Titel

Magnetkern, Magnetbaugruppe sowie Kraftstoff-Injektor- Magnetventil

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern für eine Magnetbaugruppe eines Kraftstoff-Injektor-Magnetventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Magnetbaugruppe gemäß Anspruch 15, ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil gemäß Anspruch 16 sowie einen Kraftstoff-Injektor gemäß Anspruch 17.

Aus der DE 196 50 856 Al ist ein Magnetventil für einen Kraftstoff-Inj ektor bekannt. Mit Hilfe des als Steuerventil (Servo-Ventil) ausgebildeten Magnetventils wird der Kraftstoffdruck in einem Steuerraum des Kraftstoff-Injektors gesteuert. über den Kraftstoffdruck im Steuerraum wird wiederum eine Hubbewegung eines Einspritzventilelementes gesteuert, mit dem eine Einspritzöffnung des Kraftstoff- Injektors geöffnet oder geschlossen wird. Das Magnetventil umfasst einen Elektromagneten, einen beweglichen Magnetanker und ein mit dem Magnetanker bewegtes und von einer Ventilschließfeder in Schließrichtung beaufschlagtes Ventilglied (Steuerventilelement), das mit einem Ventilsitz des Magnetventils zusammenwirkt und so den Kraftstoffabfluss aus dem Steuerraum steuert. Die Krafterzeugung erfolgt über das Luftspaltfeld eines Topfmagneten, dessen Magnetfeld sich über einen Innenpol, ein Joch, einen Außenpol, die zusammen einen Magnetkern bilden, weiter über einen außenpol- seitigen Luftspalt, eine bewegliche Ankerplatte des Magnetankers und einen innenpolseitigen Luftspalt um eine strom- durchflossene Wicklung (Magnetspule) schließt.

Es ist bekannt, den Magnetkern mehrteilig aus Vollmaterial auszubilden. Daneben sind einteilige, jeweils als einteiliges Sinterelement ausgebildete Magnetkerne bekannt. Diese haben den Vorteil, dass das Auftreten von Wirbelströmen minimiert wird, was zu einer besseren Schaltdynamik führt. Nachteilig bei den bekannten, als einteilige Sinterelemente ausgebildeten Magnetkernen ist jedoch, dass deren Geometrie nicht optimal an die Spulengeometrie anpassbar ist.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkern vorzuschlagen, der zum einen verminderte Wirbelströme garantiert und zum anderen bei gleichen Außenmaßen im Vergleich zu bekannten Magnetkernen den Einsatz größerer Spulen ermöglicht.

Ferner besteht die Aufgabe darin, eine entsprechend optimierte Magnetbaugruppe, ein entsprechend optimiertes Kraftstoff-Injektor-Magnetventil und einen entsprechend optimierten Kraftstoff-Inj ektor vorzuschlagen.

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Magnetkerns mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Magnetbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 15, hinsichtlich des Kraftstoff-Injektor-Magnetventils mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege-

ben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Magnetkern mehrteilig auszubilden, wobei mindestens eines der zu einem Magnetkern zusammengesetzten Kernelemente als Sinterelement ausgebildet ist. Durch die Ausbildung mindestens eines der Kernelemente als Sinterelement können Wirbelströme reduziert werden, was zum einen zu einem besseren Wirkungsgrad einer mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetkern ausgestatteten Magnetbaugruppe führt und zum anderen zu einer verbesserten Schaltdynamik eines entsprechend ausgestalteten Magnetventils. Das Vorsehen von mindestens zwei Kernelementen ermöglicht es, die Polflächen des Magnetkerns unabhängig von der Spulengeometrie zu optimieren. Insbesondere können größere elektrische Magnetspulen eingesetzt werden, da die Spule nach der Integration in eine entsprechende Aufnahmeöffnung des Magnetkerns abschnittsweise von einem eine Polfläche bildenden Kernelement des Magnetkerns überdeckbar ist. Der Einsatz größerer elektrischer Spulen ermöglicht den Einsatz eines kleineren Magnetankers, wodurch die Dynamik eines entsprechend ausgebildeten Magnetventils weiter optimiert wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn mit dem Magnetkern elektrische Spulen mit einem Vergleich zu bekannten Spulen größeren Drahtdurchmesser, insbesondere bei gleicher Windungszahl eingesetzt werden, woraus ein geringerer elektrischer Widerstand resultiert. Dies wiederum verringert die Verlustleistung und optimiert die Dynamik. Darüber hinaus können geringere elektrische Spannungen zum Betreiben eines mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetkern ausges-

tatteten Kraftstoff-Injektor-Magnetventils eingesetzt werden .

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die Kernelemente, ohne miteinander verklebt oder verlötet zu werden, aneinander anliegend angeordnet sind. Durch eine bindemittelfreie Ausführung des Magnetkerns können magnetische Flussverluste minimiert werden. Bei Bedarf können die Kernelemente formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei dies nicht zwingend notwendig ist, insbesondere dann, wenn die Montage des Magnetkerns im Injektorkörper (Gehäuseteil) eines Kraftstoff-Injektors erfolgt und die Kernelemente im Gehäuse des Kraftstoff-Injektors gegeneinander verspannt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eines der Kernelemente als ein eine Polfläche aufweisendes Polflächenelement ausgebildet ist, das eine, insbesondere nut- förmige Aufnahmeöffnung für eine elektrische Spule (Magnetspule) abschnittsweise, verschließt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Polflächenelement um ein mit Radialabstand zu einer Innenpolflache angeordnetes Außenpolflächenelement, das die Aufnahmeöffnung abschnittsweise in radialer Richtung nach innen überragt. (Dabei kann das Polflächenelement als letztes Kernelement bei der Montage des Magnetkerns montiert werden) .

Im Hinblick auf die Ausbildung, des insbesondere als Sinterelement ausgebildeten, Polflächenelementes gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, das Polflächenelement als flache Ringscheibe auszubilden. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, das Polflächenelement an einem insbesondere als Sinterelement aus-

gebildeten Einstellstück abzustützen, welches wiederum an einem, einen Jochabschnitt bildenden Grundkörper anliegt.

Bei einer alternativen Ausführungsform kann das ringförmige Polflächenelement im Querschnitt L-förmig ausgebildet werden, wobei sich ein Schenkel des L-förmigen Querschnitts in radialer Richtung über die Aufnahmeöffnung für die Magnetspule erstreckt. Anders ausgedrückt weist das Polflächenelement eine Zylinderform mit innenliegender, umlaufender Innenstufung auf.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Magnetkerns, bei der die Polfläche des Polflächenelementes eine radial äußere Polfläche ist, die mit einer radial inneren, von der äußeren Polfläche beabstandeten Polfläche in einer gemeinsamen, quer zur Längsmittelachse des Magnetkerns verlaufenden Ebene angeordnet ist, wobei axial zwischen dem Polflächenelement und dem Magnetanker eine Restluftscheibe angeordnet ist. Dabei begrenzen die Polflächen bevorzugt einen Restluftspalt zwischen dem Magnetkern und dem relativ zum Magnetkern verstellbaren Magnetanker. Alternativ ist es möglich, die äußere und die innere Polfläche als sich quer zur Längsmittelachse erstreckende, parallel verschobene Ebene auszubilden, sodass auf eine Restluftscheibe verzichtet werden kann. In diesem Fall begrenzt die höhere Polfläche den Ankerhub und es wird ein Restluftspalt an der anderen (niedrigeren) Polfläche erhalten.

Wie erläutert, ist es möglich, das Polflächenelement als Sinterelement auszubilden. Daneben ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der das Polflächenelement aus Vollmaterial ausgebildet ist. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Polflächenelement als

Hubanschlag für den Magnetanker dient, da Vollmaterial in der Regel eine höhere Festigkeit aufweist, als gesintertes Sintermaterial .

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass eines der den Magnetkern bildenden Kernelemente als Grundkörper ausgebildet ist, der von einem Zentralkanal durchsetzt ist. Bevorzugt kann durch den Zentralkanal bei fertig montiertem Kraftstoff-Injektor, Kraftstoff aus der Steuerkammer zum Injektorrücklauf strömen. Besonders bevorzugt ist es dabei, den Grundkörper als Sinterelement auszubilden .

Mit Vorteil ist der Grundkörper derart aufgebaut, dass er einen ringförmigen, einen Jochabschnitt bildenden Grundplattenabschnitt aufweist, ausgehend von dem ein den Zentralkanal begrenzender Rohabschnitt in axialer Richtung vorsteht .

Im Hinblick auf eine passgenaue Fertigung der Kernelemente ist es möglich, zumindest eines der Kernelemente, insbesondere das Polflächenelement, nach dem Sinterprozess auf Maß zu schleifen. Alternativ ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung möglich, ein hül- senförmiges Einstellstück vorzusehen, das axial zwischen dem Grundplattenabschnitt des Grundkörpers und dem, insbesondere als Außenpolflächenelement ausgebildeten, Polflächenelement angeordnet ist. Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das Polflächenelement als flache Ringscheibe ausgebildet ist. Durch das Vorhalten des Einstellstücks in unterschiedlichen Axialabmessungen ist es möglich, die Polfläche des Polflächenelementes exakt zu positionieren, ins-

besondere ohne einen abschließenden Schleifprozess realisieren zu müssen.

Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der das hülsenförmige Einstellstück als Sinterelement ausgebildet ist.

Zweckmäßiger Weise ist der Magnetkern als Topfmagnetkern ausgebildet und umfasst dabei einen Außenpolabschnitt , einen Innenpolabschnitt und einen den Außenpolabschnitt und den Innenpolabschnitt in radialer Richtung verbindenden Jochabschnitt, wobei der Außenpolabschnitt, der Jochabschnitt und der Innenpolabschnitt eine, insbesondere ring- nutförmige, Aufnahmeöffnung für eine Magnetspule begrenzen, wobei diese Aufnahmeöffnung bevorzugt auf der von dem Jochabschnitt abgewandten Seite abschnittsweise von einem Polflächenelement in radialer Richtung überragt ist.

Die Erfindung führt auch auf eine Magnetbaugruppe für ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil, umfassend einen nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten, mehrteiligen Magnetkern, wobei zumindest eines der den Magnetkern bildenden Kernelemente als Sinterelement ausgebildet ist.

Darüber hinaus führt die Erfindung auf ein Kraftstoff- Injektor-Magnetventil. Bevorzugt handelt es sich dabei um ein Servo-Ventil (Steuerventil) mit dem der Druck in einer von einem Einspritzventilelement begrenzten Steuerkammer steuerbar ist. Das Kraftstoff-Injektor-Magnetventil zeichnet sich durch eine Magnetbaugruppe mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetkern aus.

Weiterhin führt die Erfindung auf einen Kraftstoff- Injektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor zeichnet sich durch das Vorsehen eines Kraftstoff-Injekor-Magnetventils aus, dessen Magnetbaugruppe einen mehrteiligen Magnetkern aufweist, wobei zumindest ein Kernelement des Magnetkerns als Sinterelement ausgebildet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1 in einer unvollständigen Darstellung ein Kraftstoff-Injektor-Magnetventil, dessen Magnetbaugruppe einen zweiteiligen Magnetkern aufweist,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektor-Magnetventils mit einem zweiteiligen Magnetkern, dessen PoIflächenkernelement als flache Scheibe ausgebildet ist und

Fig. 3 eine weitere alternative Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektor-Magnetventils mit einem dreiteilig ausgebildeten Magnetkern.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Magnetventil 1 zur Steuerung des Kraftstoffdrucks in einem von einem nicht gezeigten Einspritzventilelement, insbesondere stirnseitig begrenzten, ebenfalls nicht gezeigten Steuerkammer eines Kraftstoff-Injektors gezeigt. Das Magnetventil 1 umfasst eine in der Zeichnungsebene unten angeordnete Magnetbaugruppe 2, die sich bevorzugt in einem Injektorkopf des

Kraftstoff-Injektors befindet. Die Magnetbaugruppe 2 wirkt axial verstellend auf einen eine Ankerplatte 3 aufweisenden Magnetanker 4. Dieser ist beispielsweise durch einteilige Ausbildung oder material- und/oder formschlüssige Verbindung mit einem lediglich angedeuteten Steuerventilelement 5 verbunden, das mit einem nicht gezeigten Ventilsitz zusammenwirkt. Von einer Magnetschließfeder 6, die in einem Zentralkanal 7 der Magnetbaugruppe 2 aufgenommen ist und sich an der Ankerplatte 3 abstützt, wird der Magnetanker 4 zusammen mit dem Steuerventilelement 5 in Richtung einer Schließstellung, hier in der Zeichnungsebene nach oben, fe- derkraftbeaufschlagt . Zum öffnen des Magnetventils 1 wird die Magnetbaugruppe 2, genauer eine Magnetspule 8 (elektrische Spule, Wicklung) bestromt, wodurch der Magnetanker 4 in der Zeichnungsebene nach unten verstellt wird. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, erstreckt sich der Magnetanker 4, genauer eine der Magnetbaugruppe 2 zugewandte, ringförmige Polfläche 9 der Ankerplatte 3, in radialer Richtung von innen nach außen über eine Innenpolflache 10 sowie eine radial beabstandete Außenpolflache 11 der Magnetbaugruppe 2. Die Innenpolflache 10 und die Außenpolflache 11 sind an Kernelementen eines Magnetkerns 12 der Magnetbaugruppe 2 ausgebildet.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Magnetkern 12 zweiteilig ausgebildet und umfasst einen ringförmigen, im Querschnitt L-förmig konturierten Grundkörper 13, an dem bindemittelfrei ein ebenfalls ringförmiges, im Querschnitt L-förmiges, als Außenpolflächenelement ausgebildetes Polflächenelement 14 in axialer Richtung anliegt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Polflächenelement 14 als auch der Grundkörper 13 als Sinterelemente (gesinterter Verbundwerkstoff) ausgebildet. Der Grundkörper 13

umfasst einen in der Zeichnungsebene unteren, ringscheibenförmigen, einen Jochabschnitt bildenden Grundplattenabschnitt 15, der in axialer Richtung von dem zentrischen Zentralkanal 7 durchsetzt wird. über den größten Teil seiner Axialerstreckung wird der Zentralkanal 7 begrenzt von einem in axialer Richtung von dem Grundplattenabschnitt 15 in Richtung Magnetanker 4 vorstehenden hohlzylindrischen Rohrabschnitt 16.

Von dem Grundkörper 13 und dem Polflächenelement 14 wird eine ringförmige Aufnahme 17 für die Magnetspule 8 begrenzt, wobei die Aufnahme 17 in Richtung des Magnetankers 4 offen ist. Zu erkennen ist, dass die Aufnahme 17, bzw. die Magnetspule 8 in radialer Richtung von außen nach innen ein Stück weit übergriffen wird von dem Polflächenelement 14, welches stirnseitig die ringförmige Außenpolflache 11 aufweist. Diese Ausführungsform mit großer Magnetspule (große Radialerstreckung) ist ausschließlich aufgrund der mehrteiligen Ausbildung des als Topfmagnetkern ausgebildeten Magnetkerns 12 möglich, insbesondere deshalb, weil das Polflächenelement 14 nach der Montage der Magnetspule 8 montiert werden kann und somit eine Montage der Magnetspule 8 nicht behindert. Die stirnseitig am Rohrabschnitt 16 des Grundkörpers 13 angeordnete, ringförmige Innenpolflache 10 und die stirnseitig am Polflächenelement 14 ausgebildete Außenpolflache 11 des Magnetkerns 12 liegen in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zur Polfläche 9 des Magnetankers 4 verläuft.

Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 2 und 3 erläutert. Die Funktionsweise und der Aufbau der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Magnetventile 1 entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten und zuvor beschriebe-

nen Ausführungsbeispiel, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen im Folgenden im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem in Fig. 1 gezeigten und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen wird. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf Fig. 1 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.

Bei dem Ausführungsbeispiel eines Magnetventils 1 gemäß Fig. 2 für einen Kraftstoff-Injektor ist der Magnetkern 12 wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zweiteilig ausgebildet und besteht aus zwei Kernelementen, nämlich einem Grundkörper 13 und einem als Außenpolflächenelement ausgebildeten Polflächenelement 14. Letzteres ist im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 jedoch im Querschnitt nicht L-förmig konturiert, sondern als flache Ringscheibe ausgebildet, die auf einer Stirnseite eines radial äußeren Hülsenabschnittes 18 des Grundkörpers 13 aufliegt. Der Hülsenabschnitt 18 ist konzentrisch zu dem radial inneren, den Zentralkanal 7 begrenzenden Rohrabschnitt 16 angeordnet. Der Grundkörper 13 begrenzt in beide Radialrichtungen sowie in der Zeichnungsebene in axialer Richtung nach unten eine ringförmige, querschnittlich im Wesentlichen rechteckig konturierte Aufnahme 17 für die Magnetspule 8. Die Aufnahme 8 wird in radialer Richtung von außen nach innen teilweise überragt von dem zylinderscheibenförmigen Polflächenelement 14, welches nach dem Einsetzen der Magnetspule 8 in die Aufnahme 7 bindemittelfrei montiert wurde. Im nicht gezeigten, fertig montierten Kraftstoff- Injektor werden die Kernelemente des Magnetkerns 12 durch entsprechende Spannmittel, wie Spannschrauben und/oder Federn in axialer Richtung aneinandergepresst . Bevorzugt ist der Grundkörper 13 als Sinterelement ausgebildet. Das Polflächenelement 14 kann entweder aus Vollmaterial (massi-

vem Material) oder alternativ auch als Sinterelement ausgebildet werden. Insbesondere dann, wenn das Außenpolflachen 11 bildende Polflächenelement 14 als Hubanschlag für den Magnetanker 4 dienen soll, ist eine Ausführungsform aus Vollmaterial bevorzugt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Magnetkern dreiteilig ausgeführt und umfasst drei Kernelemente, nämlich einen ringförmigen, im Querschnitt L-förmig konturier- ten Grundkörper 13 mit einem einen Flachabschnitt bildenden Grundplattenabschnitt 15 sowie einem axial vorstehenden, zentrischen Rohrabschnitt 16. Der in Fig. 2 als Hülsenabschnitt 18 bezeichnete Abschnitt des Magnetkerns 12 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 von einem von dem Grundkörper 13 separaten, hülsenförmigen Einstellstück 19 gebildet, welches konzentrisch zum Rohrabschnitt 16 ausgebildet ist und wie der Hülsenabschnitt 18 gemäß Fig. 2 eine geringere Axialerstreckung aufweist als der Rohrabschnitt 16. Das Polflächenelement 14 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 als flache Ringscheibe ausgeformt. Diese stützt sich stirnseitig an dem Einstellstück 19 ab und überragt die Magnetspule 8 ein Stück weit in radialer Richtung nach innen. Durch das Vorsehen des Einstellstücks 19 müssen der Grundkörper 13 und das Polflächenelement 14 nicht auf Maß geschliffen werden. Bevorzugt bestehen das Einstellstück 19 sowie der Grundkörper 13 aus gesintertem Material, sind also als Sinterelemente ausgebildet. Insbesondere das Polflächenelement 14 kann alternativ als Sinterelement oder Vollmaterialelement ausgeführt werden.