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Dokumentenidentifikation DE202006002735U1 02.08.2007
Titel Magnetventil mit gedämpfter Ventilnadel
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
DE-Aktenzeichen 202006002735
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 02.08.2007
Registration date 28.06.2007
Application date from patent application 21.02.2006
IPC-Hauptklasse F16K 31/06(2006.01)A, F, I, 20060221, B, H, DE

Beschreibung[de]
Stand der Technik

DE 106 50 865 A1 bezieht sich auf ein Magnetventil. Es wird ein Magnetventil offenbart, dessen Magnetanker mehrteilig ausgebildet ist und eine Ankerscheibe sowie einen Ankerbolzen aufweist. Der Ankerbolzen ist in einem Gleitstück geführt. Um ein Nachschwingen der Ankerscheibe nach einem Schließen des Magnetventils zu vermeiden, ist am Anker eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Mit einer solchen Einrichtung sind exakt die erforderlichen kurzen Schaltzeiten des Magnetventils einhaltbar. Das Magnetventil ist bestimmt zur Anwendung bei Einspritzanlagen mit Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common Rail) an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen.

Aus DE 103 05 985 A1 ist ein prellerfreier Magnetsteller für Einspritzventile bekannt. Ein Magnetsteller zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors umfasst einen Magnetkern, in dem eine Magnetspule aufgenommen ist. Eine Schließfeder wirkt auf den Magnetanker in Schließrichtung. Zwischen einer dem Magnetanker zuweisenden Stirnseite einer Anschlaghülse und dem Magnetanker ist ein Austrittsspalt für ein Betätigungsfluid gebildet. Der Austrittsspalt mündet in einen hydraulischen Dämpfungsraum, der von einer Stirnseite des Magnetankers und von einer Dämpfungsfläche aus nicht-magnetischem Werkstoff begrenzt wird.

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kavitation des Nadelanschlags zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Die Kavitation entsteht bei der Schließbewegung der Ventilnadel und erzeugt einen Unterdruck an der Stirnfläche der Nadel bzw. am Deckel. Die sich daraus ergebende Blasenbildung und anschließende Implosion der Blasen erzeugt Kavitationsschäden mit nachteiligen Auswirkungen für die Anschlagfunktion. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bewegung eines nadelförmigen Ventilglieds bei Erreichen eines Anschlags mit einfachen Mitteln zu dämpfen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, an einem magnetischen Steller, der insbesondere als Magnetventil ausgebildet ist, an einem den Magnetteil abschließenden Deckel, der bevorzugt aus einem amagnetischen Material gefertigt ist, eine Ausnehmung einzubringen, die bevorzugt ein zusätzliches Dämpfungsvolumen aufnimmt oder in die eine die Hubbewegung der Ventilnadel dämpfende Hülse eingelassen ist. Beim Ende des Öffnungsvorgangs der Ventilnadel erfährt das zusätzliche Volumen ebenfalls eine Druckerhöhung, die sich aufgrund des Quetschspaltes zwischen Ventilnadel und Deckel am Ende des Schließvorgangs nicht mehr vollständig abbauen kann. Das verbleibende „Druckpolster" bremst somit die Bewegung der Ventilnadel ab. Bei bisher bekannten Lösungen ohne das zusätzliche Dämpfungsvolumen, ist nur ein relativ geringes Volumen vorhanden, was sich durch einen Spalt zwischen der gesamten Ventilnadelstirnfläche bzw. der gesamten Deckelanschlagfläche ergibt. Dieses geringere Volumen ist entsprechend schnell, bedingt durch den Abfluss nur geringer Kraftstoffmengen aus dem Spalt am Anschlag, auf dem Druckniveau eines mit Kraftstoff gefluteten bzw. umspülten Magnetraums, in dem das Magnetventil aufgenommen ist.

Durch die bessere Dämpfung aufgrund des zusätzlichen Dämpfungsvolumens wird der Anschlag weniger belastet. Außerdem werden Preller der Ventilnadel reduziert, was wiederum kavitationsmindernd ist. Eine weitere Funktion des vorgeschlagenen zusätzlichen Dämpfungsvolumens liegt in der Reduzierung der Kavitationsneigung beim Beginn des Schließvorgangs der Ventilnadel, weil zum einen das zusätzliche Dämpfungsvolumen zur Verfügung steht, um den entstehenden Unterdruck zu mindern und zum anderen der kritischste Kavitationsbereich des Anschlags, d.h. das Zentrum der Stirnfläche der Ventilnadel von Kraftstoff umgeben ist und keine Anschlagfunktion mehr besitzt. Die aufgrund der Implosion von Blasen auftretenden Kavitationsschäden werden durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung umgangen oder zumindest erheblich reduziert, weil sie sich auf die gesamte Außenfläche des Volumens verteilen. Diese Bereiche stellen keinen Teil der Anschlagfunktion dar und somit von untergeordneter Bedeutung. Durch das zusätzliche Dämpfungsvolumen wird die Anschlagfläche auf den äußeren Bereich der Ventilnadelstirnfläche reduziert. Dieser Bereich ist unkritischer für Kavitation, da er von dem im Magnetraum enthaltenen Kraftstoffvolumen gut umspült ist bzw. nunmehr auch von der Innenseite her mit Kraftstoff umgeben ist. Das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Ventilglied des erfindungsgemäß vorgeschlagenen magnetischen Stellers weist an seiner dem Deckel aus amagnetischem Material zuweisenden Stirnseite entweder eine Planfläche auf oder einen kolbenartigen Fortsatz, der in die Ausnehmung im Magnetventildeckel, in der entweder ein zusätzliches Dämpfungsvolumen oder ein hülsenförmig ausgebildeter, das Dämpfungsvolumen begrenzender Anschlag aufgenommen ist, gegen Ende der Hubbewegung eintaucht.

Der Grad der Hubdämpfung des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds kann dadurch eingestellt werden, dass dem zusätzlichen, in der an der Unterseite des Deckels aus bevorzugt amagnetischem Material gefertigten Ausnehmung ein Drosselkanal mit Ablaufdrossel oder eine Entlastungsnut zugeordnet ist, über welche ein Teil des in der Ausnehmung bevorrateten Dämpfungsvolumens kontrolliert abzuströmen vermag. Durch die Auslegung der z.B. in den Deckel aus amagnetischem Material eingebrachten Ablaufdrossel sowie durch die Auslegung der z.B. an der Unterseite des Deckels aus amagnetischem Material gefertigten Entlastungsnut kann die Menge des aus der Ausnehmung bei Annäherung der Nadelstirnfläche abströmenden Dämpfungsvolumens eingestellt werden, so dass die Dämpfungscharakteristik eingestellt werden kann. Wird z.B. ein hülsenförmig ausgebildetes Bauteil in die Ausnehmung des Deckels eingebracht, so kann der Deckel auch aus weichem anti-magnetischem Material bestehen, wenn gewährleistet ist, dass das hülsenförmige Bauteil an sich z.B. aus gehärtetem Stahl gefertigt wird. Je nach Axiallänge des hülsenförmigen Bauteils, welches in die Ausnehmung an der Unterseite des Deckels des Magnetteils eingebracht wird, kann auch eine Hubeinstellung des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds erreicht werden. In vorteilhafter Weise kann durch das Einbringen eines zusätzlichen Dämpfungsvolumens in die Ausnehmung an der Unterseite des den Magnetteil verschließenden Deckels, sei dieser aus magnetischem oder amagnetischem Material gefertigt, erreicht werden, dass Kavitationserscheinungen minimiert werden. Ferner wird durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene zusätzlich in den Deckel des Magnetteils integrierte zusätzliche Dämpfungsvolumen erreicht, dass ein verbleibender Anschlagbereich von der Symmetrieachse des nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds in dessen Außenbereiche, so z.B. an den Rand der dem Deckel gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilglieds verlagert wird.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

1 einen Schnitt durch einen magnetischen Steller, insbesondere ein Magnetventil,

2 eine teilweise wiedergegebene Draufsicht auf den Magnetsteller gemäß 1,

3 einen Schnitt durch den Deckel des Magnetteils in einer ersten Ausführungsvariante,

4 eine weitere Ausgestaltung der Ventilglieddämpfung im Deckel des Magnetteils,

5 eine der Ausnehmung im Deckel zugeordnete Ablaufdrossel mit einem Ventilglied mit Verdrängerkolben und

6 eine Ausführungsvariante, in welcher der Ausnehmung an der Unterseite des Deckels eine Entlastungsnut zugeordnet ist.

Ausführungsvarianten

Der Darstellung gemäß 1 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen magnetischen Steller, insbesondere ein Magnetventil zu entnehmen.

Der Darstellung gemäß 1 ist entnehmbar, dass der dort wiedergegebene magnetische Steller 10 einen Magnetteil 12 und einen Ventilteil 14 umfasst. Im Magnetteil 12 ist eine Magnetspule 16 in einer Spuleneinbettung 18 aufgenommen. Die Magnetspule 16 wird über einen ersten Spulenanschluss 20 und einen zweiten Spulenanschluss 22 bestromt. Die Spulenanschlüsse 20, 22 sind über Dichtringe 24, 26 abgedichtet. Das Magnetventil 10 gemäß der Darstellung in 1 ist symmetrisch zur Symmetrieachse 28 aufgebaut und umfasst innerhalb des Ventilteils 14 ein bevorzugt nadelförmig ausgebildetes Ventilglied 30. Das Ventilglied 30 ist entsprechend der Bestromung der Magnetspule 16 über die Spulenanschlüsse 20, 22 innerhalb eines Ventilgehäuses 38 bewegbar. Das Ventilglied 30 wirkt mit einem im Ventilgehäuse 38 ausgebildeten Nadelsitz 34 zusammen, über den bei geschlossenem Ventilglied 30 ein Steuerraum 32 der Abfluss von Kraftstoff aus einem Steuerraum 32 unterbunden ist. Das nadelförmig ausgebildete Ventilglied 30 ist durch eine Ventilfeder 40 beaufschlagt, die sich an der Unterseite des Ventilgehäuses 38 abstützt. Der Ventilkörper 38 des magnetischen Stellers 10 wird mittels einer Spannmutter 42 an einem hier nicht dargestellten Kraftstoffinjektor befestigt. Die schräg im Ventilkörper 38 verlaufende Bohrung stellt den Zulauf zum Steuerraum 32 ab, während der Ab- bzw. Rücklauf im Ventilkörper 38 unterhalb des Nadelsitzes 34 verläuft.

Am oberen Ende des vorzugsweise nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 befindet sich ein den Magnetteil 12 verschließender Deckel 46. Der Deckel 46 kann aus magnetischem Material oder auch aus amagnetischem Material gefertigt werden. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass die obere Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 mit einem scheibenförmigen Einsatz 50, der in die Ausnehmung 58 im Deckel 46 eingepresst ist, zusammenwirkt. An dem scheibenförmigen Einsatz 50 ist mindestens ein Anschliff 52 ausgeführt, um beim Einpressen des scheibenförmigen Einsatzes 50 in die Ausnehmung 48 das Entweichen von Luft zu ermöglichen. Das eingepresste Bauteil 50 kann als scheibenförmiger Körper oder pillenförmig ausgebildet sein und reduziert den Verschleiß erheblich. Ist der Deckel 46, der den Magnetteil 12 des magnetischen Stellers 10 verschließt, aus amagnetischem Material gefertigt, kann zudem die magnetische Streuung bzw. ein magnetisches „Kleben" beim Beginn des Schließvorgangs minimiert werden. Eine weitere Verbesserung der Verschleißeigenschaften wird dadurch erreicht, dass das in der Ausnehmung 48 des Deckels 46 aufgenommene Bauteil 50 aus hartem Material gefertigt ist, wozu insbesondere gehärteter Stahl eingesetzt werden kann.

Der Darstellung gemäß 2 ist eine Draufsicht auf den magnetischen Steller gemäß 1 zu entnehmen.

Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die Spulenanschlüsse 20 bzw. 22 den Deckel 46 durchsetzen. Aus der Draufsicht gemäß 2 ist ferner entnehmbar, dass die Spannmutter 42 einen Werkzeugansatz 44 in Form eines Sechskantes aufweist. Der Deckel 46 ist symmetrisch zur Symmetrieachse 28 gefertigt.

3 zeigt eine erste Ausführungsvariante eines Dämpfungsvolumens, welches in die Ausnehmung am den Magnetteil verschließenden Deckel eingebracht ist.

3 zeigt, dass in die Ausnehmung 48 an der Unterseite 58 des Deckels 46, sei dieser aus magnetischem oder aus amagnetischen Material gefertigt, eine Hülse 54 eingelassen ist. Die Hülse 54 umschließt ein Dämpfungsvolumen 56. Das Dämpfungsvolumen 56 wird bevorzugt durch ein hydraulisches Fluid wie z.B. Kraftstoff gebildet, mit welchem ein Magnetraum 70 im oberen Bereich des Ventilkörpers 38 geflutet ist.

Das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Ventilglied 30 fährt mit seiner Stirnfläche 36 bei Ausführung einer Hubbewegung innerhalb des Magnetteils 12 auf die untere Stirnfläche der Hülse 54 zu. Das von der Hülse 54 umschlossene Dämpfungsvolumen 46 dämpft den Anschlag der Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30, das symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 28 aufgebaut ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Anschlagfläche zwischen dem hülsenförmigen Körper 54, der in die Ausnehmung 48 eingepresst ist, von der Symmetrieachse 28 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 an die Außenseiten der Stirnfläche 36 verschoben. Der Anschlagbereich im Zentrum der Stirnfläche 36 entfällt.

4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des in den Deckel des Magnetteils des magnetischen Stellers eingebrachten Dämpfungsvolumens. Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass in die Unterseite 58 des Deckels 46 die Ausnehmung 48 eingebracht ist. Innerhalb der Ausnehmung 48 befindet sich der hülsenförmige Einsatz 54, über dessen axiale Länge der Hubweg des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 begrenzbar ist. An der Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 befindet sich ein Verdrängerkolben 60, der mit Radialspiel 32 in die in die Ausnehmung 58 eingelassene Hülse 54 einfährt. Die Einfahrbewegung des an der Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 aufgenommenen Verdrängerkolbens 60 wird durch ein in der Ausnehmung 48 vorhandenes hydraulisches Fluid begrenzt. Ein Anschlag des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 an der unteren Stirnseite des hülsenförmigen Einsatzes 54 erfolgt im Außenbereich der Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30.

5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des im Deckel 46 untergebrachten Dämpfungsvolumens.

Gemäß der Darstellung in 5 ist in den Deckel 46, der in dieser Ausführungsvariante aus einem harten metallischen Material gefertigt wird, die Ausnehmung 48 eingebracht. Die Ausnehmung 48 ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Kanal 68 mit Drossel mit der Unterseite 58 des Deckels 46 verbunden. Fährt der an der Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 ausgebildete Verdrängerkolben 60 in die Ausnehmung 48 ein, wird das Dämpfungsvolumen 56 über den Kanal mit Ablaufdrossel 68 aus der Ausnehmung 48 entsprechend der Auslegung der Ablaufdrossel verdrängt. Dadurch wird die Einfahrbewegung des Verdrängerkolbens 60, die mit Radialspiel 62 in die Ausnehmung 48 einfährt, gedämpft. Ein Anschlag des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 an der Unterseite 58 des Deckels 46, der in dieser Ausführungsvariante aus hartem Material gefertigt ist, stellt sich entlang der Ringfläche 64 im Randbereich der Stirnfläche 36 zwischen der Umfangsfläche des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 und dem Verdrängerkolben 60 ein.

Aus der Darstellung gemäß 6 geht eine weitere Ausführungsvariante des am Deckel ausgebildeten Dämpfungsvolumens hervor.

Gemäß der Ausführungsvariante in 6 ist in den Deckel 46 ausgehend von dessen Unterseite 58 die Ausnehmung 48 eingebracht. Dabei kann es sich um eine einfache Bohrung oder um eine Aussparung an der Unterseite 58 des Deckels 46 handeln. An der Unterseite 58 des Deckels 46 verläuft eine Entlastungsnut 66 im Wesentlichen in horizontaler Richtung. Fährt die Stirnfläche 36 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 auf das in der Ausnehmung 48 enthaltene Dämpfungsvolumen zu, wird der Anschlag der Stirnfläche 36 an der Unterseite 58 des Deckels 46 durch das in der Ausnehmung 48 enthaltene Dämpfungsvolumen gedämpft, welches lediglich über die Entlastungsnut 66 an der Unterseite 48 seitlich aus der Ausnehmung 48 des Deckels 46 abzuströmen vermag. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene zusätzliche Dämpfungsvolumen 46 nutzt in vorteilhafter Weise die Anwesenheit von Kraftstoff im Magnetraum 70 aus, in welchem der magnetische. Steller 10 aufgenommen ist. Aufgrund der Anwesenheit von Kraftstoff im Magnetraum 70 ist sichergestellt, dass stets ein ausreichendes zusätzliches Dämpfungsvolumen in der Ausnehmung 48 an der Unterseite 58 des Deckels 46 ausgebildeten Ausnehmung 48 vorhanden ist, was die Bewegung des nadelförmig ausgebildeten Ventilglieds 30 dämpft und die geschilderten Kavitationserscheinungen zumindest erheblich reduziert.


Anspruch[de]
Magnetischer Steller (10) mit einem Magnetteil (12) und einem Ventilteil (14), in welchem ein eine Hubbewegung ausführendes Ventilglied (30) aufgenommen ist, welches an einer Stirnseite durch eine Ventilfeder (40) beaufschlagt ist und dessen andere Stirnseite (36) einem dem Magnetteil (12) verschließenden Deckel (46) gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Deckel (46) eine Ausnehmung (48) für ein hydraulisches Dämpfungsvolumen (56) oder zur Aufnahme eines Dämpfungsbauteils (54) ausgebildet ist. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (46) aus amagnetischem Material gefertigt ist. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (46) aus einem harten Material gefertigt ist und kein Dämpfungsbauteil 54 eingesetzt ist und der Deckel 46 bei Einsatz eines Dämpfungsbauteils 54 aus amagentischem Material gefertigt ist. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ausnehmung (48) ein Einsatz (54) aus hartem, verschleißfestem Material eingepresst ist, der der Stirnfläche (36) des Ventilglieds (39) gegenüberliegt. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ausnehmung (48) des Deckels (46) eine Hülse (54) eingebracht ist, die das Dämpfungsvolumen (56) umschließt und über eine Unterseite (58) des Deckels (46) vorsteht. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Deckel (46) zuweisenden Stirnfläche (36) des Ventilglieds (30) ein Verdrängerkolben (60) ausgeführt ist, der bei einer Hubbewegung des Ventilglieds (30) in die Ausnehmung (48) eintaucht. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Deckel (46) ein Kanal (68) mit Drosselstelle verläuft, der das Dämpfungsvolumen (56) und die Unterseite (58) des Deckels (46) hydraulisch miteinander verbindet. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite (58) des Deckels (46) eine Entlastungsnut (66) verläuft, die das Dämpfungsvolumen (56) mit einem hydraulischen Raum verbindet. Magnetischer Steller (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (30) an der Stirnfläche (36) eine Ringfläche (64) aufweist, die mit der Umrandung der Ausnehmung (48) an der Unterseite (58) des Deckels (46) eine Anschlagfläche bildet.






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