DE60105080T2

DE60105080T2 - Zweispuliges elektromagnetisches Einspritzventil

Info

Publication number: DE60105080T2
Application number: DE60105080T
Authority: DE
Inventors: James Paul Fochtman; Danny Orlen Cobbs Creek Wright
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: DE60105080D1; EP1138934B1; EP1138934A3; JP2001349250A; US6392865B1; EP1138934A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft elektromechanische Aktoren im Allgemeinen und speziell schnellansprechende Magnetventile wie etwa Kraftstoffeinspritzventile für Verbrennungsmotoren. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung schnellansprechende Kraftstoffeinspritzventile mit einer Doppelspulen-Konfiguration.
Hintergrund der Erfindung
Elektromagnetische Aktoren wie etwa Kraftstoffeinspritzventile enthalten normalerweise Magnetspulen. Eine Magnetspule ist ein isolierter leitender Draht, der so gewickelt ist, dass er eine enge schraubenförmige Spulenwicklung bildet. Wenn Strom durch den Draht fließt, wird in der Spule ein Magnetfeld in einer zur Achse der Spule parallelen Richtung erzeugt. Die Richtung des innerhalb der Spule erzeugten Magnetfeldes hängt von der Richtung des durch den Draht fließenden Stroms sowie von der Richtung, in welcher der Draht gewickelt ist (z. B. im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn) ab. Wenn die Spule erregt ist, übt das resultierende Magnetfeld eine Kraft auf einen beweglichen ferromagnetischen Anker aus, der sich im Inneren der Spule befindet, wodurch es bewirkt, dass der Anker aus einer ersten Position entgegen der Wirkung einer von einer Rückdruckfeder erzeugten Kraft in eine zweite Position bewegt wird. Die auf den Anker ausgeübte Kraft ist zur Stärke des Magnetfelds proportional; die Stärke des Magnetfelds hängt von der Anzahl der Windungen der Spulenwicklung und von der Stärke des die Wicklung durchfließenden Stroms ab.
Normalerweise umfasst ein Zyklus eines Kraftstoffeinspritzventils drei Phasen: die Öffnungsphase, die Phase des Offenhaltens und die Schließphase. Aus Gründen des Wirkungsgrades und der Leistung ist es wünschenswert, dafür zu sorgen, dass die Öffnungsphase und die Schließphase so schnell wie möglich ablaufen. Es ist außerdem wünschenswert, den durch die Spulenwicklungen des Einspritzventils fließenden Strom in allen Phasen des Einspritzzyklus so zu steuern, dass die in einem Einspritzventil in Form von Wärme abgeführte Energiemenge auf ein Minimum beschränkt wird. Normalerweise ist es während der Öffnungsphase erforderlich, dass sich das Magnetfeld so schnell wie möglich aufbaut, um die Öffnungszeit zu minimieren. Da die Phase des Offenhaltens wesentlich weniger Kraft erfordert als die Öffnungsphase, sollte während der Phase des Offenhaltens die Stärke des Magnetfelds auf den minimalen Wert verringert werden, der ausreichend ist, um sicherzustellen, dass das Ventil geöffnet bleibt, bis durch die Motorsteuerung (engine control unit, ECU) die Schließphase eingeleitet wird. Indem während der Phase des Offenhaltens der minimale erforderliche Wert des Haltestroms gewählt wird, wird die Dauer der Abschwächung des Magnetfelds von dem das Offenhalten bewirkenden Wert auf den "Losbrech"-Wert auf ein Minimum beschränkt. Der "Losbrech"-Wert ist die magnetische Feldstärke, bei welcher sich de Anker vom Polstück löst und unter der Einwirkung einer Kraft, die von einem Rückdruckfedermittel ausgeübt wird, das mechanische Schließen beginnt.
Bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen mit Peak-and-Hold-Ansteuerung wird eine einzige Antriebsspule verwendet, die einen niedrigen Widerstand, eine feste Induktivität und eine feste Anzahl von Windungen aufweist. Während der Öffnungsphase legt die Motorsteuerung die Systemspannung (normalerweise 12-14 Volt) an die Spule an, und der Strom in der Spule steigt aufgrund ihres niedrigen Widerstands schnell an. Nachdem der Strom in der Spule einen vorgegebenen Wert erreicht hat, kann er durch Regelung der Spannung auf einen Haltewert abgesenkt werden. Diese Anordnung ermöglicht, dass die magnetomotorische Kraft (MMK) im Einspritzventil sehr schnell auf einen hohen Wert anwächst, was eine kurze Öffnungszeit zur Folge hat, während die während der Haltephase in der Spule abgeführte Energie auf ein Minimum beschränkt wird. Die MMK ist proportional zur Stärke des Stroms in der Spule, multipliziert mit der Anzahl der Windungen des Spulendrahtes. Im Allgemeinen ist eine komplizierte Elektronik erforderlich, um den Strom in Einspritzventilen mit einer Spule so zu modulieren, dass die oben beschriebene niedrige Verlustleistung erzielt wird, da die meisten Motorsteuerungen nur in der Lage sind, einen Treiber vom Typ "Saturated Switch" (Gesättigter Schalter) zur Verfügung zu stellen, und nicht in der Lage sind, den durch Einspritzventile mit einer Spule fließenden Strom auf die oben beschriebene Weise so zu modulieren, dass eine geringe Verlustleistung während der Haltephase erzielt wird.
Es ist bekannt, dass Einspritzventile mit zwei Spulen die Wärmeerzeugung verringern (siehe zum Beispiel US-A-6 120 005). Einspritzventile mit zwei Spulen weisen normalerweise eine primäre Stufe mit niedrigem Widerstand und eine sekundäre Stufe mit hohem Widerstand auf. Die primäre Stufe mit niedrigem Widerstand kann während der Öffnungsphase aktiviert werden, was einen schnellen Stromanstieg (aufgrund des geringen Gleichstromwiderstands der Spule) und eine entsprechende schnelle Erzeugung eines Magnetfelds in der Spule zur Folge hat. Nachdem ein vorgegebener Spitzenstromwert in der Spule erreicht worden ist, kann die sekundäre Spule mit hohem Widerstand aktiviert werden, indem sie mit der Primärspule mit niedrigem Widerstand in Reihe geschaltet wird. Das Schalten der Spulen in Reihe hat den wünschenswerten Effekt, dass der wirksame Gleichstromwiderstand des Spulenpaares erhöht wird und folglich der durch die Wicklungen fließende Strom verringert wird und die Stärke des resultierenden Magnetfelds pro Windung verringert wird. Die hinzugekommenen Windungen der sekundären Spule haben jedoch außerdem den unerwünschten Effekt, dass sie eine Erhöhung der während der Haltephase auf den Anker einwirkenden MMK bewirken.
Folglich wird, obwohl der Strom verringert wird, die während der Haltephase auf den Anker wirkende Gesamt-MMK nur dann verringert, wenn die Anzahl der Windungen der Wicklung mit hohem Widerstand auf ein Minimum begrenzt wird. Dies liegt daran, dass, obwohl jede zusätzliche Windung einen erhöhten Widerstand und einen entsprechenden verringerten Strom in der Wicklung zur Folge hat, jede Windung außerdem eine zusätzliche MMK verursacht, die auf den Anker einwirkt. Dementsprechend ist es wünschenswert, Draht mit einem hohen spezifischen Widerstand wie etwa Messingdraht für die Sekundärwicklung mit hohem Widerstand zu verwenden, um die Anzahl der zum Erreichen des gewünschten Widerstands erforderlichen Windungen auf ein Minimum zu beschränken. Für Spulenwicklungen von Kraftstoffeinspritzventilen werden normalerweise Kupfer, Messing und ihre Legierungen verwendet. Messinglegierungen können bei gleichem Querschnitt einen zwei- bis viermal so hohen Widerstand wie Kupfer haben. Messingwicklungen sind jedoch oft schwieriger herzustellen, und der Draht ist teurer und nicht so leicht erhältlich wie Kupferdraht mit entsprechenden Maßen. Selbst wenn Draht mit hohem spezifischem Widerstand verwendet wird, können viele aktive Windungen der Sekundärspule mit hohem Widerstand erforderlich sein, um den gewünschten Widerstand und eine entsprechende Verringerung der Stromstärke zu erreichen.
Außerdem erhöht sich, da die wirksame Induktivität der Spule proportional zum Quadrat der effektiven Windungszahl ist, die Induktivität des Einspritzventils, wenn mehr Windungen hinzukommen. Da die Schließzeit des Einspritzventils, neben anderen Faktoren, von der wirksamen Induktivität der Spule abhängt, ist es wünschenswert, die wirksame Induktivität der Spule des Einspritzventils zu minimieren. Dementsprechend besteht Bedarf an einer hocheffizienten Konstruktion eines Einspritzventils mit zwei Spulen, das eine kurze Ansprechzeit und eine dementsprechend niedrige wirksame Induktivität aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit zwei Spulen bereitgestellt, welches umfasst: eine Primärspule, die einer ersten Richtung gewickelt ist; eine Sekundärspule, die koaxial zur Primärspule ausgerichtet und wenigstens teilweise in einer zweiten Richtung gewickelt ist; einen Anker, der im Inneren der Spulen beweglich ist, wobei während des Betriebs, wenn ein erster Strom in der Primärspule erzeugt wird, eine entsprechende erste magnetische Kraft auf den Anker einwirkt, um den Anker aus einer ersten Position zu einer zweiten Position hin zu bewegen, und wenn ein zweiter Strom sowohl in der Primärspule als auch in der Sekundärspule erzeugt wird, eine entsprechende zweite magnetische Kraft auf den Anker einwirkt, um den Anker in der zweiten Position zu halten, wobei das von den Spulenwicklungen mit der zweiten Richtung erzeugte Magnetfeld wenigstens teilweise das von den Spulenwicklungen mit der ersten Richtung erzeugte Magnetfeld aufhebt, und wobei das Kraftstoffeinspritzventil mit zwei Spulen ferner umfasst: ein mechanisches Federmittel zum Zurückbewegen des Ankers zur ersten Position, wenn der Stromfluss in den Spulen unterbrochen wird.
Gemäß der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Erzeugung einer kurzen Schließzeit in einem Kraftstoffeinspritzventil mit zwei Spulen bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Wickeln einer Primärspule in einer ersten Richtung; Wickeln einer Sekundärspule wenigstens teilweise in einer zweiten Richtung; koaxiales Ausrichten der Primärspule und der Sekundärspule; Positionieren eines beweglichen Ankers im Inneren der Spulen; Erzeugen eines ersten Stroms in der Primärspule und einer entsprechenden ersten magnetischen Kraft, die auf den Anker einwirkt; Bewegen des Ankers unter dem Einfluss der ersten magnetischen Kraft aus einer ersten Position zu einer zweiten Position hin; Erzeugen eines zweiten Stroms sowohl in der Primärspule als auch in der Sekundärspule und einer entsprechenden zweiten magnetischen Kraft, die auf den Anker einwirkt, wobei das von den Spulenwicklungen mit der zweiten Richtung erzeugte Magnetfeld wenigstens teilweise das von den Spulenwicklungen mit der ersten Richtung erzeugte Magnetfeld aufhebt; Halten des Ankers in der zweiten Position unter dem Einfluss der zweiten magnetischen Kraft; Unterbrechen des Stromflusses in den Spulen; Zurückbewegen des Ankers zur ersten Position unter dem Einfluss eines mechanischen Federmittels.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, welche mit in diese Anmeldung einbezogen sind und einen Bestandteil dieser Patentbeschreibung darstellen, zeigen derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der weiter oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der weiter unten gegebenen ausführlichen Beschreibung dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern.
1 ist eine Schnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzventils, welches die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert.
2 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Anordnung von zwei Spulenwicklungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform eines intelligenten elektronischen Schalters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Darstellung der Spulen und des intelligenten Schalters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt den Stromfluss und die Magnetfelder der Spulen während der Öffnungsphase des Einspritzzyklus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt den Stromfluss und die Magnetfelder der Spulen während der Haltephase des Einspritzzyklus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute ist leicht einzusehen, dass, obwohl die vorliegende beispielhafte Ausführungsform in erster Linie unter Bezugnahme auf ein Benzin-Einspritzventil beschrieben wird, auch Kraftstoffeinspritzventile für flüssiges Propan, Dieselkraftstoff oder komprimiertes Erdgas verwendet werden können. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 umfasst ein Gehäuse 14, das einen oberen Kraftstoffeinlassteil 12, einen unteren Düsenteil 24 und einen Kabelbaumverbinderteil 26 mit elektrischen Verbindern 28 aufweist. Im Gehäuse 14 ist ein Magnetkreis angeordnet. Der Magnetkreis umfasst eine Primärspule 16 mit einem gewissen Widerstand zum Erzeugen eines Spitzenstroms und eine Sekundärspule 18 mit einem Widerstand, der größer als der Widerstand der Spitzen-Spule 16 ist, zum Erzeugen eines Haltestroms. Wie in 2 dargestellt, können die Primärspule 16 und die Sekundärspule 18 koaxial auf einen zylindrischen Spulenkern 30 gewickelt sein, wobei die gesamte Sekundärspule 18 oder ein Teil derselben in einer zur Wicklungsrichtung der Primärspule 16 entgegengesetzten Richtung gewickelt ist.
Wie in den 1 und 3 dargestellt ist, ist gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform eine allgemein mit 22 bezeichnete Schaltungskonstruktion im Gehäuse 14 angeordnet und elektrisch mit den Spulen 16 und 18 verbunden, um die Spulen selektiv zu erregen. Die Schaltungskonstruktion 22 umfasst eine Leiterplatte 34, welche bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform intelligente Schalttechnik enthalten kann, die allgemein mit 36 bezeichnet ist. Die Schalttechnik 36 kann so konstruiert und angeordnet sein, dass sie den Übergang vom Spitzenstrom zum Haltestrom auf der Basis eines voreingestellten Schwellwertes bewirkt.
4 zeigt eine derzeit bevorzugte Ausführungsform mit einem intelligenten Schalter 22. Wenn von der Motorsteuerung (ECU) ein Erdungssignal angelegt wird, überbrückt der intelligente Schalter 22 de facto die Sekundärspule mit hohem Widerstand 18 und ermöglicht damit, dass der Strom in der Primärspule mit niedrigem Widerstand 16 schnell anwächst. Wenn der Strom einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, öffnet der intelligente Schalter 22, wodurch er die Spulen 16 und 18 de facto in Reihe schaltet und die Stärke des durch die Spulen fließenden Stroms auf einen Wert verringert, der ausreichend ist, um den Anker des Einspritzventils in der geöffneten Position zu halten, jedoch kleiner als der vorgegebene Schwellwert ist. Typische Werte des Spitzenstroms können ca. 2 bis 6 Ampere betragen, und typische Werte des Haltestroms können ca. 0,5 bis 1,5 Ampere betragen.
Ein Beispiel eines intelligenten elektronischen Schalters 22, der in der Lage ist, die Primärspule mit niedrigem Widerstand 16 und die Sekundärspule mit hohem Widerstand 18 auf der Basis eines voreingestellten Schwellwerts selektiv zu erregen, wird in der am 22. September 1998 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 09/158.637 mit dem Title "Dual Coil Fuel Injector Having Smart Electronic Switch" (Kraftstoffeinspritzventil mit zwei Spulen mit intelligentem elektronischem Schalter) offenbart.
Die Spulenwicklungen 16 und 18 sind am besten in 2 dargestellt, welche schematisch eine bevorzugte Wicklung der Spulen zeigt. Wie in 2 dargestellt, definiert die Wicklung von Anschluss 1 bis Anschluss 2 die Spule 16, und die Wicklung von Anschluss 2 bis Anschluss 3 definiert die Spule 18. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform kann die Primärspule mit niedrigem Widerstand 16 zum Beispiel aus ungefähr 130 Windungen eines Kupferdrahtes Nr. 28 AWG (American Wire Gauge) mit einem Gesamt-Gleichstromwiderstand von ca. 1,2 Ohm bestehen. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform kann die sekundäre Haltespule 18 zum Beispiel aus ungefähr 338 Windungen eines Kupferdrahtes Nr. 34 AWG mit einem Gesamt-Gleichstromwiderstand von ca. 10,8 Ohm bestehen, was einen Gesamt-Gleichstromwiderstand von ca. 12 Ohm ergibt. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform werden die Windungen der Primärspule mit niedrigem Widerstand praktisch in ihrer Wirkung aufgehoben, indem einige oder sämtliche Windungen der Sekundärspule mit hohem Widerstand in einer zur Wicklungsrichtung der Windungen der Primärspule mit niedrigem Widerstand umgekehrten Richtung gewickelt werden. Wenn zum Beispiel die Windungen der Primärspule mit niedrigem Widerstand im Uhrzeigersinn gewickelt sind, können einige oder sämtliche Windungen der Sekundärspule mit hohem Widerstand entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind etwa zehn Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa zwanzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa dreißig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa vierzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa fünfzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa sechzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa siebzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa achtzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind etwa neunzig Prozent der Windungen der Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung gewickelt.
Es ist leicht einzusehen, dass viele unterschiedliche Kombinationen von Spulenwicklungen verwendet werden könnten, um die zwei Spulen umfassende Anordnung des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu bilden. Zum Beispiel kann bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform die gesamte Sekundärspule 18 in entgegengesetzter Richtung wie die Primärspule mit niedrigem Widerstand 16 gewickelt sein. Ferner muss der für die Wicklungen verwendete Draht nicht auf Kupfer beschränkt sein, sondern kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, wie zum Beispiel aus Messing. Ferner können die Anzahl der Windungen der Drähte und die Stärke der Drähte eine beliebige gewünschte Anzahl bzw. Stärke sein, um die gewünschte Leistung des Einspritzventils zu erzielen. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem sowohl Primärspule als auch Sekundärspule vollständig in derselben Richtung gewickelt werden, ermöglicht das vorliegende Verfahren des Wickelns der gesamten Sekundärspule oder eines Teils derselben in einer zur Wicklungsrichtung der Primärspule umgekehrten Richtung, dass bei einem Entwurf der Spulen die MMK, die Induktivität und der Gleichstromwiderstand unabhängig voneinander gesteuert werden.
Wie aus der untenstehenden Tabelle 1 ersichtlich ist, bewirkt das Wickeln der Sekundärspule mit hohem Widerstand in einer Richtung, die zur Wicklungsrichtung der Primärspule mit niedrigem Widerstand entgegengesetzt ist, gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform, dass die effektive Windungszahl der in Form einer Reihenschaltung kombinierten Spulen sowie die wirksame Induktivität der in Form einer Reihenschaltung kombinierten Spulen verringert werden. Dementsprechend können bei einer Entregung der Spulen ein schnelles Absinken des Stroms und ein entsprechender schneller Abbau des Magnetfelds erreicht werden, was das Ansprechen des Kraftstoffeinspritzventils beschleunigt.
Tabelle 1
Ein Vorteil des Aufhebens oder teilweisen Aufhebens der Wirkung von Windungen der Spulenwicklung besteht darin, dass ein Einspritzventil so konstruiert werden kann, dass ein optimaler Wert der MMK zum Offenhalten bei geringer Leistung erzielt wird, ohne dass eine daraus resultierende Erhöhung der Induktivität in Kauf genommen werden muss. Diese Methode des Wickelns in umgekehrter Richtung ermöglicht außerdem dem Konstrukteur, die wirksame Gesamt-Reiheninduktivität der Spulen zu wählen.
Wie aus der untenstehenden Tabelle 2 ersichtlich ist, würde eine ähnliche Spulenkombination, die auf herkömmliche Weise ohne Umkehrung der Wicklungsrichtung der Sekundärspule gewickelt ist, einen Wirkwiderstand von 12 Ohm, eine Induktivität von 8,0 mH und 380 aktive Windungen besitzen. Das ist darauf zurückzuführen, dass sich die Induktivität der Spule proportional zum Quadrat der Windungszahl der Spule erhöht.
Tabelle 2
Eine bevorzugte Konfiguration zur effizienten Steuerung des Temperaturanstiegs im Gehäuse 14 des Einspritzventils definiert die inneren Wicklungen als die Sekundärspule 18 und die äußeren Wicklungen als die Primärspule 16. Diese Konfiguration begünstigt einen stärkeren Wärmeaustausch zwischen den Spulen und dem eingespritzten Fluid. Dementsprechend sind bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform die Spulen 16 und 18 in einer Konfiguration gewickelt, in der sie einander überlappen. Es ist jedoch leicht einzusehen, dass die Spulen auch "Ende an Ende" anstatt in einer Konfiguration mit Überlappung angeordnet werden können, wie in 4 dargestellt.
5 zeigt die Richtungen des Stromflusses (I) und des Magnetfelds (B) während der Öffnungsphase des Einspritzzyklus. Während der Öffnungsphase wird, um die Bewegung des Ankers 25 einzuleiten und somit den Düsenteil 24 zu öffnen (1), die Primärspule 16 durch einen Strom I_Spitze erregt, wodurch ein Magnetfeld B_Spitze erzeugt wird. Das resultierende Magnetfeld B_Spitze übt eine Kraft auf den Anker 25 aus, die bewirkt, dass dieser sich entgegen der Kraft eines mechanischen Rückdruckfedermittels 20 zur geöffneten Position hin bewegt. Während dieser Phase kann die teilweise in umgekehrter Richtung gewickelte Sekundärspule 18 durch Überbrückung aus der Schaltung eliminiert sein.
Wie in 6 dargestellt, kann, nachdem der Anker die geöffnete Position erreicht hat, die teilweise in umgekehrter Richtung gewickelte Sekundärspule 18 mit der Primärspule 16 in Reihe geschaltet werden. Dies bewirkt, dass sowohl der durch die Spulen fließende Strom auf I_Halte verringert wird, wobei I_Halte < I_Spitze ist (aufgrund des aus der Sekundärspule 18 resultierenden erhöhten Widerstands), als auch ein Teil des von der Primärspule 16 erzeugten Magnetfelds aufgehoben wird (aufgrund des von der umgekehrten Wicklung in der Sekundärspule 18 erzeugten entgegengesetzten Magnetfelds B_Gegen). Bei einer Entregung der Spulen bricht das wirksame Magnetfeld B_Wirk = B_Halte – B_Gegen infolge der verringerten wirksamen Induktivität der in Form einer Reihenschaltung kombinierten Spulen schnell zusammen, so dass folglich eine schnelle Rückkehr des Ankers in die geschlossene Position erreicht wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen offenbart wurde, sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne dass dadurch der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, verlassen wird.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil (10) mit zwei Spulen, welches umfasst: eine Primärspule (16), die einer ersten Richtung gewickelt ist; eine Sekundärspule (18), die koaxial zur Primärspule (16) ausgerichtet und wenigstens teilweise in einer zweiten Richtung gewickelt ist; einen Anker (25), der im Inneren der Spulen (16, 18) beweglich ist, wobei während des Betriebs, wenn ein erster Strom in der Primärspule (16) erzeugt wird, eine entsprechende erste magnetische Kraft auf den Anker (25) einwirkt, um den Anker (25) aus einer ersten Position zu einer zweiten Position hin zu bewegen, und wenn ein zweiter Strom sowohl in der Primärspule (16) als auch in der Sekundärspule (18) erzeugt wird, eine entsprechende zweite magnetische Kraft auf den Anker einwirkt, um den Anker (25) in der zweiten Position zu halten, wobei das von den Spulenwicklungen mit der zweiten Richtung erzeugte Magnetfeld wenigstens teilweise das von den Spulenwicklungen mit der ersten Richtung erzeugte Magnetfeld aufhebt, und wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) mit zwei Spulen ferner umfasst: ein mechanisches Federmittel (20) zum Zurückbewegen des Ankers (25) zur ersten Position, wenn der Stromfluss in den Spulen (16, 18) unterbrochen wird.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1, wobei die Primärspule (16) und die Sekundärspule (18) in Reihe geschaltet werden können und die Induktivität der in Form einer Reihenschaltung kombinierten Primärspule (16) und Sekundärspule (18) kleiner ist als die Induktivität der fiktiven Reihenschaltungs-Kombination der Primärspule (16) und einer nicht in entgegengesetzter Richtung gewickelten Sekundärspule, die im Wesentlichen dieselben physikalischen Eigenschaften wie die besagte Sekundärspule (18) aufweist, außer dass die besagte nicht in entgegengesetzter Richtung gewickelte Sekundärspule vollständig in derselben Richtung gewickelt ist wie die Primärspule (16).
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spulen (16, 18) durch eine selbststartende Treiberschaltung (22) erregt werden.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Einspritzventil für flüssiges Propan ist.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Benzineinspritzventil ist.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Dieselkraftstoffeinspritzventil ist.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Einspritzventil für komprimiertes Erdgas ist.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den wenigstens teilweise in entgegengesetzter Richtung gewickelten Teil 1 bis 30 Prozent der gesamten Wicklung der Sekundärspule entfallen.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf den wenigstens teilweise in entgegengesetzter Richtung gewickelten Teil 30 bis 70 Prozent der gesamten Wicklung der Sekundärspule entfallen.
Kraftstoffeinspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf den wenigstens teilweise in entgegengesetzter Richtung gewickelten Teil 70 bis 100 Prozent der gesamten Wicklung der Sekundärspule entfallen.
Verfahren zur Erzeugung einer kurzen Schließzeit in einem Kraftstoffeinspritzventil (10) mit zwei Spulen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Wickeln einer Primärspule (16) in einer ersten Richtung; Wickeln einer Sekundärspule (18) wenigstens teilweise in einer zweiten Richtung; koaxiales Ausrichten der Primärspule (16) und der Sekundärspule (18); Positionieren eines beweglichen Ankers (25) im Inneren der Spulen (16, 18); Erzeugen eines ersten Stroms in der Primärspule (16) und einer entsprechenden ersten magnetischen Kraft, die auf den Anker (25) einwirkt; Bewegen des Ankers (25) unter dem Einfluss der ersten magnetischen Kraft aus einer ersten Position zu einer zweiten Position hin; Erzeugen eines zweiten Stroms sowohl in der Primärspule (16) als auch in der Sekundärspule (18) und einer entsprechenden zweiten magnetischen Kraft, die auf den Anker (25) einwirkt, wobei das von den Spulenwicklungen mit der zweiten Richtung erzeugte Magnetfeld wenigstens teilweise das von den Spulenwicklungen mit der ersten Richtung erzeugte Magnetfeld aufhebt; Halten des Ankers (25) in der zweiten Position unter dem Einfluss der zweiten magnetischen Kraft; Unterbrechen des Stromflusses in den Spulen (16, 18); Zurückbewegen des Ankers (25) zur ersten Position unter dem Einfluss eines mechanischen Federmittels (20).
Verfahren zur Erzeugung einer kurzen Schließzeit in einem Kraftstoffeinspritzventil (10) mit zwei Spulen nach Anspruch 11, wobei die Primärspule (16) und die Sekundärspule (18) in Reihe geschaltet werden können und die Induktivität der in Form einer Reihenschaltung kombinierten Primärspule (16) und Sekundärspule (18) kleiner ist als die Induktivität der fiktiven Reihenschaltungs-Kombination der Primärspule (16) und einer nicht in entgegengesetzter Richtung gewickelten Sekundärspule, die dieselben physikalischen Eigenschaften wie die besagte Sekundärspule (18) aufweist, außer dass die besagte nicht in entgegengesetzter Richtung gewickelte Sekundärspule vollständig in derselben Richtung gewickelt ist wie die Primärspule (16).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Spulen (16, 18) durch eine selbststartende Treiberschaltung (22) erregt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Einspritzventil für flüssiges Propan ist.
Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Benzineinspritzventil ist.
Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Dieselkraftstoffeinspritzventil ist.
Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Einspritzventil für komprimiertes Erdgas ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den wenigstens teilweise in entgegengesetzter Richtung gewickelten Teil 1 bis 30 Prozent der gesamten Wicklung der Sekundärspule entfallen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei auf den wenigstens teilweise in entgegengesetzter Richtung gewickelten Teil 30 bis 70 Prozent der gesamten Wicklung der Sekundärspule entfallen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei auf den wenigstens teilweise in entgegengesetzter Richtung gewickelten Teil 70 bis 100 Prozent der gesamten Wicklung der Sekundärspule entfallen.