DE10196450B3

DE10196450B3 - Metallurgische und mechanische Kompensation des Temperaturverhaltens von terbiumbasierten magnetostriktiven Legierungen der Seltenen Erden

Info

Publication number: DE10196450B3
Application number: DE10196450.1T
Authority: DE
Inventors: Perry Czimmek
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: DE10196450T1; WO2002009205A1; US6758408B2; US20020030118A1; JP2004505192A; JP3827307B2

Abstract

Kraftstoffinjektor (100) mit: einem Körper (102) mit einer Eintrittsöffnung (118), einer Austrittsöffnung und einem Kraftstoffdurchgangsweg, der sich von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung erstreckt; einem Dosierelement (104), das nahe der Austrittsöffnung angeordnet ist; einem magnetostriktiven Element (116) in funktionaler Verbindung mit dem Dosierelement (104), und einer Spule (122) nahe dem magnetostriktiven Element (116), so daß auf Anregung der Spule (122) ein durch die Spule (122) erzeugter Magnetfluß das magnetostriktive Element (116) dazu veranlaßt, die Länge zu ändern und das Dosierelement (104) zu betätigen, wobei durch Kombination der Anpassung der Stöchiometrie und der Vorspannung ein Hubverhalten erzielt wird, das für ein konstantes Magnetfeld innerhalb des Temperaturbereichs von –40°C bis +150°C konstant gehalten wird, – indem die Zusammensetzung des magnetostriktiven Elements (116) im wesentlichen aus einer Terfenol-D-Legierung mit der Formel TbxDy1-xFey besteht, wobei x im Bereich von etwa 0,31 bis etwa 0,33 und y im Bereich von etwa 1,8 bis etwa 2,2 liegt – und indem der Kraftstoffinjektor (100) ein Federelement (112) aufweist, das in dem Körper (102) angeordnet und funktional so ausgeführt ist, daß es eine Vorspannkraft auf das magnetostriktive Element (116) ausübt, die im Bereich von etwa 13,8 MPa bis 52,2 MPa liegt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft magnetostriktive Aktuatoren und insbesondere Kraftfahrzeug-Aktuatoren, wie Kraftstoffinjektoren und elektronische Ventilsteueraktuatoren, die auf dem Prinzip der magnetostriktiven Wandlung basieren. Noch spezieller betrifft die Erfindung magnetostriktive Legierungszusammensetzungen, die so aufgebaut sind, daß sie ohne die Notwendigkeit komplexer elektronischer Regelungen ein verbessertes Temperaturverhalten für Kraftfahrzeug-Anwendungen liefern, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung, die diese nutzen. Ganz besonders betrifft die Erfindung die Anwendung von optimalen oder beinahe optimalen Vorspannkräften auf magnetostriktive Legierungszusammensetzungen, um das magnetostriktive Verhalten zu verbessern.
Hintergrund der Erfindung
Die Druckschrift DE 4204435 A1 offenbart eine Einspritzpumpe für Verbrennungsmotoren mit einem magnetostriktiven Element.
Ein konventionelles Verfahren zur Betätigung von Kraftstoffinjektoren ist der Einsatz einer elektromechanischen Solenoidvorrichtung. Der Solenoid ist typischerweise ein isolierter leitender Draht, der unter Bildung einer schmalen Schraubenspule aufgewickelt ist. Wenn Strom durch den Draht fließt, wird innerhalb der Spule ein magnetisches Feld in einer Richtung parallel zur Spulenachse erzeugt. Das resultierende Magnetfeld übt eine Kraft auf einen beweglichen ferromagnetischen Anker aus, der sich innerhalb der Spule befindet, wodurch der Anker ein Nadelventil entgegen einer durch eine Rückstellfeder verursachten Kraft in eine offene Stellung bewegt. Die auf den Anker einwirkende Kraft ist proportional zur Stärke des Magnetfelds; die Stärke des Magnetfelds hängt von der Zahl der Windungen der Spule und der Höhe des Stroms ab, der durch die Spule fließt.
Im konventionellen Kraftstoffinjektor ändert sich der Punkt, an dem sich der Anker und damit die Nadel zu bewegen beginnt, vor allem mit der Federvorspannung, die den Injektor geschlossen hält, der Reibung und Trägheit der Nadel, dem Kraftstoffdruck, Wirbelströmen in den magnetischen Materialien und den magnetischen Charakteristika des Aufbaus, z. B. der Fähigkeit, einen Fluß in die Arbeitsspalte zu steuern. Im allgemeinen bewegt sich der Anker nicht, bis die Magnetkraft auf ein Niveau angestiegen ist, das hoch genug ist, um die gegenwirkenden Kräfte zu überwinden. In gleicher Weise wird die Nadel nicht in. eine geschlossene Stellung zurückkehren, bis die Magnetkraft ein ausreichend niedriges Niveau unterschreitet, so daß die Schließfeder den Kraftstoffflußdruck und die Nadelträgheit überwindet. In einem konventionellen Injektoraufbau kann die Nadel, sobald sie sich zu öffnen oder zu schließen beginnt, weiter beschleunigen, bis sie auf ihren jeweiligen Endanschlag trifft, wodurch Verschleiß im Nadelventilsitz, Nadelprellen und unerwünschte Vibrationen und Geräuschprobleme entstehen.
Magnetostriktive Kraftstoffinjektoren sollen viele dieser Probleme lösen, indem ein Kraftstoffinjektorbetätigungsverfahren vorgesehen ist, das Geräuschreduzierung, längere Lebenszeit des Sitzes, Beseitigung von Prellen und volle während des gesamten Ankerhubs angewandte Aktuatorkraft ermöglicht. Der Ausdruck ”Magnetostriktion” bedeutet wörtlich magnetische Kontraktion, wird aber allgemein so verstanden, daß die folgenden ähnlichen Effekte, die mit ferromagnetischen Materialien in Verbindung stehen, eingeschlossen sind: der Guillemin-Effekt, nämlich die Tendenz eines gebogenen ferromagnetischen Stabs in einem longitudinalen Magnetfeld gestreckt zu werden; der Wiedemann-Effekt, nämlich das Verdrehen eines einen elektrischen Strom führenden Stabs, wenn er in einem Magnetfeld plaziert wird; der Joule-Effekt, nämlich die graduelle Zunahme der Länge eines ferromagnetischen Stabs, wenn er einem graduell zunehmenden longitudinalen magnetischen Feld ausgesetzt wird; und der Villari-Effekt, nämlich der Wechsel einer magnetischen Induktion in Gegenwart eines longitudinal en Magnetfelds (inverser Joule-Effekt).
Die geometrischen Veränderungen, die auftreten, wenn ein ferromagnetisches Material in einem Magnetfeld plaziert wird, werden normalerweise wegen der Notwendigkeit einer geometrischen Stabilität in präzisionselektromagnetischen Vorrichtungen als unerwünschte Effekte angesehen. Deshalb führen Hersteller von ferromagnetischen Legierungen ihre Legierungen oft so aus, daß sie sehr kleine Magnetostriktionseffekte zeigen. Alle ferromagnetischen Materialien zeigen wegen ihrer Fähigkeit zur Ausrichtung von magnetischen Bezirken magnetische Charakteristika. Wie in 1 gezeigt ist, weisen stark magnetostriktive Materialien charakteristischerweise Bezirke auf, die in Richtung ihrer Polarisierung (Nord/Süd) länger und in Richtung senkrecht zu ihrer Polarisierung schmaler sind, wodurch die Bezirke die makroskopischen Dimensionen des ferromagnetischen Materials verändern können, wenn die Bezirke rotieren.
Beispielsweise ist die magnetostriktive Legierung Terfenol-D (z. B. Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.9) zu Änderungen von ungefähr 10 μm pro 1 cm Länge in der Lage, wenn sie einem Magnetfeld von ungefähr 500 Oersted ausgesetzt ist. Die allgemeine Gleichung für die Magnetisierungskraft H in Amperewindungen pro Meter (1 Oersted = 79,6 Amperewindungen/m) ist: H = IN/L, worin I = Strom in Ampere, N = Zahl der Windungen und L = Pfadlänge ist.
Terfenol-D wird wegen seiner Fähigkeit, auf seine Umgebung zu reagieren und riesige magnetostriktive Veränderungen zu zeigen, häufig als ein ”smartes Material” bezeichnet.
Die Dissertation ”Design magnetostriktiver Aktoren” von J. Schäfer Saarbrücken, Univ., 1994, offenbart, dass der Terbiumanteil einen Einfluß auf Form und Hysterese der magnetostriktiven Kennlinie hat und das Temperaturverhalten beeinflußt.
Um jedoch das vollständige Potential eines magnetostriktiven Aktuators zu erhalten, wäre es wünschenswert, wenn die Größe der magnetostriktiven Elongation in dem Temperaturbereich, wie er typischerweise in Kraftfahrzeug-Anwendungen auftritt, unabhängig von der Temperatur wäre. Die übliche Lösung für die Temperaturkompensation von magnetostriktiven Materialien erfordert den Einsatz von komplexen elektronischen Steuerungen zur Regelung des Stroms in der Spule, um das nicht-lineare Temperaturverhalten in dem magnetostriktiven Material zu kompensieren. Die vorliegende Erfindung vermeidet die Notwendigkeit einer solchen elektronischen Kompensation und reduziert damit deutlich die Komplexität des Steuerungssystems, das erforderlich ist, um den magnetostriktiven Aktuator zu regeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein magnetostriktiv betätigter Kraftstoffinjektor bereitgestellt. Der Kraftstoffinjektor umfaßt einen Körper mit einer Eintrittsöffnung, einer Austrittsöffnung und einem Kraftstoffdurchgangsweg, der sich von der Eintrittsöffnung bis zur Austrittsöffnung erstreckt. Ein Dosierelement ist in der Nähe der Austrittsöffnung angeordnet. Ein magnetostriktives Element steht in funktionaler Verbindung mit dem Dosierelement. Nahe dem magnetostriktiven Element befindet sich eine Spule, so daß auf Anregung der Spule ein durch die Spule erzeugter Magnetfluß das magnetostriktive Element dazu bringt, die Länge zu ändern und das Dosierelement zu betätigen.
Durch Kombination der Anpassung der Stöchiometrie und der Vorspannung wird ein Hubverhalten erzielt, das für ein konstantes Magnetfeld innerhalb des Temperaturbereichs von –40°C bis +150°C konstant gehalten wird, indem die Zusammensetzung des magnetostriktiven Elements im wesentlichen aus einer Terfenol-D-Legierung mit der Formel Tb_xDy_1-xFe_y besteht, wobei x in einem Bereich von etwa 0,31 bis etwa 0,33 und y in einem Bereich von etwa 1,8 bis etwa 2,2 liegt, und der Kraftstoffinjektor ein Federelement umfasst, das in dem Körper angeordnet und funktional so ausgeführt ist, daß es eine Vorspannkraft auf das magnetostriktive Element ausübt, die im Bereich von etwa 13,8 MPa bis 52,2 MPa liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung aufgenommen werden und einen Teil dieser Beschreibung bilden, zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und dienen zusammen mit der oben angegebenen allgemeinen Beschreibung und der unten angegebenen ausführlichen Beschreibung dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern.
1 ist ein Querschnitt durch ein magnetostriktives Material, durch den der Einfluß eines extern angelegten Magnetfelds auf die Orientierung von magnetischen Bezirken innerhalb des Materials und der entsprechende Effekt auf die äußeren Abmessungen des Materials gezeigt werden soll.
2 ist ein Querschnitt durch einen magnetostriktiven Kraftstoffinjektor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine magnetostriktive Testvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 stellt das Temperaturverhalten der Zusammensetzung für eine Standardausführung von Terfenol-D (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92) dar, optimiert für einen Kompromiß zwischen Hysterese und magnetostriktiver Elongation.
5 stellt das Niedertemperaturverhalten für veränderliche Anteile von Terbium dar.
6 zeigt die magnetostriktiven Hysteresekurven (S-H) für eine bevorzugte Terfenol-D-Legierung an zwei bevorzugten Vorspannwerten, die einen bevorzugten Bereich von Vorspannwerten umfassen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt das Temperaturverhalten einer bevorzugten Terfenol-D-Zusammensetzung mit einem Terbiumgehalt von x = 0,33 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt die magnetostriktive Hysterese (S-H) einer Terfenol-D-Legierung mit einem Terbiumgehalt von x = 0,30.
9 zeigt die magnetostriktive Hysterese (S-H) einer Terfenol-D-Legierung mit einem Terbiumgehalt von x = 0,33 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt die magnetostriktive Hysterese (S-H) einer Terfenol-D-Legierung mit einem Terbiumgehalt von x = 0,36.
11 zeigt das Hochtemperaturverhalten einer Terfenol-D-Legierung mit einem Terbiumgehalt von x = 0,33 an zwei Vorspannwerten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 stellt das Hochtemperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer Standard-Terfenol-D-Zusammensetzung (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92) dar, verglichen mit dem Hochtemperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer bevorzugten Terfenol-D-Zusammensetzung von Tb_0,33Dy_0,67Fe_1,92, sowohl für weniger als optimale Vorspannung als auch für näherungsweise optimale Vorspannwerte.
13 stellt ein vorhergesagtes Temperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer Standard-Terfenol-D-Legierungs-Zusammensetzung (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92) dar, verglichen mit dem vorhergesagten Temperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer bevorzugten Terfenol-D-Zusammensetzung von Tb_0,33Dy_0,67Fe_1,92 für einen fast optimalen Vorspannwert von ungefähr 7,6 MPa.
14 stellt die Meßergebnisse eines Wandlers dar, die das Lastverhalten einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei 10 MPa Vorspannung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung charakterisieren.
15 stellt die magnetischen Charakteristika (Dehnung gegen magnetische Flußdichte) einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei bevorzugten Vorspannwerten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
16 stellt die Magnetisierungscharakteristika einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei bevorzugten Vorspannwerten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
17 zeigt die Charakteristik der magnetostriktiven Konstante für eine bevorzugte Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 zeigt die Charakteristik der magnetischen Permeabilität für eine bevorzugte Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei verschiedenen Vorspannwerten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine Darstellung eines Mikroschliffs, der die Mikrostruktur einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 stellt das verbesserte Temperaturverhalten einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Die derzeit bevorzugten Ausführungsformen werden in erster Linie in bezug auf magnetostriktive Kraftstoffinjektoren beschrieben. Wie jedoch von einem Fachmann anerkannt werden wird, sind diese Ausführungsformen nicht darauf begrenzt und können auf jeden Aktuatortyp angewandt werden, einschließlich z. B. elektronischen Ventilsteueraktuatoren oder Kraftstoffdruckregulatoren.
2 zeigt einen beispielhaften magnetostriktiven Kraftstoffinjektor gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform. Der Kraftstoffinjektor 100 umfaßt einen Ventilkörper 102 und eine Injektornadel 104 mit einer Nadelspitze 106, die in Verbindung mit einem Injektorsitz 108 ein Ventil bildet. Eine Schließfeder 110 ist funktional so angeordnet, daß die Nadelspitze in eine Abdichtposition in dem Injektorsitz 108 gezwungen ist. Ein Tellerfederstapel 112 übt eine Kraft auf einen beweglichen Kolben 114 aus, der koaxial mit der Injektornadel 104 und einem magnetostriktiven Element 116 ausgerichtet ist. Eine Kraftstoffeintrittsöffnung 118 ist funktional mit dem Ventilkörper 102 verbunden. Das magnetostriktive Element 116 ist koaxial zu einer Haspel 120 mit einer Spulenwicklung 122 angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Betätigung des Injektors in Form einer sich nach außen öffnenden Injektornadel, wie in 2 dargestellt, oder mit einer sich nach innen öffnenden Injektornadel (nicht gezeigt) erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Notwendigkeit für eine elektronische Temperaturkompensation zur Regelung der magnetostriktiven Elongation eines Terfenol-D-Aktuatorstabes beseitigt werden, indem besondere Kombinationen von Legierungszusammensetzungen und Vorspannwerten gewählt werden, wobei ein magnetostriktiver Aktuator mit einem im wesentlichen konstanten Hub bei konstantem Strom ohne den Bedarf an komplexen elektronischen Regelschaltkreisen bereitgestellt wird.
Es können binäre und pseudobinäre Varianten von magnetostriktiven Legierungen ausgeführt werden, um riesige Magnetostriktion für Temperaturen, die vom absoluten Nullpunkt bis über 250°C reichen, zu zeigen. Entsprechend einer derzeit bevorzugten Ausführungsform kann Terfenol-D in einem magnetostriktiven Injektor benutzt und so ausgeführt werden, daß keine Regelkreiskompensation zur Regelung des Betrags der magnetostriktiven Elongation erforderlich ist. Um eine Ausführung einer Terfenol-D-Legierung zu ermitteln, die diese Eigenschaft zeigt, wurden verschiedene Zusammensetzungen bei niedrigen Temperaturen bewertet. Die optimale Niedertemperaturlegierung wurde dann an zwei Vorspannpunkten bei hohen Temperaturen getestet. Auf diese Weise wurde festgestellt, daß der Terbiumgehalt in der Terfenol-D-Legierung erhöht werden kann, um das Niedertemperaturverhalten zu verbessern. Es wurde weiter festgestellt, daß die Anwendung einer kompressiven Vorspannkraft auf das Terfenol-D dazu benutzt werden kann, das Hochtemperaturverhalten zu verbessern. Die hier beschriebene Kombination der Anpassung der Stöchiometrie und der Vorspannung, um das Temperaturverhalten zu optimieren, führt zu einem Hubverhalten, das für ein konstantes Magnetfeld (oder einen konstanten Strom) innerhalb des typischen Betriebstemperaturbereichs von Kraftfahrzeugen von etwa –40°C bis +150°C ohne die Notwendigkeit einer externen Regelkreiskompensation konstant gehalten werden kann.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird nun ein Verfahren zur Optimierung des magnetostriktiven Verschiebungsverhaltens, einschließlich nicht-linearer und nicht-gleichmäßiger magnetostriktiver Elongationseffekte, von Terfenol-D über einen Zieltemperaturbereich (z. B. den typischen Betriebstemperaturbereich von Kraftfahrzeugen von etwa –40°C bis 150°C) beschrieben. Ein bevorzugtes Verfahren umfaßt die Bereitstellung einer magnetostriktiven Testvorrichtung, vorzugsweise eines Aktuators, der ungefähr den magnetischen und mechanischen Aufbau eines magnetostriktiven Injektors in Kraftfahrzeugen hat. 3 zeigt eine magnetostriktive Testvorrichtung, die mindestens einen Terfenol-D-Stab 130 mit der gewünschten experimentellen Stöchiometrie der Legierung aufweist, eine Solenoidspule 132, und einen Vorspannmechanismus 134, um das magnetostriktive Element 130 mit der minimalen Vorspannung zu belasten, die erforderlich ist, um eine nahezu maximale Magnetostriktion zu erzeugen (der Vorspannmechanismus ist optional, abhängig von der Anwendung und den besonderen Charakteristika des magnetostriktiven Materials). Die Solenoidspule 132 liefert die erforderliche Magnetisierungskraft, um die gewünschte Magnetostriktion zu erzeugen, und die Abschlußkappe 136 umfaßt einen Drucksensor.
Die prozentuale Verschiebung der Terfenol-D-Stäbe kann dann für Temperaturen innerhalb des gewünschten Niedertemperaturbereichs gemessen werden (z. B. ungefähr von –40°C bis +20°C für Kraftfahrzeug-Anwendungen). In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Niedertemperatur-Nichtlinearität dann durch die Wahl des Terbiumgehalts in der Legierung Tb_xDy_1-xFe_y kompensiert werden, wobei x = 0,31 bis 0,33 und y = 1,8 bis 2,2 ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das magnetostriktive Hochtemperaturverhalten dann durch Variation der Höhe der Vorspannung optimiert werden. Vorzugsweise sollte ein Vorspannbereich gewählt werden, der den gewünschten Effekt einer im wesentlichen konstanten Magnetostriktion bei einem im wesentlichen konstanten Magnetfeld über den gewünschten Temperaturbereich erreicht.
Entsprechend kann bei Einsatz bestimmter Kombinationen von Terbium, Dysprosium und Eisen beinahe der gesamte Bereich der positiven magnetostriktiven Elongation, Feldsensitivität und Betriebstemperaturen erzielt werden. Die Stöchiometrie von Terfenol-D, einer pseudobinären Legierung, liegt vorwiegend innerhalb des folgenden Bereichs: Tb_xDy_1-xFe_y, für 0 < x < 1 und 0 < y < 17. Das Temperaturverhalten der Zusammensetzung einer Standardausführung von Terfenol-D (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92), optimiert für einen Kompromiß zwischen Hysterese und Elongation, ist beispielsweise in 4 gezeigt. Es wurde festgestellt, daß, wenn „y” ansteigt, die Curietemperatur fällt, wobei ein Wert von ungefähr y = 2 die höchste Curietemperatur (z. B. +438°C für TbFe₂) zeigt. Terfenol-D hat, wie alle ferromagnetischen Materialien, eine Curietemperatur entsprechend dort, wo vollständige Entmagnetisierung vorliegt. Weiter fällt, wenn sich „y” Null nähert, die Magnetostriktion signifikant mit dem Temperaturanstieg. Die Abwesenheit von Eisen führt zu Curietemperaturen unterhalb von etwa –30°C und nähert sich dem Tieftemperaturbereich.
Das Tb/Dy-Verhältnis bestimmt die Kompensationstemperatur der magnetischen Anisotropie. Oberhalb der Temperatur der magnetischen Anisotropie sind die hoch magnetostriktiven anisotropen Achsen leicht magnetisch und die Magnetostriktion folgt der Magnetisierung, unterhalb der Temperatur der magnetischen Anisotropie sind die fast nicht magnetostriktiven Achsen leicht magnetisch und die Magnetisierung ist groß, verglichen mit der Magnetostriktion.
Beispielsweise liegt, wie in 5 dargestellt, der Einsatz der Kompensationstemperatur in der Terfenol-D-Stöchiometrie Tb_xDy_1-xFe_y für x = 0,3 bei ungefähr 0°C; für x < 0,3 verschiebt sich der Einsatz zu höheren Temperaturen; und für x > 0,3 verschiebt sich der Einsatz zu niedrigeren Temperaturen. Deshalb kann die Spitze in der Temperaturabhängigkeit durch Variation der Tb-Konzentration verschoben werden, wodurch die Kraftfahrzeug-Anwendung optimiert wird. Weiter kann die Steilheit der Kurve der Demagnetostriktion in Abhängigkeit vom Temperaturanstieg durch Veränderung der Eisenkonzentration verändert werden. Das Tb/Dy-Verhältnis bestimmt die Hysterese des unteren Feldes, die ein wichtiger Faktor für die Maximierung der Magnetostriktion bei einer bestimmten Feldstärke ist.
Es wurde beobachtet, daß die Steilheit der Kurve der Demagnetostriktion in Abhängigkeit von der Temperatur nicht nur mit der Eisenkonzentration variiert, sondern auch mit dem Betriebspunkt auf der S-H-Kurve (magnetostriktive Dehnung S aufgetragen gegen magnetische Feldstärke H). Es gibt mehrere denkbare Variablen, die verändert werden können, um die relative Position auf der S-H-Kurve zu verschieben. Die Wärmebehandlung und die Qualität der Legierung beeinflussen die Dehnung bei einer bestimmten Feldstärke, aber da diese Variablen zur Maximierung der Magnetostriktion optimiert sind, ist es normalerweise nicht erwünscht, diese Variablen zu verändern. Die anderen denkbaren Variabeln umfassen die magnetische Feldstärke und die Vorspannung.
Beispielsweise bewegt sich durch Abnahme der magnetischen Feldstärke von 500 Oersted auf 250 Oersted bei einer konstanten Vorspannung von 7,6 MPa das Verhalten in einen Abschnitt der S-H-Kurve, in dem die Demagnetostriktion in Abhängigkeit von der Temperatur nahezu Null ist. Dies ist für eine Hochdruckinjektoranwendung wegen der Elongation des magnetostriktiven Elements nicht erwünscht und, vielleicht noch wichtiger, wegen der Verschiebung zu einer niedrigeren magnetischen Feldstärke geht Kraft verloren. Wie in 6 zu sehen ist, bewegt sich bei Zunahme der Vorspannung bei einer konstanten Feldstärke die gesamte S-H-Kurve, verursacht durch einen Austausch der gespeicherten magnetischen Energie und der magnetischen Energie, die für die Dehnung aufgewendet wird, was zu einer niedrigeren relativen Lage auf der S-H-Kurve führt, wo die Demagnetostriktion in Abhängigkeit von der Temperatur nahezu Null ist. Diese Variation der Vorspannung zur Kompensation des Hochtemperaturverhaltens ist erwünschter, weil dabei kein Verlust von Kraft auftritt und eine erhöhte mechanische Steifheit sowie die Möglichkeit zum „Anpassen und Vergessen” in der Produktion erreicht wird.
Das folgende Arbeitsbeispiel zeigt den Einfluß der Stöchiometrie auf die Abhängigkeit der magnetostriktiven Temperaturen und wurde durchgeführt, um die oben beschriebenen Prinzipien zu verifizieren, die die Kompensation des Temperaturverhaltens von Terfenol-D-Legierungen betreffen.
Magnetostriktive Stäbe
Die folgenden magnetostriktiven Stäbe wurden benutzt:

1. Material: Terfenol-D (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92), hergestellt durch ETREMA Products Inc., Stab Nr.: ecg 96-122A (druckgetestet); Abmessungen: 4 × 4 × 50 mm; Wachstumsverfahren: modifiziertes Bridgeman (MB), ETREMA ECG.
2. Material: Terfenol-D (Tb_0,33Dy_0,67Fe_1,92), hergestellt durch die Iowa State University für ETREMA Products Inc., Stab Nr.: MCM-18-07; Abmessungen: 6,46 mm Durchmesser × 51,30 mm Länge; Wachstumsverfahren: Freistehendzonenschmelzen (FSZM), unbekannte Wärmebehandlung, Zwillingskristallausführung.
3. Material: Terfenol-D (Tb_0,36Dy_0,64Fe_1,92), hergestellt durch die Iowa State University für ETREMA Products Inc., Stab Nr.: MCM-18-09; Abmessungen: 6,46 mm Durchmesser × 51,30 mm Länge; Wachstumsverfahren: Freistehendzonenschmelzen, unbekannte Wärmebehandlung, Zwillingskristallausführung.

Spulenparameter
Die Spulenparameter waren folgende:
Haspelabmessungen: 6,5 mm Innendurchmesser, 0,9 mm Wandstärke, 8,3 mm Spuleninnendurchmesser, 52,5 mm Spulenlänge
Haspelmaterial: Nylon 6/6
Spulenwicklung: 6 Schichten, 710 vollständige Windungen
Spulendraht: 26 AWG
20°C- Widerstand: 3,28 Ohm
1-kHz-Induktivität: 2,08 mH, zusammengesetzt, 1,31 mH, vorgespannt mit 15 MPa.
Instrumente
Die folgenden Instrumente wurden benutzt:

Elektronischer Antrieb für die Charakterisierung des Phasel-Aktuators: Spannung: 70 Volt
Auslastung: 5%

Aufnahmevorrichtung:
Tektronix Digital-Oszillograph Modell TDS 744A

Positionsmeßgerät (Hysterese und Temperaturverhalten aller drei Legierungen):
Laserinterferometer: Regler Polytec OFV3001, Sensorkopf OFV303

Positionsmeßgerät (statische Hubmessung des bevorzugten Stabs):
Mitutoyo Digimatic Indicator, Auflösung 0,001 mm

Strommeßgerät:
Tektronix 5 MHz Current Probe Modell TCP202

Lastzelle:
Omegadyne LCGD-500, Nichtlinearität = 0,25% FSO, Wiederholbarkeit = 0,10% FSO, 316SS Gehäuse

Thermometer:
Fluke 52 K/J-Thermometer mit Omega KMGSS-010U-12 K-Typ
Thermoelement (gemeinsam für Heiß- und Kalttest).
Verfahren
Das folgende Verfahren wurde ausgeführt:
Alle Niedertemperaturhysteresemessungen wurden bei 500 Oersted Magnetfeldstärke (3A) und 8,9 MPa Vorspannung ausgeführt.
Der Prozentsatz der maximalen Magnetostriktion wurde für Terfenol-D-Zusammensetzungen mit den Terbiumgehalten 0,30, 0,33, 0,36 und mit 8 Datenpunkten von –30°C bis +20°C je Legierungsvariante (–30°C, –25°C, –20°C, –15°C, –10°C, –5°C, +5°C, +20°C) gemessen.
Die Hysteresemessungen jeder Legierung, die einer 0-500-0 Oersted Magnetfeldstärkeänderung ausgesetzt waren, wurden digital aufgenommen und als Prozentsatz aufgezeichnet, wobei 100% 500 Oersted entsprechen.
Der magnetostriktive Stab mit dem optimalen Verhalten wurde ausgewählt und der statische Hub bei –40°C, +20°C und +60°C bei 500 Oersted Magnetfeldstärke und 6 MPa Vorspannung getestet.
Der optimale magnetostriktive Stab wurde auch bei optimaler Vorspannung und doppelter optimaler Vorspannung für das Verhalten bei +20°C, +60°C und +100°C untersucht. Die ausgewählten Vorspannwerte waren: 6 MPa bzw. 12 MPa (gemessen 6,2 MPa bzw. 11,7 MPa).
Ergebnisse
Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:
Wie in 4 zu sehen ist, zeigt das Standard-ETREMA-Terfenol-D mit einem Terbiumgehalt von x = 0,30 Demagnetostriktion in Abhängigkeit von der Temperatur mit einer Rate von ungefähr 0,30% pro Grad C oberhalb von ungefähr 5°C. Unterhalb von ungefähr 5°C ist das Verhalten unerwünscht nichtlinear und nimmt schnell ab.
Wie in 7 zu sehen ist, zeigt eine bevorzugte Terfenol-D-Zusammensetzung mit einem Terbiumgehalt von x = 0,33 eine Demagnetostriktion in Abhängigkeit von der Temperatur mit einer Rate von ungefähr 0,22% pro Grad C oberhalb von –40°C und hat eine Hysterese nahe der von Standard-ETREMA-Terfenol-D.
Wie durch Vergleich der 8, 9 und 10 zu sehen ist, zeigt das experimentelle Terfenol-D mit einem Terbiumgehalt von x = 0,36 unerwünscht große Hysteresen und hat eine deutlich geringere Magnetostriktion bei in einem Injektor erwarteten Feldstärken (2000 Oersted) als die Stöchiometrien sowohl von x = 0,30 als auch von x = 0,33.
Sowohl die Zusammensetzung mit x = 0,33 als auch die mit x = 0,36 zeigen weiter riesige Magnetostriktionen bei niedrigen Temperaturen. Für eine Kraftfahrzeug-Injektoranwendung ergeben Stöchiometrien mit einem Terbiumgehalt von 0,31 < x < 0,33 einen optimalen Bereich für das Niedertemperaturverhalten. Durch weiteres Testen der Stöchiometrie von x = 0,33 bei der doppelten optimalen Vorspannung (siehe 11) wurde bestätigt, daß die Steilheit der Demagnetostriktionskurve durch Verzicht auf den höchsten Hub bei einem konstanten Magnetfeld annulliert werden kann. Das Gleichgewicht der magnetischen Feldstärke und der Vorspannung zur Maximierung des Hubs bei Aufrechterhaltung eines konstanten Hubs von –40°C bis +150°C führen zu den Beschränkungen bei der Gestaltung der Beziehung zwischen Strom und Last eines optimalen Injektors. Bei einem konstanten Antriebsstrom wird der Hub des Injektors wegen des magnetostriktiven Verhaltens im Temperaturbereich eines Kraftfahrzeugs in einer Ausführung nach den oben dargestellten Prinzipien fast konstant sein.
12 zeigt das Hochtemperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer Standard-Terfenol-D-Zusammensetzung (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92), verglichen mit dem Hochtemperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer bevorzugten Terfenol-D-Zusammensetzung von Tb_0,33Dy_0,67Fe_1,92, sowohl für weniger als optimale Vorspannung als für näherungsweise optimale Vorspannwerte. Wie in 12 gezeigt ist, ist die Steilheit der Kurve der Demagnetostriktion in Abhängigkeit vom Temperaturanstieg für Terfenol-D-Zusammensetzungen mit x > 0,3 und für ansteigende Vorspannwerte vermindert.
13 zeigt das vorhergesagte Temperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer Standard-Terfenol-D-Legierungszusammensetzung (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92), verglichen mit dem vorhergesagten Temperaturverhalten eines magnetostriktiven Stabs mit einer bevorzugten Terfenol-D-Zusammensetzung von Tb_0,33Dy_0,67Fe_1,92 für einen fast-optimalen Vorspannungswert von ungefähr 7,6 MPa. 13 zeigt auch das Resultat des vorhergesagten Temperaturverhaltens für eine bevorzugte Terfenol-D-Zusammensetzung mit der Formel Tb_0,33Dy_0,67Fe_1,92 bei einem Vorspannwert von fast dem Doppelten des Optimalen (d. h. ungefähr 15 MPa).
14 zeigt Ergebnisse von Wandlermessungen, die das Lastverhalten einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei 10 MPa Vorspannung charakterisieren.
15 zeigt die magnetischen Charakteristika (Dehnung gegen magnetische Flußdichte) einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei bevorzugten Vorspannwerten.
16 zeigt die Magnetisierungscharakteristika einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei bevorzugten Vorspannwerten.
17 zeigt die Charakteristik der magnetostriktiven Konstante der bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92.
18 zeigt die Charakteristik der magnetischen Permeabilität einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei verschiedenen Vorspannwerten.
19 ist eine Darstellung eines Schliffbilds, das die Mikrostruktur einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 zeigt.
20 zeigt das verbesserte Temperaturverhalten einer bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92. Ein Vergleich von 20 mit 4 zeigt, daß die Umkehrtemperatur der bevorzugten Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 bei ungefähr –25°C auftritt, außerhalb des typischen Kraftfahrzeug-Betriebsbereichs. Im Gegensatz dazu liegt die Umkehrtemperatur der Standardlegierung (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92) bei ungefähr 0°C, völlig innerhalb des typischen Kraftfahrzeug-Betriebsbereichs. Weiter ist die Steilheit der Charakteristik des Temperaturverhaltens der bevorzugten Terfenol-D-Legierung Tb_0,32Dy_0,68Fe_1,92 geringer als die Steilheit der Standard-Terfenol-D-Zusammensetzung (Tb_0,30Dy_0,70Fe_1,92), was zeigt, daß mit der bevorzugten Terfenol-D-Zusammensetzung über den gesamten Bereich der Kraftfahrzeug-Betriebstemperaturen ein verbessertes Temperaturverhalten erzielt werden kann.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind eine Vielzahl von Modifikationen, Veränderungen und Änderungen an den beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen festgelegt, zu verlassen. Entsprechend soll die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt sein, sondern den gesamten Bereich, der durch die Ausführungen der folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist, abdecken.

Claims

Kraftstoffinjektor (100) mit: einem Körper (102) mit einer Eintrittsöffnung (118), einer Austrittsöffnung und einem Kraftstoffdurchgangsweg, der sich von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung erstreckt; einem Dosierelement (104), das nahe der Austrittsöffnung angeordnet ist; einem magnetostriktiven Element (116) in funktionaler Verbindung mit dem Dosierelement (104), und einer Spule (122) nahe dem magnetostriktiven Element (116), so daß auf Anregung der Spule (122) ein durch die Spule (122) erzeugter Magnetfluß das magnetostriktive Element (116) dazu veranlaßt, die Länge zu ändern und das Dosierelement (104) zu betätigen, wobei durch Kombination der Anpassung der Stöchiometrie und der Vorspannung ein Hubverhalten erzielt wird, das für ein konstantes Magnetfeld innerhalb des Temperaturbereichs von –40°C bis +150°C konstant gehalten wird, – indem die Zusammensetzung des magnetostriktiven Elements (116) im wesentlichen aus einer Terfenol-D-Legierung mit der Formel Tb_xDy_1-xFe_y besteht, wobei x im Bereich von etwa 0,31 bis etwa 0,33 und y im Bereich von etwa 1,8 bis etwa 2,2 liegt – und indem der Kraftstoffinjektor (100) ein Federelement (112) aufweist, das in dem Körper (102) angeordnet und funktional so ausgeführt ist, daß es eine Vorspannkraft auf das magnetostriktive Element (116) ausübt, die im Bereich von etwa 13,8 MPa bis 52,2 MPa liegt.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosierelement (104) eine Nadelspitze (106) aufweist, die sich in den Körper (102) des Injektors (100) zurückzieht, wenn die Länge des magnetostriktiven Elements (116) unter dem Einfluß des Magnetflusses zunimmt.
Kraftstoffinjektor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosierelement (104) eine Nadelspitze (106) aufweist, die sich aus dem Körper (102) des Injektors (100) heraus erstreckt, wenn die Länge des magnetostriktiven Elements (116) unter dem Einfluß des Magnetflusses zunimmt.