DE102010002037A1

DE102010002037A1 - Elektromagnetischer Aktor

Info

Publication number: DE102010002037A1
Application number: DE201010002037
Authority: DE
Inventors: Peter 71672 Boehland; Nadja 70469 Eisenmenger; Hans-Christoph 72764 Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-08-18
Also published as: WO2011101174A1

Abstract

Der für Kraftstoffinjektoren vorgesehene Aktor besitzt vorzugsweise einen gebauten Magnettopf mit einem eine ringförmige Magnetspule aufnehmenden Ringkanal, der am Spulenfenster von einem als Teil der Außenwand des Ringkanals angeordneten Ringteil nach radial einwärts bereichsweise überdeckt sein kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktor für Kraftstoffinjektoren mit einer elektrisch bestrombaren ringförmigen Magnetspule und einem die Spule in einem offenen Ringkanal aufnehmenden Magnettopf mit einem Innenpol radial innerhalb eines die offene Seite des Ringkanals bildenden Spulenfensters und einem Außenpol radial außerhalb des Spulenfensters, wobei Innen- und Außenpol bei elektrischer Bestromung der Magnetspule entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen.
Stand der Technik
Ein Kraftstoffinjektor mit einem derartigen elektromagnetischen Aktor wird in der DE 10 2007 060 395 A1 beschrieben. Dabei ist ein ringförmiger Magnettopf vorgesehen, dessen Innenpol und dessen Außenpol in einer, mit der Ebene des Spulenfensters zusammenfallenden gemeinsamen Radialebene erstreckte, ringförmige Stirnflächen aufweisen, die magnetisch mit einem Anker zusammenwirken, der seinerseits mit einem Steuerelement eines Steuerventils antriebsmäßig gekoppelt ist, so dass dieses Ventil bei Hubbewegungen des Ankers geöffnet bzw. geschlossen wird. Der Anker ist als sogenannter Flachanker ausgebildet, der bei elektrisch bestromter Magnetspule eine erste Endlage einnimmt. Sobald die elektrische Bestromung der Magnetspule beendet wird, wird der Anker durch Federkraft von den Polen des Magnettopfes wegbewegt und in seine andere Endlage gestellt. Mit dieser bekannten Anordnung können vergleichsweise große Stellkräfte magnetisch erzeugt werden, weil zwischen Anker und Magnettopf zwei Arbeitsluftspalte vorliegen, und zwar am Innen- sowie am Außenpol.
Für eine optimale Steuerung eines Verbrennungsmotors ist es von entscheidender Bedeutung, die Einspritzphasen exakt und reproduzierbar steuern zu können.
Dabei ist es insbesondere erwünscht, auch kleinste Kraftstoffmengen mehrfach hintereinander einspritzen zu können.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an, indem angestrebt wird, einerseits sehr reaktionsschnelle Aktoren für die Steuerung der Kraftstoffinjektoren zu schaffen und andererseits durch ein geringes Bauvolumen der Aktoren entsprechend kleine Kraftstoffinjektoren zu ermöglichen.
Dies wird durch Aktoren gemäß dem Anspruch 1 erreicht. Da das Spulenfenster gegenüber dem Boden des die Magnetspule aufnehmenden Ringkanals nach radial innen versetzt ist und dementsprechend gegenüber dem vorgenannten Boden einen verminderten mittleren Durchmesser aufweist, kann der Anker mit entsprechend vermindertem Durchmesser und dementsprechend mit geringerer Masse ausgebildet werden, so dass bei den Hubbewegungen des Ankers vermindernde Trägheitskräfte zu überwinden sind. Dadurch lässt sich eine beschleunigte Reaktion des Aktors erreichen.
Durch eine gestufte Form des Ankers können Streuflüsse, die zu einer Reduktion der Magnetkraft führen würden, vermindert werden.
Um hinsichtlich der Ausgestaltung des Spulenfensters eine weitestgehende Freiheit zu erhalten, ist es vorteilhaft, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen gebauten Magnettopf vorzusehen. Damit wird auch eine praktisch unbeschränkte Freiheit hinsichtlich der Form von Außen- und Innenpol geboten, so dass auch insofern eine Optimierung zur Erzielung hoher Stellkräfte ermöglicht wird.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
1 einen halbseitigen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors,
2 einen der 1 entsprechenden Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform,
3 einen Axialschnitt einer nochmals abgeänderten Ausführung,
4 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform,
5 ein Diagramm, welches die stationären Magnetkräfte der in den 1 und 4 dargestellten Ausführungsformen in Abhängigkeit vom Spulenstrom wiedergibt, und
6 ein Diagramm, welches die instationären Magnetkräfte bei konstantem Hub für die Ausführungsformen der 1 und 4 in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
Der in 1 dargestellte Aktor besitzt einen ringförmigen Magnettopf 1, der einen zu seiner einen Stirnseite offenen Ringkanal 2 aufweist, innerhalb dessen eine entsprechend ringförmige Magnetspule 3 angeordnet ist. Der Magnettopf 1 besteht aus einem ferromagnetischen Material. Bei elektrischer Bestromung der Magnetspule 3 bildet dann die radial äußere Wand des Ringkanals 2 einen magnetischen Außenpol, während die radial innere Wand des Ringkanals 2 einen zum Außenpol entgegengesetzt magnetisierten Innenpol bildet. Der Innenpol besitzt eine vergleichsweise große Wandstärke und eine geringe axiale Höhe, so dass der Innenpol von der Spule 3 etwas in axialer Richtung überragt wird. Der Außenpol, der im Bereich der Spule 3 eine im Vergleich zum Innenpol geringere Wandstärke aufweist, wird an seinem die Spule 3 axial überragenden freien Ende von einem Ringteil 5 fortgesetzt, welches im dargestellten Beispiel einen parallelogrammähnlichen Querschnitt aufweist und mit seinem radial inneren Rand das Spulenfenster 4 verengt. Bei dem Magnettopf 1 handelt es sich also um einen „gebauten” Magnettopf 1, wobei, wie die 1 zeigt, durch den mehrteiligen Aufbau des Magnettopfes 1 die Möglichkeit geboten wird, das verbleibende Spulenfenster 4 am Magnettopf 1 relativ zum Boden des Ringkanals 2 nach radial einwärts zu verlegen, gleichwohl lässt sich die Magnetspule 3 vor dem endgültigen Zusammenbau des Magnettopfes 1 in denselben einsetzen.
Das den freien Rand des Außenpols bildende Ringteil 5 ist als Ringscheibe ausgebildet, die flächig auf dem zugewandten Stirnrand der Außenwand des Ringkanals 2 aufsitzt und mit ihrer freien Stirnseite in der gleichen Radialebene wie die freie Stirnseite der Innenwand des Ringkanals 2 erstreckt ist. Bei elektrischer Bestromung der Magnetspule 3 bildet dann die freie Stirnseite des Ringteils 5 einen ringförmigen Außenpol, und die freie Stirnseite der Innenwand des Ringkanals 2 bildet einen ringförmigen Innenpol, wobei Außen- und Innenpol zueinander entgegengesetzt magnetisiert sind. Außen- und Innenpol 6, 7 wirken magnetisch mit einem gestuften Anker 8 zusammen, der radial außerhalb eines inneren zylinderähnlichen Teils der als Ringscheibe bzw. als Ring mit sternförmig angeordneten radialen Armen ausgebildet sein kann und zwar derart, dass er in seiner an den Magnettopf 1 angenäherten Endlage auf den zugewandten Stirnseiten beider Pole 6 und 7 aufliegt. Stattdessen kann der Anker 8 auch mit einem Hubanschlag (nicht dargestellt) zusammenwirken, so dass der Anker 8 in der genannten Endlage noch einen geringen Abstand zu den Polen 6 und 7 aufweist. Der Anker 8 kann in gleicher Weise, wie es aus der eingangs angegebenen DE 10 2007 060 395 A1 bekannt ist, mit einem hülsenförmigen Ventilschließkörper 9 verbunden sein, der auf einer stationär am Gehäusekörper eines Kraftstoffinjektors abgestützten Führungsstange 10 verschiebbar geführt ist, wobei der Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Führungsstange und dem Innenumfang des Ventilschließkörpers 9 als Dichtspalt ausgebildet ist. Mittels einer koaxial zur Führungsstange 10 angeordneten Ventilschließfeder 11, die als Schraubendruckfeder ausgebildet sein kann, werden der Anker 8 und der Ventilschließkörper 9 in eine vom Innen- und Außenpol 6, 7 entfernte Endlage gespannt, in der der Ventilschließkörper 9 mit einer ringlinienförmigen Dichtkante, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des Ventilschließkörpers 9 entspricht, gegen einen Sitzkörper 12 im Injektorkörper gespannt wird. Gleichachsig zur Führungsstange 10 ist im Sitzkörper 12 eine gedrosselte Auslassbohrung 13 eines Steuerraumes 14 angeordnet, der seinerseits als Verdrängerarbeitsraum für das düsenferne, plungerartige Ende 15 einer nicht näher dargestellten Düsennadel ausgebildet ist. Der Steuerraum 14 steht über eine Drosselstrecke 16 in Verbindung mit einem Hochdruckanschluss 160 des Kraftstoffinjektors. Wenn also der Ventilschließkörper 9 seine auf dem Sitzkörper 12 aufsitzende Schließlage einnimmt, hat der Steuerraum 14 gleichen Druck wie der vorgenannte Hochdruckanschluss, und das plungerartige Ende 15 der Düsennadel wird in die der Schließlage der Düsennadel entsprechende Endlage ausgeschoben. Dieser Zustand wird immer dann erreicht, wenn die elektrische Bestromung der Magnetspule 3 abgeschaltet wird und die Ventilschließfeder 11 den Ventilschließkörper 9 in seine dargestellte Schließlage stellt. Sobald die Magnetspule 3 elektrisch bestromt wird, werden der Anker 8, der Ventilschließkörper 9 gegen die Kraft der Ventilschließfeder 11 vom Sitzkörper 12 weggezogen, so dass die Auslassbohrung 13 mit dem in der Umgebung des Ventilschließkörpers 9 vorliegenden Niederdruckraum 170 des Kraftstoffinjektors verbunden wird, mit der Folge, dass der Druck im Steuerraum 14 entsprechend auf den Druck im Niederdruckraum abfällt und die Düsennadel mit ihrem plungerartigen Ende 15 in ihre Offenlage für die Einspritzphase übergeht.
Bei den Öffnungs- und Schließhüben des Ventilschließkörpers 9 ist vorteilhaft, dass der Anker 8 einen relativ geringen Außendurchmesser haben kann und dementsprechend mit vergleichsweise geringer Masse und dementsprechend geringer Trägheit ausgebildet sein kann. Dies beruht darauf, dass das Spulenfenster zwischen Außen- und Innenpol 6 und 7 einen geringen Außendurchmesser aufweist, so dass auch ein bezüglich seines Durchmessers kleiner Anker 8 bei elektrisch bestromter Magnetspule 3 mit beiden Polen 6, 7 simultan zusammenzuwirken vermag.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorangehend erläuterten Ausführungsform der 1 im Wesentlichen dadurch, dass die radial äußere Wand des Ringkanals 2 und dessen radial innere Wand miteinander fluchtende Stirnseiten aufweisen.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform besitzt der Ringkanal 2 eine im Vergleich zur axialen Länge der Magnetspule 3 verminderte Tiefe, so dass die Magnetspule 3 axial etwas aus dem Ringkanal 2 herausragt. Darüber hinaus wird die Außenwand des Ringkanals 2 durch ein Ringteil 5 mit Winkel-Querschnitt fortgesetzt, wobei dieses Ringteil 5 einen radial nach einwärts gerichteten ringscheibenförmigen Schenkel aufweist, der die Magnetspule 3 in Radialrichtung im Wesentlichen überlappt. Der Anker 8 ist gestuft ausgebildet, derart, dass sein Querschnitt einerseits einen die Innenwand des Ringkanals 2 fortsetzenden Schenkel aufweist und andererseits mit einem radial nach auswärts gerichteten Schenkel auf die freie Stirnseite des Ringteiles 5 auflegbar ist. Dieser letztere Schenkel besitzt einen reduzierten Außendurchmesser, welcher geringer sein kann als der Außendurchmesser der Magnetspule 3. Der radiale Schenkel des Ringteiles 5 ist zu seinem freien Rand hin konisch ausgebildet. Dadurch wird einerseits der in Axialrichtung der Spule 3 wirkende magnetische Fluss zwischen dem radialen Schenkel des Ringteiles 5 und dem radialen Schenkel des Ankers 8 verstärkt. Andererseits wird der gleichwohl verbleibende Streufluss 18 auf den axialen Schenkel des Ankers 8 geleitet, so dass zwischen dem axialen Schenkel des Ankers 8 und der Innenwand des Ringkanals 2 ein entsprechend verstärkter axialer Magnetfluss auftritt.
Der in 4 dargestellte Aktor besitzt einen ringförmigen Magnettopf 1, der einen zu seiner einen Stirnseite offenen Ringkanal 2 aufweist, innerhalb dessen eine entsprechend ringförmige Magnetspule 3 angeordnet ist. Der Magnettopf 1 besteht aus einem ferromagnetischen Material. Bei elektrischer Bestromung der Magnetspule 3 bildet dann die radial äußere Wand des Ringkanals 2 einen magnetischen Außenpol, während die radial innere Wand des Ringkanals 2 einen zum Außenpol entgegengesetzt magnetisierten Innenpol bildet. Der Innenpol ist auf seiner der Spule 3 zugewandten radialen Außenseite am Spulenfenster 4 konisch ausgebildet, derart, dass sich der Innenpol in Richtung seiner freien Stirnseite verjüngt. Der Außenpol, der im Bereich der Spule 3 eine im Vergleich zum Innenpol geringere Wandstärke aufweist, wird an seinem die Spule 3 axial überragenden freien Ende von einem Ringteil 5 fortgesetzt, welches im dargestellten Beispiel einen parallelogrammähnlichen Querschnitt aufweist und mit seinem radial inneren Rand das Spulenfenster 4 verengt. Bei dem Magnettopf 1 handelt es sich also um einen „gebauten” Magnettopf 1, wobei, wie die 1 zeigt, durch den mehrteiligen Aufbau des Magnettopfes 1 die Möglichkeit geboten wird, das verbleibende Spulenfenster 4 am Magnettopf 1 relativ zum Boden des Ringkanals 2 nach radial einwärts zu verlegen, gleichwohl lässt sich die Magnetspule 3 vor dem endgültigen Zusammenbau des Magnettopfes 1 in denselben einsetzen.
Das Ringteil 5 ist als Ringscheibe ausgebildet, die flächig auf dem zugewandten Stirnrand der Außenwand des Ringkanals 2 aufsitzt und mit ihrer freien Stirnseite in der gleichen Radialebene wie die freie Stirnseite der Innenwand des Ringkanals 2 erstreckt ist. Bei elektrischer Bestromung der Magnetspule 3 bildet dann die freie Stirnseite des Ringteils 5 einen ringförmigen Außenpol, und die freie Stirnseite der Innenwand des Ringkanals 2 bildet einen ringförmigen Innenpol, wobei Außen- und Innenpol zueinander entgegengesetzt magnetisiert sind. Außen- und Innenpol 6, 7 wirken magnetisch mit einem flachen Anker 8 zusammen, der als Ringscheibe bzw. als Ring mit sternförmig angeordneten radialen Armen ausgebildet sein kann und zwar derart, dass er in seiner an den Magnettopf 1 angenäherten Endlage auf den zugewandten Stirnseiten beider Pole 6 und 7 aufliegt oder durch einen nicht dargestellten Hubanschlag mit geringem Abstand von den Polen 6 und 7 festgehalten werden kann.
Das Diagramm der 5 zeigt nun die zwischen dem jeweiligen Anker 8 und dem Magnettopf 1 bei elektrischer Bestromung der Spule 3 wirkenden magnetischen Kräfte in Abhängigkeit von dem die Magnetspule 3 durchsetzenden elektrischen Strom. Dabei bezieht sich die Kurve K₁ auf den Aktor der 1, die Kurve K₂ auf den Aktor der 4.
Das Diagramm der 5 zeigt die wirksamen Magnetkräfte in Abhängigkeit von der Zeit, wenn die jeweiligen Magnetkreise bei konstantem Hub mit einer 48 V Boosterung bis 20 A beaufschlagt werden. Auch hier beziehen sich die Indizes der Kurven K₁ und K₂ auf die Ausführungsformen der Aktoren in den 1 und 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007060395 A1 [0002, 0019]

Claims

Elektromagnetischer Aktor für Kraftstoffinjektoren, mit einer elektrisch bestrombaren ringförmigen Magnetspule (3) und einem die Spule in einem offenen Ringkanal (2) aufnehmenden Magnettopf (1) mit einem Innenpol (7) radial innerhalb eines die offene Seite des Ringkanals (2) bildenden Spulenfensters (4) und einem Außenpol (6) radial außerhalb des Spulenfensters (4), wobei Innen- und Außenpol (7, 6) bei elektrischer Bestromung der Magnetspule (3) entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenfenster (4) gegenüber dem Boden des Ringkanals (2) nach radial innen ausgedehnt bzw. nach radial innen versetzt angeordnet ist.
Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein gebauter Magnettopf (1) vorgesehen ist.
Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit den Innen- und Außenpolen (6, 7) zusammenwirkender Anker (8) einen im Vergleich zum Außenpol (6) und/oder zur Außenwand des Ringkanals (2) verminderten Außendurchmesser aufweist.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem gebauten Magnettopf (1) eine mehrteilige Außenwand des Ringkanals (2) vorgesehen ist, wobei am Spulenfenster (4) als freies Ende der Außenwand ein Ringteil (5) vorgesehen ist und wobei die freie Stirnseite des Ringteiles (5) und die freie Stirnseite der Innenwand des Ringkanals (2) in einer gemeinsamen Ebene erstreckt sind.
Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (5) den Ringkanal (2) nach radial einwärts teilweise überdeckt.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Ringkanals (2) kürzer als die mehrteilige Außenwand ist, wobei als freies Ende der Außenwand ein Ringteil (5) mit Winkelquerschnitt vorgesehen ist, dessen einer Schenkel den Ringkanal (2) nach radial einwärts überdeckt, und dass ein Aktor (8) mit Winkelprofil vorgesehen ist, dessen einer Schenkel auf eine freie Stirnseite des Ringteiles (5) auflegbar ist, wobei der andere Schenkel auf einem freien Stirnrand der Innenwand des Ringkanals (2) aufsitzt und die Innenwand axial fortsetzt.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Ringkanals (2) am Spulenfenster (4) spulenseitig einen konischen Abschnitt aufweist, derart, dass sich der Außendurchmeser der Innenwand zu dessen freier Stirnseite hin vermindert.
Elektromagnetischer Aktor für Kraftstoffinjektoren, mit einer elektrisch bestrombaren Magnetspule (3) und einem die Spule (3) in einem offenen Ringkanal aufnehmenden Magnettopf (1) mit einem Innenpol (7) radial innerhalb eines die offene Seite des Ringkanals bildenden Spulenfensters (4) und einem Außenpol (6) radial außerhalb des Spulenfensters (4), wobei Innen- und Außenpol (7, 6) bei elektrischer Bestromung der Magnetspule (3) entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) mit gestuftem Querschnitt ausgebildet ist.
Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftspalt zwischen Innenpol (7) und Anker (8) i Vergleich zum Luftspalt zwischen Anker (8) und Außenpol (6) versetzt ist.