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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Magnetventil, insbesondere zum Zumessen eines Fluids, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen werden zur hochgenauen Dosierung der in den Brennraum während eines Arbeitszyklusses eingespritzten Kraftstoffmengen die Schaltzeiten der zur Kraftstoffeinspritzung eingesetzten Magnetventile, auch Kraftstoffeinspritzventile genannt, kontrolliert, indem die mechanische Bewegung des das Ventilglied zum Öffnen des Ventils betätigenden Magnetankers des elektromagnetischen Aktors überwacht wird.
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Bei einer bekannten Einrichtung zur Kontrolle der mechanischen Bewegung eines Magnetventilankers, zu dessen Betätigung eine Magnetspule bestromt wird (
WO 98/02648 ), wird die Induktion der Magnetspule überwacht und mittels einer externen Energiequelle die Induktionsänderungen an Schaltpunkten des Magnetventils auf einen feststellbaren Signalpegel angehoben. Hierzu wird einerseits die Spannung an den Klemmen der Magnetspule, z.B. mittels eines Differenzverstärkers, erfasst und andererseits mittels eines Strommessglieds der Spulenstrom gemessen. Die durch die Bewegung des Magnetventilankers während der Schaltvorgänge verursachte Induktionsänderung induziert in der Magnetspule eine Spannung. Diese wird aus der an den Klemmen der Magnetspule abgenommenen Spannung nachgebildet und hierzu in einem Subtrahierverstärker von der an den Klemmen der Magnetspule gemessenen Spannung zum einen eine Spannung abgezogen, die sich aus der Multiplikation des Spulenstroms mit dem inneren Widerstand der Magnetspule ergibt, und zum anderen eine Spannung abgezogen, die sich aus der Multiplikation des Spulenstroms mit der Änderung der Induktivität der Magnetspule ergibt. Diese nachgebildete induzierte Spannung wird einem Schwellwertdeketor zugeführt. Damit kann insbesondere das Ende des Schaltvorgangs des Magnetventils detektiert und durch Messung des Zeitabstands vom Anlegen der Spannung an die Magnetspule des Aktors die Einschaltzeit des Magnetventils erfasst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch eine einfache Implementierung eines magnetostriktiven Werkstoffs in die Trennstelle von Magnetanker und Magnetkern, also in den Arbeitsluftspalt des Magnetkreises des elektromagnetischen Aktors, in der bzw. dem der Werkstoff dem mechanischen Aufschlag des Magnetankers ausgesetzt ist, eine kostengünstige und robuste Sensierung des oberen Anschlags des Magnetankers und damit des Zeitpunkts des Vollhubs des Ventilglieds beim Öffnen des Magnetventils ermöglicht wird. Mit der genauen Detektion des oberen Anschlagzeitpunkts des Magnetankers, zu dem das Magnetventil voll geöffnet ist, wird die elektronische Regelung der Einspritzzeit von als Fluid verwendeten Kraftstoff mittels der bei Brennkraftmaschinen bekannten „controlled valve operation (CVO)“ verbessert, was zu einer Reduzierung der Streuung der zugemessenen Kraftstoffmengen und damit zur Verbesserung des dynamischen Funktionsbereichs der Brennkraftmaschine und deren Emmisionsverhalten führt.
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Die Sensierung des oberen Anschlags des Magnetankers, also des Ventilglied-Vollhubs, erfolgt in einfacher Weise durch Überwachung der Stromstärke des durch die Magnetspule fließenden Spulenstroms. Unter Ausnutzung der inversen Magnetostriktion, des sog. Villari-Effekts, wird durch das Einwirken der Aufschlagkraft des Magnetankers auf den zwischen Magnetanker und Magnetkern liegenden magnetostriktiven Werkstoff eine Magnetisierung erzeugt, die zu einer kurzzeitigen, signifikanten Änderung der Induktion im Magnetkreis des elektromagnetischen Aktors führt. Mit der schlagartigen Induktionsänderung geht eine schlagartige Änderung der Stromstärke des Spulenstroms einher, die durch ihre Signifikanz mit herkömmlichen Mitteln leicht detektierbar ist.
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Durch die in den weiten Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Magnetventils möglich.
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Der am Luftspalt platzierte Werkstoff hat eine möglichst hohe magnetostriktive Konstante λ. Der Werkstoff kann wahlweise am Magnetanker oder Magnetkern oder an beiden platziert sein und beispielsweise auf eine der einander zugekehrten Stirnflächen von Magnetkern und Magnetanker oder auf beiden aufgetragen sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Magnetanker vollständig aus magnetostriktivem Werkstoff hergestellt, was die Fertigung des Magnetankers mit einer Zone aus magnetostriktivem Werkstoff deutlich vereinfacht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Zone aus magnetostriktivem Werkstoff mittels eines in die Stirnfläche eingesetzten Rings aus magnetostriktivem Werkstoff realisiert, der eine freiliegende, plane oder ebene Ringfläche aufweist. Bei dieser konstruktivem Ausführung wird eine vom magnetostriktiven Material dem Magnetanker zur Verfügung gestellte kleine Aufschlagfläche realisiert, was zu einer Erhöhung der mechanischen Spannung im magnetostriktiven Werkstoff beim Aufschlagen des Magnetankers und zu einer größeren zeitlichen Änderung der magnetischen Induktion und des Spulenstroms führt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die freie Ringfläche des in die Stirnfläche von Magnetkern oder Magnetanker eingesetzten magnetostriktiven Rings ein Überstandsmaß über die Stirnfläche auf. Auf diese Weise kann ohne zusätzliche konstruktive Mittel ein Restluftspalt im Arbeitsluftspalt des elektromagnetischen Aktors realisiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der aus magnetostriktivem Werkstoff bestehende Magnetanker und das Ventilglied so miteinander verbunden, dass der Magnetanker eine begrenzte Relativbewegung zum Ventilglied auszuführen vermag. Dadurch ist ein sog. Ankerfreiweg herbeigeführt, wodurch bei Bestromung der Magnetspule der Magnetanker zunächst am Ventilglied und dann am Magnetkern anschlägt. In diesem Fall kann sowohl der Beginn des Ventilgliedhubs durch Anschlag des Magnetankers am Ventilglied als auch das Ende des Ventilgliedhubs durch Anschlag des Magnetankers am Magnetkern sensiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Magnetspule Mittel zur Detektion einer signifikanten Änderung des Spulenstroms in der Anzugsphase des Magnetankers zugeordnet. Diese Mittel weisen einen im Stromkreis der Magnetspule angeordneten Messwiderstand auf, wobei die am Messwiderstand abgegriffene Spannung einer in einem elektronischen Steuergerät für das Magnetventil integrierten Auswerteelektronik zur Detektion der signifikanten Änderung des Spulenstroms der Magnetspule zugeführt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt eines Magnetventils zum Zumessen eines Fluids,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in 1,
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3 bis 5 jeweils eine gleiche Darstellung wie in 2 mit Modifikationen im Magnetventil,
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6 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms bei Ansteuerung des Magnetventils,
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7 eine Schaltungsanordnung zum Betreiben des Magnetventils.
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Das in 1 im Längsschnitt dargestellte Magnetventil zum Zumessen eines Fluids ist z. B. bei Brennkraftmaschinen als Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum oder Luftansaugtrakt oder als Dosierventil zum Zumessen einer Harnstoff-Wasserlösung in den Abgastrakt einsetzbar. Das Magnetventil weist ein Ventilglied 11 und einen das Ventilglied 11 betätigenden elektromagnetischen Aktor 12 auf. Der Aktor 12 weist eine Magnetspule 13 sowie einen Magnetkern 14 und einen dazu relativ bewegbaren Magnetanker 15 auf. Magnetkern 14 und Magnetanker 15 sind in einem von der Magnetspule 13 erzeugten Magnetfeld miteinander fluchtend angeordnet und begrenzen mit einander zugekehrten Stirnflächen 141 bzw. 151 (2) einen Arbeitsluftspalt 16. Die Magnetspule 13 sitzt auf einem hülsenförmigen Ventilsitzträger 17 und ist in einem Magnettopf 18 aufgenommen, durch dessen Topfboden der Ventilsitzträger 17 hindurchgeführt ist. Der Magnetkreis des elektromagnetischen Aktors 12 wird durch ein ringförmiges Magnetjoch 19 (2) geschlossen, das eine Verbindung zwischen Magnettopf 18 und Ventilsitzträger 17 herstellt. Magnetkern 14 und Magnetanker 15 sind hohlzylindrisch ausgebildet und im Ventilsitzträger 17 aufgenommen, wobei der im Ventilsitzträger 17 formschlüssig einliegende Magnetkern 14 im Ventilsitzträger 17 festgelegt und der Magnetanker 15 im Ventilsitzträger 17 axial verschieblich geführt ist.
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Das fest mit dem Magnetanker 15 verbundene Ventilglied 11 weist eine hohlzylindrische Ventilnadel 20 und einen das Nadelende flüssigkeitsdicht abschließenden Schließkopf 21 auf. Der Ventilsitzträger 17 ist an seinem aus dem Magnettopf 18 herausragenden Ende mit einem Ventilsitzkörper 22 flüssigkeitsdicht abgeschlossen. Der Ventilsitzkörper 22 ist zentral mit einer Ventilöffnung 23 versehen, die von einem am Ventilsitzkörper 22 ausgebildeten Ventilsitz 24 umschlossen ist. Schließkopf 21 und Ventilsitz 24 bilden einen Dichtsitz, der mittels einer den Magnetanker 15 beaufschlagenden Ventilschließfeder 25 geschlossen ist und mittels des elektromagnetischen Aktors 12 geöffnet wird. Die Schließkraft der Ventilschließfeder 25 ist mittel einer Justierhülse 37 einstellbar. Die Justierhülse 37 ist in dem hohlzylindrischen Magnetkern 14 festgelegt und an ihrem aus dem Magnetkern 14 herausragenden Ende mit einem Siebtopf 38 abgedeckt. Der Ventilsitzkörper 22 begrenzt eine im Ventilsitzträger 17 ausgebildete Ventilkammer 26, die über Radialbohrungen 27 in der Ventilnadel 20 mit dem hohlen Innern der Ventilnadel 20 verbunden ist. Der Kraftstoffzulauf erfolgt über ein dünnwandiges Anschlussrohr 28, das in den Ventilsitzträger 17 eintaucht. Damit kann Kraftstoff über die Justierhülse 37, den hohlzylindrischen Magnetkern 14, den hohlen Magnetanker 15 und die hohle Ventilnadel 20 in die Ventilkammer 26 vor dem Dichtsitz einströmen. Anschlussrohr 28 sowie ein Teil des Ventilsitzträgers 17 und des Magnettopfes 18 sind in einem Ventilgehäuse 29 aus Kunststoff aufgenommen, dass durch Kunststoffumspritzung hergestellt ist. Im Ventilgehäuse 29 ist noch ein elektrische Anschlussstecker 30 mit eingespritzt, der über eine Stromzuführung mit der Magnetspule 13 verbunden ist.
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Bei geschlossenem Magnetventil wird der Schließkopf 21 durch die Ventilschließfeder 25 auf den Ventilsitz 24 aufgepresst. Zum Öffnen des Magnetventils wird an die Magnetspule 13 des elektromagnetischen Aktors 12 ein zeitlich begrenzter Spannungsimpuls gelegt. Damit wird der Magnetanker 15 in Richtung Magnetkern 14 bewegt und schlägt nach vollem Hub des Ventilglieds 11 an dem Magnetkern 14 an. Zur Sensierung dieses sog. oberen Anschlags des Magnetankers 15, der bedeutend für die Schaltzeit des Magnetventils und damit für die genaue Dosierung des Fluids von Bedeutung ist, ist an mindestens einer der den Arbeitsluftspalt 16 begrenzenden Stirnflächen 141 bzw. 151 von Magnetkern 14 bzw. Magnetanker 15 eine Zone aus einem magnetostriktivem Werkstoff vorhanden, dessen magnetostriktive Konstante λ groß gewählt ist. Aufgrund des inversen Effekts zur Joulschen Magnetostriktion, dem sog. Villari-Effekt, ändert sich durch den mechanischen Aufschlag des Magnetankers 15 die Magnetisierung im Werkstoff, damit das lokale Magnetfeld im Bereich des Werkstoffs und damit der Magnetfluss und die magnetische Induktion im Magnetkreis des Aktors 12. Die Änderung der magnetischen Induktion bewirkt eine Änderung des Spulenstroms der Magnetspule 13, wodurch im Zeitverlauf des Spulenstrom ein „Knick“ entsteht, der sehr gut zu detektieren ist.
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In 6 ist der Zeitverlauf des Spulenstroms I(t) während des Anlegens eines begrenzten Spannungsimpulses an die Magnetspule 13 skizziert. Dieser Zeitverlauf des Spulenstroms I(t) ist charakterisiert durch eine sog. Boosterphase a, einer Anzugsphase b und einer Haltephase c des Magnetankers 15. Während der Anzugsphase b schlägt der Magnetanker 15 auf dem Magnetkern 14 auf und infolge der durch den magnetostriktiven Werkstoff hervorgerufenen Induktionsänderung entsteht ein den oberen Anschlag des Magnetankers 15 kennzeichnender „Knick“ k im Verlauf des Spulenstroms, der sich mit gängigen Verfahren robust detektieren lässt. Hierzu ist – wie in der Schaltungsanordnung gemäß 7 dargestellt – in dem an der Versorgungsspannung UB liegenden Stromkreis der Magnetspule 13 des in 7 symbolisch als Schaltventil 10 dargestellten, vorstehend beschriebenen Magnetventils ein Messwiderstand 31, ein sog. Shunt, angeordnet und die am Messwiderstand 31 abgegriffene Messspannung einer Auswerteelektronik 32 zur Detektion des Knicks k zugeführt. Die Auswerteelektronik 32 ist in einem Steuergerät 33 integriert, das seinerseits den elektromagnetischen Aktor 12 des Magnetventils über eine Endstufe 34 ansteuert, die in 7 durch einen Transistor symbolisiert ist.
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Die Zone aus magnetostriktivem Werkstoff an mindestens einer der Stirnflächen 141 bzw. 151 von Magnetkern 14 bzw. Magnetanker 15 kann in verschiedener Weise realisiert werden, z. B. durch Auftragen des Werkstoffs auf die eine oder andere der Stirnflächen 141, 151 oder auf beide.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Zone durch den Magnetanker 15 selbst gebildet, der komplett aus magnetostriktivem Werkstoff hergestellt und mit der Ventilnadel 20 des Ventilglieds 11 fest verbunden ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Zone aus magnetostriktivem Werkstoff durch einen in die Stirnfläche 141 des Magnetkerns 14 eingesetzten Ring 35 aus magnetostriktivem Werkstoff dargestellt. Der Ring 35 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf und ist mit seiner zu dem Magnetanker 15 weisenden ebenen Ringfläche 351 im wesentlichen bündig mit der Stirnfläche 141 des Magnetkerns 14. Vorteilhaft steht die ebene Ringfläche 351 minimal über die Stirnfläche 141 vor, um sicherzustellen, dass bei auftretenden Toleranzen die Stirnfläche 151 des Magnetankers 15 zuverlässig auf die Ringfläche 351 des Rings 35 auftrifft. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die Ringfläche 351 des Rings 35 deutlich kleiner gemacht, als die Stirnfläche 151 des Magnetankers 15. Dadurch wird am magnetostriktiven Werkstoff eine kleine Aufschlagfläche realisiert, so dass bei der gegebenen Aufschlagkraft des Magnetankers 15 die auf den magnetostriktiven Werkstoff wirkende mechanische Spannung deutlich größer ist und dadurch auch eine größere Änderung der magnetischen Induktion bewirkt wird.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, den Ring 35 aus magnetostriktivem Werkstoff in die Stirnfläche 151 des Magnetankers 15 in gleicher Weise einzusetzen. Auch kann sowohl im Magnetkern 14 als auch im Magnetanker 15 ein gleich gestalteter Ring 35 eingesetzt sein, so dass beim Aufeinandertreffen der beiden Ringe ein größerer Betrag der magnetischen Induktionsänderung erzielt wird.
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Das in 4 ausschnittweise skizzierte Ausführungsbeispiel des Magnetventils unterscheidet sich von dem zu 3 beschriebenen lediglich dadurch, dass die freie ebene Ringfläche 351 des in den Magnetkern 14 eingesetzten Rings 35 aus magnetostriktivem Werkstoff mit einem Überstandsmaß über die Stirnfläche 141 des Magnetkerns 14 vorsteht. Dadurch wird am oberen Anschlagpunkt des Magnetankers 15 ein Restluftspalt im Arbeitsluftspalt 16 des elektromagnetischen Aktors 12 realisiert, der ein sog. „Kleben“ von Magnetanker 15 und Magnetkern 14 zuverlässig verhindert.
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Bei dem in 5 skizzierten Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils sind Magnetanker 15 und Ventilglied 11 nicht fest, sondern in der Weise miteinander verbunden, dass der Magnetanker 15 in Grenzen relativ zu dem Ventilglied 11 verschieblich ist, also ein sog. Ankerfreiweg vorhanden ist. Außerdem beaufschlagt die Ventilschließfeder 25 nicht den Magnetanker 15, sondern das Ventilglied 11, und greift hierzu an der Ventilnadel 20 an. Die Ventilnadel 20 des Ventilglieds 11 ist mit einem Radialflansch 201 ausgestattet, der in eine in die innere Zylinderwand des Magnetankers 15 eingebrachte Nut 36 hineinragt. Beim Hub des Magnetankers 15 schlägt die in Hubrichtung hintere Nutflanke 361 der Nut 36 an den Radialflansch 201 der Ventilnadel 20 an, und der Magnetanker 15 nimmt über den Radialflansch 201 das Ventilglied 11 mit. Bei dieser Ausführung des Magnetankers 15, der vollständig aus magnetostriktivem Werkstoff besteht, kann sowohl der Öffnungszeitpunkt des Magnetventils als auch der Zeitpunkt des voll geöffneten Magnetventils sensiert werden. Sowohl beim Anschlagen der Nutflanke 361 an den Flansch 201 der Ventilnadel 20, als auch beim Auftreffen des Magnetankers 15 auf den Magnetkern 14 wird jeweils eine Induktionsänderung bewirkt, die im zeitlichen Verlauf des Spulenstroms jeweils zu einem Knick führt, wenn auch in unterschiedlicher Größe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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