelement (7) hin offene Federaufnahme (25) aufweist, in die eine an dem Anschlagelement (7) abgestützte Feder (27) eingesetzt ist,
    wobei die Ventilnadel (5) über den Anker (6) und/oder das Anschlagelement (7) entlang einer Längsachse (4) eines Gehäuses (2) geführt ist und dass entlang der Längsachse (4) betrachtet eine Länge (f) der Federaufnahme (25) kleiner als eine Federlänge (F) der Feder (27) im unbetätigten Ausgangszustand ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Anschlagelement (7) auf einer hohlzylinderförmigen Grundform mit einem bestimmten Außendurchmesser (D) bezüglich der Längsachse (4) basiert und dass an einer Außenseite (32) der Grundform (65) zumindest eine Vertiefung (61 - 64) bis zu einem bestimmten Durchmesser (d) bezüglich der Längsachse ausgestaltet ist und dass ein Stützbereich (60) für die Feder (27) innerhalb des bestimmten Außendurchmessers (D) des Anschlagelements (7) und außerhalb des bestimmten Durchmessers (d) des Anschlagelements (7) liegt.
  2. Ventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Anker (6) ein dem Anschlagelement (7) zugewandter Führungssteg (28) ausgestaltet ist, der den Anker (6) entlang der Längsachse (4) an der Ventilnadel (5) führt, und/oder dass die Federaufnahme (25) durch eine nicht an die Ventilnadel (5) angrenzende Ringnut (25) ausgestaltet ist.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Anker (6) eine von dem Anschlagelement (7) abgewandte Führungsverlängerung (40) vorgesehen ist, die den Anker (6) entlang der Längsachse (4) an der Ventilnadel (5) führt.
  4. Ventil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Führungsverlängerung (40) an dem Anker (6) ausgestaltet ist oder dass die Führungsverlängerung (40) stoffschlüssig mit dem Anker (6) verbunden ist.
  5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Führungsverlängerung (40) als hülsenförmige Führungsverlängerung (40) ausgestaltet ist.
  6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass entlang der Längsachse (4) betrachtet eine Führungslänge (s + s' + I), über die der Anker (6) an der Ventilnadel (5) geführt ist, nicht kleiner als eine Ankerlänge (L) ist, und/oder dass die Führungslänge, über die der Anker (6) an der Ventilnadel (5) geführt ist, aus einer um die Länge (f) der Federaufnahme (25) verkürzten Länge (I) des Ankers (6) zuzüglich einer Länge (s) eines Führungsstegs (28) und/oder einer Länge (s') einer Führungsverlängerung (40) zusammengesetzt ist.
  7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Feder (27) bei der Betätigung auf die durch die Federaufnahme (25) des Ankers (6) vorgegebene Länge (f) der Federaufnahme (25) verkürzbar ist.
  8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Anker (6) zumindest eine sich entlang der Längsachse (4) erstreckende Durchgangsöffnung (51 - 54) aufweist, die mit der Federaufnahme (25) verschnitten ist.
  9. Ventil nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest eine Durchgangsöffnung (51 - 54) in einer Umfangsrichtung (55) nierenförmig ausgedehnt ausgestaltet ist.
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