DE102013217923A1

DE102013217923A1 - Anordnung mit einem ferromagnetischen Werkstück und einer um zumindest einen Abschnitt des Werkstücks angeordneten Heizwicklung

Info

Publication number: DE102013217923A1
Application number: DE102013217923.5A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bolz; Martin Götzenberger; Gerhard Haft
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-12
Also published as: WO2015032967A1; US20160227610A1; CN105493623A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem ferromagnetischen Werkstück (11) und einer um zumindest einen Abschnitt des Werkstücks (11) angeordneten Heizwicklung (14) zur induktiven Heizung des Werkstücks (11), bei der zwischen dem Werkstück (11) und der Heizwicklung (14) eine Schicht aus gut leitendem Material (12) angeordnet ist. In Weiterbildung kann die Heizwicklung (14) an ihren nicht dem Werkstück (11) zugewandten Seiten von einem ferromagnetischen Material (15) umgeben sein, das im Bereich der Enden der Heizwicklung (14) in Kontakt mit dem Werkstück (11) ist und in Längsrichtung der Heizwicklung (14) zumindest eine durchgehende Unterbrechung aufweist.

Description

Kraftstoff für Ottomotoren – insbesondere Bio-Ethanol – kann zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens mittels einer im Einspritzventil befindlichen Heizvorrichtung erwärmt werden. Die DE 10 2011 085 680 A1 offenbart ein solches Einspritzventil mit einer um den Kraftstoffkanal herum angeordneten Heizwicklung, die durch Ansteuerung mit hochfrequentem Strom metallische oder ferromagnetische Teile des Ventils induktiv erwärmt.
Dazu wird ein im Folgenden als Werkstück bezeichnetes Teil des Einspritzventils von einer Induktionswicklung umschlossen, sodass sich bei Anlegen eines geeigneten Wechselspannungssignals an die Induktionswicklung im Werkstück ein Magnetfeld aufbaut. Dieses Werkstück ist entweder das Ventilgehäuse selbst oder ein zusätzliches Element, welches sich im Einspritzventil befindet und vom Kraftstoff umflossen ist. Das Magnetfeld induziert im Werkstück Wirbelströme, welche im elektrischen Widerstand des Werkstücks Verluste erzeugen. Die dabei entstehende Wärme wird an den umströmenden Kraftstoff abgegeben. Besteht das Werkstück aus einem ferromagnetischen Werkstoff, so entstehen zusätzlich noch Ummagnetisierungsverluste, welche die Wirksamkeit der Werkstückerwärmung ganz wesentlich verbessern.
In der 1 ist ein solches bekanntes Kraftstoffeinspritzventil 1 dargestellt. Der Kraftstoffauslass 4 des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird durch eine magnetisch betätigte Ventilnadel 2 geöffnet oder geschlossen. Die Ventilnadel 2 ist in einem Kraftstoffkanal 3 beweglich gelagert, wobei der Kraftstoffkanal 3 in einem Ventilgehäuse 7 ausgebildet ist. Um das Ventilgehäuse 7 ist ein Wicklungsträger 5 mit einer darauf gewickelten Heizwicklung 6 angeordnet. Um die Heizwicklung 6 ist eine diese schützende Ummantelung 9 aus vorzugsweise Kunststoff angeordnet. Der von der Heizwicklung 6 umgebene Teil des Ventilgehäuses 7 und ggf. die Ventilnadel dienen als zu heizendes Werkstück.
Die Heizwicklung 6 kann beispielsweise gemäß der US 3,506,907 mittels einer Leistungshalbleiterschalter-Vollbrückenschaltung mit Energie beaufschlagt werden, wobei eine Serienschaltung aus einem Kondensator und der Heizwicklung im Brückenzweig verschaltet ist. Durch geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter wird die Brückenschaltung in Serienresonanz betrieben, so dass durch die hierdurch erfolgende Energieübertragung aus der Kfz-Batterie das Ventilgehäuse und ggf. die metallische Ventilnadel induktiv erwärmt werden.
Aus der DE 10 2011 085 085 A1 ist es außerdem bekannt, eine solche Heizwicklung zusammen mit einem Kondensator alternativ in einem Parallelschwingkreis einer Oszillatorschaltung zu betreiben.
Gemeinsam ist diesen Konzepten die resonante Energieübertragung aus der Kfz-Batterie zur Heizwicklung gesteuert durch die Steuer-Treiberelektronik. Die resonante Energieübertragung hat sich als sehr effizient erwiesen, jedoch sind zur technischen Umsetzung Leistungsreaktanzen unter Anderem in Form der genannten Kondensatoren erforderlich. Diese Bauteile haben allerdings den Nachteil, dass sie relativ groß/voluminös und teuer sind, was ihre Verwendung in Steuergeräten der Automobilelektronik unattraktiv macht. Auch sind bei einem Vierzylinder-Motor mit vier Einspritzventilen aus Gründen der Ausfallsicherheit zumeist vier Leistungsendstufen erforderlich, so dass die Reaktanzen zu einem wesentlichen Teil Größe und Kosten der Steuer-Treiberelektronik bestimmen.
Es ist allerdings aus der DE 34 15 967 A1 bekannt, die Heizwicklung direkt mittels als H-Brücke verschalteter Leistungsendstufentransistoren aus einer Gleichstromquelle, die dort durch Gleichrichtung einer Dreiphasenspannung gewonnen wird, ohne zusätzliche Spannungsanhebung aufgrund von Resonanzüberhöhung zu betreiben.
Allerdings führt die Verwendung der herkömmlichen, mittels durch Wickeln von Runddrähten auf Spulenträgern gefertigten Heizwicklungen dann zu keinem befriedigenden Ergebnis hinsichtlich der übertragbaren Wirkleistung, da aufgrund der hohen Blindleistung mit Spitzenströmen bis 40 A große Verluste in den Leistungsendstufen und den Zuleitungen entstehen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit einem ferromagnetischen Werkstück und einer um zumindest einen Abschnitt des Werkstücks angeordneten Heizwicklung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vermeidung von Leistungsreaktanzen bei guter Übertragung von Wirkleistung wird gemäß Anspruch 1 durch eine gut leitfähige Beschichtung des Werkstücks, das insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventilschaft ist, erreicht, wobei die leitfähige Beschichtung zwischen dem Werkstück und der Heizwicklung angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Dicke der Schicht des gut leitenden Materials kleiner als 50µm, wobei das gut leitende Material bevorzugt aus Kupfer ist.
Hierdurch kann die Wirkleistung, die als Heizleistung zur Verfügung steht, aufgrund des geringeren ohmschen Widerstands des zu heizenden Werkstücks deutlich erhöht werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Heizwicklung an ihren nicht dem Werkstück zugewandten Seiten von einem ferromagnetischen Material umgeben, das im Bereich der Enden der Heizwicklung in Kontakt mit dem Werkstück ist und in Längsrichtung der Heizwicklung zumindest eine durchgehende Unterbrechung aufweist.
Damit ist ein magnetisch gut leitender Rückschluss realisiert, der zu einer Vergrößerung der Hauptinduktivität der Heizwicklung führt und in Verbindung mit einem kleinen Wirkwiderstand des als kurzgeschlossene Sekundärwicklung dienenden Werkstücks die Impedanz der Heizwicklung für die speisende Quelle als nahezu reinen ohmschen Widerstand erscheinen lässt, so dass eine weitere Erhöhung der Wirkleistung ohne eine Verluste mit sich führende Erhöhung des Stromes möglich ist.
Die Unterbrechung in Längsrichtung der Ummantelung der Heizwicklung ist nötig, um Wirbelströme in der Ummantelung zu verhindern.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Schicht aus gut leitendem Material und der Heizwicklung eine dünne Schicht aus isolierendem Material angeordnet.
Hierdurch kann die Streuinduktivität der Heizwicklung gegenüber herkömmlichen Wicklungsträgern deutlich verringert werden.
Um den ohmschen Widerstand der Heizwicklung bei möglichst geringem Bauraum zu verringern, ist diese mit einem elektrisch gut leitenden Draht mit rechteckigem Querschnitt und elektrisch isolierender Beschichtung gebildet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
1 ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Heizwicklung zum induktiven Heizen nach dem Stand der Technik,
2 ein Transformatorersatzschaltbild für eine Heizwicklung auf einem Werkstück,
3 eine Ansteuerschaltung für eine Heizwicklung zum induktiven Heizen,
4 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem als Kraftstoffeinspritzventil ausgebildeten Werkstück und einer darauf angeordneten Heizwicklung.
Eine erfindungsgemäße Anordnung, die mit einer Heizwicklung 6 und dem von ihr umschlossenen Werkstück 7, 2, insbesondere einem Abschnitt eines Kraftstoffeinspritzventilschafts, gebildet ist, was in 1 dargestellt ist, kann als Transformator betrachtet werden, dessen Ersatzschaltbild in 2 dargestellt ist. Der Ventilschaftabschnitt stellt neben seiner Funktion als Eisenkern zur Führung des Magnetfeldes auch die Sekundärwicklung mit einer einzigen, kurzgeschlossenen Windung dar. Aus dem elektrischen Widerstand des Ventilkörpers und seiner Geometrie ergibt sich ein Widerstand in Umfangsrichtung, der einen sekundärseitigen Lastwiderstand R_Is darstellt. Dabei gilt: R_Is = R_I/n² bzw. R_I = R_Is·n² mit n = Anzahl der Windungen der Heizwicklung. R_I ist somit der rücktransformierte Widerstand des Ventilschaftmaterials.
Die Sekundärspannung Usec wird durch die transformierte Spannung an der Heizwicklung Uprim gebildet. Usec = Uprim/n
Als Heizleistung ergibt sich somit P = Uprim²/R_I = Uprim²/(R_Is·n²)
In 2 sind zusätzlich noch die Hauptinduktivität L_h, der Wicklungswiderstand R_w und die Streuinduktivität L_s dargestellt.
Ein Ersatzschaltbild mit transformiertem, wirksamem Lastwiderstand R_I und einer Vollbrückenschaltung mit Leistungstransistoren T1, T2, T3, T4 als Andeutung einer Steuerelektronik ist in 3 dargestellt. Zum Erzeugen einer Wechselspannung an der Heizwicklung werden die Transistoren T1 und T4 bzw. T2 und T3 wechselweise periodisch ein- und ausgeschaltet.
Aufgrund der Induktivität der Heizwicklung und hierbei hauptsächlich aufgrund der Hauptinduktivität L_h, erfolgt der zeitliche Verlauf des Stromes durch die Heizwicklung durch einen nahezu linearen Stromanstieg oder -abfall. Je kleiner der Wert der Hauptinduktivität L_h ist, desto steiler sind dabei die Anstiegs- bzw. Abfallflanken, was zu einem ungünstigen Verhältnis von Wirk- zu Blindleistung führt. Es ist also eine möglichst große Hauptinduktivität L_h gewünscht.
Die Heizerspannung Uprim ist – bedingt durch die Versorgung aus der Kfz-Bordnetzspannung – festgelegt. Ebenso ist der sekundärseitig wirksame Widerstand des Ventilkörper-Materials konstruktionsbedingt weitgehend festgelegt. Um nun eine gewünschte Heizleistung einzustellen, verbleibt gemäß obiger Formel als einziger freier Parameter das Übersetzungsverhältnis des Transformators, also die Windungszahl der Heizwicklung. Eine Reduzierung der Windungszahl reduziert den primärseitiq sichtbaren Wirkwiderstand R_I und erhöht somit die Heizleistung.
Um die Heizleistung etwa zu verdoppeln, wäre allerdings eine Verringerung der Windungsanzahl um ca. 30% erforderlich. Dies hätte aber eine Halbierung des Wertes der Hauptinduktivität L_h zur Folge. Der damit einhergehende Anstieg des reaktiven Stromanteils ist aber nicht wünschenswert bzw. akzeptabel.
In erfindungsgemäßer Weise findet sich ein Ausweg aus diesem Widerspruch durch eine zusätzliche Beschichtung 12 des Ventilkörpers 11 als Werkstück der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem niederohmigen Material, beispielsweise Kupfer. Diese in 4 dargestellte Beschichtung 12 bewirkt einen weiteren, dem Ventilkörperwiderstand parallel geschalteten Widerstand, so dass der gesamte Lastwiderstand R_I dadurch verringert wird. Da Kupfer einen wesentlich höheren Leitwert hat als Stahl, genügt bereits eine Schichtdicke von weniger als 50µm. Eine Erhöhung der Schichtdicke bewirkt eine Verringerung des Lastwiderstandes und damit eine Erhöhung der Heizleistung.
Die Anpassung von Schichtdicke und Windungszahl erlaubt es nun, einerseits den Lastwiderstand R_I für eine gewünschte Heizleistung und andererseits gleichzeitig den minimal geforderten Wert der Hauptinduktivität L_h einzustellen.
Da die Heizwicklung im Einspritzventil untergebracht ist, gibt es jedoch erhebliche Bauraumbeschränkungen bei deren Ausgestaltung. Um dennoch die gewünschte Hauptinduktivität darstellen zu können, ist es notwendig, den bisher offenen Magnetkreis der Anordnung aus Werkstück und Heizwicklung zu schließen. Erfolgt der Rückschluss des Magnetkreises außerhalb des Ventils durch die Luft, vergrößert dies den Widerstand des Magnetkreises, was zu einer Verringerung der Spuleninduktivität führt.
In erfindungsgemäßer Weiterbildung der Anordnung wird nun ein Rückschluss 15 aus einem ferromagnetischen Material (beispielsweise Stahl) außerhalb der Wicklung 14 angebracht, wobei an dessen beiden Enden ein direkter Kontakt zum Werkstück 11 vorgesehen ist. Der Magnetkreis ist somit vollständig (ohne Luftspalt) geschlossen. Der Rückschluss 15 wird nun ebenfalls vom Magnetfeld durchflossen und es würde sich – genau wie beim Werkstück 11 und der Beschichtung 12 – ein Wirbelstrom in Umfangsrichtung aufbauen. Dies ist jedoch unerwünscht, da hierbei Wirkleistung im Rückschluss 15 entstünde. Deshalb muss der Rückschluss 15 in Längsrichtung wenigstens einmal vollständig geschlitzt sein.
Durch den erfindungsgemäßen Rückschluss 15 kann der Wert der Hauptinduktivität – bei gleichem Bauraum und unveränderter Windungszahl annähernd verdoppelt werden.
Ein weiteres Problem stellt die Streuinduktivität L_s dar, da sie beim Umschaltvorgang den Stromaufbau in der Heizwicklung 14 behindert. Dadurch reduziert sich die in dieser Zeit eingetragene Heizleistung, was dann wiederum durch eine Erhöhung des Effektivstromes ausgeglichen werden muss. Der höhere Effektivstrom ist aber unerwünscht, da er zu zusätzlichen Verlusten in den Schalttransistoren und Zuleitungen führt und damit den Gesamtwirkungsgrad eines Heizsystems verringert.
Streuinduktivität beruht auf mangelnder Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Transformators, wobei ein Teil des magnetischen Flusses nicht von beiden Wicklungen gleichförmig umschlossen wird (Streufluss). Bei Verwendung herkömmlicher Wicklungsträger für die Heizwicklung wie in 1 gezeigt, entsteht ein Luftspalt zwischen dem Werkstück und der Heizwicklung, in dem ein magnetischer Fluss verläuft, der nicht vom Sekundärstrom umflossen wird.
Durch eine erfindungsgemäße Verringerung des Luftspaltes zwischen der Heizwicklung 14 und der elektrisch gut leitenden Beschichtung 12 kann der Wert der Streuinduktivität L_s wesentlich verringert werden. Dies erfolgt durch Verzicht auf einen speziellen Wicklungsträger und Verwendung einer dünnen isolierenden Beschichtung 13 auf der elektrisch gut leitenden Schicht 12, also zwischen dieser und der Heizwicklung 14.
Um bei vorgegebener Spulenlänge den Drahtwiderstand R_w möglichst gering zu halten, wird in erfindungsgemäßer Weiterbildung der Anordnung die Heizwicklung 14 mit einem hochkant stehenden Rechteckdraht ausgeführt. Eine dünne Schutzfolie – etwa aus dem hochfesten Kunststoff Kapton – verhindert eine Beschädigung der Wicklungsisolation (Kupferlackdraht) während des Fügeprozesses.
Da sich eine erfindungsgemäß modifizierte Anordnung elektrisch nahezu wie ein ohmscher Widerstand verhält, kann eine einfache Temperaturbestimmung erfolgen.
Ein wesentlicher Teil des sekundärseitig induzierten Stromes fließt durch die Beschichtung 12 (vorzugsweise Kupfer). Der Leitwert von Kupfer nimmt mit zunehmender Temperatur stetig ab (ca. 0.39% je °Celsius). Dementsprechend wird der Lastwiderstand R_I mit zunehmender Temperatur hochohmiger, was zu einer Verringerung des Spulenstromes führt.
Wird nun der Spulenstrom Isens – zusammen mit der Spulenspannung Vbat – gemessen, was in 3 angedeutet ist, so kann daraus der Lastwiderstand R_I ermittelt werden. Für unterschiedliche Anordnungstemperaturen wird man dabei unterschiedliche Widerstandswerte erhalten. Erfolgt diese Messung bei einer bekannten Anordnungstemperatur – z.B. nach längerem Fahrzeugstillstand –, so kann dem ermittelten Lastwiderstand R_I eine Anordnungstemperatur zugeordnet werden. Da der Zusammenhang zwischen Lastwiderstandswert und Temperatur linear ist, kann von diesem Punkt aus eine Zuordnung von jeweils aktuell ermitteltem Lastwiderstand und extrapolierter Anordnungstemperatur getroffen werden. Die so jeweils ermittelte Anordnungstemperatur kann nun wiederum als Ist-Größe für eine (hier nicht beschriebene) Temperaturregelung dienen.
Durch die erfindungsgemäße Optimierung der Anordnung mit einem ferromagnetischen Werkstück mit einer um zumindest einen Abschnitt des Werkstücks angeordneten Heizwicklung zur induktiven Heizung des Werkstücks gelingt es, die im Stand der Technik notwendigen Leistungsreaktanzen vollständig zu vermeiden und so Kosten und Baugröße der Steuerelektronik wesentlich zu verringern. Die mögliche sensorlose Temperaturerfassung vermeidet etwaige Kosten für einen Temperatursensor oder spezielle, teure ferromagnetische Materialien mit temperaturabhängiger Sättigungsmagnetisierung. Das Gesamtsystem zeichnet sich durch einen sehr guten Wirkungsgrad und geringe EMV-Abstrahlung aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011085680 A1 [0001]
US 3506907 [0004]
DE 102011085085 A1 [0005]
DE 3415967 A1 [0007]

Claims

Anordnung mit einem ferromagnetischen Werkstück (11) mit einer um zumindest einen Abschnitt des Werkstücks (11) angeordneten Heizwicklung (14) zur induktiven Heizung des Werkstücks (11), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Werkstück (11) und der Heizwicklung (14) eine Schicht aus gut leitendem Material (12) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht des gut leitenden Materials (12) kleiner als 50µm ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gut leitende Material (12) Kupfer ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklung (14) an ihren nicht dem Werkstück (11) zugewandten Seiten von einem ferromagnetischen Material (15) umgeben ist, das im Bereich der Enden der Heizwicklung (14) in Kontakt mit dem Werkstück (11) ist und in Längsrichtung der Heizwicklung (14) zumindest eine durchgehende Unterbrechung aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schicht aus gut leitendem Material (12) und der Heizwicklung (14) eine dünne Schicht aus isolierendem Material (13) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwicklung (14) mit einem elektrisch gut leitenden Draht mit rechteckigem Querschnitt und elektrisch isolierender Beschichtung gebildet ist.