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DE3833079A1 - Injection valve with electrodynamic drive - Google Patents

Injection valve with electrodynamic drive

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Publication number
DE3833079A1
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DE
Germany
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injection valve
actuating
coil
switch
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE3833079A
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German (de)
Inventor
Peter Dipl Phys Kleinschmidt
Valentin Dipl Phys Magori
Hans Dipl Phys Dr Meixner
Dietmar Dipl Ing Dr Hohm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE3833079A priority Critical patent/DE3833079A1/en
Publication of DE3833079A1 publication Critical patent/DE3833079A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • F02M51/0696—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means characterised by the use of movable windings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/08—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle specially for low-pressure fuel-injection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/066—Electromagnets with movable winding
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    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

An injection valve with an electrodynamic actuating device (1, 2, 3), comprising a tappet (3), movable under the effect of the force of a permanent magnetic field on an actuating coil (2) with an excitation current flowing through it and causing a valve to open or close, and a return spring (5) with a spring constant, which produces a small return force in relation to the actuating force to be generated and essentially has no influence on the dynamic behaviour of the injection valve, which return spring (5) keeps the injection valve closed in the currentless state of the actuating coil (2). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit elektro­ dynamischem Antrieb.The present invention relates to an injection valve with electro dynamic drive.

Bei der elektronisch gesteuerten Kraftstoff-Einspritzung in das Ansaugrohr von Verbrennungsmotoren werden zum Erreichen von kurzen Einspritzzeiten (kleiner 0,5 ms) Einspritzventile mit kleinen Öffnungs- und Schließzeiten benötigt. Ventile, die nur langsam schließen, neigen zudem zur Tropfenbildung und bieten bei kurzen Einspritzzeiten eine nur geringe Dosiergenauigkeit.With the electronically controlled fuel injection into the Intake pipe of internal combustion engines are used to achieve short injection times (less than 0.5 ms) with injectors small opening and closing times required. Valves that only close slowly, also tend to form drops and bid with short injection times only a low dosing accuracy.

Bisher verwendete Einspritzventile verfügen über einen Ventilan­ trieb nach dem elektromagnetischen Prinzip. Die Ventile werden durch einen Elektromagneten geöffnet. Eine Rückstellfeder schließt das Ventil nach Abschalten des Stroms. Um einen kurzen Öffnungsvor­ gang zu erreichen, werden die Ventile häufig kurzzeitig mit einem hohen Stromimpuls angesteuert, bevor auf einen niedrigeren Halte­ strom umgeschaltet wird. Der Schließvorgang kann bei elektroma­ gnetischen Ventilen mit einer einzigen Magnetspule wegen des quadratischen Strom-Kraft-Gesetzes elektrisch nicht beeinflußt werden. Er hängt in erster Linie von der Federkonstanten der Rückstellfeder und der zu bewegenden Masse der Ventilnadel ab.Injectors previously used have a valve operated on the electromagnetic principle. The valves are opened by an electromagnet. A return spring closes the valve after switching off the power. For a short opening to reach the valve, the valves are often used for a short time driven high current pulse before on a lower hold electricity is switched. The closing process at elektroma gnetic valves with a single solenoid coil because of the quadratic current-force law is not influenced electrically will. It depends primarily on the spring constant of the Return spring and the mass of the valve needle to be moved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ein­ spritzventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das extrem kurze Öffnungs- und Schließzeiten aufweist.The present invention has for its object a Spray valve of the type mentioned to create the extreme has short opening and closing times.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Einspritzventil mit elektrodyna­ mischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vor­ geschlagen, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.To solve the problem, an injection valve with electrodyna mix drive according to the preamble of claim 1 struck by that in the characterizing part of the patent claim 1 specified features is characterized.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are shown in the Characteristics indicated subclaims.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch Verwendung eines Systems mit linear Kraft-Strom-Kennlinie in Form eines elektro­ dynamischen Antriebs das Ventil sowohl aktiv zu öffnen als auch aktiv zu schließen, um sehr kurze und definierte Einspritzzeiten zu erreichen.The invention is based on the idea of using a Systems with linear force-current characteristics in the form of an electro dynamic actuator to actively open the valve as well  actively close to very short and defined injection times to reach.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren beschrieben.The invention is described below with reference to several figures.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Einspritz­ ventil-Aufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 shows a schematic sectional view of an injection valve structure according to the present invention.

Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektrodynamischen Einspritzventils. Fig. 2 shows the basic circuit diagram of a circuit arrangement for operating an electro-dynamic injection valve.

Fig. 3 zeigt ein Strom-Zeit-Diagramm. Fig. 3 shows a current-time diagram.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 schematisch eine Ausführungs­ form eines Einspritzventils mit elektrodynamischen Antrieb. In dem Luftspalt eines Topfmagneten 1 befindet sich eine Tauchspule 2, mit der ein Stößel 3 mechanisch gekoppelt ist. Dieser Stößel 3 be­ tätigt das eigentliche Ventil 4. Eine Rückstellfeder 5 hat lediglich die Aufgabe, das Ventil 4 im stromlosen Zustand geschlossen zu hal­ ten. Wegen ihrer hohen Nachgiebigkeit hat sie einen nur unwesent­ lichen Einfluß auf das dynamische Verhalten des Ventils. Ein An­ schlagstift 6 begrenzt den Ventilöffnungshub.As already explained, Fig. 1 shows schematically an embodiment of an injection valve with an electrodynamic drive. In the air gap of a pot magnet 1 there is a plunger coil 2 with which a plunger 3 is mechanically coupled. This plunger 3 be the actual valve 4th A return spring 5 has only the task to keep the valve 4 closed in the de-energized state. Because of its high flexibility, it has only an insignificant influence on the dynamic behavior of the valve. A stop pin 6 limits the valve opening stroke.

Das Ventil wird mit einem kurzen Stromimpuls durch die Tauchspu­ le 2 geöffnet und anschließend mit einem geringen Haltestrom für die Dauer des Einspritzvorgangs offen gehalten. Ein Stromimpuls entgegengesetzter Polarität schließt das Ventil.The valve is opened with a short current pulse through the immersion coil 2 and then held open with a low holding current for the duration of the injection process. A current pulse of opposite polarity closes the valve.

Das dynamische Verhalten läßt sich exemplarisch anhand einer ein­ fachen Berechnung und einiger typischer Daten beschreiben: Die Kraft K auf einen stromdurchflossenen Leiter (Tauchspule) der Länge l in einem homogenen Magnetfeld (Topfmagnet) mit magnetisch­ er Flußdichte B ist gegeben durch
K = B l i.The dynamic behavior can be described using a simple calculation and some typical data: The force K on a current-carrying conductor (moving coil) of length l in a homogeneous magnetic field (pot magnet) with a magnetic flux density B is given by
K = B l i .

Nimmt man für die Dauer des Stromimpulses eine konstante Beschleu­ nigung der Ventilnadel an, so ergibt sich bei einer Flußdichte B von 1 T, einer effektiven Drahtlänge l von 6 m, einem Spitzen- Strom i von 10 A, einer wirksamen Masse m von 4 g sowie einem Ventilhub x von 0,1 mm die Öffnungszeit t 0 zuAssuming a constant acceleration of the valve needle for the duration of the current pulse, this results in a flux density B of 1 T, an effective wire length l of 6 m, a peak current i of 10 A, an effective mass m of 4 g and a valve stroke x of 0.1 mm the opening time t 0

t 0 = (2 mx/Bli)1/2 = 0,115 ms. t 0 = (2 mx / Bli ) 1/2 = 0.115 ms.

Da die vorstehende Gleichung auch für den Schließvorgang gilt, beträgt die minimale Öffnungsdauer in diesem Beispiel 0,23 ms. Damit läßt sich auch im intermittierenden Betrieb eine Mehrfach­ einspritzung während eines Zylinderarbeitsspiels realisieren. Ferner ist eine exakte Kraftstoffdosierung bei der Einspritzung im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet.Since the above equation also applies to the closing process, the minimum opening time in this example is 0.23 ms. This means that a multiple can also be used in intermittent operation Realize injection during a cylinder cycle. There is also an exact fuel metering during injection guaranteed when the internal combustion engine is idling.

Ein weiterer Vorteil des der Erfindung zugrunde liegenden Ventil­ antriebs ist in der gegenüber Elektromagneten i. a. geringen In­ duktivität der Tauchspule zu sehen. Hierdurch ergeben sich kürzere Strom-Anstiegszeiten.Another advantage of the valve on which the invention is based drive is in the opposite electromagnet i. a. low in ductivity of the moving coil. This results in shorter ones Electricity rise times.

Beim aktiven Schließen des Ventils bietet der lineare Ventilan­ trieb die Möglichkeit, die Ventilnadel durch einen Stromimpuls entgegengesetzter Polarität kurz vor dem Aufschlagen auf den Ven­ tilsitz abzubremsen, um einen geringeren Verschleiß und eine höhere Standzeit des Elements zu erreichen. Die nötige Impulsfolge zum Beschleunigen und Abbremsen der Ventilnadel kann beispiels­ weise durch eine elektronische Logikschaltung erzeugt werden.When the valve is actively closed, the linear valve offers drove the possibility of the valve needle by a current pulse opposite polarity shortly before hitting the Ven brake the seat to reduce wear and tear to achieve a longer service life for the element. The necessary pulse train for accelerating and braking the valve needle can, for example be generated by an electronic logic circuit.

Eine einfache Schaltungsanordnung und ein Strom-Zeit-Diagramm dazu sind in Fig. 2 bzw. Fig. 3 dargestellt.A simple circuit arrangement and a current-time diagram of this are shown in FIG. 2 or FIG. 3.

Durch eine dem komplexen Widerstand R des Ventils parallelge­ schaltete Induktivität L und eine Kapazität C wird ein ge­ dämpfter Schwingkreis gebildet. Nach Schließen eines Schalters S wird die Ventilnadel zunächst beschleunigt (ρ positiv) und dann abgebremst (ρ negativ). Bei entsprechender Dimensionierung der Resonanzfrequenz und der Abklingzeitkonstanten trifft die Ventilnadel nach einer Zeit T auf den Ventilsitz, wobei das nunmehr positive Überschwingen des Stroms den sich ergebenden Rückschlageffekt vermindert.By a complex resistance R of the valve connected in parallel inductance L and a capacitance C , a damped resonant circuit is formed. After closing switch S , the valve needle is first accelerated ( ρ positive) and then braked ( ρ negative). With appropriate dimensioning of the resonance frequency and the decay time constant, the valve needle hits the valve seat after a time T , the now positive overshoot of the current reducing the resulting kickback effect.

Gemäß Fig. 2 ist der Schalter S, der als mechanischer Schalter, z.B. als Schutzgasschalter, oder als Halbleiterschalter, z.B. als Transistor oder löschbarer Thyristor, ausgeführt sein kann, zwischen den Verbindungspunkt zwischen der Kapazität C und einem mit einer Stromversorgungsklemme +V B verbundenen Ladewiderstand R V einerseits und den Verbindungspunkt zwischen dem Ventil - repräsentiert durch den komplexen Widerstand R - und der Induktivität L andererseits geschaltet.Referring to FIG. 2, the switch S, which as a mechanical switch, such as a reed contact, or as a semiconductor switch, for example, may be a transistor or erasable thyristor executed between the connection point between the capacitor C and a part connected to a power supply terminal + V B charging resistor R V on the one hand and the connection point between the valve - represented by the complex resistor R - and the inductance L on the other hand.

Prinzipiell erlaubt der elektrodynamische Antrieb anstelle der getakteten Steuerung auch eine analoge Regelung von Ventilhub und Kraftstoffdurchsatz. Diese Variante kommt in erster Linie bei kontinuierlicher Kraftstoffeinspritzung in Betracht.In principle, the electrodynamic drive instead of the clocked control also an analog control of valve lift and fuel flow. This variant comes primarily with continuous fuel injection.

Claims (10)

1. Einspritzventil mit elektrodynamischem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektro­ dynamische Betätigungsvorrichtung (1,2,3) vorgesehen ist, die einen durch durch die Kraftwirkung eines permanenten magnetischen Feldes auf eine mit einem Anregungsstrom durchflossene Betätigungsspule (2) bewegbaren, eine Ventilöffnung oder -schließung bewirkenden Stößel (3) und eine Rückstellfeder (5) mit einer Federkonstanten enthält, die eine relativ zu der erzeugenden Betätigungskraft geringe Rückstellkraft bewirkt und im wesentlichen keinen Ein­ fluß auf das dynamische Verhalten des Einspritzventils hat, welche Rückstellfeder (5) das Einspritzventil im stromlosen Zustand der Betätigungsspule (2) geschlossen hält.1. injector with electrodynamic drive, characterized in that there is provided electro-dynamic actuating device (1,2,3), the movable one hand by the force effect of a permanent magnetic field to a flowing through it with an excitation current operating coil (2), a valve opening or - Closing causing plunger ( 3 ) and a return spring ( 5 ) with a spring constant, which causes a relatively low to the generating actuating force restoring force and has essentially no influence on the dynamic behavior of the injection valve, which return spring ( 5 ) the injection valve in currentless state of the actuating coil ( 2 ) keeps closed. 2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ tätigungsvorrichtung einen Topfmagneten (1) mit einer in dessen Luftspalt angeordneten, als die Betätigungsspule (2) fungierenden Tauchspule enthält, wobei der Stößel (3) mechanisch mit der Tauchspule gekoppelt ist.2. Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuating device includes a pot magnet ( 1 ) with a plunger arranged in the air gap thereof, which acts as the actuating coil ( 2 ), the plunger ( 3 ) being mechanically coupled to the plunger. 3. Einspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf­ magnet (1) ein Permanentmagnet ist.3. Injection valve according to claim 2, characterized in that the pot magnet ( 1 ) is a permanent magnet. 4. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ tätigungsspule (2) ein aus einer Kapazität und einer Induk­ tivität gebildeter Parallelschwingkreis (L/C) parallelgeschaltet ist.4. Injector according to one of the preceding claims, characterized in that the actuating coil ( 2 ) is a parallel resonant circuit ( L / C ) formed from a capacitance and an inductivity is connected in parallel. 5. Einspritzverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapa­ zität (C) über einen Ladewiderstand (R V ) von einer Stromquelle her über eine Stromversorgungsklemme (+V B ) aufladbar ist und daß ein Schalter (S) zwischen einen Verbindungspunkt zwischen dem Ladewiderstand (R V ) und der Kapazität (C) einerseits und einem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität (L) und der Betätigungsspule (2) andererseits geschaltet ist.5. Injection method according to claim 4, characterized in that the capacity ( C ) via a charging resistor ( R V ) from a power source via a power supply terminal (+ V B ) can be charged and that a switch ( S ) between a connection point between the Charging resistor ( R V ) and the capacitance ( C ) on the one hand and a connection point between the inductance ( L ) and the actuating coil ( 2 ) on the other hand is connected. 6. Einspritzventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallel­ schwingkreis (L/C) so dimensioniert ist, daß die sich zusammen mit der Impedanz der Betätigungsspule (2) ergebende Gesamt­ resonanzfrequenz und die Abklingzeit der gedämpften Schwingung mit der durch die Masse und den Weg der Betätigungsspule-Stößel- Einheit bestimmten Betätigungszeit derart übereinstimmt, daß das Überschwingen des Betätigungsstroms die Aufschlagkraft der Ventilnadel des Einspritzventils an dem Ventilsitz verschleiß­ vermindernd herabsetzt.6. Injector according to claim 4 or 5, characterized in that the parallel resonant circuit ( L / C ) is dimensioned so that the resulting resonance frequency together with the impedance of the actuating coil ( 2 ) and the decay time of the damped oscillation with the by The mass and the path of the actuation coil-tappet unit correspond to the actuation time determined such that the overshoot of the actuation current reduces the impact force of the valve needle of the injection valve on the valve seat to reduce wear. 7. Einspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls­ folge für das Öffnen und Schließen des Einspritzventils durch eine getaktete Steuerunq einer elektronischen Logikschaltung erzeugt wird.7. Injection valve according to one of the preceding claims, characterized in that the pulse follow for opening and closing the injector a clocked control of an electronic logic circuit is produced. 8. Einspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) ein mechanischer Schalter, vorzugsweise ein Schutzgasschalter, ist.8. Injector according to claim 5, characterized in that the switch ( S ) is a mechanical switch, preferably a protective gas switch. 9. Einspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S) ein Halbleiterschalter, vorzugsweise ein Transistor oder ein löschbarer Thyristor, ist.9. Injection valve according to claim 5, characterized in that the switch ( S ) is a semiconductor switch, preferably a transistor or an erasable thyristor. 10. Verfahren zum Betrieb des Einspritzventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betäti­ gungsspule (2) zur Beschleunigung der Anfangsbewegung der Be­ tätigungsspule-Stößel-Einheit ein von einem oberen Betätigungs­ stromwert aus zu einem unteren Betätigungsstromwert hin abklingen­ der Betätigungsstrom zugeführt wird.10. The method for operating the injection valve according to one of the preceding claims, characterized in that the actuation supply coil ( 2 ) to accelerate the initial movement of the actuating coil tappet unit decay from an upper actuating current value to a lower actuating current value, the actuating current supplied becomes.
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