DE102021212790A1

DE102021212790A1 - Electromagnetically actuable valve and method of manufacture

Info

Publication number: DE102021212790A1
Application number: DE102021212790.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Anish Singh; Alexander Schenk zu Schweinsberg; Juergen Graner; Markus Amler; Holger Rapp; Michael Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Ein elektromagnetisch betätigbares Ventil hat eine Magnetspule (10), einen Anker (20), eine bewegbare Ventilnadel (3) sowie einen mit der Ventilnadel (3) direkt in Verbindung stehenden Ventilschließkörper (4), der zusammen mit einer Ventilsitzfläche (6) einen Dichtsitz bildet, sowie wenigstens eine stromabwärts der Ventilsitzfläche (6) ausgeformte Abspritzöffnung (7). Der Anker (20) ist auf der Ventilnadel (3) in begrenztem Maße beweglich angeordnet, um einen Ankerfreiweg ausführen zu können. An der Ventilnadel (3) ist ein unteres Anschlagelement (34) vorgesehen, an dem der Anker (20) im unbestromten Zustand der Magnetspule (10) ruht. Das Anschlagelement (34) weist an seiner zum Anker (20) hin gewandten oberen Anschlagfläche (40) und/oder der Anker (20) an seiner zum Anschlagelement (34) hin gewandten unteren Anlagefläche mehrere eine radiale Ausrichtung aufweisende Nuten (42) auf.An electromagnetically actuatable valve has a magnetic coil (10), an armature (20), a movable valve needle (3) and a valve closing body (4) which is directly connected to the valve needle (3) and which, together with a valve seat surface (6), forms a sealing seat and at least one spray opening (7) formed downstream of the valve seat surface (6). The armature (20) is arranged to be movable to a limited extent on the valve needle (3) in order to be able to move the armature freely. A lower stop element (34) is provided on the valve needle (3), on which the armature (20) rests when the magnet coil (10) is in the de-energized state. The stop element (34) has a plurality of radially aligned grooves (42) on its upper stop surface (40) facing the armature (20) and/or the armature (20) on its lower contact surface facing the stop element (34).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on an electromagnetically operable valve according to the species of the main claim.

Aus der DE 33 05 039 A1 ist bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils bekannt, das u.a. ein Ventilgehäuse und einen als Innenpol dienenden Kern aus ferromagnetischem Material sowie einen axial bewegbaren Anker, der ein mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkendes Ventilteil betätigt, umfasst. Bei erregter Magnetspule wird der Anker gegen eine Anschlagfläche an der unteren Stirnfläche des Ventilgehäuses gezogen. Die Anschlagfläche wird einerseits durch eine Innenbohrung des Ventilgehäuses und andererseits durch den Rand einer Nut begrenzt, die in der Stirnfläche des Ventilgehäuses ausgebildet ist. Der Umfang des Ankers überdeckt dabei teilweise die Nut.From the DE 33 05 039 A1 an electromagnetically actuable valve in the form of a fuel injection valve is already known, which includes a valve housing and a core made of ferromagnetic material serving as an inner pole, as well as an axially movable armature that actuates a valve part that interacts with a fixed valve seat. When the solenoid coil is energized, the armature is pulled against a stop surface on the lower face of the valve body. The stop surface is delimited on the one hand by an inner bore of the valve housing and on the other hand by the edge of a groove which is formed in the end face of the valve housing. The circumference of the armature partially covers the groove.

Aus der EP 0 683 861 B1 ist ebenfalls bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, das u.a. einen als Innenpol dienenden Kern aus ferromagnetischem Material, eine Magnetspule sowie einen axial bewegbaren Anker, der ein mit einem festen Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließkörper betätigt und bei erregter Magnetspule gegen eine Anschlagfläche des Kerns gezogen wird, umfasst. Wenigstens eine der beiden Stirnflächen der Bauteile Anker und Kern, die jeweils zu dem anderen gegenüberliegenden Bauteil gerichtet sind, ist in einen Anschlagabschnitt und wenigstens einen gegenüber dem Anschlagabschnitt vertieften Stufenabschnitt aufgeteilt. Der Anschlagabschnitt hat dabei eine genau definierte Breite.From the EP 0 683 861 B1 an electromagnetically actuable valve in the form of a fuel injection valve for fuel injection systems of internal combustion engines is also already known, which has, among other things, a core made of ferromagnetic material serving as the inner pole, a magnet coil and an axially movable armature which actuates a valve closing body which interacts with a fixed valve seat and when the magnet coil is energized is pulled against an abutment surface of the core. At least one of the two end faces of the armature and core components, which are each directed towards the other opposing component, is divided into a stop section and at least one step section which is recessed in relation to the stop section. The stop section has a precisely defined width.

Aus der DE 10 2010 064 097 A1 ist des Weiteren bereits ein elektromagnetisch betätigbares Ventil bekannt, das eine Magnetspule, einen Anker, eine bewegbare Ventilnadel sowie einen mit der Ventilnadel direkt in Verbindung stehenden Ventilschließkörper, der zusammen mit einer Ventilsitzfläche einen Dichtsitz bildet, und wenigstens eine stromabwärts der Ventilsitzfläche ausgeformte Abspritzöffnung besitzt. Der Anker ist auf der Ventilnadel in begrenztem Maße beweglich angeordnet, um einen Ankerfreiweg ausführen zu können. An der Ventilnadel ist ein unteres Anschlagelement vorgesehen, an dem der Anker im unbestromten Zustand der Magnetspule ruht. Das Anschlagelement weist an seiner gesamten zum Anker hin gewandten oberen Anschlagfläche eine Struktur bestehend aus einer Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen auf.From the DE 10 2010 064 097 A1 Furthermore, an electromagnetically actuated valve is already known, which has a magnetic coil, an armature, a movable valve needle and a valve closing body which is directly connected to the valve needle and forms a sealing seat together with a valve seat surface, and has at least one spray opening formed downstream of the valve seat surface. The armature is arranged to be movable to a limited extent on the valve needle in order to be able to move the armature freely. A lower stop element is provided on the valve needle, on which the armature rests in the de-energized state of the magnet coil. The stop element has a structure consisting of a large number of elevations and depressions on its entire upper stop surface facing the armature.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Ventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass das in flüssigen Medien auftretende hydraulische Kleben bei einem Ventil mit Ankerfreiwegkonstruktion, bei der ein Magnetanker zwischen Anschlägen auf der Ventilnadel in begrenztem Maße beweglich ist, im Ablösevorgang des Ankers aus der Ruhestellung vermindert bzw. vermieden und ein Saugnapfeffekt verhindert wird.The electromagnetically actuated valve according to the invention with the features of the main claim has the advantage that the hydraulic sticking that occurs in liquid media in a valve with an armature free-travel design, in which a magnet armature can move to a limited extent between stops on the valve needle, in the process of detaching the armature from the rest position reduced or avoided and a suction cup effect is prevented.

Erfindungsgemäß wird wenigstens eine der beiden Anschlag- bzw. Anlageflächen von Anker und Anschlagelement mit mehreren eine radiale Ausrichtung aufweisenden Nuten versehen. Durch die Art und Form dieser Struktur werden an der Anschlagfläche vorhandene umfänglich verlaufende, konzentrische, durch Drehbearbeitung entstandene Riefen mit den erfindungsgemäßen Nuten unterbrochen.According to the invention, at least one of the two stop or contact surfaces of the armature and stop element is provided with a plurality of grooves having a radial orientation. Due to the type and shape of this structure, circumferential, concentric grooves that are present on the abutment surface and are produced by turning are interrupted with the grooves according to the invention.

Neben dem eigentlichen hydraulischen Klebeeffekt kann es nämlich bei bekannten gedrehten Anschlagflächen noch einen weiteren physikalischen Effekt geben, der das Abheben des Ankers von dem Anschlagelement verzögert. Dieser kann auftreten, wenn die Oberflächen wenigstens eines der Anschlagpartner konzentrische, durch die Bearbeitung des Drehens entstandene Riefen enthalten, in denen Brennstoff bei auf dem Anschlagelement aufliegendem Anker eingeschlossen wird. Vor dem Auftreffen des Ankers auf dem Anschlagelement wird Brennstoff aus dem Bereich dieser Riefen verdrängt, so dass kurz vor dem Aufschlag des Ankers der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit seitlich radial entweicht. Im Moment des Aufschlagens des Ankers hat somit Brennstoff an kleinen Undichtigkeitsstellen am Rand der jeweiligen Riefe eine sehr hohe Geschwindigkeit und damit kinetische Energie. Zudem werden die Ränder der Riefen zum Aufschlagzeitpunkt elastisch gestaucht und es kann zu einem Saugnapfeffekt kommen, wenn beim Rückfedern dieser Ränder keine Flüssigkeit in die verschlossenen Riefen nachströmen kann.In addition to the actual hydraulic sticking effect, there can be another physical effect with known rotated stop surfaces, which delays the lifting of the armature from the stop element. This can occur if the surfaces of at least one of the abutment partners contain concentric scores caused by the machining of the turning, in which grooves fuel is enclosed when the armature rests on the abutment element. Before the armature hits the stop element, fuel is displaced from the area of these grooves, so that shortly before the armature impacts, the fuel escapes radially to the side at high speed. At the moment the armature hits, fuel has a very high speed and therefore kinetic energy at small leak points on the edge of the respective groove. In addition, the edges of the grooves are elastically compressed at the time of impact and a suction cup effect can occur if no liquid can flow into the closed grooves when these edges spring back.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass Drehriefen nicht mehr über ihren gesamten Umfang dicht verschlossen werden können und das dauerhafte Einschließen eines unter geringerem Druck stehenden Brennstoffvolumens in Drehriefen nicht mehr möglich ist, so dass keine erhöhten Zugkräfte für das Abheben des Ankers erforderlich sind. Die der Ankerbewegung entgegen gerichtete Kraft wird reduziert, so dass das freie Loslaufen des Ankers beim Bestromen des Ventils unterstützt wird.The advantage of the solution according to the invention is that rotary grooves can no longer be sealed tightly over their entire circumference and the permanent inclusion of a fuel volume under lower pressure in rotary grooves is no longer possible, so that no increased tensile forces are required to lift the armature. The force opposing the movement of the armature is reduced, so that the armature can move freely when the valve is energized.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Ventils möglich.The measures listed in the dependent claims are advantageous developments and improvements to the valve specified in the main claim are possible.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nuten weitgehend gleichverteilt über den Umfang der wenigstens einen Anschlagfläche angeordnet sind. Dabei sollte eine Tiefe der Nuten und auch eine Breite der Nuten in der Größenordnung von 2 bis 50 µm liegen. Dabei hat eine Überschreitung des Richtwerts von 50 µm in der Tiefe und /oder in der Breite keine negativen Auswirkungen auf die Funktion der Erfindung, während eine Unterschreitung des Richtwerts von 2 µm zu funktionalen Einschränkungen führen kann.It is particularly advantageous if the grooves are distributed largely uniformly over the circumference of the at least one stop surface. The depth of the grooves and also the width of the grooves should be in the order of 2 to 50 μm. Exceeding the guide value of 50 μm in depth and/or width has no negative effects on the function of the invention, while falling below the guide value of 2 μm can lead to functional limitations.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 einen axialen Schnitt durch ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik,
2 eine vergrößerte schematisierte Draufsicht auf ein erstes Anschlagelement für den Anker und
3 eine vergrößerte schematisierte Draufsicht auf ein zweites Anschlagelement für den Anker.

Exemplary embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it

1 an axial section through a fuel injector according to the prior art,
2 an enlarged schematic plan view of a first stop element for the anchor and
3 an enlarged schematic top view of a second stop element for the anchor.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

Bevor anhand der 2 und 3 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Ventilen in ihren Ankeranschlagbereichen näher beschrieben werden, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand von 1 ein bereits bekanntes Brennstoffeinspritzventil bezüglich seiner wesentlichen Bauteile kurz erläutert werden.Before using the 2 and 3 Exemplary embodiments of electromagnetically actuated valves according to the invention are described in more detail in their armature stop areas, for a better understanding of the invention, first with reference to FIG 1 an already known fuel injection valve will be explained briefly with regard to its essential components.

Das in 1 dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ausgeführt. Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Es soll jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Anschlagbereichs nur beispielhaft anhand eines solchen Brennstoffeinspritzventils 1 beschrieben wird, die Erfindung jedoch auch an Brennstoffeinspritzventilen anderer Bauart oder auch anderen elektromagnetisch betätigbaren Ventilen umgesetzt sein kann.This in 1 Fuel injection valve 1 shown is in the form of a fuel injection valve 1 for fuel injection systems of mixture-compressing, spark-ignited internal combustion engines. Fuel injection valve 1 is particularly suitable for injecting fuel directly into a combustion chamber (not shown) of an internal combustion engine. However, it should be expressly pointed out that the design of the stop area according to the invention is only described as an example using such a fuel injector 1, but the invention can also be implemented on fuel injectors of a different type or other electromagnetically actuated valves.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 besteht aus einem Düsenkörper 2, in welchem eine Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht mit einem Ventilschließkörper 4 in Wirkverbindung, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten Ventilsitzfläche 6 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein nach innen öffnendes Brennstoffeinspritzventil 1, welches über wenigstens eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der Düsenkörper 2 ist durch eine Dichtung 8 gegen einen Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet. Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt und auf einen Spulenträger 12 gewickelt, welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt. Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch eine Verengung 26 voneinander getrennt und miteinander durch ein nicht ferromagnetisches Verbindungsbauteil 29 verbunden. Die Magnetspule 10 wird über eine Leitung 19 von einem über einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben, die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.The fuel injection valve 1 consists of a nozzle body 2 in which a valve needle 3 is arranged. The valve needle 3 is in operative connection with a valve closing body 4 which cooperates with a valve seat surface 6 arranged on a valve seat body 5 to form a sealing seat. In the exemplary embodiment, fuel injector 1 is a fuel injector 1 that opens inwards and has at least one spray-discharge opening 7 . The nozzle body 2 is sealed against an outer pole 9 of a magnetic coil 10 by a seal 8 . The magnetic coil 10 is encapsulated in a coil housing 11 and wound onto a coil carrier 12 which bears against an inner pole 13 of the magnetic coil 10 . The inner pole 13 and the outer pole 9 are separated from each other by a constriction 26 and connected to each other by a non-ferromagnetic connecting member 29 . The magnetic coil 10 is excited via a line 19 by an electrical current that can be supplied via an electrical plug contact 17 . The plug contact 17 is surrounded by a plastic casing 18 which can be injection molded onto the inner pole 13 .

Die Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche scheibenförmig ausgeführt ist. Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15. Stromaufwärts der Einstellscheibe 15 befindet sich ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich eine Rückstellfeder 23 ab, welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch eine Einstellhülse 24 auf Vorspannung gebracht wird.The valve needle 3 is guided in a valve needle guide 14 which is disk-shaped. A paired shim 15 is used to adjust the stroke. An armature 20 is located upstream of the shim 15. This is non-positively connected via a first flange 21 to the valve needle 3, which is connected to the first flange 21 by a weld seam 22. A restoring spring 23 is supported on first flange 21 and is pretensioned by an adjusting sleeve 24 in the present design of fuel injector 1 .

In der oberen Ventilnadelführung 14, im Anker 20 und an einem unteren Führungselement 36 verlaufen Brennstoffkanäle 30, 31 und 32. Der Brennstoff wird über eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen eine nicht weiter dargestellte Brennstoffverteilerleitung und durch eine weitere Dichtung 37 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf abgedichtet.Fuel channels 30, 31 and 32 run in the upper valve needle guide 14, in the armature 20 and on a lower guide element 36. The fuel is supplied via a central fuel supply 16 and filtered by a filter element 25. Fuel injection valve 1 is sealed by a seal 28 against a fuel distributor line (not shown) and by a further seal 37 against a cylinder head (not shown).

An der abspritzseitigen Seite des Ankers 20 ist ein ringförmiges Dämpfungselement 33, welches aus einem Elastomerwerkstoff besteht, angeordnet. Es liegt auf einem zweiten Flansch 34 auf, welcher über eine Schweißnaht 35 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 3 verbunden ist. Das Dämpfungselement 33 dient dem Entprellen des Ventils beim Anschlagen des Ankers 20 an dem unteren Flansch 34, der damit indirekt ein Anschlagelement bildet.An annular damping element 33, which consists of an elastomer material, is arranged on the side of the armature 20 on the spray-discharge side. It rests on a second flange 34 which is non-positively connected to the valve needle 3 via a weld seam 35 . The damping element 33 serves to debounce the valve when the armature 20 strikes the lower flange 34, which thus indirectly forms a stop element.

Zwischen dem ersten Flansch 21 und dem Anker 20 ist eine Vorhubfeder 38 angeordnet, welche den Anker 20 im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 indirekt über das Dämpfungselement 33 in Anlage an dem zweiten Flansch 34 hält. Die Federkonstante der Vorhubfeder 38 ist dabei wesentlich kleiner als die Federkonstante der Rückstellfeder 23.A pre-stroke spring 38 is arranged between the first flange 21 and the armature 20 holds armature 20 in contact with second flange 34 indirectly via damping element 33 when fuel injector 1 is in the idle state. The spring constant of the pre-stroke spring 38 is significantly smaller than the spring constant of the return spring 23.

Im Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von der Rückstellfeder 23 und der Vorhubfeder 38 entgegen seiner Hubrichtung so beaufschlagt, dass der Ventilschließkörper 4 an der Ventilsitzfläche 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches den Anker 20 zunächst entgegen der Federkraft der Vorhubfeder 38 in Hubrichtung bewegt, wobei ein Ankerfreiweg durch den Abstand zwischen dem ersten Flansch 21 und dem Anker 20 vorgegeben ist. Nach Durchlaufen des Ankerfreiwegs nimmt der Anker 20 den ersten Flansch 21, welcher mit der Ventilnadel 3 verschweißt ist, entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 ebenfalls in Hubrichtung mit. Der Anker 20 durchläuft dabei einen Gesamthub, der der Höhe des Arbeitsspaltes 27 zwischen dem Anker 20 und dem Innenpol 13 entspricht. Der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende Ventilschließkörper 4 hebt von der Ventilsitzfläche 6 ab, und der über die Brennstoffkanäle 30 bis 32 geführte Brennstoff wird durch die Abspritzöffnung 7 abgespritzt.When fuel injector 1 is at rest, armature 20 is acted upon by restoring spring 23 and pre-stroke spring 38 counter to its stroke direction in such a way that valve-closing body 4 is held in sealing contact with valve seat surface 6 . When the magnet coil 10 is energized, it builds up a magnetic field which initially moves the armature 20 in the lifting direction against the spring force of the pre-stroke spring 38 , with an armature free travel being predetermined by the distance between the first flange 21 and the armature 20 . After passing through the free travel of the armature, the armature 20 also takes along the first flange 21, which is welded to the valve needle 3, against the spring force of the restoring spring 23 in the stroke direction. The armature 20 runs through a total stroke that corresponds to the height of the working gap 27 between the armature 20 and the inner pole 13 . The valve closing body 4 connected to the valve needle 3 lifts off the valve seat surface 6 and the fuel guided via the fuel channels 30 to 32 is sprayed off through the spray-discharge opening 7 .

Wird der Spulenstrom abgeschaltet, fällt der Anker 20 nach genügendem Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in Verbindung stehende erste Flansch 21 entgegen der Hubrichtung bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird. Die Vorhubfeder 38 beaufschlagt den Anker 20 dann wiederum so, dass dieser nicht von dem zweiten Flansch 34 zurückprellt, sondern ohne Anschlagspreller in den Ruhezustand zurückkehrt.If the coil current is switched off, the armature 20 falls away from the inner pole 13 after the magnetic field has sufficiently dissipated due to the pressure of the return spring 23, as a result of which the first flange 21 connected to the valve needle 3 moves in the opposite direction to the stroke direction. As a result, valve needle 3 is moved in the same direction, as a result of which valve closing body 4 touches valve seat surface 6 and fuel injector 1 is closed. The pre-stroke spring 38 then acts on the armature 20 in such a way that it does not bounce back from the second flange 34 but returns to the resting state without a stop bounce.

Es sei angemerkt, dass auch ein ballistischer Betrieb des Ankers 20 möglich ist, bei der die Bestromung der Magnetspule 10 derart erfolgt, dass der Anker 20 gar nicht am Innenpol 13 anschlägt und also vor dem Erreichen des Innenpols 13 bereits die Richtungsumkehr des Ankers 20 stattfindet.It should be noted that ballistic operation of the armature 20 is also possible, in which the magnetic coil 10 is energized in such a way that the armature 20 does not strike the inner pole 13 at all and the direction of the armature 20 reverses before the inner pole 13 is reached .

Wird auf ein Dämpfungselement 33 im Bereich des unteren Anschlags verzichtet, liegt der Anker 20 im unbestromten Zustand an der metallischen Oberfläche des unteren Flansches 34, der allgemein ein an der Ventilnadel 3 befestigtes Anschlagelement darstellt, an. Beim Bestromen muss sich der Anker 20 an dieser Anschlagfläche 40 des Anschlagelements 34 lösen, um nach oben hin den Ankerfreiweg durchlaufen zu können. Dieses Lösen wird durch hydraulisches Kleben zwischen dem Anker 20 und dem Anschlagelement 34 erschwert und verzögert, im extremsten Fall sogar verhindert. Das hydraulische Kleben ist Folge einer Einglättung der beiden Anschlagoberflächen über die Laufzeit des Ventils.If there is no damping element 33 in the area of the lower stop, the armature 20 rests in the de-energized state on the metal surface of the lower flange 34 , which generally represents a stop element fastened to the valve needle 3 . When energized, the armature 20 must detach from this stop surface 40 of the stop element 34 in order to be able to pass through the armature free path in an upward direction. This loosening is made more difficult and delayed by hydraulic sticking between the armature 20 and the stop element 34, and in the most extreme case it is even prevented. The hydraulic sticking is the result of a smoothing of the two stop surfaces over the life of the valve.

Dieses hydraulische Kleben führt dazu, dass, obwohl die Magnetkraft die Schließkraft der Vorhubfeder 38 bereits überschreitet, der Anker 20 anfangs nur sehr langsam von dem Anschlagelement 34 abheben kann, da im Gegenzug Brennstoff in den sich vergrößernden Spalt zwischen Anker 20 und Anschlagelement 34 eindringen muss und auf Grund der Viskosität des in diesen Spalt einfließenden Brennstoffs dort ein Unterdruck gegenüber der Umgebung entsteht. Der Effekt ist zu Beginn des Abhebevorgangs besonders stark, weil dann die Spalthöhe am geringsten und der Drosseleffekt durch die viskose Reibung am stärksten ist. Wenn der Anker 20 erst einmal wenige µm von dem Anschlagelement 34 abgehoben hat, verliert der Klebeeffekt sehr stark an Wirkung und wird für den weiteren Bewegungsverlauf vernachlässigbar klein.This hydraulic sticking means that, although the magnetic force already exceeds the closing force of the pre-stroke spring 38, the armature 20 can initially only be lifted off the stop element 34 very slowly, since in return fuel has to penetrate into the increasing gap between the armature 20 and the stop element 34 and because of the viscosity of the fuel flowing into this gap, a negative pressure is created there compared to the environment. The effect is particularly strong at the beginning of the lifting process, because then the gap height is lowest and the throttling effect due to viscous friction is strongest. Once the armature 20 has lifted off the stop element 34 by a few μm, the effect of the adhesive effect is greatly reduced and becomes negligibly small for the further course of movement.

Wie stark dieser Effekt zu Beginn das Abheben des Ankers 20 vom Anschlagelement 34 hemmt und damit letztendlich das Öffnen des Ventils 1 verzögert hängt sehr stark von der Oberflächen-Feingeometrie der beiden Kontaktflächen ab. Sehr glatte, sehr gut zueinander passende Oberflächen führen zu starkem Kleben, sehr raue Oberflächen zu geringem Kleben, wobei hier, wie zuvor bereits erwähnt, ein Einglätten erfolgt, so dass nicht über die gesamte Betriebszeit diese Rauheit der anschlagenden Oberflächen erhalten bleibt, was wiederum über die Lebensdauer zu einem deutlichen Anstieg des Klebeeffekts führt.The extent to which this effect initially inhibits the lifting of the armature 20 from the stop element 34 and thus ultimately delays the opening of the valve 1 depends very much on the fine surface geometry of the two contact surfaces. Very smooth, very well matching surfaces lead to strong sticking, very rough surfaces to low sticking, whereby here, as already mentioned, a smoothing takes place, so that this roughness of the striking surfaces does not remain over the entire service life, which in turn over the service life leads to a significant increase in the adhesive effect.

Zudem steigt mit zunehmendem hydraulischen Klebeeffekt auch die Empfindlichkeit dieses Klebeeffekts gegenüber Schwankungen der Viskosität des Brennstoffs. Da diese Viskosität wiederum stark von der Brennstofftemperatur abhängt, ist bei stark eingeglätteten Anschlagsflächen auch eine hohe Temperaturabhängigkeit der Öffnungsverzugszeit des Ventils zu beobachten.In addition, as the hydraulic sticking effect increases, so does the sensitivity of this sticking effect to fluctuations in the viscosity of the fuel. Since this viscosity in turn depends strongly on the fuel temperature, a high temperature dependence of the opening delay time of the valve can also be observed with heavily smoothed stop surfaces.

Neben dem eigentlichen hydraulischen Klebeeffekt kann es aber noch einen weiteren physikalischen Effekt geben, der das Abheben des Ankers 20 von dem Anschlagelement 34 verzögert. Dieser kann auftreten, wenn die Oberflächen wenigstens eines der Anschlagpartner konzentrische, durch die Drehbearbeitung entstandene Riefen 45 (siehe 2 und 3) aufweisen, in denen Brennstoff bei auf dem Anschlagelement 34 aufliegendem Anker 20 eingeschlossen wird. Vor dem Auftreffen des Ankers 20 auf dem Anschlagelement 34 wird Brennstoff aus dem Bereich dieser Riefen 45 verdrängt, so dass kurz vor dem Aufschlag des Ankers 20 der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit seitlich radial entweicht. Im Moment des Aufschlagens des Ankers 20 hat somit Brennstoff an kleinen Undichtigkeitsstellen am Rand der jeweiligen Riefe 45 eine sehr hohe Geschwindigkeit und damit kinetische Energie. Zudem werden die Ränder der Riefen 45 zum Aufschlagzeitpunkt elastisch gestaucht.In addition to the actual hydraulic sticking effect, there can be another physical effect that delays the lifting of the armature 20 from the stop element 34 . This can occur if the surfaces of at least one of the stop partners have concentric grooves 45 caused by turning (see Fig 2 and 3 ) in which fuel is enclosed when the armature 20 rests on the stop element 34 . Before the armature 20 hits the stop element 34, fuel is exhausted displaced in the area of these grooves 45, so that shortly before the impact of the armature 20, the fuel escapes radially to the side at high speed. At the moment when the armature 20 strikes, fuel has a very high speed and therefore kinetic energy at small leak points at the edge of the respective groove 45 . In addition, the edges of the grooves 45 are elastically compressed at the time of impact.

Beide Effekte führen dazu, dass kurzzeitig weniger Brennstoff in der Riefe 45 vorhanden ist, als diese in ihrem Ruhezustand aufnehmen kann. Ist nun der Anker 20 vollständig abgebremst und die Ränder der Riefen 45 federn zurück, so vergrößert sich das Volumen der Riefe 45 wieder. Es ist aber möglich, dass im Zustand des tiefsten Einfederns die Riefe 45 an ihren Rändern vollständig abgedichtet war und bei der nun erfolgenden leichten Vergrößerung ihres Volumens kein Brennstoff wieder in die Riefe 45 einfließen kann. In diesem Fall bildet sich in der Riefe 45 ein stationär geringerer Brennstoffdruck aus als in der Umgebung des Ankers 20. Dies führt zu einer zusätzlichen stationären Schließkraft, die den Anker 20 zusätzlich zur Federkraft permanent gegen das Anschlagelement 34 niederhält und die von der Magnetkraft zusätzlich überwunden werden muss, um das Abheben des Ankers 20 überhaupt einleiten zu können. Dieser Effekt kann zusätzlich zu einer erheblichen Verzögerung des Ventilöffnens führen. Vor allem, weil auch dieser Effekt sich üblicherweise erst über Lebensdauer herausbildet, kann er zu einer erheblichen Drift des Ventilöffnungszeitpunkts führen. Einzelne Riefen 45 können so wie Saugnäpfe wirken, innerhalb derer im angesaugten Zustand ein Unterdruck herrscht und die nur durch Ausüben einer erhöhten Zugkraft wieder von der Oberfläche des Anschlagpartners entfernt werden können.Both effects mean that for a short time there is less fuel in the groove 45 than it can absorb in its idle state. If the armature 20 is now fully braked and the edges of the grooves 45 spring back, the volume of the groove 45 increases again. However, it is possible that in the state of deepest deflection the groove 45 was completely sealed at its edges and no fuel can flow back into the groove 45 when its volume now increases slightly. In this case, a stationary lower fuel pressure forms in the groove 45 than in the vicinity of the armature 20. This leads to an additional stationary closing force which, in addition to the spring force, permanently holds the armature 20 down against the stop element 34 and which is additionally overcome by the magnetic force must be in order to be able to initiate the lifting of the armature 20 at all. This effect can also lead to a significant delay in valve opening. Above all, because this effect also usually only develops over the service life, it can lead to a considerable drift in the valve opening time. Individual grooves 45 can act like suction cups, within which there is a negative pressure when sucked in and which can only be removed from the surface of the stop partner again by exerting an increased tensile force.

Erfindungsgemäß soll das hydraulische Kleben der Anschlagpartner aneinander bei einer Ankerfreiwegkonstruktion weiter vermindert bzw. vermieden und der vorbeschriebene Saugnapfeffekt verhindert werden.According to the invention, the hydraulic sticking of the stop partners to one another in the case of an anchor-free path construction is to be further reduced or avoided and the above-described suction cup effect is to be prevented.

Im vorliegenden Fall ist das Anschlagelement 34 als ringförmiger Flansch ausgeführt, wie es auch in den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 ersichtlich wird. Alternativ kann das an der Ventilnadel 3 angebrachte oder direkt an der Ventilnadel 3 angeformte Anschlagelement 34 auch z.B. als Anschlaghülse, Anschlagring oder Anschlagtopf ausgeführt sein.In the present case, the stop element 34 is designed as an annular flange, as is also the case in the exemplary embodiments according to FIG 2 and 3 becomes evident. Alternatively, the stop element 34 attached to the valve needle 3 or formed directly on the valve needle 3 can also be designed, for example, as a stop sleeve, stop ring or stop cup.

Die erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht darin, dass das Anschlagelement 34 an seiner zum Anker 20 hin gewandten oberen Anschlagfläche 40 und/oder der Anker 20 an seiner zum Anschlagelement 34 hin gewandten unteren Anlagefläche mehrere eine radiale Ausrichtung aufweisende Nuten 42 aufweist.The solution to the problem according to the invention is that the stop element 34 has a plurality of grooves 42 having a radial alignment on its upper stop surface 40 facing the armature 20 and/or the armature 20 on its lower contact surface facing the stop element 34 .

2 und 3 zeigen vergrößerte schematisierte Draufsichten auf zwei Anschlagelemente 34 mit ihren Anschlagflächen 40, an denen der Anker 20 im unbestromten Zustand ruht. Die Anschlagfläche 40 des Anschlagelements 34 ist in erfindungsgemäßer Weise mit mehreren eine radiale Ausrichtung aufweisenden Nuten 42 strukturiert, um das hydraulische Kleben bestmöglich zu reduzieren und den Saugnapfeffekt bestmöglich zu vermeiden. 2 and 3 show enlarged schematic plan views of two stop elements 34 with their stop surfaces 40, on which the armature 20 rests in the de-energized state. The stop surface 40 of the stop element 34 is structured in a manner according to the invention with a plurality of grooves 42 having a radial orientation in order to reduce hydraulic sticking as best as possible and to avoid the suction cup effect as best as possible.

Die Nuten 42 sind derart eingebracht, dass sie von der Innenseite des Anschlagelements 34 und/oder der Innenseite des Ankers 20 zur Außenseite des Anschlagelements 34 und/oder der Außenseite des Ankers 20 mit radialer Komponente verlaufen, dabei die durch Drehen entstandenen Riefen 45 kreuzen und durchbrechen und die Anschlagflächen damit in gewisser Weise in eine Vielzahl von Sektoren aufteilen.The grooves 42 are introduced in such a way that they run from the inside of the stop element 34 and/or the inside of the armature 20 to the outside of the stop element 34 and/or the outside of the armature 20 with a radial component, thereby crossing the grooves 45 created by turning and break through and thus divide the stop surfaces in a certain way into a large number of sectors.

In der 2 ist eine Struktur aus Nuten 42 gezeigt, die radial gerade verlaufen, wobei die hier dargestellte Anzahl von fünf Nuten 42 nur bespielhaft gewählt ist. Vorteilhaft ist es, mindestens drei Nuten 42 über den Umfang der Anschlagfläche 40 zu verteilen, nach oben sind der Anzahl kaum Grenzen gesetzt.In the 2 a structure of grooves 42 is shown, which run radially straight, the number of five grooves 42 shown here being chosen only as an example. It is advantageous to distribute at least three grooves 42 over the circumference of the stop surface 40; there are hardly any upper limits to the number.

In der 3 ist ein Beispiel einer Nutstruktur gezeigt, bei der die Nuten 42 in einer gebogenen Weise radial verlaufen bzw. grundsätzlicher ausgedrückt: bei der die Nuten 42 nicht gerade von der Symmetrieachse der wenigstens einen Anschlagfläche 40 weisend verlaufen, sondern zumindest in einem Teil ihres Verlaufs auch eine Komponente in Umfangsrichtung aufweisen. Auch hier sind die dargestellte Anzahl von acht Nuten 42 wie auch die dargestellte Krümmung der Nuten 42 nur beispielhaft gewählt. Vorteilhaft ist es auch in diesem Falle, mindestens drei Nuten 42 über den Umfang der Anschlagfläche 40 zu verteilen, während nach oben der Anzahl kaum Grenzen gesetzt sind.In the 3 shows an example of a groove structure in which the grooves 42 run radially in a curved manner or, to put it more fundamentally: in which the grooves 42 do not run straight from the axis of symmetry of the at least one stop surface 40, but at least in part of their course Have component in the circumferential direction. Here, too, the illustrated number of eight grooves 42 and the illustrated curvature of the grooves 42 are only selected as examples. It is also advantageous in this case to distribute at least three grooves 42 over the circumference of the stop surface 40, while there are hardly any upper limits to the number.

Diese Nuten 42 können durchaus in ihrer Breite sehr klein sein und z.B. durch ein kurzes Bearbeiten mit einem spitzen Fräswerkzeug erzeugt werden. Ebenso ist ein Bearbeiten durch die Spitze eines Drehmeißels möglich, der mit relativ hoher radialer Geschwindigkeit über das relativ langsam rotierende Werkstück (Anker 20 und/oder Anschlagelement 34) gezogen wird. Auch nur das Anbringen von kratzerartigen Nuten 42 mit Hilfe eines in der gewünschten Richtung über die Oberfläche gezogenen Werkzeugs mit scharfer Spitze, z. B. einer Diamantspitze, kann schon den gewünschten vorteilhaften Effekt erbringen. Ebenso können die Nuten 42 mittels eines Prägewerkzeugs eingeprägt sein oder mit einem Erodierwerkzeug einerodiert werden. Eine Herstellung der Nuten 42 durch Lasererodieren ist ebenso möglich. Eine Tiefe der Nuten 42 von wenigen µm kann schon ausreichend sein, ebenso eine Breite in entsprechender Größenordnung von z.B. 2 bis 50 µm. Auch breitere und/oder tiefere Nuten 42 sind denkbar und ermöglichen erst recht den erfindungsgemäßen Vorteil. In vorteilhafter Weise werden also Ränder von Volumina, in denen sonst Brennstoff vollständig eingeschlossen sein könnte, unterbrochen, wodurch die Riefen 45 stets hydraulisch offen bleiben.The width of these grooves 42 can be very small and can be produced, for example, by briefly machining them with a pointed milling tool. Machining is also possible with the tip of a lathe tool, which is pulled over the relatively slowly rotating workpiece (armature 20 and/or stop element 34) at a relatively high radial speed. Even making scratch-like grooves 42 by means of a sharp-tipped tool, e.g. B. a diamond tip, can already provide the desired beneficial effect. Likewise, the grooves 42 can be embossed by means of an embossing tool or be eroded with an eroding tool. A production of the grooves 42 by laser erosion is also possible. A depth of a few μm for the grooves 42 can be sufficient, as can a width of the appropriate order of magnitude of, for example, 2 to 50 μm. Wider and/or deeper grooves 42 are also conceivable and make the advantage according to the invention even more possible. Advantageously, therefore, edges of volumes in which fuel could otherwise be completely enclosed are interrupted, as a result of which the grooves 45 always remain hydraulically open.

In idealer Weise sollte die Struktur der Nuten 42 zumindest im härteren der beiden Anschlagpartner ausgeformt werden. Es ist jedoch auch denkbar, die sich gegenüberliegenden Anschlagflächen beider Anschlagpartner 20, 34 zu strukturieren. In vorteilhafter Weise sind die Nuten 42 weitgehend gleichverteilt über den Umfang angeordnet.Ideally, the structure of the grooves 42 should be formed at least in the harder of the two stop partners. However, it is also conceivable to structure the opposing stop surfaces of both stop partners 20, 34. Advantageously, the grooves 42 are distributed largely uniformly over the circumference.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 3305039 A1 [0002]
EP 0683861 B1 [0003]
DE 102010064097 A1 [0004]

Claims

Electromagnetically actuable valve, in particular fuel injection valve for fuel injection systems of internal combustion engines, with a magnetic coil (10), an armature (20), a movable valve needle (3) and a valve closing body (4) which is directly connected to the valve needle (3) and which, together with a valve seat surface (6) forms a sealing seat, and at least one spray opening (7) formed downstream of the valve seat surface (6), the armature (20) being arranged on the valve needle (3) so that it can move to a limited extent in order to be able to move the armature freely, and a lower stop element (34) is provided on the valve needle (3), on which the armature (20) rests in the de-energized state of the magnet coil (10), characterized in that the stop element (34) at its end towards the armature (20). facing upper stop surface (40) and/or the armature (20) has a plurality of grooves (42) having a radial orientation on its lower contact surface facing the stop element (34).

Electromagnetically operated valve claim 1 , characterized in that the grooves (42) are arranged largely equally distributed over the circumference of the at least one stop surface (40).

Electromagnetically operated valve claim 1 , characterized in that a depth of the grooves (42) and also a width of the grooves (42) are of the order of 2 to 50 µm.

Electromagnetically operable valve according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the grooves (42) are radially straight.

Electromagnetically operable valve according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the grooves (42) do not run straight from the axis of symmetry of the at least one stop surface (40) pointing, but also have a component in the circumferential direction at least in part of their course.

Electromagnetically actuable valve according to one of the preceding claims, characterized in that the grooves (42) are introduced in such a way that they run from the inside of the stop element (34) and/or the inside of the armature (20) to the outside of the stop element (34) and / or run the outside of the armature (20) with a radial component.

Electromagnetically actuated valve according to one of the preceding claims, characterized in that the stop surface (40) having the grooves (42) on the stop element (34) and/or on the armature (20) has circumferential, concentric grooves (45) created by turning , which are interrupted by the grooves (42).

Electromagnetically actuable valve according to one of the preceding claims, characterized in that the stop element (34) is designed as an annular flange, stop sleeve, stop ring or stop cup.

Electromagnetically operable valve according to one of the preceding claims, characterized in that the stop element (34) is attached to the valve needle (3) as an additional part or is formed directly on the valve needle (3).

Method for producing grooves (42) having a radial alignment on a stop element (34) on its upper stop surface (40) facing the armature (20) and/or on the armature (20) on its lower stop surface (40) facing the stop element (34). Contact surface of an electromagnetically actuated valve according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the introduction of the grooves (42) by means of a pointed milling tool, a tip of a turning tool, a diamond tip, an embossing tool, an eroding tool or by means of laser eroding.