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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs mit einer verbesserten Dynamik und ein Verfahren zum Steuern eines Fluiddurchgangs mittels einer Ventilnadel oder eines Schiebers, wobei im stromlosen Zustand der Fluiddurchgang offen oder geschlossen sein kann.
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Ventile mit Magnetkreisen als elektromagnetischer Antrieb sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und unterscheiden sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Schaltzeiten, ihrer Ventilhübe, der Funktion ihrer Magnetkreise wie Ventile mit einem Proportional- oder 2-Punkt-Schaltmagnet oder hinsichtlich der Bauart ihrer Magnetkreise wie Magnetkreise mit einem Tauch- oder Flachanker.
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In der Regel arbeitet der Magnetkreis gegen eine Rückstellfeder. Die Gesamtdynamik des Ventils wird in diesem Fall durch den Magneten des Magnetkreises bestimmt, während die Aufteilung in Anzugs- und Abfallzeit durch die Feder bestimmt wird. Entscheidend für die Anzugs- und Abfallzeit des Magneten ist die Geschwindigkeit des Magnetfeldaufbaus im Magnetkreis, die zu überwindende Kraft der Rückstellfeder (je größer die Kraft der Rückstellfeder, desto langsamer ist die Anzugszeit und desto schneller ist die Abfallzeit des Magneten), der Ventilhub sowie weitere mechanische Größen im Ventil, wie die gesamte zu bewegende Masse und sonstige Kräfte. Für die Anzugszeit des Magneten ist ferner auch das erreichte Kraftniveau von Bedeutung.
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Die Dynamik des Ventils mit einem elektromagnetischen Antrieb ist technisch bedingt begrenzt. Beispielsweise hat ein großer Ventilhub immer vergleichsweise längere Schaltzeiten zur Folge, da die Ventilnadel mehr Zeit zum Anziehen und Abfallen benötigt und die erreichbare Magnetkraft bei großen Hüben aufgrund des magnetischen Restluftspalts entsprechend gering ist. Indirekt hat der große Ventilhub aber auch Einfluss auf die Geschwindigkeit des Magnetfeldaufbaus und auf die Magnetkraft. Dies gilt in besonderem Maße für Flachankermagneten, die relativ große Kräfte erzeugen können und daher hinsichtlich Dynamik besonders geeignet sind.
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Zwar wurde bereits vorgeschlagen, den elektromagnetischen Antrieb in einem Ventil durch einen piezoelektrischen Antrieb zu ersetzen um die Dynamik weiter zu verbessern, diese Lösung ist jedoch aufgrund der nicht unerheblich höheren Kosten für einen piezoelektrischen Antrieb nur bedingt wirtschaftlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz der Verwendung von kostengünstigen elektromagnetischen Antrieben im Ventil die Dynamik des Ventils deutlich verbessert ist. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Ventil auch bei großen Hüben noch schnell schalten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventil eine Ventilnadel oder einen Ventilschieber aufweist, die von Ankerelementen aus wenigstens zwei verschiedenen elektromagnetischen Antrieben betätigt wird. Beide elektromagnetische Antriebe, und damit beide Ankerelemente, sind in Reihe angeordnet und können gemeinsam mit einem Rückstellelement zurückgestellt werden. Grundgedanke der Reihenanordnung ist es, die durch einen elektromagnetischen Antrieb aufgebrachte Betätigungskraft für die Ventilnadel durch mindestens einen weiteren in Reihe angeordneten elektromagnetischen Antrieb zu verstärken. Durch die Aufteilung eines großen Antriebs in mindestens zwei kleine magnetische Antriebe ist im Magnetkraftaufbau eine höhere Dynamik erreichbar. Durch das einfache Aneinanderreihen der elektromagnetischen Antriebe lässt sich so kostengünstig selbst für sehr große Hübe der Ventilnadel eine ausreichend hohe Betätigungskraft erzeugen, die die Ventilnadel mit einer hohen Dynamik bewegt und das Ventil zur Steuerung des Fluiddurchgangs einstellt. Die Geschwindigkeit der Ventilnadel kann über die Anzahl der in Reihe geschalteten elektromagnetischen Antriebe eingestellt werden, so dass die Dynamik des Ventils individuell an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Lösung für ein hochdynamisch arbeitendes Ventil mit einem elektromagnetischen Antrieb geschaffen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann das erste und zweite Ankerelement in losem Kontakt miteinander verbunden sein, so dass sich die Ankerelemente voneinander lösen können. Dadurch wird eine Optimierung der gesamten zu bewegenden Masse aus Ankerelementen und Ventilnadel erreicht, da nur diejenigen Ankerelemente bewegt werden müssen, deren zugehörige elektromagnetische Antriebe auch eine Bewegungskraft auf sie ausübt. So kann beispielsweise eine vorbestimmte Anzahl an elektromagnetischen Antrieben im Ventil erfindungsgemäß in Reihe angeordnet sein, die Dynamik des Ventils jedoch über ein gezieltes Ansteuern einzelner elektromagnetischer Antriebe eingestellt werden.
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Vorzugsweise kann das zweite Ankerelement die Ventilnadel über das erste Ankerelement betätigen. Hierdurch kann insbesondere die Teileanzahl sehr gering gehalten werden.
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Auch können die elektromagnetischen Antriebe vorzugsweise als Stapel angeordnet sein, so dass sich das erfindungsgemäße Ventil durch einfaches Schichten der Antriebe kostengünstig realisieren lässt. Insbesondere können die elektromagnetischen Antriebe von der Montageseite aus geschichtet werden, so dass die einzelnen elektromagnetischen Antriebe bei der Herstellung vorab auf Ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden können.
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Liegen die Ankerelemente lose aufeinander lässt sich das erfindungsgemäße Ventil auch leichter warten, da defekte elektromagnetische Antriebe einfach aus dem Stapel entfernt und durch funktionstüchtige neue Antriebe ersetzt werden können.
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Weiter bevorzugt können die Ankerelemente der elektromagnetischen Antriebe baugleich sein, so dass sich das erfindungsgemäße Ventil durch ein einfaches Schichten baugleicher Elemente noch preiswerter herstellen lässt.
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Die elektromagnetischen Antriebe können in einem gemeinsamen Gehäuse, wie beispielsweise einem Rohr, angeordnet sein, so dass die elektromagnetischen Antriebe und das Gehäuse als Baukasten bereitgestellt und das erfindungsgemäße Ventil nicht nur bei der Herstellung sondern auch nachträglich beliebig an verschiedene Anwendungen und Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden können. Das erfindungsgemäße Ventil kann damit gleichermaßen in großtechnischer Fertigung als auch in Heimarbeit durch den Endverbraucher ohne Aufwand und spezielle technische Kenntnisse zusammengesetzt werden.
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In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung können die elektromagnetischen Antriebe voneinander beabstandet sein, so dass jedes Ankerelement einen zusätzlichen Hub ausführen kann, wenn das vorhergehende, schiebende Ankerelement seinen maximalen Hub erreicht hat. Durch den Abstand der einzelnen elektromagnetischen Antriebe kann so jedem einzelnen elektromagnetischen Antrieb im erfindungsgemäßen Ventil ein Teilhub für die Ventilnadel zugeordnet werden, so dass die Ventilnadel einen Teilhub ausführt, wenn das Ankerelement des dem Teilhub entsprechenden elektromagnetischen Antriebs seinen vollen Hub ausgeführt hat. So lassen sich die Vorteile von hochdynamischen Schaltmagneten und eher langsamen Proportionalmagneten vereinen, was einen Technologiedurchbruch darstellt, da eine hohe Dynamik in Kombination mit variablen Hüben bisher ausschließlich Ventilen mit piezoelektrischen Antrieben vorbehalten war. Darüber hinaus stellt die Weiterbildung der Erfindung eine schlichte Lösung dar, da sich die Teilhübe des Ventils zusammen mit der erfindungsgemäßen Anordnung der elektromagnetischen Antriebe in Reihe mit einfachen Magnetkreisen und Wicklungen realisieren lassen, ohne dass eine Teilung eines einzelnen Magnetkreises in Längsrichtung notwendig wäre. Vorzugsweise werden die Abstände der elektromagnetischen Antriebe mittels Einstellringen zwischen den elektromagnetischen Antrieben eingestellt.
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Die Abstände der elektromagnetischen Antriebe zueinander können insbesondere mit größerer Entfernung zur Ventilnadel kleiner werden. Auf diese Weise liegen die einzelnen Ankerelemente in der Ruhelage der Ventilnadel alle aneinander an, so dass die erfindungsgemäß hohe Dynamik des Ventils für jeden einzelnen Teilhub der Ventilnadel erreicht wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Ventil eine Steuereinheit auf, die die einzelnen elektromagnetischen Antriebe individuell ansteuern und eventuell sogar direkt antreiben kann. Hierdurch kann das Ventil durch individuelles Ansteuern von elektromagnetischen Antrieben unterschiedlich große Hübe ausführen.
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Diese Ansteuerung kann dann derart erfolgen, dass die einzelnen elektromagnetischen Antriebe individuell angetrieben werden, da hierbei nicht nur die Dynamik des Schaltvorganges der Ventilnadel optimiert werden kann sondern auch Teilhübe der Ventilnadel in Stufen der Einzelhübe der einzelnen elektromagnetischen Antriebe einstellbar sind.
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Alternativ bietet die Steuereinheit aber auch die Möglichkeit, alle elektromagnetischen Antriebe einfach gleichzeitig anzusteuern und auf diese Weise anzutreiben, was bereits zu einer verbesserten Dynamik des Ventils führt.
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Die Steuereinheit kann dabei beispielsweise zum schrittweise Ein- bzw. Abschalten der elektromagnetischen Antriebe vorgesehen sein. Ein solches Steuerungsschema ist nicht nur elektronisch einfach umsetzbar sondern könnte auch durch mechanische Mittel realisiert werden.
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Die elektromagnetischen Antriebe können vorzugsweise ein Einzelrückstellelement wie eine Einzelrückstellfeder zum Zurückstellen ihres Ankerelementes aufweisen. Auf diese Weise werden die Ankerelemente, die keinen Kontakt zu den anderen Ankerelementen mehr haben und auch nicht mehr angetrieben werden wieder in ihre Ausgangsposition zurückgefahren, so dass beim Zurückstellen der Ventilnadel durch das allgemeine Rückstellelement weniger Masse bewegt werden muss, und damit eine weitere Verbesserung der Dynamik erreicht wird.
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Der elektromagnetische Antrieb, der in direktem Kontakt mit der Ventilnadel steht, weist vorzugsweise kein eigenes Rückstellelement auf, da sein Ankerelement einzeln durch das allgemeine Rückstellelement in seine Ausgangsposition zurückgefahren werden kann.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Fluiddurchgangs mittels einer Ventilnadel mit einem ersten und zweiten Ankerelement wird zunächst die Ventilnadel mit dem zweiten Ankerelement über das erste Ankerelement bewegt. Dann wird die Ventilnadel mit einem Rückstellelement in ihre Ausgangsposition zurückgefahren.
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Vorzugsweise kann die Ventilnadel wenigstens nach ihrem Betätigen mittels dem zweiten Ankerelement durch das erste Ankerelement weiter betätigt oder gehalten werden, so dass nur noch die Masse des ersten Ankerelementes und die Masse der Ventilnadel zum Bewegen der Ventilnadel angetrieben werden müssen und so eine Optimierung der zu Bewegenden Masse in eine Bewegungsrichtung der Ventilnadel erreicht wird.
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Insbesondere kann auch das zweite Ankerelement beim Halten oder Weiterbetätigen der Ventilnadel durch das erste Ankerelement in seine Ausgangslage zurückgefahren werden, so dass beim Bewegen der Ventilnadel in die andere Richtung ebenfalls nur noch das erste Ankerelement und die Ventilnadel angetrieben werden müssen und so eine weitere Optimierung der zu bewegenden Masse erreicht wird.
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Wenn sich das erste und zweite Ankerelement in ihren Ausgangslagen – das heißt, im unbestromten Zustand der beiden elektromagnetischen Antriebselemente – berühren kann die Ventilnadel wenigstens teilweise gemeinsam mittels dem ersten und zweiten Ankerelement betätigt werden, so dass beim Antreiben der Ventilnadel eine besonders hohe Antriebskraft erreicht wird, die die Dynamik der Ventilnadel weiter verbessert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer besonderen Ausführung mit beliebig vielen Ankerelementen realisiert werden. Beispielsweise kann ein n tes Ankerelement mit n > 2 mit einem n – 1-ten, vorhergehenden Ankerelement in Reihe in Kontakt stehen und die Ventilnadel über alle vorhergehenden, n – 1-ten, in Reihe geschalteten Ankerelemente betätigen, so dass die Dynamikverbesserung der Ventilnadel durch beliebig viele Zusatzkräfte beliebig gesteigert werden kann.
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Insbesondere kann die Ventilnadel dabei wenigstens nach ihrem Betätigen mittels dem n-ten Ankerelement mittels wenigstens einem der n – 1-ten Ankerelemente weiter betätigt oder gehalten werden. Auf diese Weise können beliebig viele Teilhübe gemäß der Erfindung realisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils,
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2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, und
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3 ein Schaltplan für eine Steuereinheit zum Betreiben der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine erste Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Ventil 2 mit einem zweistufigen Magnetstack gezeigt. Ein solches Ventil 2 kann beispielsweise als Einspritzventil in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Das Ventil 2 weist eine Ventilnadel 4, einen ersten elektromagnetischen Antrieb 6 und einen zweiten elektromagnetischen Antrieb 8 auf. Während der erste elektromagnetische Antrieb 6 zum direkten Betätigen der Ventilnadel 4 vorgesehen ist, betätigt der zweite elektromagnetische Antrieb 8 die Ventilnadel über den ersten elektromagnetischen Antrieb 6. Mittels einer Hauptrückstellfeder 10 können der erste und der zweite elektromagnetische Antrieb 6, 8 gemeinsam in eine Nullposition zurückgefahren werden.
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Der erste elektromagnetische Antrieb 6 weist einen ersten Magnetkreis 12, eine erste Wicklung 14 und ein erstes Ankerelement 16 auf. Die erste Wicklung 14 kann bestromt werden und dient dann als magnetische Quellspannung, die den ersten Magnetkreis 12 durchflutet. Der erste Magnetkreis 12 weist Polschuhe 13 auf, aus denen das magnetische Feld aus dem ersten Magnetkreis 12 austreten kann. Das erste Ankerelement 16 ist magnetisiert, so dass das es durch das aus den Polschuhen 13 austretende magnetische Feld an die Polschuhe 13 herangezogen werden kann, wenn die erste Wicklung 14 bestromt wird.
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Der zweite elektromagnetische Antrieb 8 weist analog zum ersten elektromagnetischen Antrieb 6 einen zweiten Magnetkreis 18, eine zweite Wicklung 20 und ein zweites Ankerelement 22 auf. Sie wirken auf gleiche Weise zusammen, wie ihre analogen Elemente im ersten elektromagnetischen Antrieb 6. Zusätzlich kann der zweite elektromagnetische Antrieb 8 eine Einzelrückstellfeder 24 aufweisen, mit der das zweite Ankerelement 22 vom ersten Ankerelement 16 gelöst und individuell in seine Nulllage zurückgefahren werden kann.
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Beide elektromagnetischen Antriebe 6, 8 sind in einem Rohr 26 übereinander gestapelt und werden durch einen Abstandshalter 25 in Form eines Einstellrings voneinander getrennt. In dem so zwischen dem ersten und zweiten elektromagnetischen Antrieb 6, 8 geschaffenen Freiraum kann sich das erste Ankerelement 16 frei bewegen. Durch ein Übereinanderstapeln weiterer Abstandshafter und elektromagnetischer Antriebe kann die in 1 gezeigte Anordnung beliebig erweitert werden, je nachdem, wie viele Elemente im Rohr 26 noch Platz finden. Wie in 1 gezeigt, sind die Ankerelemente 16, 22 und die Ventilnadel 4 auf einer gemeinsamen Achse X-X in Reihe angeordnet.
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Am in 1 gezeigten Zustand des Ventils 2 ist die Stellung des zweiten Ankerelementes 22 im angezogenen Zustand zu sehen, während die erste Wicklung 14 des ersten Ankerelementes 16 unbestromt ist, so dass die Ventilnadel 4 ausschließlich durch das zweite Ankerelement 22 über das erste Ankerelement 16 gehalten wird. Gut zu erkennbar ist, dass die Ventilnadel 4 auf diese Weise nur einen Teil ihres vollen fahrbaren Hubes H zurückgelegt hat. Zum Weiterbewegen der Ventilnadel 4 auf Ihre volle Hubhöhe H, muss folglich nur noch die erste Wicklung 14 bestromt werden.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein zweites erfindungsgemäßes Ventil 28 mit einem dreistufigen Magnetstack in verschiedenen Funktionszuständen gezeigt. Zur besseren Übersichtlichkeit der 2 sind nicht für jeden Funktionszustand die einzelnen Elemente des Magnetstacks mit einem Bezugszeichen versehen.
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Anhand dieser Funktionszustände soll Funktionsweise der Erfindung näher erläutert werden. Das Einstellen von mehreren Teilhüben wird im Folgenden näher erläutert.
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Das in 2 gezeigte Ventil 28 ist gegenüber dem in 1 gezeigten Ventil 2 um einen dritten elektromagnetischen Antrieb 30 erweitert, der in gleicher Weise wie der zweite elektromagnetische Antrieb 8 aufgebaut ist. Er ist vom zweiten elektromagnetischen Antrieb 8 über einen weiteren Abstandshalter 32 beabstandet, so dass sich das Ankerelement 22 des zweiten elektromagnetischen Antrieb 8 frei bewegen kann. Die Abstandshalter 25, 32 sind so gewählt, dass der Abstand zwischen dem ersten und zweiten elektromagnetischen Antrieb 6, 8 größer ist, als der Abstand zwischen dem zweiten und dritten elektromagnetischen Antrieb 8, 30.
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Die Ventilnadel 4 kann einen maximalen Hub H ausführen, der durch ein Bestromen von wenigstens der Wicklung 14 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 erreicht werden kann. Je mehr Wicklungen im Ventil 28 zusätzlich bestromt werden, desto schneller führt die Ventilnadel 4 den maximalen Hub H aus.
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Durch ein gezieltes Bestromen der einzelnen Wicklungen kann die Ventilnadel 4 auch Teilhübe zwischen ihrer Nulllage (2a) und dem maximalen Hub H (2d–2f) ausführen. Dies wird im Folgenden anhand von 2 näher erläutert.
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Im Ausgangszustand a) hält die Ventilnadel 4 einen Fluiddurchgang vollständig geschlossen. Alle Wicklungen der elektromagnetischen Antriebe 6, 8, 30 sind unbestromt, so dass die Federkraft der Hauptrückstellfeder 10 die Ventilnadel 4 und alle Ankerelemente in ihrer Nulllage hält. Die drei baugleichen Ankerelemente 16, 22, 31 befinden sich dabei in losem Kontakt zueinander.
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Im Zustand b) ist lediglich die Wicklung des dritten elektromagnetischen Antriebs 30 bestromt, so dass sein Ankerelement 31 seine Endlage erreicht und mit einem entsprechenden Hub die Ventilnadel 4 über die restlichen Ankerelemente in eine Position knapp über der Nulllage bewegt. Die Anzugsverzugszeit wird durch das Ankerelement 31 des dritten elektromagnetischen Antriebs 30 bestimmt. Da dieser nur einen Teilhub erzeugen muss, kann die Auslegung kompakt und entsprechend hochdynamisch erfolgen. Die Wicklungen 14, 20 des ersten und zweiten elektromagnetischen Antriebs 6, 8 können bereits zu dieser Zeit bestromt werden, um ein Magnetfeld aufzubauen und die Hubbewegung der Ventilnadel 4 verzugsfrei fortzusetzen.
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Im Zustand c) wird zusätzlich die Wicklung 20 des zweiten elektromagnetischen Antriebs 8 bestromt, so dass sein Ankerelement 22 seine Endlage erreicht und mit einem entsprechenden Hub die Ventilnadel 4 über das Ankerelement 16 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 in eine Position knapp unter dem maximalen Hub H bewegt. Da das Ankerelement 31 des dritten elektromagnetischen Antriebs 30 seine Endlage bereits erreicht hat, bewegt es sich im Übergang von Zustand b) zu Zustand c) nicht mehr und bleibt in seiner Anschlagposition stehen. Somit wurde die bewegte Masse verringert.
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Im Zustand d) wird schließlich auch die Wicklung 14 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 bestromt, das nun ebenfalls seine Endlage erreicht und die Ventilnadel 4 mit einem entsprechenden Hub in ihre Endlage bewegt. Da die anderen Ankerelemente 22, 31 alle ihre Endlagen bereits erreicht haben, muss für den Übergang von Zustand c) zu Zustand d) nur noch das Ankerelement 16 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 und die Ventilnadel 4 bewegt werden. Somit wurde die bewegte Masse weiter verringert.
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Sobald der dritte elektromagnetische Antrieb 30 keinen Beitrag mehr zur Öffnungskraft auf die Ventilnadel 4 leistet, kann die Bestromung seiner Wicklung beendet werden. Wie in Zustand e) gezeigt, schiebt dann seine Einzelrückstellfeder 33 sein Ankerelement 31 in die Nulllage zurück.
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In Zustand f) ist nur noch die Wicklung des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 bestromt, die Ankerelemente 22, 31 aller anderen elektromagnetischen Antriebe 8, 30 haben ihre Nulllage wieder eingenommen. Das Ventil 28 ist abschaltbereit. Die Voraussetzungen für einen hochdynamischen Schaltvorgang sind optimal, denn der Abfallverzug wird nur durch den Magnetfeldabbau im ersten elektromagnetischen Antrieb 6 bestimmt, der aufgrund seines kleinen Hubanteils auf Dynamik optimiert sein kann. Außerdem ist die bewegte Masse minimiert.
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In 3 ist eine Steuereinheit zum Bestromen der Wicklungen der elektromagnetischen Antriebe 6, 8, 30 des Ventils aus 2 gezeigt. Eine Signaleinheit 36 gibt Schaltsignale 38, 40, 42 aus, die zur Steuerung von Schaltern 44, 46, 48 vorgesehen sind. Jeder Schalter steuert so die Stromzufuhr zu einer der Wicklungen der elektromagnetischen Antriebe 8, 6, 30, damit die Ventilnadel gemäß 2 bewegt werden kann. Vorwiderstände 50, 52, 54 sind zum Schutz der Wicklungen vorgesehen. Als Energiequelle dient eine Spannungsquelle 56. Somit sind die elektromagnetischen Antriebe 6, 8, 30 individuell ansteuerbar, so dass das Ventil 28 verschieden große Teilhübe oder einen Vollhub ausführen kann.
