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Die
Erfindung geht aus von einem Elektromagneten nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Elektromagneten
werden in Einspritzventilen für
Brennkraftmaschinen als Aktuatoren oder Aktoren zur Betätigung der
Ventilnadel eingesetzt. Bei einem bekannten Einspritzventil (
DE 199 07 899 A1 )
ist in einem Ventilgehäuse
ein Spulenraum ausgebildet, in den die auf einem Spulenträger aufgewickelte,
hohlzylindrische Magnetspule eingesetzt ist. In einem zentrischen
Durchgangsloch im Spulenträger
ist ein Eisenkern angeordnet und ein Anker des Elektromagneten axial
verschieblich geführt.
Der Anker ist fest mit einer Ventilnadel verbunden. Die Ventilnadel
wird von einer Ventilschließfeder
mit einem endseitigen Schließkopf
auf einem in einem Ventilkörper
ausgebildeten Ventilsitz aufgedrückt,
der eine Ventilöffnung
umgibt. Wird die Magnetspule bestromt, so wird der Anker gegen die
Kraft der Ventilschließfeder
auf den Eisenkern zubewegt und der Schließkopf von dem Ventilsitz abgehoben,
so dass die Ventilöffnung
mit einem vorgegeben Öffnungsquerschnitt
freigegeben wird und eine bestimmte Kraftstoffmenge des unter Druck
stehenden Kraftstoffs aus der Ventilöffnung ausgespritzt wird.
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Um
bei Kraftstoff-Einspritzsystemen eine verbesserte Zerstäubung des
ausgespritzten Kraftstoffs zu erreichen, wird der Systemdruck, mit
dem der Kraftstoff dem Einspritzventil zugeführt wird, angehoben, mit der Folge,
dass mit steigendem Systemdruck die Gegenkraft beim Öffnen der
Ventilnadel steigt, wodurch der Elektromagnet eine größere Magnetkraft
zur Verfügung
stellen muss und somit die Magnetspule wegen der hierzu erforderlichen
größeren Durchflutung
einen höheren
Strombedarf hat. Dieser Strombedarf kann von der Batteriespannung
in Niedervoltnetzen, z. B. 12 V, häufig nicht aufgebracht werden,
da die für
eine ungestörte Funktion
des Elektromagneten geforderte minimale Betriebsspannung nicht zur
Verfügung
steht.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Elektromagnet
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die
Zusammensetzung der Magnetspule, die zur Erzeugung einer für eine gewünschte Magnetkraft
erforderliche Durchflutung vorzusehen ist, aus parallelgeschalteten
Teilspulen die zulässige
minimale Betriebs-Gleichspannung des Elektromagneten deutlich reduziert
werden kann. Das bedeutet, dass der Elektromagnet nunmehr auch dort
eingesetzt werden kann, wo bisher die für eine einwandfreie Funktion
des Elektromagnete geforderte minimale Betriebsspannung nicht erreicht
werden konnte. Mit dem erfindungsgemäßen Elektromagneten ausgestattete
Einspritzventile können
somit auch bei höherem
Systemdruck in Fahrzeug-Bordnetzen mit niedriger Bordspannung, z.B.
12 V, störungsfrei
betrieben werden. Würde
beispielsweise eine Magnetspule mit der Windungszahl w und einem
Ohmschen Widerstand R in drei gleiche Teilspulen mit jeweils einem
Drittel der Windungszahl w und einem Drittel des Ohmschen Widerstands
R aufgeteilt werden, so würde
die minimal zulässige
Betriebspannung auf ein Drittel der Betriebsspannung UB sinken
und der Elektromagnet eine gleiche Magnetkraft erzeugen.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Elektromagneten möglich.
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Ein
Einspritzventil, das mit dem erfindungsgemäßen Elektromagneten ausgestattet
ist, ist in Anspruch 8 angegeben.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
eines elektromagnetisch betätigten
Einspritzventils,
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2 einen
Schaltplan einer Magnetspule des Elektromagneten in 1,
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3 einen
Schaltplan einer Magnetspule des Elektromagneten nach dem Stand
der Technik.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Das
in 1 im Längsschnitt
dargestellte Einspritzventil ist insbesondere zum direkten Einspritzen von
Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine
in Fahrzeugen geeignet. Das Einspritzventil kann dabei als nach
innen oder nach außen öffnendes
Einspritzventil ausgeführt
sein. Im Beispiel der 1 handelt es sich um ein nach
innen öffnendes
Einspritzventil.
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Das
Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 11 auf, in das
einerseits ein langgestreckter, hohlzylindrischer Ventilkörper 12 und
andererseits ein hohlzylindrischer Kraftstoff-Einlassstutzen koaxial
zur Gehäuseachse
eingesetzt sind. Der Ventilkörper 12 ist
endseitig mit einem Ventilsitzkörper 14 abgeschlossen,
in dem ein eine Ventilöffnung 15 umgebender
Ventilsitz 16 ausgebildet ist. Im Ventilkörper 12 ist
eine Ventilnadel 17 axial verschieblich geführt, die
endseitig einen Schließkörper 18 trägt, der
bei geschlossenem Einspritzventil von einer Ventilschließfeder 19 auf
den Ventilsitz 16 aufgepresst wird. Das Ventilöffnen erfolgt
mittels eines Aktors 20, der an der Ventilnadel 17 angreift
und diese gegen die Kraft der Ventilschließfeder 19 verschiebt,
so dass der Schließkörper 18 von
dem Ventilsitz 16 abhebt und über einen vorbestimmten Querschnitt
der Ventilöffnung 15 eine
vorbestimmte Kraftstoffmenge des der Ventilöffnung 15 im Innern
des Ventilkörpers 12 vorgelagerten,
unter Systemdruck stehenden Kraftstoffs ausgespritzt wird.
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Der
Aktor 20 ist als Elektromagnet ausgebildet, dessen Magnetspule 22 in
einem im Ventilgehäuse 11 ausgebildeten
Spulenraum 23 aufgenommen ist. Die Magnetspule 22 ist
dabei üblicherweise
auf einem hohlzylindrischen Spulenträger, der zwei Stirnflansche
aufweist, aufgewickelt. Der Spulenraum 23 ist im Ventilgehäuse 11 so
angeordnet, dass der Kraftstoff-Einlassstutzen 13 teilweise
in das Innere des Spulenträgers 24 hineinragt
und hier den Eisenkern des Magnetkreises des Elektromagneten bildet.
Der freien Stirnseite des Kraftstoff-Einlassstutzens 13 vorgelagert
ist im Ventilgehäuse 11 ein
Anker 25 des Elektromagneten axial verschieblich geführt, der
teilweise in den Spulenträger 24 soweit
hineinragt, dass bei unter der Wirkung der Ventilschließfeder 19 geschlossenem
Einspritzventil zwischen dem Anker 25 und der Stirnseite
des Eisenkerns ein Luftspalt verbleibt. Der mit Durchgangslöchern 21 für den Kraftfluss
versehene Anker 25 ist fest mit der Ventilnadel 17 verbunden,
und die als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 19 stützt sich
einerseits am Anker 25 und andererseits im Innern des Kraftstoff-Einlassstutzens 13 ab.
Die Magnetspule 22 ist an einer Gleichspannung angeschlossen.
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Damit
der Elektromagnet eine zum zuverlässigen Öffnen des Ventils ausreichende
Magnetkraft an der Ventilnadel 17 erzeugt, muss eine ausreichende
magnetische Durchflutung Θ der
Magnetspule 22 sichergestellt werden. Die Durchflutung Θ berechnet
sich aus dem die Magnetspule 22 durchfließenden Strom
I und der Windungszahl w der Magnetspule 22 zu Θ = I·w (1).
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Um
die zur Aufbringung dieser Durchflutung Θ erforderliche Batteriespannung
UB möglichst
gering zu halten, weist die Magnetspule 22 mehrere Teilspulen
auf, die zueinander parallel geschaltet sind. Im Ausführungsbeispiel
der 1 ist die Windungszahl w der Magnetspule 22 beispielhaft
auf zwei Teilspulen 221, 222 aufgeteilt, wobei
die Teilspulen mit fluchtenden Spulenachsen im unveränderten
Spulenraum 23 angeordnet sind. Da die Magnetspule 22 bezüglich ihrer
Windungszahl geteilt ist, weisen selbstverständlich die Wickeldrähte der
Teilspulen 221, 222 einen gleichen spezifischen
Ohmschen Widerstand und einen gleichen Drahtquerschnitt auf. Ebenso
besitzen beide Teilspulen 221, 222 einen gleichen
Spulendurchmesser. Wie im Schaltplan der 2 dargestellt
ist, sind die beiden Teilspulen 221, 222 parallelgeschaltet
und über
einen elektronischen Schalter 26 an eine Gleichspannungsquelle 27 anschließbar, deren
minimale Betriebsspannung UB/2 beträgt. In 3 ist
zum Vergleich der Schaltplan für
eine ungeteilte Magnetspule eines herkömmlichen Elektromagneten dargestellt,
die über
einen elektronischen Schalter mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist,
deren zulässige
minimale Betriebsspannung UB beträgt.
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Um
zu erläutern,
dass mit beiden Schaltungen eine gleiche Durchflutung Θ in der
Magnetspule erreicht wird, und zwar in der Schaltung gemäß
2 mit
nur halb so großer
Gleichspannung, ist in
2 angenommen, dass die Windungszahl
w der Magnetspule gleichmäßig auf
die beiden Teilspulen
221,
222 aufgeteilt ist, jede
Teilspule also die gleiche Windungszahl w/2 und den gleichen Ohmschen
Widerstand R/2 aufweist. In
2 ergibt
sich die Gesamtdurchflutung Θ aus
der Summe der Teildurchflutungen, also zu:
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Der
in jeder Teilspule
221,
222 fließende Strom
berechnet sich gemäß nachstehender
Gl. (3) zu:
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Gl.
(3) in Gl. (2) eingesetzt ergibt eine Durchflutung gemäß nachstehender
Gl. (4) zu:
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In
der Schaltungsanordnung gemäß
3 berechnet
sich der Strom I gemäß
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Gl.
(5) in Gl. (1) eingesetzt ergibt
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Wie
ein Vergleich der Gl. (4) und (6) zeigt, ist die in beiden Schaltungsanordnungen
erzielte Durchflutung Θ der
Magnetspule
22, und damit die Magnetkraft des Elektromagneten,
gleich groß.
Mit der Schaltungsanordnung gemäß
2 wird
jedoch diese Durchflutung Θ mit
einer nur halb so großen
Spannung U
B erreicht. In beiden Fällen ist
auch die zur Ansteuerung des Elektromagneten aufzubringende Leistung
gleich groß und beträgt
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Die
Gleichheit der Windungszahlen der beiden Teilspulen 221, 222 ist
lediglich zur Vereinfachung des angestellten Vergleichs gewählt. Selbstverständlich ist
es möglich,
dass die beiden Teilspulen 221, 222 unterschiedliche
Windungszahlen aufweisen und damit auch einen unterschiedlichen
Ohmschen Widerstand besitzen. Die Summe der Windungszahlen der Teilspulen 221, 222 ist
aber mindestens gleich der Windungszahl w, die für die geforderte Durchflutung Θ notwendig
ist. Bei Verwendung unterschiedlicher Drahtquerschnitte und/oder
beim Wickeln unterschiedlicher Spulendurchmesser für die Teilspulen
kann die Summe der Windungszahlen der Teilspulen auch größer als
die Windungszahl w sein. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die
Teilspulen konzentrisch zueinander angeordnet werden, so dass die äußere Teilspule
eine wesentlich größeren Spulendurchmesser
und damit einen größeren Ohmschen
Widerstand aufweist.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
die Windungszahl w der Magnetspule 22 auf mehr als zwei
Teilspulen aufzuteilen. Wird die Aufteilung auf insgesamt n Teilspulen
vorgenommen, so sinkt die zur Aufrechterhaltung der gleichen Durchflutung
erforderliche minimale Betriebs-Gleichspannung auf UB/n.
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Der
beschriebene Elektromagnet mit parallelgeschalteten Teilspulen ist
in seiner Anwendung nicht auf Einspritzventile beschränkt. Er
kann überall
dort eingesetzt werden, wo bei zur Verfügung stehender niedriger Betriebsspannung,
dem Elektromagneten eine hohe Magnetkraft abverlangt wird.
