Titel

Elektromagnetisch betätigtes Mengensteuerventil, insbesondere zur Steuerung der Fördermenge einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigbares Mengensteuerventil, wie es beispielsweise aus der EP 2 453 122 A1 bereits grundsätzlich bekannt ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass an einstückig ausgebildeten

Ankerwellen, die in Mengensteuerventilen verwendeten werden, gleichzeitig hohe magnetische Anforderungen und hohe Festigkeitsanforderungen gestellt werden, wobei die Ankerwellen überdies den Randbedingungen einer limitierten Bauteilgröße und Bauteilmasse unterworfen sind.

Durch konventionelle Maßnahmen, wie etwa die Auswahl des Werkstoffes der Ankerwelle können diese Anforderungen und Randbedingungen nur zum Teil gleichzeitig zufriedenstellend erfüllt werden, da Werkstoffe mit guten magnetischen Eigenschaften in der Regel nur eine mäßige Festigkeit aufweisen und umgekehrt.

Es sind daher erfindungsgemäß Mittel zur Erhöhung der Festigkeit der Ankerwelle vorgesehen.

Der Begriff der„Festigkeit" ist vorliegend grundsätzlich weit auszulegen. Beispielsweise kann es sich um eine Kenngröße handeln, die das Widerstandsverhalten der

Ankerwelle gegen elastische und/oder plastische Verformung charakterisiert, also beispielsweise Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Kompressionsfestigkeit, Biegefestigkeit, Torsionsfestigkeit, Scherfestigkeit und/oder Schwingfestigkeit. Ferner kann es sich bei der Festigkeit um eine Beständigkeit gegen Verschleiß, insbesondere um eine Härte und/oder um eine Oberflächenhärte, handeln. Der Begriff der Festigkeit kann auch auf die Zeitdauer gerichtet sein, die die Ankerwelle eine bestimmte Belastung ohne Versagen, beispielsweise ohne Bruch, zu ertragen vermag.

Der Begriff„Mittel" ist vorliegend grundsätzlich weit auszulegen. Beispielsweise kann es sich um eine Formgebung oder um eine Materialwahl oder um eine lokale

Materialmodifikation, insbesondere im Bereich von Teilen der Oberfläche oder der gesamten Oberfläche der Ankerwelle handeln.

Der Begriff„Erhöhung" meint eine Zunahme, beispielsweise eine Vergrößerung einer Kenngröße. Dies kann insbesondere dahingehend aufgefasst werden, dass ohne festen Ausgangspunkt das Mittel zumindest grundsätzlich geeignet ist, eine Festigkeit der Ankerwelle zu erhöhen. Als Ausgangspunkt der Erhöhung der Festigkeit kann andererseits auch von der Festigkeit der Ankerwelle des aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannten Mengensteuerventils ausgegangen werden.

Erfindungsgemäß weist das Mengensteuerventil ein in axialer Richtung bewegbares Ventilelement zum Öffnen und Schließen des Mengensteuerventils auf. Es kann sich dabei bevorzugt um ein plattenförmiges oder zumindest im Wesentlichen

plattenförmiges Ventilelement handeln, das an einem, beispielsweise ringförmigen, Dichtsitz zur Anlage kommen und so das Mengensteuerventil verschließen kann. Erfindungsgemäß weist die Ankerwelle einen Ankerbereich und einen Nadelbereich auf. Insbesondere ist die Ankerwelle aus dem Nadelbereich und dem Ankerbereich zusammengesetzt, wobei der Nadelbereich und der Ankerbereich insbesondere in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, vorzugsweise koaxial oder zumindest im Wesentlichen koaxial zueinander. Insbesondere können der Nadelbereich und der Ankerbereich zylindrische oder zumindest im Wesentlichen zylindrische Abschnitte der Ankerwelle sein, die insbesondere aneinander einstückig angeformt sind.

Bevorzugt ist ein Durchmesser des Nadelbereichs geringer als ein Durchmesser des Ankerbereichs, beispielsweise höchstens halb so groß. Bevorzugt ist die Länge des Nadelbereichs größer als die Länge des Ankerbereichs, beispielsweise mindestens doppelt so groß.

Erfindungsgemäß sind die Ankerwelle, bzw. der Nadelbereich und der Ankerbereich der Ankerwelle gemeinsam, einstückig ausgebildet. Unter„einstückig ausgebildet" wird vorliegend insbesondere verstanden, dass ein integrales, durchgängiges Werkstück vorliegt, das insbesondere nicht durch Fügen oder Verbinden, sondern insbesondere aus einem Stück geschaffen ist, beispielsweise als Drehteil oder durch metallischen Spritzguss und anschließendes Sintern. An der Ankerwelle sind ferner insbesondere keine weiteren Bauteile fixiert, sodass die Ankerwelle insbesondere einen aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2010 062 451 A1 ebenfalls bekannten, durch Pressen hergestellten Verbund aus Anker und Nadel funktionell vollständig ersetzt.

In einer ersten Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Nadelbereich gegenüber dem Ankerbereich einen geringeren Durchmesser aufweist und dass das Mittel eine Verrundung der am Übergang zwischen dem Nadelbereich und dem

Ankerbereich befindlichen Kante ist.

Bei der Kante handelt es sich bevorzugt um eine am Übergang zwischen dem

Nadelbereich und dem Ankerbereich befindliche Innenkante. Es kann sich

beispielsweise um eine 90°-Kante handeln.

Der Begriff„Verrundung" ist grundsätzlich insofern weit auszulegen, dass die betreffende Kante keine scharfkantige Kante ist. Bezüglich des Begriffs

„Scharfkantigkeit" wird auf die Norm DIN ISO 13715:2000 verwiesen. Insbesondere wird eine Kante als scharfkantig aufgefasst, wenn sie lediglich Abweichungen von einer ideal scharfen Kante aufweist, die 50 μηι oder weniger betragen. Alle anderen Kanten gelten insofern als verrundet, unabhängig davon, ob die tatsächliche Kontur in einem mathematischen Sinn exakt rund ist oder ob sie ausgehend von einer scharfkantigen Kontur einer runden Kontur nur angenähert ist. Insbesondere kann auch eine Fase eine Verrundung darstellen.

Die Verrundung hat die technische Wirkung, dass Biegespannungen zwischen

Nadelbereich und Ankerbereich vermindert werden bzw. besser übertragen werden können. Auf diese Weise können Brüche am Übergang zwischen dem Nadelbereich dem Ankerbereich wirkungsvoll vermieden werden.

Bei der Verrundung kann es sich beispielsweise um eine Verrundung mit einem konstanten Verrundungsradius handeln, so dass die Verrundung besonders einfach herzustellen ist. Der Verrundungradius kann in diesem Fall beispielsweise 0,5 mm oder mehr betragen.

Andererseits wurde beobachtet, dass sich die Festigkeit der Ankerwelle, insbesondere ihre Fähigkeit, Biegespannungen zu ertragen, besonders gut verbessern lässt, wenn ein Verrundungsradius entlang der Verrundung nicht konstant ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Verrundungsradius in Richtung von dem Nadelbereich hin zu dem Ankerbereich abnimmt, wobei die Abnahme kontinuierlich oder in Schritten vorgesehen sein kann.

Bei einer Abnahme des Verrundungsradius in Schritten ist also insbesondere eine erste, dem Nadelbereich zugewandte Teilverrundung mit einem ersten

Verrundungsradius vorgesehen und eine zweite, dem Ankerbereich zugewandte Teilverrundung mit einem zweiten Verrundungsradius vorgesehen, wobei der erste Verrundungsradius größer ist als der zweite Verrundungsradius, beispielsweise mindestens fünfmal oder sogar mindestens zehnmal so groß wie der zweite

Verrundungsradius. Beispielsweise kann der erste Verrundungsradius größer als 1 mm oder sogar größer als 2 mm sein, während der zweite Verrundungsradius kleiner als 1 mm oder sogar kleiner als 0,6 mm sein kann.

Bei einer rechtwinkligen Kante kann jede der beiden Teilverrundungen einen Übergang um 45° darstellen oder jeweils einen Übergang um mindestens 22,5° darstellen.

Die Verrundung kann insbesondere aus den zwei Teilverrundungen bestehen, wenngleich grundsätzlich auch Verrundungen mit mehr als zwei Teilverrundungen möglich sind, deren Verrundungsradien voneinander zumindest teilweise verschieden sind, und insbesondere in Richtung von dem Nadelbereich hin zu dem Ankerbereich abnehmen. Zusätzlich oder alternativ zur ersten Konkretisierung der Erfindung ist in einer zweiten Konkretisierung der Erfindung vorgesehen, dass das Mittel eine zumindest entlang von Teilen der Oberfläche der Ankerwelle vorgesehene Schicht ist, deren Härte größer ist als die Härte eines Grundmaterials der Ankerwelle.

Durch eine solche Schicht kann der Verschleiß der Ankerwelle wirkungsvoll vermindert werden. Überdies wurde in den Untersuchungen der Anmelderin durch die Schicht eine Erhöhung der Schwingfestigkeit, beispielsweise um 20% bis 30% des Ausgangswerts, gemessen.

Bei der Härte kann es sich beispielsweise um eine in der Einheit HV gemessene Kenngröße handeln, die beispielsweise mit einer Prüfkraft von beispielsweise 0,01 kp und einer Belastungszeit von 12 Sekunden gemessen werden kann. Es kann beispielsweise eine so genannte Nanointendation genutzt werden, bei der mit den oben genannten sehr kleinen Lasten Messpunkte in einem Rater mit Abständen von 1 μηι bis 10μηι erfasst werden.

Durch so gemessene Härte kann auf Druckeigenspannungen der Oberfläche des Werkstücks geschlossen werden, die ihrerseits als Maß für die Schwingfestigkeit des Bauteils dienen können.

Die Schicht kann entlang der gesamten Oberfläche der Ankerwelle vorgesehen sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Schicht zumindest an den Stellen der

Oberfläche der Ankerwelle vorgesehen ist, die bei Betrieb des Mengensteuerventils mit anderen Komponenten des Mengensteuerventils, beispielsweise dem Ventilelement oder gehäusefesten Anschlägen, in Anlage kommen, beispielsweise an den Stellen der Oberfläche der Ankerwelle, die in den beiden axialen Aufsichten auf die Ankerwelle sichtbar sind. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Härte der Schicht mindestens 900 HV, insbesondere mindestens 900 HV0,01 , beträgt, oder sogar mindestens 1000 HV, insbesondere mindestens 1000 HV0,01 , beträgt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Härte des Grundmaterials der Ankerwelle deutlich geringer ist, beispielsweise höchstens 400 HV, oder sogar nur höchstens 200 HV, was für ferritische Stähle übliche Werte sind. Wenngleich es eine Vielzahl von Verfahren gibt, mit denen sich diese Schicht herstellen lässt, sind Niedertemperatur-Diffusionsverfahren bevorzugt, da sie auf die Ankerwelle angewendet werden können, ohne dass sich die Ankerwelle während der Herstellung der Schicht als Ganzes deformiert, beispielsweise verzieht. Bevorzugte Niedertemperatur-Diffusionsverfahren sind Nitrocarburieren und Kolsterisieren. Auf diese Weise resultieren Schichten, in denen ein Kohlenstoff- und/oder Stickstoffgehalt im Vergleich zum Grundmaterial der Ankerwelle erhöht ist. In der Regel treten dabei keine Gefügeveränderungen auf, und die betreffende Schicht ist außer durch

Härtemessungen und Elementanalyse in den Schliffbildern durch Verfärbungen, insbesondere bräunliche Verfärbungen, erkennbar. Ferner lässt sich der in der Schicht erhöhte Kohlenstoff- und/oder Stickstoffgehalt anhand der eingebrachten

Druckeigenspannungen zumindest grundsätzlich, wenn auch mitunter aufwendig, nachweisen.

Unter Niedertemperatur-Diffusionsverfahren werden vorliegend insbesondere thermo- chemische Verfahren verstanden, bei denen die Ankerwelle einer, beispielsweise kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen, Atmosphäre ausgesetzt wird, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 650°C oder sogar unterhalb von 350°C, und bei denen aus der Atmosphäre Atome, beispielsweise Kohlenstoffatome und/oder

Stickstoff atome, in eine Randschicht der Ankerwelle und/oder in die Ankerwelle, eindiffundieren.

Die Schicht weist vorzugsweise eine Tiefe von 5 μηι bis 50 μηι auf, beispielsweise eine Tiefe von 10 μηι bis 15 μηι. Unterhalb dieser Schicht ist insbesondere das

Grundmaterial der Ankerwelle angeordnet.

Bei dem Grundmaterial handelt es vorzugsweise um einen ferritischen Stahl und/oder um einen kaltverfestigten Stahl und/oder um einen magnetischen Stahl. Ferner kann es sich um eine Eisen-Kobalt-Legierung handeln.

Die Masse der Ankerwelle beträgt weniger als 3 Gramm, vorzugsweise sogar weniger als 2 Gramm, sodass eine hohe Dynamik des Mengensteuerventils sichergestellt ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in weiteren Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter

Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffeinspritzsystems einer

Brennkraftmaschine;

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Mengensteuerventil;

Figur 3 eine Ankerwelle des Mengensteuerventils aus Figur 2;

Figur 4 ein Schliffbild der Ankerwelle des Mengensteuerventil aus Figur 3.

Ausführungsformen Figur 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Ein Kraftstofftank 9 ist über eine Saugleitung 4, eine Vorförderpumpe 5 und eine Niederdruckleitung 7 mit einer (nicht näher erläuterten) Hochdruckpumpe 3 verbunden. An die Hochdruckpumpe 3 ist über eine

Hochdruckleitung 1 1 ein Hochdruckspeicher 13 ("Common Rail") angeschlossen. Ein Mengensteuerventil 14 mit einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 - im Folgenden als ein Elektromagnet 15 bezeichnet - ist hydraulisch im Verlauf der Niederdruckleitung 7 zwischen der Vorförderpumpe 5 und der Hochdruckpumpe 3 angeordnet. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 3, sind in der Figur 1 nicht gezeichnet. Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 14 als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 3 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 14 ein Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 sein.

Beim Betrieb des Kraftstoffe! nspritzsystems 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 9 in die Niederdruckleitung 7. Dabei bestimmt das

Mengensteuerventil 14 die der Hochdruckpumpe 3 zugeführte Kraftstoffmenge. Figur 2 zeigt eine Ansicht des Mengensteuerventils 14 von Figur 1 in einer

Schnittdarstellung. Das Mengensteuerventil 14 ist im Wesentlichen

rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 12 ausgeführt. Das Mengensteuerventil 14 ist in einem nicht gezeichneten Gehäuse einer Hochdruckpumpe 3 festgelegt und bildet das Einlassventil der Hochdruckpumpe 3.

Das Mengensteuerventil 14 umfasst eine über einen Polkern 17 aufgewickelte

Magnetspule 15 und eine Ankerwelle 16, wobei zwischen dem Polken 17 und der Ankerwelle 16 eine Ankerfeder 22 eingespannt ist. Durch das Einwirken magnetischer Kräfte und der Rückstellkraft der Ankerfeder 22 kann die Ankerwelle 16 in axialer Richtung zwischen dem Polkern 17 und einem gehäusefesten Anschlag 163 bewegt werden. Die Ankerwelle 16 besteht aus einem dem Polkern 17 zugewandten Ankerbereich 161 und einem vom Polkern 17 abgewandten Nadelbereich 162 und ist, ohne mit anderen Bauteilen dauerhaft verbunden zu sein, einstückig ausgeführt.

Die Ankerwelle 16 liegt mit ihrer vom Polkern 17 abgewandten Stirnseite an dem Ventilelement 26 des Mengensteuerventils 14 an, und vermag das Mengensteuerventil 14 auf diese Weise gegen die Kraft der Ventilfeder 40 zwangsweise zu öffnen, beispielsweise um einen Rückfluss von Kraftstoff aus einem Arbeitsraum 31 der Hochdruckpumpe 3 in die Niederdruckleitung 7 entgegen der Öffnungsrichtung des Mengensteuerventil 14 zu ermöglichen. In einer speziellen Ausführungsform kann die Ankerwelle zusätzlich einstückig mit dem Ventilelement 26 ausgebildet sein, also dessen Funktionen gleichzeitg übernehmen.

Das Ventilelement 26 hat vorliegend eine im Wesentlichen plattenförmige Gestalt und liegt bei geschlossenem Mengensteuerventil 14 auf einem ringförmigen Dichtsitz 27 auf.

Die Ankerwelle 16 ist in Figur 3 vergrößert perspektivisch dargestellt. Der Ankerbereich 161 und der Nadelbereich 162 haben beide eine im wesentlichen zylindrische Form und sind in axialer Richtung hintereinander angeordnet, wobei der Ankerbereich 161 einen Durchmesser aufweist, der mehr als doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Nadelbereichs 162 und wobei der Ankerbereich 161 eine Länge aufweist, die weniger als halb so groß ist wie die Länge des Nadelbereichs 162. Die Ankerwelle 16 hat beispielsweise eine Gesamtlänge im Bereich von 10-30 mm. Die Ankerwelle 16 weist in diesem Beispiel zwei in axialer Richtung durch den

Ankerbereich 161 verlaufende Durchgangsbohrungen 164 auf, deren Funktion darin besteht, bei einer Bewegung der Ankerwelle 16 Kraftstoff durch den Ankerbereich 161 der Ankerwelle 16 leiten zu können. Am Übergang 165 zwischen dem Nadelbereich 162 und dem Ankerbereich 161 befindet sich eine als Innenkante ausgebildete radial vollständig umlaufende Kante 166, die bei einem Schnitt wie in Figur 2 den Nadelbereich 162 mit dem Ankerbereich 161 unter einem rechten Winkel a verbindet. In diesem Beispiel weist die Kante 166 eine Verrundung 167 auf, die sich aus einer ersten Teilverrundung 167a und einer zweiten Teilverrundung 167b zusammensetzt. Jede dieser Teilverrundungen verrundet die rechtwinklige Kante 166 etwa zur Hälfte, also zu 45°.

Die erste Teilverrundung 167a stellt den dem Nadelbereich 162 zugewandten Teil der Verrundung 167 da und weist einen relativ großen Verrundungsradius r1 auf, im Beispiel 6,5 mm. Ihr schließt sich, dem Ankerbereich 161 zugewandt, absatzfrei und knickfrei die zweite Teilverrundung 167b an, die einen relativ kleinen

Verrundungsradius r2 aufweist, im Beispiel 0,45 mm.

Das Grundmaterial 169 der Ankerwelle 16 ist homogen und besteht aus einem kaltverfestigten ferritischen Werkstoff oder alternativ aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Die Härte des Grundmaterials 169 beträgt 150 HV. An der Oberfläche der Ankerwelle 16 ist eine gehärtete Schicht 168 ausgebildet, die bis in eine Tiefe von 15 μηι in die Ankerwelle hineinreicht und die eine Härte von 1000 HV aufweist. Diese Schicht wurde durch ein Niedertemperatur-Diffusionsverfahren, beispielsweise nitrocarburieren oder kolsterisieren, erzeugt. In dieser Schicht ist ein Gehalt an Kohlenstoff und/oder

Stickstoff im Vergleich zum Grundmaterial 169 erhöht. In einem Schliff (Figur 4) ist die Schicht 168 als bräunliche Verfärbung bei ansonsten unbeeinflusstem metallurgischem Gefüge erkennbar.