WO2012084682A1 - Magnetodynamic actuator and method for actuating a fuel injection valve - Google Patents

Magnetodynamic actuator and method for actuating a fuel injection valve Download PDF

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WO2012084682A1
WO2012084682A1 PCT/EP2011/072902 EP2011072902W WO2012084682A1 WO 2012084682 A1 WO2012084682 A1 WO 2012084682A1 EP 2011072902 W EP2011072902 W EP 2011072902W WO 2012084682 A1 WO2012084682 A1 WO 2012084682A1
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armature
stator
actuator
magnetic field
fuel injection
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PCT/EP2011/072902
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Inventor
Johann GÖRZEN
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1638Armatures not entering the winding
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/02Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/38Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/00Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
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    • F02M63/0015Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0017Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using electromagnetic operating means
    • F02M63/0019Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using electromagnetic operating means characterised by the arrangement of electromagnets or fixed armatures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H51/00Electromagnetic relays
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    • H01H51/04Non-polarised relays with single armature; with single set of ganged armatures
    • H01H51/12Armature is movable between two limit positions of rest and is moved in both directions due to the energisation of one or the other of two electromagnets without the storage of energy to effect the return movement
    • H01H51/14Armature is movable between two limit positions of rest and is moved in both directions due to the energisation of one or the other of two electromagnets without the storage of energy to effect the return movement without intermediate neutral position of rest

Definitions

  • the invention relates to a magnetodynamic actuator, in particular for actuating a fuel injection valve for an internal combustion engine, and a method for operating ei ⁇ nes fuel injection valve with a magnetodynamic actuator.
  • Fuel injection valves for internal combustion engines have üb ⁇ SHORT- a needle valve, the needle can be back position and forth by means of a controllable actuator between an open and a closed position.
  • the controllable actuator provides an operating stroke, which is transmitted either directly or indirectly to the valve needle.
  • an indi rectly ⁇ driven fuel injection valve of Be ⁇ triebshub of the actuator is transmitted, for example via a servo valve to the valve needle.
  • Purpose are, for example, piezo actuators or magnetostatic (solenoid) actuators.
  • Conventional magnetostatic actuators have an electromagnetic stator and a movable ferromagnetic armature.
  • the stator includes a coil and a ferromagnetic core ⁇ rule. As current flows through the coil of the stator, the stator exerts a magnetostatic attraction on the armature. By virtue of this static magnetic force, the armature can, in principle, be held on the stator as long as desired.
  • the electromagnetic stator can exert only an attractive force on the armature.
  • a counterforce to deflect the anchor required.
  • a return spring is used for the provision of a counterforce. Since the ferromagnetic substances used in a conventional actuator are relatively heavy, correspondingly large magnetic forces and a correspondingly sized return spring are required. By the return spring, the movable mass is further increased, so that an even larger solenoid in the stator is required.
  • the problem with the known magnetostatic actuators is also the occurrence of eddy currents when switching on and off of the magnet. These lead to power losses and additional heat input in the actuator. In addition, the eddy currents lead to an inhibition of the movements of the anchor, especially during rapid movements. As a result, the mögli ⁇ che achievable dynamics of the actuator is limited. Conventional measures for the suppression of eddy currents, such as the use of soft magnetic, laminated material for stator and armature are not always possible or very expensive in the required fuel injectors ⁇ sizes, and in precision mechanics and microtechnology in general.
  • the movement in a conventional magnetostatic actuator is therefore based on two physical effects.
  • the quasi-stationary, magnetostatic main effect (efficiency) consists in ferromagnetic attraction of stator and armature.
  • the only transiently occurring magneto dynamic side effect (sturgeon ⁇ effect) is dynamic counter the main effect and limits this dynamic. This results in a maximum speed of the system.
  • An additional problem arises because when the armature is energized by the coil of the stator, the armature is attracted with a force that increases exponentially as it moves towards the stator. When on ⁇ tightly to the stator, the armature therefore has a maximum Ge ⁇ speed and at the same time most attracted. This can lead to a rebound of the armature, which over time may result in deformation and wear of the armature.
  • the invention is therefore based on the object to provide an actuator and a method for actuating a Kraftstoffeinspritzven- tils, whereby the above problems can be at least partially avoided.
  • a magnetodynamic actuator comprises an electromagnetic stator with connections for switchable connection to a power source.
  • the stator can be connected to a power source via the connections so that a current flow through the stator can be impressed.
  • a control unit allows the control of the current flow through the stator.
  • the electromagnetic stator includes, for example, a coil having a ferromagnetic core.
  • the magnetodynamic actuator further comprises a movable armature having at least one electrically conductive portion.
  • the armature is movably mounted at least between a first position and a second position.
  • the first position of the armature is preferably a rest position of the armature, in which the electrically conductive portion of the armature has a minimum distance from the stator.
  • the movable armature can rest in this first posi ⁇ tion directly on the stator.
  • the second position preferably designates a deflected position, in which the electrically conductive portion of the armature has a greater distance from the stator.
  • the armature is lifted from the stator.
  • the stator and the armature can in principle deflections from the rest position in different directions be possible.
  • at least the armature is movable between a first and a second position, the displacement between each position representing an armature stroke. In the following, therefore, only a first position and a second position will be discussed.
  • the armature is adapted during power ei ⁇ nes current through the electromagnetic stator, at least in the electrically conductive portion to form an eddy current so to under interaction with a
  • Stator magnetic field to be deflected from the first position.
  • an electric current is switched on by the electromagnetic stator, a magnetic field is formed
  • the movable anchor is initially located in the first Po ⁇ sition with a minimum distance between the electrically conductive portion of the armature and the stator, the armature (under the effect of the resulting magnetic fields when switching a current through the electromagnetic stator from the first position Rest position) deflected into a second position.
  • the armature is preferably mechanically coupled to an actuating element.
  • a working stroke for the actuation of the actuating element can be ⁇ be riding provided by the deflection of the armature.
  • the actuating element is beispielswei ⁇ se a valve element, in particular a valve element in a fuel injection valve.
  • other fields of application of the actuator according to the invention are possible, for example for ABS, fast hydraulic valves, Pumpenven ⁇ tile or in a printing device.
  • the main effects and side effects of the magnetodynamic actuator according to the invention are thus reversed.
  • the magnetostatic main effect which is mainly effective in the case of the conventional actuator becomes a useless disruptive effect in the magnetodynamic actuator according to the invention.
  • the magnetodynamic effect is exploited as the main effect. While in the conventional magnetostatic actuators the
  • magneto dynamic interference effect limits the dynamics of the whole system because of its Hochpasscharak ⁇ ters, it is OF INVENTION ⁇ dung according rakters exploited as a main effect precisely because of its Hochpasscha- targeted. As a result, the dynamics of the actuator can be further increased. While conventional,
  • the magnetodynamic actuator according to the invention is based on magnetic field changes. According to the invention thus incurred in the armature vortex ⁇ streams are exploited, instead of fighting them.
  • the movable armature is therefore preferably arranged to form eddy currents even during a turning off of the electric current by the electromagnetic stator and to be moved under the action of a magnetic field of the electromagnetic stator from a second (deflected) position to the first position.
  • the armature can be both attracted and repelled. Both repelling and attracting effect of the armature are each ⁇ wells caused by the changes in the current flowing through the electro-magnetic stator ⁇ and a resultant magnetic field of the stator magnetic ⁇ change. The repulsive and attractive effect is always only by a dynamic stimulation.
  • the repulsive force is strongest immediately after switching on the current interim rule ⁇ stator and armature. Over time, the force decreases as the eddy currents in the armature decay due to the electrical resistance in the material. If the armature were superconducting, the eddy current in the armature would flow infinitely for a long time and the repulsive force effect would have a correspondingly long effect.
  • the real material of the anchor exists a finite electrical resistance which leads to a decay of the eddy currents. The decay of the eddy currents in An ⁇ ker also leads to a decrease in the armature magnetic field and thus to a decrease in the repulsive force.
  • magnetostatic actuator A bouncing of the armature can thus be better avoided or at least reduced, thereby significantly reducing the risk of permanent deformation of the armature.
  • Another advantage is that the magnetic Ab ⁇ push stable and largely linear, while the magnetostatic attraction is a highly unstable non-linear process. Such operations are brisk ⁇ lung technically easier to control faster and more robust. Specifically, the free floating of an anchor, in which the hover height is significantly smaller than its dimension, is during magnetic tightening control technically extremely difficult. In magnetic repulsion, on the other hand, there are processes that are much more benevolent and therefore easier to control.
  • the instant high acceleration of the armature at every step that is, every time the armature is repulsed and tightened, further increases the dynamics of the system.
  • the time ⁇ behavior of the actuator can be adjusted by the material composition of stator and armature and by the current flow in the stator.
  • the armature has at least one electrically conductive partial region in which the eddy currents can form.
  • the anchor is made of a para or diamagnetic material.
  • is the anchor of a material having a high electrical conductivity.
  • magneto-dynamic effect which is inventively exploited for Anzie ⁇ hen and repelling the armature further strengthens ⁇ ver.
  • the magnetostatic effect on the other hand, is reduced.
  • the timing of the actuator and thus the dynamic effect can be easily and selectively adjusted by the conductivity of the anchor material.
  • Paramagnetic materials with high electrical conductivity for example, aluminum or copper ⁇ minium.
  • the stator and armature of the magneto-dynamic actuator of the invention are preferably configured and arranged such that the stator magnetic field, at the location of the armature is the electrically conductive portion of the armature in the first positi ⁇ on that respect is in the rest position, unbalanced..
  • the stator magnetic field is substantially stationary connected to the stator.
  • the armature magnetic field which is generated by the We ⁇ belströme in the anchor, however, is substantially stationary connected to the anchor. Upon movement of the armature, the armature magnetic field moves with. At the anchor's location, the stator magnetic field and the armature magnetic field overlap. An on ⁇ due to the asymmetry of the stator magnetic field is created
  • the actuator consists-apart from the conductive subregion-substantially of an electrically non-conductive material.
  • the electrically conductive portion is then formed, for example, by short-circuiting rings made of an electrically conductive material, so that eddy ⁇ currents can form in the anchor.
  • the short-circuit rings in the armature need not be configured in a circular manner. You only need to allow a closed circuit inside the armature to form eddy currents. However, the shorting rings can also be configured rectangular, triangular or in any other closed form.
  • Such short-circuit rings can for example be formed by crosswise arranged holes in the armature, which are poured through an electrically conductive material, an advantage of this development is that the position of the eddy currents in the armature can be selected specifically. This allows a direction of the deflection of the armature from the rest position set specifically.
  • the ferromagnetic stator core is shaped so that when turned ⁇ have switched off the current flow through the coil of the magnetic north and south poles of the magnetic field therein propagating opposite to and with each other.
  • the ferromagnetic core thus forms a U-shape or horseshoe shape, or an incomplete ring with a recess.
  • stator core At the recess of the ring face two end faces of the ferromagnetic core and form a magnetic north and south pole.
  • the ring formed by the stator core incomplete does not have to speak to the geometric shape of a ring ent ⁇ . Rather, the stator core can also be rectangular or triangular or take any other closed form that is interrupted at one point. At the interruption a gap is formed, on which end faces are opposite, which form the north and south poles of the Magnetfel ⁇ .
  • the rest position of the anchor is located in the gap between north and south pole.
  • the direction in which the anchor is to be deflected to be adjusted can be adjusted.
  • the shorting rings of the armature can be arranged outside of the stator ring, so that a repulsion of the armature from the center of the stator takes place.
  • the shorting rings in the armature can be offset inwardly from the ring formed by the stator, so that when turning on the current through the Stator force is generated on the armature towards the center of the stator. This effect can be generated not only by short-circuit rings arranged asymmetrically in the armature, but also generally with an electrically conductive partial area arranged asymmetrically in the armature.
  • the magnetodynamic actuator according to the invention is particularly suitable for actuating a fuel injection valve of a combustion engine ⁇ .
  • a fuel injection valve with a magnetodynamic actuator, as described above, is therefore an independent subject of the invention.
  • the armature is coupled to an actuating element in the fuel injection valve. By means of a movement of the armature, an operating stroke for actuating the actuating element is provided.
  • the actuator may, for example, a
  • Servo valve element a control piston or a valve needle of the fuel injection valve.
  • the operating stroke provided by the actuator can be transmitted hydraulically to the valve needle of the fuel injection valve.
  • the operating stroke of the geometry of the fuel injection ⁇ fuel valve can be adjusted.
  • the armature of the magnetodynamic actuator is coupled directly to a valve needle of the fuel injection valve or the control piston for actuating the valve needle. This allows a faster reaction time between actuation of the actuator and the fuel injection valve.
  • a method for actuating a fuel injection valve for an internal combustion engine with a magnetodynamic actuator which comprises an electromagnetic stator and a movable armature with at least one electrically conductive portion, is a further independent subject of the invention.
  • a magnetodynamic actuator which comprises an electromagnetic stator and a movable armature with at least one electrically conductive portion
  • the magnetodynamic actuator transmit the deflection of the armature to a valve element of the fuel injection valve.
  • the valve element may be the valve needle of the Kraftstoffein ⁇ injection valve, or a valve element of a
  • the magnetodynamic actuator according to the invention is suitable not only for the deflection of the armature from the first position to the second position, but also for actuation in the opposite direction. Therefore, the invention shown SSE method in a preferred development includes moving sharmlichen steps in which the current flow through the
  • Electromagnet stator is turned off or reversed, whereby the first magnetic field in the electromagnetic stator decreases.
  • Stator magnetic field in turn, an electrical eddy current is induced in the electrically conductive portion of the armature.
  • This induced eddy current has the
  • the eddy current in the armature when switched off the current through the stator, a magnetic field with reversed polarity, which leads to a deflection of the armature in entge ⁇ genbober direction. Accordingly, the armature is deflected from the second position and moved to the first position. While the magnetic fields produced by the stator when the current is turned on cause repulsion of the armature from the stator, when the current is turned off, magnetic fields are generated which cause an attractive force on the armature.
  • the inventive method for operating a motor ⁇ injection valve with a magneto-dynamic actuator has an advantage over conventional magnetostatic
  • Actuators that can be realized in principle shorter opening and closing times and higher speeds.
  • the high speeds at which the actuator according to the invention and thus the fuel injection valve can be ⁇ drive, also can be used in a preferred embodiment of the method for injection course formations, as described below.
  • the electromagnetic stator or its coil has a specific inductance.
  • the magnetodynamic actuator is preferably driven by a control unit.
  • the inductance in the stator can then form an electrical resonant circuit with a capacitance in the control unit.
  • a periodic switching on and off of current flow relationship ⁇ , an alternating electric current in the electromagnetic stator can be realized.
  • the current flow through the electromagnetic stator is changed periodically.
  • the change can be made by a periodic switching on and off, a periodic change of polarity or by applying an AC voltage.
  • the AC voltage may be sinusoidal, for example. Due to the physical effects described above, the periodic variation of the current flow also repels and attracts the armature periodically. As a result, the armature can be put into mechanical vibration. This mechanical oscillation of the armature can in turn be transferred to a valve element of the fuel injection valve, so that a pulsed opening and closing of the fuel injection valve becomes possible.
  • Such pulsed opening and closing of the fuel valve can be used for example for performing multiple injections.
  • the Einspritzra ⁇ te On the frequency with which the system is set in vibration, the Einspritzra ⁇ te, and thus also the course of injection can be formed.
  • the electrical oscillating circuit consisting of a Induktivi ⁇ ty in the stator and a capacity in the control unit is thus connected in the inventive system via a resilient, magnetically-mechanical coupling to an oscillatory mechanical system.
  • the elastic, magnetic-mechanical coupling is formed by the magnetodynamic actuator and the valve.
  • the electromagnetic oscillation is transferred to a mechanical oscillation movement of the armature. This in turn can be transmitted via an elastic mechanical coupling to the valve element of the Kraftstoffein ⁇ injection valve.
  • This series coupling oscillatory systems may be coordinated so that an energy-optimal overall ⁇ system with the highest possible dynamic formed. Operation with sinusoidal excitation additionally reduces parasitic effects. Especially by a sinusoidal excitation you can operate tuned resonant circuits in the range of their resonance. Thanks to this harmonious operation, significantly more actuator strokes can be realized than with previous ones
  • the injector can be reduced and optimized so that it only delivers discrete subsets with constant opening times.
  • the desired amount of fuel is then no longer realized over the drive time, but over the pattern and the number of injection pulses.
  • Figure 1 the structure of a directly driven injector with an injection valve and a magnetodynamic actuator according to the invention
  • FIG. 3 shows a sectional view through a second embodiment of the magnetodynamic according to the invention
  • Figure 4 is a sectional view through a third form of execution ⁇ magneto dynamic invention
  • Figure 6 a vibration system comprising an electrical
  • Oscillating circuit a magnetic-mechanical coupling by the magnetodynamic actuator and an elastically mechanical coupling to the valve element of a fuel injection valve
  • FIG. 7 is a graphical representation of a pulsed injection for realizing various injection rates
  • FIG. 8 is a graph of pulsed injection with fluctuating rail pressure
  • FIG. 9 a graphical representation of the time course of various states of the magnetodynamic
  • the fuel injection valve 21 includes a nozzle body having a Düsennadelaus strictlyung in which a nozzle needle is movably mounted, and from which extend a plurality of injection holes for combustion chamber 22 reach out.
  • a closed injection valve 21 With a closed injection valve 21, the SI ⁇ nozzle needle forms a sealing seat with a nozzle needle seat in the recess.
  • the fuel injection valve 21 When the fuel injection valve 21 is open, the nozzle needle is lifted from its sealing seat and pressurized fuel can flow from a supply line 34 through the nozzle needle recess and through the injection holes 33 into the
  • Burn combustion chamber 22 of an internal combustion engine To open and close the fuel injection valve 21, the valve needle ⁇ is driven directly by the magnetodynamic actuator 10 according to the invention. Alternatively, an indirect control via a control valve is possible.
  • a control unit
  • the magnetodynamic actuator 10 is explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in Figures 2 to 6.
  • Figure 2 shows a first embodiment of the inventive actuator.
  • the magnetodynamic actuator 10 according to the invention comprises an electromagnetic stator 11 with a coil 15 and a ferromagnetic core 16. Adjacent to the core is a para- or diamagnetic armature 13 in a rest position 12a (solid line). Stator and An ⁇ ker are in this example substantially rotationally symmetrical ⁇ trained around a central longitudinal axis 24.
  • the coil 15 of the electromagnetic stator 11 can be connected to a power supply. When a current is turned on by the coil 15, a magnetic field is generated in the ferromagnetic core 16 of the coil.
  • Stator 11 and armature 13 creates a repulsive force on the armature 13.
  • the stator 11 is installed stationary.
  • the armature 13, however, is movable. Due to the repulsive force effect between stator 11 and armature 13 due to the two magnetic fields of stator and armature, the movable armature 13 is deflected from the first rest position 12a into a deflected position 12b.
  • the thus provided hub 23 (Dif ⁇ difference between the heights 12 a and 12 b) can be transferred to a valve element of a fuel injection valve 21 ( Figure 1).
  • the magnetodynamic actuator according to ei ⁇ ner second embodiment shown in Figure 3 comprises a stator 11 with a ferromagnetic core 16, which largely encloses a movable armature 13.
  • the movable armature 13 is essentially pot-shaped and has a star-shaped pel 25 for transmitting the hub 23 to a valve element of the fuel injection valve 21.
  • This embodiment of the actuator is essentially rotationally symmetrical about a central longitudinal axis 24.
  • the ferromagnetic core 16 of the stator 11 is located inside a coil 15 and is extended beyond it into the interior of the pot-shaped armature 13. At least the pot-shaped region of the armature 14 is made of an electrically conductive material.
  • the ferromagnetic core 16 is not only extends across the interior of the coil 15 in the interior of at ⁇ kertopfes 14 into it, but also extends to the outside of the coil 15 to the outside of the cup-shaped portion 14 of the armature 13. Between the cup-shaped Region 14 of the armature 13 and the ferromagnetic core 16 of the stator 11 is only a narrow gap.
  • stator magnetic field By turning on a current through the coil 15 of the stator, a magnetic field is generated in the ferromagnetic core 16. This is referred to below as the stator magnetic field.
  • the stator magnetic field propagates throughout the ferromagnetic core 16 and is interrupted only by the narrow gap in which the cup-shaped portion 14 of the movable armature 13 is located. Due to the development of the magnetic field in the stator core and in the gap, an eddy current is induced in the cup-shaped, electrically conductive subregion 14 of the armature 13.
  • this eddy current is a second magnetic field, the on ⁇ kermagnetfeld generated which counteracts the magnetic field of the stator sixteenth Due to the interaction of the two magnetic fields, a force is exerted on the armature 13. As a result, this is moved from its rest position 12a in a deflected position 12b.
  • the deflection or the stroke 23 of the armature is limited in the example shown in Figure 3 by a lower boundary wall. This is formed for example by a valve body 28.
  • the punch 25 protrudes through a recess of the valve body 28 for transmitting the armature lift 23 to a valve element.
  • Figure 4 shows a third embodiment of the Invention ⁇ proper magneto-dynamic actuator 10 with a movable armature 13, having electrically conductive portions which only fourteenth These are designed as shorting rings 14 in the armature 13.
  • the armature 13 in this case consists of an electrically non-conductive material.
  • the electromagnetic stator 11 has a coil 15 and a ferromagnetic core 16, which extends in a horseshoe shape around the movable armature.
  • the two legs of the horseshoe-shaped core terminate in two end faces which face each other. When the current flow through the coil 15, the two faces of the core 16 form the magnetic north and south poles 17, 18 of the Elect ⁇ romagneten 11.
  • the movable armature 13 is disposed between the two end faces and is penetrated by the magnetic field of the stator by ⁇ .
  • the stator core 16 thus forms an incomplete ring with a recess in which the movable armature 13 is arranged.
  • the ring can, as shown in Figure 4, also have a rectangular shape.
  • the short-circuit rings 14 are arranged asymmetrically with respect to the stator magnetic field.
  • eddy currents are induced in the short circuit rings 14 of the armature.
  • These in turn generate a magnetic counter ⁇ field, the armature magnetic field.
  • the armature magnetic field counteracts the stator magnetic field.
  • the armature magnetic field is substantially stationary connected to the An ⁇ ker 13 and is deflected and moved with this. Since the armature magnetic field in the first rest position of the armature 13 is asymmetrical to the stator magnetic field, ei ⁇ ne force effect arises and the movable armature 13 is deflected from its rest position to a deflected position.
  • the direction of movement of the deflection can be adjusted. In the example shown in Figure 4, the deflection from the center of the stator 11 to the outside (in the drawing down) take place. In the case of an arrangement of the short-circuit rings 14 toward the center of the stator 11, however, the direction of movement could also be toward the center of the stator 11.
  • FIG. 5 shows a further variant embodiment of the OF INVENTION ⁇ to the invention the actuator 10.
  • This variant is not rotationally symmetrical ⁇ configured.
  • the stator 11 comprises a coil 15 and a ferromagnetic core 16.
  • the movable armature 13 is arranged above the stator in this example. A deflection of the armature 13 takes place here from a rest posi ⁇ tion in a deflected position upwards.
  • a punch 25 of the armature 13 is guided through a recess in the stator core 16.
  • the actuator according to the invention can be operated in an injector ( Figure 1) with a Kraft fürinsprit zventil 21 as a vibratory system.
  • a vibration system is shown schematically in FIG. It comprises an electrical resonant circuit 29, an elastic coupling 10 between the electromagnetic oscillation of the resonant circuit 29 and a mechanical oscillation, and an elastically mechanical coupling 30.
  • the resonant electrical circuit 29 is formed by the coil 15 of the stator 11 with the inductance Li, and a capacitor Ci of a drive circuit. With R " , L ' and C the line parameters are designated.
  • the magnetodynamic actuator 10 itself forms an elastic coupling between the electromagnetic oscillation of the resonant circuit 29 and a mechanical oscillation of the armature 13. It is determined by the inductance L2 of the on ⁇ kerstrom Vietnamesees (eg in the short circuit rings) whose resistance R2 and the armature mass ni2. Via an elastically mechanical coupling 30, the mechanical movement of the armature 13 can be transmitted to a valve element 22 of the Kraftstoffeinsprit zventils 21.
  • the valve ⁇ element 22 has the mass m 3 and, for example, the Ven ⁇ tilelement 22 may be a servo valve or the valve needle of the Kraftstoffeinsprit zventils.
  • the energy stored on the intermediate circuit capacitor Ci runs as a traveling wave through the system up to the mass m 3 . There, it is reflected net of work performed mechanical work and travels back to the condensate ⁇ sator Ci.
  • the central variable here is the eddy current in the armature 13, which is responsible for the repulsion and tightening of the armature 13.
  • armature 13 which is responsible for the repulsion and tightening of the armature 13.
  • the actuator according to the invention can therefore be operated much faster than conventional actuators.
  • the fast switching speed achievable with the actuator according to the invention can be used for an exact control of the injection course and the injection quantity of an injector.
  • An injection can then be performed as a series of rapidly ⁇ successive individual injection pulses 38th
  • the desired fuel quantity is then no longer realized via the activation duration but via the pattern and the number of individual injection pulses 38.
  • a fuel quantity of 32 mg could, for example, be realized with 32 pulses per 1 mg in a 128 pulse raster per crankshaft revolution.
  • a corresponding injection pattern is shown in FIG. Due to the distribution in the injection window, even a true "rate shaping" would be possible.
  • Figure 8 shows the course of a pulsed injection with pressure fluctuations in the rail or In ektor admir.
  • the pressure fluctuation is represented by the envelope of the injection pulses 38.
  • a total of 32 mg is injected by the individual pulses.
  • For the post-injection if only one DC link is available, it is possible to use gaps in the previous cylinder. For example, 32 mg for one cycle and 10 mg for filter regeneration are realized.
  • FIG. 9 shows by way of example in FIGS. A) to E) how different operating modes / injection characteristics can be achieved by controlling the actuator according to the invention.
  • 9A) to 9E) show the time course of various operating states in 3 different phases of operation of the actuator according to the invention ⁇ carry up in the execution of the method for operating a fuel injection valve over time.
  • FIG. 9A) shows the voltage Ui through the stator coil Li and FIG. 9B) the associated current flow Ii. With I 2 ( Figure 9C)), the short-circuit current is referred to in the anchor.
  • the attractive or repulsive force between stator and armature is shown as F 12 in Figure 9D).
  • Figure 9E shows the following Position (deflection) X2 of the valve element (valve needle or servo valve) and its speed V2.
  • the Auslen ⁇ kung X2 of the valve needle corresponds to the ⁇ ffungsTalk of the injector.
  • a first phase in the time interval t ⁇ 2 the injector is controlled so that the injection valve pulsating ⁇ net.
  • the valve opens completely.
  • a third phase in the time interval 4 ⁇ t ⁇ 6 a partial lift is realized.
  • Partial stroke can be adjusted so that it comes to a sectioneinsprit ⁇ tion in the combustion chamber.
  • the partial stroke can cause a pressure reduction in the common rail without triggering an injection.

Abstract

The invention relates to a magnetodynamic actuator (10), in particular for a fuel injection valve. The actuator according to the invention comprises an electromagnetic stator (16) and a movable armature (13) made from a paramagnetic or diamagnetic material. The magnetic armature is repelled or attracted by the effect of eddy currents which are formed by the electromagnetic stator in the armature when a current flow is switched on or off. Furthermore, the invention relates to a method for actuating a fuel injection valve with a magnetodynamic actuator according to the invention, and to a fuel injection valve with a magnetodynamic actuator.

Description

Beschreibung description
Magnetodynamischer Aktor und Verfahren zur Betätigung eines Kraftstoffeinspritzventils Magnetodynamic actuator and method for actuating a fuel injection valve
Die Erfindung betrifft einen magnetodynamischen Aktor, insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben ei¬ nes Kraftstoffeinspritzventils mit einem magnetodynamischen Aktor. The invention relates to a magnetodynamic actuator, in particular for actuating a fuel injection valve for an internal combustion engine, and a method for operating ei ¬ nes fuel injection valve with a magnetodynamic actuator.
Kraftstoffeinspritzventile für Brennkraftmaschinen weisen üb¬ licherweise ein Nadelventil auf, dessen Nadel mit Hilfe eines steuerbaren Aktors zwischen einer Offen- und einer Schließ- Stellung hin- und herbewegt werden kann. Der steuerbare Aktor stellt einen Betriebshub bereit, welcher entweder direkt oder indirekt auf die Ventilnadel übertragen wird. Bei einem indi¬ rekt angesteuerten Kraftstoffeinspritzventil wird der Be¬ triebshub des Aktors beispielsweise über ein Servoventil auf die Ventilnadel übertragen. Bekannte Aktortypen für diesenFuel injection valves for internal combustion engines have üb ¬ SHORT- a needle valve, the needle can be back position and forth by means of a controllable actuator between an open and a closed position. The controllable actuator provides an operating stroke, which is transmitted either directly or indirectly to the valve needle. In an indi rectly ¬ driven fuel injection valve of Be ¬ triebshub of the actuator is transmitted, for example via a servo valve to the valve needle. Known actuator types for this
Zweck sind beispielsweise Piezoaktoren oder magnetostatische (Solenoid) Aktoren. Purpose are, for example, piezo actuators or magnetostatic (solenoid) actuators.
Übliche magnetostatische Aktoren weisen einen elektromagneti- sehen Stator und einen beweglichen ferromagnetischen Anker auf. Der Stator umfasst eine Spule und einen ferromagneti¬ schen Kern. Während Strom durch die Spule des Stators fließt, übt der Stator eine magnetostatische Anziehungskraft auf den Anker aus. Durch diese statische Magnetkraft kann der Anker im Prinzip beliebig lang am Stator gehalten werden. Conventional magnetostatic actuators have an electromagnetic stator and a movable ferromagnetic armature. The stator includes a coil and a ferromagnetic core ¬ rule. As current flows through the coil of the stator, the stator exerts a magnetostatic attraction on the armature. By virtue of this static magnetic force, the armature can, in principle, be held on the stator as long as desired.
Der elektromagnetische Stator kann jedoch nur eine anziehende Kraft auf den Anker ausüben. Um das Ventil in beide Richtungen, d.h. zum Öffnen und Schließen, zu betätigen, ist daher eine Gegenkraft zum Auslenken des Ankers erforderlich. Für die Bereitstellung einer Gegenkraft wird daher üblicherweise eine Rückholfeder eingesetzt. Da die in einem herkömmlichen Aktor eingesetzten ferromagnetischen Stoffe verhältnismäßig schwer sind, sind entsprechend große Magnetkräfte und eine entsprechend dimensionierte Rückholfeder erforderlich. Durch die Rückholfeder wird die bewegliche Masse weiter vergrößert, so dass ein noch größerer Elektromagnet im Stator erforderlich wird. However, the electromagnetic stator can exert only an attractive force on the armature. To operate the valve in both directions, ie to open and close, is therefore a counterforce to deflect the anchor required. For the provision of a counterforce therefore usually a return spring is used. Since the ferromagnetic substances used in a conventional actuator are relatively heavy, correspondingly large magnetic forces and a correspondingly sized return spring are required. By the return spring, the movable mass is further increased, so that an even larger solenoid in the stator is required.
Problematisch bei den bekannten magnetostatischen Aktoren ist auch das Auftreten von Wirbelströmen beim Ein- und Ausschalten des Magneten. Diese führen zu Leistungsverlusten und einem zusätzlichen Wärmeeintrag im Aktor. Darüber hinaus führen die Wirbelströme zu einer Hemmung der Bewegungen des Ankers, insbesondere bei schnellen Bewegungen. Dadurch ist die mögli¬ che erreichbare Dynamik des Aktors begrenzt. Herkömmliche Maßnahmen zur Unterdrückung von Wirbelströmen, wie beispielsweise die Verwendung von weichmagnetischem, geblechtem Material für Stator und Anker sind in den für Kraftstoff¬ einspritzventile erforderlichen Größenordnungen, und in der Feinmechanik und Mikrotechnik im Allgemeinen, nicht immer möglich oder sehr teuer. The problem with the known magnetostatic actuators is also the occurrence of eddy currents when switching on and off of the magnet. These lead to power losses and additional heat input in the actuator. In addition, the eddy currents lead to an inhibition of the movements of the anchor, especially during rapid movements. As a result, the mögli ¬ che achievable dynamics of the actuator is limited. Conventional measures for the suppression of eddy currents, such as the use of soft magnetic, laminated material for stator and armature are not always possible or very expensive in the required fuel injectors ¬ sizes, and in precision mechanics and microtechnology in general.
Die Bewegung in einem herkömmlichen magnetostatischen Aktor basiert also auf zwei physikalischen Effekten. Der quasistationäre, magnetostatische Haupteffekt (Nutzeffekt) besteht im ferromagnetischen Anziehen von Stator und Anker. Der nur transient auftretende magnetodynamische Nebeneffekt (Stör¬ effekt) wirkt dem Haupteffekt dynamisch entgegen und begrenzt diesen dynamisch. Dadurch ergibt sich eine maximale Geschwindigkeit des Systems. Ein zusätzliches Problem resultiert daher, dass der Anker beim Einschalten eines Stromes durch die Spule des Stators mit einer Kraft angezogen wird, welche sich exponentiell steigert, während er sich auf den Stator zu bewegt. Beim Auf¬ prall auf den Stator hat der Anker daher eine maximale Ge¬ schwindigkeit und wird zugleich am stärksten angezogen. Dies kann zu einem Zurückprellen des Ankers führen, was im Laufe der Zeit eine Verformung und Abnutzung des Ankers nach sich ziehen kann. The movement in a conventional magnetostatic actuator is therefore based on two physical effects. The quasi-stationary, magnetostatic main effect (efficiency) consists in ferromagnetic attraction of stator and armature. The only transiently occurring magneto dynamic side effect (sturgeon ¬ effect) is dynamic counter the main effect and limits this dynamic. This results in a maximum speed of the system. An additional problem arises because when the armature is energized by the coil of the stator, the armature is attracted with a force that increases exponentially as it moves towards the stator. When on ¬ tightly to the stator, the armature therefore has a maximum Ge ¬ speed and at the same time most attracted. This can lead to a rebound of the armature, which over time may result in deformation and wear of the armature.
Das einerseits durch den exponentiellen Kraftverlauf und an¬ dererseits durch nicht realisierbare Regelungsmaßnahmen be¬ dingte binäre Schaltverhalten des magnetostatischen Aktors verhindert eine Einspritzverlaufsformung, das sogenannte „Ra¬ te Shaping", bei der die Düsennadel nur teilweise geöffnet wird. Dabei soll durch Steuerung der Einspritzrate während einer Einspritzung der Verbrennungsprozess im Brennraum optimiert werden. The binary one hand by the exponential force characteristic and ¬ other hand, by not realizable control measures be ¬-related switching behavior of the magnetostatic actuator prevents course of injection molding, the so-called "Ra ¬ te Shaping" in which the nozzle needle is only partially open. It is intended by controlling the injection rate be optimized during an injection of the combustion process in the combustion chamber.
Bekannte Lösungen zur Einspritzverlaufsformung umfassen beispielsweise ein Verfahren, bei welchem Injektoren über zwei Rails und zwei Ventile mit zwei verschiedenen Drücken ver¬ sorgt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der zwei Venti¬ le ggf. mit Überlappung kann der Druckverlauf an der Düse be- einflusst und damit die Einspritzrate eingestellt werden. Aus der DE 101 316 19 AI und der EP 13 14 881 sind außerdem Verfahren bekannt, bei welchen über eine Zulaufdrossel , die über ein zweites Ventil überbrückt werden kann, der Druckverlauf an der Düse beeinflusst werden kann. Darüber hinaus sind in- verse Verfahren bekannt, bei denen der Injektor mit einem niedrigen Druck versorgt wird und intern in einer zweiten Stufe selbst den höheren Druck erzeugt. Dabei wird der Kraft¬ stoff nicht in einer externen Hochdruckpumpe sondern erst im Injektor auf den maximalen Einspritzdruck verdichtet. Der In- jektor ist hierfür mit einem hydraulischen Druckübersetzer sowie mit zwei Magnetventilen ausgestattet. Derartige Lösun¬ gen zur Steuerung des Drucks im Injektor sind aber aufwändig. Known solutions for injection rate shaping, for example, a method in which injectors via two rails and two valves with two different pressures ver ¬ provides be. By appropriate control of the two Venti ¬ le possibly with overlapping of the pressure curve at the nozzle can be influenced and thus loading the injection rate can be set. From DE 101 316 19 AI and EP 13 14 881 methods are also known in which an inlet throttle, which can be bridged via a second valve, the pressure profile at the nozzle can be influenced. In addition, inverse methods are known in which the injector is supplied with a low pressure and internally generates the higher pressure in a second stage. Here, the power ¬ material is compressed not in an external high-pressure pump but only in the injector at the maximum injection pressure. The For this purpose, the jector is equipped with a hydraulic pressure booster and two solenoid valves. But such Lösun ¬ gen for controlling the pressure in the injector are complicated.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Aktor und ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzven- tils anzugeben, womit die oben genannten Probleme zumindest teilweise vermieden werden können. The invention is therefore based on the object to provide an actuator and a method for actuating a Kraftstoffeinspritzven- tils, whereby the above problems can be at least partially avoided.
Die Aufgabe wird durch einen magnetodynamischen Aktor sowie durch ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritz- ventils gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhaf¬ te Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. The object is achieved by a magnetodynamic actuator and by a method for actuating a fuel injection valve according to the independent claims. Vorteilhaf ¬ te developments of the invention are specified in the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer magnetodynamischer Aktor umfasst einen elektromagnetischen Stator mit Anschlüssen zur schaltbaren Verbindung mit einer Stromquelle. Über die Anschlüsse ist der Stator mit einer Stromquelle verbindbar, so dass ein Strom- fluss durch den Stator eingeprägt werden kann. Eine Steuereinheit erlaubt die Steuerung des Stromflusses durch den Stator. Der elektromagnetische Stator umfasst beispielsweise eine Spule mit einem ferromagnetischen Kern. A magnetodynamic actuator according to the invention comprises an electromagnetic stator with connections for switchable connection to a power source. The stator can be connected to a power source via the connections so that a current flow through the stator can be impressed. A control unit allows the control of the current flow through the stator. The electromagnetic stator includes, for example, a coil having a ferromagnetic core.
Der magnetodynamische Aktor umfasst weiter einen beweglichen Anker mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Teilbereich. Der Anker ist mindestens zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich gelagert. Die erste Position des Ankers ist dabei vorzugsweise eine Ruheposition des Ankers, bei welcher der elektrisch leitfähige Teilbereich des Ankers eine minimale Entfernung vom Stator aufweist. Bei¬ spielsweise kann der bewegliche Anker in dieser ersten Posi¬ tion direkt am Stator anliegen. Es muss jedoch kein Kontakt zwischen dem Stator und dem beweglichen Anker bestehen. Die zweite Position bezeichnet vorzugsweise eine ausgelenkte Position, in welcher der elektrisch leitfähige Teilbereich des Ankers einen größeren Abstand vom Stator aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass der Anker vom Stator abgehoben ist. Je nach Anordnung und Bauweise des Stators und des Ankers können grundsätzlich Auslenkungen aus der Ruheposition in verschiedene Richtungen möglich sein. Mindestens ist der Anker jedoch zwischen einer ersten und ei- ner zweiten Position beweglich, wobei die Verschiebung bzw. Entfernung zwischen beiden Positionen einen Ankerhub darstellt. Im Folgenden wird daher nur von einer ersten Position und einer zweiten Position gesprochen. Der Anker ist dazu eingerichtet während des Einschaltens ei¬ nes Stromes durch den elektromagnetischen Stator zumindest in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich einen Wirbelstrom so auszubilden um unter Wechselwirkung mit einem The magnetodynamic actuator further comprises a movable armature having at least one electrically conductive portion. The armature is movably mounted at least between a first position and a second position. The first position of the armature is preferably a rest position of the armature, in which the electrically conductive portion of the armature has a minimum distance from the stator. In ¬ example, the movable armature can rest in this first posi ¬ tion directly on the stator. However, there must be no contact between the stator and the moving armature. The second position preferably designates a deflected position, in which the electrically conductive portion of the armature has a greater distance from the stator. This can for example be given by the fact that the armature is lifted from the stator. Depending on the arrangement and construction of the stator and the armature can in principle deflections from the rest position in different directions be possible. However, at least the armature is movable between a first and a second position, the displacement between each position representing an armature stroke. In the following, therefore, only a first position and a second position will be discussed. The armature is adapted during power ei ¬ nes current through the electromagnetic stator, at least in the electrically conductive portion to form an eddy current so to under interaction with a
Statormagnetfeld aus der ersten Position ausgelenkt zu wer- den. Beim Einschalten eines elektrischen Stroms durch den elektromagnetischen Stator bildet sich ein Magnetfeld Stator magnetic field to be deflected from the first position. When an electric current is switched on by the electromagnetic stator, a magnetic field is formed
(Statormagnetfeld) in diesem aus. Dadurch wird der Anker mag¬ netisch durchflutet. Das entstehende Magnetfeld induziert ei¬ nen Stromfluss in dem beweglichen Anker in Form von Wirbel- strömen. Nach der Lenz' sehen Regel sind diese so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirken. Aufgrund der Wirbel¬ ströme wird der Aufbau des Statormagnetfelds durch Ausbildung eines zweiten Magnetfeldes (Ankermagnetfeld) in entgegenge¬ setzter Richtung behindert. Die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder von elektromagnetischen Stator und Anker bewirken eine abstoßende Kraftwirkung zwischen dem elektromagneti¬ schen Stator und dem beweglichen Anker. Befindet sich der bewegliche Anker zunächst in der ersten Po¬ sition mit einem minimalen Abstand zwischen dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers und dem Stator, so wird der Anker unter der Wirkung der entstehenden Magnetfelder beim Einschalten eines Stroms durch den elektromagnetischen Stator aus der ersten Position (Ruheposition) in eine zweite Position ausgelenkt. (Stator magnetic field) in this off. This is the anchor like flooded ¬ genetically. The resulting magnetic field induced egg ¬ NEN current flow in the movable armature in the form of vortex flow. According to Lenz's rule, these are so directed that they counteract their cause. Due to the eddy currents ¬ the construction of the stator magnetic field by forming a second magnetic field (armature magnetic field) is hindered in opposite ¬ modifying direction. The interaction of the two magnetic fields of electromagnetic stator and armature cause a repulsive force effect between the electromagnetic ¬ 's stator and the movable armature. The movable anchor is initially located in the first Po ¬ sition with a minimum distance between the electrically conductive portion of the armature and the stator, the armature (under the effect of the resulting magnetic fields when switching a current through the electromagnetic stator from the first position Rest position) deflected into a second position.
Der Anker ist vorzugsweise mechanisch an ein Betätigungsele- ment gekoppelt. Somit kann durch die Auslenkung des Ankers ein Betriebshub zur Betätigung des Betätigungselements be¬ reitgestellt werden. Das Betätigungselement ist beispielswei¬ se ein Ventilelement, insbesondere ein Ventilelement in einem Kraftstoffeinspritzventil . Grundsätzlich sind aber jedoch auch andere Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Aktors möglich, z.B. für ABS, schnelle Hydraulikventile, Pumpenven¬ tile oder in einer Druckvorrichtung. The armature is preferably mechanically coupled to an actuating element. Thus, a working stroke for the actuation of the actuating element can be ¬ be riding provided by the deflection of the armature. The actuating element is beispielswei ¬ se a valve element, in particular a valve element in a fuel injection valve. Basically, however, other fields of application of the actuator according to the invention are possible, for example for ABS, fast hydraulic valves, Pumpenven ¬ tile or in a printing device.
Im Vergleich zu herkömmlichen magnetostatischen Aktoren wer- den somit bei dem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor Haupt- und Nebeneffekte vertauscht. Der beim herkömmlichen Aktor hauptsächlich wirksame magnetostatische Haupteffekt wird beim erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor zum nutzlosen Störeffekt. Stattdessen wird erfindungsgemäß der magnetodynamische Effekt als Haupteffekt ausgenutzt. Während bei den herkömmlichen magnetostatischen Aktoren der In comparison with conventional magnetostatic actuators, the main effects and side effects of the magnetodynamic actuator according to the invention are thus reversed. The magnetostatic main effect which is mainly effective in the case of the conventional actuator becomes a useless disruptive effect in the magnetodynamic actuator according to the invention. Instead, according to the invention, the magnetodynamic effect is exploited as the main effect. While in the conventional magnetostatic actuators the
magnetodynamische Störeffekt aufgrund seines Hochpasscharak¬ ters die Dynamik des Gesamtsystems beschränkt, wird er erfin¬ dungsgemäß als Haupteffekt gerade wegen seines Hochpasscha- rakters gezielt ausgenutzt. Dadurch kann die Dynamik des Aktors weiter erhöht werden. Während herkömmliche, magneto dynamic interference effect limits the dynamics of the whole system because of its Hochpasscharak ¬ ters, it is OF INVENTION ¬ dung according rakters exploited as a main effect precisely because of its Hochpasscha- targeted. As a result, the dynamics of the actuator can be further increased. While conventional,
magnetostatische Aktoren mit stationären Magnetfeldern arbeiten, basiert der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor auf Magnetfeldänderungen . Erfindungsgemäß werden also die im Anker entstehenden Wirbel¬ ströme ausgenützt, anstelle sie zu bekämpfen. operate magnetostatic actuators with stationary magnetic fields, the magnetodynamic actuator according to the invention is based on magnetic field changes. According to the invention thus incurred in the armature vortex ¬ streams are exploited, instead of fighting them.
Durch Ausschalten des Stromes durch den elektromagnetischen Stator wird der gesamte Prozess umgekehrt. Durch die dadurch auftretende Änderung im Statormagnetfeld, werden wiederum Wirbelströme im Anker induziert, diesmal jedoch mit einer um¬ gekehrten Polarität, so dass ein umgekehrtes magnetisches Feld (Ankermagnetfeld) entsteht, welches in Wechselwirkung mit dem Statormagnetfeld zu einer Anziehung des Ankers führt. Der bewegliche Anker ist daher vorzugsweise so eingerichtet, auch während eines Ausschaltens des elektrischen Stroms durch den elektromagnetischen Stator Wirbelströme auszubilden und unter der Wirkung eines Magnetfelds des elektromagnetischen Stators aus einer zweiten (ausgelenkten) Position in die erste Position bewegt zu werden. Turning off the current through the electromagnetic stator reverses the entire process. By characterized occurring change in the stator magnetic field, in turn, eddy currents are induced in the armature, but this time with a swept to ¬ polarity, so that a reverse magnetic field (armature magnetic field) is formed, which results in interaction with the stator magnetic field to an attraction of the armature. The movable armature is therefore preferably arranged to form eddy currents even during a turning off of the electric current by the electromagnetic stator and to be moved under the action of a magnetic field of the electromagnetic stator from a second (deflected) position to the first position.
Bei dem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor kann also der Anker sowohl angezogen als auch abgestoßen werden. Sowohl abstoßende als auch anziehende Wirkung des Ankers werden je¬ weils durch die Änderungen im Stromfluss durch den elektro¬ magnetischen Stator und eine daraus resultierende Magnetfeld¬ änderung des Statormagnetfelds verursacht. Die abstoßende und anziehende Wirkung erfolgt dabei immer nur durch eine dynamische Anregung. In the magnetodynamic actuator according to the invention, therefore, the armature can be both attracted and repelled. Both repelling and attracting effect of the armature are each ¬ weils caused by the changes in the current flowing through the electro-magnetic stator ¬ and a resultant magnetic field of the stator magnetic ¬ change. The repulsive and attractive effect is always only by a dynamic stimulation.
Bei dem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor ist die abstoßende Kraft direkt nach dem Einschalten des Stromes zwi¬ schen Stator und Anker am stärksten. Mit der Zeit lässt die Kraftwirkung nach, da die Wirbelströme im Anker durch den elektrischen Widerstand im Material abklingen. Wäre der Anker supraleitend, würde der Wirbelstrom im Anker unendliche lange fließen und die abstoßende Kraftwirkung würde entsprechend lange wirken. Im realen Material des Ankers besteht jedoch ein endlicher elektrischer Widerstand der zu einem Abklingen der Wirbelströme führt. Das Abklingen der Wirbelströme im An¬ ker führt auch zu einem Nachlassen des Ankermagnetfeldes und somit zu einem Nachlassen der abstoßenden Kraft. Nach einer entsprechend langen Zeitdauer würde der Anker somit nach Abklingen der abstoßenden Kraft wieder auf den Stator aufsetzen. Nur durch eine weitere Zunahme des Statorstroms könnte die abstoßende Kraft weiter aufrechterhalten werden. Bei den für Kraftstoffeinspritzventile nötigen Frequenzen zur Betäti- gung des Einspritzventils, spielt die Abnahme der abstoßenden Kraft jedoch keine große Rolle. In the novel magneto-dynamic actuator the repulsive force is strongest immediately after switching on the current interim rule ¬ stator and armature. Over time, the force decreases as the eddy currents in the armature decay due to the electrical resistance in the material. If the armature were superconducting, the eddy current in the armature would flow infinitely for a long time and the repulsive force effect would have a correspondingly long effect. However, in the real material of the anchor exists a finite electrical resistance which leads to a decay of the eddy currents. The decay of the eddy currents in An ¬ ker also leads to a decrease in the armature magnetic field and thus to a decrease in the repulsive force. After a correspondingly long period of time, the armature would thus rest on the stator after the repulsive force had subsided. Only by further increasing the stator current could the repulsive force continue to be sustained. However, in the frequencies necessary for fuel injection valves for actuating the injection valve, the decrease of the repulsive force does not play a major role.
Dieser Effekt, dass die jeweilige anziehende oder abstoßende Kraft jeweils zu Beginn des Arbeitsschrittes maximal ist und dann nachlässt, bietet zudem einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors. Der Anker wird dadurch zu Beginn jeweils sofort voll beschleunigt und prallt aber später, z.B. beim Anziehen des Ankers, nicht mehr so stark auf den Stator auf („Soft landing") . Dieses „Soft landing" bietet den zusätzlichen Vorteil, dass es sich steue- rungs- und regelungstechnisch weiter verbessern lässt, da man keine instabilen Zustände bewältigen muss wie beim This effect, that the respective attractive or repulsive force at the beginning of the step is maximum and then decreases, also offers a further advantage of the magnetodynamic actuator according to the invention. The anchor is thereby fully accelerated immediately at the beginning, but bounces later, e.g. When pulling on the armature, it does not affect the stator so much ("soft landing") .This "soft landing" offers the added advantage that it can be further improved in terms of control and regulation, since it does not have to handle unstable states like at
magnetostatischen Aktor. Ein Prellen des Ankers kann damit besser vermieden oder zumindest reduziert werden, wodurch sich die Gefahr dauerhafter Verformungen des Ankers deutlich verringert . magnetostatic actuator. A bouncing of the armature can thus be better avoided or at least reduced, thereby significantly reducing the risk of permanent deformation of the armature.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das magnetische Ab¬ stoßen stabil und weitgehend linear verläuft, während das magnetostatische Anziehen einen hochgradig instabilen nicht linearen Prozess darstellt. Derartige Vorgänge sind rege¬ lungstechnisch einfacher, schneller und robuster zu beherrschen. Speziell das freie Schweben eines Ankers, bei dem die Schwebhöhe deutlich kleiner ist, als dessen Abmessung, ist beim magnetischen Anziehen regelungstechnisch äußerst schwierig. Beim magnetischen Abstoßen dagegen liegen Prozesse vor, die wesentlich gutmütiger und deshalb einfacher zu beherrschen sind. Another advantage is that the magnetic Ab¬ push stable and largely linear, while the magnetostatic attraction is a highly unstable non-linear process. Such operations are brisk ¬ lung technically easier to control faster and more robust. Specifically, the free floating of an anchor, in which the hover height is significantly smaller than its dimension, is during magnetic tightening control technically extremely difficult. In magnetic repulsion, on the other hand, there are processes that are much more benevolent and therefore easier to control.
Durch die sofortige hohe Beschleunigung des Ankers bei jedem Arbeitsschritt, das heißt bei jedem Abstoßen und Anziehen des Ankers wird die Dynamik des Systems weiter erhöht. Das Zeit¬ verhalten des Aktors kann dabei durch die Materialzusammensetzung von Stator und Anker sowie durch den Stromverlauf im Stator eingestellt werden. The instant high acceleration of the armature at every step, that is, every time the armature is repulsed and tightened, further increases the dynamics of the system. The time ¬ behavior of the actuator can be adjusted by the material composition of stator and armature and by the current flow in the stator.
Erfindungsgemäß weist der Anker mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich auf, in welchem sich die Wirbelströme ausbilden können. Vorzugsweise besteht der Anker aus einem para- oder diamagnetischen Material. Besonders bevorzugt be¬ steht der Anker aus einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Durch eine gute elektrische Leitfähig¬ keit wird der Wärmeeintrag im Anker begrenzt und die Abkling¬ zeit der Wirbelströme wird verlängert. Somit wird der According to the invention, the armature has at least one electrically conductive partial region in which the eddy currents can form. Preferably, the anchor is made of a para or diamagnetic material. Particularly preferably be ¬ is the anchor of a material having a high electrical conductivity. By a good electrical conductivity ¬ ness of heat input is limited in the armature and the decay of the eddy currents ¬ time is prolonged. Thus, the
magnetodynamische Effekt, welcher erfindungsgemäß zum Anzie¬ hen und Abstoßen des Ankers ausgenutzt wird, weiter ver¬ stärkt. Der magnetostatische Effekt wird dagegen verringert. Das Zeitverhalten des Aktors und damit auch die dynamische Wirkung lässt sich durch die Leitfähigkeit des Ankermaterials leicht und gezielt einstellen. Paramagnetische Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind beispielsweise Alu¬ minium oder Kupfer. magneto-dynamic effect, which is inventively exploited for Anzie ¬ hen and repelling the armature further strengthens ¬ ver. The magnetostatic effect, on the other hand, is reduced. The timing of the actuator and thus the dynamic effect can be easily and selectively adjusted by the conductivity of the anchor material. Paramagnetic materials with high electrical conductivity, for example, aluminum or copper ¬ minium.
Der Stator und Anker des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktors sind vorzugsweise so ausgestaltet und angeordnet, dass das Statormagnetfeld, am Ort des Ankers in der ersten Positi¬ on, das heißt in der Ruheposition, unsymmetrisch bzgl. dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers ist. Das Statormagnetfeld ist im Wesentlichen ortsfest mit dem Stator verbunden. Das Ankermagnetfeld, welches durch die Wir¬ belströme im Anker erzeugt wird, ist dagegen im Wesentlichen ortsfest mit dem Anker verbunden. Bei einer Bewegung des Ankers bewegt sich das Ankermagnetfeld mit. Am Ort des Ankers überlagern sich Statormagnetfeld und Ankermagnetfeld. Auf¬ grund der Asymmetrie des Statormagnetfelds entsteht ein The stator and armature of the magneto-dynamic actuator of the invention are preferably configured and arranged such that the stator magnetic field, at the location of the armature is the electrically conductive portion of the armature in the first positi ¬ on that respect is in the rest position, unbalanced.. The stator magnetic field is substantially stationary connected to the stator. The armature magnetic field, which is generated by the We ¬ belströme in the anchor, however, is substantially stationary connected to the anchor. Upon movement of the armature, the armature magnetic field moves with. At the anchor's location, the stator magnetic field and the armature magnetic field overlap. An on ¬ due to the asymmetry of the stator magnetic field is created
Enegiegefalle, woraus eine Kraft zur Auslenkung des Ankers aus der Ruheposition resultiert. Daher wird der Anker beim Einschalten des Stromes durch den elektromagnetischen Stator aus seiner Ruheposition ausgelenkt. Enegiegefalle, resulting in a force for the deflection of the armature from the rest position results. Therefore, the armature is deflected when switching on the current through the electromagnetic stator from its rest position.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des magnetodynamischen Aktors besteht der Aktor - abgesehen von dem leitfähigen Teilbereich - im Wesentlichen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Der elektrisch leitfähige Teilbereich ist dann beispielsweise durch Kurzschlussringe aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, damit sich Wirbel¬ ströme im Anker ausbilden können. Die Kurzschlussringe im Anker müssen dabei nicht kreisförmig ausgestaltet sein. Sie müssen lediglich einen geschlossenen Stromkreis im Inneren des Ankers zur Ausbildung von Wirbelströmen ermöglichen. Die Kurzschlussringe können jedoch auch rechteckig, dreieckig oder in jeder beliebigen anderen geschlossenen Form ausgestaltet sein. According to a preferred development of the magnetodynamic actuator, the actuator consists-apart from the conductive subregion-substantially of an electrically non-conductive material. The electrically conductive portion is then formed, for example, by short-circuiting rings made of an electrically conductive material, so that eddy ¬ currents can form in the anchor. The short-circuit rings in the armature need not be configured in a circular manner. You only need to allow a closed circuit inside the armature to form eddy currents. However, the shorting rings can also be configured rectangular, triangular or in any other closed form.
Solche Kurzschlussringe können beispielsweise geformt werden durch kreuzweise angeordnete Bohrungen in dem Anker, welche durch ein elektrisch leitfähiges Material ausgegossen werden, Ein Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass die Position der Wirbelströme im Anker gezielt ausgewählt werden kann. Damit lässt sich eine Richtung der Auslenkung des Ankers aus der Ruheposition gezielt einstellen. Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der ferro- magnetische Statorkern derart geformt, dass sich bei einge¬ schaltetem Stromfluss durch die Spule der magnetische Nord- und Südpol des sich darin ausbreitenden Magnetfelds gegenüberliegen und zueinander weisen. Der ferromagnetische Kern bildet somit eine U-Form oder Hufeisenform, beziehungsweise einen unvollständigen Ring mit einer Aussparung. An der Aussparung des Rings stehen sich zwei Stirnflächen des ferromag- netischen Kerns gegenüber und bilden einen magnetischen Nord- und Südpol. Bei dieser Anordnung ist die direkte Wegstrecke zwischen Nord- und Südpol außerhalb des ferromagnetischen Kerns, das heißt in dem Spalt zwischen Nord- und Südpol, klein im Vergleich zur Wegstrecke zwischen Nord- und Südpol im Inneren des Ferromagneten, welcher durch den Ring verläuft. Der durch den Statorkern gebildete, unvollständige Ring muss dabei nicht der geometrischen Form eines Rings ent¬ sprechen. Vielmehr kann der Statorkern auch rechteckig oder dreieckig sein oder jede beliebige andere geschlossene Form annehmen, die an einer Stelle unterbrochen ist. An der Unterbrechung ist eine Spalt gebildet, an dem sich Stirnflächen gegenüber liegen, welche den Nord- und Südpol des Magnetfel¬ des bilden. Die Ruheposition des Ankers befindet sich in dem Spalt zwischen Nord- und Südpol. Bei einer asymmetrischen Ausgestal¬ tung des Ankers mit integrierten Kurzschlussringen kann die Richtung, in welche der Anker ausgelenkt werden soll ange- passt werden. Beispielsweise können die Kurzschlussringe des Ankers außerhalb des Statorringes angeordnet sein, so dass eine Abstoßung des Ankers aus der Mitte des Stators erfolgt. Andererseits können die Kurzschlussringe im Anker von dem durch den Stator gebildeten Ring nach Innen hin versetzt sein, so dass eine bei Einschalten des Stroms durch den Stator eine Kraftwirkung auf den Anker zur Mitte des Stators hin erzeugt wird. Diese Wirkung kann nicht nur durch im Anker asymmetrisch angeordnete Kurzschlussringe erzeugt werden, sondern auch allgemein mit einem im Anker asymmetrisch ange- ordneten elektrisch leitfähigen Teilbereich. Such short-circuit rings can for example be formed by crosswise arranged holes in the armature, which are poured through an electrically conductive material, an advantage of this development is that the position of the eddy currents in the armature can be selected specifically. This allows a direction of the deflection of the armature from the rest position set specifically. In a further preferred development of the ferromagnetic stator core is shaped so that when turned ¬ have switched off the current flow through the coil of the magnetic north and south poles of the magnetic field therein propagating opposite to and with each other. The ferromagnetic core thus forms a U-shape or horseshoe shape, or an incomplete ring with a recess. At the recess of the ring face two end faces of the ferromagnetic core and form a magnetic north and south pole. In this arrangement, the direct distance between the north and south poles outside the ferromagnetic core, that is, in the gap between the north and south poles, is small compared to the distance between the north and south poles inside the ferromagnet passing through the ring. The ring formed by the stator core, incomplete does not have to speak to the geometric shape of a ring ent ¬. Rather, the stator core can also be rectangular or triangular or take any other closed form that is interrupted at one point. At the interruption a gap is formed, on which end faces are opposite, which form the north and south poles of the Magnetfel ¬. The rest position of the anchor is located in the gap between north and south pole. In an asymmetric Ausgestal ¬ tion of the armature with integrated short circuit rings, the direction in which the anchor is to be deflected to be adjusted. For example, the shorting rings of the armature can be arranged outside of the stator ring, so that a repulsion of the armature from the center of the stator takes place. On the other hand, the shorting rings in the armature can be offset inwardly from the ring formed by the stator, so that when turning on the current through the Stator force is generated on the armature towards the center of the stator. This effect can be generated not only by short-circuit rings arranged asymmetrically in the armature, but also generally with an electrically conductive partial area arranged asymmetrically in the armature.
Der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor ist insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brenn¬ kraftmaschine geeignet. Ein Kraftstoffeinspritzventil mit ei- nem magnetodynamischen Aktor, wie oben beschrieben, ist daher ein unabhängiger Gegenstand der Erfindung. Dabei ist der Anker mit einem Betätigungselement im Kraftstoffeinspritzventil gekoppelt. Durch eine Bewegung des Ankers wird ein Betriebs¬ hub zur Betätigung des Betätigungselements bereitgestellt. Das Betätigungselement kann beispielsweise ein The magnetodynamic actuator according to the invention is particularly suitable for actuating a fuel injection valve of a combustion engine ¬ . A fuel injection valve with a magnetodynamic actuator, as described above, is therefore an independent subject of the invention. In this case, the armature is coupled to an actuating element in the fuel injection valve. By means of a movement of the armature, an operating stroke for actuating the actuating element is provided. The actuator may, for example, a
Servoventilelement , ein Steuerkolben oder eine Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils sein. Mit einem Servoventil kann der vom Aktor bereitgestellte Betriebshub hydraulisch auf die Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils übertragen werden. Somit kann der Betriebshub der Geometrie des Kraft¬ stoffeinspritzventils angepasst werden. In einer bevorzugten Variante ist der Anker des magnetodynamischen Aktors jedoch direkt mit einer Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils oder dem Steuerkolben zur Betätigung der Ventilnadel gekop- pelt. Dies ermöglicht eine schnellere Reaktionszeit zwischen Betätigung des Aktors und des Kraftstoffeinspritzventils . Servo valve element, a control piston or a valve needle of the fuel injection valve. With a servo valve, the operating stroke provided by the actuator can be transmitted hydraulically to the valve needle of the fuel injection valve. Thus, the operating stroke of the geometry of the fuel injection ¬ fuel valve can be adjusted. In a preferred variant, however, the armature of the magnetodynamic actuator is coupled directly to a valve needle of the fuel injection valve or the control piston for actuating the valve needle. This allows a faster reaction time between actuation of the actuator and the fuel injection valve.
Ein Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils für eine Brennkraftmaschine mit einem magnetodynamischen Aktor, welcher einen elektromagnetischen Stator und einen beweglichen Anker mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Teilbereich umfasst, ist ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein A method for actuating a fuel injection valve for an internal combustion engine with a magnetodynamic actuator, which comprises an electromagnetic stator and a movable armature with at least one electrically conductive portion, is a further independent subject of the invention. In accordance with the method according to the invention, a
Stromfluss durch den Elektromagneten des Stators eingeschal¬ tet, wodurch ein Statormagnetfeld im Stator und einer Umge¬ bung davon erzeugt wird. Durch dieses Statormagnetfeld wird ein elektrischer Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers induziert. Durch den Wirbelstrom im Anker wird ein Ankermagnetfeld im Anker erzeugt. Durch die Wechselwirkung des Statormagnetfelds und des Ankermagnetfel¬ des entsteht eine Kraftwirkung auf den Anker, welche zu einer Auslenkung des Ankers aus einer ersten Position in der Umgebung des Stators in eine zweite Position erfolgt. Zur Betäti¬ gung des Kraftstoffeinspritzventils wird durch den Current flow through the electromagnet of the stator switched ¬ tet, whereby a stator magnetic field in the stator and a Umge ¬ tion thereof is generated. This stator magnetic field induces an electrical eddy current in the electrically conductive subregion of the armature. The eddy current in the armature generates an armature magnetic field in the armature. By the interaction of the stator magnetic field and the Ankermagnetfel ¬ of a force produced on the armature, which is carried out to a deflection of the armature from a first position in the vicinity of the stator in a second position. For Actu ¬ tion of the fuel injection valve is by the
magnetodynamischen Aktor die Auslenkung des Ankers auf ein Ventilelement des Kraftstoffeinspritzventils übertragen. Das Ventilelement kann dabei die Ventilnadel des Kraftstoffein¬ spritzventils sein, oder auch ein Ventilelement eines magnetodynamic actuator transmit the deflection of the armature to a valve element of the fuel injection valve. The valve element may be the valve needle of the Kraftstoffein ¬ injection valve, or a valve element of a
Servoventils zur indirekten Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils . Der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor ist nicht nur zur Auslenkung des Ankers aus der ersten Position in die zweite Position, sondern auch zur Betätigung in die entgegengesetzte Richtung geeignet. Daher umfasst das erfindungsgemä¬ ße Verfahren in einer bevorzugten Weiterbildung auch die zu- sätzlichen Schritte, bei denen der Stromfluss durch den Servo valve for indirect control of the fuel injection valve. The magnetodynamic actuator according to the invention is suitable not only for the deflection of the armature from the first position to the second position, but also for actuation in the opposite direction. Therefore, the invention shown SSE method in a preferred development includes moving sätzlichen steps in which the current flow through the
Elektromagneten des Stators ausgeschaltet oder umgepolt wird, wodurch das erste magnetische Feld im elektromagnetischen Stator nachlässt. Durch diese Änderung des ersten  Electromagnet stator is turned off or reversed, whereby the first magnetic field in the electromagnetic stator decreases. By this change of the first
Statormagnetfeldes wird wiederum ein elektrischer Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich des Ankers induziert. Dieser induzierte Wirbelstrom besitzt die entgegenge¬ setzte Polarität des beim Einschalten des Stromflusses durch den Stator induzierten Wirbelstroms im Anker. In entsprechender Weise erzeugt der Wirbelstrom im Anker beim Ausschalten des Stroms durch den Stator ein Magnetfeld mit umgekehrter Polarität, welches zu einer Auslenkung des Ankers in entge¬ gengesetzter Richtung führt. Dementsprechend wird der Anker aus der zweiten Position ausgelenkt und in die erste Position bewegt. Während die beim Einschalten des Stroms durch den Stator entstehenden Magnetfelder eine Abstoßung des Ankers vom Stator bewirken, werden beim Ausschalten des Stroms Magnetfelder erzeugt, welche eine anziehende Kraftwirkung auf den Anker bewirken. Stator magnetic field, in turn, an electrical eddy current is induced in the electrically conductive portion of the armature. This induced eddy current has the entgegenge ¬ sat polarity when switching on the current flow induced by the stator eddy current in the armature. In a corresponding manner, the eddy current in the armature when switched off the current through the stator, a magnetic field with reversed polarity, which leads to a deflection of the armature in entge ¬ gengesetzter direction. Accordingly, the armature is deflected from the second position and moved to the first position. While the magnetic fields produced by the stator when the current is turned on cause repulsion of the armature from the stator, when the current is turned off, magnetic fields are generated which cause an attractive force on the armature.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kraft¬ stoffeinspritzventils mit einem magnetodynamischen Aktor hat den Vorteil gegenüber herkömmlichen magnetostatischen The inventive method for operating a motor ¬ injection valve with a magneto-dynamic actuator has an advantage over conventional magnetostatic
Aktoren, dass sich damit grundsätzlich kürzere Öffnungs- und Schließzeiten und höhere Geschwindigkeiten realisieren lassen. Die hohen Geschwindigkeiten, mit welchen sich der erfindungsgemäße Aktor und damit das Kraftstoffeinspritzventil be¬ treiben lassen, lassen sich außerdem in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zur Einspritzverlaufsformungen nutzen, wie im Folgenden beschrieben wird. Actuators that can be realized in principle shorter opening and closing times and higher speeds. The high speeds at which the actuator according to the invention and thus the fuel injection valve can be ¬ drive, also can be used in a preferred embodiment of the method for injection course formations, as described below.
Der elektromagnetische Stator bzw. dessen Spule, weist eine bestimmte Induktivität auf. Der magnetodynamische Aktor wird vorzugsweise mit einem Steuergerät angetrieben. Die Indukti- vität im Stator kann dann mit einer Kapazität im Steuergerät einen elektrischen Schwingkreis bilden. Dadurch kann ein periodisches Ein- und Ausschalten des Stromflusses, beziehungs¬ weise kann ein elektrischer Wechselstrom im elektromagnetischen Stator realisiert werden. The electromagnetic stator or its coil has a specific inductance. The magnetodynamic actuator is preferably driven by a control unit. The inductance in the stator can then form an electrical resonant circuit with a capacitance in the control unit. As a result, a periodic switching on and off of current flow relationship ¬, an alternating electric current in the electromagnetic stator can be realized.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher der Stromfluss durch den elektromagnetischen Stator periodisch verändert. Die Veränderung kann durch ein periodisches Ein- und Ausschalten, einen periodischen Wechsel der Polarität oder auch durch Anlegen einer Wechselspannung erfolgen. Die Wechselspannung kann beispielsweise sinusförmig sein. Aufgrund der oben beschriebenen physikalischen Effekte wird durch das periodische Variieren des Stromflusses auch der Anker periodisch abgestoßen und angezogen. Dadurch kann der Anker in eine mechanische Schwingung versetzt werden. Diese mechanische Schwingung des Ankers kann wiederum auf ein Ventilelement des Kraftstoffeinspritz- ventils übertragen werden, so dass ein gepulstes Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils möglich wird. According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, therefore, the current flow through the electromagnetic stator is changed periodically. The change can be made by a periodic switching on and off, a periodic change of polarity or by applying an AC voltage. The AC voltage may be sinusoidal, for example. Due to the physical effects described above, the periodic variation of the current flow also repels and attracts the armature periodically. As a result, the armature can be put into mechanical vibration. This mechanical oscillation of the armature can in turn be transferred to a valve element of the fuel injection valve, so that a pulsed opening and closing of the fuel injection valve becomes possible.
Ein solches gepulstes Öffnen und Schließen des Kraftstoffventils kann beispielsweise zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen verwendet werden. Über die Frequenz, mit welcher das System in Schwingung versetzt wird, kann die Einspritzra¬ te, und somit auch der Einspritzverlauf geformt werden. Such pulsed opening and closing of the fuel valve can be used for example for performing multiple injections. On the frequency with which the system is set in vibration, the Einspritzra ¬ te, and thus also the course of injection can be formed.
Der elektrische Schwingkreis, bestehend aus einer Induktivi¬ tät im Stator und einer Kapazität im Steuergerät, ist somit bei dem erfindungsgemäßen System über eine elastische, magnetisch-mechanische Kopplung mit einem schwingungsfähigen, mechanischen System verbunden. Die elastische, magnetischmechanische Kopplung wird durch den magnetodynamischen Aktor und das Ventil gebildet. Hierbei wird die elektromagnetische Schwingung auf eine mechanische Schwingungsbewegung des Ankers übertragen. Dieser wiederum kann über eine elastische mechanische Kopplung auf das Ventilelement des Kraftstoffein¬ spritzventils übertragen werden. The electrical oscillating circuit, consisting of a Induktivi ¬ ty in the stator and a capacity in the control unit is thus connected in the inventive system via a resilient, magnetically-mechanical coupling to an oscillatory mechanical system. The elastic, magnetic-mechanical coupling is formed by the magnetodynamic actuator and the valve. In this case, the electromagnetic oscillation is transferred to a mechanical oscillation movement of the armature. This in turn can be transmitted via an elastic mechanical coupling to the valve element of the Kraftstoffein ¬ injection valve.
Diese Serienkopplung schwingungsfähiger Systeme kann so aufeinander abgestimmt werden, dass ein energieoptimales Gesamt¬ system mit möglichst hoher Dynamik entsteht. Ein Betrieb mit sinusoidaler Erregung reduziert zusätzlich parasitäre Effekte. Speziell durch eine sinusoidale Erregung kann man die aufeinander abgestimmten Schwingkreise im Bereich ihrer Resonanz betreiben. Durch diesen harmonischen Betrieb lassen sich deutlich mehr Aktorhübe realisieren als bei bisherigen This series coupling oscillatory systems may be coordinated so that an energy-optimal overall ¬ system with the highest possible dynamic formed. Operation with sinusoidal excitation additionally reduces parasitic effects. Especially by a sinusoidal excitation you can operate tuned resonant circuits in the range of their resonance. Thanks to this harmonious operation, significantly more actuator strokes can be realized than with previous ones
Aktoren . Actors.
Als Folge lässt sich der Injektor dahingehend reduzieren und optimieren, dass er mit konstanten Öffnungszeiten nur noch diskrete Teilmengen abgibt. Die gewünschte Kraftstoffmenge wird dann nicht mehr über die Ansteuerdauer, sondern über das Muster und die Anzahl an Einspritzimpulsen realisiert. As a result, the injector can be reduced and optimized so that it only delivers discrete subsets with constant opening times. The desired amount of fuel is then no longer realized over the drive time, but over the pattern and the number of injection pulses.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert wer¬ den . In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments illustrated in FIGS . 1 to 6.
Es zeigen schematisch: They show schematically:
Figur 1: den Aufbau eines direkt angetriebenen Injektors mit einem Einspritzventil und einem erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor; Figure 1: the structure of a directly driven injector with an injection valve and a magnetodynamic actuator according to the invention;
Figur 2: eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungs¬ form des erfindungsgemäßen magnetodynamischen 2 shows a sectional view through a first form of execution ¬ magneto dynamic invention
Aktors ;  Actor;
Figur 3: eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungs- form des erfindungsgemäßen magnetodynamischen  3 shows a sectional view through a second embodiment of the magnetodynamic according to the invention
Aktors ;  Actor;
Figur 4: eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungs¬ form des erfindungsgemäßen magnetodynamischen Figure 4 is a sectional view through a third form of execution ¬ magneto dynamic invention
Aktors mit Kurzschlussringen;  Actuator with shorting rings;
Figur 5: eine Schnittansicht durch eine vierte Ausführungs¬ form des erfindungsgemäßen magnetodynamischen 5 shows a sectional view through a fourth magneto dynamic execution ¬ of the inventive
Aktors ;  Actor;
Figur 6: ein Schwingungssystem umfassend einen elektrischen  Figure 6: a vibration system comprising an electrical
Schwingkreis, eine magnetisch-mechanische Kopplung durch den magnetodynamischen Aktor und eine elastisch mechanische Kopplung zum Ventilelement eines Kraftstoffeinspritzventils ; Oscillating circuit, a magnetic-mechanical coupling by the magnetodynamic actuator and an elastically mechanical coupling to the valve element of a fuel injection valve;
Figur 7: eine graphische Darstellung einer gepulsten Ein- spritzung zur Realisierung verschiedener Einspritzraten; FIG. 7 is a graphical representation of a pulsed injection for realizing various injection rates;
Figur 8: eine graphische Darstellung einer gepulsten Einspritzung bei schwankendem Raildruck; und FIG. 8 is a graph of pulsed injection with fluctuating rail pressure; and
Figur 9: eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs verschiedener Zustände des magnetodynamischen FIG. 9: a graphical representation of the time course of various states of the magnetodynamic
Aktors bei einer Ausführungsvariante des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens. Actuator in one embodiment of the inventions ¬ inventive method.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines direkt angetriebe- nen Injektors mit einem Kraftstoffeinspritzventil 21 und ei¬ nem erfindungsgemäßen Aktor 10. Das Kraftstoffeinspritzventil 21 umfasst einen Düsenkörper mit einer Düsennadelausnehmung, in welcher eine Düsennadel beweglich gelagert ist und von welcher sich mehrere Einspritzlöcher zum Brennraum 22 hin er- strecken. Bei geschlossenem Einspritzventil 21 bildet die Dü¬ sennadel einen Dichtsitz mit einem Düsennadelsitz in der Ausnehmung. Bei geöffnetem Kraftstoffeinspritzventil 21 ist die Düsennadel von ihrem Dichtsitz abgehoben und unter Druck stehender Kraftstoff kann von einer Zuleitung 34 durch die Dü- sennadelausnehmung und durch die Einspritzlöcher 33 in den1 shows schematically the structure of a directly angetriebe- NEN injector having a fuel injection valve 21 and ei ¬ nem inventive actuator 10. The fuel injection valve 21 includes a nozzle body having a Düsennadelausnehmung in which a nozzle needle is movably mounted, and from which extend a plurality of injection holes for combustion chamber 22 reach out. With a closed injection valve 21, the SI ¬ nozzle needle forms a sealing seat with a nozzle needle seat in the recess. When the fuel injection valve 21 is open, the nozzle needle is lifted from its sealing seat and pressurized fuel can flow from a supply line 34 through the nozzle needle recess and through the injection holes 33 into the
Brennraum 22 einer Brennkraftmaschine strömen. Zum Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 21 wird die Ventil¬ nadel direkt durch den erfindungsgemäßen magnetodynamischen Aktor 10 angetrieben. Alternativ ist auch eine indirekte An- Steuerung über ein Steuerventil möglich. Eine SteuereinheitBurn combustion chamber 22 of an internal combustion engine. To open and close the fuel injection valve 21, the valve needle ¬ is driven directly by the magnetodynamic actuator 10 according to the invention. Alternatively, an indirect control via a control valve is possible. A control unit
32 regelt die Stromzufuhr zum Aktor 10. Der magnetodynamische Aktor 10 wird im Folgenden anhand der in den Figuren 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungs- gemäßen Aktors. Der erfindungsgemäße magnetodynamische Aktor 10 umfasst einen elektromagnetischen Stator 11 mit einer Spule 15 und einem ferromagnetischen Kern 16. An dem Kern anlie- gend befindet sich ein para- oder diamagnetischer Anker 13 in einer Ruheposition 12a (durchgezogene Linie) . Stator und An¬ ker sind in diesem Beispiel im Wesentlichen rotationssymmet¬ risch um eine zentrale Längsachse 24 ausgebildet. Die Spule 15 des elektromagnetischen Stators 11 ist mit einer Stromver- sorgung verbindbar. Beim Einschalten eines Stromes durch die Spule 15 entsteht ein Magnetfeld in dem ferromagnetischen Kern 16 der Spule. Während sich das magnetische Feld in den ferromagnetischen Kern 16 ausbildet, werden durch die Änderung des Magnetfelds in dem para- oder diamagnetischen Anker Wirbelströme induziert. Durch diese Wirbelströme wird wiede¬ rum ein magnetisches Feld aufgrund der Lenz' sehen Regel aus¬ gebildet, welches dem Magnetfeld des Stators 16 entgegen¬ wirkt. Durch Wechselwirkung der beiden Magnetfelder von 32 regulates the power supply to the actuator 10. The magnetodynamic actuator 10 is explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in Figures 2 to 6. Figure 2 shows a first embodiment of the inventive actuator. The magnetodynamic actuator 10 according to the invention comprises an electromagnetic stator 11 with a coil 15 and a ferromagnetic core 16. Adjacent to the core is a para- or diamagnetic armature 13 in a rest position 12a (solid line). Stator and An ¬ ker are in this example substantially rotationally symmetrical ¬ trained around a central longitudinal axis 24. The coil 15 of the electromagnetic stator 11 can be connected to a power supply. When a current is turned on by the coil 15, a magnetic field is generated in the ferromagnetic core 16 of the coil. As the magnetic field forms in the ferromagnetic core 16, eddy currents are induced by the change in the magnetic field in the para or diamagnetic armature. By eddy currents, a magnetic field is re ¬ rum see because of Lenz's rule made of ¬ which counteracts the magnetic field of the stator 16 opposed ¬. By interaction of the two magnetic fields of
Stator 11 und Anker 13 entsteht eine abstoßende Kraftwirkung auf den Anker 13. Der Stator 11 ist ortsfest eingebaut. Der Anker 13 dagegen ist beweglich. Durch die abstoßende Kraftwirkung zwischen Stator 11 und Anker 13 aufgrund der beiden Magnetfelder von Stator und Anker, wird der bewegliche Anker 13 aus der ersten Ruheposition 12a in eine ausgelenkte Posi- tion 12b ausgelenkt. Der dadurch bereitgestellte Hub 23 (Dif¬ ferenz zwischen den Höhen 12a und 12b) kann auf ein Ventilelement eines Kraftstoffeinspritzventils 21 übertragen werden ( Figur 1 ) . Der in Figur 3 dargestellte magnetodynamische Aktor gemäß ei¬ ner zweiten Ausführungsvariante umfasst einen Stator 11 mit einem ferromagnetischen Kern 16, welcher einen beweglichen Anker 13 weitgehend umschließt. Der bewegliche Anker 13 ist im Wesentlichen topfförmig ausgestaltet und weist einen Stern- pel 25 zur Übertragung des Hubs 23 auf ein Ventilelement des Kraftstoffeinspritzventils 21 auf. Auch diese Aus führungs form des Aktors ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine zentrale Längsachse 24. Stator 11 and armature 13 creates a repulsive force on the armature 13. The stator 11 is installed stationary. The armature 13, however, is movable. Due to the repulsive force effect between stator 11 and armature 13 due to the two magnetic fields of stator and armature, the movable armature 13 is deflected from the first rest position 12a into a deflected position 12b. The thus provided hub 23 (Dif ¬ difference between the heights 12 a and 12 b) can be transferred to a valve element of a fuel injection valve 21 (Figure 1). The magnetodynamic actuator according to ei ¬ ner second embodiment shown in Figure 3 comprises a stator 11 with a ferromagnetic core 16, which largely encloses a movable armature 13. The movable armature 13 is essentially pot-shaped and has a star-shaped pel 25 for transmitting the hub 23 to a valve element of the fuel injection valve 21. This embodiment of the actuator is essentially rotationally symmetrical about a central longitudinal axis 24.
Der ferromagnetische Kern 16 des Stators 11 befindet sich im Inneren einer Spule 15 und ist über diese hinaus verlängert in das Innere des topfförmigen Ankers 13. Zumindest der topf- förmige Bereich des Ankers 14 ist aus einem elektrisch leit- fähigen Material gefertigt. Der ferromagnetische Kern 16 ist nicht nur über das Innere der Spule 15 in das Innere des An¬ kertopfes 14 hinein verlängert, sondern erstreckt sich auch auf der Außenseite der Spule 15 bis zur Außenseite des topf- förmigen Bereichs 14 des Ankers 13. Zwischen dem topfförmigen Bereich 14 des Ankers 13 und dem ferromagnetischen Kern 16 des Stators 11 befindet sich nur ein schmaler Spalt. The ferromagnetic core 16 of the stator 11 is located inside a coil 15 and is extended beyond it into the interior of the pot-shaped armature 13. At least the pot-shaped region of the armature 14 is made of an electrically conductive material. The ferromagnetic core 16 is not only extends across the interior of the coil 15 in the interior of at ¬ kertopfes 14 into it, but also extends to the outside of the coil 15 to the outside of the cup-shaped portion 14 of the armature 13. Between the cup-shaped Region 14 of the armature 13 and the ferromagnetic core 16 of the stator 11 is only a narrow gap.
Durch Einschalten eines Stroms durch die Spule 15 des Stators wird ein magnetisches Feld in dem ferromagnetischen Kern 16 erzeugt. Dieses wird im Folgenden auch als Statormagnetfeld bezeichnet. Das Statormagnetfeld breitet sich im gesamten ferromagnetischen Kern 16 aus und wird lediglich durch den schmalen Spalt, in welchem sich der topfförmige Bereich 14 des beweglichen Ankers 13 befindet, unterbrochen. Durch das Entstehen des Magnetfeldes im Statorkern und in dem Spalt wird in dem topfförmigen, elektrisch leitfähigen Teilbereich 14 des Ankers 13 ein Wirbelstrom induziert. Durch diesen Wirbelstrom wird wiederum ein zweites magnetisches Feld, das An¬ kermagnetfeld, erzeugt, welches dem Magnetfeld des Stators 16 entgegenwirkt. Durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder wird eine Kraftwirkung auf den Anker 13 ausgeübt. Dadurch wird dieser aus seiner Ruheposition 12a in eine ausgelenkte Position 12b bewegt. Die Auslenkung bzw. der Hub 23 des Ankers ist in dem in Figur 3 dargestellten Beispiel durch eine untere Begrenzungswand begrenzt. Diese ist beispielsweise durch einen Ventilkörper 28 gebildet. Der Stempel 25 ragt durch eine Ausnehmung des Ventilkörpers 28 zur Übertragung des Ankerhubs 23 auf ein Ventilelement . By turning on a current through the coil 15 of the stator, a magnetic field is generated in the ferromagnetic core 16. This is referred to below as the stator magnetic field. The stator magnetic field propagates throughout the ferromagnetic core 16 and is interrupted only by the narrow gap in which the cup-shaped portion 14 of the movable armature 13 is located. Due to the development of the magnetic field in the stator core and in the gap, an eddy current is induced in the cup-shaped, electrically conductive subregion 14 of the armature 13. By this eddy current, in turn, is a second magnetic field, the on ¬ kermagnetfeld generated which counteracts the magnetic field of the stator sixteenth Due to the interaction of the two magnetic fields, a force is exerted on the armature 13. As a result, this is moved from its rest position 12a in a deflected position 12b. The deflection or the stroke 23 of the armature is limited in the example shown in Figure 3 by a lower boundary wall. This is formed for example by a valve body 28. The punch 25 protrudes through a recess of the valve body 28 for transmitting the armature lift 23 to a valve element.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsvariante des erfindungs¬ gemäßen magnetodynamischen Aktors 10 mit einem beweglichen Anker 13, welcher lediglich elektrisch leitfähige Teilbereiche 14 aufweist. Diese sind als Kurzschlussringe 14 in dem Anker 13 ausgebildet. Außer den Kurzschlussringen 14 besteht der Anker 13 in diesem Fall aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Der elektromagnetische Stator 11 weist eine Spule 15 auf sowie einen ferromagnetischen Kern 16, welcher sich hufeisenförmig um den beweglichen Anker erstreckt. Die zwei Schenkel des hufeisenförmigen Kerns enden in zwei Stirnflächen, die sich gegenüberstehen. Bei eingeschaltetem Strom- fluss durch die Spule 15 bilden die beiden Stirnflächen des Kerns 16 den magnetischen Nord- und Südpol 17, 18 des Elekt¬ romagneten 11. Die Feldlinien des Statormagnetfeldes laufen von der Stirnfläche des magnetischen Nordpols 17 zur gegenüberliegenden Stirnfläche des magnetischen Südpols 18. Der bewegliche Anker 13 ist zwischen den beiden Stirnflächen angeordnet und wird von dem Magnetfeld des Stators durch¬ setzt. Der Statorkern 16 bildet somit einen unvollständigen Ring mit einer Aussparung, in welcher der bewegliche Anker 13 angeordnet ist. Der Ring kann, wie in Figur 4 dargestellt, auch eine rechteckige Form aufweisen. Figure 4 shows a third embodiment of the Invention ¬ proper magneto-dynamic actuator 10 with a movable armature 13, having electrically conductive portions which only fourteenth These are designed as shorting rings 14 in the armature 13. In addition to the short-circuit rings 14, the armature 13 in this case consists of an electrically non-conductive material. The electromagnetic stator 11 has a coil 15 and a ferromagnetic core 16, which extends in a horseshoe shape around the movable armature. The two legs of the horseshoe-shaped core terminate in two end faces which face each other. When the current flow through the coil 15, the two faces of the core 16 form the magnetic north and south poles 17, 18 of the Elect ¬ romagneten 11. The field lines of the stator magnetic field running from the end face of the north magnetic pole 17 to the opposite end face of the south magnetic pole 18 . the movable armature 13 is disposed between the two end faces and is penetrated by the magnetic field of the stator by ¬. The stator core 16 thus forms an incomplete ring with a recess in which the movable armature 13 is arranged. The ring can, as shown in Figure 4, also have a rectangular shape.
In der Ruheposition des Ankers 13 sind die Kurzschlussringe 14, asymmetrisch bezüglich des Statormagnetfeldes angeordnet. Durch eine Änderung des Statormagnetfeldes beim Ein- oder Ausschalten des elektrischen Stromes durch die Spule 15 werden in den Kurzschlussringen 14 des Ankers 13 Wirbelströme induziert. Diese erzeugen wiederum ein magnetisches Gegen¬ feld, das Ankermagnetfeld. Nach der Lenz' sehen Regel wirkt das Ankermagnetfeld dem Statormagnetfeld entgegen. In the rest position of the armature 13, the short-circuit rings 14 are arranged asymmetrically with respect to the stator magnetic field. By a change of the stator magnetic field during on or Switching off the electric current through the coil 15 13 eddy currents are induced in the short circuit rings 14 of the armature. These in turn generate a magnetic counter ¬ field, the armature magnetic field. According to Lenz's rule, the armature magnetic field counteracts the stator magnetic field.
Das Ankermagnetfeld ist im Wesentlichen ortsfest mit dem An¬ ker 13 verbunden und wird mit diesem ausgelenkt und bewegt. Da sich das Ankermagnetfeld in der ersten Ruheposition des Ankers 13 asymmetrisch zum Statormagnetfeld ist, entsteht ei¬ ne Kraftwirkung und der bewegliche Anker 13 wird aus seiner Ruheposition in eine ausgelenkte Position ausgelenkt. Durch die Anordnung der Kurzschlussringe 14 in dem beweglichen Anker 13 kann dabei die Bewegungsrichtung der Auslenkung einge- stellt werden. In dem dargestellten Beispiel aus Figur 4, wird die Auslenkung von der Mitte des Stators 11 nach außen (in der Zeichnung nach unten) erfolgen. Bei einer Anordnung der Kurzschlussringe 14 zur Mitte des Stators 11 hin könnte die Bewegungsrichtung jedoch auch zur Mitte des Stators 11 hin erfolgen. The armature magnetic field is substantially stationary connected to the An ¬ ker 13 and is deflected and moved with this. Since the armature magnetic field in the first rest position of the armature 13 is asymmetrical to the stator magnetic field, ei ¬ ne force effect arises and the movable armature 13 is deflected from its rest position to a deflected position. By arranging the short-circuit rings 14 in the movable armature 13, the direction of movement of the deflection can be adjusted. In the example shown in Figure 4, the deflection from the center of the stator 11 to the outside (in the drawing down) take place. In the case of an arrangement of the short-circuit rings 14 toward the center of the stator 11, however, the direction of movement could also be toward the center of the stator 11.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des erfin¬ dungsgemäßen Aktors 10. Diese Variante ist nicht rotations¬ symmetrisch ausgestaltet. Der Stator 11 umfasst eine Spule 15 und einen ferromagnetischen Kern 16. Der bewegliche Anker 13 ist in diesem Beispiel oberhalb des Stators angeordnet. Eine Auslenkung des Ankers 13 erfolgt hierbei aus einer Ruheposi¬ tion in eine ausgelenkte Position nach oben. Zur Übertragung des Ankerhubes 23 auf ein Ventilelement 22 eines Kraftstoff- einspritzventils 21 wird hierbei ein Stempel 25 des Ankers 13 durch eine Ausnehmung im Statorkern 16 geführt. Somit ist auch bei einer einfachen Konstruktion des Aktors eine Richtungsumkehr des Aktors realisierbar. Der erfindungsgemäße Aktor kann in einem Injektor (Figur 1) mit einem Kraftstoffeinsprit zventil 21 als schwingungsfähiges System betrieben werden. Ein solches Schwingungssystem ist in Figur 6 schematisch dargestellt. Es umfasst einen elektri- sehen Schwingkreis 29, ein elastische Kopplung 10 zwischen der elektromagnetischen Schwingung des Schwingkreises 29 und einer mechanischen Schwingung sowie eine elastisch mechanische Kopplung 30. Der elektrischen Schwingkreis 29 wird gebildet durch die Spule 15 des Stators 11 mit der Induktivität Li, und einen Kondensator Ci einer Ansteuerschaltung. Mit R", L' und C sind die Leitungsparameter bezeichnet. Figure 5 shows a further variant embodiment of the OF INVENTION ¬ to the invention the actuator 10. This variant is not rotationally symmetrical ¬ configured. The stator 11 comprises a coil 15 and a ferromagnetic core 16. The movable armature 13 is arranged above the stator in this example. A deflection of the armature 13 takes place here from a rest posi ¬ tion in a deflected position upwards. To transfer the armature stroke 23 to a valve element 22 of a fuel injection valve 21, a punch 25 of the armature 13 is guided through a recess in the stator core 16. Thus, a direction reversal of the actuator can be realized even with a simple construction of the actuator. The actuator according to the invention can be operated in an injector (Figure 1) with a Kraftstoffeinsprit zventil 21 as a vibratory system. Such a vibration system is shown schematically in FIG. It comprises an electrical resonant circuit 29, an elastic coupling 10 between the electromagnetic oscillation of the resonant circuit 29 and a mechanical oscillation, and an elastically mechanical coupling 30. The resonant electrical circuit 29 is formed by the coil 15 of the stator 11 with the inductance Li, and a capacitor Ci of a drive circuit. With R " , L ' and C the line parameters are designated.
Der magnetodynamische Aktor 10 selbst bildet eine elastische Kopplung zwischen der elektromagnetischen Schwingung des Schwingkreises 29 und einer mechanischen Schwingung des Ankers 13. Sie ist bestimmt durch die Induktivität L2 des An¬ kerstromkreises (z.B. in den Kurzschlussringen) deren Widerstand R2 und die Ankermasse ni2. Über eine elastisch mechanische Kopplung 30 kann die mechanische Bewegung des Ankers 13 auf ein Ventilelement 22 des Kraftstoffeinsprit zventils 21 übertragen werden. Das Ventil¬ element 22 hat die Masse m3 und kann beispielsweise das Ven¬ tilelement 22 eine Servoventils sein oder auch die Ventilna- del des Kraftstoffeinsprit zventils . The magnetodynamic actuator 10 itself forms an elastic coupling between the electromagnetic oscillation of the resonant circuit 29 and a mechanical oscillation of the armature 13. It is determined by the inductance L2 of the on ¬ kerstromkreises (eg in the short circuit rings) whose resistance R2 and the armature mass ni2. Via an elastically mechanical coupling 30, the mechanical movement of the armature 13 can be transmitted to a valve element 22 of the Kraftstoffeinsprit zventils 21. The valve ¬ element 22 has the mass m 3 and, for example, the Ven ¬ tilelement 22 may be a servo valve or the valve needle of the Kraftstoffeinsprit zventils.
Im Betrieb läuft dabei die auf dem Zwischenkreiskondensator Ci gespeicherte Energie als Wanderwelle durch das System bis zur Masse m3. Dort wird sie abzüglich der verrichteten mecha- nischen Arbeit reflektiert und wandert zurück auf den Konden¬ sator Ci. Die zentrale Größe ist hierbei der Wirbelstrom im Anker 13, der für das Abstoßen und Anziehen des Ankers 13 verantwortlich ist. Speziell mit einer sinusoidalen Erregung kann man die in Figur 6 dargestellten, aufeinander abgestimmten Schwingungssysteme im Bereich ihrer Resonanz betreiben. Durch einen solchen harmonischen Betrieb lässt sich die Zahl der Ankerhübe pro Arbeitstakt im Vergleich zu herkömmlichen Aktoren deutlich steigern. Möglich sind beispielsweise 30 bis 100 Ankerhübe pro Arbeitstakt. Der erfindungsgemäße Aktor lässt sich also sehr viel schneller betreiben als herkömmliche Aktoren. Die mit dem erfindungsgemäßen Aktor erreichbare schnelle Schalt- geschwindigkeit lässt sich für eine exakte Steuerung des Ein- sprit zverlaufs und der Einspritzmenge eines Injektors nutzen. During operation, the energy stored on the intermediate circuit capacitor Ci runs as a traveling wave through the system up to the mass m 3 . There, it is reflected net of work performed mechanical work and travels back to the condensate ¬ sator Ci. The central variable here is the eddy current in the armature 13, which is responsible for the repulsion and tightening of the armature 13. Especially with a sinusoidal excitation, one can operate the tuned oscillation systems shown in FIG. 6 in the region of their resonance. Such a harmonious operation can significantly increase the number of armature strokes per stroke compared to conventional actuators. For example, 30 to 100 anchor strokes per stroke are possible. The actuator according to the invention can therefore be operated much faster than conventional actuators. The fast switching speed achievable with the actuator according to the invention can be used for an exact control of the injection course and the injection quantity of an injector.
Eine Einspritzung kann dann als eine Abfolge von schnell auf¬ einander folgenden Einzeleinspritzimpulsen 38 durchgeführt werden. Die gewünschte Kraftstoffmenge wird dann nicht mehr über die Ansteuerdauer sondern über das Muster und die Anzahl an Einzeleinspritzimpulsen 38 realisiert. An injection can then be performed as a series of rapidly ¬ successive individual injection pulses 38th The desired fuel quantity is then no longer realized via the activation duration but via the pattern and the number of individual injection pulses 38.
Eine Kraftstoffmenge von 32 mg könnte beispielsweise mit 32 Impulsen je 1 mg in einem 128er Pulsraster je Kurbelwellenumdrehung realisiert werden. Ein entsprechendes Einspritzmuster ist in Figur 7 dargestellt. Durch die Verteilung im Einspritzfenster wäre damit sogar ein echtes „Rate shaping" möglich. A fuel quantity of 32 mg could, for example, be realized with 32 pulses per 1 mg in a 128 pulse raster per crankshaft revolution. A corresponding injection pattern is shown in FIG. Due to the distribution in the injection window, even a true "rate shaping" would be possible.
Bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute beziehungsweise 50 1/s könnte das Gesamtsystem z.B. auf 128 χ 50 1/s = 6400 1/s mögliche Impulse ausgelegt werden. Von einer elektrischen Schwingung können jeweils zwei Einspritzimpulse ausgelöst werden. Daher ist hierfür eine Erregerfrequenz von 3200 1/s erforderlich. 2 Impulse liegen damit 156 \is auseinander, wobei jeweils nur während 78 \is tatsächlich einge¬ spritzt wird. Während der anderen 78 \is pulsiert die Energie zurück zum Zwischenkreis, welcher durch den magnetodynamischen Aktor 10 gebildet ist. Von da an steht die zurückgewonnene Energie zusammen mit der neu zugeführten Energie wieder für den nächsten Einspritzimpuls zur Verfü¬ gung . At a speed of 3000 revolutions per minute or 50 1 / s, the overall system could be designed for example at 128 χ 50 1 / s = 6400 1 / s possible impulses. From an electrical vibration in each case two injection pulses can be triggered. Therefore, this requires an excitation frequency of 3200 1 / s. 2 pulses are thus apart 156 \ is, in each case only during 78 \ is actually ¬ is injected. While the other 78 \ is pulsing the energy back to the intermediate circuit, which by the magnetodynamic actuator 10 is formed. From then on, the recovered energy available for the next injection pulse for Availability checked ¬ supply back together with the newly supplied energy.
Geht man bei einem Common-Rail-Einspritzsystem von einem konstanten Raildruck aus, so zeigt sich mit dem Schwingungssys¬ tem mit dem erfindungsgemäßen Aktor 10 eine gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich verringerte Anfälligkeit gegen- über Druckschwankungen in den In ektorleitungen. Figur 8 zeigt den Verlauf einer gepulsten Einspritzung mit Druckschwankungen im Rail oder der In ektorleitung. Die Druckschwankung ist durch die Hüllkurve der Einspritzimpulse 38 dargestellt. Trotz der Druckwellen in der Injektorleitung wird durch die Einzelimpulse in Summe eine Menge von 32 mg eingespritzt. Für die Nacheinspritzung lassen sich, sofern nur ein Zwischenkreis vorhanden ist, Lücken des vorherigen Zylinders nutzen. Beispielsweise werden 32 mg für einen Arbeitstakt und 10 mg für die Filterregeneration realisiert. If, in a common rail injection system of a constant rail pressure, so evident with the Schwingungssys ¬ tem with the inventive actuator 10, compared with conventional systems significantly reduced susceptibility to pressure variations in the In ektorleitungen. Figure 8 shows the course of a pulsed injection with pressure fluctuations in the rail or In ektorleitung. The pressure fluctuation is represented by the envelope of the injection pulses 38. Despite the pressure waves in the injector line, a total of 32 mg is injected by the individual pulses. For the post-injection, if only one DC link is available, it is possible to use gaps in the previous cylinder. For example, 32 mg for one cycle and 10 mg for filter regeneration are realized.
Figur 9 zeigt in den Figuren A) bis E) beispielhaft, wie sich unterschiedliche Betriebsarten/Einspritzverläufe durch An- steuerung des erfindungsgemäßen Aktors erreichen lassen. Figuren 9A) bis 9E) zeigen den zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebszustände in 3 verschiedenen Betriebsphasen des erfindungsgemäßen Aktors bei der Ausführung des Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils über der Zeit aufge¬ tragen . Figur 9A) zeigt die Spannung Ui durch die Statorspule Li und Figur 9B) den zugehörigen Stromfluss Ii. Mit I2 (Figur 9C) ) wird der Kurzschlussstrom im Anker bezeichnet. Die anziehende bzw. abstoßende Kraft zwischen Stator und Anker ist als F12 in Figur 9D) dargestellt. Figur 9E) zeigt die daraus folgende Position (Auslenkung) X2 des Ventilelementes (Ventilnadel oder Servoventil) und dessen Geschwindigkeit V2. Die Auslen¬ kung X2 der Ventilnadel entspricht dem Öffungszustand des Einspritzventils . FIG. 9 shows by way of example in FIGS. A) to E) how different operating modes / injection characteristics can be achieved by controlling the actuator according to the invention. 9A) to 9E) show the time course of various operating states in 3 different phases of operation of the actuator according to the invention ¬ carry up in the execution of the method for operating a fuel injection valve over time. FIG. 9A) shows the voltage Ui through the stator coil Li and FIG. 9B) the associated current flow Ii. With I 2 (Figure 9C)), the short-circuit current is referred to in the anchor. The attractive or repulsive force between stator and armature is shown as F 12 in Figure 9D). Figure 9E) shows the following Position (deflection) X2 of the valve element (valve needle or servo valve) and its speed V2. The Auslen ¬ kung X2 of the valve needle corresponds to the Öffungszustand of the injector.
In einer ersten Phase im Zeitintervall t < 2 wird der Injektor so angesteuert, dass das Einspritzventil pulsierend öff¬ net. In einer zweiten Phase im Zeitintervall 2 < t < 4 öffnet das Ventil vollständig. In einer dritten Phase im Zeitinter- vall 4 < t < 6 wird ein Teilhub realisiert. Bei einer direk¬ ten Ansteuerung der Ventilnadel durch den erfindungsgemäßen Aktor ohne zwischengeschaltetes Servoventil kann dieser In a first phase in the time interval t <2, the injector is controlled so that the injection valve pulsating ¬ net. In a second phase in the time interval 2 <t <4, the valve opens completely. In a third phase in the time interval 4 <t <6, a partial lift is realized. In a direct ¬ th actuation of the valve needle through the inventive actuator without an intermediate servo valve that can
Teilhub so eingestellt werden, daß es zu einer Teileinsprit¬ zung in den Brennraum kommt. Bei einem Injektor mit zwischen- geschaltetem Servoventil kann dagegen durch den Teilhub ein Druckabbau im Common Rail stattfinden ohne eine Einspritzung auszulösen . Partial stroke can be adjusted so that it comes to a Teileinsprit ¬ tion in the combustion chamber. In the case of an injector with intermediate servovalve, on the other hand, the partial stroke can cause a pressure reduction in the common rail without triggering an injection.

Claims

Patentansprüche claims
1. Magnetodynamischer Aktor (10), insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschi¬ ne, umfassend: 1. Magnetodynamic actuator (10), in particular for actuating a fuel injection valve of a Brennkraftmaschi ¬ ne, comprising:
einen elektromagnetischen Stator (11) mit Anschlusselementen (26) zur schaltbaren Verbindung mit einer elektrischen Stromquelle (27) ,  an electromagnetic stator (11) with connection elements (26) for switchable connection to an electrical current source (27),
einen mindestens zwischen einer ersten Position (12a) und einer zweiten Position (12b) beweglichen Anker (13), umfassend mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) ,  an armature (13), which is movable at least between a first position (12a) and a second position (12b), comprising at least one electrically conductive portion (14),
- wobei der bewegliche Anker (13) eingerichtet ist, wäh¬ rend des Einschaltens eines Stromes durch den elektromagneti¬ schen Stator (11) zumindest in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) einen Wirbelstrom so auszubilden um unter Wechselwirkung mit einem Statormagnetfeld aus der ersten Po- sition (12a) ausgelenkt zu werden. - wherein the movable armature (13) is arranged currency ¬ rend of turning on a current through the electromagnetic ¬ rule stator (11) at least in the electrically conductive portion (14) form an eddy current so to under interaction with a stator magnetic field from the first Po - to be deflected (12a).
2. Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß Anspruch 1, wobei der bewegliche Anker (13) eingerichtet ist, während eines Ausschaltens oder Umpolens des elektrischen Stromes durch den elektromagnetischen Stator (11) einen Wirbelstrom auszubilden und unter der Wirkung eines Magnetfeldes aus einer zweiten Position (12b) in die erste Position (12a) bewegt zu werden. 2. A magnetodynamic actuator (10) according to claim 1, wherein the movable armature (13) is adapted to form an eddy current during turning off or reverse polarity of the electric current through the electromagnetic stator (11) and under the action of a magnetic field from a second position (FIG. 12b) to be moved to the first position (12a).
3. Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorherge- henden Ansprüche, wobei die erste Position (12a) des Ankers3. Magnetodynamic actuator (10) according to one of the preceding claims, wherein the first position (12a) of the armature
(13) eine Ruheposition darstellt, in welcher der elektrisch leitfähige Teilbereich (14) des Ankers (13) eine minimale Entfernung vom Stator (11) aufweist. (13) represents a rest position in which the electrically conductive portion (14) of the armature (13) has a minimum distance from the stator (11).
4. Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Stator (11) und Anker (13) so ausge¬ staltet und angeordnet sind, dass ein sich während des Ein- oder Ausschaltens des Stromes durch den elektromagnetischen Stator (11) entwickelndes Statormagnetfeld am Ort des Ankers (13) in der ersten Position (12a) unsymmetrisch bezüglich dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) des Ankers (13) ist. 4. A magneto-dynamic actuator (10) according to one of the preceding claims, wherein the stator (11) and armature (13) so being ¬ staltet and are arranged such that a during the switching on or off the current through the electromagnetic stator (11) developing Stator magnetic field at the location of the armature (13) in the first position (12a) is asymmetrical with respect to the electrically conductive portion (14) of the armature (13).
5. Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorherge- henden Ansprüche, wobei der bewegliche Anker (13) ein para- oder diamagnetisches Material aufweist. 5. Magnetodynamic actuator (10) according to one of the preceding claims, wherein the movable armature (13) comprises a para or diamagnetic material.
6. Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (13) im Wesentlichen aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, und integrierte Kurzschlussringe (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, welche zur Ausbildung von Wirbelströmen geeignet sind. 6. The magnetodynamic actuator (10) according to any one of the preceding claims, wherein the armature (13) is made substantially of a non-electrically conductive material, and has integrated short-circuit rings (14) made of an electrically conductive material, which are suitable for the formation of eddy currents ,
7. Magnetodynamischer Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (11) einen ferromagneti- schen Kern (16) aufweist, in welchem sich bei eingeschaltetem Elektromagneten ein Statormagnetfeld ausbildet, und welcher derart geformt ist, dass sich der magnetische Nord- (17) und Südpol (18) des Statormagnetfeldes gegenüberstehen und zuei¬ nander weisen, wobei eine direkte Wegstrecke (19) zwischen Nord- und Südpol (17, 18) außerhalb des ferromagnetischen Kerns klein ist im Vergleich zu einer Wegstrecke (20) zwischen Nord- und Südpol (17, 18) im Inneren des Ferromagneten (16) . 7. Magnetodynamic actuator (10) according to any one of the preceding claims, wherein the stator (11) has a ferromagnetic core (16), in which a stator magnetic field is formed when the electromagnet is switched on, and which is shaped such that the magnetic north - (17) and south pole (18) of the stator magnetic field and zuei ¬ point closer, with a direct path (19) between the north and south pole (17, 18) outside the ferromagnetic core is small compared to a distance (20) between North and South pole (17, 18) inside the ferromagnet (16).
8. Kraftstoffeinspritzventil (21) mit einem 8. Fuel injection valve (21) with a
magnetodynamischen Aktor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (13) mit einem Betätigungselement (22) im Kraftstoffeinspritzventil (21) gekoppelt ist und durch eine Bewegung des Ankers (13) ein Betriebshub zur Betä¬ tigung des Betätigungselements (22) bereitgestellt wird. Magnetodynamic actuator (10) according to one of the preceding claims, wherein the armature (13) with an actuating element (22) in the fuel injection valve (21) is coupled and by a movement of the armature (13) an operating stroke for Betä ¬ tion of the actuating element (22) is provided.
9. Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils (21) für eine Brennkraftmaschine mit einem magnetodynamischen Aktor (10), umfassend einen elektromagnetischen Stator (11) und einen beweglichen Anker (13) mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14), 9. A method for actuating a fuel injection valve (21) for an internal combustion engine with a magnetodynamic actuator (10) comprising an electromagnetic stator (11) and a movable armature (13) with at least one electrically conductive portion (14),
mit den Schritten: with the steps:
Einschalten eines Stromflusses durch den Elektromagneten (15) des Stators (11), und dadurch Erzeugen eines  Turning on a current flow through the electromagnet (15) of the stator (11), and thereby generating a
Statormagnetfeldes in dem elektromagnetischen Stator (11) und einer Umgebung davon, Stator magnetic field in the electromagnetic stator (11) and an environment thereof,
- dadurch Induzieren eines elektrischen Wirbelstroms in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) des Ankers (13), und dadurch Erzeugen eines Ankermagnetfeldes im Anker durch diesen Wirbelstrom, - thereby inducing an electrical eddy current in the electrically conductive portion (14) of the armature (13), and thereby generating an armature magnetic field in the armature by this eddy current,
Auslenkung des Ankers (13) aus einer ersten Position (12a) in eine zweite Position (12b) durch eine Kraftwirkung, die aus einer Überlagerung des Statormagnetfeldes und des An¬ kermagnetfeldes resultiert, Deflection of the armature (13) from a first position (12a) into a second position (12b) by a force effect resulting from a superposition of the stator magnetic field and the magnetic field ¬ an,
Übertragen der Auslenkung (23) des Ankers (13) auf ein Betätigungselement (22) eines Kraftstoffeinspritzventils (21) .  Transmitting the deflection (23) of the armature (13) to an actuating element (22) of a fuel injection valve (21).
10. Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils (21) gemäß Anspruch 9, mit den zusätzlichen Schritten: 10. A method of operating a fuel injection valve (21) according to claim 9, with the additional steps:
Ausschalten oder Umpolen des Stromflusses durch den Elektromagneten (16) des Stators (11)  Switching off or reversing the current flow through the electromagnet (16) of the stator (11)
Induzieren eines elektrischen Wirbelstroms in dem elektrisch leitfähigen Teilbereich (14) des Ankers (13), und dadurch Erzeugen eines zweiten Ankermagnetfeldes im Anker, Auslenkung des Ankers aus der zweiten Position (12b) in die erste Position (12a) durch eine Kraftwirkung, die aus ei¬ ner Überlagerung des Statormagnetfeldes und des zweiten An¬ kermagnetfeldes resultiert, Inducing an electrical eddy current in the electrically conductive portion (14) of the armature (13), and thereby generating a second armature magnetic field in the armature, Deflection of the armature from the second position (12b) in the first position (12a) by a force effect resulting from egg ¬ ner superposition of the stator magnetic field and the second to ¬ kermagnetfeldes,
Übertragen der Auslenkung (23) des Ankers (13) auf das Betätigungselement (22) des Kraftstoffeinspritzventils (21) .  Transmitting the deflection (23) of the armature (13) to the actuating element (22) of the fuel injection valve (21).
11. Verfahren zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils (21) gemäß Anspruch 10, umfassend die Schritte: A method of operating a fuel injection valve (21) according to claim 10, comprising the steps of:
peridodisches Verändern des Stromflusses durch den elektromagnetischen Stator (11),  peridodically changing the flow of current through the electromagnetic stator (11),
Anregung des Ankers (13) in eine mechanische Schwingung, Übertragung der mechanischen Schwingung des Ankers (13) auf ein Betätigungselement (22) des Kraftstoffeinspritzven¬ tils (21) zum periodischen Öffnen und Schließen des Kraftstoffeinspritzventils (21) zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen . Excitation of the armature (13) in a mechanical vibration, transmission of the mechanical vibration of the armature (13) on an actuating element (22) of the Kraftstoffeinspritzven ¬ tils (21) for periodically opening and closing the fuel injection valve (21) for performing multiple injections.
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