Titel:

Magnetventil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetventil, aufweisend einen

Ventilkörper, in dem eine mit einem Magnetkern zusammenwirkende

Magnetspule angeordnet ist, und mit einem relativ zu dem Magnetkern zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Anker zusammenwirkt, der in einer von dem Magnetkern wegweisenden Bewegungsrichtung von der Federkraft einer Ankerfeder beaufschlagt ist, und wobei der Magnetkern und der Anker von einer die Ankerfeder aufnehmenden Ausnehmung durchbrochene Anschlagflächen aufweisen.

Stand der Technik

Ein derartiges Magnetventil ist aus der DE 10 2013 218 953 AI bekannt. Dieses Magnetventil ist als elektromagnetisches Saugventil einer

Kraftstoffhochdruckpumpe ausgebildet, wobei mit dem elektromagnetisch betätigten Saugventil die einem Pumpenarbeitsraum der

Kraftstoffhochdruckpumpe zugemessene Kraftstoffmenge eingestellt wird. Dazu weist das Magnetventil in bekannter Ausgestaltung einen Aktorkörper auf, in dem eine mit einem Magnetkern zusammenwirkende Magnetspule angeordnet ist, die mit einem relativ zu dem Magnetkern zwischen zwei Endstellungen bewegbaren Anker zusammenwirkt. Der Anker wird dabei von einer Ankerfeder beaufschlagt, die den Anker von dem Magnetkern wegdrückt. Die Ankerfeder ist in einer Ausnehmung angeordnet, die in den Magnetkern und den Anker eingelassen ist. Der Magnetkern und der Anker weisen die Ausnehmung umfassende

Anschlagflächen auf, die in einer Endstellung des Ankers in Bezug zu dem Magnetkern zusammenwirken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Funktion und einer verschleißverursachenden Belastung verbessert ist.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Magnetkern und/oder der Anker eine eine Kanten belastung im Bereich der Anschlagflächen vermindernde gerundete Ausgestaltung aufweist (aufweisen). Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein solches Magnetventil hinsichtlich

unterschiedlicher Parameter Verbesserungspotential aufweist. Einerseits ist es so, dass sich beim Anlegen einer Spannung an die Magnetspule eine

Magnetkraft aufbaut, die den Anker entgegen der Federkraft der Ankerfeder bis zur Anlage an den Magnetkern anzieht. Wird nun die Bestromung aufgehoben, soll sich der Anker möglichst schnell von dem Magnetkern lösen und eine gewünschte Schaltfunktion ausführen. Dieses schnelle Lösen wird bei einem fluidgefüllten Magnetventil durch einen Klebeeffekt (hydraulisches Kleben) des Ankers an dem Magnetkern erschwert. Andererseits ist es so, dass der Anker im Ruhezustand, in dem er von der Ankerfeder von dem Magnetkern wegbewegt ist, eine geringe Schiefstellung zu dem Magnetkern aufweisen kann. Diese

Schiefstellung verursacht unter Umständen bei einem nachfolgenden

Schaltvorgang, der durch eine Bestromung der Magnetspule eingestellt wird, dass der Anker in einer Schiefstellung auf den Magnetkern auftritt und dadurch eine Kantenbelastung im Bereich der zunächst aneinander gelangenden

Anschlagflächen des Ankers und des Magnetkerns auftritt, die einen Verschleiß in diesem Bereich verursachen kann. Durch die gerundete Ausgestaltung der Anschlagflächen wird nun sowohl die Kantenbelastung vermieden als auch bei einem anschließenden Lösevorgang des Ankers von dem Magnetkern durch Aufhebung der Bestromung der Magnetspule ein hydraulischer Klebeeffekt des Ankers an dem Magnetkern vermieden. Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Schaltgenauigkeit des Magnetventils erhöht, während gleichzeitig ein möglicher Verschleiß deutlich reduziert beziehungsweise ausgeschlossen werden kann. In Weiterbildung der Erfindung weist (weisen) der Magnetkern und/oder der Anker im Bereich zumindest einer Anschlagfläche eine ballige Ausgestaltung auf. Die ballige Ausgestaltung erstreckt sich über die gesamte Anschlagfläche des Magnetkerns und/oder des Ankers und wird nur durch die Ausnehmung unterbrochen.

In Weiterbildung der Erfindung weist (weisem) der Magnetkern und/oder der Anker im Bereich zumindest einer Anschlagfläche eine torusförmige

Ausgestaltung auf. Diese Ausgestaltung kann gegebenenfalls mit einer balligen Ausgestaltung kombiniert sein. Beide Ausführungsformen stellen sicher, dass keine Kantenbelastung auftritt und gleichzeitig auch Klebeeffekte vermieden werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Anschlagflächen des

Magnetkerns und des Ankers eine Ausgestaltungskombination konvex/konvex auf. Alternativ ist es in einer anderen Ausgestaltung auch vorgesehen, dass die Anschlagflächen des Ankers und Magnetkerns eine Ausgestaltungskombination konvex/konkav beziehungsweise konkav/konvex aufweisen. Dabei ist bei der zweitgenannten Ausgestaltungskombination in jedem Fall die Kantenbelastung reduziert beziehungsweise aufgehoben, wobei darüber hinaus durch eine entsprechende Kombination der konvexen beziehungsweise konkaven

Ausgestaltung der Anschlagflächen auch kein hydraulischer Klebeeffekt auftritt, indem das Maß der Konvexität und der Konkavität unterschiedlich gewählt werden. In diesem Zusammenhang ist ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass die gerundete Ausgestaltung einer Anschlagfläche (also entweder des Magnetkerns oder des Ankers) auch die Möglichkeit einschließt, dass die zweite

Anschlagfläche eben ausgestaltet ist. Diese Möglichkeit ist bei allen zuvor dargestellten Ausführungsformen vorgesehen.

In Weiterbildung der Erfindung weist die gerundete Ausgestaltung der

Anschlagflächen ein Maß B auf, dass bei einer maximalen Schiefstellung des Ankers zu dem Magnetkern keine Kantenbelastung auftritt. Dadurch ist die Funktion des Magnetventils hinsichtlich der auftretenden Kräfte und Belastungen des Magnetventils optimiert. In Weiterbildung der Erfindung weist die gerundete Ausgestaltung ein

Rundungsmaß im Bereich von 30 [im bis 500 [im, bevorzugt im Bereich von 50 [im bis 300 [im, auf. Innerhalb dieser genannten Werte ist normalerweise sichergestellt, dass die geschilderten Probleme nicht auftreten können. Diese Werte eignen sich insbesondere für ein Magnetventil, das bei einer nachfolgend genannten Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt wird. Insbesondere bei anderen Anwendungen sind auch andere Rundungsmaße im Rahmen der Erfindung möglich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlagflächen gehärtet. Da sowohl der Magnetkern als auch der Anker unter anderem zur Erzeugung und Weiterleitung der magnetischen Felder aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind, ist eine Härtung problemlos möglich.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem als elektromagnetisches Saugventil ausgebildeten Magnetventil nach einem der vorherigen Ansprüche versehen. Dies ist die bevorzugte Anwendung, wobei im Rahmen der Erfindung aber auch andere Anwendungen möglich sind. Das erfindungsgemäß ausgestaltete elektromagnetische Saugventil der

Kraftstoffhochdruckpumpe insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems gewährleistet einen störungsfreien Betrieb über einen Zeitraum, der die

Lebensdauer der Kraftstoffhochdruckpumpe bei einem normalen Betrieb umfasst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der

Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.

einen Längsschnitt durch einen Pumpenzylinderkopfbereich einer Kraftstoffhochdruckpumpe, die mit einem als elektromagnetisches Saugventil ausgebildeten Magnetventil ausgestaltet ist, Figur 2 eine Detailansicht der Anschlagflächen eines Magnetkerns und eines Ankers eines Magnetventils mit einer balligen Ausgestaltung,

Figur 3 eine Detailansicht der Anschlagflächen eines Magnetkerns und eines

Ankers eines Magnetventils, wobei der Anker eine torusförmige Ausgestaltung aufweist,

Figur 4 eine Detailansicht der Anschlagflächen eines Magnetkerns und eines

Ankers eines Magnetventils, wobei beide Kontaktflächen eine torusförmige Ausgestaltung aufweisen und

Figur 5 eine Detailansicht der Kontaktflächen eines Magnetkerns und eines

Ankers eines Magnetventils, wobei der Magnetkern eine torusförmige konvexe Ausgestaltung und der Anker eine torusförmige konkave Ausgestaltung aufweist.

Die in der Figur 1 teilweise im Längsschnitt dargestellte

Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst einen Pumpenzylinderkopf 1, in den ein Magnetventil integriert ist. Das Magnetventil umfasst ein elektromagnetisch ansteuerbares Saugventil 2, das von einem Magnetaktor 3 betätigt wird. Das Saugventil 2 dient der Befüllung eines Pumpenarbeitsraums 4 der

Kraftstoffhochdruckpumpe mit Kraftstoff. Das Saugventil 2 umfasst einen Ventilstößel 5, der in einer Bohrung 6 des Pumpenzylinderkopfs 1 hubbeweglich aufgenommen und geführt ist. Der Pumpenzylinderkopf 1 bildet ferner einen Ventilsitz 7 aus, der mit einem Ventilteller des Ventilstößels 5 dichtend zusammenwirkt.

Im Bereich der Bohrung 6 weist der Pumpenzylinderkopf 1 der

Kraftstoffhochdruckpumpe eine kegelförmige Erhöhung 8 auf, die von einem Kragen 9 umgeben ist. Der Kragen 9 ist Bestandteil des Pumpenzylinderkopfs 1 und begrenzt einen Niederdruckraum 10, der über Zulaufbohrungen 11 mit der Bohrung 6 verbunden ist. Somit ist der Niederdruckraum 10 Teil eines

Strömungspfades des Kraftstoffs. Der Ventilstößel 5 mit dem Ventilteller des Saugventils 2 öffnet unmittelbar in den Pumpenarbeitsraum 4. In Schließrichtung ist der Ventilstößel 5 von der

Federkraft einer Ventilfeder 12 beaufschlagt, die einerseits am Ventilstößel 5 beziehungsweise einem damit zusammenwirkenden Halteteil und andererseits an dem Pumpenzylinderkopf 1 im Bereich der Erhöhung 8 abgestützt ist. Die Federkraft der Ventilfeder 12 ist kleiner als die Federkraft einer Ankerfeder 13 gewählt, die einen mit dem Ventilstößel 5 koppelbaren Anker 14 des

Magnetaktors 3 kraftbeaufschlagt und sich dazu an einem Magnetkern 16 abstützt. Dabei ist die Ankerfeder 13 in eine Ausnehmung 29 eingesetzt, die in den Magnetkern 16 und den Anker 14 eingelassen ist. Die Federkraft der Ankerfeder 13 ist der Federkraft der Ventilfeder 12 entgegengesetzt, so dass die Ventilfeder 12 das Saugventil 2 nicht schließen kann, wenn die Ankerfeder 13 den Anker 14 gegen den Ventilstößel 5 drückt.

Um die Federkraft der Ankerfeder 13 zu überwinden und das Saugventil 2 zu schließen, ist der Magnetaktor 3 vorgesehen, der eine ringförmige Magnetspule

15 sowie den hierin eingesetzten Magnetkern 16 umfasst. Der Magnetkern 16 und die Magnetspule 15 sind in einen Aktorkörper 17 eingebaut. Der Magnetkern

16 und der Anker 14 weisen zueinander ausgerichtete die Ausnehmung 29 umgebende Anschlagflächen 18a, 18b auf, die einen Arbeitsluftspalt 19 einschließen. Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Anschlagflächen 18a, 18b werden in den nachfolgenden Figuren detailliert erläutert.

Wird die Magnetspule 15 bestromt, bewegt sich der Anker 14 in Richtung des Magnetkerns 16, um den Arbeitsluftspalt 19 zu schließen, wobei die

Anschlagflächen 18a, 18b des Magnetkerns 16 und des Ankers 14 miteinander in Kontakt kommen. Die Bewegung des Ankers 14 bewirkt eine Entlastung des Ventilstößels 5, so dass die Ventilfeder 12 den Ventilstößel 5 in den Ventilsitz 7 drückt. Das Saugventil 2 schließt. Zum Öffnen des Saugventils 2 wird die Bestromung der Magnetspule 15 aufgehoben und die Federkraft der Ankerfeder 13 stellt den Anker 14 und den Ventilstößel 5 in jeweils die geöffnete

Ausgangslage des Saugventils 2 zurück.

Der Magnetaktor 3, der zur elektrischen Isolation und zur Abdichtung gegenüber der Umgebung von einer Umspritzung 20 umgeben ist, ist in dem Aktorkörper 17 und dieser über eine Führungshülse 21 an dem Pumpenzylinderkopf 1 der Kraftstoffhochdruckpumpe fixiert. Diese Fixierung wird über eine Kappe 22 vorgenommen, die auf die mit dem Magnetaktor 3 verbundene Führungshülse 21 aufgesteckt und mit dem Kragen 9 des Pumpenzylinderkopfs 1 formschlüssig verbunden ist. Die Kappe 22 besitzt hierzu eine umlaufende Rastnase 23, die nach radial innen weist und in eine außenumfangsseitig angeordnete Ringnut 24 des Kragens 9 eingreift. Die Führungshülse 21, auf weiche die Kappe 22 aufgesteckt ist, besitzt zur Abstützung der Kappe 22 einen außenumfangsseitig angeordneten umlaufenden Bund 25, über welchen ferner die Führungshülse 21 am Kragen 9 abgestützt ist. Der Bund 25 ist zurückgesetzt angeordnet, so dass ein Abschnitt der Führungshülse 21 in den Kragen 9 hinein ragt. Dieser Abschnitt weist außenumfangsseitig eine Ringnut 26 auf, in welcher ein Dichtelement 27 eingesetzt ist. Das Dichtelement 27 liegt unter Vorspannung an der

Innenumfangsseite des Kragens 9 an, so dass hierüber eine Abdichtung des Niederdruckraums 10 bewirkt wird.

Die Führungshülse 21 dient der Aufnahme und Führung des Ankers 14. Sie ist über eine Hülse 28 mit dem Magnetkern 16 des Magnetaktors 3 verbunden. Die Hülse 28 ist hierzu einerseits auf die Führungshülse 21, andererseits auf den Magnetkern 16 aufgesteckt und mit diesem beispielsweise verschweißt. Zur magnetischen Trennung der Führungshülse 21 von dem Magnetkern 16 ist die Hülse 28 aus einem amagnetischen Material gefertigt. Der Verbindungsbereich liegt innerhalb der Umspritzung 20. Figur 2 zeigt eine Detailansicht der einander zugewandten Anschlagflächen 18a,

18b des Magnetkerns 16 und des Ankers 14. In den Magnetkern 16 und den Anker 14 ist die ineinander übergehende Ausnehmung 29 eingelassen, die die Ankerfeder 13 aufnimmt. Ausgehend von der in Figur 1 dargestellten planen Ausgestaltung der Anschlagflächen 18a, 18b zeigt Figur 2 eine ballige

Ausgestaltung 30 sowohl des Magnetkerns 16 als auch des Ankers 14. Das Maß

B der balligen Ausgestaltung 30 ist dabei vorzugsweise so bemessen, dass bei einer möglichen Schiefstellung des Ankers 14 in Bezug zu dem Magnetkern 16 im Außenumfangsbereich der genannten Bauteile keine Kantenbelastung an den Anschlagflächen 18a, 18b auftritt. Im Unterschied dazu ist bei der Ausführungsform gemäß der Figur 3 die

Anschlagfläche 18a des Magnetkerns 16 plan ausgebildet, während die

Anschlagfläche 18b des Ankers 14 eine torusförmige Ausgestaltung 31 aufweist. Dabei liegt das Maß B der balligen Ausgestaltung 30 beziehungsweise der torusförmigen Ausgestaltung 31 vorzugsweise im Bereich von circa 50 μηι bis circa 300 [im.

Figur 4 zeigt im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 3 eine torusförmige Ausgestaltung 31 sowohl des Magnetkerns 16 als auch des Ankers 14. Folglich weisen hier die Anschlagflächen 18a, 18b des Ankers 14 und des Magnetkerns 16 eine Kombination konvex/konvex auf.

Bei der Ausführung gemäß Figur 5 weist der Magnetkern 16 wieder eine torusförmige Ausgestaltung 31 der Anschlagfläche 18a auf, während die

Anschlagfläche 18b des Ankers 14 eine auf die torusförmige Ausgestaltung 31 abgestimmte konkave Ausgestaltung 32 (beziehungsweise umgekehrt) aufweist. Das Maß der Konvexität beziehungsweise Konkavität kann gleich oder unterschiedlich sein. Insbesondere kann das Maß der Konvexität kleiner als das Maß der Konkavität sein, so dass sichergestellt ist, dass auch unter ungünstigen Bedingungen hinsichtlich einer Schiefstellung des Ankers 14 gegenüber dem Magnetkern 16 keine Kantenbelastung auftritt.

Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige beschriebene

Einzelmerkmale der Erfindung miteinander und untereinander kombiniert sein können.