Titel

Magnetventil, Kraftstoff-Injektor sowie Herstellungsverfah- ren

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, insbesondere ein Servo-Ventil, für einen Kraftstoff-Injektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Kraftstoff-Injektor gemäß Anspruch 10 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Aus der DE 10 2004 013 239 Al ist ein als Servo-Ventil (Steuerventil) ausgebildetes Magnetventil für einen Kraftstoff-Injektor bekannt. Mithilfe des Magnetventils wird der Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer des Kraftstoff- Injektors gesteuert. Über den Kraftstoffdruck in der Steu- erkammer 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 Anker und ein mit dem Anker bewegtes und von einer Ventilschließfeder in Schließrichtung beaufschlagtes Steuerventilelement, das mit dem 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 außenpolseitigen Luftspalt, eine bewegliche Ankerplatte und einen innenpol- seitigen Luftspalt um eine stromdurchflossene Wicklung (Spule) schließt. Bei den bekannten Magnetventilen wird der Hubanschlag für den Magnetanker unmittelbar vom Magnetkern gebildet. Aufgrund einer großflächigen Anlage des Magnetankers am Magnetkern in der Öffnungsstellung des Magnetven- tils kann es zu einem hydraulischen Kleben des Magnetankers am Magnetkern kommen.

Zur Reduzierung des hydraulischen Klebens ist es bekannt, zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker eine amagneti- sehe Scheibe anzuordnen. In einer derartigen Ausführungsform kann es zum Haften der Scheibe am Magnetanker und/oder am Magnetkern kommen, wobei die Ausprägung des Haftens die Wiederbefüllung des Spaltes zwischen der Ankerplatte und dem Magnetkern und damit den Schließvorgang des Magnetven- tils beeinflusst. Die Folge ist eine veränderliche Ventil- dynamik beim Schließvorgang von Ansteuerung zu Ansteuerung und/oder von Kraftstoff-Injektor zu Kraftstoff-Injektor und/oder über die Lebensdauer des Kraftstoff-Injektors.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise den Effekt des hydraulischen Aneinanderklebens zweier in Öffnungsstellung des Magnetventils aneinander anliegender Anschlagelemente zu reduzieren. Ferner besteht die Aufgabe darin, einen Kraftstoff-Injektor mit einem entsprechend optimierten Magnetventil vorzuschlagen. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Herstellen eines im Hinblick auf ein minimiertes hydraulisches Kleben optimiertes Magnetventil vorzuschlagen. Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Magnetventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Kraftstoff- Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zumindest eines der Anschlagelemente mit einer, insbesondere großflächigen, Oberflächenstruktur zu versehen, die derart ausgebildet ist, dass die Anschlagfläche, mit der das Anschlagelement an einem weiteren Anschlagelement bei geöffnetem Magnetventil anliegt und am Ende des Öffnungsvorgangs anschlägt, minimiert ist. Anders ausgedrückt weist ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes Magnetventil mindestens ein Anschlagelement auf, dessen dem mindestens einen weiteren Anschlagelement zugewandte Oberfläche derart strukturiert ist, dass die resultierende Anschlagfläche, mit der sich das Anschlagelement bei geöffnetem Magnetventil an dem min- destens einen weiteren Anschlagelement abstützt, gegenüber einem Anschlagelement ohne Oberflächenstruktur reduziert ist. Anders ausgedrückt besteht die Lösung der Aufgabe darin, den Traganteil des Anschlagelementes durch das Vorsehen einer, insbesondere als erhöhte Rauheit, ausgebildeten Oberflächenstruktur zu minimieren. Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen, also im Vergleich zu einer glatt geschliffenen Oberfläche eine (wesentlich) erhöhte Rauigkeit auf, wobei sich das Anschlagelement bevorzugt lediglich mit der von den Erhebungen gebildeten Anschlagfläche an dem weiteren Anschlagelement abstützt. Besonders bevorzugt ist die Oberflächenstruktur so gewählt, dass die Anschlagfläche im Ver- gleich zu einer ansonsten identischen Anschlagfläche ohne Oberflächenstruktur um mindestens 50%, vorzugsweise um mindestens 60%, besonders bevorzugt um mindestens 70% reduziert ist. Durch das Vorsehen einer die Anschlagfläche reduzierenden Oberflächenstruktur wird der Effekt des hydrau- lischen Klebens reduziert, was sich positiv auf die Dynamik der Schaltvorgänge und damit auf das Einspritzverhalten eines mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Magnetventil ausgestatteten Kraftstoff-Injektor auswirkt. Insbesondere löst sich der Magnetanker beim Schließen leichter von seinem Anschlag und das Schließen erfolgt schneller und deutlich besser reproduzierbar.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das die die Anschlagfläche reduzierende Oberflächenstruktur aufweisende Anschlagelement ein relativ zu einem Magnetkern verstellbarer Magnetanker ist. Bevorzugt umfasst der Magnetanker dabei eine Ankerscheibe (Ankerscheibenabschnitt) , die entweder einteilig mit einem Steuerventilelement ausgebildet oder mit diesem fest verbunden ist. Bevorzugt befin- det sich die Oberflächenstruktur des Magnetankers zumindest in sämtlichen Oberflächenbereichen, die bei geöffnetem Magnetventil an dem weiteren Anschlagelement anliegen, sodass die tatsächliche Anschlagfläche gegenüber einer glatt geschliffenen Anschlagfläche maximal reduziert ist.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eines der Anschlagelemente, vorzugsweise ein mit dem oberflächenstrukturierten Magnetanker zusammenwirkendes Anschlagelement, von einer amagnetischen Scheibe gebildet ist, die in einem Bereich axial zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein Anschlagelement unmittelbar von dem Magnetkern gebildet sein. Dabei ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der die amagnetische Scheibe und/oder der Magnetkern mit einer die Anschlagfläche reduzierenden Oberflächenstruktur versehen sind/ist. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine derartige Oberflächenstruktur ausschließlich am Magnetanker ausgebildet ist.

Im Hinblick auf die Herstellung der die Anschlagfläche reduzierenden Oberflächenstruktur gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise vollständig oder nur abschnittsweise durch Bestrahlen mit Partikeln realisiert werden, wodurch die Anschlagfläche bevorzugt ausschließlich von den resultierenden Erhebungen gebildet wird. Als Partikel können Sand und/oder Kugelpar- tikel eingesetzt werden. Bevorzugt wird die mit einer Oberflächenstruktur zu versehende Anschlagelement-Oberfläche vor dem Strukturieren zunächst geschliffen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das zum Einsatz kommende Strahlgut und die Bestrahlungsparameter, insbesondere die Aufprallge- schwindigkeit des Strahlgutes so gewählt wird, dass durch das Bestrahlen lediglich eine plastische Verformung, nicht jedoch ein Materialabzug resultiert. Zusätzlich oder bevorzugt alternativ zu einer Bestrahlung des Anschlagelementes zur Herstellung der Oberflächenstruktur ist es möglich, die Oberflächenstruktur vollständig oder nur abschnittsweise durch die Realisierung einer Prä- gung, insbesondere mit einem Prägestempel, zu strukturieren. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Prägung eine Art Netz- oder Gitterstruktur aufweist. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Prägung nicht als letzten Fertigungsschritt bei der Herstellung des Anschlagele- mentes, insbesondere des Magnetankers, einzubringen, sondern in einem im Vergleich zum fertigen (gehärteten) Zustand des Anschlagelementes weichen Zustand, also vor einem abschließenden Härtungsschritt. Die Prägung sollte eine so große Tiefenerstreckung aufweisen, dass sie zumindest teil- weise auch nach einer nachfolgenden Wärmebehandlung und einem Hartbearbeitungsprozess, wie beispielsweise Schleifen, erhalten bleibt.

Zusätzlich oder alternativ zu den vorgenannten Möglichkei- ten zur Einbringung der Oberflächenstruktur ist die Oberflächenstruktur vollständig oder abschnittsweise durch Erodieren mit einer, insbesondere entsprechend rau gestalteten, Elektrode strukturierbar.

Eine weitere Variante besteht darin, die Oberfläche des Anschlagelementes chemisch anzuätzen, um somit die benötigte Rauigkeit zu erzeugen.

Zusätzlich oder alternativ zu den vorgenannten Möglichkei- ten ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der die Oberflächenstruktur mit Hilfe einer Laser- Materialbearbeitung erzeugt wird, bei der, insbesondere kleine, Vertiefungen in das Anschlagelement eingebracht (eingebrannt) werden.

Eine weitere, zusätzlich oder alternativ realisierbare, Möglichkeit zur Einbringung der gewünschten Oberflächenstruktur besteht darin, einen, insbesondere abschließenden, Schleifprozess derart zu gestalten, dass Schleifriefen in unterschiedlicher Ausrichtung entstehen, wobei sich die Schleifriefen bevorzugt überkreuzen (Kreuzschliff) .

Die Erfindung führt auch 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 nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten, zuvor beschriebenen Magnetventils aus. Dabei handelt es sich bei dem Magnetventil bevorzugt um ein Servo-Ventil (Steuerventil) , mit dem das Einspritzventilelement nicht direkt angesteuert wird, sondern mit dem der Kraftstoffdruck in einem von einem Einspritzventilelement begrenzten Steuerraum steuerbar ist.

Darüber hinaus führt die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetventils für einen Kraftstoff- Injektor. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eines der Anschlagelemente des Magnetventils mit einer die Anlagefläche reduzierenden Oberflächenstruktur versehen wird.

Im Falle der zumindest teilweisen Ausbildung der Oberflächenstruktur als, insbesondere großflächige, insbesondere netz- oder gitterartigen, Prägung ist es bevorzugt, diese nicht als abschließenden Arbeitsschritt, sondern in einem vergleichbar weichen Zustand des Anschlagelementes einzubringen, derart, dass sie bevorzugt nach einer nachfolgenden Wärmebehandlung und einem Hartbearbeitungsprozess, wie beispielsweise Schleifen, zumindest teilweise erhalten bleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen:

Fig. 1: in einer unvollständigen, schematischen Darstel- lung den grundsätzlichen Aufbau einer möglichen

Ausführungsform eines Magnetventils, bei der ein Anschlagelement als Magnetanker und ein weiteres Anschlagelement als amagnetische Scheibe ausgebildet ist.

Ausführungsform der Erfindung

In Fig. 1 ist ein als Steuerventil ausgebildetes Magnetventil 1 für einen ansonsten nicht weiter dargestellten, an sich bekannten, Kraftstoff-Injektor gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau eines derartigen Kraftstoff-Injektor ergibt sich beispielsweise aus der DE 10 2004 013 239 Al, die hiermit in Bezug auf eine mögliche Ausbildung des Kraftstoff-Injektors als zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehörig offenbart gelten soll.

Das Magnetventil 1 umfasst ein axial verstellbares, als Magnetanker ausgebildetes, erstes Anschlagelement 2 mit ei- ner sich radial erstreckenden, ringförmigen Ankerplatte 3. Zentrisch an dem als Magnetanker ausgebildete Anschlagelement 2 ist ein nicht gezeigtes, insbesondere bolzenförmiges oder hülsenförmiges, Steuerventilelement, beispielsweise durch Verschweißung, festlegbar. Alternativ ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der das als Magnetanker ausgebildete Anschlagelement 2 einstückig mit einem Steuerventilelement ausgebildet ist. Durch axiales Verstellen des Anschlagelementes 2 relativ zu einem Magnetkern 4 kann das nicht gezeigte Steuerventilelement zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verstellt werden, in der das Steuerventilelement an seinem Steuerventilsitz anliegt.

Zum axialen Verstellen des als Magnetanker ausgebildeten Anschlagelementes 2 ist ein als Topfmagnet ausgebildeter Elektromagnet 5 vorgesehen, umfassend einen radial inneren Innenpol 6 sowie einen radial beabstandeten, radial äußeren Außenpol 7, wobei Innenpol 6 und Außenpol 7 über einen Jochabschnitt 8 miteinander verbunden sind. Innenpol 6, Jochabschnitt 8 und Außenpol 7 bilden zusammen den Magnetkern 4 des Magnetventils 1. In einer umlaufenden, nutförmi- gen in der Zeichnungsebene nach unten offenen Aussparung 9 im Magnetkern 4 ist eine elektrische Magnetspule 10 aufgenommen. Bei Bestromung der Magnetspule 10 wird ein magneti- sches Feld erzeugt, welches sich über den Innenpol 6, den Jochabschnitt 8 und den Außenpol 7 über einen außenpolsei- tigen Restluftspalt S, das axial verstellbare, als Magnetanker ausgebildete Anschlagelement 2 und ein zwischen Innenpol 6 und Anschlagelement 2 angeordnetes, als flache Scheibe ausgebildetes Anschlagelement 11 aus einem amagnetischen Material um die stromdurchflossene Magnetspule 10 (Wicklung) schließt. Bei Bestromung der Magnetspule 10 wird das als Magnetanker ausgebildete Anschlagelement 2 in die gezeigte, in der Zeichnungsebene obere, Öffnungsposition verstellt. In dieser liegt das als Magnetanker ausgebildet Anschlagelement 2 mit seiner in der Zeichnungsebene oberen, ringflächigen Oberfläche am als Scheibe ausgebildeten An- schlagelement 11 an, welches sich in axialer Richtung wiederum flächig am Innenpol 6 abstützt.

Zur Minimierung der magnetischen Haftung und des hydraulischen Klebens ist die dem Magnetkern 4 bzw. den als Scheibe ausgebildeten Anschlagelement 11 zugewandte Oberseite 12 mit einer großflächigen Oberflächenstruktur 13 versehen, die derart ausgebildet ist, dass sie die wirksame Anschlagfläche, mit dem das Anschlagelement 2 an dem als Scheibe ausgebildeten Anschlagelement 11 anliegt, bzw. am Ende der Öffnung bevorzugt anschlägt deutlich im Vergleich zu einer unstrukturierten Oberseite 12 reduziert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberflächenstruktur durch Kugelbestrahlen hergestellt, sodass die Oberflächenstruktur eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweist und die eigentliche wirksame Anschlagfläche nur von den Erhebungen auf der Oberseite 12 der Ankerplatte 3 bzw. des als Magnetanker ausgebildeten Anschlagelementes 2 gebildet wird. Das als Magnetanker ausgebildete Anschlagelement 2 stützt sich mit seiner Oberflächenstruktur 13 bzw. mit den Erhebungen der Oberflächenstruktur 13 an einer glatt geschliffenen, der Oberseite 12 zugewandten Unterseite 14 des als Scheibe ausgebildeten Anschlagelementes 11 in der Öffnungsstellung des Magnetventils 1 ab. Da die Haftung zwischen dem als Magnetanker ausgebildeten Anschlagelement 2 und dem als Scheibe ausgebildeten weiteren Anschlagelement 11 aufgrund der Oberflächenstruktur 13 geringer ist, als die Haftung des als Scheibe ausgebildeten Anschlagelementes 11 am Magnetkern 4, löst sich das als Magnetanker ausgebil- dete Anschlagelement 2 beim Schließen des Magnetventils 1 leicht von dem als Scheibe ausgebildeten Anschlagelement 11, welches am Magnetkern „kleben" bleibt. Es wird also ein definiertes Schließverhalten realisiert.