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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung eines Turboladers, beispielsweise
eine Schubumluftventileinrichtung zum Abführen von Luft
hinter dem Verdichter des Turboladers, sowie ein Verfahren zum Betätigen
der Ventileinrichtung.
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Ein
Verdichter eines Abgasturboladers zeichnet sich im Allgemeinen durch
ein Kennfeld aus in dem sich, bei gewissen Turboladerdrehzahlen
und Massenströmen, ein eindeutig zugeordneter Druck erzeugen
lässt. Ein solches Kennfeld wird einerseits bei großen
Massenströmen durch die sog. Stopfgrenze limitiert und
andererseits bei kleinen Massenströmen durch die sog. Pumpgrenze.
Bei dem Pumpen des Verdichters kommt es zu einem Strömungsabriss
an den Verdichterradschaufeln. Dabei kann das Verdichterrad und
eine entsprechende Axiallagerung des Turboladers u. U. in Folge
des Pumpens beschädigt werden. Um nun das Pumpen des Verdichters
zu vermeiden, kann die Frischluft beispielsweise durch ein sog.
Schubumluftventil nach dem Verdichter abgeblasen werden.
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Wenn
bei einem Otto-Motor die Last schnell reduziert wird, also die Drosselklappe
schnell geschlossen wird, muss der Druck zwischen dem Verdichter
und der Drosselklappe abgeblasen werden. Mittels Schubumluftventilen
kann die Verdichterluft im Kreis gefördert werden, wobei
der ansonsten entstehende Druck nicht zusätzlich über
eine Drosselklappe abgebaut werden muss. Dabei sind beispielsweise
rein pneumatisch angesteuerte Schubumluftventile bekannt. Diese
haben jedoch den Nachteil, dass sich die Schubumluftventile erst
dann öffnen, wenn die Drosselklappe schon geschlossen ist
und sich ein Unterdruck im Saugrohr eingestellt hat.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Ventileinrichtung für einen Turbolader bereitzustellen,
hier eine verbesserte Schubumluftventileinrichtung.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird
erfindungsgemäß eine Ventileinrichtung bereitgestellt,
- – wobei die Ventileinrichtung wenigstens
eine oder mehrere Hubmagneteinrichtungen aufweist,
- – wobei wenigstens eine oder mehrere der Hubmagneteinrichtungen
mit einer Hoch-Volt-Spannung betreibbar sind.
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Die
Ventileinrichtung des Turboladers hat dabei den Vorteil, dass durch
das Betreiben der Ventileinrichtung mit einer Hoch-Volt Spannung
die Hubmagneteinrichtung kompakter und kostengünstiger ausgebildet
werden kann. Bei der Hubmagneteinrichtung kann beispielsweise bei
einem gleichen Spulendurchmesser und einer gleichen Windungszahl
der Spuleneinrichtung ein geringerer Durchmesser des Kupferdrahts
der Spuleneinrichtung gewählt werden. Dadurch kann die
Spuleneinrichtung kompakter gestaltet werden und zusätzlich
Kosten eingespart werden, dadurch dass weniger Kupfer verwendet
werden muss.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Hoch-Volt Spannung beispielsweise in einem Bereich von
größer 14 Volt bis 180 Volt bereitgestellt werden
oder höher. Durch das Transformieren der normalen niedrigen
Netzspannung auf ein höhere Spannung, von bis zu 180 Volt
und höher, kann die Hubmagneteinrichtung kompakter ausgestaltet werden,
wobei beispielsweise der Querschnitt eines Kupferdrahts für
die Spuleneinrichtung reduziert werden kann.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Ventileinrichtung mit einem Spannungsnetz, beispielsweise
einem Bordnetz eines Fahrzeugs, verbindbar. Das Spannungsnetz weist
hierbei wenigstens eine Spannungsumrichtervorrichtung auf, welche
die Spannung des Spannungsnetzes auf jeweilige vorbestimmte Hoch-Volt Spannungen
hoch transformiert, um die Ventileinrichtung mit der jeweiligen
gewünschten Hoch-Volt Spannung zu versorgen. Die Spannung
mit der die Ventileinrichtung versorgt wird kann dabei beispielsweise
entsprechend variiert werden.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die Hubmagneteinrichtung eine Statorpakteinrichtung und eine
Spuleneinrichtung auf, sowie ein Eisenkernelement. Das Eisenkernelement
ist dabei beispielsweise ein Teil eines Betätigungselements
bzw. ist mit dem Betätigungselement verbunden oder ist
mit dem Betätigungselement derart gekoppelt, so dass es
das Betätigungselement bewegen kann. Das Betätigungselement
ist hierbei beispielsweise ein Ventilkörperelement der Ventileinrichtung.
Des Weiteren kann das Eisenkernelement statt aus Eisen auch aus
jedem anderen magnetisierbaren Material oder Materialkombination
bestehen oder diese aufweisen. Die Erfindung ist nicht auf ein Eisenkernelement
als solches beschränkt.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Ventileinrichtung eine Schubumluftventileinrichtung. Solch
eine Schubumluftventileinrichtung lässt sich über
wenigstens eine Hubmagneteinrichtung besonders effizient betätigen.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird zum Öffnen der Ventileinrichtung die Hubmagneteinrichtung
bestromt. Dabei wird beispielsweise das Eisenkernelement in oder
zu der Spuleneinrichtung bewegt, wobei das Ventilkörperelement
als Betätigungselement, das mit dem Eisenkernelement verbunden
oder gekoppelt ist, dabei einen Durchgang freigibt. Dabei kann des
Weiteren zusätzlich ein Federelement vorgesehen sein, dass durch
das Ventilkörperelement bzw. das Eisenkernelement beispielsweise
zusammengedrückt wird und beim Schließen des Durchgangs
das Ventilkörperelement in die geschlossene Position zurück
drückt. Auf diese Weise wird der Durchgang nur dann freigegeben,
um beispielsweise Luft eines Verdichters abzublasen, wenn das Hubmagnetelement
bestromt wird. Fällt die Bestromung weg, so kann das Ventilkörperelement
beispielsweise durch das Federelement automatisch in die geschlossene
Position bewegt werden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ein erster Spalt zwischen dem Eisenkernelement und dem Statorpaket
beispielsweise Null bzw. im Wesentlichen oder nahezu Null, wenn das
Ventilkörperelement den Durchgang im Wesentlichen vollständig
freigibt, um beispielsweise Luft eines Verdichters abzublasen. Dadurch,
dass der Luftspalt klein ist, beispielsweise nahzu oder im Wesentlichen
Null ist, kann eine größere Kraft ausgeübt werden.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Spannung bzw. der Strom zum Betätigen der Ventileinrichtung
auf eine vorbestimmte geringere Spannung bzw. geringeren Strom reduziert
werden, wenn die Ventileinrichtung in einer geschlossenen Position
ist. Dies hat den Vorteil, dass die Verlustwärme der Spuleneinrichtung
reduziert werden kann. Die Spannung kann hierbei beispielsweise
durch das Verringern des Pegels der Spannung bzw. des Stroms reduziert
werden und/oder mittels einer Pulsweitenmodulation.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
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1a eine
schematische Ansicht eines Motors und eines daran angeschlossenen
Turboladers im aufgeladenen Betrieb;
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1b eine
schematische Ansicht des Motors und des daran angeschlossenen Turboladers gemäß 1a bei
der Unterbrechung der Aufladung;
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2 ein
Verdichterkennfeld;
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3 eine
schematische Ansicht einer elektrischen Schubumluftventileinrichtung,
die hinter dem Verdichter des Turboladers angeordnet ist;
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4 eine
schematische Darstellung einer Motorsteuerung mit einer Hoch-Volt-Einheit,
DI-Injektoren und einer Hoch-Volt-Schubumluftventileinrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
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5a eine
schematische Darstellung der Hoch-Volt Schubumluftventileinrichtung
gemäß 4 in einer geschlossenen Stellung;
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5b eine
schematische Darstellung der Hoch-Volt Schubumluftventileinrichtung
gemäß 5a in
einer geöffneten Stellung;
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6 ein
Kraft-Weg Diagramm einer Hubmagneteinrichtung der Schubumluftventileinrichtung;
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7 ein
Diagramm mit dem Spannungsverlauf beim Öffnen der Hoch-Volt-Schubumluftventileinrichtung;
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8 ein
Diagramm mit dem Stromverlauf beim Öffnen der Hoch-Volt-Schubumluftventileinrichtung;
und
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9 ein
Diagramm mit dem Hubverlauf beim Öffnen der Hoch-Volt-Schubumluftventileinrichtung.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen
versehen worden.
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Ein
Verbrennungsmotor der von einem Abgasturbolader aufgeladen wird
zeichnet sich im Allgemeinen durch die folgende Anordnung der Führung
von Frischluft und Abgasen aus.
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Im
normalen aufgeladenen Betrieb, wie er in 1a dargestellt
ist, strömt das Abgas aus dem Verbrennungsmotor 10 über
eine Turbine 12 des Turboladers 14. Diese wird
durch den Abgasmassenstrom in Drehung versetzt. Da die Turbine 12 über eine
Welle 16 mit einem Verdichter 18 verbunden ist, dreht
dessen Verdichterrad ebenfalls. Dadurch wird die Luft im An saugtrakt
vor dem Einlass in den Motor 10 verdichtet. Auf diese Weise
kann mehr Kraftstoff pro Zylinderhub zugemischt werden und das Drehmoment
des Motors 10 wird erhöht. Im aufgeladenen Betrieb
ist die Drosselklappe 20 normalerweise ganz geöffnet.
Die Regelung der Aufladung kann hierbei zum Beispiel durch Abblasen
eines Teils des Abgasmassenstroms mittels eines Waste-Gates WG bzw. über
einen Bypass erfolgen. Dieser Betriebszustand ist in 1a dargestellt.
Dabei ist das Waste-Gate WG zunächst geschlossen. Es kann
aber zum Abblasen des Abgasstroms geöffnet werden.
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Bei
den weiteren Ausführungen wird davon ausgegangen, dass
es sich bei dem Motor 10 beispielsweise um einen Ottomotor
mit einem im Wesentlichen homogenen und stöchiometrischen Brennverfahren
handelt. Außerdem sei an dieser Stelle darauf hingewiesen,
dass andere Elemente der Luftführung um den Motor 10 in
den 1a und 1b aus
Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
Dieses sind zum Beispiel der Luftfilter vor dem Verdichter 18,
der Luftmengenmesser vor dem Verdichter 18, der Ladeluftkühler
nach dem Verdichter 18, die Tank/Kurbelgehäuse-Entlüftung
nach der Drosselklappe 20 und der Katalysator nach der Turbine 12.
Auf die Darstellung einer evtl. vorhandenen Abgasrückführung
oder Sekundärlufteinblasung wurde ebenfalls verzichtet.
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Wenn
nun der Fahrer vom Gas geht, der Motor 10 also schnell
vom aufgeladenen Betrieb in den gedrosselten oder Schub-Betrieb übergeht,
so wird das Waste Gate WG geöffnet und die Drosselklappe 20 geschlossen,
wie in 1b gezeigt ist. Der Rotor des
Turboladers 14 dreht sich in diesem Moment allerdings noch
mit einer sehr hohen Geschwindigkeit weiter. Das bedeutet, dass
der Verdichter weiter Frischluft gegen die Drosselklappe 20 fördert.
Wenn der Verdichter 18 nun weiter Frischluft gegen die
geschlossene Drosselklappe 20 fördert, so erhöht
sich der Druck zwischen der Drosselklappe 20 und dem Verdichter 18.
Der Volumenstrom wird wiederum geringer.
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2 zeigt
das Kennfeld eines Verdichters eines Turboladers. Die Grenze des
Bereichs hin zu geringeren Volumenströmen, in dem sich
der Verdichter sinnvoll betreiben lässt, wird die Pumpgrenze genannt.
Wenn diese Pumpgrenze überschritten wird, so reißt
der Luftstrom an den Schaufeln des Verdichterrads ab, d. h. der
Verdichter fördert im Wesentlichen nicht mehr. Hierbei
kommt es zum Zurückströmen der angestauten Luft über
den Verdichter, dieser Vorgang wird Pumpen genannt.
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Dieses
Verdichterpumpen ist jedoch aus den folgenden Gründen zu
vermeiden. Beim Pumpen des Verdichters führen die auftretenden
Druckschwankungen zu Belastungen an den Verdichterschaufeln und
an dem Axiallager des Turboladers. Dies kann zu einer Beschädigung
des Verdichters und zu Lagerausfällen führen.
Das Pumpen ist außerdem für einen Fahrer akustisch
auffällig und wird von diesem als ein störendes
Geräusch empfunden.
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Um
das Pumpen des Verdichters in dem oben beschriebenen Fall zu vermeiden,
muss die Frischluft beispielsweise durch eine sog. Schubumluftventileinrichtung
nach dem Verdichter abgeblasen werden. Um die Messung des Luftmassenmessers nicht
zu verfälschen ist es vorteilhaft, die abgeblasene Luft
vor dem Verdichter wieder in den Ansaugtrakt einzubringen, so dass
der Verdichter die Luft im Kreis fördert. Ist der Übergang
in den gedrosselten Betrieb nur von kurzer Dauer, beispielsweise
1–2 Sekunden lang, wie es zum Beispiel beim Schaltvorgang
vorkommt, so wird bei einer erneuten hohen Drehmomentanforderung
an den Motor das Schubumluftventil bzw. die Schubumluftventileinrichtung
und das Waste Gate wieder geschlossen. Der Rotor des Turboladers
behält während dieser kurzen Dauer annähernd
seine Drehzahl bei, wobei es sehr schnell wieder zu einem hohen
Ladedruck kommt.
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Zur
Betätigung dieser Schubumluftventileinrichtung sind verschiedene
Möglichkeiten bekannt:
Die erste Möglichkeit
stellt, wie zuvor beschrieben, eine rein pneumatisch angesteuerte
Schubumluftventileinrichtung dar. Hierbei wird über eine
Druckdose, die durch den Unterdruck aus dem Saugrohr gesteuert wird,
die Schubumluftventileinrichtung geöffnet. Dieses Aktuatorprinzip
hat in der Vergangenheit häufig Anwendung gefunden, da
hierzu keine elektrische Aktorik nötig ist. Nachteilig
ist jedoch, dass sich die Schubumluftventileinrichtung erst öffnet
wenn die Drosselklappe schon geschlossen ist und sich ein Unterdruck
im Saugrohr eingestellt hat.
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Die
zweite Möglichkeit betrifft eine elektropneumatisch betätigte
Schubumluftventileinrichtung. Hierbei schaltet ein elektropneumatischer
Wandler, der elektrisch mit dem Motorsteuergerät verbunden ist,
einen Steuerdruck auf eine Druckdose die die Schubumluftventileinrichtung öffnet.
Bei dem Steuerdruck kann es sich entweder um Überdruck
handeln, der hinter dem Turbolader zur Verfügung steht,
oder um Unterdruck, der mittels einer Unterdruckpumpe erzeugt wird.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Schubumluftventileinrichtung schnell
betätigt werden kann, da sie nicht auf den Unterdruck aus
dem Saugrohr warten muss. Ein Nachteil ist aber, dass die Bereitstellung
des Überdrucks bzw. Unterdrucks mit einem Energieaufwand
und Kostenaufwand verbunden ist.
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Die
dritte Möglichkeit umfasst eine rein elektrisch betätigte
Schubumluftventileinrichtung. Bei dieser elektrisch betätig ten
Schubumluftventileinrichtung wird ein Ventil direkt von der Motorsteuerung
betätigt. Die erfindungsgemäße Schubumluftventileinrichtung
bezieht sich auf dieses Prinzip, wobei spezieller auf deren Funktionsweise
eingegangen wird.
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In 3 ist
nun vereinfacht und schematisch die Funktionsweise einer rein elektrischen
Schubumluftventileinrichtung 22 eines Turboladers 14 dargestellt.
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Die
Schubumluftventileinrichtung 22 weist hierbei eine Hubmagneteinrichtung 24 bestehend aus
einer Spuleneinrichtung 26 und einem Eisenkernelement 28 auf,
sowie ein Federelement 30 zum Betätigen eines
Ventilkörperelements 32 der Schubumluftventileinrichtung 22 bzw.
dessen Schubumluftventils. Das Ventilkörperelement 32 als
Betätigungselement kann dabei Teil des Eisenkernelements 28 sein
bzw. ein magnetisierbares Material aufweisen oder mit dem Eisenkernelement
fest verbunden sein. Alternativ kann das Betätigungselement 32 der
Betätigungseinrichtung 22, hier beispielsweise
das Ventilkörperelement 32, auch mit dem Eisenkernelement 28 koppelbar
sein.
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Zum Öffnen
der Schubumluftventileinrichtung 22 wird die Spuleneinrichtung 26 der
Hubmagneteinrichtung 24 bestromt, wobei die sich ausbildenden
Magnetfeldlinien das Einsenkernelement 28 in die Spuleneinrichtung 26 hinein
ziehen. Dadurch gibt das Ventilkörperelement 32 einen
Durchgang 34 von der Hochdruckseite hinter dem Verdichter 18 frei
zu einem Schubumluftkanal 36, der unter Normaldruck steht.
Des Weiteren ist die Schubumluftventileinrichtung 22 stromlos
geschlossen. Dabei wird das Ventilkörperelement 32 durch
das Federelement 30 wieder nach vorne gedrückt
und verschließt somit den Kanal 36. Da der Schubumluftkanal 36 eine
ausreichende Größe bzw. einen ausreichenden Durchmesser
aufweisen muss und es zu einem Ladedruckverhältnis von
beispielsweise größer 2 kommen kann, muss das
Federelement 30 zum Zuhalten der Schubumluftventileinrichtung 22 ausreichend
stark gewählt werden, so dass dieses in der Lage ist, das
Ventilkörperelement 32 gegen den Ladedruck sicher
gegen einen Ventilsitz zu drücken.
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Daraus
ergibt sich, dass ebenfalls die Hubmagneteinrichtung 24 genügend
stark ausgeführt werden muss, um die Ventileinrichtung 22 gegen
das Federelement 30 öffnen zu können.
Dadurch wird die Schubumluftventileinrichtung 22 jedoch
sehr groß und schwer. Außerdem beinhaltet der
Magnetkreis entsprechend viel beispielsweise des Metalls Kupfer, was
ebenfalls mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
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Eine
Möglichkeit diese Kräfte zu minimieren besteht
darin, über eine Ausgleichsbohrung (nicht dargestellt)
den Druck von der Druckseite in das Innere des Ventilkörperelements
zu führen, so dass das Ventilkörperelement nicht
allein durch das Federelement gegen den Überdruck hinter
dem Verdichter arbeiten muss. Dadurch kann die gesamte Anordnung
wesentlich schwächer bzw. kleiner und damit kostengünstiger
und leichter ausgeführt werden.
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Diese
Anordnung ist beispielsweise in der
DE 100 20 041 C2 offenbart. Außerdem
beschreibt die
DE 10 2005
051 937 eine weitere Ventilvorrichtung im Schubumluftventil,
das über die selbe Spule betätigt wird, wobei
der Kanal von der Druckseite zum Inneren des Ventils schließt
und der Druck aus dem Ventil abgelassen werden kann. Hierdurch unterstützt
die Druckluft hinter dem Verdichter den Hubmagneten im Öffnungsvorgang.
Die
DE 10 2005 042 697 beschreibt
eine ähnliche Ventilanordnung wie die
DE 10 2005 051 937 . Zusätzlich
sind jedoch der Druck und die Saugseite bei der Schließrichtung
des Ventilkopfes vertauscht, d. h. das Schubumluftventil muss nicht
gegen den Druck P2 hinter dem Verdichter andrücken.
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Erfindungsgemäß wird
nun eine Schubumluftventileinrichtung 22 vorgesehen, die
mittels wenigstens einer Hubmagneteinrichtung 24 betätigbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 22 wird
hierbei die Spuleneinrichtung 26 der Hubmagneteinrichtung 24 nicht
mit einer eher niedrigen Spannung betrieben, beispielsweise den üblichen
14 Volt aus einem Bordnetz des Fahrzeugs, sondern mit einer höheren
Spannung, beispielsweise einer Hoch Volt-Spannung bzw. Hochspannung.
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Solche
höheren bzw. hohen Spannungen stehen im Motorsteuergerät
im Allgemeinen sowieso zur Verfügung, sofern es sich beispielsweise
um einen Motor mit direkt einspritzenden Injektoren bzw. DI-Injektoren
handelt. Solenoid-Injektoren werden in der Regel z. B. mit 65 V
bis 80 V betrieben, während bei Piezo-Injektoren beispielsweise
180 V notwendig sind.
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Da
diese hohen Spannungen sowieso zur Verfügung stehen können
sie zusätzlich auch zum Ansteuern einer Schubumluftventileinrichtung 22 genutzt
werden. Durch die höhere Spannung kann bei gleichem Spulendurchmesser
und gleicher Windungszahl ein geringerer Durchmesser beispielsweise
des Kupferdrahts gewählt werden, um die gleiche Strommenge
durch den Aktuator bzw. durch die Ventileinrichtung 22 für
den Aufbau des Magnetfeldes zu leiten. Auf diese Weise ist es ebenfalls
möglich, weniger Kupfer zu verbauen und den Aktuator bzw.
die Ventileinrichtung 22 zu verkleinern und somit Gewicht
und Kosten einzusparen.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 22 liegt
darin, eine beispielsweise in der Motorsteuerung 38 sowieso
vorhandene Spannungsquelle 42 für einen weiteren
Aktuator bzw. hier die Ventileinrichtung 22 zu verwenden,
die hierdurch kostengünstiger und zweckmäßiger
ausgelegt werden kann, wie nachfolgende 4 zeigt.
Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass in dem Falle,
dass keine solche Spannungsquelle für höhere Spannungen in
dem Fahrzeug bereits vorhanden ist, eine solche Spannungsquelle
entsprechend ergänzt wird.
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4 zeigt
nun in einer vereinfachten und schematischen Darstellung ein Motorsteuergerät (ECU
= Engine Control Unit) 38, das an ein Bordnetz 40,
beispielsweise ein 14 Volt Bordnetz 40, angeschlossen ist.
In dem Motorsteuergerät ECU 38 integriert befindet
sich eine Spannungsumrichtervorrichtung 42, die die niedrigerer
Spannung, von beispielsweise 14 Volt, auf eine höhere Spannung,
von beispielsweise 80 Volt und höher, hoch transformiert.
Mit dieser Hochspannung werden bei einem direkt einspritzenden Motor
bzw. DI-Motor bereits die Injektoren 44 angesteuert, hier
z. B. DI-Injektoren. Erfindungsgemäß wird diese
Einheit bzw. Hoch-Volt Einheit 46, welche beispielsweise
die Spannungsumrichtervorrichtung 42 aufweist, mit der
zunächst niedrigeren Spannung des Motorsteuergeräts 38 auch zum
Betreiben der Schubumluftventileinrichtung 22 genutzt.
Die Schubumluftventileinrichtung 22 weist hierbei eine
Hubmagneteinrichtung 24 auf, wobei die Hubmagneteinrichtung 24 eine
Spuleneinrichtung 26, ein Eisenkernelement 28 und
ein Federelement 30 aufweist, das mit einem Ventilkörperelement 32 als
Betätigungselement verbunden ist.
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Da
es sich normalerweise um eine kurzzeitige Anregung der Schubumluftventileinrichtung 22 handelt,
ist die mittlere Größe der Spannungsumrichtervorrichtung 42 von
der Funktion im Wesentlichen nicht beeinflusst.
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Wenn
nun die gleiche Menge Strom beispielsweise durch einen Kupferdraht
mit einem geringeren Querschnitt geleitet wird, so kann hierbei
eine deutlich größere Verlustwärme als
zuvor entstehen. Dem kann nun beispielsweise durch eine geeignete elektrische
Ansteuerung der Hubmagneteinrichtung 24 entgegengewirkt
werden, da die Hubmagneteinrichtung 24 eine besondere Kraft-Weg
Charakteristik aufweist.
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5a zeigt
die Schubumluftventileinrichtung 22 einmal in einem geschlossenen
Zustand und 5b die Schubumluftventileinrichtung 22 einmal
in einem geöffneten Zustand. Ein erster Luftspalt 48 in der
Hubmagneteinrichtung 24 und ein zweiter Luftspalt 50,
der durch die Schubumluftventileinrichtung 22 in dem Schubumluftventilkanal 54 bereitgestellt
wird, sind dabei immer gegensätzlich geöffnet und
geschlossen.
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Mit
anderen Worten, in 5a ist der erste Luftspalt 48 in
der Hubmagneteinrichtung 24, d. h. hier beispielsweise
der Luftspalt 48 zwischen einer Statorpaketeinrichtung 52 und
dem Eisenkernelement 28 der Hubmagneteinrichtung 24,
geöffnet. Gleichzeitig ist der zweite Luftspalt 50 in
dem Ventilkanal 54 der Schubumluftventileinrichtung SUV 22 geschlossen
bzw. das Ventilkörperelement 32 wird durch ein
Federelement 30 der Schubumluftventileinrichtung 22 in
eine geschlossene Position bewegt und dort in der Position gehalten,
so dass keine Luft abgeblasen wird.
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Wird
die Schubumluftventileinrichtung SUV 22 nun geöffnet,
um Luft abzublasen, so wird der erste Luftspalt 48 der
Hubmagneteinrichtung 24 im Wesentlichen geschlossen. Dabei
wird durch das Bestromen der Hubmagneteinrichtung 24 das
Ventilkörperelement 32 in eine geöffnete
Position bewegt, wobei es den zweiten Luftspalt 50 in dem
Ventilkanal 54 der Schubumluftventileinrichtung 22 öffnet
bzw. den Durchgang 34, so dass Luft abgeblasen werden kann.
Dabei drückt das Ventilkörperelement 32 das Federelement 30 der
Schubumluftventileinrichtung 22 zusammen.
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Die
Kraft die in 5b das Eisenkernelement 28 der
Hubmagneteinrichtung 24 nach Links bzw. zurück
zieht, d. h. beispielsweise zu der Statorpaketeinrichtung 52 hin,
um den ersten Luftspalt 48 zu verkleinern oder im Wesentlichen
zu schließen und das Federelement 30 zusammenzudrücken,
entsteht durch die magnetischen Feldlinien, die durch den ersten
Luftspalt 48 zwischen dem Eisenkernelement 28 und
der Statorpakteinrichtung 52 gehen. Wird die Bestromung
von der Hubmagneteinrichtung 24 genommen, so entfällt
die magnetische Anziehung und damit das Zurückziehen des
Eisenkernelements 28, das mit dem Ventilkörperelement 32 verbunden
ist, und das Ventilkörperelement 32 kann durch
das Federelement 30 in eine geschlossene Position bewegt
werden. Wie zuvor beschrieben ist in der geschlossenen Position
der Schubumluftventileinrichtung 22 der zweite Luftspalt 50 im
Ventilkanal 54 geschlossen, wie in 5a gezeigt
ist, so dass im Wesentlichen keine Luft abgeblasen wird.
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6 zeigt
nun das Kraft-Weg Diagramm einer Hubmagneteinrichtung 24 einer
Schubumluftventileinrichtung 22. Wenn man von einem im
Wesentlichen gleich bleibenden Stromfluss durch die Wicklungen durch
die Spuleneinrichtung der Hubmagneteinrichtung ausgeht, so kann
dieses eine größere Kraft ausüben, wenn
der erste Luftspalt klein ist, d. h. der Luftspalt zwischen der
Statorpaketeinrichtung und dem Eisenkernelement der Hubmagneteinrichtung,
da die Induktivität der Spuleneinrichtung in diesem Fall
größer ist. Somit ist im Gegenzug weniger Strom
notwendig um die Schubumluftventileinrichtung geöffnet
zu halten als die Schubumluftventileinrichtung zu öffnen.
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7 zeigt
ein Diagramm mit dem Spannungsverlauf beim Öffnen der Hoch-Volt-Schubumluftventileinrichtung
gemäß der Erfindung. Des Weiteren zeigt 8 ein
Diagramm mit dem entsprechenden Stromverlauf beim Öffnen
der Hoch-Volt- Schubumluftventileinrichtung gemäß 7.
Weiter ist in 9 ein Diagramm dargestellt mit
dem entsprechenden Hubverlauf beim Öffnen der Hoch-Volt-Schubumluftventil-einrichtung
gemäß der 7 und 8.
Aus den 7 und 8 kann dabei
entnommen werden, wie die Spannung bzw. der Strom der an die Ventileinrichtung
angelegt wird geeignet angepasst bzw. variiert wird.
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Die
Verläufe von Spannung, Strom und Hub an der Schubumluftventileinrichtung
beziehen sich hierbei auf ein Öffnen und anschließendes
Schließen der Schubumluftventileinrichtung.
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Beginnend
vor dem Zeitpunkt 1 in den Diagrammen ist die Spannung zunächst
bei 0 Volt, wie in 7 gezeigt ist, d. h. es fließt
kein Strom, wie in 8 gezeigt ist. Entsprechend
ist der Hub d der Hubmagneteinrichtung groß, wie in 9 dargestellt ist,
da die Schubumluftventileinrichtung geschlossen ist.
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Zum
Zeitpunkt 1 wir nun die Spannung eingeschaltet wie 7 zeigt.
Dabei baut sich der Stromfluss durch die Spuleneinrichtung durch
die Induktivität etwas verzögert auf, wie in 8 gezeigt ist.
Entsprechend nimmt auch der Hub d der Hubmagneteinrichtung leicht
ab, wie 9 zeigt.
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Zum
Zeitpunkt 2 hat der Stromfluss dann einen konstanten Wert erreicht,
wie 8 zeigt. Die Stärke des Stroms ergibt
sich dabei aus dem Ohmschen Widerstand der Spuleneinrichtung der
Hubmagneteinrichtung. Da sich proportional zum Stromfluss auch die
Kraft auf das Eisenkernelement aufbaut, bewegt sich nun das Eisenkernelement
und wird in die Hubmagneteinrichtung bzw. hier zu dessen Statorpaketeinrichtung
hineingezogen. Durch die Veränderung des Hubes d, wie in 9 gezeigt
ist, ändert sich auch die Induktivität der Spuleneinrichtung.
Die Spuleneinrichtung hat normalerweise auch einen Einfluss auf den
Stromfluss, das heißt nicht stationär aber im
Moment der Änderung. Dieser Effekt wird bei den schematischen
Verläufen in den 7, 8 und 9 vernachlässigt.
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Wenn
zum Zeitpunkt 3 der erste Luftspalt in der Hubmagneteinrichtung
geschlossen ist, so übt der Stromfluss eine viel größere
Kraft auf das Eisenkernelement aus als nötig. Die Spannung
kann deshalb wieder verringert werden, wie in 7 gezeigt ist.
Durch die Induktivität der Spuleneinrichtung fällt der
Stromfluss wieder ab, d. h. hier einer e-Funktion folgend ab, wie
in 8 gezeigt ist. Die Hubmagneteinrichtung bleibt
weiterhin geschlossen, d. h. der Hub d ist im Wesentlichen Null,
wie in 9 dargestellt ist.
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Die
Verringerung der Spannung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen.
Eine Möglichkeit ist den Pegel der Spannung zu verringern.
Eine weitere Möglichkeit ist es die effektiv wirkende Spannung durch
eine Pulsweitenmodulation einzustellen. Durch die Induktivität
der Spuleneinrichtung bzw. des Spulenelements ergibt sich trotzdem
ein nahezu bzw. im Wesentlichen gleichmäßiger
Stromfluss.
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Zum
Zeitpunkt 4 kann nun die Schubumluftventileinrichtung wieder geschlossen
werden, wobei die Spannung auf 0 Volt zurückgeht, wie in 7 gezeigt
ist.
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Im
Zeitpunkt 5 fällt der Stromfluss auch bald auf Null zurück,
wie in 8 gezeigt ist. Das Eisenkernelement der Hubmagneteinrichtung
wird durch das Federelement wieder nach vorne gedrückt
bzw. nach rechts, so dass sich die Schubumluftventileinrichtung
wieder schließt.
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Durch
den verringerten Stromfluss in der Haltephase, d. h. hier zwischen
dem Zeitpunkt 3 und 4, der Hubmagneteinrichtung kann einer thermischen Überlastung
der Spuleneinrichtung der Hubmagneteinrichtung entgegengewirkt werden.
Dadurch kann der Aktuator bzw. die Ventileinrichtung auf diese Randbedingungen
hin großzügiger ausgelegt werden. Dadurch lassen
sich Kosten einsparen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige
Art und Weise modifizierbar.
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So
kann die Hoch-Volt Spannung, die an die Hubmagneteinrichtung der
erfindungsgemäßen Ventileinrichtung angelegt wird
beispielsweise in einem Bereich von 15 Volt bis 180 Volt, 16 Volt
bis 180 Volt, 17 Volt bis 180 Volt, 18 Volt bis 180 Volt, 19 Volt
bis 180 Volt, 20 Volt bis 180 Volt, 25 Volt bis 180 Volt, 30 Volt
bis 180 Volt, 35 Volt bis 180 Volt, 40 Volt bis 180 Volt, 45 Volt
bis 180 Volt, 50 Volt bis 180 Volt oder 55 Volt bis 180 Volt liegen.
Dabei sind auch alle Zwischenwerte mit umfasst, insbesondere alle
ganzzahligen Zwischenwerte. Grundsätzlich ist aber auch eine
Spannung von größer 180 Volt möglich,
je nachdem welche Spannung notwendig ist zum Betätigen der
Hubmagneteinrichtung bzw. welche Möglichkeiten gegeben
sind eine Spannung auf eine entsprechende Hochspannung hoch zu transformieren.
Die Erfindung ist keinesfalls auf 180 Volt beschränkt sondern
kann auch deutlich darüber liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10020041
C2 [0044]
- - DE 102005051937 [0044, 0044]
- - DE 102005042697 [0044]