DE102010063981A1

DE102010063981A1 - Magnetodynamischer Aktor und Verfahren zur Betätigung eines Kraftstoffeinspritzventils

Info

Publication number: DE102010063981A1
Application number: DE201010063981
Authority: DE
Inventors: Johann Görzen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2012084682A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetodynamischen Aktor, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil. Der erfindungsgemäße Aktor umfasst einen elektromagnetischen Stator und einen beweglichen Anker aus einem para- oder diamagnetischen Material. Der magnetische Anker wird durch Auswirkung von Wirbelströmen, welche sich beim Einschalten oder Ausschalten eines Stromflusses durch den elektromagnetischen Stator im Anker bilden, abgestoßen bzw. angezogen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor, sowie ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem magnetodynamischen Aktor.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetodynamischen Aktor, insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem magnetodynamischen Aktor.
Kraftstoffeinspritzventile für Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise ein Nadelventil auf, dessen Nadel mit Hilfe eines steuerbaren Aktors zwischen einer Offen- und einer Schließstellung hin- und herbewegt werden kann. Der steuerbare Aktor stellt einen Betriebshub bereit, welcher entweder direkt oder indirekt auf die Ventilnadel übertragen wird. Bei einem indirekt angesteuerten Kraftstoffeinspritzventil wird der Betriebshub des Aktors beispielsweise über ein Servoventil auf die Ventilnadel übertragen. Bekannte Aktortypen für diesen Zweck sind beispielsweise Piezoaktoren oder magnetostatische (Solenoid) Aktoren.
Übliche magnetostatische Aktoren weisen einen elektromagnetischen Stator und einen beweglichen ferromagnetischen Anker auf. Der Stator umfasst eine Spule und einen ferromagnetischen Kern. Während Strom durch die Spule des Stators fließt, übt der Stator eine magnetostatische Anziehungskraft auf den Anker aus. Durch diese statische Magnetkraft kann der Anker im Prinzip beliebig lang am Stator gehalten werden.
Der elektromagnetische Stator kann jedoch nur eine anziehende Kraft auf den Anker ausüben. Um das Ventil in beide Richtungen, d. h. zum Öffnen und Schließen, zu betätigen, ist daher eine Gegenkraft zum Auslenken des Ankers erforderlich. Für die Bereitstellung einer Gegenkraft wird daher üblicherweise eine Rückholfeder eingesetzt. Da die in einem herkömmlichen Aktor eingesetzten ferromagnetischen Stoffe verhältnismäßig schwer sind, sind entsprechend große Magnetkräfte und eine entsprechend dimensionierte Rückholfeder erforderlich. Durch die Rückholfeder wird die bewegliche Masse weiter vergrößert, so dass ein noch größerer Elektromagnet im Stator erforderlich wird.
Problematisch bei den bekannten magnetostatischen Aktoren ist auch das Auftreten von Wirbelströmen beim Ein- und Ausschalten des Magneten. Diese führen zu Leistungsverlusten und einem zusätzlichen Wärmeeintrag im Aktor. Darüber hinaus führen die Wirbelströme zu einer Hemmung der Bewegungen des Ankers, insbesondere bei schnellen Bewegungen. Dadurch ist die mögliche erreichbare Dynamik des Aktors begrenzt. Herkömmliche Maßnahmen zur Unterdrückung von Wirbelströmen, wie beispielsweise die Verwendung von weichmagnetischem, geblechtem Material für Stator und Anker sind in den für Kraftstoffeinspritzventile erforderlichen Größenordnungen, und in der Feinmechanik und Mikrotechnik im Allgemeinen, nicht immer möglich oder sehr teuer.
Die Bewegung in einem herkömmlichen magnetostatischen Aktor basiert also auf zwei physikalischen Effekten. Der quasistationäre, magnetostatische Haupteffekt (Nutzeffekt) besteht im ferromagnetischen Anziehen von Stator und Anker. Der nur transient auftretende magnetodynamische Nebeneffekt (Störeffekt) wirkt dem Haupteffekt dynamisch entgegen und begrenzt diesen dynamisch. Dadurch ergibt sich eine maximale Geschwindigkeit des Systems.
Ein zusätzliches Problem resultiert daher, dass der Anker beim Einschalten eines Stromes durch die Spule des Stators mit einer Kraft angezogen wird, welche sich exponentiell steigert, während er sich auf den Stator zu bewegt. Beim Aufprall auf den Stator hat der Anker daher eine maximale Geschwindigkeit und wird zugleich am stärksten angezogen. Dies kann zu einem Zurückprellen des Ankers führen, was im Laufe der Zeit eine Verformung und Abnutzung des Ankers nach sich ziehen kann.
Das einerseits durch den exponentiellen Kraftverlauf und andererseits durch nicht realisierbare Regelungsmaßnahmen bedingte binäre Schaltverhalten des magnetostatischen Aktors verhindert eine Einspritzverlaufsformung, das sogenannte „Rate Shaping”, bei der die Düsennadel nur teilweise geöffnet wird. Dabei soll durch Steuerung der Einspritzrate während einer Einspritzung der Verbrennungsprozess im Brennraum optimiert werden.
Bekannte Lösungen zur Einspritzverlaufsformung umfassen beispielsweise ein Verfahren, bei welchem Injektoren über zwei Rails und zwei Ventile mit zwei verschiedenen Drücken versorgt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der zwei Ventile ggf. mit Überlappung kann der Druckverlauf an der Düse beeinflusst und damit die Einspritzrate eingestellt werden. Aus der DE 101 316 19 A1 und der EP 13 14 881 sind außerdem Verfahren bekannt, bei welchen über eine Zulaufdrossel, die über ein zweites Ventil überbrückt werden kann, der Druckverlauf an der Düse beeinflusst werden kann. Darüber hinaus sind inverse Verfahren bekannt, bei denen der Injektor mit einem niedrigen Druck versorgt wird und intern in einer zweiten Stufe selbst den höheren Druck erzeugt. Dabei wird der Kraftstoff nicht in einer externen Hochdruckpumpe sondern erst im Injektor auf den maximalen Einspritzdruck verdichtet. Der Injektor ist hierfür mit einem hydraulischen Druckübersetzer sowie mit zwei Magnetventilen ausgestattet. Derartige Lösungen zur Steuerung des Drucks im Injektor sind aber aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Aktor und ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils anzugeben, womit die oben genannten Probleme zumindest teilweise vermieden werden können.
Die Aufgabe wird durch einen magnetodynamischen Aktor sowie durch ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer magnetodynamischer Aktor umfasst einen elektromagnetischen Stator mit Anschlüssen zur schaltbaren Verbindung mit einer Stromquelle. Über die Anschlüsse ist der Stator mit einer Stromquelle verbindbar, so dass ein Stromfluss durch den Stator eingeprägt werden kann. Eine Steuereinheit erlaubt die Steuerung des Stromflusses durch den Stator. Der elektromagnetische Stator umfasst beispielsweise eine Spule mit einem ferromagnetischen Kern.
Der magnetodynamische Aktor umfasst weiter einen beweglichen Anker mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Teilbereich. Der Anker ist mindestens zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich gelagert. Die erste Position des Ankers ist dabei vorzugsweise eine Ruheposition des Ankers, bei welcher der elektrisch leitfähige Teilbereich des Ankers eine minimale Entfernung vom Stator aufweist. Beispielsweise kann der bewegliche Anker in dieser ersten Position direkt am Stator anliegen. Es muss jedoch kein Kontakt zwischen dem Stator und dem beweglichen Anker bestehen.
Die zweite Position bezeichnet vorzugsweise eine ausgelenkte Position, in welcher der elektrisch leitfähige Teilbereich des Ankers einen größeren Abstand vom Stator aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass der Anker vom Stator abgehoben ist. Je nach Anordnung und Bauweise des Stators und des Ankers können grundsätzlich Auslenkungen aus der Ruheposition in verschiedene Richtungen möglich sein. Mindestens ist der Anker jedoch zwischen einer ersten und einer zweiten Position beweglich, wobei die Verschiebung bzw. Entfernung zwischen beiden Positionen einen Ankerhub darstellt. Im Folgenden wird daher nur von einer ersten Position und einer zweiten Position gesprochen.
Der Anker ist dazu eingerichtet während des Einschaltens eines Stromes durch den elektromagnetischen Stator zumindest in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich einen Wirbelstrom so auszubilden um unter Wechselwirkung mit einem Statormagnetfeld aus der ersten Position ausgelenkt zu werden. Beim Einschalten eines elektrischen Stroms durch den elektromagnetischen Stator bildet sich ein Magnetfeld (Statormagnetfeld) in diesem aus. Dadurch wird der Anker magnetisch durchflutet. Das entstehende Magnetfeld induziert einen Stromfluss in dem beweglichen Anker in Form von Wirbelströmen. Nach der Lenz'schen Regel sind diese so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken. Aufgrund der Wirbelströme wird der Aufbau des Statormagnetfelds durch Ausbildung eines zweiten Magnetfeldes (Ankermagnetfeld) in entgegengesetzter Richtung behindert. Die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder von elektromagnetischen Stator und Anker bewirken eine abstoßende Kraftwirkung zwischen dem elektromagnetischen Stator und dem beweglichen Anker.
Befindet sich der bewegliche Anker zunächst in der ersten Position mit einem minimalen Abstand zwischen dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers und dem Stator, so wird der Anker unter der Wirkung der entstehenden Magnetfelder beim Einschalten eines Stroms durch den elektromagnetischen Stator aus der ersten Position (Ruheposition) in eine zweite Position ausgelenkt.
Der Anker ist vorzugsweise mechanisch an ein Betätigungselement gekoppelt. Somit kann durch die Auslenkung des Ankers ein Betriebshub zur Betätigung des Betätigungselements bereitgestellt werden. Das Betätigungselement ist beispielsweise ein Ventilelement, insbesondere ein Ventilelement in einem Kraftstoffeinspritzventil. Grundsätzlich sind aber jedoch auch andere Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Aktors möglich, z. B. für ABS, schnelle Hydraulikventile, Pumpenventile oder in einer Druckvorrichtung.
Im Vergleich zu herkömmlichen magnetostatischen Aktoren werden somit bei dem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor Haupt- und Nebeneffekte vertauscht. Der beim herkömmlichen Aktor hauptsächlich wirksame magnetostatische Haupteffekt wird beim erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor zum nutzlosen Störeffekt. Stattdessen wird erfindungsgemäß der magnetodynamische Effekt als Haupteffekt ausgenutzt. Während bei den herkömmlichen magnetostatischen Aktoren der magnetodynamische Störeffekt aufgrund seines Hochpasscharakters die Dynamik des Gesamtsystems beschränkt, wird er erfindungsgemäß als Haupteffekt gerade wegen seines Hochpasscharakters gezielt ausgenutzt. Dadurch kann die Dynamik des Aktors weiter erhöht werden. Während herkömmliche, magnetostatische Aktoren mit stationären Magnetfeldern arbeiten, basiert der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor auf Magnetfeldänderungen.
Erfindungsgemäß werden also die im Anker entstehenden Wirbelströme ausgenützt, anstelle sie zu bekämpfen.
Durch Ausschalten des Stromes durch den elektromagnetischen Stator wird der gesamte Prozess umgekehrt. Durch die dadurch auftretende Änderung im Statormagnetfeld, werden wiederum Wirbelströme im Anker induziert, diesmal jedoch mit einer umgekehrten Polarität, so dass ein umgekehrtes magnetisches Feld (Ankermagnetfeld) entsteht, welches in Wechselwirkung mit dem Statormagnetfeld zu einer Anziehung des Ankers führt. Der bewegliche Anker ist daher vorzugsweise so eingerichtet, auch während eines Ausschaltens des elektrischen Stroms durch den elektromagnetischen Stator Wirbelströme auszubilden und unter der Wirkung eines Magnetfelds des elektromagnetischen Stators aus einer zweiten (ausgelenkten) Position in die erste Position bewegt zu werden.
Bei dem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor kann also der Anker sowohl angezogen als auch abgestoßen werden. Sowohl abstoßende als auch anziehende Wirkung des Ankers werden jeweils durch die Änderungen im Stromfluss durch den elektromagnetischen Stator und eine daraus resultierende Magnetfeldänderung des Statormagnetfelds verursacht. Die abstoßende und anziehende Wirkung erfolgt dabei immer nur durch eine dynamische Anregung.
Bei dem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor ist die abstoßende Kraft direkt nach dem Einschalten des Stromes zwischen Stator und Anker am stärksten. Mit der Zeit lässt die Kraftwirkung nach, da die Wirbelströme im Anker durch den elektrischen Widerstand im Material abklingen. Wäre der Anker supraleitend, würde der Wirbelstrom im Anker unendliche lange fließen und die abstoßende Kraftwirkung würde entsprechend lange wirken. Im realen Material des Ankers besteht jedoch ein endlicher elektrischer Widerstand der zu einem Abklingen der Wirbelströme führt. Das Abklingen der Wirbelströme im Anker führt auch zu einem Nachlassen des Ankermagnetfeldes und somit zu einem Nachlassen der abstoßenden Kraft. Nach einer entsprechend langen Zeitdauer würde der Anker somit nach Abklingen der abstoßenden Kraft wieder auf den Stator aufsetzen. Nur durch eine weitere Zunahme des Statorstroms könnte die abstoßende Kraft weiter aufrechterhalten werden. Bei den für Kraftstoffeinspritzventile nötigen Frequenzen zur Betätigung des Einspritzventils, spielt die Abnahme der abstoßenden Kraft jedoch keine große Rolle.
Dieser Effekt, dass die jeweilige anziehende oder abstoßende Kraft jeweils zu Beginn des Arbeitsschrittes maximal ist und dann nachlässt, bietet zudem einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors. Der Anker wird dadurch zu Beginn jeweils sofort voll beschleunigt und prallt aber später, z. B. beim Anziehen des Ankers, nicht mehr so stark auf den Stator auf („Soft landing”). Dieses „Soft landing” bietet den zusätzlichen Vorteil, dass es sich steuerungs- und regelungstechnisch weiter verbessern lässt, da man keine instabilen Zustände bewältigen muss wie beim magnetostatischen Aktor. Ein Prellen des Ankers kann damit besser vermieden oder zumindest reduziert werden, wodurch sich die Gefahr dauerhafter Verformungen des Ankers deutlich verringert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das magnetische Abstoßen stabil und weitgehend linear verläuft, während das magnetostatische Anziehen einen hochgradig instabilen nicht linearen Prozess darstellt. Derartige Vorgänge sind regelungstechnisch einfacher, schneller und robuster zu beherrschen. Speziell das freie Schweben eines Ankers, bei dem die Schwebhöhe deutlich kleiner ist, als dessen Abmessung, ist beim magnetischen Anziehen regelungstechnisch äußerst schwierig. Beim magnetischen Abstoßen dagegen liegen Prozesse vor, die wesentlich gutmütiger und deshalb einfacher zu beherrschen sind.
Durch die sofortige hohe Beschleunigung des Ankers bei jedem Arbeitsschritt, das heißt bei jedem Abstoßen und Anziehen des Ankers wird die Dynamik des Systems weiter erhöht. Das Zeitverhalten des Aktors kann dabei durch die Materialzusammensetzung von Stator und Anker sowie durch den Stromverlauf im Stator eingestellt werden.
Erfindungsgemäß weist der Anker mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich auf, in welchem sich die Wirbelströme ausbilden können. Vorzugsweise besteht der Anker aus einem para- oder diamagnetischen Material. Besonders bevorzugt besteht der Anker aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Durch eine gute elektrische Leitfähigkeit wird der Wärmeeintrag im Anker begrenzt und die Abklingzeit der Wirbelströme wird verlängert. Somit wird der magnetodynamische Effekt, welcher erfindungsgemäß zum Anziehen und Abstoßen des Ankers ausgenutzt wird, weiter verstärkt. Der magnetostatische Effekt wird dagegen verringert. Das Zeitverhalten des Aktors und damit auch die dynamische Wirkung lässt sich durch die Leitfähigkeit des Ankermaterials leicht und gezielt einstellen. Paramagnetische Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind beispielsweise Aluminium oder Kupfer.
Der Stator und Anker des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors sind vorzugsweise so ausgestaltet und angeordnet, dass das Statormagnetfeld, am Ort des Ankers in der ersten Position, das heißt in der Ruheposition, unsymmetrisch bzgl. dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers ist.
Das Statormagnetfeld ist im Wesentlichen ortsfest mit dem Stator verbunden. Das Ankermagnetfeld, welches durch die Wirbelströme im Anker erzeugt wird, ist dagegen im Wesentlichen ortsfest mit dem Anker verbunden. Bei einer Bewegung des Ankers bewegt sich das Ankermagnetfeld mit. Am Ort des Ankers überlagern sich Statormagnetfeld und Ankermagnetfeld. Aufgrund der Asymmetrie des Statormagnetfelds entsteht ein Enegiegefälle, woraus eine Kraft zur Auslenkung des Ankers aus der Ruheposition resultiert. Daher wird der Anker beim Einschalten des Stromes durch den elektromagnetischen Stator aus seiner Ruheposition ausgelenkt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des magnetodynamischen Aktors besteht der Aktor – abgesehen von dem leitfähigen Teilbereich – im Wesentlichen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Der elektrisch leitfähige Teilbereich ist dann beispielsweise durch Kurzschlussringe aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, damit sich Wirbelströme im Anker ausbilden können. Die Kurzschlussringe im Anker müssen dabei nicht kreisförmig ausgestaltet sein. Sie müssen lediglich einen geschlossenen Stromkreis im Inneren des Ankers zur Ausbildung von Wirbelströmen ermöglichen. Die Kurzschlussringe können jedoch auch rechteckig, dreieckig oder in jeder beliebigen anderen geschlossenen Form ausgestaltet sein.
Solche Kurzschlussringe können beispielsweise geformt werden durch kreuzweise angeordnete Bohrungen in dem Anker, welche durch ein elektrisch leitfähiges Material ausgegossen werden. Ein Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass die Position der Wirbelströme im Anker gezielt ausgewählt werden kann. Damit lässt sich eine Richtung der Auslenkung des Ankers aus der Ruheposition gezielt einstellen.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der ferromagnetische Statorkern derart geformt, dass sich bei eingeschaltetem Stromfluss durch die Spule der magnetische Nord- und Südpol des sich darin ausbreitenden Magnetfelds gegenüberliegen und zueinander weisen. Der ferromagnetische Kern bildet somit eine U-Form oder Hufeisenform, beziehungsweise einen unvollständigen Ring mit einer Aussparung. An der Aussparung des Rings stehen sich zwei Stirnflächen des ferromagnetischen Kerns gegenüber und bilden einen magnetischen Nord- und Südpol. Bei dieser Anordnung ist die direkte Wegstrecke zwischen Nord- und Südpol außerhalb des ferromagnetischen Kerns, das heißt in dem Spalt zwischen Nord- und Südpol, klein im Vergleich zur Wegstrecke zwischen Nord- und Südpol im Inneren des Ferromagneten, welcher durch den Ring verläuft. Der durch den Statorkern gebildete, unvollständige Ring muss dabei nicht der geometrischen Form eines Rings entsprechen. Vielmehr kann der Statorkern auch rechteckig oder dreieckig sein oder jede beliebige andere geschlossene Form annehmen, die an einer Stelle unterbrochen ist. An der Unterbrechung ist eine Spalt gebildet, an dem sich Stirnflächen gegenüber liegen, welche den Nord- und Südpol des Magnetfeldes bilden.
Die Ruheposition des Ankers befindet sich in dem Spalt zwischen Nord- und Südpol. Bei einer asymmetrischen Ausgestaltung des Ankers mit integrierten Kurzschlussringen kann die Richtung, in welche der Anker ausgelenkt werden soll angepasst werden. Beispielsweise können die Kurzschlussringe des Ankers außerhalb des Statorringes angeordnet sein, so dass eine Abstoßung des Ankers aus der Mitte des Stators erfolgt. Andererseits können die Kurzschlussringe im Anker von dem durch den Stator gebildeten Ring nach Innen hin versetzt sein, so dass eine bei Einschalten des Stroms durch den Stator eine Kraftwirkung auf den Anker zur Mitte des Stators hin erzeugt wird. Diese Wirkung kann nicht nur durch im Anker asymmetrisch angeordnete Kurzschlussringe erzeugt werden, sondern auch allgemein mit einem im Anker asymmetrisch angeordneten elektrisch leitfähigen Teilbereich.
Der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor ist insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine geeignet. Ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem magnetodynamischen Aktor, wie oben beschrieben, ist daher ein unabhängiger Gegenstand der Erfindung. Dabei ist der Anker mit einem Betätigungselement im Kraftstoffeinspritzventil gekoppelt. Durch eine Bewegung des Ankers wird ein Betriebshub zur Betätigung des Betätigungselements bereitgestellt. Das Betätigungselement kann beispielsweise ein Servoventilelement, ein Steuerkolben oder eine Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils sein. Mit einem Servoventil kann der vom Aktor bereitgestellte Betriebshub hydraulisch auf die Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils übertragen werden. Somit kann der Betriebshub der Geometrie des Kraftstoffeinspritzventils angepasst werden. In einer bevorzugten Variante ist der Anker des magnetodynamischen Aktors jedoch direkt mit einer Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils oder dem Steuerkolben zur Betätigung der Ventilnadel gekoppelt. Dies ermöglicht eine schnellere Reaktionszeit zwischen Betätigung des Aktors und des Kraftstoffeinspritzventils.
Ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für eine Brennkraftmaschine mit einem magnetodynamischen Aktor, welcher einen elektromagnetischen Stator und einen beweglichen Anker mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Teilbereich umfasst, ist ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Stromfluss durch den Elektromagneten des Stators eingeschaltet, wodurch ein Statormagnetfeld im Stator und einer Umgebung davon erzeugt wird. Durch dieses Statormagnetfeld wird ein elektrischer Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers induziert. Durch den Wirbelstrom im Anker wird ein Ankermagnetfeld im Anker erzeugt. Durch die Wechselwirkung des Statormagnetfelds und des Ankermagnetfeldes entsteht eine Kraftwirkung auf den Anker, welche zu einer Auslenkung des Ankers aus einer ersten Position in der Umgebung des Stators in eine zweite Position erfolgt. Zur Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils wird durch den magnetodynamischen Aktor die Auslenkung des Ankers auf ein Ventilelement des Kraftstoffeinspritzventils übertragen. Das Ventilelement kann dabei die Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils sein, oder auch ein Ventilelement eines Servoventils zur indirekten Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils.
Der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor ist nicht nur zur Auslenkung des Ankers aus der ersten Position in die zweite Position, sondern auch zur Betätigung in die entgegengesetzte Richtung geeignet. Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Weiterbildung auch die zusätzlichen Schritte, bei denen der Stromfluss durch den Elektromagneten des Stators ausgeschaltet oder umgepolt wird, wodurch das erste magnetische Feld im elektromagnetischen Stator nachlässt. Durch diese Änderung des ersten Statormagnetfeldes wird wiederum ein elektrischer Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers induziert. Dieser induzierte Wirbelstrom besitzt die entgegengesetzte Polarität des beim Einschalten des Stromflusses durch den Stator induzierten Wirbelstroms im Anker. In entsprechender Weise erzeugt der Wirbelstrom im Anker beim Ausschalten des Stroms durch den Stator ein Magnetfeld mit umgekehrter Polarität, welches zu einer Auslenkung des Ankers in entgegengesetzter Richtung führt. Dementsprechend wird der Anker aus der zweiten Position ausgelenkt und in die erste Position bewegt. Während die beim Einschalten des Stroms durch den Stator entstehenden Magnetfelder eine Abstoßung des Ankers vom Stator bewirken, werden beim Ausschalten des Stroms Magnetfelder erzeugt, welche eine anziehende Kraftwirkung auf den Anker bewirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem magnetodynamischen Aktor hat den Vorteil gegenüber herkömmlichen magnetostatischen Aktoren, dass sich damit grundsätzlich kürzere Öffnungs- und Schließzeiten und höhere Geschwindigkeiten realisieren lassen. Die hohen Geschwindigkeiten, mit welchen sich der erfindungsgemäße Aktor und damit das Kraftstoffeinspritzventil betreiben lassen, lassen sich außerdem in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zur Einspritzverlaufsformungen nutzen, wie im Folgenden beschrieben wird.
Der elektromagnetische Stator bzw. dessen Spule, weist eine bestimmte Induktivität auf. Der magnetodynamische Aktor wird vorzugsweise mit einem Steuergerät angetrieben. Die Induktivität im Stator kann dann mit einer Kapazität im Steuergerät einen elektrischen Schwingkreis bilden. Dadurch kann ein periodisches Ein- und Ausschalten des Stromflusses, beziehungsweise kann ein elektrischer Wechselstrom im elektromagnetischen Stator realisiert werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher der Stromfluss durch den elektromagnetischen Stator periodisch verändert. Die Veränderung kann durch ein periodisches Ein- und Ausschalten, einen periodischen Wechsel der Polarität oder auch durch Anlegen einer Wechselspannung erfolgen. Die Wechselspannung kann beispielsweise sinusförmig sein. Aufgrund der oben beschriebenen physikalischen Effekte wird durch das periodische Variieren des Stromflusses auch der Anker periodisch abgestoßen und angezogen. Dadurch kann der Anker in eine mechanische Schwingung versetzt werden. Diese mechanische Schwingung des Ankers kann wiederum auf ein Ventilelement des Kraftstoffeinspritzventils übertragen werden, so dass ein gepulstes Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils möglich wird.
Ein solches gepulstes Öffnen und Schließen des Kraftstoffventils kann beispielsweise zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen verwendet werden. Über die Frequenz, mit welcher das System in Schwingung versetzt wird, kann die Einspritzrate, und somit auch der Einspritzverlauf geformt werden.
Der elektrische Schwingkreis, bestehend aus einer Induktivität im Stator und einer Kapazität im Steuergerät, ist somit bei dem erfindungsgemäßen System über eine elastische, magnetisch-mechanische Kopplung mit einem schwingungsfähigen, mechanischen System verbunden. Die elastische, magnetisch-mechanische Kopplung wird durch den magnetodynamischen Aktor und das Ventil gebildet. Hierbei wird die elektromagnetische Schwingung auf eine mechanische Schwingungsbewegung des Ankers übertragen. Dieser wiederum kann über eine elastische mechanische Kopplung auf das Ventilelement des Kraftstoffeinspritzventils übertragen werden.
Diese Serienkopplung schwingungsfähiger Systeme kann so aufeinander abgestimmt werden, dass ein energieoptimales Gesamtsystem mit möglichst hoher Dynamik entsteht. Ein Betrieb mit sinusoidaler Erregung reduziert zusätzlich parasitäre Effekte. Speziell durch eine sinusoidale Erregung kann man die aufeinander abgestimmten Schwingkreise im Bereich ihrer Resonanz betreiben. Durch diesen harmonischen Betrieb lassen sich deutlich mehr Aktorhübe realisieren als bei bisherigen Aktoren.
Als Folge lässt sich der Injektor dahingehend reduzieren und optimieren, dass er mit konstanten Öffnungszeiten nur noch diskrete Teilmengen abgibt. Die gewünschte Kraftstoffmenge wird dann nicht mehr über die Ansteuerdauer, sondern über das Muster und die Anzahl an Einspritzimpulsen realisiert.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigen schematisch:
1: den Aufbau eines direkt angetriebenen Injektors mit einem Einspritzventil und einem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor;
2: eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors;
3: eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors;
4: eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors mit Kurzschlussringen;
5: eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors;
6: ein Schwingungssystem umfassend einen elektrischen Schwingkreis, eine magnetisch-mechanische Kopplung durch den magnetodynamischen Aktor und eine elastisch mechanische Kopplung zum Ventilelement eines Kraftstoffeinspritzventils;
7: eine graphische Darstellung einer gepulsten Einspritzung zur Realisierung verschiedener Einspritzraten;
8: eine graphische Darstellung einer gepulsten Einspritzung bei schwankendem Raildruck; und
9: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs verschiedener Zustände des magnetodynamischen Aktors bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines direkt angetriebenen Injektors mit einem Kraftstoffeinspritzventil 21 und einem erfindungsgemäßen Aktor 10. Das Kraftstoffeinspritzventil 21 umfasst einen Düsenkörper mit einer Düsennadelausnehmung, in welcher eine Düsennadel beweglich gelagert ist und von welcher sich mehrere Einspritzlöcher zum Brennraum 22 hin erstrecken. Bei geschlossenem Einspritzventil 21 bildet die Düsennadel einen Dichtsitz mit einem Düsennadelsitz in der Ausnehmung. Bei geöffnetem Kraftstoffeinspritzventil 21 ist die Düsennadel von ihrem Dichtsitz abgehoben und unter Druck stehender Kraftstoff kann von einer Zuleitung 34 durch die Düsennadelausnehmung und durch die Einspritzlöcher 33 in den Brennraum 22 einer Brennkraftmaschine strömen. Zum Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 21 wird die Ventilnadel direkt durch den erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor 10 angetrieben. Alternativ ist auch eine indirekte Ansteuerung über ein Steuerventil möglich. Eine Steuereinheit 32 regelt die Stromzufuhr zum Aktor 10. Der magnetodynamische Aktor 10 wird im Folgenden anhand der in den 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
2 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Aktors. Der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor 10 umfasst einen elektromagnetischen Stator 11 mit einer Spule 15 und einem ferromagnetischen Kern 16. An dem Kern anliegend befindet sich ein para- oder diamagnetischer Anker 13 in einer Ruheposition 12a (durchgezogene Linie). Stator und Anker sind in diesem Beispiel im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine zentrale Längsachse 24 ausgebildet. Die Spule 15 des elektromagnetischen Stators 11 ist mit einer Stromversorgung verbindbar. Beim Einschalten eines Stromes durch die Spule 15 entsteht ein Magnetfeld in dem ferromagnetischen Kern 16 der Spule. Während sich das magnetische Feld in den ferromagnetischen Kern 16 ausbildet, werden durch die Änderung des Magnetfelds in dem para- oder diamagnetischen Anker Wirbelströme induziert. Durch diese Wirbelströme wird wiederum ein magnetisches Feld aufgrund der Lenz'schen Regel ausgebildet, welches dem Magnetfeld des Stators 16 entgegenwirkt. Durch Wechselwirkung der beiden Magnetfelder von Stator 11 und Anker 13 entsteht eine abstoßende Kraftwirkung auf den Anker 13. Der Stator 11 ist ortsfest eingebaut. Der Anker 13 dagegen ist beweglich. Durch die abstoßende Kraftwirkung zwischen Stator 11 und Anker 13 aufgrund der beiden Magnetfelder von Stator und Anker, wird der bewegliche Anker 13 aus der ersten Ruheposition 12a in eine ausgelenkte Position 12b ausgelenkt. Der dadurch bereitgestellte Hub 23 (Differenz zwischen den Höhen 12a und 12b) kann auf ein Ventilelement eines Kraftstoffeinspritzventils 21 übertragen werden (1).
Der in 3 dargestellte magnetodynamische Aktor gemäß einer zweiten Ausführungsvariante umfasst einen Stator 11 mit einem ferromagnetischen Kern 16, welcher einen beweglichen Anker 13 weitgehend umschließt. Der bewegliche Anker 13 ist im Wesentlichen topfförmig ausgestaltet und weist einen Stempel 25 zur Übertragung des Hubs 23 auf ein Ventilelement des Kraftstoffeinspritzventils 21 auf. Auch diese Ausführungsform des Aktors ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine zentrale Längsachse 24.
Der ferromagnetische Kern 16 des Stators 11 befindet sich im Inneren einer Spule 15 und ist über diese hinaus verlängert in das Innere des topfförmigen Ankers 13. Zumindest der topfförmige Bereich des Ankers 14 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Der ferromagnetische Kern 16 ist nicht nur über das Innere der Spule 15 in das Innere des Ankertopfes 14 hinein verlängert, sondern erstreckt sich auch auf der Außenseite der Spule 15 bis zur Außenseite des topfförmigen Bereichs 14 des Ankers 13. Zwischen dem topfförmigen Bereich 14 des Ankers 13 und dem ferromagnetischen Kern 16 des Stators 11 befindet sich nur ein schmaler Spalt.
Durch Einschalten eines Stroms durch die Spule 15 des Stators wird ein magnetisches Feld in dem ferromagnetischen Kern 16 erzeugt. Dieses wird im Folgenden auch als Statormagnetfeld bezeichnet. Das Statormagnetfeld breitet sich im gesamten ferromagnetischen Kern 16 aus und wird lediglich durch den schmalen Spalt, in welchem sich der topfförmige Bereich 14 des beweglichen Ankers 13 befindet, unterbrochen. Durch das Entstehen des Magnetfeldes im Statorkern und in dem Spalt wird in dem topfförmigen, elektrisch leitfähigen Teilbereich 14 des Ankers 13 ein Wirbelstrom induziert. Durch diesen Wirbelstrom wird wiederum ein zweites magnetisches Feld, das Ankermagnetfeld, erzeugt, welches dem Magnetfeld des Stators 16 entgegenwirkt. Durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder wird eine Kraftwirkung auf den Anker 13 ausgeübt. Dadurch wird dieser aus seiner Ruheposition 12a in eine ausgelenkte Position 12b bewegt.
Die Auslenkung bzw. der Hub 23 des Ankers ist in dem in 3 dargestellten Beispiel durch eine untere Begrenzungswand begrenzt. Diese ist beispielsweise durch einen Ventilkörper 28 gebildet. Der Stempel 25 ragt durch eine Ausnehmung des Ventilkörpers 28 zur Übertragung des Ankerhubs 23 auf ein Ventilelement.
4 zeigt eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors 10 mit einem beweglichen Anker 13, welcher lediglich elektrisch leitfähige Teilbereiche 14 aufweist. Diese sind als Kurzschlussringe 14 in dem Anker 13 ausgebildet. Außer den Kurzschlussringen 14 besteht der Anker 13 in diesem Fall aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Der elektromagnetische Stator 11 weist eine Spule 15 auf sowie einen ferromagnetischen Kern 16, welcher sich hufeisenförmig um den beweglichen Anker erstreckt. Die zwei Schenkel des hufeisenförmigen Kerns enden in zwei Stirnflächen, die sich gegenüberstehen. Bei eingeschaltetem Stromfluss durch die Spule 15 bilden die beiden Stirnflächen des Kerns 16 den magnetischen Nord- und Südpol 17, 18 des Elektromagneten 11. Die Feldlinien des Statormagnetfeldes laufen von der Stirnfläche des magnetischen Nordpols 17 zur gegenüberliegenden Stirnfläche des magnetischen Südpols 18.
Der bewegliche Anker 13 ist zwischen den beiden Stirnflächen angeordnet und wird von dem Magnetfeld des Stators durchsetzt. Der Statorkern 16 bildet somit einen unvollständigen Ring mit einer Aussparung, in welcher der bewegliche Anker 13 angeordnet ist. Der Ring kann, wie in 4 dargestellt, auch eine rechteckige Form aufweisen.
In der Ruheposition des Ankers 13 sind die Kurzschlussringe 14, asymmetrisch bezüglich des Statormagnetfeldes angeordnet. Durch eine Änderung des Statormagnetfeldes beim Ein- oder Ausschalten des elektrischen Stromes durch die Spule 15 werden in den Kurzschlussringen 14 des Ankers 13 Wirbelströme induziert. Diese erzeugen wiederum ein magnetisches Gegenfeld, das Ankermagnetfeld. Nach der Lenz'schen Regel wirkt das Ankermagnetfeld dem Statormagnetfeld entgegen.
Das Ankermagnetfeld ist im Wesentlichen ortsfest mit dem Anker 13 verbunden und wird mit diesem ausgelenkt und bewegt. Da sich das Ankermagnetfeld in der ersten Ruheposition des Ankers 13 asymmetrisch zum Statormagnetfeld ist, entsteht eine Kraftwirkung und der bewegliche Anker 13 wird aus seiner Ruheposition in eine ausgelenkte Position ausgelenkt. Durch die Anordnung der Kurzschlussringe 14 in dem beweglichen Anker 13 kann dabei die Bewegungsrichtung der Auslenkung eingestellt werden. In dem dargestellten Beispiel aus 4, wird die Auslenkung von der Mitte des Stators 11 nach außen (in der Zeichnung nach unten) erfolgen. Bei einer Anordnung der Kurzschlussringe 14 zur Mitte des Stators 11 hin könnte die Bewegungsrichtung jedoch auch zur Mitte des Stators 11 hin erfolgen.
5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Aktors 10. Diese Variante ist nicht rotationssymmetrisch ausgestaltet. Der Stator 11 umfasst eine Spule 15 und einen ferromagnetischen Kern 16. Der bewegliche Anker 13 ist in diesem Beispiel oberhalb des Stators angeordnet. Eine Auslenkung des Ankers 13 erfolgt hierbei aus einer Ruheposition in eine ausgelenkte Position nach oben. Zur Übertragung des Ankerhubes 23 auf ein Ventilelement 22 eines Kraftstoffeinspritzventils 21 wird hierbei ein Stempel 25 des Ankers 13 durch eine Ausnehmung im Statorkern 16 geführt. Somit ist auch bei einer einfachen Konstruktion des Aktors eine Richtungsumkehr des Aktors realisierbar.
Der erfindungsgemäße Aktor kann in einem Injektor (1) mit einem Kraftstoffeinspritzventil 21 als schwingungsfähiges System betrieben werden. Ein solches Schwingungssystem ist in 6 schematisch dargestellt. Es umfasst einen elektrischen Schwingkreis 29, ein elastische Kopplung 10 zwischen der elektromagnetischen Schwingung des Schwingkreises 29 und einer mechanischen Schwingung sowie eine elastisch mechanische Kopplung 30. Der elektrischen Schwingkreis 29 wird gebildet durch die Spule 15 des Stators 11 mit der Induktivität L₁, und einen Kondensator C₁ einer Ansteuerschaltung. Mit R', L' und C' sind die Leitungsparameter bezeichnet.
Der magnetodynamische Aktor 10 selbst bildet eine elastische Kopplung zwischen der elektromagnetischen Schwingung des Schwingkreises 29 und einer mechanischen Schwingung des Ankers 13. Sie ist bestimmt durch die Induktivität L₂ des Ankerstromkreises (z. B. in den Kurzschlussringen) deren Widerstand R₂ und die Ankermasse m₂.
Über eine elastisch mechanische Kopplung 30 kann die mechanische Bewegung des Ankers 13 auf ein Ventilelement 22 des Kraftstoffeinspritzventils 21 übertragen werden. Das Ventilelement 22 hat die Masse m₃ und kann beispielsweise das Ventilelement 22 eine Servoventils sein oder auch die Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils.
Im Betrieb läuft dabei die auf dem Zwischenkreiskondensator C₁ gespeicherte Energie als Wanderwelle durch das System bis zur Masse m₃. Dort wird sie abzüglich der verrichteten mechanischen Arbeit reflektiert und wandert zurück auf den Kondensator C₁. Die zentrale Größe ist hierbei der Wirbelstrom im Anker 13, der für das Abstoßen und Anziehen des Ankers 13 verantwortlich ist.
Speziell mit einer sinusoidalen Erregung kann man die in 6 dargestellten, aufeinander abgestimmten Schwingungssysteme im Bereich ihrer Resonanz betreiben. Durch einen solchen harmonischen Betrieb lässt sich die Zahl der Ankerhübe pro Arbeitstakt im Vergleich zu herkömmlichen Aktoren deutlich steigern. Möglich sind beispielsweise 30 bis 100 Ankerhübe pro Arbeitstakt. Der erfindungsgemäße Aktor lässt sich also sehr viel schneller betreiben als herkömmliche Aktoren. Die mit dem erfindungsgemäßen Aktor erreichbare schnelle Schaltgeschwindigkeit lässt sich für eine exakte Steuerung des Einspritzverlaufs und der Einspritzmenge eines Injektors nutzen.
Eine Einspritzung kann dann als eine Abfolge von schnell aufeinander folgenden Einzeleinspritzimpulsen 38 durchgeführt werden. Die gewünschte Kraftstoffmenge wird dann nicht mehr über die Ansteuerdauer sondern über das Muster und die Anzahl an Einzeleinspritzimpulsen 38 realisiert.
Eine Kraftstoffmenge von 32 mg könnte beispielsweise mit 32 Impulsen je 1 mg in einem 128er Pulsraster je Kurbelwellenumdrehung realisiert werden. Ein entsprechendes Einspritzmuster ist in 7 dargestellt. Durch die Verteilung im Einspritzfenster wäre damit sogar ein echtes „Rate shaping” möglich.
Bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute beziehungsweise 50 1/s könnte das Gesamtsystem z. B. auf 128 × 50 1/s = 6400 1/s mögliche Impulse ausgelegt werden. Von einer elektrischen Schwingung können jeweils zwei Einspritzimpulse ausgelöst werden. Daher ist hierfür eine Erregerfrequenz von 3200 1/s erforderlich. 2 Impulse liegen damit 156 μs auseinander, wobei jeweils nur während 78 μs tatsächlich eingespritzt wird. Während der anderen 78 μs pulsiert die Energie zurück zum Zwischenkreis, welcher durch den magnetodynamischen Aktor 10 gebildet ist. Von da an steht die zurückgewonnene Energie zusammen mit der neu zugeführten Energie wieder für den nächsten Einspritzimpuls zur Verfügung.
Geht man bei einem Common-Rail-Einspritzsystem von einem konstanten Raildruck aus, so zeigt sich mit dem Schwingungssystem mit dem erfindungsgemäßen Aktor 10 eine gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich verringerte Anfälligkeit gegenüber Druckschwankungen in den Injektorleitungen. 8 zeigt den Verlauf einer gepulsten Einspritzung mit Druckschwankungen im Rail oder der Injektorleitung. Die Druckschwankung ist durch die Hüllkurve der Einspritzimpulse 38 dargestellt. Trotz der Druckwellen in der Injektorleitung wird durch die Einzelimpulse in Summe eine Menge von 32 mg eingespritzt. Für die Nacheinspritzung lassen sich, sofern nur ein Zwischenkreis vorhanden ist, Lücken des vorherigen Zylinders nutzen. Beispielsweise werden 32 mg für einen Arbeitstakt und 10 mg für die Filterregeneration realisiert.
9 zeigt in den Figuren A) bis E) beispielhaft, wie sich unterschiedliche Betriebsarten/Einspritzverläufe durch Ansteuerung des erfindungsgemäßen Aktors erreichen lassen. 9A) bis 9E) zeigen den zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebszustände in 3 verschiedenen Betriebsphasen des erfindungsgemäßen Aktors bei der Ausführung des Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils über der Zeit aufgetragen.
9A) zeigt die Spannung U₁ durch die Statorspule L₁ und 9B) den zugehörigen Stromfluss I₁. Mit I₂ (9C)) wird der Kurzschlussstrom im Anker bezeichnet. Die anziehende bzw. abstoßende Kraft zwischen Stator und Anker ist als F₁₂ in 9D) dargestellt. 9E) zeigt die daraus folgende Position (Auslenkung) x₂ des Ventilelementes (Ventilnadel oder Servoventil) und dessen Geschwindigkeit v₂. Die Auslenkung x₂ der Ventilnadel entspricht dem Öffungszustand des Einspritzventils.
In einer ersten Phase im Zeitintervall t < 2 wird der Injektor so angesteuert, dass das Einspritzventil pulsierend öffnet. In einer zweiten Phase im Zeitintervall 2 < t < 4 öffnet das Ventil vollständig. In einer dritten Phase im Zeitintervall 4 < t < 6 wird ein Teilhub realisiert. Bei einer direkten Ansteuerung der Ventilnadel durch den erfindungsgemäßen Aktor ohne zwischengeschaltetes Servoventil kann dieser Teilhub so eingestellt werden, daß es zu einer Teileinspritzung in den Brennraum kommt. Bei einem Injektor mit zwischengeschaltetem Servoventil kann dagegen durch den Teilhub ein Druckabbau im Common Rail stattfinden ohne eine Einspritzung auszulösen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10131619 A1 [0009]
EP 1314881 [0009]

Claims

Magnetodynamischer Aktor (10), insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, umfassend: – einen elektromagnetischen Stator (11) mit Anschlusselementen (26) zur schaltbaren Verbindung mit einer elektrischen Stromquelle (27), – einen mindestens zwischen einer ersten Position (12a) und einer zweiten Position (12b) beweglichen Anker (13), umfassend mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich (14), – wobei der bewegliche Anker (13) eingerichtet ist, während des Einschaltens eines Stromes durch den elektromagnetischen Stator (11) zumindest in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) einen Wirbelstrom so auszubilden um unter Wechselwirkung mit einem Statormagnetfeld aus der ersten Position (12a) ausgelenkt zu werden.
Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß Anspruch 1, wobei der bewegliche Anker (13) eingerichtet ist, während eines Ausschaltens oder Umpolens des elektrischen Stromes durch den elektromagnetischen Stator (11) einen Wirbelstrom auszubilden und unter der Wirkung eines Magnetfeldes aus einer zweiten Position (12b) in die erste Position (12a) bewegt zu werden.
Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Position (12a) des Ankers (13) eine Ruheposition darstellt, in welcher der elektrisch leitfähige Teilbereich (14) des Ankers (13) eine minimale Entfernung vom Stator (11) aufweist.
Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Stator (11) und Anker (13) so ausgestaltet und angeordnet sind, dass ein sich während des Ein- oder Ausschaltens des Stromes durch den elektromagnetischen Stator (11) entwickelndes Statormagnetfeld am Ort des Ankers (13) in der ersten Position (12a) unsymmetrisch bezüglich dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) des Ankers (13) ist.
Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bewegliche Anker (13) ein para- oder diamagnetisches Material aufweist.
Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (13) im Wesentlichen aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, und integrierte Kurzschlussringe (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, welche zur Ausbildung von Wirbelströmen geeignet sind.
Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (11) einen ferromagnetischen Kern (16) aufweist, in welchem sich bei eingeschaltetem Elektromagneten ein Statormagnetfeld ausbildet, und welcher derart geformt ist, dass sich der magnetische Nord- (17) und Südpol (18) des Statormagnetfeldes gegenüberstehen und zueinander weisen, wobei eine direkte Wegstrecke (19) zwischen Nord- und Südpol (17, 18) außerhalb des ferromagnetischen Kerns klein ist im Vergleich zu einer Wegstrecke (20) zwischen Nord- und Südpol (17, 18) im Inneren des Ferromagneten (16).
Kraftstoffeinspritzventil (21) mit einem magnetodynamischen Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (13) mit einem Betätigungselement (22) im Kraftstoffeinspritzventil (21) gekoppelt ist und durch eine Bewegung des Ankers (13) ein Betriebshub zur Betätigung des Betätigungselements (22) bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils (21) für eine Brennkraftmaschine mit einem magnetodynamischen Aktor (10), umfassend einen elektromagnetischen Stator (11) und einen beweglichen Anker (13) mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14), mit den Schritten: – Einschalten eines Stromflusses durch den Elektromagneten (15) des Stators (11), und dadurch Erzeugen eines Statormagnetfeldes in dem elektromagnetischen Stator (11) und einer Umgebung davon, – dadurch Induzieren eines elektrischen Wirbelstroms in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) des Ankers (13), und dadurch Erzeugen eines Ankermagnetfeldes im Anker durch diesen Wirbelstrom, – Auslenkung des Ankers (13) aus einer ersten Position (12a) in eine zweite Position (12b) durch eine Kraftwirkung, die aus einer Überlagerung des Statormagnetfeldes und des Ankermagnetfeldes resultiert, – Übertragen der Auslenkung (23) des Ankers (13) auf ein Betätigungselement (22) eines Kraftstoffeinspritzventils (21).
Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils (21) gemäß Anspruch 9, mit den zusätzlichen Schritten: – Ausschalten oder Umpolen des Stromflusses durch den Elektromagneten (16) des Stators (11) – Induzieren eines elektrischen Wirbelstroms in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) des Ankers (13), und dadurch Erzeugen eines zweiten Ankermagnetfeldes im Anker, – Auslenkung des Ankers aus der zweiten Position (12b) in die erste Position (12a) durch eine Kraftwirkung, die aus einer Überlagerung des Statormagnetfeldes und des zweiten Ankermagnetfeldes resultiert, – Übertragen der Auslenkung (23) des Ankers (13) auf das Betätigungselement (22) des Kraftstoffeinspritzventils (21).
Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils (21) gemäß Anspruch 10, umfassend die Schritte: – peridodisches Verändern des Stromflusses durch den elektromagnetischen Stator (11), – Anregung des Ankers (13) in eine mechanische Schwingung, – Übertragung der mechanischen Schwingung des Ankers (13) auf ein Betätigungselement (22) des Kraftstoffeinspritzventils (21) zum periodischen Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils (21) zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen.