Oblast techniky

Vynález řeší magnetický systém pro magneticky ovládané ventily pro řízení kapalin, zejména pro vstřikovací ventily paliva, který je opatřen jednak elektromagnetem, který má magnetický pól vytvářející magnetické jádro, magnetické jádro obklopující budicí cívku a s ní souosé budicí cívku obklopující pouzdro magnetu, které je jako magnetické jho prostřednictvím jha spojeno s čelní stranou magnetického jádra, odvrácenou od plochy pólu, jednak prstencovým permanentním magnetem s osovým směrem magnetizace, který je uspořádán souose vzhledem k magnetickému jádru v oblasti jeho plochy pólu, a jednak v podstatě kotoučovou kotvou, která je volně uložena protilehle k magnetickému pólu při ** vytvoření pracovní vzduchové mezery vzhledem k jeho ploše pólu, přičemž magnetomotorická síla budicí cívky a uspořádání permanentního magnetu jsou upraveny tak, že magnetický tok elektromagnetu a permanentního magnetu směřují v pracovní vzduchové mezeře proti sobě.

Dosavadní stav techniky

Magnetický systém uvedeného typu pro vstřikovací ventil paliva je známý z DE 39 21 151 AI a pro znázornění principu jeho konstrukce je jeho skica znázorněna na obr. 1.

Známý magnetický systém podle obr. 1 má elektromagnet 1 s budicí cívkou 2, která obklopuje magnetické jádro 3, vytvářející magnetický pól s plochou pólu. Souose s magnetickým jádrem 3. je budicí cívka 2 obklopena pouzdrem 4 magnetu, které je jednak prostřednictvím magnetického jha 5 vodivě spojeno, a to na čelní straně magnetického jádra 2 odvrácené od plochy pólu a jednak prostřednictvím prstencové přepážky 6 s magnetickým zúžením ]_ v oblasti plochy pólu magnetického jádra 2 ^s tímto magnetickém ^u jádrem 2· Na prstencové přepážce 6 je souose s magnetickým jádrem 2 upraven tenký, ve tvaru kotouče vytvořený permanentní magnet 8, který je překryt prstencovou pólovou destičkou 9,. Proti magnetickému pólu vytvořenému magnetickém jádrem 3 je uložena kotva 10, která zčásti přesahuje přes ' prstencovou pólovou destičku 9 a vzhledem k ploše pólu vytváří pracovní vzduchovou mezeru 11. Uspořádání permanentního magnetu 8 a průtok budicí cívkou 2 jsou upraveny tak, že magnetický tok permanentního magnetu 8. a elektromagnetu 1 směřují v pracovní vzduchové mezeře 11 proti sobě. Kotva 10, která je pevně spojena s ventilovým členem,.je volně uložena. Při nevybuzeném elektromagnetu 1 je tato kotva 10 držena v dosednutí prostřednictvím permanentního magnetu 8. na magnetickém jádru 3, a to proti hydraulickému tlaku, který působí na ventilový člen. Vybuzením elektromagnetu 1 se magnetický tok permanentního magnetu 8 v pracovní vzduchové mezeře 11 zeslabí, takže jeho na kotvu 10 působící přídržná síla se zmenší do té míry, že kotva 10 se působením hydraulické protilehlé síly nadzdvihne nad magnetické jádro 3_, a tím otevře ventil.

Magnetický tok, který je vytvářený budicí cívkou 2, je na obr. 1 označen vztahovým znakem 0_E a magnetický tok vytvářený

-1CZ 279794 B6 permanentním magnetem 8 je označen vztahovým znakem φ_ρ. Je zřetelně patrno, že magnetický tok φ_Ε vytváří prostřednictvím kotvy 10, pracovní vzduchové mezery 11, magnetického jádra 3, magnetického jha 5, pouzdra 4 magnetu, permanentního magnetu 8 a pólové destičky 9 dva magnetické obvody, které jsou souměrné vzhledem k ose magnetického systému. Vzhledem k tomu, že permanentní magnet X má permeabilitu jako vzduch, vytváří v magnetickém obvodu elektromagnetu 1 relativně vysoký magnetický odpor, který je třeba kompenzovat zvýšeným příkonem do budicí cívky 2. Pro snížení magnetického odporu se proto vytváří průřezová plocha permanentního magnetu χ relativně velká, protože tím se vytváří nejmenší možná tloušťka permanentního magnetu χ z požadovaného magnetického napětí a pokud možno velké síly koercitivního pole. Vzhledem k větší ploše jsou také ztráty způsobené vířivými proudy v permanentním magnetu χ větší. Tenké, velké permanentní magnety X, jsou při svém opracování vystaveny značnému nebezpečí rozlomení, což podstatně zvyšuje výrobní náklady. Pro snížení ztrát způsobených vířivými proudy je permanentní magnet χ vyroben ze samaria s kobaltem, které je relativně nízkoohmové, avšak velmi křehké, čímž ještě dále narůstá nebezpečí rozlomení při opracování magnetu. Jak již bylo uvedeno, je volně uložená cívka 10 nadzdvihována od magnetického pólu výlučně hydraulickým protitlakem, působícím na ventilový člen magnetického ventilu. Hydraulický protitlak se v průběhu fáze otevírání magnetického ventilu silně zmenšuje a zčásti se stává téměř negativní. Proto by byla pro spolehlivé udržování ventilu v otevřené poloze žádoucí magnetická síla působící v opačném směru. To však je nemožné i při obrácení magnetického toku v kotvě ΐχ, protože magnetická síla je úměrná k (φ_ρ - φ_Ε)², tedy úměrná ke čtverci rozdílu magnetických toků.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje magnetický systém podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na té straně kotvy, která je odvrácená od první pracovní vzduchové štěrbiny, je uspořádán magnetický protipól při vytvoření druhé pracovní vzduchové štěrbiny mezi jeho plochou pólu a mezi kotvou, který je prostřednictvím permanentní magnet obklopujícího vodícího elementu toku připojen k pouzdru magnetu.

Hlavní výhoda řešení magnetického systému podle vynálezu spočívá v tom, že magnetický obvod elektromagnetu je uzavřen přes protipól, druhou pracovní vzduchovou mezeru, kotvu, první pracovní vzduchovou mezeru, magnetické jádro, magnetické jho a pouzdro magnetu, takže permanentní magnet se svým vysokým magnetickým odporem již není v magnetickém obvodu elektromagnetu. Tím se stane menším potřebný řídicí příkon pro elektromagnet, zejména při odpadnuté kotvě permanentního magnetu, přičemž se navíc získá daleko větší volnost při volbě rozměrů permanentního magnetu a při volbě jeho materiálu. Permanentní magnet již dále není třeba vytvářet s rozměry, které by zajišťovaly minimální magnetický odpor. Permanentní magnet může být vytvořen tlustší, čímž lze podstatně zvýšit jeho odolnost proti rozlámání. Jako magnetický materiál lze použít místo až dosud používaného kobaltu a samaria, které byly výhodné z hlediska malého teplotního koeficientu remanence, také železo a neodym, které jsou při srovnatel

-2CZ 279794 B6 né magnetické energii zhruba dvakrát tak vysokoohmové a vzhledem ke svým vysokým teplotním koeficientům remanence se až dosud nepoužívaly. Železo s neodymem není tak křehké jako kobalt se samariem a lze jej lépe opracovávat. Celkově lze u magnetického systému podle vynálezu vyrobit permanentní magnet podstatně levněji.

U konstrukčního vytvoření magnetického systému podle vynálezu s protipólem a druhou pracovní vzduchovou mezerou se vybuzením elektromagnetu vytvoří na kotvě zdvižená síla, která směřuje proti přítažné síle permanentního magnetu. Jak je to znázorněno na obr. 3, snižuje se na kotvu působící přítažná síla permanentního magnetu á elektromagnetu při“ konstantní pracovní vzduchové mezeře se vzrůstajícím vybuzením elektromagnetu a je nakonec negativní, takže kotva není od budicího pólu odtahována jenom hydraulickým tlakem v magneticky ovládaném ventilu, ale přídavně ještě elektromagneticky vytvářenou zdvižnou silou. Tato negativní magnetická síla v hydraulických ventilech, paliva, protože lický tlak, působící prostřednictvím ventilového členu na kotvu, v průběhu otevíracího zdvihu magnetického systému velmi malým a nepostačuje již k tomu, aby udržoval kotvu v definované koncové poloze, ve které je magneticky váné poloze. Tato negativní kotvu, se vytváří bez obrácení netu, takže není třeba žádný odpojeném vybuzování magnetu působí na ^{síla F}max· je žádoucí při použití magnetického systému zejména ve vstřikovacích ventilech u těchto vstřikovacích ventilů se stává hydrauovládaný přítažná proudu v zásah do ventil otevřen v definosíla, která působí na budicí cívce elektromagřídicí elektroniky. Při kotvu maximální přítažná Prostřednictvím magnetického napětí na rozptylové vzduchové mezeře mezi pouzdrem magnetu a protipólem lze paralelně posunout pracovní oblast mezi silami ^Fmax-an ^{a F}min-an' ^{kde an} znamená přitažený, prostřednictvím magnetické síly I.w podle čerchované čáry na obr. 3. Na obr. 3. tečkované vyznačená charakteristika odpadající kotvy může být také posunuta podél magnetického napětí. Tak lze nastavit přepínací body w.Ian, w.Ig^, ve kterých je přítažná síla F stejně velká jako na kotvu působící hydraulická síla F_hy_dr při použití magnetického systému v hydraulickém, magneticky ovládaném ventilu. Bez magnetického napětí na rozptylové vzduchové mezeře by byly mimo požadovanou oblast.

Hystereze I_an - I_at) elektrického vybuzení elektromagnetu, to je vybuzení elektromagnetu, potřebné pro pohyb kotvy z obou dosedacích poloh, je při jinak stejných hodnotách o činitel ^2 menší než u známých magnetických systémů. Tím klesne spotřeba výkonu potřebná pro vyvolání hystereze o polovinu. To umožňuje bud’ snížení proudu, a tím i snížení ztrát způsobovaných vířivými proudy, nebo snížení počtu vinutí budicí cívky, a tím zmenšení její indukčnosti.

Magnetický systém podle vynálezu se dále vyznačuje dostatečně velkou změnou rychlosti na kotvu působící magnetické síly prostřednictvím budicího proudu. Tím se zmenší vliv proměnných sil F_hy_dr na dosednutí kotvy na spínací dobu.

-3CZ 279794 B6

Opatření, která jsou uvedena v dalších nárocích, představují výhodná další vytvoření a zdokonalení zapojení, uvedeného v nároku 1 .

U výhodného vytvoření vynálezu je od magnetického jha odvrácená čelní strana pouzdra magnetu prostřednictvím s výhodou z jednoho kusu vytvořené prstencové přepážky spojena s magnetickým jádrem v oblasti jeho plochy pólu. Permanentní magnet dosedá na prstencovou přepážku a je na ní držen jen prostřednictvím své magnetické síly. V prstencové přepážce je upraveno v radiálním směru působící magnetické zúžení. Odpovídajícím vytvořením tohoto zúžení lze optimálně nastavovat vybuzení v magnetickém jádru. Odpovídajícím lze mimoto zabránit tomu, aby přes proud elektromagnetu.

magnetického toku sycením magnetického zúžení zúžení neprotékal rozptylový

Podle výhodného vytvoření vynálezu je protipól s vodicím elementem toku realizována pólovou deskou, která je prostřednictvím držáku upevněna na pouzdru magnetu. Držák je vytvořen z nemagnetického materiálu nebo z měkkého magnetického materiálu, například z niklu a železa s Curieovou teplotou o hodnotě zhruba 80 °C. Měkký magnetický materiál se použije tehdy, když je permanentní magnet vyroben ze železa a neodymu, aby bylo možné přesně kompenzovat vysoký teplotní tok z permanentního magnetu vyrobeného ze železa a neodymu, s vysokým teplotním chodem nízké indukčnosti sycení niklu a železa.

Přehled obrázků na výkresech na příkladech na obr. 1 je systémem podle schematický obr.

síly magnetického systému z na obr. 4 je znázorněn podélný s integrovaným magnetickým systémem detailu znázorněn výřez vstřikova4.

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen provedení ve spojení s připojenými schematicky znázorněn dosavadního stavu techniky, na obr. podélný znázorněn 2 a proudu vstřikovacím ventilem paliva : podle obr. 2 a na obr. 5 je v čího ventilu paliva podle obr.

výkresy, kde podélný řez magnetickým je znázorněn řez magnetickým systémem podle vynálezu, na diagram magnetické v budicí cívce, je obr.

řez

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 2 je schematicky znázorněn podélný řez magnetického systému pro magneticky ovládané ventily pro ovládání kapalin, na kterém je zdůrazněna základní konstrukce magnetického systému. Magnetický systém sestává z elektromagnetu 20 a z permanentního magnetu 21. Elektromagnet 20 má budicí cívku 38., která prstencově obklopuje magnetické jádro 24., které je tvořeno budicím pólem 22 s plochou 23 pólu, přičemž tato budicí cívka 38 je obklopena pouzdrem 25 magnetu. Pouzdro 25 magnetu je spojeno jednak prostřednictvím magnetického jha 26 s tou čelní stranou magnetického jádra 24 , která je odvrácená od plochy 23 pólu a jednak prostřednictvím prstencové přepážky 27 v oblasti plochy 23 pólu s magnetickým jádrem 24. Magnetické jádro 24., pouzdro 25 magnetu, magnetické jho 26 a prstencová přepážka 27 jsou vytvořeny ze stejného feromagnetického materiálu. Prstencový permanentní magnet 21 dosedá na prstencovou přepážku 27 a obklopuje magnetické jádro 24 . Permanentní magnet 21 je na prstencové přepážce 27

-4CZ 279794 B6 držen výlučně svojí magnetickou silou a překrývá jen část plochy prsténcové přepážky 27.· Permanentní magnet 21 může být vyroben ze železa a neodymu.

Proti budicímu pólu 22 je při vytvoření první pracovní vzduchové mezery 31 volně uložena kotoučová kotva 28, která překrývá dílčí oblast permanentního magnetu 21 a vytváří větší prstencovou vzduchovou mezeru 33. Na té straně kotvy 28./ která je odvrácená od první pracovní vzduchové mezery 32/ j® uložena magnetická plocha vytvářející magnetický protipól 29, jehož plochu 30 pólu vytváří vzhledem ke kotvě 28 druhou pracovní vzduchovou mezeru 32· Magnetický protipól 29 se svou prstencovou plochou 30 pólu je vytvořen na pólové desce 35, která svou okrajovou přepážkou 36 objímá permanentní magnet 21 a prostřednictvím prstencové rozptylové vzduchové mezery 34 je připojena k prstencové přepážce 27./ a tím i k pouzdru 25 magnetu. Pólová deska 35 je držákem 37 upevněna na pouzdru 25 magnetu a má kruhový otvor pro průchod ventilového členu, spojovaného s kotvou 28. Držák 37 je vytvořen bud' z nemagnetického materiálu, nebo z měkkého magnetického materiálu s Curieovou teplotou o hodnotě zhruba 80 °C. Příkladem takového měkkého magnetického materiálu je směs niklu a železa. To se používá s výhodou tehdy, pokud je permanentní magnet 21 vytvořen ze železa a neodymu. Vysoký průchod teplot nízké sytící indukčnosti niklu a železa může přesně kompenzovat vysoký průchod teploty permanentního magnetu 21 ze železa a neodymu. Označenými symboly charakterizovaný průtok budicí cívky 38 elektromagnetu 20 a uspořádání v axiálním směru magnetizovaného permanentního magnetu 21 jsou takové, že magnetické toky φ_Ε a φρ elektromagnetu 20 a permanentního magnetu 21 směřují v první pracovní vzduchové mezeře 31 proti sobě. Oba magnetické toky φ_Ε a φρ se vytvářejí souměrně vzhledem k ose magnetického systému. Pro přehlednost je na obr. 2 příslušný magnetický tok znázorněn jen v jedné polovině souměrnosti. Magnetický tok φρ permanentního magnetu 21 se dělí na dva dílčí toky φρρ a Φρ₂· Rozptylový tok φ_ρ3 se vytváří prostřednictvím rozptylové vzduchové mezery 34. Dílčí tok φ_ρ2 nejde v oblasti 67 permanentního magnetu 21, přesahující přes kotvu 28./ přes kotvu 28 a slouží k magnetickému předpětí rozptylové vzduchové mezery 34.

V prstencové přepážce 27 se vytváří úpravou prstencové drážky 39 magnetické zúžení 40. Toto zúžení 40 redukuje dílčí tok φ_ρ2 na hodnotu, která je optimální pro vytváření toku v magnetickém jádru 24 v obou směrech. Mimoto lze toto zúžení 40 cíleně sytit, čímž se zabrání tomu, aby touto větví protékal rozptylový tok φρ. Pohyb kotvy 28 je vymezen neznázorněnými dorazy, čímž se zajistí, že zůstane vždy zbytková vzduchová mezera mezi plochami 23, popřípadě 30 pólu a mezi kotvou 28., dosedající na doraz. Prstencová vzduchová mezera 33 je zhruba dvakrát tak velká jako maximální první pracovní vzduchová mezera 21/ popřípadě maximální druhá pracovní vzduchová mezera 32, odpovídající maximálnímu zdvihu kotvy 28. Prstencová průřezová plocha permanentního magnetu 21 je přitom zhruba 1,5 krát větší než součet ploch 23 , 30 pólů budicího pólu 22 a protipólu 29.

-5CZ 279794 B6

Síla F, která působí na kotvu 28 směrem vzhůru, to je k budicímu pólu 22., je znázorněna na obr. 3 v závislosti na průtoku 0, to je magnetickém napětí pro obě dosedací polohy kotvy 28, přičemž indexem an je označena přitažená poloha a indexem ab odpadnutá poloha. Pokud je průtok 0 budicí cívkou 38 nulový, působí na kotvu 28 maximální síly ^F _max__an/ •^max-ab'’ které jsou vytvářeny výlučně permanentním magnetem 21. S narůstajícím magnetickým napětím budicí cívky 38., popřípadě se zvyšujícím se průtokem 0 budicí cívky 38 nebo prostřednictvím změny rozptylové vzduchové mezery 34 se magnetický tok permanentního magnetu 21 v první pracovní vzduchové mezeře 31 zeslabí. Současně se vytváří ve druhé pracovní vzduchové mezeře 32 síla působící na kotvu 28 v opačném směru. Tato síla, která působí na kotvu 28 ve směru vzhůru, se podle obr. 3 zmenšuje a nakonec je negativní.

Na obr. 4 je schematicky v podélném řezu znázorněn vstřikovací ventil paliva, ve kterém je nasazen popsaný magnetický systém. Pokud jednotlivé konstrukční součásti souhlasí s částmi podle obr. 2, jsou označeny stejnými vztahovými znaky. Magnetický systém je upraven ve skříni 41 síta 44., ve které je upraven přítok 42 paliva a odtok 43 paliva. Přítok 42 paliva a odtok 43 paliva jsou odděleny nastříknutým filtrem nebo sítem 44 od osových kanálů 45 , 66., které procházejí až k pólové desce 35 magnetického systému. Mezi osovými kanály 45, 46 je uložen větší počet vodítek 55 paliva, jak je to nejlépe patrno z obr. 5. Pólová deska 35 uzavírá na čelní straně skříň 41 síta 44 a je přivářena na pouzdru 25 magnetu prostřednictvím nemagnetických, popřípadě v závislosti na teplotě magneticky sycených přípojek 46, které odpovídají držáku 37 na obr. 2. Kruhovým průchozím otvorem 47 pólové desky 35 prochází ventilový člen £8, který je pevně spojen s kotvou 28. Soustředně vzhledem k průchozímu otvoru 47 má pólová deska 35 na straně odvrácené od kotvy 28 vybrání £9, na kterém je vytvořeno sedlo 50 ventilu, se kterým spolupracuje ventilový člen 48 při uzavírání a otevírání vstřikovacího ventilu paliva. Nad sedlem 50 ventilu má ventilový člen 48 obvodovou drážku 51, která je prostřednictvím radiální štěrbiny 52., uspořádané v pólové desce 35 v oblastíprůchozího otvoru £7, spojena s průtočnou mezerou 53, která ve tvaru kruhu obklopuje kotvu 28. a která je prostřednictvím kanálů 56 spojena s osovými kanály 66. Proudění paliva, v kanálech 54 mezi osovými kanály 45 a 66 s výhodou ochlazuje pólovou desku .35. Proudění paliva v průtočné mezeře 53 ochlazuje přední oblast ventilu. Při startu za tepla se může shromáždit kapalná část paliva pod kanály 54 v prostoru kanálu 56, jak je to patrno z obr. 4, a oddělit se od plynných složek, takže se vstřikuje jen kapalné palivo.

Oblasti 57 skříně 41 síta 44 jsou pružné, takže skříň £1 síta 44 je nezávisle na velikosti těsnicího kroužku O 58 přitlačena na doraz 59 na pólové desce 35. Budicí cívka 38 elektromagnetu 20 je unášena tělesem 60 cívky a je opatřena připojovacími kolíky 61. Tyto připojovací koliky 61 jsou svařeny s kolíčky 62. vidlice v pouzdru 63 zástrčky. Pouzdro 63 zástrčky je prostřednictvím zalemování 64 pevně spojeno s pouzdrem 25 magnetu. Magnetické jádro 24 s na něm do jednoho kusu upevněným magnetickým jádrem 26 a s budicí cívkou 38 jsou v pouzdru 25 magnetu zality zalévací hmotou 65.

-6CZ 279794 B6

PATENTOVÉ NÁROKY