DE3343269C1

DE3343269C1 - Vorrichtung zum indirekten beruehrungslosen elektrischen Messen kleiner Wege

Info

Publication number: DE3343269C1
Application number: DE3343269A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. Dr. 7000 Stuttgart Forkel; Edmund Dipl.-Phys. 7060 Schorndorf Schiessle
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1985-04-04
Also published as: GB2150695A; IT8423791A0; CH666745A5; IT1177364B; GB2150695B; FR2555735A1; JPH0346051B2; IT8423791A1; GB8430078D0; FR2555735B1; US4638659A; JPS60138271A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum indirekten berührungslosen elektrischen Messen kleiner Wege gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere zum Messen des Hubes und/oder der Stellung von Düsennadeln für Brennstoffeinspritzdüsen von Brennkraftmaschinen.

Um insbesondere eine optimale elektronische Regelung der Einspritzung von Kraftstoff bei einem Dieselmotor zu gewährleisten, ist eine verzögerungsfreie Messung des Hubes und/oder der Stellung der Düsennadel der Einspritzdüse erforderlich. So ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (DE-OS 29 49 705), bei welcher ein aus weichmagnetischem Material bestehendes und von der Düsennadel bewegtes, als Spulenkern dienendes Steuerelement in einer konzentrisch zu diesem fest angeordneten und erregten Differentialspule verschoben wird. Die aus zwei Teilspulen bestehende Differentialspule ist hierbei nach einer Halbbrücke verschaltet, wobei die bei einer Düsennadelbewegung sich ändernde Induktionsspannung in der einen Teilspule als Brückenspannung zwischen den beiden Teilspulen abgenommen und einer zweiten, in einem elektronischen Steuergerät gelegenen Halbbrücke zugeführt und dort als Maß für den zurückgelegten Weg der Düsennadel entsprechend ausgewertet wird. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist neben der geringen Empfindlichkeit die Gefahr des Abbrechens des als Spulenkern dienenden Steuerelementes durch Querschwingungen bzw. der Zerstörung durch Berührung mit feststehenden Teilen. Vorteilhaft ist jedoch die geringe Temperaturabhängigkeit der Messung.

Gleiches gilt für eine weiters bekannte Vorrichtung (DE-PS 10 49 635), bei welcher ein von der Düsennadel bewegter und die aus zwei Teilspulen bestehende Differentialspule durchsetzender Spulenkernstift aus Weicheisen in der Spule verschoben wird und deren Induktivitätsbalance beeinflußt, was über eine Meßbrücke entsprechend ausgewertet wird.

Es ist desweiteren eine Vorrichtung bekannt (DE-OS 29 20 669), welche mit einem »Hall«-Generator arbeitet. Hierbei ist in dem von der Düsennadel beaufschlagten Druckbolzen ein kleiner Permanentmagnet befestigt, dessen Feld von einem feststehenden, im Düsenhalter angeordneten Hallgenerator erfaßt wird. Bei einer Bewegung der Düsennadel wird der Permanentmagnet gegen das Hall-Plättchen bewegt, wodurch das transversal

das Hall-Plättchen durchsetzende Magnetfeld verändert wird, was zu einer Änderung der Hall-Spannung führt. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die geringe Empfindlichkeit des Hallgenerators und dessen Temperaturabhängigkeit. Vorteilhaft ist die geringe zu bewegende Masse des Permanentmagneten und die absolute Berührungslosigkeitder Messung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche sowohl einen großen Arbeitstemperaturbereich als auch eine hohe Empfindlichkeit aufweist, gleichwohl aber zuverlässig aufgebaut ist, so daß sie insbesondere Einsätzen in rauher Umgebung (Öl, hohe Temperaturen, schnell ablaufende Bewegungen, starke Vibrationen) gerecht werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Um insbesondere die Abmessungen der Vorrichtung, einschließlich der Windungszahl der Spule, klein halten zu können, besteht nach Anspruch 2 der Kern der Spule aus einer amorphen Legierung, welche sich durch niedrige Hysterese- und Wirbelstromverluste, hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke auszeichnet; das Kernteil des Steuerelementes besteht hingegen — um kleine Abmessungen und eine geringe Masse zu erzielen — aus einer Kobalt-Samarium-Legierung oder bei besonders hohen Ansprüchen an die Temperaturkonstanz der Magnetisierung aus Alnico.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 wird Temperatureinflüssen auf die permanentmagnetischen Kernteile, den weichmagnetischen Spulenkern und die Spule selbst in optimaler Weise begegnet, so daß eine geringe Temperaturabhängigkeit der Vorrichtung erzielt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 2 die in eine Einspritzdüse eingebaute Vorrichtung:

F i g. 3 in schematischer Anordnung eine zweite Variante und

F ί g. 4 in schematischer Anordnung eine dritte Variante der Vorrichtung.

In ein nichtmagnetisches, hohlzylinderförmiges Gehäuse 1 sind zwei gleiche Spulenkörper 2 eingebaut, deren Unterteile 3 mit je einem Oberteil 4 verbindbar sind. Der eine Spulenkörper erstreckt sich hierbei bis zum einen Ende des Gehäuses 1, während sich der andere Spulenkörper bis zu einer Aufnahmebohrung 5 des Gehäuses 1 erstreckt. Im aneinandergrenzenden Bereich sind die beiden Spulenkörper 2 durch eine Keramikscheibe 6 voneinander getrennt. Zwischen das Ober-4 und Unterteil 3 jedes Spulenkörpers 2 ist ein als streifenförmiges Flachband ausgebildeter Teilkern 7 aus einer amorphen Legierung eingelegt, welcher sich nahezu über die Länge des Oberteiles 4 erstreckt. Jeder Spulenkörper 2 ist von einer zylinderförmigen Teilspule 8 gleichsinnig umwickelt, welche derart in Reihe geschaltet sind, daß das Wicklungsende 9 der oberen Teilspule 8 mit dem Wicklungsanfang 10 der unteren Teilspule 8 an einem Anschlußkontakt 13 unter Bildung einer Mittelanzapfung miteinander verbunden sind. Der Wicklungsanfang 11 der oberen Teilspule 8 ist hingegen an einen Anschlußkontakt 14 und das Wicklungsende 12 der unteren Teilspule 8 an einen Anschlußkontakt 15 geführt. Die Anschlußkontakte 13,14 und 15 werden von einem in die Aufnahmebohrung 5 eingesetzten Keramikhalter 16 gehalten und zueinander distanziert und ferner ist an diesen ein Anschlußkabel 17 befestigt, über welches zum einen die Teilspulen 8 an eine vorzugsweise Konstantstromquelle gelegt (über die Anschlußkontakte 14 und 15) und zum anderen mit einem Auswertesteuergerät verbunden werden. Das Anschlußkabel 17 und die Anschlußkontakte 13 bis 15 sind gegenüber dem Gehäuse 1 mit einer isolierenden Masse 18 vergossen. Auf der Mittelachse der Vorrichtung liegend ist in den Keramikhalter 16 desweiteren ein permanentmagnetischer Referenzmagnet 19 eingesetzt und zwar unter Bildung eines definierten festen Abstandes zur oberen Stirnseite der oberen Teilspule 8. Der unteren Stirnseite der unteren Teilspule 8 liegt hingegen ein Steuerelement 20 mit einem ebenfalls auf der Mittelachse der Vorrichtung liegenden permanentmagnetischen Kernteil 2t gegenüber, welches von einem in einem topfförmigen Ansatz

22 des Steuerelementes 20 angeordneten Keramikteil

23 gehalten wird. Vorzugsweise ist das Kernteil 21 gleich ausgebildet wie der Referenzmagnet 19, so daß beide die gleichen Eigenschaften und magnetischen Größen aufweisen. Desweiteren ist das bewegbare Steuerelement 20 so in seiner Bewegungsnullage justiert, daß das Kernteil 21 von der unteren Stirnseite der unteren Teilspule 8 den gleichen Abstand aufweist, wie der Referenzmagnet 19 von der oberen Stirnseite der oberen Teilspule 8. Durch diese Differentialanordnung der Teilspulen 8 mit ihren Kernen 7 und der Permanentmagnete 19 und 21 werden Temperatureinflüsse auf die Permeabilität und auf die magnetische Feldstärke weitestgehend kompensiert, weshalb die Spulen noch vorzugsweise aus einem Draht mit geringem Widerstands-Temperatur-Koeffizienten hergestellt sind.
Wird nun das Steuerelement 20 bewegt — und ist diese Bewegung als solche festzustellen oder der zurückgelegte Weg des Steuerelementes zu messen —, so verursacht die in der Achsrichtung der Vorrichtung erfolgende Bewegung des permanentmagnetischen Kernteiles 21 des Steuerelementes 20 durch dessen Annähern oder Entfernen vom Gehäuse 1 primär eine Änderung der Magnetflußdichte B in dem unteren weichmagnetischen Spulenkern 7 der erregten Spulen 8. Aufgrund des nicht linearen Zusammenhanges zwischen der Magnetflußdichte B und der magnetischen Feldstärke H, B = f(H) nach der Magnetisierungskurve des Spulenkernmaterials, ergibt sich auch eine Änderung der dynamischen Permeabilität/^//^ = dß/d//und in Folge eine Änderung der Induktivität L der unteren Teilspule 8 nach der Beziehung L = μ(Η) ■ N² ■ A/l, wobei N die Windungszahl der Spule, A der Spulenquerschnitt und / die Spulenlänge ist. Diese Änderung kann dann indirekt als Meßwert, beispielsweise als induktiver Spannungsabfall, an der unteren Teilspule 8 abgenommen werden und über die Anschlußkontakte 13 und 15 einem als Trägerfrequenz-Meßbrücke ausgebildeten Auswertesteuergerät zugeführt werden, an welches auch die obere Teilspule 8 als Referenzzweig über die Anschlußkontakte 13 und 14 angeschlossen ist und mit welchem sowohl die zur Erregung der Spulen erforderliche Trägerfrequenz erzeugt als auch die Induktivitätsänderung bzw. der Meßwert in einen den Weg des Steuerelementes darstellenden Wert umgewandelt wird. Es ist aber auch möglich, die Änderung direkt mit einer handelsüblichen Induktivitätsmeßbrücke durch Vergleich der beiden Induktivitäten der beiden Teilspulen 8 zu erfassen und entsprechend auszuwerten. Die Amplitude der erregenden Wechselspannung kann vorteilhaft so hoch gewählt werden, daß die Spulenkerne 7 bis in die Sätti-

gung ausgesteuert werden und eine Verzerrung der Kurvenform der erregenden Wechselspannung auftritt. Durch das magnetische Gleichfeld des permanentmagnetischen Kernteiles 21 wird der Arbeitspunkt der Spulenkerne 7 auf der Magnetisierungskurve je nach Lage des Steuerelementes 20 relativ zur Spule 8 verschoben, so daß die abgegriffene Wechselspannung eine Amplitudenasymmetrie aufweist, die sehr empfindlich von der Lage des Kernteiles 21 abhängt. Diese Asymmetrie läßt sich nach dem bekannten Prinzip der »För- ίο stersonde« (Fluxgate Magnetometer, Sättigungskernsonde) auswerten. Durch die hohe erzielbare Empfindlichkeit kann das Kernteil 21 besonders klein und leicht ausgeführt werden, so daß die zu erfassende Bewegung nicht gestört wird.

F i g. 2 zeigt die praktische Anwendung einer Vorrichtung nach F i g. 1, wobei jedoch sowohl das Gehäuse 1 als auch das Steuerelement 20 in nicht geschnittener Darstellung gezeigt sind. Eine Einspritzdüse 24 besteht im wesentlichen aus einem Düsenhalter 25, einem Dusenkörper 26 und einer die beiden Teile verbindenden Überwurfmutter 27. Zwischen den beiden Teilen 25 und 26 ist noch eine Zwischenplatte 28 angeordnet, in welche einerseits ein Düsennadelschaft 29 der im Düsenkörper 26 gelagerten Düsennadel und andererseits der in einer Sacklochbohrung 30 im Düsenhalter 25 geführte, als Steuerelement 20 ausgebildete Druckbolzen der Einspritzdüse 24 ragen. In der Sacklochbohrung 30 ist ferner das Gehäuse 1 mit seinem aus dem Düsenhalter 25 herausführenden Anschlußkabel 17 angeordnet, wobei sich zwischen dem Gehäuse 1 und dem Steuerelement 20 (Druckbolzen) eine Druckfeder 31 erstreckt, welche den Druckbolzen gegen den Düsennadelschaft 29 vorspannt, wodurch dieser die Düsennadel in ihre Schließstellung im Ventilsitz drückt. Ein am Anschlußstück 25' des Düsenhalters 25 beginnender Kanal 32 für die Kraftstoffzuführung mündet in einen Druckraum im unteren Bereich des Düsenkörpers 26. Beim Bewegen der Düsennadel, beispielsweise beim Öffnen derselben, wird über deren Düsennadelschaft 29 das Steuerelement 20 mit dem darin angeordneten Kernteil 21 gegen die untere Stirnseite des Gehäuses 1 bewegt, wodurch das Magnetfeld des permanentmagnetischen Kernteiles 21 primär die Magnetflußdichte im weichmagnetischen Teilkern 7 der unteren, über das Anschlußkabel 17 erregten Teilspule 8 ändert, was — wie beschrieben — zu einer Änderung der Induktivität L dieser Teilspule 8 führt und entsprechend weganalog ausgewertet wird.

Während gemäß F i g. 1 das Steuerelement 20 mit seinem permanentmagnetischen Kernteil 21 in axialer Richtung unterhalb der unteren Teilspule 8 angeordnet ist, ist es gemäß F i g. 3 im Rahmen gegebener Einbauverhältnisse aber auch möglich, dasselbe beweglich in der Mitte zwischen der oberen und unteren Teilspule 8 anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, gemäß F i g. 4 das permanentmagnetische Kernteil 21 des Steuerelementes 20 als Ringmagnet auszubilden, in dessen Bohrung die Spule 8 eintaucht. Bei aus zwei Teilspulen bestehender Spule 8 ist hierbei der Ringmagnet mittig zu den beiden Teilspulen anzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum indirekten berührungslosen elektrischen Messen kleiner Wege, insbesondere zum Messen des Hubes und/oder der Stellung von Düsennadeln für Brennstoffeinspritzdüsen von Brennkraftmaschinen, mit einer erregten zylinderförmigen Spule und einem relativ zu der Spule und in Achsrichtung derselben bewegbaren Steuerelement mit einem magnetischen Kernteil, welches beim Bewegen eine Änderung der Magnetflußdichte bewirkt und diese Änderung durch entsprechende Auswertung eines an der Spule abgenommenen Meßwertes als ein Maß für den zu messenden Weg herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (8) einen festen, gegenüber dem Steuerelement (20) unbeweglichen Kern (7) aus einer weiehmagnetischen Legierung und das Steuerelement (20) ein permanent magnetisches Kernteil (21) aufweist, welches beim Bewegen relativ zu einer Stirnseite der Spule eine Änderung der Magnetflußdichte in dem weiehmagnetischen Kern (7) der Spule (8) verursacht und über die nicht lineare Funktion B = f (H)"der Magnetisierungskurve des Kernes (7) der Spule eine Änderung der dynamischen Permeabilität μ(Η) = άΒ/άΗ und in Folge der Induktivität L = μ(Η) ■ N² · A/l der Spule (8) bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (7) der Spule (8) aus einer amorphen Legierung und das Kernteil (21) des Steuerelementes (20) aus einer Kobalt-Samarium-Legierung, einem Ferritmaterial oder aus Alnico besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (7) der Spule (8) als streifenförmiges Flachband ausgebildet ist, zwischen einem von der Spule (8) umwickelten Spulenkörper (2; 3,4) liegt und sich nahezu über die Länge der Spule (8) erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in bekannter Weise aus zwei in axialer Richtung versetzt und isoliert angeordneten und unter Bildung einer Mittelanzapfung (bei 13) in Reihe geschalteten Teilspulen (8) besteht, daß jede Teilspule (8) einen Teilkern (7) aufweist und daß an dem in Achsrichtung dem Steuerelement (20) entferntliegenden Ende der einen Teilspule mit festem Abstand zu deren Stirnseite ein dem permanentmagnetischen Kernteil (21) des Steuerelementes (20) entsprechender Referenzmagnet (19) angeordnet ist (Fig.l).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) aus einem Draht mit geringem Widerstands-Temperatur-Koeffizienten hergestellt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) (8) mit Kern (7) und der Referenzmagnet (19) in einem nichtmagnetischen — vorzugsweise hohlzylinderförmigen — Gehäuse (1) angeordnet sind, von dessen Innenraum ein Anschlußkabel (17) der Wicklungsanschlüsse (9, 10, 1 i, i 2) der Spule(n) (8) nach außen führt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) in einer Sacklochbohrung (30) eines Düsenhalters (25) einer Einspritzdüse (24) angeordnet ist, in welche Bohrung (30) auch der als Steuerelement (20) mit permanentmagnetischem Kernteil (21) ausgebildete Druckbolzen der Einspritzdüse riigt, wobei der Druckbolzen einerseits über eine Druckfeder (31) gegenüber dem Gehäuse (1) federnd distanziert und andererseits vom Düsennadelschaft (29) der Einspritzdüse beaufschlagt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in bekannter Weise aus zwei in axialer Richtung versetzt und isoliert angeordneten und unter Bildung einer Mittelanzapfung (bei 13) in Reihe geschalteten Teilspulen (8) besteht, daß jede Teilspule (8) einen Teilkern (7) aufweist und daß das Steuerelement (20) mit seinem permanentmagnetischen Kernteil (21) in der Mitte zwischen den beiden Teilspulen angeordnet ist (F i g. 3).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das permanentmagnetische Kernteil (21) des Steuerelementes (20) als Ringmagnet ausgebildet ist, in dessen Bohrung die Spule (8) eintaucht (F ig. 4).