EP2483584A1 - Ventil mit magnetsack - Google Patents

Ventil mit magnetsack

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Publication number
EP2483584A1
EP2483584A1 EP10739893A EP10739893A EP2483584A1 EP 2483584 A1 EP2483584 A1 EP 2483584A1 EP 10739893 A EP10739893 A EP 10739893A EP 10739893 A EP10739893 A EP 10739893A EP 2483584 A1 EP2483584 A1 EP 2483584A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
valve needle
anchor
electromagnetic
anchor element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10739893A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Walter
Ralph Engelberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2483584A1 publication Critical patent/EP2483584A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0675—Electromagnet aspects, e.g. electric supply therefor
    • F16K31/0679—Electromagnet aspects, e.g. electric supply therefor with more than one energising coil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0614—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of electromagnets or fixed armature
    • F02M51/0617—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of electromagnets or fixed armature having two or more electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0625—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures
    • F02M51/0635—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a plate-shaped or undulated armature not entering the winding
    • F02M51/066—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by arrangement of mobile armatures having a plate-shaped or undulated armature not entering the winding the armature and the valve being allowed to move relatively to each other or not being attached to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638—Armatures not entering the winding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F2007/1692—Electromagnets or actuators with two coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/13—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures characterised by pulling-force characteristics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/0318—Processes

Definitions

  • the present invention relates to a valve for controlling a fluid passage with improved dynamics and a method for controlling a
  • Fluid passage by means of a valve needle or a slider, wherein in the de-energized state, the fluid passage may be open or closed.
  • Valves with magnetic circuits as electromagnetic drive are known in various designs and differ for example in terms of their switching times, their valve lifts, the function of their magnetic circuits such as valves with a proportional or 2-point solenoid or with respect to the design of their magnetic circuits such as magnetic circuits with a diving or flat anchor.
  • the magnetic circuit operates against a return spring.
  • the dynamics of the valve with an electromagnetic drive is technically limited.
  • a large valve lift always comparatively longer switching times result because the valve needle more time to put on and Falling required and the achievable magnetic force at large strokes due to the magnetic residual air gap is correspondingly low.
  • the large valve lift also has an influence on the speed of the magnetic field build-up and on the magnetic force. This is especially true for flat armature magnets, which can generate relatively large forces and are therefore particularly suitable in terms of dynamics.
  • valve according to the invention for controlling a fluid passage in contrast, has the advantage that, despite the use of inexpensive electromagnetic drives in the valve, the dynamics of the valve are significantly improved. In particular, the valve according to the invention can still switch quickly even with large strokes. This is inventively achieved in that the valve has a valve needle or a valve spool, the
  • Anchor elements is actuated from at least two different electromagnetic drives. Both electromagnetic drives, and thus both anchor elements are arranged in series and can be reset together with a return element.
  • the basic idea of the series arrangement is to increase the actuation force for the valve needle applied by an electromagnetic drive by means of at least one further electromagnetic drive arranged in series.
  • valve needle Create actuating force that moves the valve needle with a high dynamic and adjusts the valve to control the fluid passage.
  • the speed of the valve needle can be over the number of series connected
  • electromagnetic drives are adjusted so that the dynamics of the
  • Valve can be customized to the particular application. On This way, a cost-effective solution for a highly dynamic working valve is provided with an electromagnetic drive.
  • the first and second anchor element may be connected to each other in loose contact, so that the anchor elements can separate from each other.
  • an optimization of the entire mass to be moved is achieved from anchor elements and valve needle, since only those anchor elements must be moved, the associated electromagnetic drives also exerts a moving force on them.
  • a predetermined number of electromagnetic drives in the valve according to the invention may be arranged in series, but the dynamics of the valve can be adjusted via a targeted activation of individual electromagnetic drives.
  • the second anchor element can actuate the valve needle via the first anchor element.
  • the number of parts can be kept very low.
  • the electromagnetic drives may preferably be arranged as a stack, so that the valve according to the invention can be realized inexpensively by simply layers of the drives.
  • the electromagnetic drives can be layered from the mounting side, so that the individual electromagnetic drives can be tested in advance on their functioning in the production.
  • valve according to the invention can also be maintained more easily, since defective electromagnetic drives can simply be removed from the stack and replaced by functional new drives.
  • the anchor elements of the electromagnetic drives can be identical, so that the valve according to the invention can be produced by a simple layers of identical elements even cheaper.
  • the electromagnetic drives may be arranged in a common housing, such as a pipe, so that the electromagnetic drives and the housing are provided as a kit and the
  • Valve according to the invention not only in the production but also subsequently can be arbitrarily adapted to different applications and needs of the user.
  • the valve according to the invention can thus both in large-scale production and at home by the end user without effort and special technical knowledge
  • the electromagnetic drives can be spaced apart so that each anchor element can perform an additional stroke when the
  • a partial lift for the valve needle can be assigned to each individual electromagnetic drive in the valve according to the invention, so that the valve needle executes a partial lift when the armature element corresponds to the partial lift
  • Proportional solenoids combine what is a technology breakthrough, as high dynamics in combination with variable strokes were previously reserved exclusively for valves with piezoelectric drives.
  • development of the invention represents a simple solution, since the partial strokes of the valve together with the inventive arrangement of
  • Electromagnetic actuators in series with simple magnetic circuits and windings can be realized without a division of a single
  • the distances of the electromagnetic drives are adjusted by means of adjusting rings between the electromagnetic drives.
  • the valve has a
  • Control unit that individually control the individual electromagnetic drives and possibly even can drive directly.
  • the valve can perform different strokes by individually controlling electromagnetic drives.
  • electromagnetic drives are driven individually, since not only the dynamics of the switching operation of the valve needle can be optimized but also partial strokes of the valve needle in stages of the individual strokes of the individual electromagnetic drives are adjustable.
  • control unit also offers the option of all
  • the control unit can, for example, for stepwise input or
  • the electromagnetic drives may preferably be
  • the electromagnetic drive which is in direct contact with the valve needle, preferably has no own return element to be there
  • Anchor element moves. Then the valve needle is moved back with a return element to its original position.
  • valve needle at least after its actuation by means of the second anchor element by the first anchor element further actuated or held, so that only the mass of the first anchor element and the mass of the valve needle to move the valve needle must be driven and so to optimize the moving Mass in one
  • the second anchor element when holding or
  • Initial position can be reduced, so that when moving the valve needle in the other direction also only the first anchor element and the
  • Needle valve must be driven and so a further optimization of the mass to be moved is achieved.
  • Drive elements - touch the valve needle can be operated at least partially together by means of the first and second anchor element, so that when driving the valve needle, a particularly high driving force is achieved, which further improves the dynamics of the valve needle.
  • an n th anchor element with n> 2 can be in series with a previous anchor element ⁇ -7 th and actuate the valve needle over all previous, ⁇ -7 th, series-connected anchor elements, so that the
  • Dynamic improvement of the valve needle can be increased by any number of additional forces.
  • the valve needle can thereby at least after its actuation by means of the n-th anchor element by means of at least one of the ⁇ -7-th
  • Anchor elements continue to be operated or held. In this way, any number of partial strokes can be realized according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the valve according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the valve according to the invention
  • Figure 3 is a circuit diagram for a control unit for operating the second
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a valve 2 according to the invention with a two-stage magnetic stack.
  • a valve 2 can
  • the valve 2 has a valve needle 4, a first electromagnetic drive 6 and a second electromagnetic drive 8. While the first electromagnetic drive 6 is provided for direct actuation of the valve needle 4, the second electromagnetic drive 8 actuates the valve needle via the first electromagnetic drive 6.
  • Main return spring 10 the first and the second electromagnetic drive 6, 8 can be moved back together in a zero position.
  • the first electromagnetic drive 6 has a first magnetic circuit 12, a first winding 14 and a first anchor element 16.
  • the first winding 14 can be energized and then serves as a magnetic source voltage, which flows through the first magnetic circuit 12.
  • the first magnetic circuit 12 has pole pieces 13, from which the magnetic field can emerge from the first magnetic circuit 12.
  • the first anchor member 16 is magnetized so that it through the the pole pieces 13 exiting magnetic field can be used to the pole pieces 13 when the first winding 14 is energized.
  • the second electromagnetic drive 8 has analogous to the first
  • Winding 20 and a second anchor member 22 work in the same way as their analogous elements in the first electromagnetic
  • Both electromagnetic drives 6, 8 are stacked in a tube 26 and are separated by a spacer 25 in the form of a setting. In that way between the first and second
  • Electromagnetic drive 6, 8 created free space, the first anchor member 16 can move freely.
  • the arrangement shown in Figure 1 can be arbitrarily extended, depending on how many elements in the tube 26 still find room.
  • the armature elements 16, 22 and the valve needle 4 are arranged in series on a common axis X-X.
  • the state of the valve 2 shown in FIG. 1 shows the position of the second anchor element 22 in the tightened state, while the first winding 14 of the first anchor element 16 is de-energized, so that the
  • Valve needle 4 is held exclusively by the second anchor member 22 via the first anchor member 16. Good to recognize that the valve needle 4 has covered in this way only part of their full mobile stroke H. For advancing the valve needle 4 to its full lifting height H, therefore, only the first winding 14 must be energized.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a second valve 28 according to the invention with a three-stage magnetic stack in different embodiments
  • valve 28 shown in Figure 2 is compared to the valve 2 shown in Figure 1 expanded by a third electromagnetic drive 30, which is constructed in the same manner as the second electromagnetic drive 8. It is spaced from the second electromagnetic drive 8 via a further spacer 32, so that the anchor element 22 of the second
  • electromagnetic drive 8 can move freely.
  • the spacers 25, 32 are selected so that the distance between the first and second electromagnetic drive 6, 8 is greater than the distance between the second and third electromagnetic drive 8, 30th
  • the valve needle 4 can perform a maximum stroke H, which can be achieved by energizing at least the winding 14 of the first electromagnetic drive 6. The more windings are additionally energized in the valve 28, the faster the valve needle 4 performs the maximum stroke H.
  • valve needle 4 By selectively energizing the individual windings, the valve needle 4 can also partial strokes between its zero position (FIG. 2a) and the maximum
  • valve needle 4 keeps a fluid passage completely closed. All windings of the electromagnetic drives 6, 8, 30 are de-energized, so that the spring force of the main return spring 10 holds the valve needle 4 and all anchor elements in their zero position.
  • Anchor elements 16, 22, 31 are in loose contact with each other.
  • Anchor elements moved to a position just above the zero position.
  • the Tightening delay time is determined by the anchor element 31 of the third electromagnetic drive 30. Since this only has to generate a partial stroke, the design can be compact and correspondingly highly dynamic.
  • the windings 14, 20 of the first and second electromagnetic drive 6, 8 can already be energized at this time to build up a magnetic field and continue the lifting movement of the valve needle 4 without distortion.
  • electromagnetic actuator 30 has reached its final position, it moves in the transition from state b) to state c) no longer and stops in its stop position. Thus, the moving mass was reduced.
  • Valve needle 4 are moved. Thus, the moving mass was further reduced.
  • Single return spring 33 its anchor member 31 back to the zero position.
  • FIG. 3 a control unit for energizing the windings of FIG.
  • Signal unit 36 outputs switching signals 38, 40, 42, which are provided for controlling switches 44, 46, 48. Each switch thus controls the power supply to one of the windings of the electromagnetic drives 8, 6, 30, so that the valve needle according to Figure 2 can be moved. Series resistors 50, 52, 54 are provided to protect the windings. As an energy source serves a
  • the electromagnetic drives 6, 8, 30 are individually controlled, so that the valve 28 can perform different sized partial strokes or a full stroke.

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Abstract

Ein Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs wird offenbart. Darin wird eine Ventilnadel (4) oder ein Ventilschieber über einen ersten elektromagnetischen Antrieb (6) mit einem ersten Ankerelement (16) betätigt und über ein Rückstellelement (10) zurückgestellt. Ferner ist ein zweiter elektromagnetischer Antrieb (8) mit einem zweiten Ankerelement (22) zur Betätigung der Ventilnadel (4) vorgesehen. Erfindungsgemäß sind dabei der erste und zweite elektromagnetische Antrieb (6, 8) in Reihe angeordnet.

Description

Beschreibung
VENTIL MIT MAGNETSACK
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs mit einer verbesserten Dynamik und ein Verfahren zum Steuern eines
Fluiddurchgangs mittels einer Ventilnadel oder eines Schiebers, wobei im stromlosen Zustand der Fluiddurchgang offen oder geschlossen sein kann.
Ventile mit Magnetkreisen als elektromagnetischer Antrieb sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und unterscheiden sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Schaltzeiten, ihrer Ventilhübe, der Funktion ihrer Magnetkreise wie Ventile mit einem Proportional- oder 2-Punkt-Schaltmagnet oder hinsichtlich der Bauart ihrer Magnetkreise wie Magnetkreise mit einem Tauch- oder Flachanker.
In der Regel arbeitet der Magnetkreis gegen eine Rückstellfeder. Die
Gesamtdynamik des Ventils wird in diesem Fall durch den Magneten des Magnetkreises bestimmt, während die Aufteilung in Anzugs- und Abfallzeit durch die Feder bestimmt wird. Entscheidend für die Anzugs- und Abfallzeit des Magneten ist die Geschwindigkeit des Magnetfeldaufbaus im Magnetkreis, die zu überwindende Kraft der Rückstellfeder (je größer die Kraft der Rückstellfeder, desto langsamer ist die Anzugszeit und desto schneller ist die Abfallzeit des Magneten), der Ventilhub sowie weitere mechanische Größen im Ventil, wie die gesamte zu bewegende Masse und sonstige Kräfte. Für die Anzugszeit des Magneten ist ferner auch das erreichte Kraftniveau von Bedeutung.
Die Dynamik des Ventils mit einem elektromagnetischen Antrieb ist technisch bedingt begrenzt. Beispielsweise hat ein großer Ventilhub immer vergleichsweise längere Schaltzeiten zur Folge, da die Ventilnadel mehr Zeit zum Anziehen und Abfallen benötigt und die erreichbare Magnetkraft bei großen Hüben aufgrund des magnetischen Restluftspalts entsprechend gering ist. Indirekt hat der große Ventilhub aber auch Einfluss auf die Geschwindigkeit des Magnetfeldaufbaus und auf die Magnetkraft. Dies gilt in besonderem Maße für Flachankermagneten, die relativ große Kräfte erzeugen können und daher hinsichtlich Dynamik besonders geeignet sind.
Zwar wurde bereits vorgeschlagen, den elektromagnetischen Antrieb in einem Ventil durch einen piezoelektrischen Antrieb zu ersetzen um die Dynamik weiter zu verbessern, diese Lösung ist jedoch aufgrund der nicht unerheblich höheren
Kosten für einen piezoelektrischen Antrieb nur bedingt wirtschaftlich.
Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz der Verwendung von kostengünstigen elektromagnetischen Antrieben im Ventil die Dynamik des Ventils deutlich verbessert ist. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Ventil auch bei großen Hüben noch schnell schalten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventil eine Ventilnadel oder einen Ventilschieber aufweist, die von
Ankerelementen aus wenigstens zwei verschiedenen elektromagnetischen Antrieben betätigt wird. Beide elektromagnetische Antriebe, und damit beide Ankerelemente, sind in Reihe angeordnet und können gemeinsam mit einem Rückstellelement zurückgestellt werden. Grundgedanke der Reihenanordnung ist es, die durch einen elektromagnetischen Antrieb aufgebrachte Betätigungskraft für die Ventilnadel durch mindestens einen weiteren in Reihe angeordneten elektromagnetischen Antrieb zu verstärken. Durch die Aufteilung eines großen Antriebs in mindestens zwei kleine magnetische Antriebe ist im
Magnetkraftaufbau eine höhere Dynamik erreichbar. Durch das einfache
Aneinanderreihen der elektromagnetischen Antriebe lässt sich so kostengünstig selbst für sehr große Hübe der Ventilnadel eine ausreichend hohe
Betätigungskraft erzeugen, die die Ventilnadel mit einer hohen Dynamik bewegt und das Ventil zur Steuerung des Fluiddurchgangs einstellt. Die Geschwindigkeit der Ventilnadel kann über die Anzahl der in Reihe geschalteten
elektromagnetischen Antriebe eingestellt werden, so dass die Dynamik des
Ventils individuell an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Lösung für ein hochdynamisch arbeitendes Ventil mit einem elektromagnetischen Antrieb geschaffen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das erste und zweite Ankerelement in losem Kontakt miteinander verbunden sein, so dass sich die Ankerelemente voneinander lösen können. Dadurch wird eine Optimierung der gesamten zu bewegenden Masse aus Ankerelementen und Ventilnadel erreicht, da nur diejenigen Ankerelemente bewegt werden müssen, deren zugehörige elektromagnetische Antriebe auch eine Bewegungskraft auf sie ausübt. So kann beispielsweise eine vorbestimmte Anzahl an elektromagnetischen Antrieben im Ventil erfindungsgemäß in Reihe angeordnet sein, die Dynamik des Ventils jedoch über ein gezieltes Ansteuern einzelner elektromagnetischer Antriebe eingestellt werden.
Vorzugsweise kann das zweite Ankerelement die Ventilnadel über das erste Ankerelement betätigen. Hierdurch kann insbesondere die Teileanzahl sehr gering gehalten werden.
Auch können die elektromagnetischen Antriebe vorzugsweise als Stapel angeordnet sein, so dass sich das erfindungsgemäße Ventil durch einfaches Schichten der Antriebe kostengünstig realisieren lässt. Insbesondere können die elektromagnetischen Antriebe von der Montageseite aus geschichtet werden, so dass die einzelnen elektromagnetischen Antriebe bei der Herstellung vorab auf Ihre Funktionstüchtigkeit geprüft werden können.
Liegen die Ankerelemente lose aufeinander lässt sich das erfindungsgemäße Ventil auch leichter warten, da defekte elektromagnetische Antriebe einfach aus dem Stapel entfernt und durch funktionstüchtige neue Antriebe ersetzt werden können.
Weiter bevorzugt können die Ankerelemente der elektromagnetischen Antriebe baugleich sein, so dass sich das erfindungsgemäße Ventil durch ein einfaches Schichten baugleicher Elemente noch preiswerter herstellen lässt. Die elektromagnetischen Antriebe können in einem gemeinsamen Gehäuse, wie beispielsweise einem Rohr, angeordnet sein, so dass die elektromagnetischen Antriebe und das Gehäuse als Baukasten bereitgestellt und das
erfindungsgemäße Ventil nicht nur bei der Herstellung sondern auch nachträglich beliebig an verschiedene Anwendungen und Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden können. Das erfindungsgemäße Ventil kann damit gleichermaßen in großtechnischer Fertigung als auch in Heimarbeit durch den Endverbraucher ohne Aufwand und spezielle technische Kenntnisse
zusammengesetzt werden.
In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung können die elektromagnetischen Antriebe voneinander beabstandet sein, so dass jedes Ankerelement einen zusätzlichen Hub ausführen kann, wenn das
vorhergehende, schiebende Ankerelement seinen maximalen Hub erreicht hat. Durch den Abstand der einzelnen elektromagnetischen Antriebe kann so jedem einzelnen elektromagnetischen Antrieb im erfindungsgemäßen Ventil ein Teilhub für die Ventilnadel zugeordnet werden, so dass die Ventilnadel einen Teilhub ausführt, wenn das Ankerelement des dem Teilhub entsprechenden
elektromagnetischen Antriebs seinen vollen Hub ausgeführt hat. So lassen sich die Vorteile von hochdynamischen Schaltmagneten und eher langsamen
Proportionalmagneten vereinen, was einen Technologiedurchbruch darstellt, da eine hohe Dynamik in Kombination mit variablen Hüben bisher ausschließlich Ventilen mit piezoelektrischen Antrieben vorbehalten war. Darüber hinaus stellt die Weiterbildung der Erfindung eine schlichte Lösung dar, da sich die Teilhübe des Ventils zusammen mit der erfindungsgemäßen Anordnung der
elektromagnetischen Antriebe in Reihe mit einfachen Magnetkreisen und Wicklungen realisieren lassen, ohne dass eine Teilung eines einzelnen
Magnetkreises in Längsrichtung notwendig wäre. Vorzugsweise werden die Abstände der elektromagnetischen Antriebe mittels Einstellringen zwischen den elektromagnetischen Antrieben eingestellt.
Die Abstände der elektromagnetischen Antriebe zueinander können
insbesondere mit größerer Entfernung zur Ventilnadel kleiner werden. Auf diese Weise liegen die einzelnen Ankerelemente in der Ruhelage der Ventilnadel alle aneinander an, so dass die erfindungsgemäß hohe Dynamik des Ventils für jeden einzelnen Teilhub der Ventilnadel erreicht wird. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Ventil eine
Steuereinheit auf, die die einzelnen elektromagnetischen Antriebe individuell ansteuern und eventuell sogar direkt antreiben kann. Hierdurch kann das Ventil durch individuelles Ansteuern von elektromagnetischen Antrieben unterschiedlich große Hübe ausführen.
Diese Ansteuerung kann dann derart erfolgen, dass die einzelnen
elektromagnetischen Antriebe individuell angetrieben werden, da hierbei nicht nur die Dynamik des Schaltvorganges der Ventilnadel optimiert werden kann sondern auch Teilhübe der Ventilnadel in Stufen der Einzelhübe der einzelnen elektromagnetischen Antriebe einstellbar sind.
Alternativ bietet die Steuereinheit aber auch die Möglichkeit, alle
elektromagnetischen Antriebe einfach gleichzeitig anzusteuern und auf diese Weise anzutreiben, was bereits zu einer verbesserten Dynamik des Ventils führt.
Die Steuereinheit kann dabei beispielsweise zum schrittweise Ein- bzw.
Abschalten der elektromagnetischen Antriebe vorgesehen sein. Ein solches Steuerungsschema ist nicht nur elektronisch einfach umsetzbar sondern könnte auch durch mechanische Mittel realisiert werden.
Die elektromagnetischen Antriebe können vorzugsweise ein
Einzelrückstellelement wie eine Einzelrückstellfeder zum Zurückstellen ihres Ankerelementes aufweisen. Auf diese Weise werden die Ankerelemente, die keinen Kontakt zu den anderen Ankerelementen mehr haben und auch nicht mehr angetrieben werden wieder in ihre Ausgangsposition zurückgefahren, so dass beim Zurückstellen der Ventilnadel durch das allgemeine Rückstellelement weniger Masse bewegt werden muss, und damit eine weitere Verbesserung der Dynamik erreicht wird.
Der elektromagnetische Antrieb, der in direktem Kontakt mit der Ventilnadel steht, weist vorzugsweise kein eigenes Rückstellelement auf, da sein
Ankerelement einzeln durch das allgemeine Rückstellelement in seine
Ausgangsposition zurückgefahren werden kann. In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Fluiddurchgangs mittels einer Ventilnadel mit einem ersten und zweiten Ankerelement wird zunächst die Ventilnadel mit dem zweiten Ankerelement über das erste
Ankerelement bewegt. Dann wird die Ventilnadel mit einem Rückstellelement in ihre Ausgangsposition zurückgefahren.
Vorzugsweise kann die Ventilnadel wenigstens nach ihrem Betätigen mittels dem zweiten Ankerelement durch das erste Ankerelement weiter betätigt oder gehalten werden, so dass nur noch die Masse des ersten Ankerelementes und die Masse der Ventilnadel zum Bewegen der Ventilnadel angetrieben werden müssen und so eine Optimierung der zu Bewegenden Masse in eine
Bewegungsrichtung der Ventilnadel erreicht wird.
Insbesondere kann auch das zweite Ankerelement beim Halten oder
Weiterbetätigen der Ventilnadel durch das erste Ankerelement in seine
Ausgangslage zurückgefahren werden, so dass beim Bewegen der Ventilnadel in die andere Richtung ebenfalls nur noch das erste Ankerelement und die
Ventilnadel angetrieben werden müssen und so eine weitere Optimierung der zu bewegenden Masse erreicht wird.
Wenn sich das erste und zweite Ankerelement in ihren Ausgangslagen - das heißt, im unbestromten Zustand der beiden elektromagnetischen
Antriebselemente - berühren kann die Ventilnadel wenigstens teilweise gemeinsam mittels dem ersten und zweiten Ankerelement betätigt werden, so dass beim Antreiben der Ventilnadel eine besonders hohe Antriebskraft erreicht wird, die die Dynamik der Ventilnadel weiter verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer besonderen Ausführung mit beliebig vielen Ankerelementen realisiert werden. Beispielsweise kann ein n tes Ankerelement mit n>2 mit einem η-7-ten, vorhergehenden Ankerelement in Reihe in Kontakt stehen und die Ventilnadel über alle vorhergehenden, η-7-ten, in Reihe geschalteten Ankerelemente betätigen, so dass die
Dynamikverbesserung der Ventilnadel durch beliebig viele Zusatzkräfte beliebig gesteigert werden kann. Insbesondere kann die Ventilnadel dabei wenigstens nach ihrem Betätigen mittels dem n-ten Ankerelement mittels wenigstens einem der η-7-ten
Ankerelemente weiter betätigt oder gehalten werden. Auf diese Weise können beliebig viele Teilhübe gemäß der Erfindung realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, und Figur 3 ein Schaltplan für eine Steuereinheit zum Betreiben der zweiten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils.
Ausführungsformen der Erfindung In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Ventil 2 mit einem zweistufigen Magnetstack gezeigt. Ein solches Ventil 2 kann
beispielsweise als Einspritzventil in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Das Ventil 2 weist eine Ventilnadel 4, einen ersten elektromagnetischen Antrieb 6 und einen zweiten elektromagnetischen Antrieb 8 auf. Während der erste elektromagnetische Antrieb 6 zum direkten Betätigen der Ventilnadel 4 vorgesehen ist, betätigt der zweite elektromagnetische Antrieb 8 die Ventilnadel über den ersten elektromagnetischen Antrieb 6. Mittels einer
Hauptrückstellfeder 10 können der erste und der zweite elektromagnetische Antrieb 6, 8 gemeinsam in eine Nullposition zurückgefahren werden.
Der erste elektromagnetische Antrieb 6 weist einen ersten Magnetkreis 12, eine erste Wicklung 14 und ein erstes Ankerelement 16 auf. Die erste Wicklung 14 kann bestromt werden und dient dann als magnetische Quellspannung, die den ersten Magnetkreis 12 durchflutet. Der erste Magnetkreis 12 weist Polschuhe 13 auf, aus denen das magnetische Feld aus dem ersten Magnetkreis 12 austreten kann. Das erste Ankerelement 16 ist magnetisiert, so dass das es durch das aus den Polschuhen 13 austretende magnetische Feld an die Polschuhe 13 herangezogen werden kann, wenn die erste Wicklung 14 bestromt wird.
Der zweite elektromagnetische Antrieb 8 weist analog zum ersten
elektromagnetischen Antrieb 6 einen zweiten Magnetkreis 18, eine zweite
Wicklung 20 und ein zweites Ankerelement 22 auf. Sie wirken auf gleiche Weise zusammen, wie ihre analogen Elemente im ersten elektromagnetischen
Antrieb 6. Zusätzlich kann der zweite elektromagnetische Antrieb 8 eine
Einzelrückstellfeder 24 aufweisen, mit der das zweite Ankerelement 22 vom ersten Ankerelement 16 gelöst und individuell in seine Nulllage zurückgefahren werden kann.
Beide elektromagnetischen Antriebe 6, 8 sind in einem Rohr 26 übereinander gestapelt und werden durch einen Abstandshalter 25 in Form eines Einstellrings voneinander getrennt. In dem so zwischen dem ersten und zweiten
elektromagnetischen Antrieb 6, 8 geschaffenen Freiraum kann sich das erste Ankerelement 16 frei bewegen. Durch ein Übereinanderstapeln weiterer Abstandshalter und elektromagnetischer Antriebe kann die in Figur 1 gezeigte Anordnung beliebig erweitert werden, je nachdem, wie viele Elemente im Rohr 26 noch Platz finden. Wie in Figur 1 gezeigt, sind die Ankerelemente 16, 22 und die Ventilnadel 4 auf einer gemeinsamen Achse X-X in Reihe angeordnet.
Am in Figur 1 gezeigten Zustand des Ventils 2 ist die Stellung des zweiten Ankerelementes 22 im angezogenen Zustand zu sehen, während die erste Wicklung 14 des ersten Ankerelementes 16 unbestromt ist, so dass die
Ventilnadel 4 ausschließlich durch das zweite Ankerelement 22 über das erste Ankerelement 16 gehalten wird. Gut zu erkennbar ist, dass die Ventilnadel 4 auf diese Weise nur einen Teil ihres vollen fahrbaren Hubes H zurückgelegt hat. Zum Weiterbewegen der Ventilnadel 4 auf Ihre volle Hubhöhe H, muss folglich nur noch die erste Wicklung 14 bestromt werden.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein zweites erfindungsgemäßes Ventil 28 mit einem dreistufigen Magnetstack in verschiedenen
Funktionszuständen gezeigt. Zur besseren Übersichtlichkeit der Figur 2 sind nicht für jeden Funktionszustand die einzelnen Elemente des Magnetstacks mit einem Bezugszeichen versehen. Anhand dieser Funktionszustände soll Funktionsweise der Erfindung näher erläutert werden. Das Einstellen von mehreren Teilhüben wird im Folgenden näher erläutert.
Das in Figur 2 gezeigte Ventil 28 ist gegenüber dem in Figur 1 gezeigten Ventil 2 um einen dritten elektromagnetischen Antrieb 30 erweitert, der in gleicher Weise wie der zweite elektromagnetische Antrieb 8 aufgebaut ist. Er ist vom zweiten elektromagnetischen Antrieb 8 über einen weiteren Abstandshalter 32 beabstandet, so dass sich das Ankerelement 22 des zweiten
elektromagnetischen Antrieb 8 frei bewegen kann. Die Abstandshalter 25, 32 sind so gewählt, dass der Abstand zwischen dem ersten und zweiten elektromagnetischen Antrieb 6, 8 größer ist, als der Abstand zwischen dem zweiten und dritten elektromagnetischen Antrieb 8, 30.
Die Ventilnadel 4 kann einen maximalen Hub H ausführen, der durch ein Bestromen von wenigstens der Wicklung 14 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 erreicht werden kann. Je mehr Wicklungen im Ventil 28 zusätzlich bestromt werden, desto schneller führt die Ventilnadel 4 den maximalen Hub H aus.
Durch ein gezieltes Bestromen der einzelnen Wicklungen kann die Ventilnadel 4 auch Teilhübe zwischen ihrer Nulllage (Fig. 2a) und dem maximalen
Hub H (Fig. 2d-2f) ausführen. Dies wird im Folgenden anhand von Figur 2 näher erläutert.
Im Ausgangszustand a) hält die Ventilnadel 4 einen Fluiddurchgang vollständig geschlossen. Alle Wicklungen der elektromagnetischen Antriebe 6, 8, 30 sind unbestromt, so dass die Federkraft der Hauptrückstellfeder 10 die Ventilnadel 4 und alle Ankerelemente in ihrer Nulllage hält. Die drei baugleichen
Ankerelemente 16, 22, 31 befinden sich dabei in losem Kontakt zueinander.
Im Zustand b) ist lediglich die Wicklung des dritten elektromagnetischen
Antriebs 30 bestromt, so dass sein Ankerelement 31 seine Endlage erreicht und mit einem entsprechenden Hub die Ventilnadel 4 über die restlichen
Ankerelemente in eine Position knapp über der Nulllage bewegt. Die Anzugsverzugszeit wird durch das Ankerelement 31 des dritten elektromagnetischen Antriebs 30 bestimmt. Da dieser nur einen Teilhub erzeugen muss, kann die Auslegung kompakt und entsprechend hochdynamisch erfolgen. Die Wicklungen 14, 20 des ersten und zweiten elektromagnetischen Antriebs 6, 8 können bereits zu dieser Zeit bestromt werden, um ein Magnetfeld aufzubauen und die Hubbewegung der Ventilnadel 4 verzugsfrei fortzusetzen.
Im Zustand c) wird zusätzlich die Wicklung 20 des zweiten elektromagnetischen Antriebs 8 bestromt, so dass sein Ankerelement 22 seine Endlage erreicht und mit einem entsprechenden Hub die Ventilnadel 4 über das Ankerelement 16 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 in eine Position knapp unter dem maximalen Hub H bewegt. Da das Ankerelement 31 des dritten
elektromagnetischen Antriebs 30 seine Endlage bereits erreicht hat, bewegt es sich im Übergang von Zustand b) zu Zustand c) nicht mehr und bleibt in seiner Anschlagposition stehen. Somit wurde die bewegte Masse verringert.
Im Zustand d) wird schließlich auch die Wicklung 14 des ersten
elektromagnetischen Antriebs 6 bestromt, das nun ebenfalls seine Endlage erreicht und die Ventilnadel 4 mit einem entsprechenden Hub in ihre Endlage bewegt. Da die anderen Ankerelemente 22, 31 alle ihre Endlagen bereits erreicht haben, muss für den Übergang von Zustand c) zu Zustand d) nur noch das Ankerelement 16 des ersten elektromagnetischen Antriebs 6 und die
Ventilnadel 4 bewegt werden. Somit wurde die bewegte Masse weiter verringert.
Sobald der dritte elektromagnetische Antrieb 30 keinen Beitrag mehr zur Öffnungskraft auf die Ventilnadel 4 leistet, kann die Bestromung seiner Wicklung beendet werden. Wie in Zustand e) gezeigt, schiebt dann seine
Einzelrückstellfeder 33 sein Ankerelement 31 in die Nulllage zurück.
In Zustand f) ist nur noch die Wicklung des ersten elektromagnetischen
Antriebs 6 bestromt, die Ankerelemente 22, 31 aller anderen
elektromagnetischen Antriebe 8, 30 haben ihre Nulllage wieder eingenommen. Das Ventil 28 ist abschaltbereit. Die Voraussetzungen für einen
hochdynamischen Schaltvorgang sind optimal, denn der Abfallverzug wird nur durch den Magnetfeldabbau im ersten elektromagnetischen Antrieb 6 bestimmt, der aufgrund seines kleinen Hubanteils auf Dynamik optimiert sein kann.
Außerdem ist die bewegte Masse minimiert.
In Figur 3 ist eine Steuereinheit zum Bestromen der Wicklungen der
elektromagnetischen Antriebe 6, 8, 30 des Ventils aus Figur 2 gezeigt. Eine
Signaleinheit 36 gibt Schaltsignale 38, 40, 42 aus, die zur Steuerung von Schaltern 44, 46, 48 vorgesehen sind. Jeder Schalter steuert so die Stromzufuhr zu einer der Wicklungen der elektromagnetischen Antriebe 8, 6, 30, damit die Ventilnadel gemäß Figur 2 bewegt werden kann. Vorwiderstände 50, 52, 54 sind zum Schutz der Wicklungen vorgesehen. Als Energiequelle dient eine
Spannungsquelle 56. Somit sind die elektromagnetischen Antriebe 6, 8, 30 individuell ansteuerbar, so dass das Ventil 28 verschieden große Teilhübe oder einen Vollhub ausführen kann.

Claims

Ansprüche
1 . Ventil zur Steuerung eines Fluiddurchgangs umfassend:
eine Ventilnadel (4) oder einen Ventilschieber,
einen ersten elektromagnetischen Antrieb (6) mit einem ersten
Ankerelement (16) zur Betätigung der Ventilnadel (4),
ein Rückstellelement (10) zur Rückstellung der Ventilnadel (4), und einen zweiten elektromagnetischen Antrieb (8) mit einem zweiten
Ankerelement (22) zur Betätigung der Ventilnadel (4),
wobei der erste und zweite elektromagnetische Antrieb (6, 8) in Reihe angeordnet sind.
2. Ventil nach Anspruch 1 , wobei das erste und zweite Ankerelement (16, 22) in losem Kontakt miteinander stehen.
3. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Ankerelemente (16, 22) der elektromagnetischen Antriebe (6, 8) baugleich sind.
4. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
elektromagnetischen Antriebe (6, 8) als Stapel angeordnet sind.
5. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
elektromagnetischen Antriebe (6, 8) in einem gemeinsamen Gehäuse (26) angeordnet sind.
6. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
elektromagnetischen Antriebe (6, 8) voneinander beabstandet sind.
7. Ventil nach Anspruch 6, mit mindestens einem weiteren
elektromagnetischen Antrieb (30), wobei die Abstände bzw. Arbeitshübe der elektromagnetischen Antriebe (6, 8, 30) zueinander mit größerer Entfernung zur Ventilnadel (4) kleiner werden.
8. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Steuereinheit (34) zum individuellen Betreiben der einzelnen elektromagnetischen
Antriebe (6, 8, 30).
9. Ventil nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (34) zum schrittweisen Ein- bzw. Abschalten der elektromagnetischen Antriebe (6, 8, 30) vorgesehen ist.
10. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein elektromagnetischer Antrieb (8, 30) ein Einzelrückstellelement (24) zum Zurückstellen seines Ankerelementes (22) aufweist.
1 1 . Verfahren zum Steuern eines Fluiddurchgangs mittels einer Ventilnadel (4) mit einem ersten und zweiten Ankerelement (16, 22), wobei die
Ventilnadel (4) und die Ankerelemente (16, 22) in Reihe angeordnet sind, umfassend die Schritte:
- Betätigen der Ventilnadel (4) mit dem zweiten Ankerelement (22) über das zwischen der Ventilnadel (4) und dem zweiten
Ankerelement (22) angeordneten ersten Ankerelement (16); und Rücksteilen der Ventilnadel (4) mit einem Rückstellelement (10).
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei die Ventilnadel (4) wenigstens nach ihrem Betätigen mittels dem zweiten Ankerelement (22) mittels dem ersten Ankerelement (16) weiter betätigt oder gehalten wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zweite Ankerelement (22) beim Halten oder Weiterbetätigen der Ventilnadel (4) durch das erste
Ankerelement (16) in seine Ausgangslage zurückgefahren wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, wobei sich das erste und zweite Ankerelement (16, 22) in ihren Ausgangslagen berühren und die Ventilnadel (4) wenigstens teilweise gemeinsam mittels dem ersten und zweiten Ankerelement (16, 22) betätigt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, wobei wenigstens ein n tes Ankerelement (30) mit n>2 mit einem η-1 -ten vorhergehenden
Ankerelement (22) in Reihe in Kontakt steht und die Ventilnadel (4) über alle vorhergehenden, η-7-ten, in Reihe geschalteten
Ankerelemente (16, 22) betätigt und die Ventilnadel (4) wenigstens nach ihrem Betätigen mittels dem n-ten Ankerelement (30) mittels wenigstens einem der η-7-ten Ankerelement (16, 22) weiter betätigt oder gehalten wird.
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