Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil, insbesondere ein Elektromagnetventil zum Schalten eines Kraftstoffinjektors, wie einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff, im Besonderen Wasserstoff. Typischerweise wird der Kraftstoff dabei in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt, in dem dieser durch Verbrennung und der sich daraus ergebenden Expansion dazu genutzt wird, einen Kolben zu bewegen. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf Ventil für Kraftstoffinjektoren beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle technischen Bereiche, in denen elektromagnetische Ventile zum Einsatz kommen.

Nichtsdestotrotz sind insbesondere aus der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Motors elektromagnetische Schaltventile bekannt, bei denen mit einem linear beweglichen Ventilglied (Anker) im Inneren eines Injektors eine Verbindung von zwei mit Fluid gefüllten Volumen freigegeben oder verschlossen wird.

Störend bei einer Ansteuerung solcher Ventile ist insbesondere der Schließverzug, währenddem ein Ventil noch in seiner Offenstellung verbleibt, obwohl die den Anker (mittels Magnetkraft) aus seiner Schließstellung abhebende Spule bereits stromlos ist. Die Dynamik des Magnetventils wird insbesondere durch Wirbelströme in den massiven, ferromagnetischen Bauteilen (bspw.: Magnetkern und Anker) beeinflusst, welche den Auf- und Abbau des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes und damit der Magnetkraft behindern und dadurch zeitlich verzögern. Um ein verbessertes, insbesondere ein dynamisches, rascher ansprechendes Schaltverhalten des Aktuators zu erzielen, ist es wünschenswert Wirbelströme und damit den Öffnungs- und/oder der Schließverzug zu minimieren.

Dies gelingt mit der vorliegenden Erfindung, die ein Elektromagnetventil sowie einen dieses Elektromagnetventil umfassenden Kraftstoffinjektor umfasst, das die vorgenannten Probleme überwindet oder zumindest abmildert. Schwerpunktmäßig nimmt die vorliegende Erfindung dabei eine Verringerung der Schließverzugszeit in den Fokus und zeigt die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile auch anhand dieser, obwohl die Erfindung auch vorteilhaft für den Öffnungsverzug ist.

Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 umgesetzt, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in den abhängigen Ansprüchen festgelegt sind.

Nach der Erfindung ist demnach ein Elektromagnetventil, insbesondere zum Schalten eines Kraftstoffinjektors, wie ein Kraftstoffinjektor für gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise Wasserstoff, vorgesehen, das einen Anker, der in einer Ankerführung in Axialrichtung des Ventils bewegbar geführt ist und dazu ausgelegt ist, in einer Schließstellung eine Drosselstelle abzudichten, eine Spule, die dazu ausgelegt ist, den Anker mittels Magnetkraft von der Schließstellung abzuheben, und einen Magnetkern umfasst, der die Spule zumindest teilweise umschließt. Das Elektromagnetventil ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer maximal abgehobenen Stellung des Ankers von der Schließstellung ein axialer Restluftspalt zwischen dem Magnetkern und dem Anker verbleibt, um von der Spule hervorgerufene Magnetfeldlinien nicht unterbrechungsfrei, also nicht durchgehend, über eine metallische, magnetisierbare Verbindung von Magnetkern und Anker zu führen. Dabei werden also die geschlossenen Linien der Magnetfeldlinien nicht durchgängig über eine metallische, magnetisierbare Verbindung geführt. Vorzugsweise muss jede der geschlossenen Linien dabei mindestens einmal einen Mediensprung durch ein nicht bzw. nur schwach-magnetisierbares Material vollziehen.

Die Schließverzugszeit wird maßgeblich vom Design des Ventils und von einem axialen Restluftspalt beeinflusst. Dem Fachmann ist klar, dass als Luftspalt der Abstand zwischen einer Magnetkernstirnfläche bzw. einem Magnetkern und einer Ankerstirnfläche bzw. dem Anker bezeichnet wird. Der axiale Restluftspalt ist nun ein verbleibender Luftspalt, der sich in einer maximal von der Schließstellung abgehobenen Position des Ankers einstellt, bei dem der Anker durch Magnetkraft in Richtung Magnetkern maximal ausgelenkt ist. So kommt es, anders als im Stand der Technik, nicht zu einem flächigen Auflegen von Anker an dem Magnetkern, sondern es verbleibt ein axialer Restluftspalt, den die Magnetfeldlinien auch in einem maximal angezogenen Zustand des Ankers überbrücken müssen.

Hieraus ergibt sich, dass sich der Luftspalt aus dem Ankerhub und dem axialen Restluftspalt zusammensetzt. Der axiale Restluftspalt ist dabei die Differenz von Luftspalt und Ankerhub. Der Luftspalt bzw. der Restluftspalt ist mit Luft bzw. Kraftstoff und/oder nicht bzw. nur schwach magnetisierbaren Materialen gefüllt. Ferromagnetische, stark magnetisierbare Medien werden nicht dem Luftspalt zugeordnet.

Ein höherer axialer Restluftspalt führt zu einer Verringerung der Magnetkraft, die im oberen Anschlag wirken kann. Zudem verringert sich durch einen höheren axialen Restluftspalt die Induktivität des Elektromagneten, was dazu führt, dass der Einfluss von Wirbelströmen, welche den Auf- und Abbau des magnetischen Feldes und der davon abgeleiteten Magnetkraft verzögern, reduziert wird. Beide Effekte, also das Verringern der Magnetkraft und die Verringerung der Wirbelströme, führen zu einem früheren Ankerschließen und damit insbesondere zu einer Verringerung des Schließverzugs. Der axiale Restluftspalt kann über verschiedene Umsetzungen realisiert werden. Wichtig ist, dass der axiale Restluftspalt zwischen Anker und Magnetkern durch ein unmagnetisches bzw. nur (sehr) schwach magnetisierbares Medium gefüllt ist (z.B. Luft, Kraftstoff, nicht-ferromagnetische Werkstoffe), so dass sich im angezogenen Zustand des Ankers kein verschwindender Luftspalt einstellt, wodurch die Magnetkraft sehr stark ansteigt und ein Abfallen des Ankers nach der Ansteuerung behindert (sehr langer Schließverzug) oder gar ganz verhindert wird (durch Remanenzeffekte aufgrund der nichtlinearen, hysteresebehafteten B-H-Kennlinien von ferromagnetischen Werkstoffen).

Der axiale Restluftspalt kann beispielhaft über einen metallischen Anschlag, z.B. eine metallische Erhebung auf dem Anker realisiert werden. Der Anschlag sollte sich dabei möglichst außerhalb des Kernbereichs des magnetischen Feldes befinden oder zumindest mit einer sehr geringen Anschlagfläche ausgeführt sein, um einen „magnetischen Kurzschluss“, also einen direkten metallischen Kontakt zwischen Anker und Magnetkern, zu vermeiden bzw. zu minimieren, was - wie zuvor beschrieben - zu einem langen Schließverzug führen würde.

Eine weitere Möglichkeit ist die Beschichtung der Ankerstirnfläche bzw. der Anschlagfläche des Magnetkerns mit einer nicht-magnetisierbaren Schicht.

Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der axiale Restluftspalt zwischen Magnetkern und Anker über eine Scheibe oder einen Scheibenstapel erzeugt ist, der mindestens zwei in Axialrichtung übereinander gestapelte Scheiben aufweist, vorzugsweise wobei der Scheibenstapel zwischen den jeweiligen Stirnseiten von Magnetkern und Anker angeordnet ist und/oder nur schwach oder nicht-magnetisierbar ist.

Dem Fachmann das klar, dass die Scheibe bzw. die Scheiben auch in einer Schicht bzw. in Schichten aufgetragen werden können, wobei der Einfachheit halber nachfolgend lediglich von Scheibe bzw. Scheiben gesprochen wird. Dabei ist eine Scheibe bzw. der Scheibenstapel als Abstandshalter zwischen dem Anker und dem Magnetkern vorgesehen, der eine Bewegung des Ankers über den durch die Scheibe bzw. den Scheibenstapel definierten axialen Restluftspalt hinaus verhindert. Die Ausführung als Scheibenstapel ist dabei von Vorteil, da durch das Beilegen der Scheiben ein variierbarer Abstand des axialen Restluftspalts erzeugbar ist. In einer maximal angezogenen Stellung des Ankers ist der Scheibenstapel dabei zwischen dem Magnetkern und dem Anker geklemmt, sodass es nicht mehr zu einem direkten Kontaktieren von Magnetkern und Anker kommt, die jeweils aus einem ferromagnetischen Material sind.

Nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Scheiben des Scheibenstapels aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei vorzugsweise eine erste der mindestens zwei Scheiben eine Kunststoff-Scheibe, insbesondere eine Polyimid-Folie, und/oder eine zweite der mindestens zwei Scheiben eine metallische, nicht-magnetisierbare Blechscheibe ist.

Die Verwendung einer (nichtmetallischen) Kunststoff-Folie, insbesondere einer Polyimid-Folie, hat den Vorteil, dass diese eine geringere Steifigkeit als eine Blechscheibe aufweist, was den Aufprall des Ankers am oberen Anschlag beim Öffnen dämpft und damit das typischerweise auftretende Prellen reduziert. Zudem besteht in der oberen Ruhelage kein durchgehender metallischer Kontakt zwischen Anker und Magnetkern, so dass im Gegensatz zu einer Variante, bei der der Scheibenstapel durchgängig aus Blechscheiben aufgebaut ist, kein Elektronenfluss zwischen Anker und Magnetkern stattfindet. Auch dies führt zu einer Verringerung von Wirbelströmen, welche nichts Anderes als Bewegung von (negativen) Ladungen, also Elektronen sind.

Nach einer vorteilhaften Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine erste der mindestens zwei Scheiben des Scheibenstapels eine Kunststoff-Folie bzw. Kunststoffscheibe, insbesondere eine Polyimid-Folie ist, die sandwichartig zwischen zwei Blechscheiben aufgenommen ist. In diesem Fall müssen natürlich mindestens drei Scheiben vorhanden sein. Dies ist insbesondere von Vorteil, um die mechanische Belastung der Kunststoff- Scheibe durch das kontinuierliche Einschlagen des Ankers bzw. des Magnetkerns zu verringern. In Verbindung mit einer geschlitzten Ausführung des Ankers bzw. des Magnetkerns ist dies umso vorteilhafter, da die sonst auftretende Stanzwirkung die Kunststoff-Scheibe stark beansprucht und nach relativ kurzer Zeit beschädigt.

Vorteilhafterweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass in einem angezogenen Zustand des Ankers der Magnetkern eine Blechscheibe des Scheibenstapels berührt und/oder der Anker eine Blechscheibe des Scheibenstapels berührt.

Demnach ist es also von Vorteil, wenn jeweils die äußere dem Anker bzw. dem Magnetkern zugewandte Schicht des Stapels eine Blechschicht ist, da diese aufgrund ihrer Materialeigenschaften den auftretenden Kräften am besten widerstehen kann.

Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Dicke der Scheiben des Scheibenstapels im Bereich von 10-100 pm, vorzugsweise im Bereich von 10-50 pm liegen. Auch kann vorgesehen sein, dass die Kunststoff-Scheibe, insbesondere die Polyimid-Scheibe eine Dicke im Bereich von 10-50 pm besitzt, wohingegen die in dem Stapel verwendete mindestens eine Blechscheibe eine Dicke im Bereich von 10-100 pm aufweist. Demnach ist es also möglich, dass die aus unterschiedlichem Material bestehenden Scheiben auch unterschiedlich dick ausgestaltet sind.

Nach einer vorteilhaften Variation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Anker einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz aufweist, um einen in Umfangsrichtung wirkenden Wirbelstrom zu unterbrechen, vorzugsweise wobei der Schlitz die Form eines Zylindersektors in einem zylindrisch geformten Teil des Ankers aufweist. Wirbelströme, welche die Dynamik des Magnetventils negativ beeinflussen, fließen vor allem in massiven (d.h. nicht-geblechten) elektrisch leitfähigen Materialien (z.B. Eisen und Eisenlegierungen). Um den Einfluss von Wirbelströmen zu unterbinden oder zumindest zu reduzieren, können Anker und/oder Magnetkern mit jeweils einem oder mehreren Schlitzen (oder ähnlichen Unterbrechungen des Anker-Vollkörpers bzw. des Magnetkern-Vollkörpers) versehen werden. Die Schlitze können dabei axial durchgängig sein oder einen Reststeg belassen und im axialen Querschnitt eine beliebige Form einnehmen, beispielsweise rechteckig, keilförmig etc. sein. Die Schlitze verhindern das Ausbilden sehr großer, kreisförmiger und in Umfangsrichtung verlaufender Wirbelströme und verbessern dadurch den Schließverzug. Eine axial durchgängige Schlitzung (ohne Reststeg) ist dabei in der Regel effektiver als eine Schlitzung mit Reststeg.

Demnach kann also vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Schlitz in dem Anker von der zum Magnetkern zugewandten Stirnseite des Ankers ausgeht und sich vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Ankers erstreckt. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass sich der Schlitz in dem Anker in Axialrichtung nur bis zu einer ersten Querschnittsverminderung erstreckt.

Ebenfalls kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Magnetkern einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz aufweist, um einen in Umfangsrichtung wirkenden Wirbelstrom zu unterbrechen, vorzugsweise wobei der Schlitz die Form eines Zylindersektors aufweist.

Dabei ist auch möglich, dass der Schlitz in dem Magnetkern von der zum Anker zugewandten Stirnseite des Magnetkerns ausgeht und sich vorzugsweise über die gesamte axiale Länge des Magnetkerns erstreckt. Wie oben bereits erläutert, ist es aber für eine Verbesserung des Schließverzugs ausreichen, wenn sich der Schlitz nicht über die gesamte axiale Länge erstreckt. So ist es ausreichend, wenn sich der Schlitz lediglich in einem Bereich, in dem verstärkt Wirbelströme auftreten, ausgebildet ist. Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Ventil ein Federelement umfasst, das dazu ausgelegt ist, den Anker in die Schließstellung zu drängen. Das Federelement dient dazu, den Anker in seine Schließstellung zu drängen, um den Anker aus dem angezogenen Zustand in die Schließstellung zu überführen (wenn die Spule in einem unbestromten Zustand ist).

Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Scheibenstapel eine Kreisringform aufweist, in deren Mitte eine Ausnehmung zum Durchführen eines Federelements vorgesehen ist. Das Federelement greift dann beispielsweise direkt an dem Anker an und stützt sich mit seinem dazu gegenüberliegenden Ende vom Magnetkern ab.

Die Form einer durchgehenden Kreisscheibe ist ebenso möglich, wobei das Federelement dann direkt an dem Scheibenstapel angreift.

Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation kann vorgesehen sein, dass die Ankerführung den Anker umfangsseitig umgibt und aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff ist. Dies trägt dazu bei, dass die vom Elektromagneten gebildeten Magnetfeldlinien tatsächlich nur über den Luftspalt geschlossen werden können.

Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass ein unterer Anschlag des Ankers, in dem die durch den Anker verschließbare Drosselstelle angeordnet ist, aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff ist. Dies trägt dazu bei, dass die vom Elektromagneten gebildeten Magnetfeldlinien tatsächlich nur über den Luftspalt geschlossen werden können.

Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Kraftstoffinjektor für einen gasförmigen Kraftstoff, vorzugsweise Wasserstoff, umfassend ein Elektromagnetventil zum Schalten des Injektors nach einer der vorstehend diskutierten Varianten. Von der Erfindung ebenfalls umfasst ist ein Elektromagnetventil, insbesondere zum Schalten eines Kraftstoffinjektors, das einen Anker, der in einer Ankerführung in Axialrichtung des Ventils bewegbar geführt ist und dazu ausgelegt ist, in einer Schließstellung eine Drosselstelle abzudichten, eine Spule, die dazu ausgelegt ist, den Anker mittels Magnetkraft von der Schließstellung abzuheben, und einen Magnetkern aufweist, der die Spule zumindest teilweise umschließt, wobei der Anker und/oder Magnetkern einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz aufweist/aufweisen, um einen in Umfangsrichtung wirkenden Wirbelstrom zu unterbrechen, vorzugsweise wobei der Schlitz die Form eines Zylindersektors aufweist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach einer ersten Ausführungsform in Schließstellung,

Fig. 2: eine Darstellung des prinzipiellen Schaltverhaltens eines

Elektromagnetventils,

Fig. 3: eine Darstellung zum Erläutern des Zusammenhangs von Magnetkraft und Luftspalt,

Fig. 4: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach der ersten Ausführungsform in Offenstellung,

Fig. 5: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach einer zweiten Ausführungsform in Schließstellung,

Fig. 6: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach der zweiten Ausführungsform in Offenstellung, Fig. 7: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach einer dritten Ausführungsform in Schließstellung,

Fig. 8: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach einer vierten Ausführungsform in Schließstellung,

Fig. 9: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach der vierten Ausführungsform in Offenstellung,

Fig. 10: eine teilweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ventils nach einer fünften Ausführungsform in Schließstellung, und

Fig. 11 a-c: perspektivische Darstellungen eines Ankers, mit und ohne einen axial verlaufenden Schlitz zum Unterbrechen von Wirbelströmen.

Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils 1. Dargestellt ist dabei lediglich eine Teilschnittansicht entlang der Längsachse in Axialrichtung des Ventils 1 , wobei sich die restliche Schnittansicht über eine Spiegelung an der Symmetrieachse 26 ergibt, die aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt ist.

Das elektromagnetische Ventil 1 umfasst ein Gehäuse 18, einen Magnetkern 6, welcher ein- oder mehrteilig ausgeführt und (zumindest teilweise) innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses 18 liegen kann. Ferner umfasst das Ventil 1 eine vom Magnetkern 6 (zumindest teilweise) umschlossene Spule 5, welche optional von einer Spulenummantelung 19 umgeben und fixiert ist, einen Anker 2, welcher in einer Ankerführung 3 geführt ist und welcher im geschlossenen Zustand des Ventils 1 von einem vorgespannten Federelement 16 gegen einen ersten Anschlag 17 (unterer Anschlag) gedrückt wird, so dass eine Drosselstelle 4 abgedichtet wird. Optional kann mindestens eine Einstellscheibe 23 zum Einstellen der Vorspannkraft des Federelements 16 und mindestens eine Einstellscheibe 22 zum Einstellen des Ankerhubs 24 vorgesehen sein. Der Ankerhub ist dabei die maximal mögliche axiale Bewegung des Ankers 2 aus seiner Schließstellung bis zum zweiten Anschlag 20 (=oberer Anschlag), wobei der zweite Anschlag 20 vorzugsweise der Magnetkernstirnfläche 14 entsprechen kann.

Der Abstand zwischen Magnetkernstirnfläche 14 und Ankerstirnfläche 13 in Schließstellung des Ventils 1 wird als Luftspalt bezeichnet. Er setzt sich zusammen aus dem Ankerhub 24 und dem axialen Restluftspalt 7. Der axiale Restluftspalt 7 ist dabei die Differenz von Luftspalt und Ankerhub 24. Der Luftspalt kann mit Luft bzw. Kraftstoff und/oder nicht bzw. nur schwach magnetisierbaren Materialen gefüllt sein. Ferromagnetische, stark magnetisierbare Medien werden nicht dem Luftspalt zugeordnet.

Nachfolgend wird die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Ventils 1 anhand von Fig. 2 erläutert, die das prinzipielle Schaltverhalten (Öffnungsphase und Schließphase) des elektromagnetischen Ventils 1 zeigt. Zum Zeitpunkt to befindet sich das Ventil 1 in Ausgangsstellung, so dass der Anker 2 die Drosselstelle 4 abdichtet. Wird nun zur Zeit to ein elektrisches Ansteuersignal aktiviert, bildet sich aufgrund des in der Spule 5 fließenden Stroms ein Magnetfeld 8 um die Spule 5 herum aus, welches durch den ferromagnetischen Magnetkern 6 und den ferromagnetischen Anker 2 geführt und verstärkt wird (siehe Magnetfeldlinie 8 in Fig. 1 ).

Dadurch bildet sich zwischen Anker 2 und Magnetkern 6 eine magnetische Kraft aus, welche darauf hinwirkt, den Luftspalt zu verkleinern und den Anker 2 in Richtung Magnetkern 6 zu bewegen. Zum Zeitpunkt ti hat die Magnetkraft die Vorspannkraft der Feder 16 (plus ggf. weitere, angreifende Kräfte wie Reibkräfte) überwunden und der Anker 2 beginnt sich in Richtung Magnetkern 6 zu bewegen (siehe Fig. 2). Die Magnetkraft nimmt dabei in der Regel mit kleiner werdendem Luftspalt zu (siehe Fig. 3), wobei durch spezielle Designs zur Beeinflussung der Magnetkraft-Hub- Kennlinie (Kennlinienbeeinflussung) auch Abweichungen von einem monotonen Verlauf möglich sind. Erreicht der Anker 2 zur Zeit t2 den oberen Anschlag 20, wird dieser abrupt abgebremst und erreicht in der Regel nach einer Phase des Prellens eine statische Ruheposition, so dass die Drosselstelle 4 vollständig geöffnet ist (siehe auch Fig.4). Die Federkraft ändert sich während des Anzugvorgangs abhängig von der Federrate und der weiteren Verformung der Feder. Ab einem gewissen Zeitpunkt kann die Intensität des elektrischen Ansteuersignals reduziert werden, um den Anker 2 in der geöffneten Position zu halten, wodurch es zu einer Verringerung der Magnetkraft kommt (Zeitpunkt ts).

Im Anschluss daran kommt es zu einem Schließvorgang, bei dem das Ansteuersignal zum Zeitpunkt t4 beendet wird. Infolgedessen sinkt die Magnetkraft ab und der Anker 2 verbleibt zunächst in seiner oberen Ruhelage, bis die Magnetkraft auf einen Wert unterhalb der rückstellenden Federkraft (plus ggf. gegenwirkender Reibkräfte) abgefallen ist (Zeitpunkt ts). Daraufhin wird der Anker 2 von der Feder 16 wieder zurück in den unteren Anschlag 17 gedrückt und trifft auf die Drosselstelle 4 auf (Zeitpunkt te), welche er ggf. nach einer Phase des Prellens wieder verschließt (Zeitpunkt t?). Die Magnetkraft nimmt im Laufe der Zeit weiter ab, bis sie (fast) komplett abgebaut ist und der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt ist.

Die Zeitspanne zwischen Beginn des Ansteuersignals (Zeitpunkt to) und Beginn der Ankerbewegung zum oberen Anschlag 20 hin (Zeitpunkt ti) wird als Öffnungsverzug bezeichnet (engl.: OD = opening delay). Die Zeitspanne zwischen Ende des Ansteuersignals (Zeitpunkt t4) und Auftreffen des Ankers 2 am unteren Anschlag 17 (Zeitpunkt te) wird als Schließverzug bezeichnet (engl.: CD = closing delay). Sowohl die Phase des Schließverzugs wie auch des Öffnungsverzugs sind in Fig. 2 durch einen Doppelpfeil in der Zeitachse hervorgehoben.

Die Dynamik des Magnetventils 1 wird insbesondere durch Wirbelströme in den massiven, ferromagnetischen Bauteilen (Magnetkern 6 und Anker 2) beeinflusst, welche den Auf- und Abbau des Magnetfeldes und damit der Magnetkraft behindern und damit zeitlich verzögern. Um ein dynamisches Schaltverhalten des Aktuators zu erzielen, ist es von Vorteil Wirbelströme zu minimieren, um den Öffnungs- und Schließverzug zu verbessern.

Die Magnetkraft wird maßgeblich vom Design und vom axialen Restluftspalt beeinflusst. Ein höherer axialer Restluftspalt verringert die Magnetkraft im oberen Anschlag 20. Zudem verringert sich durch einen höheren axialen Restluftspalt in der Regel die Induktivität des Elektromagneten, so dass der Einfluss von Wirbelströmen, welche den Auf- und Abbau des magnetischen Feldes und damit der Magnetkraft behindern und verzögern, reduziert wird. Beide Effekte führen zu einem früheren Ankerschließen und damit zu einer Verringerung des Schließverzugs.

Fig. 1 zeigt dabei eine exemplarische Umsetzung für einen axialen Restluftspalt, der über verschiedene Designmöglichkeiten realisiert werden kann. Wichtig ist, dass der axialer Restluftspalt-Spalt zwischen Anker 2 und Magnetkern 6 durch ein unmagnetisches bzw. nur sehr schwach magnetisierbares Medium gefüllt ist (z.B. Luft, Kraftstoff, wie Diesel, Benzin, Erdgas, Wasserstoff o.Ä., nicht-ferromagnetische Werkstoffe), so dass sich im angezogenen Zustand des Ankers 2 kein verschwindender Luftspalt einstellt, wodurch die Magnetkraft sehr stark ansteigt. Fig. 3 zeigt dabei den Zusammenhang bei einem Verkleinern des Luftspalts und des damit einhergehenden Ansteigens der Magnetkraft. Die sehr stark ausgeprägte Magnetkraft führt zu einem Behindern beim Abfallen des Ankers 2 nach der Ansteuerung (und führt zu einem sehr langen Schließverzug) oder verhindert ein Abfallen sogar ganz (durch Remanenzeffekte aufgrund der nichtlinearen, hysteresebehafteten B-H-Kennlinien von ferromagnetischen Werkstoffen).

In Fig. 1 ist der axiale Restluftspalt über einen metallischen Anschlag umgesetzt, der als Ankererhebung 21 ausgebildet ist. Die Ankererhebung 21 , welche sich dabei außerhalb des Kernbereichs des magnetischen Feldes 18 befindet, verhindert einen „magnetischen Kurzschluss“, also einen direkten metallischen Kontakt zwischen Anker 2 und Magnetkern 6, zu vermeiden / minimieren, was - wie zuvor beschrieben - zu einem langen Schließverzug führen würde. Fig. 4 zeigt dabei das zu Fig. 1 zugehörige Bild, bei dem das Elektromagnetventil 1 in seiner Offenstellung ist. Der Anker 2 ist dabei maximal angezogen und kontaktiert mit seiner Ankererhebung 21 den oberen Anschlag 20. Die Magnetfeldlinien 8, von denen jede immer einen geschlossenen Kreis bildet, können sich daher nicht kontinuierlich über einen direkten Kontakt von Anker 2 und Magnetkern 6 ausbreiten. Es ist immer erforderlich, dass eine jede Magnetfeldlinie den axialen Restluftspalt 7 überwindet, was die vorgenannten Vorteile mit sich bringt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils 1 , bei dem die Ankererhebung 21 des Ankers 2 im Kernbereich des magnetischen Feldes angeordnet ist. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform in Figur 1 und 4 ist die Ankererhebung 21 weiter radial außen angeordnet.

Man erkennt in Fig. 6, die den angezogenen Zustand des Ankers 2 zeigt, dass die (exemplarisch dargestellte) Magnetfeldlinie 8 an ihrem radial inneren Übertritt von Anker 2 zu Magnetkern 6 einen direkten metallischen Kontakt zwischen den Bauteilen nutzen kann, wohingegen der radial äußere Übertritt von Magnetkern 6 zum Anker 2 weiterhin nur über den axialen Restluftspalt 7 erfolgen kann. Die in Fig.

6 dargestellten Magnetfeldlinien 8 haben dabei eine Orientierung, die dem Uhrzeigersinn entspricht.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagnetventils 1. Im Unterschied zu der vorhergehenden Ausführungsform ist die Ankerstirnfläche 13 mit einer nicht-magnetisierbaren (bzw. nur schwach magnetisierbaren) Beschichtung 27 versehen, deren Dicke den axialen Restluftspalt

7 definiert. Werden Anker 2 und Magnetkern 6 aufeinander zu bewegt, sorgt die Beschichtung 27 dafür, dass ein minimaler Abstand zwischen diesen Bauteilen nicht unterschritten werden kann.

Dabei ist dem Fachmann klar, dass es zum Erreichen der Vorteile der vorliegenden Erfindung auch möglich ist, die Beschichtung 27 auf der der Ankerstirnfläche 13 gegenüberliegenden Stirnfläche am Magnetkern 6 und/oder der Spulenummantelung 19 anzuordnen. Als Beschichtung kommt dabei insbesondere eine Kunststoffschicht, beispielsweise eine Polyimid-Schicht infrage.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagnetventils 1 , bei dem anstelle einer Beschichtung eine Scheibe 9 zwischen Anker 2 und Magnetkern 6 angeordnet ist. Der Vorteil des Vorsehens einer Scheibe 9 liegt in der vereinfachten Herstellbarkeit des Elektromagnetventils 1 , da keine aufwendig anzubringende Beschichtung, sondern lediglich das Einlegen einer Scheibe zwischen Anker 2 und Magnetkern 6 erforderlich ist.

Als Material für die Scheibe 9 kommt dabei jedes nicht-magnetisierbare (bzw. nur schwach magnetisierbare) Material infrage, beispielsweise also eine Kunststoff-, insbesondere eine Polyimid-Scheibe oder ein metallisches, nicht-magnetisierbares Blech. Von Vorteil ist dabei, wenn die Dicke der Scheibe im Bereich von 20 bis 500 pm liegt.

Insbesondere die Verwendung von (nichtmetallischen) Polyimid-Scheiben bzw. - folien hat den Vorteil, dass diese eine geringere Steifigkeit als metallisches Blech aufweisen, was den Aufprall des Ankers 2 am oberen Anschlag beim Öffnen dämpft und damit das Prellen reduziert. Zudem besteht in der oberen Ruhelage kein direkter metallischer Kontakt zwischen Anker 2 und Magnetkern 6, so dass im Gegenzug zur Variante mit Blechscheiben kein Elektronenfluss zwischen Anker und Magnetkern stattfindet.

Fig. 9 zeigt dabei -beispielhaft für eine Umsetzung der Scheibe 9 mit einem (nichtmagnetisierbaren) metallischen Material in Form einer Blechscheibe 28- einen Elektronenfluss 29, der über die Blechscheibe 28 stattfinden kann. Die Verwendung eines Materials, dass das Leiten von Elektronen unterbindet, reduziert Wirbelströme, welche nichts Anderes als Bewegung von (negativen) Ladungen, also Elektronen sind. Daher bietet sich insbesondere die Verwendung von Kunststoff bzw. Polyimid als Scheibe oder Bestandteil eines Scheibenstapels bzw. Beschichtung zwischen dem Anker 2 und die Magnetkern 6 an.

Fig. 10 zeigt dabei einen zwischen Anker 2 und Magnetkern 6 angeordneten Scheibenstapel 10, bei dem mehrere Scheiben 11 , 12 in Axialrichtung übereinandergestapelt sind, um bei einem angezogenen Anker 2 einen durch die Dicke der übereinander gestapelten Scheiben 11 , 12 definierten Abstand zum Magnetanker 6 nicht zu unterschreiten. Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Scheiben 11 , 12 miteinander fest verbunden sind, sodass die einzelnen Scheiben 11 , 12 des Scheibenstapels 10 nicht nur lose aneinander aufliegen, sondern miteinander befestigt, beispielsweise verklebt oder dergleichen, sind. Ferner kann der Scheibenstapel 10 auch an einer Stirnseite 13 des Ankers 2 oder einer Stirnseite 14 des Magnetkerns 6 befestigt sein.

Von Vorteil ist dabei insbesondere wenn, wie in Fig. 10 dargestellt, der Scheibenstapel 10 an seinen der Magnetkernstirnfläche 14 und der Ankerstirnfläche 13 zugewandten flächigen Seiten eine Blechscheibe 11 aufweist, und zwischen den Blechscheiben 11 eine Kunststoffscheibe 12, insbesondere eine Polyimidscheibe, vorgesehen ist.

Die mechanische Beanspruchung beim Klemmen zwischen dem Anker 2 und dem Magnetkern 6 wird von einer Blechscheibe besser vertragen, insbesondere wenn der Anker 2 bzw. der Magnetkern 6 einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz 15 aufweist, der sich hin zu einer jeweiligen Stirnfläche 13, 14 erstreckt.

Beispielhaft ist ein solcher Schlitz 15 in den Figs. 11 a-c dargestellt, wobei in Fig. 11a ein Anker 2 ohne Schlitz 15 abgebildet ist, um die sich dabei ausbildenden Wirbelströme darzustellen. Diese sind mit einem in Umfangsrichtung des Ankers 2 sich schließenden Kreis dargestellt, der die grundsätzliche Charakteristik der in dem Anker 2 auftretenden Wirbelströme charakterisiert. Wirbelströme, welche die Dynamik des Magnetventils 1 negativ beeinflussen, fließen vor allem in massiven (d.h. nicht-geblechten) elektrisch leitfähigen Materialien (z.B. Eisen und Eisenlegierungen). Um den Einfluss von Wirbelströmen zu unterbinden oder zumindest zu reduzieren, können Anker 2 und/oder Magnetkern 6 mit jeweils einem oder mehreren Schlitzen (oder ähnlichen Unterbrechungen des Vollkörpers) versehen werden (siehe Figs. 11 b & 11 c). Der mindestens eine Schlitz 15 verhindert das Ausbilden sehr großer, kreisförmiger Wirbelströme und verbessert dadurch den Schließverzug.

Um einen solchen Wirbelstrom zu unterbrechen, kann also ein Schlitz 15 vorgesehen sein, der das Schließen des Wirbelstromkreises verhindert. Ein solcher Schlitz ist dabei beispielsweise in Fig. 11 b dargestellt, der vorliegend die beispielhafte Form eines Zylindersektors aufweist. Andere Ausgestaltungen des Schlitzes 15, können dabei in ihrem axialen Querschnitt einer beliebigen Formgebung unterworfen sein, also beispielsweise rechteckig, keilförmig oder dergleichen sein. Es ist auch nicht erforderlich, dass der Schlitz kleiner oder gleich als der halbe Breitendurchmesser des Ankers 2 ist.

In Fig. 11 b ist der Schlitz 15 nur in dem oberen Teil des Ankers 2 vorhanden, der sich zum unteren Teil des Ankers 2 durch einen vergrößerten Querschnitt auszeichnet. Dabei ist es aber auch möglich, dass der Schlitz auch in den unteren Teil verläuft, solange das Abdichten der Drosselstelle 4 gewährleistet ist.

Der mindestens eine Schlitz 15 kann dabei (im oberen Teil des Ankers 2) axial durchgängig sein oder einen Reststeg 30 belassen, vgl. Fig. 11 c. Eine axial durchgängige Schlitzung (ohne Reststeg 30) ist dabei in der Regel effektiver als eine Schlitzung mit Reststeg 30.

Man erkennt, dass der Schlitz 15 dazu führt, dass die Ankerstirnfläche 13 nun nicht mehr den Querschnitt eines Kreises aufweist. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn zwischen dem Anker 2 und die Magnetkern 6 eine Scheibe aus Kunststoff, insbesondere Polyimid vorgesehen ist. Durch das permanente Einschlagen der Ankerstirnfläche auf diese Scheibe wird eine Stanzwirkung erzeugt, die zu einer Beschädigung der Scheibe führt. Somit führt die Verwendung von Kunststoffscheiben, insbesondere Polyimidscheiben in Kombination mit einem geschlitzten Anker 2 und/oder Magnetkern 6 zu dem Nachteil, dass der im Anker 2 und/oder Magnetkern 6 vorhandene mindestens eine Schlitz 15 wie der Stempel einer Stanzmaschine auf die Kunststoffscheibe wirkt und diese zerstören. Von daher ist es von Vorteil, wenn die unmittelbar mit einer Stirnfläche in Kontakt tretende Scheibe eines Scheibenstapels 10 eine Blechscheibe ist, da diese den Vorteil einer deutlich erhöhten Robustheit bietet und der Stanzwirkung besser widerstehen kann.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der in dem Anker 2 und/oder die Magnetkern 6 vorgesehene Schlitz 15 mit einem nicht-magnetisierbaren Material aufgefüllt ist, sodass zumindest die Stirnfläche des Ankers 2 bzw. des Magnetkörpers 6 eben ausgebildet ist und die Stanzwirkung nicht auftritt.

Bezugszeichenliste:

1 Elektromagnetventil

2 Anker

3 Ankerführung

4 Drosselstelle

5 Spule

6 Magnetkern

7 axialer Restluftspalt

8 Magnetfeldlinien

9 Scheibe

10 Scheibenstapel

11 erste Scheibe; insbes. Kunststoff-Folie

12 zweite Scheibe; insbes. nicht-magnetisierbare Blechscheibe

13 Ankerstirnfläche

14 Magnetkernstirnfläche

15 Schlitz

16 Federelement

17 unterer Ankeranschlag

18 Gehäuse

19 Spulenummantelung

20 oberer Anschlag

21 Ankererhebung

22 Ankerhub-Einstellscheibe

23 Federkraft-Einstellscheibe

24 Hub

25 Dichtfläche

26 Symmetrieachse

27 Beschichtung

28 Blechscheibe

29 Elektronenfluss

30 Reststeg

X Axialrichtung