Elektromagnetisch betätigbares Ventil Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Ventil, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, mit einem Magnetaktor, sowie ein

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen eines Magnetaktors, z.B. eines

Magnetankers.

Hochdruckeinspritzventile des Standes der Technik sind im Wesentlichen als herkömmliche Magnetschaltventile mit einer Spule und Bauteilen eines

Magnetaktors, z.B. Magnetanker, Innenpol, Außenpol, aufgebaut, die als

Drehteile aus einem weichmagnetischen Stangenmaterial gefertigt werden.

Durch die elektrischen Eigenschaften des Materials und die um 360°

geschlossene Kontur der Bauteile kommt es beim Aufbau und Abbau des

Magnetfelds im Betrieb zu Wirbelstromverlusten und demzufolge zu einer

Minderung der Schaltzeit bzw. Dynamik des Kraftstoffeinspritzventils.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es Bauteile eines

Magnetaktors, wie z.B. einen Magnetanker und/oder einen Innenpol und/oder einen Außenpol, aufweist, die eine erhebliche Reduzierung der Wirbelstromverluste bei Magnetfeldänderungen und eine deutlich verkürzte Schaltzeit des Ventils ermöglichen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventil mindestens ein Bauteil eines Magnetaktors mit einer Vielzahl von Sektoren aus weichmagnetischem Material und eine Vielzahl von isolierenden Trennstegen aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Sektoren jeweils ein Trennsteg angeordnet ist, welcher die benachbarten Sektoren elektrisch vollständig voneinander trennt. Die Bauteile des Magnetaktors weisen somit mindestens zwei weichmagnetische Sektoren und zwei isolierende Trennstege auf. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise sind die Trennstege hierbei aus einem Keramik umfassenden Material hergestellt. Aufgrund der elektrisch nicht leitenden Eigenschaften des keramischen Materials wird eine sichere elektrische Trennung bzw. Isolation der einzelnen angrenzenden Sektoren der Bauteile eines Magnetaktors

gewährleistet.

Weiterhin bevorzugt umfasst das Ventil mindestens ein Bauteil des Magnetaktors mit genau vier Sektoren und vier Trennstegen. Hierdurch wird bereits durch eine kleine Anzahl von Sektoren und Trennstegen eine drastische Reduzierung der

Wirbelstromverluste bei Magnetfeldänderungen erreicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Trennstege eine Breite auf, welche derart gewählt ist, dass benachbarte Sektoren gerade sicher elektrisch voneinander getrennt sind. Durch die Minimierung der Breite und des

Materialanteils der Trennstege geht nur wenig weichmagnetisches Material des Magnetankers verloren, wodurch eine im Wesentlichen gleichbleibende Stärke des Magnetkreises sichergestellt ist. Vorzugsweise ist mindestens ein Bauteil eines Magnetaktors mittels eines PIM-

Verfahrens (Powder-Injection-Moulding-Verfahren) hergestellt. Durch diesen Mehrkomponenten-Pulverspritzprozess anstelle eines Drehprozesses wird die Herstellung von Bauteilen eines Magnetaktors mit geringen Fertigungszeiten und Stückkosten auf einfache Weise erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei derart ausgeführt werden, dass in einem ersten Schritt die

isolierenden Trennstege hergestellt werden, dann die isolierenden Trennstege in einem Werkzeug mechanisch gehalten werden und anschließend die Sektoren aus weichmagnetischem Material gespritzt werden. Alternativ kann in einem ersten Schritt die Herstellung der weichmagnetischen Sektoren erfolgen.

Anschließend werden diese Sektoren in einem Werkzeug angeordnet und mittels eines Magnetfeldes in Position gehalten und in einem anschließenden Schritt die Zwischenräume zwischen den weichmagnetischen Sektoren mit den

Trennstegen ausgespritzt werden. Somit kann erfindungsgemäß eine

kostengünstige Herstellung eines Bauteils für einen Magnetaktor realisiert werden, wobei das Bauteil dünnwandige, elektrisch nichtleitende Trennstege zwischen weichmagnetischen Sektoren aufweist. Hierdurch kann die Ausbildung von Wirbelströmen, welche den Feldaufbau und Feldabbau entgegenwirken, minimiert werden. Dabei müssen die Trennstege möglichst dünnwandig ausgeführt werden, damit wenig magnetisches Materialvolumen verloren geht, was die erreichbare Magnetkraft negativ beeinflussen würde. Das

erfindungsgemäße Verfahren zeigt erstmals eine fertigungstechnische

Umsetzung der dabei relativ anspruchsvollen Herstellung auf, da die Trennstege bzw. die weichmagnetischen Sektoren auf Abstand gehalten werden müssen, um jeweils das andere Element mittels eines Spritzvorgangs herstellen zu können. Somit können erfindungsgemäß mittels eines Mehrkomponenten PIM-Verfahrens eines oder mehrere Bauteile eines Magnetaktors, wie z.B. einen Magnetanker oder ein Polkern bzw. Innenpol, oder ein Ventilmantel bzw. Außenpol

(Rückschlusselement) hergestellt werden. Besonders bevorzugt können dabei die weichmagnetischen Sektoren mittels eines Metallspritzverfahrens (MIM = Metal Injection Moulding) hergestellt werden. Die isolierenden Trennstege können bevorzugt mittels eines keramischen Spritzverfahrens (CIM-Verfahren,

CIM = Ceramic Injection Moulding) hergestellt werden. Die weichmagnetischen Sektoren können mittels einer Magnetkraft in einem Spritzwerkzeug positioniert werden, so dass zwischen ihnen Freiräume für die anzuspritzenden isolierenden Trennstege vorhanden sind. Die Trennstege können mechanisch im

Spritzwerkzeug gehalten werden. Hierdurch kann ein sehr wirtschaftliches

Herstellungsverfahren erreicht werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils eines Magnetaktors mit einer Vielzahl von Sektoren aus weichmagnetischen Material und einer Vielzahl von isolierenden Trennstegen mittels eines PIM-Prozesses kann wirtschaftlich ein Bauteil hergestellt werden, bei dem die Schaltzeiten und dabei insbesondere die Abschaltzeiten drastisch reduziert sind, wodurch z.B. bei Verwendung in einem Fahrzeug eine deutlich reduzierte Kraftstoffmenge in den Brennraum eingespritzt werden muss. Durch die reduzierte Einspritzmenge wird das Leerlaufverhalten des Motors verbessert und eine verbesserte Mehrfacheinspritzung der Kraftstoffeinspritzventile ermöglicht. Dies führt zu einem deutlich verbesserten Abgasverhalten des Motors.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung am Beispiel Magnetanker im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Magnetankers eines

Kraftstoffeinspritzventils, und

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Magnetankers des

erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils.

Ausführungsform der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein

Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetankers eines Magnetaktors des Kraftstoffeinspritzventils 1 detailliert beschrieben.

Wie aus der perspektivischen Darstellung von Figur 1 ersichtlich, umfasst das Ventil einen Magnetaktor 1 mit einem Magnetanker 3, einem Polkern 31 , einem Ventilmantel 32 als Rückschlusselement, und eine Spule 2, welche den

Magnetanker 3 umgibt. Der aus einem weichmagnetischen Material hergestellte Magnetanker 3 weist eine mittige, in einer Achsenrichtung A angeordnete Durchgangsöffnung 6 auf, in der eine hier nicht dargestellte Ventilnadel angeordnet ist. Ferner weist der Magnetanker 3 vier in Achsenrichtung A verlaufende Kraftstofföffnungen 7 auf, von denen jede in einem von vier Sektoren

4 angeordnet ist. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich, umfasst jeder Sektor 4 in Umfangsrichtung im Wesentlichen ein Viertel des Volumens des Magnetankers 3. Zwischen zwei benachbarten Sektoren 4 ist jeweils ein isolierender Trennsteg

5 aus einem keramischen Material angeordnet, der die angrenzenden Sektoren 4 elektrisch voneinander trennt bzw. isoliert. Die Anzahl der Sektoren 4 bzw. Trennstege 5 kann alternativ zur hier dargestellten Ausführungsform gemäß einer gewünschten Funktion des Magnetankers 3 im Kraftstoffeinspritzventil 1 entsprechend variiert werden, mindestens sind jedoch zwei Trennstege vorhanden.

Die Herstellung eines Bauteils des Magnetaktors erfolgt durch einen

Mehrkomponenten-Pulverspritzprozess (PIM-Prozess). Dabei kann das Bauteil, wie z.B. ein Magnetanker, durch zwei alternative Verfahren hergestellt werden. Da das Bauteil aus zwei Bauteilgruppen, nämlich den Sektoren 4 und den Trennstegen 5, gebildet wird, kann in einem ersten Schritt eine erste der beiden

Bauteilgruppen, vorzugsweise mittels eines Spritzverfahrens, hergestellt werden. Dann wird die erste Bauteilgruppe in einem nächsten Schritt in einem

Spritzwerkzeug positioniert und anschließend die zweite Bauteilgruppe mittels eines Spritzverfahrens in den Zwischenräumen zwischen der ersten

Bauteilgruppe eingespritzt. Wenn die erste Bauteilgruppe die isolierenden

Trennstege 5 sind, werden diese mechanisch im Spritzwerkzeug gehalten und dann die weichmagnetischen Sektoren 4 mittels eines Metallspritzverfahrens zwischen die Trennstege 5 gespritzt. Wenn die erste der Bauteilgruppen die weichmagnetischen Sektoren 4 sind, werden die Sektoren 4 mittels eines Metallspritzverfahrens hergestellt und anschließend in dem Spritzwerkzeug mittels eines Magnetfeldes gehalten. Dann werden die Trennstege 5 mittels eines Keramikspritzverfahrens zwischen die Zwischenräume der

weichmagnetischen Sektoren 4 gespritzt. Als Spritzverfahren werden

vorzugsweise Pulverspritzverfahren eingesetzt.

Durch das erfindungsgemäße Ventil und das erfindungsgemäße

Herstellungsverfahren des Bauteils des Magnetaktors wird gemäß den dabei erreichbaren reduzierten Wirbelstromverlusten insbesondere das bei

Hochdruckeinspritzventilen gewünschte und erforderliche Dynamikverhalten deutlich verbessert, was zu einem erheblich verbesserten Kraftstoffverbrauch und Emissionsverhalten des Motors beiträgt.