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Die
Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit,
insbesondere auf einen integrierten pneumatischen Druckwandler mit
einem Unterdrucksteller zum Ansteuern von Stellern an einer Verbrennungskraftmaschine.
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Aus
DE 103 13 854 A1 ist
ein elektropneumatischer Druckwandler mit temperaturkompensiertem
Magnetkreis bekannt. Der elektropneumatische Druckwandler umfasst
ein Magnetventil, welches eine Magnetspule enthält, die in ein Gehäuse eingelassen
ist, sowie einen im Gehäuse
verschiebbar geführten
Magnetanker. Diesem ist unter Bildung eines Arbeitsluftspaltes ein
Magnetkern gegenüberliegend angeordnet,
der eine Durchgangsbohrung aufweist, an der Umgebungsdruck anliegt.
Das Magnetventil gemäß
DE 103 13 854 A1 weist
ein Dehnelement auf, welches aus einem sich bei Temperaturänderungen
dehnenden Material gefertigt ist und welches den Arbeitsluftspalt
zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern begrenzt. Das Dehnelement
ist an einer Einspannstelle einseitig im Magnetanker eingespannt
und vom Magnetanker umschlossen. Der in
DE 103 13 854 A1 offenbarte
Magnetanker umfasst ein hülsenförmig ausgebildetes
Einsatzteil, in welchem sowohl der Magnetanker als auch der Magnetkern
gelagert sind.
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Um
eine zentrische Führung
des Ankers gemäß der Lösung in
DE 103 13 854 A1 in
dem hülsenförmig gestalteten
Führungselement
zu erreichen, ist eine in fertigungstechnischer Hinsicht aufwändige Bearbeitung
sowohl des Magnetankers, des hülsenförmigen Führungselementes
als auch des Magnetkerns erforderlich, da an die Rundheit und die
Konzentrizität
von Magnetanker und hülsenförmigem Führungselement
hohe Anforderungen gestellt sind, um eine leichtgängige Betätigung eines
Proportionalventils, wie z. B. eines elektropneumatischen Druckwandlers,
zu ermöglichen.
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An
Verbrennungskraftmaschinen werden z. B. klappenförmig ausgebildete Luft- bzw.
Abgasleitelemente für
die Abgasrückführung und
die Saugrohrverstellung, um zwei Beispiele zu nennen, eingesetzt sowie
an Ladeeinrichtungen die Leitschaufeln durch Proportional ventile,
wie z. B. elektropneumatische Druckwandler, mit einer federbelasteten
Unterdruckdose angesteuert. Es besteht die Entwicklungstendenz,
die eingesetzten Proportionalventile zunehmend unmittelbar an den
Verbrennungskraftmaschinen anzubauen statt wie bisher an der Karosserie. Der
Grund hierfür
liegt darin, dass zunehmend fertigmontierte und geprüfte Motoren
an die Endmontage geliefert werden und zum Teil komplett montierte
Verbrennungskraftmaschinen an Automobilhersteller verschickt werden.
Erfolgt der Anschluss der Verbrennungskraftmaschine an die dieser
jeweils zugewiesenen elektropneumatischen Wandler in der Endmontage,
kann bei sich dann einstellenden Problemen die Fehlerursache nicht
eindeutig ermittelt werden. Ferner wird durch die Montage eines
elektropneumatischen Wandlers an der Verbrennungskraftmaschine der
elektropneumatische Druckwandler höher belastet. Einerseits steigt
das Temperaturniveau, welchem ein elektropneumatischer Druckwandler
dann ausgesetzt ist, von etwa 130°C
auf in der Spitze etwa 160°C,
andererseits treten von 3g auf 40g gesteigerte Beschleunigungswerte
auf, welchen der an der Verbrennungskraftmaschine montierte elektropneumatische
Druckwandler nunmehr ausgesetzt ist. Um den Steller des elektropneumatischen Druckwandlers
in seiner korrekten Regellage zu halten, werden hochgenau gefertigte
Führungen
eingesetzt, welche eine spezielle Gleitbeschichtung mit einem Anteil
von PTFE aufweisen können.
Die ergriffenen Maßnahmen
führen
einerseits zu deutlich höheren
Herstellkosten und können
die erhöhten
Anforderungen, die beim Anbau eines elektropneumatischen Druckwandlers
an der Verbrennungskraftmaschine gefordert werden, nur unzureichend
erfüllen.
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Darstellung
der Erfindun bg
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend, wird eine integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit
vorgeschlagen, welche einen Druckwandler, wie z. B. einen elektropneumatischen Druckwandler,
und einen Unterdrucksteller aufweist. Der Druckwandler und der Unterdrucksteller
werden an einer Schnittstelle, wie z. B. einer Öffnung, welche eine Kammer
des Unterdruckstellers mit einer mit unterschiedlichen Luftdruckniveaus
beaufschlagbaren Kammer des Druckwandlers verbindet, miteinander montiert.
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In
dem Druckwandler kann zur Applikation der jeweiligen Druckniveaus,
wie eines definierten Systemunterdrucks und der Atmosphärenluft,
ein Doppelsitzventil eingesetzt werden. Darüber hinaus können auch
zwei einzelne Ventile eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene
integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit umfasst eine Lagerückmeldung, über welche
der jeweilige Schaltzustand des Druckwandlers mit integriertem Unterdrucksteller
jeweils an ein Motorsteuergerät,
z. B. eine Verbrennungskraftmaschine, zurückgemeldet werden kann.
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Aufgrund
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
werden andernfalls erforderliche Montageschritte beim Automobilhersteller
eingespart, da aufgrund der bisher bekannten technischen Lösungen ein
Druckwandler, wie z. B. ein elektropneumatischer Druckwandler, mit
einem Unterdrucksteller separat gefügt werden muss. Der dazu erforderliche Montageschritt
kann aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
nunmehr eingespart werden, ebenso wie die zum Fügen des Druckwandlers mit dem
Unterdrucksteller erforderlichen Verschraubungen. In vorteilhafter
Weise kann die Schnittstelle zwischen dem Druckwandler, wie z. B.
einem elektropneumatischen Druckwandler, und dem Unterdrucksteller
durch eine kunststoffgerecht herstellbare, günstige Montageform, wie z.
B. eine Schnappverbindung, ausgebildet werden.
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Eine
ansonsten im Montagebereich des Druckwandlers, wie z. B. eines elektropneumatischen
Druckwandlers, vorzuhaltende Trägerplatte kann
entfallen, ferner wird durch die vorgeschlagene Modulbauweise in
der Endmontage beim Automobilhersteller in erheblichem Maße Prüfumfang
eingespart. Aufgrund der kompakten Bauweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Druckwandlers mit integriertem Unterdrucksteller wird Bauraum an
der Verbrennungskraftmaschine eingespart. Eine weitere vorteilhafte
Eigenschaft des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
integrierten Druckwandlers mit Unterdrucksteller ist eine integrierte
Lagerückmeldung. Dazu
können
eine Magnetspule sowie ein Dauermagnet eingesetzt werden, der mit
dem Verstellglied der integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit verbunden
ist. In vorteilhafter Weise können
die Kontaktfahnen, mit welchen die im Druckwandler der integrierten
Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit eingebauten Magnetspulen angesteuert
werden, an der Oberseite der integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit
vorgesehen werden. Somit lassen sich die Signale der Lagerückmeldung
sowie die Ansteuerungssignale an einer Seite der integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit
unterbringen, was Vorteile hinsichtlich der Verkabelung bringt.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit mit Schnittstelle.
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Eine
integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 umfasst
einen Druckwandler 10, welcher bevorzugt als elektropneumatischer Wandler
ausgestaltet ist, sowie einen Unterdrucksteller 12.
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Der
Druckwandler 10, bei dem es sich bevorzugt um einen elektropneumatischen
Druckwandler handelt, und der Unterdrucksteller 12 stellen
im montierten Zustand ein Bauteil dar. Im Druckwandler 10 sind
eine erste Magnetspule 16 und eine zweite Magnetspule 18 sowie
eine weitere Magnetspule 52 angeordnet. Mittels der ersten
Magnetspule 16 wird ein Unterdruckventil 20, mittels
der zweiten Magnetspule 18 ein Atmosphärenluftventil 22 betätigt. In
der Darstellung gemäß 1 sind
das Unterdruckventil 20, welches mit einem Unterdruckanschluss
pvac verbunden ist, und das Atmosphärenluftventil 22,
welches stromab eines Luftfilters 32 angeordnet ist, als
Einzelventile ausgeführt.
Die erste Magnetspule 16 steht über erste Ansteuerleitungen 26,
die zweite Magnetspule 18 über zweite Ansteuerleitungen 28 mit
einem Steuergerät 24 in
Verbindung. Oberhalb der Magnetspulen 16, 18 und 52 befindet
sich eine Kontaktleiste 30, an der die Ansteuerleitungen 26, 28 für die erste Magnetspule 16 und
die zweite Magnetspule 18 angeschlossen sind und die elektrischen
Signale von der weiteren Magnetspule 52 zur Übertragung
an das Steuergerät 24 abgegriffen
werden.
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Im
Boden 42 des Druckwandlers 10 befindet sich eine Öffnung zu
einem Rohrabschnitt 56. Die Wand des Rohrabschnittes 56 ist
von einem Dichtungsabschnitt 40 umschlossen, der eine Ausnehmung 44 aufweist,
in welche ein z. B. als O-Ring beschaffenes Dichtelement 38 eingelegt
ist. Der Dichtungsabschnitt 40 bzw. das als O-Ring ausgestaltete Dichtelement 38 wirken
mit einer Begrenzungswand einer ersten Kammer 64 des Unterdruckstellers 12 zusammen.
Die Begrenzungswand der ersten Kammer 64 des Unterdruckstellers 12 fungiert
gleichzeitig als Führungsfläche für ein Federelement 34,
welches sich an einer oberen Begrenzungswand der ersten Kammer 64 des
Unterdruckstellers 12 als auch an einem tellerförmigen Ansatz
eines Stellgliedes 36 abstützt. Das Stellglied 36 umfasst
einen Stößel 48,
an dessen in die weitere Magnetspule 52 hineinragendem
Ende ein Dauermagnet 50 aufgenommen ist. Die in vertikale
Richtung verlaufende Hubbewegung des Stößels 48 und des Stellgliedes 36 ist
durch einen Doppelpfeil 46 angedeutet.
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Der
Rohrabschnitt 56 im Boden 42 des Druckwandlers 10 stellt
eine Schnittstelle 54 zwischen dem Druckwandler 10,
bei dem es sich bevorzugt um einen elektropneumatischen Wandler
handelt, und dem Unterdrucksteller 12 dar. Über den Rohrabschnitt 56 kann
die erste Kammer 64 des Unterdruckstellers 12 je
nachdem, welcher Druck in einer Kammer 68 des Druckwandlers 10 herrscht,
entweder mit einem Unterdruckniveau pvac oder
einem Umgebungsdruckniveau pATM beaufschlagt
werden. Die erste Kammer 64 des Unterdruckstellers 12 ist über eine
Membran 58 von einer zweiten Kammer 66 des Unterdruckstellers 12 getrennt.
Die zweite Kammer 66 des Unterdruckstellers 12 wird
vom Stellglied 36 durchsetzt, welches sich sowohl in vertikaler
Richtung nach oben als auch in vertikaler Richtung nach unten entsprechend
des sich in der Kammer 68 einstellenden Druckes bewegt.
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Die
Membran 58 ist an einer ersten Einspannstelle 60 sowie
an einer zweiten Einspannstelle 62 in das bevorzugt als
Kunststoffspritzgießbauteil gefertigte
Gehäuse
des Unterdruckstellers 12 eingespannt. Die Membran 58,
die sich zwischen der ersten Einspannstelle 60 und der
zweiten Einspannstelle 62 erstreckt, weist eine wulstförmige Faltung
auf, die eine Auslenkung der Membran 58 ermöglicht. Darüber hinaus
ist die Membran 58 mit dem tellerförmigen Ansatz zwischen dem
Stellglied 36 und dem Stößel 48, der in die
Kammer 68 des Druckwandlers 10 hineinragt, verbunden.
Die dargestellte integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 wird
bevorzugt als Kunststoffspritzgießbauteil gefertigt. Im Wege
des Kunststoffspritzgießens
lassen sich sowohl am Gehäuse
des Druckwandlers 10, bei dem es sich bevorzugt um einen
elektropneumatischen Wandler handelt, als auch am Gehäuse des
Unterdruckstellers 12 Schnappverschlüsse 70 anspritzen, die
im dargestellten montierten Zustand der integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 in
ihrer Schließposition
dargestellt sind. Im in 1 dargestellten Zustand sind
das Gehäuse
des Druckwandlers 10 und das Gehäuse des Unterdruckstellers 12 durch
die ineinander einrastenden Teile des Schnappverschlusses 70 formschlüssig miteinander verbunden.
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Wird
bei der in der Zeichnung dargestellten integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 über das
Steuergerät 24 und
die ersten Ansteuerleitungen 26 das Unterdruckventil 20 geschaltet,
fährt dessen
tassenförmig
ausgebildeter Stößel aus
seiner Schließstellung
aus und gibt die Verbindung zwischen dem Unterdruckniveau pvac und der Kammer 68 des Druckwandlers 10 frei.
Dadurch herrscht im Rohrabschnitt 56 ein Unterdruck, so
dass der tellerförmige
Ansatz mit daran befestigtem Stellglied 36 entgegen der
Wirkung des Federelementes 34 ausgelenkt wirkt und der
Stößel 48 mit
daran aufgenommenem Dauermagneten 50 in die weitere Magnetspule 52 einfährt. Demzufolge
führt das
Stellglied 36 entsprechend des Doppelpfeiles 46 eine
Hubbewegung nach oben aus.
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Bei
dem Hineinbewegen des am Stößel 48 aufgenommenen
Dauermagneten 50 in die weitere Magnetspule 52 wird
das Lagesignal an das Steuergerät 24 übermittelt,
so dass die Position des Stellgliedes 36 der integrierten
Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 bekannt ist.
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Wird
die Bestromung der ersten Magnetspule 16 aufgehoben, wird
die Verbindung zwischen der Kammer 68 des Druckwandlers 10 und
dem Unterdruckniveau pvac unterbrochen und
die zweite Magnetspule 18 über die zweiten Ansteuerleitungen 28 durch
das Steuergerät 24 angesteuert. Über den Luftfilter 62 angesaugte
Atmosphärenluft
strömt über das
geöffnete
Atmosphärenluftventil 22 in
die Kammer 68 des Druckwandlers 10 ein. Die Atmosphärenluft
strömt über die Öffnung 56 auf
den tellerförmigen Ansatz
des Stellgliedes 36 und drückt diesen und demzufolge das
daran befestigte, stangenförmig ausgebildete
Stellglied 36 in vertikale Richtung nach unten. Bei diesem
Auslenkvorgang wird die Membran 58 aus ihrer in 1 dargestellten
Position weiter nach unten ausgelenkt, bis das Stellglied 36 seinen Stellweg – unterstützt durch
die Wirkung des Federelementes 34 – nach unten ausgeführt hat.
Bei der in vertikale Richtung nach unten gerichteten Bewegung des
Stellgliedes 36 durch Einwirkung des Atmosphärendruckes
beim Verbinden der Kammer 68 des Druckwandlers 10 mit
dem Atmosphärendruckniveau pATM, fährt
der Stößel 48 mit
daran aufgenommenem Dauermagneten 50 wieder in die Kammer 68 ein,
so dass sich die Relativposition des Dauermagneten 50 in
Bezug auf die weitere Magnetspule 52 im oberen Bereich
des Druckwandlers 10 ändert.
Auch das bei dieser Bewegung entstehende elektrische Lagesignal
wird über
die Signalleitungen zwischen der weiteren Magnetspule 52 und
dem Steuergerät 24 an
das letztgenannte übermittelt.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist
der Schnappverschluss 70 zwischen dem Gehäuse des Druckwandlers 10 und
des Unterdruckstellers 12 der integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 als
Schnappverbindung ausgebildet. Alternativ zur in 1 dargestellten
formschlüssigen
Verbindung zwischen dem Gehäuse
des Druckwandlers 10 und dem Unterdrucksteller 12 der
integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 könnte auch
ein Schraubgewinde an den entsprechenden einander gegenüberliegenden
Gehäusebereichen
des Druckwandlers 10 und des Unterdruckstellers 12 ausgeführt werden.
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In 1 ist
eine induktive Lagerückmeldung unter
Einsatz des Dauermagneten 50 und der weiteren Magnetspule 52 dargestellt.
Anstelle der induktiven Lagerückmeldung
kann diese auch auf kapazitivem Wege erfolgen. Die Lagerückmeldung
kann – wie
in der Figur dargestellt – direkt über die
weitere Magnetspule 52 und den in diese einfahrenden Dauermagneten 50 erfolgen;
daneben ist es möglich, über Messgrößen, wie
z. B. dem Ladedruck einer Aufladeeinrichtung im Abgastrakt von Verbrennungskraftmaschinen,
die externe Messgröße der Lagerückmeldung
heranzuziehen. Die Messgröße wird dann
im Steuergerät 24 mit
dem Sollwert abgeglichen und gegebenenfalls über die Steuerung des Druckwandlers 10 der
integrierten Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit 14 eingestellt.