Magnetventil für ein Kraftstoffeinspritzventil, Verfahren zum Betreiben des Magnetventils und Kraftstoffeinspritzventil mit einem solchen Magnetventil

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil für ein Kraftstoffeinspritzventil, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Magnetventils und ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem solchen Magnetventil, wobei das Kraftstoffeinspritzventil vorzugsweise zur Einbringung von Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.

Stand der Technik

Kraftstoffeinspritzventile mit einem Magnetventil zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung sind aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 10 2007 052 753 AI bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzventil wird der verdichtete Kraftstoff dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt und hier durch Einspritzöffnungen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht, wobei der Kraftstoff bedingt durch den hohen Kraftstoffdruck fein zerstäubt wird. Das Öffnen und Schließen dieser Einspritzöffnungen wird mittels einer Düsennadel gesteuert, die längsbeweglich innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist. Die Bewegungen der Düsennadel erfolgt servohydraulisch, indem der Kraftstoffdruck in einem Steuerraum mittels eines Magnetventils variiert wird, wobei durch den Druck im Steuerraum eine Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt wird. Das Magnetventil umfasst dabei einen Magnetanker, der mit einem Elektromagneten zusammenwirkt und durch die Kraft des Elektromagneten entgegen der Kraft einer Schließfeder bewegbar ist. Durch die Längsbewegung des Magnetankers wird ein Absteuerquerschnitt, eine sogenannte Ablaufdrossel, auf- und zugesteuert, sodass Kraftstoff aus dem Steuerraum in einen Niederdruckraum abfließen kann, wodurch sich der Druck im Steuerraum erniedrigt. Entsprechend baut sich der Druck im Steuerraum wieder auf, wenn das Magnetventil geschlossen wird.

Das Magnetventil umfasst den Magnetanker, wobei der Magnetanker einen Ankerteller ausbildet, der weitgehend flach ausgebildet ist und dem Elektromagneten gegenüber liegt. Um ein magnetisches Kleben des Ankertellers am Elektromagneten zu verhindern, ist eine Restluftscheibe zwischen dem Ankerteller und dem Elektromagneten vorgesehen. Dadurch kommt der Magnetanker nicht direkt am Elektromagneten zur Anlage, sondern an der Restluftspaltscheibe, sodass ein Luftspalt zwischen dem Ankerteller und dem Elektromagneten verbleibt. Die Restluftspaltscheibe befindet sich dabei am äußeren Rand des Ankertellers, während die Schließfeder, die den Magnetanker in Richtung seiner Schließstel- lung beaufschlagt, in der Mitte des Ankertellers auf den Magnetanker einwirkt.

Wird der Elektromagnet bestromt, so wird der Ankerteller aus seiner Schließstellung angezogen und kommt in Anlage an die Restluftspaltscheibe, da der Elektromagnet eine größere Kraft auf den Magnetanker ausübt als die Schließkraft der Schließfeder. Bei dem bekannten Magnetventil wird durch die Auswirkung der

Schließfeder der Ankerteller leicht durchgebogen, da die Schließfeder den Ankerteller vom Magneten weg mit einer Kraft beaufschlagt. Die so bewirkte Durchbiegung des Ankertellers beträgt bei den bekannten Magnetventilen ungefähr ein Mikrometer.

Zu Beginn des Betriebs ist das Magnetventil auf einer niedrigen Temperatur, da es beispielsweise als Teil eines Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoff niedriger Temperatur umspült ist. Wird das Kraftstoffeinspritzventil jetzt in Betrieb genommen, so strömt bei geöffnetem Magnetventil Kraftstoff aus dem Steuerraum durch eine Ablaufdrossel in den Niederdruckraum. Der hochverdichtete Kraftstoff wird dadurch entspannt und erwärmt sich stark, was zuerst vor allem zu einer Erwärmung des Magnetankers führt. Der Magnetanker dehnt sich daraufhin aus, während die übrigen Komponenten des Kraftstoffeinspritzventils, insbesondere die äußeren Gehäuseelemente des Magnetventils, noch eine niedrige Tempera- tur aufweisen. Durch die Wärmeausdehnung des Magnetankers erniedrigt sich der maximale Hub des Magnetventils um bis zu 8 μηη, was so lange anhält, bis das Magnetventil eine einheitliche Temperatur erreicht hat. Ein verringerter Hub des Magnetventils kann jedoch zu veränderten Strömungseigenschaften an der Ablaufdrossel führen, das heißt, dass der Druckabbau innerhalb des Steuerraums durch den nicht voll geöffneten Abflussquerschnitt im Magnetventil nicht so rasch erfolgt, wie es notwendig ist, um die gleiche Schaltdynamik des Kraftstoffeinspritzventils zu erreichen wie bei kalten Einspritzventil oder wenn dieses seine Betriebstemperatur erreicht hat. Dadurch kann es zu Unregelmäßigkeiten während der Warmlaufphase kommen und damit zu unregelmäßigen Einspritzungen.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Magnetventil weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der verringerte Öffnungshub bei teilweiser Erwärmung der Komponenten kompensierbar ist und damit ein einheitlicher Öffnungsquerschnitt bei allen Temperaturen erreicht werden kann. Dazu weist das Magnetventil einen eine Längsachse aufweisenden und entlang dieser Längsachse beweglichen Magnetanker auf, der mit einem Elektromagneten zusammenwirkt, wobei der Magnetanker einen Ankerteller ausbildet, der dem Elektromagneten gegenüber angeordnet ist. Weiter ist zwischen dem Elektromagneten und dem Ankerteller eine Restluftspaltscheibe angeordnet, die ein direktes Anliegen des Ankertellers am Elektromagneten verhindert, wobei der Ankerteller mit seinem äußeren Rand an der Restluftspaltscheibe zur Anlage kommt. Weiterhin ist eine Schließfeder vorgesehen, die den Magnetanker mit einer Schließkraft in Richtung eines Ventilsitzes beaufschlagt, wobei die Schließfeder auf den Ankerteller nahe seiner Längsachse einwirkt und durch das Zusammenwirken des Magnetankers mit dem Ventilsitz ein Durchflussquerschnitt für ein Fluid geöffnet oder geschlossen werden kann. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Ankertellers eine Schwächungszone ausgebildet, sodass die Flexibilität des Ankertellers erhöht wird. Durch die Ausbildung der Schwächungszone wird der Ankerteller bei Beaufschla gung mit der Schließfeder stärker durchgebogen als dies bei den bekannten Federtellern der Fall ist. Die Durchbiegung des Ankertellers entspricht dabei etwa den Betrag, um den sich der Magnetanker aufgrund seiner thermischen Ausdehnung beim Betrieb verlängert und damit normalerweise den Hub des Magnetventils verringert. Soll nun der verringerte Magnetventil hu b bei teilweise erwärmten Magnetventil kompensiert werden, kann die Kraft des Elektromagneten erhöht werden, sodass auch das Innere des Ankertellers stärker angezogen wird als dies zum Öffnen des Magnetventils und zur Überwindung der Schließfederkraft notwendig ist. Die Kraft der Schließfeder wird so durch die erhöhte Magnetkraft teilweise kompensiert, sodass das Innere des Magnetankers angehoben wird und der Federteller eine nahezu flache Form einnimmt. Dadurch wird der Gesamthub des Magnetventils wieder erhöht und auf den Stand gebracht, der vor der teilweisen Erwärmung vorhanden war. Erwärmt sich im Laufe des Betriebs das gesamte Magnetventil und damit auch die anderen Komponenten, so wird die Bestromung des Elektromagneten bei Öffnung des Magnetventils herunterge fahren und der Magnetanker öffnet wie bei kaltem Einspritzventil.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schließfeder als Schraubendruckfeder ausgebildet, deren Längsachse mit der Längsachse des Magnetankers zusammenfällt. Dadurch ist ein kompakter Aufbau möglich und über die Ausgestaltung der Schließfeder kann leicht die Kraft derselben variiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Magnetanker eine Längsbohrung auf, deren Längsachse die Längsachse des Magnetankers bildet.

Dadurch ist eine Führung des Magnetankers auf einem Ventilbolzen möglich, dessen Längsachse mit der Längsachse des Magnetankers zusammenfällt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schwächungszone durch eine umlaufende Ringnut gebildet, die auf der dem Elektromagneten zugewandten Fläche des Ankertellers ausgebildet ist. Die Schwächungszone kann aber auch durch eine umlaufende Ringnut ausgebildet sein, die auf der dem Elektromagneten abgewandten Fläche des Ankertellers ausgebildet ist, wobei es auch vorgesehen sein kann, dass auf beiden Seiten eine Ringnut ausgebildet ist. Je nach Tiefe und Form der Ringnut lässt sich so die Schwächungszone einstellen, ohne die Stabilität des Ankertellers insgesamt zu beeinträchtigen.

Weiterhin kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Restluftspalt- scheibe als ebene Ringscheibe ausgebildet ist. Dadurch lässt sich einfach über die Dicke der Restluftspaltscheibe der minimale Abstand einstellen, den der Ankerteller vom Elektromagneten einnehmen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Magnetventils wird das Magnetventil derart betrieben, dass bei einer niedrigen Temperatur ein erster Spulenstrom durch den Elektromagneten geleitet wird, wodurch eine Magnetkraft erzeugt wird, die über das für das Bewegen des Magnetankers und die Überwindung der Kraft der Schließfeder notwendige Maß hinaus geht. Bei einer höheren Temperatur des Magnetventils wird der Spulenstrom zum Öffnen des Magnetventils gegenüber dem ersten Spulenstrom erniedrigt. Durch die beiden verschiedenen Spulenströme zum Öffnen des Magnetventils im kalten und im warmen Zustand kann der Hub des Magnetventils konstant gehalten werden, da über die Durchbiegung des Magnetankers bzw. des Ankertellers, die sich durch den Spulenstrom einstellen lässt, der Hub des Elektromagneten eingestellt werden kann.

In vorteilhafter Weise ist ein erfindungsgemäßes Magnetventil in einem Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen, das zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dient. Dazu weist das Kraft- stoffeinspritzventil ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbaren Druckraum auf, in dem eine längsbewegliche Düsennadel angeordnet ist, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt, wobei die Düsennadel mit ihrer dem Düsensitz abgewandten Stirnseite einen Steuerraum begrenzt, in dem ein wechselnder Druck einstellbar ist, indem der Steuerraum mit einem im Gehäuse ausgebildeten Niederdruckraum über das

Steuerventil verbindbar ist. Das Steuerventil ist dabei als erfindungsgemäßes Magnetventil ausgebildet. Zeichnung

In der Zeichnung sind ein erfindungsgemäßes Magnetventil und ein erfindungs- gemäßer Kraftstoffinjektor dargestellt. Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil als Steuerventil,

Figur 2 eine Vergrößerung von Figur 1 im Bereich des Magnetventils und

Figur 3 eine separate Darstellung des Magnetankers zur Verdeutlichung der mechanischen Durchbiegung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dar- gestellt, wobei das Kraftstoffeinspritzventil ein erfindungsgemäßes Magnetventil aufweist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf mit einer Längsachse 3, das einen Magnetkörper 6, einen Haltekörper 4 und einen Düsenköper 5 umfasst, die über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Spannvorrichtung flüssigkeitsdicht gegeneinander verspannt sind. Im Haltekörper 4 und im Düsen- körper 5 ist ein Druckraum 9 ausgebildet, der über einen Kraftstoffhochdruckan- schluss 11 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Dazu ist im Haltekörper 4 eine Hochdruckbohrung 10 ausgebildet, die in den Hochdruckraum 9 mündet, durch den der verdichtete Kraftstoff bis in den Bereich eines Düsensitzes 17 strömt, der am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 5 ausgebildet ist. In- nerhalb des Druckraums 9 ist eine kolbenförmige Düsennadel 15 längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brennraumseitigen Ende eine Dichtfläche 16 aufweist, mit der die Düsennadel 15 mit dem Düsensitz 17 zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung 18 zusammenwirkt, die am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 5 ausgebildet ist. Ist die Düsennadel 15 in Anlage am Düsensitz 17, so werden die Einspritzöffnungen 8 gegen den Druckraum 9 verschlossen, während bei vom Ventilsitz 17 abgehobener Düsennadel 15 Kraftstoff aus dem Druckraum 9 zu den Einspritzöffnungen 8 strömen kann und durch diese hindurch in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Dem Düsensitz 17 abgewandt wird der Druckraum 9 durch ein Ventilstück 12 verschlossen, welches mittels einer Spannschraube 14 innerhalb des Haltekörpers 4 ortsfest fixiert ist. Das Ventilstück 12 weist eine Sackbohrung 26 auf, die das düsensitzabgewandte Ende der Düsennadel 15 aufnimmt, wobei durch die düsensitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 15 und die Sackbohrung 26 innerhalb des Ventilstücks 12 ein Steuerraum 22 begrenzt wird, welcher über eine Zulaufdrossel 20 mit dem Druckraum 9 verbunden ist. Im Ventilstück 12 ist darüber hinaus eine Abiaufbohrung 24 ausgebildet, in der eine Ablaufdrossel 25 ausgebildet ist, die in einen Ablaufraum 31 mündet, welcher im düsensitzabge- wandten Endbereich des Haltekörpers 4 ausgebildet ist. Der Niederdruckraum 35 ist über eine Abiaufbohrung 37 mit einem Rücklaufsystem verbunden in dem ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht, sodass im Niederdruckraum 35 stets ein niedriger Kraftstoffdruck anliegt.

Im Niederdruckraum 35 ist ein Steuerventil 30 angeordnet, welches als elektromagnetisches Steuerventil ausgebildet ist und welches einen Elektromagneten 44 aufweist, wobei der Elektromagnet 44 einen Magnetkern 45 mit einer Ausnehmung 47 und einer darin angeordneten Magnetspule 46 umfasst. Der Elektromagnet 44 ist dabei im Magnetkörper 6 angeordnet, welcher das brennraumab- gewandte Ende des Gehäuses 2 bildet und mittels einer Spannmutter 7 gegen den Haltekörper 4 verspannt ist. Das Steuerventil 30 umfasst weiterhin einen Magnetanker 40, welcher einen weitgehend flachen Ankerteller 140 ausbildet, der dem Elektromagneten 44 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Magnetanker 40 weist weiterhin eine Bohrung 48 auf, in der ein Ventilbolzen 34 angeordnet ist, auf dem der Magnetanker 40 längsbeweglich geführt ist. Der Magnetanker 40 wird darüber hinaus in einem hülsenförmigen Fortsatz 112 des Ventilstücks 12 an seiner Außenseite geführt, wobei durch den hülsenförmigen Fortsatz 112 ein Ablaufraum 31 begrenzt wird, welcher über die Ablaufdrossel 25 und die Abiaufbohrung 24 mit dem Steuerraum 22 verbunden ist. Der Magnetanker 42 wirkt darüber hinaus mit einem ringförmigen Ventilsitz 42 zusammen, der im Ventilstück 12 ausgebildet ist, sodass der Ablaufraum 31 mit dem Niederdruckraum 35 verbindbar ist, wenn der Magnetanker 40 durch den Elektromagneten 44 vom Ventilsitz 42 weggezogen wird. Bei ausgeschaltetem Elektromagneten 44 wird der Magnetanker 40 durch eine Schließfeder 50, welche den Ventilbolzen 34 umgebend innerhalb des Magnetkerns 45 angeordnet ist, in Richtung des Ventilsitzes 42 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung ist der Elektromagnet 44 nicht bestromt, und die Schließfeder 50 drückt den Magnetanker 40 gegen den Ventilsitz 42. Dadurch ist der Ablaufraum 31 vom Niederdruckraum 35 hydraulisch getrennt, wobei im Steuerraum 22 ein hoher Kraftstoffdruck anliegt, der die Düsennadel 15 gegen den Düsensitz 17 drückt und damit die Einspritzöffnungen 18 verschließt. Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird der Elektromagnet 44 bestromt, was eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 40 bewirkt, die diesen in Richtung des Elektromagneten 44 zieht. Der Magnetanker 40 bewegt sich daraufhin vom Ventilsitz 42 weg, bis er in Anlage an die Drosselscheibe 52 kommt. Über den jetzt aufgesteuerten Ventilsitz 42 fließt Kraftstoff aus dem Zulaufraum 31 in den Niederdruckraum 35 ab, wodurch der Druck im Steuerraum 22 erniedrigt wird und die hydraulischen Kräfte im Hochdruckraum 9 die Düsennadel 15 vom Düsensitz 17 wegdrücken. In die jetzt freigegebenen Einspritzöffnungen 18 strömt daraufhin unter hohem Druck stehender Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 9, wobei der Kraftstoff beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 18 aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks fein zerstäubt wird. Zur Beendigung der Einspritzung wird der Elektromagnet abgeschaltet, sodass die Magnetkraft entfällt. Der Magnetanker 40 wird durch die Schließfeder 50 zurück in seine Schließstellung gedrückt, sodass sich die ursprünglichen Druckverhältnisse wieder einstellen und die Düsennadel 15 die Ein- spritzöffnungen 18 erneut verschließt.

In Öffnungsstellung des Magnetankers 40, also wenn der Ankerteller 140 in Anlage an der Restluftspaltscheibe 52 ist, wirkt auf den Ankerteller 140 weiterhin die Kraft der Schließfeder 50. Durch die Schwächungszone 55 wird dadurch der An- kerteller 140 etwas durchgebogen, da die Magnetkraft im Inneren des Elektromagneten 44 geringer ist als die Kraft der Schließfeder 50. Dies ist in Figur 3 nochmals dargestellt, wo der Magnetanker 40 unter einer solchen Belastung dargestellt ist, wobei die Durchbiegung d des Ankertellers 140 sehr stark übertrieben dargestellt ist. Diese Durchbiegung d entspricht bei normaler Bestromung des Elektromagneten 44 etwa 6 bis 8 μηη. Dieser Effekt kann zum Ausgleich der unterschiedlichen Hübe des Elektromagneten benutzt werden, die durch die Erwärmung des gesamten Magnetventils zustande kommen. Zu Beginn des Gebrauchs befindet sich das gesamte Mag- netventil auf einem niedrigen Temperaturniveau, ebenso der im Kraftstoffeinspritzventil befindliche Kraftstoff. Entweicht der hochverdichtete Kraftstoff jetzt durch Öffnen des Magnetventils aus dem Steuerraum 22, so wird die in ihm gespeicherte mechanische Energie freigesetzt, was sich in einer starken Erwärmung des abgeströmten Kraftstoffs bemerkbar macht. Dieser erwärmt den Mag- netanker 40, der sich durch die thermische Ausdehnung verlängert und dadurch den maximalen Hub des Magnetankers verringert, typischerweise um ca. 8 μηη. Dies kann bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Magnetventil jedoch dadurch kompensiert werden, dass die Bestromung des Magnetventils 44 über das für das Öffnen des Steuerventils notwendige Maß erhöht wird, sodass auch im Inneren des Elektromagneten eine Kraft wirkt. Die Kraft der Schließfeder 50 wird damit überdrückt und die Durchbiegung des Ankertellers 140, wie in Figur 2a dargestellt, zumindest teilweise kompensiert. Damit erhöht sich der maximale Hub des Magnetankers 40 wieder und auf den ursprünglichen Wert. Wenn sich im weiteren Betrieb des Magnetventils auch die übrigen Komponenten nach und nach erwärmen und die gleiche Temperatur annehmen wie der Magnetanker 40, so steigt dadurch der maximale Hub des Magnetankers 40 wiederum an. Um den Hub des Magnetankers 40 konstant zu lassen, wird jetzt die Bestromung des Elektromagneten 44 herabgesetzt. Der Federteller 140 zeigt dann erneut die in Figur 3 dargestellte Durchbiegung.

Die Schwächungszone 55 kann, wie in der Figur 3 dargestellt, durch eine erste Ringnut 56 und eine zweite Ringnut 57 ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, die Schwächungszone 55 auf andere Weise herzustellen, bspw. durch über den Umfang verteilt angeordnete Bohrungen, die den Ankerteller 140 durch- dringen oder durch eine andere mechanische Schwächung des Ankertellers 140 in diesem Bereich. Die Schwächungszone 52 sollte dabei vorzugsweise im Bereich des Spulenfensters platziert, um den Magnetkraftverlust infolge der Änderung der Magnetankergeometrie möglichst gering zu halten. Das Spulenfenster ist dabei der Bereich des Magnetkerns 45, in dem durch die Ausnehmung 47 eine dem Magnetanker 40 zugewandte Öffnung gebildet wird.