Magnetbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor und Kraftstoffinjektor

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Magnetbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor, bei dem ein Magnetanker und ein eine Bohrung in Richtung eines Niederdruckbereichs freigebendes bzw. verschließendes Ventilelement als separate Elemente ausgebildet sind, wobei das Ventilelement in einer senkrecht zu einer Längsachse der Magnetbaugruppe verlaufenden Ebene zum Magnetanker freibeweglich angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetbaugruppe.

Stand der Technik

Aus der EP 3469207 B1 der Anmelderin ist eine Magnetbaugruppe mit einem hubbeweglich angeordneten Magnetanker bekannt. Zwischen dem Magnetanker und einem Magnetkern mit darin angeordneter Magnetspule ist eine Restluftspaltscheibe angeordnet. Um zu verhindern, dass durch Adhäsionskräfte die Restluftspaltscheibe bei einer in Richtung einer Schließstellung des Magnetankers verlaufenden Hubbewegung an dem Magnetanker anhaftet, ist die Restluftspaltscheibe mit einer Strukturierung versehen.

Weiterhin ist aus der DE 102009 003 208 A1 der Anmelderin eine Magnetbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor bekannt, bei der der Magnetanker und ein Ventilelement als separate Bauelemente ausgebildet sind. Das Ventilelement ist in Form einer Ventilkugel ausgebildet, die in einer kugelabschnittsförmigen Fläche des Magentankers formschlüssig aufgenommen ist, sodass das Ventilelement in Bezug zu einer senkrecht zu einer Längsachse des Magnetankers verlaufenden Ebene ortsfest in Bezug zum Magnetanker angeordnet ist. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Magnetbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Möglichkeit einer Relativbewegung zwischen dem Ventilelement und dem Magnetanker in einer senkrecht zu einer Längsachse des Magnetankers verlaufenden Ebene eine Bauraumoptimierung des Magnetankerraums sowie eine Optimierung der Werkstoffauswahl des Magentankers zur Verbesserung der Magnetkraft einerseits und der des Ventilelements zur Optimierung der Dichtwirkung bzw. des Verschleißes anderseits erfolgen kann. Für die Funktionalität einer derartigen Lösung ist es jedoch erforderlich, dass das Ventilelement beim Freigeben der Bohrung in der Ventilplatte zum Abströmen von Druckmittel in Richtung des Niederdruckbereichs der Bewegung des Magnetankers stets folgt. Dies ist insofern kritisch, als das Ventilelement in seiner die Bohrung verschließenden Stellung mit seiner der Ventilplatte zugewandten Stirnfläche an der Ventilplatte anliegt, wodurch Adhäsionskräfte erzeugt werden, die der Öffnungsbewegung des Ventilelements entgegenwirken. Diese Adhäsionskräfte zwischen dem Ventilelement und der Ventilplatte sollen daher unter Beibehaltung der Abdichtwirkung des Ventilelements in seiner abgesenkten, die Bohrung verschließenden Position verringert bzw. minimiert werden, sodass bei einem Freigeben der Bohrung das Ventilelement der Bewegung des Magnetankers folgt bzw. stets mit seiner dem Magnetanker zugewandten Stirnseite an der ihr zugewandten Stirnseite des Magnetankers anliegt.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dies durch eine Strukturierung der Ventilplatte auf der dem Ventilelement zugewandten Seite zu ermöglichen, indem durch die Strukturierung die Anlage- bzw. Kontaktfläche zwischen der Ventilplatte und dem Ventilelement in der die Bohrung verschließenden Stellung des Ventilelements verringert wird, sodass dadurch auch die Adhäsionskräfte zwischen der Ventilplatte und dem Ventilelement reduziert werden. Unter einer Strukturierung im Sinne der Erfindung wird dabei eine Oberfläche verstanden, die regelmäßige oder unregelmäßige Vertiefungen o.ä. Oberflächenelemente aufweist, die spanend oder nichtspanend erzeugt werden.

Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher erfindungsgemäß bei einer Magnetbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor vorgesehen, dass diese einen in Richtung einer Längsachse hubbeweglich angeordneten Magnetanker aufweist, der mit einem Ventilelement gekoppelt ist, wobei das Ventilelement zum Freigeben bzw. Verschließen einer in einer Ventilplatte ausgebildeten Bohrung für ein Druckmittel in Richtung eines Niederdruckbereichs dient, wobei das Ventilelement mit seiner dem Magnetanker zugewandten erste Stirnfläche gegen die ihr zugewandte Stirnfläche des Magnetankers anliegt und der Magnetanker in Richtung der ersten Stirnfläche des Ventilelements durch eine Druckfeder kraftbeaufschlagt sind, wobei das Ventilelement in einer Ebene senkrecht zur Längsachse relativ zum Magnetanker beweglich angeordnet ist, und wobei eine dem Ventilelement zugewandte Auflagefläche der Ventilplatte für das Ventilelement mit einer Strukturierung zur Verringerung einer Adhäsionskraft zwischen dem Ventilelement und der Ventilplatte ausgebildet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Magnetbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In besonders bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung des Ventilelements, bei der dieses sich besonders einfach und genau fertigen lässt, ist es vorgesehen, dass das Ventilelement stiftförmig mit zwei in Richtung der Längsachse betrachtet gegenüberliegend angeordneten, ebenen Stirnflächen ausgebildet ist, und dass die zweite Stirnfläche des Magnetankers zumindest im Überdeckungsbereich mit dem Ventilelement eben ausgebildet ist. Durch die ebenen, in Anlage befindlichen ebenen Stirnflächen des Ventilelements und des Magnetankers lassen sich darüber hinaus in gewünschter Weise die Adhäsionskräfte zwischen dem Magnetanker und dem Ventilelement vergrößern bzw. optimieren. Hierbei ist es wichtig, dass die einander zugewandten ebenen Stirnseiten des Magnetankers und des Ventilbolzens gegebenenfalls bezüglich ihrer Oberfläche besonders glatt bzw. mit geringen Oberflächenrauigkeiten ausgebildet sind, um die Öffnungsbewegung des Ventilelements bei einer Aufwärtsbewegung des Magnetankers zu unterstützen bzw. für eine stetige Anlage des Ventilelements an dem Magnetanker sorgen.

Die Strukturierung an der Ventilplatte umfasst wenigstens eine nutartige Vertiefung. Der Querschnitt der Vertiefung bzw. die Querschnittsform der Vertiefung ist dabei entsprechend der gewählten Fertigungsmethode zum Ausbilden der Vertiefung ausgebildet, und ist entweder beispielsweise rechteckförmig oder aber mit einem in Richtung eines Nutgrunds vergrößernden oder verkleinernder Querschnitt ausgebildet. Insbesondere lassen sich derartige Vertiefungen entweder durch eine Laserstrahlvorrichtung, oder aber durch spanende Verfahren herstellen.

In einer geometrisch bevorzugten ersten Ausgestaltung der Strukturierung bzw. der Vertiefung ist diese als konzentrisch um die Längsachse angeordneter Kreisbogenabschnitt oder Kreis ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vertiefung auch geradlinig ausgebildet sein.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Vertiefungen vorgesehen sind, die sich zumindest teilweise schneiden und dadurch beispielsweise ein Gittermuster ausbilden.

Derartige Vertiefungen können sich entweder über die gesamte Fläche der Ventilplatte erstrecken oder lediglich über einen radial inneren Bereich der Ventilplatte. Im ersten Fall, bei dem sich die Vertiefungen auch über den radial äußeren Bereich der Ventilplatte erstrecken, lassen sich derartige Vertiefungen mit Blick auf das gewählte Fertigungsverfahren besonders einfach herstellen. Bei der zweiten Lösung, bei der sich die Vertiefungen in einem radial inneren Bereich der Ventilplatte erstrecken, ist es von Vorteil, wenn dieser Bereich den gesamten Bereich umfasst, über den sich das Ventilelement in radialer Richtung (in Bezug auf die Längsachse) bewegen kann.

Unabhängig von Form, Anordnung und Anzahl der Vertiefungen ist erforderlich, dass bei einer Anlage des Ventilelements an der Ventilplatte die erforderliche (hydraulische) Abdichtung der Bohrung bzw. Abströmöffnung durch das Ventilelement ermöglicht wird, d.h., dass die Vertiefungen keine unmittelbare Verbindung zwischen der Bohrung zum Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors herstellen.

Eine weitere bevorzugte geometrische Ausgestaltung der wenigstens einen Vertiefung sieht vor, dass diese eine Breite zwischen 10 pm und 300 pm, vorzugsweise zwischen 50 pm und 100 pm, aufweist. Weiterhin umfasst die Erfindung auch einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Kraftstoffinjektor für selbstzündende Brennkraftmaschinen, mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäß ausgestalteten Magnetbaugruppe.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor im Bereich einer Magnetbaugruppe,

Fig. 2 bis

Fig. 4 jeweils Draufsichten auf unterschiedliche ausgebildeten Strukturierungen im Bereich einer Ventilplatte der Magnetbaugruppe und

Fig. 5a bis

Fig. 5e jeweils Längsschnitte im Bereich von unterschiedlich ausgebildeten nutartigen Vertiefungen der Strukturierungen.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In der Fig. 1 ist ein Teilbereich eines im Einzelnen nicht dargestellten Kraftstoffinjektors 100 für eine selbstzündende Brennkraftmaschine im Bereich einer Magnetbaugruppe 10 dargestellt. Die Magnetbaugruppe 10 ist innerhalb eines Ventilgehäuses 12 angeordnet und umfasst einen Magnetkern 14 mit einer in einer radial umlaufenden Nut angeordneten, elektrisch bestrombaren Magnetspule 16. Der Magnetkern 14 weist eine Stufenbohrung 18 auf, wobei in einem einen größeren Durchmesser aufweisenden Abschnitt der Stufenbohrung 18 eine erste Druckfeder 20 angeordnet ist. Eine zweite Druckfeder 22 wirkt auf den Magnetkern 14 an der ihr zugewandten Stirnfläche und drückt den Magnetkern 14 in Richtung eines ortsfest im Ventilgehäuse 12 angeordneten Distanzrings 24. Der Distanzring 24 umgibt einen Magnetankerraum 25 radial, wobei in dem Magnetankerraum 25 ein im Ausführungsbeispiel flacher bzw. scheibenförmiger Magnetanker 26 angeordnet ist. Die erste Druckfeder 20 liegt mit der dem Magnetanker 26 zugewandten Stirnseite an dem Magnetanker 26 an und drückt den Magnetanker 26 in Richtung einer Längsachse 28 des Magnetankers 25 bzw. in Richtung einer Schließstellung. Demgegenüber wird bei einer Bestromung der Magnetspule 16 der Magnetanker 26 entgegen der Federkraft der ersten Druckfeder 20 in Richtung zum Magnetkern 14 bewegt.

In Richtung der Längsachse 28 betrachtet schließt sich an den Distanzring 24 beispielhaft ein Führungsring 30 mit einer konzentrisch zur Längsachse 28 ausgebildeten Durchgangsbohrung 32 an. Auf der dem Distanzring 24 abgewandten Seite des Führungsrings 30 schließt sich wiederum eine ortsfest in dem Ventilgehäuse 12 angeordnete Ventilplatte 35 an.

Die Ventilplatte 35 weist eine konzentrisch zur Längsachse 28 ausgebildete Bohrung 36 auf, wobei die Bohrung 36 auf der dem Führungsring 30 zugewandten Seite einen ersten Abschnitt 37 hat. An den ersten Abschnitt 37 schließt sich ein zweiter Abschnitt 38 an, der gegenüber dem ersten Abschnitt 37 einen größeren Durchmesser aufweist. Die Bohrung 36 bildet insbesondere einen Steuerraum mit unter Druck stehendem Kraftstoff des Kraftstoffinjektors 100 aus, der dazu dient, ein in der Figur nicht dargestelltes Ventilglied (Düsennadel) zu bewegen, um damit, wie an sich bekannt, ein Einspritzen von Brennstoff in den Brennraum der selbstzündenden Brennkraftmaschine zu ermöglichen.

Zum Verschließen bzw. Öffnen und Freigeben der Bohrung 36, die als Abströmbohrung in Richtung eines Niederdruckbereichs bzw. zum Magnetankerraum 25 dient, bildet die Ventilplatte 35 auf der dem Magnetankerraum 25 zugewandten Stirnseite eine Auflagefläche 40 aus, die mit einem Ventilelement 42 zusammenwirkt. Das Ventilelement 42 ist als zylindrisches Ventilelement 42 ausgebildet und weist auf der dem Magnetanker 26 zugewandten Seite eine erste Stirnfläche 43 und auf der der Ventilplatte 35 zugewandten Seite eine zweite Stirnfläche 44 auf, die jeweils als ebene Stirnflächen 43, 44 senkrecht zur Längsachse 28 verlaufen.

Das Material des Ventilelements 42 ist beispielsweise mit Blick auf dessen Verschleiß optimiert, indem das Ventilelement 42 beispielsweise mit einer Beschichtung versehen ist. Demgegenüber besteht der Magnetanker 26 aus einem gegenüber dem Ventilelement 42 unterschiedlichen Material, beispielsweise zur Optimierung der magnetischen Eigenschaften im Zusammenwirken mit dem Magnetkern 14 bzw. der Magnetspule 16.

Das Ventilelement 42 ist mit radialem Spiel in der Durchgangsbohrung 32 des Führungsrings 30 angeordnet, sodass das Ventilelement 42 in einer senkrecht zur Richtung der Längsachse 28 verlaufenden Ebene (radial) beweglich bzw. verschiebbar angeordnet ist, und lediglich mit seiner ersten Stirnfläche 43 an der ihr zugewandten Stirnfläche 45 des Magnetankers 26 radial beweglich anliegt. Weiterhin ist die Auflagefläche 40 der Ventilplatte 35 in dem Bereich, in dem das Ventilelement 42 mit seiner zweiten Stirnfläche 44 aufliegt, wenn das Ventilelement 42 über den Magnetanker 26 von der Federkraft der ersten Druckfeder 20 kraftbeaufschlagt ist, als Dichtbereich 46 ausgebildet.

Für die Funktion der Magnetbaugruppe 10, insbesondere für das kontrollierte Freigeben bzw. Verschließen des ersten Abschnitts 37 der Bohrung 36 bei einer Bestromung der Magnetspule 16 ist es wesentlich, dass das Ventilelement 42 der Hubbewegung des Magnetankers 26 folgt, d.h., dass das Ventilelement 42 mit seiner ersten Stirnfläche 43 stets an der Stirnfläche 45 des Magnetankers 26 anliegt.

Hierzu ist es wesentlich, dass bei einer Bewegung des Magentankers 26 und des Ventilelements 42 in Richtung zum Magnetkern 14 aus der die Bohrung 36 verschließenden Stellung zum Freigeben der Bohrung 36 die infolge hydraulischer Effekte zwischen dem Ventilelement 42 und dem Magnetanker 26 im Anlagebereich ausgebildete Adhäsionskraft Fi , die in Richtung zum Magnetanker 26 wirkt, stets größer ist als die zwischen der Ventilplatte 35 und der zweiten Stirnfläche 44 des Ventilelements 42 ausgebildete Adhäsionskraft F2, die in Richtung der Ventilplatte 35 wirkt. Um dies zu gewährleisten, weist die Ventilplatte 35 auf der dem Ventilelement 42 zugewandten Seite im Bereich der Auflagefläche 40 eine Strukturierung 50 auf.

In einer ersten, in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer derartigen Strukturierung 50 weist diese in Bezug zur Längsachse 28 eine ringförmige Vertiefung 52 auf, an die sich in radialer Richtung betrachtet von der Vertiefung 52 ausgehende, geradlinig ausgebildete Vertiefungen 54 anschließen, die jeweils mit der Längsachse 28 ausgerichtet sind. Die geradlinigen Vertiefungen 54 reichen dabei von der Vertiefung 52 lediglich über einen Teilbereich der Fläche der Ventilplatte 35, d.h., dass diese sich lediglich über einen radial inneren Bereich der Ventilplatte 35 erstrecken. Der schraffierte Bereich 56 in der Fig. 2 kennzeichnet dabei den Bereich der Auflage bzw. die Kontaktfläche zwischen der zweiten Stirnfläche 44 des Ventilelements 42 und der Ventilplatte 35. Insbesondere erkennt man, dass die Vertiefungen 54 in radialer Richtung betrachtet sich über den gesamten schraffierten Bereich 56 erstrecken. Dadurch ist gewährleistet, dass das Ventilelement 42 auch bei einer (geringfügigen) radialen Bewegung infolge seiner Beweglichkeit relativ zum Magnetanker 26 stets noch im Bereich der Strukturierung 50 sich befindet.

In der Fig. 3 ist eine weitere Strukturierung 50a gezeigt. Die Strukturierung 50a umfasst neben den geradlinig ausgebildeten Vertiefungen 54 eine um die Längsachse 28 konzentrisch umlaufende, kreisförmige Vertiefung 58.

In der Fig. 4 ist eine Strukturierung 50b dargestellt, die eine Vielzahl von geradlinig ausgebildeten, sich schneidenden Vertiefungen 60 aufweist, die in Form eines Gitters 62 angeordnet sind.

Die Vertiefungen 54, 58 und 60 sind als nutförmige Vertiefungen 54, 58 und 60, beispielsweise mittels einer Laserstrahleinrichtung, durch einen chemischen (Entgrate-) Prozess oder aber durch spanende Bearbeitung hergestellt. Die Querschnittsform der Vertiefungen 54, 58 und 60 kann in vielfältiger Art und Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Vertiefung 54, 58 und 60 eine Tiefe zwischen 10pm und 30pm, vorzugsweise etwa 20pm auf. Die Nuttiefe wird von dem erwarteten Verschleiß und von dem Fertigungsverfahren beeinflusst. Weiterhin ist die Nuttiefe hinsichtlich der Ausbildung der Adhäsionskraft F2 zwischen dem Ventilelement 42 und der Ventilplatte 35 insofern von Bedeutung, dass stets mindestens eine Vertiefung 54, 58 und 60 die Auflagefläche 40 unterbrechen muss. Die Nutbreite der Vertiefungen 54, 58 und 60 wird im Wesentlichen von dem Fertigungsverfahren der Vertiefung 54, 58 und 60 bestimmt und kann daher eine relativ große Schwankungsbreite aufweisen.

Vorzugswiese weist die Vertiefung 54, 58 und 60 eine Breite zwischen 10pm und 300pm auf. Die Nutbreite ist hinsichtlich der Adhäsionskraft F2 zwischen dem Ventilelement 42 und der Ventilplatte 35 insofern von Bedeutung, dass viele kleine Restflächen eine ausreichende Robustheit gegenüber dem Verschleiß bei gleichzeitig geringer Adhäsionskraft F2 ermöglichen.

Entsprechend der Fig. 5a können die soweit oben beschriebenen Vertiefungen 54, 58 und 60 beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. In der Fig. 5b ist der Querschnitt der Vertiefungen 54, 58 und 60 demgegenüber mit einem gerundet ausgebildeten Nutgrund 62 ausgebildet. In der Fig. 5c ist dargestellt, dass der Querschnitt der Vertiefungen 54, 58 und 60 trichterabschnittsförmig ausgebildet sein kann. Die Fig. 5d zeigt einen

Querschnitt der Vertiefungen 54, 58 und 60, der entsprechend der Fig. 5c, jedoch in entgegengesetzter Anordnung der trichterabschnittsförmigen Vertiefungen 54, 58 und 60 angeordnet ist. Zuletzt zeigt die Fig. 5e im Querschnitt dreiecksförmige Vertiefungen 54, 58 und 60.