DE10249559A1

DE10249559A1 - Regelorgan

Info

Publication number: DE10249559A1
Application number: DE2002149559
Authority: DE
Inventors: Rene Dr. Schulz; Olaf Dr. Ohligschläger; Alan R. Metamora Stockner; Clifford E. Pontiac Cotton III; Ronald D. Peoria Shinogle; Scott F. Morton Shaefer
Original assignee: Thomas Magnete GmbH; Caterpillar Inc
Current assignee: Thomas Magnete GmbH; Caterpillar Inc
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: DE10249559B4

Abstract

Ein Regelorgan (1) zum Einsatz in einer Förderstrecke zur Förderung von insbesondere Schmier- oder Brennstoffen in Kraftfahrzeugen, Heizungsanlagen oder dergleichen, wobei das Regelorgan (1) zumindest einen Absperrkörper (2) umfaßt, der mittels elektromotorischer Kraft gegen die rückstellende Kraft zumindest eines Federelements (5) beweglich ist, wird so ausgebildet, daß das Federelement (5) in Einbaustelllung vorgespannt ist und die elektromotorische Kraft in einer ersten Ansteuerung derart dosierbar ist, daß der Absperrkörper (2) durch diese elektromotorische Kraft entgegen der Federvorspannung beaufschlagt, jedoch noch nicht in Bewegung ist (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelorgan nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Fördervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 und ein Arbeitsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Derartige Regelorgane dienen etwa zur Dosierung der Zuführung von Brennstoff in flüssigem Aggregatzustand aus beispielsweise einem Tank in einen Brennraum. Dabei ist es für viele Anwendungen erforderlich, daß das Regelorgan ein schnelles Schalten, etwa in der Größenordnung von Millisekunden, auch bei hohen Leistungen ermöglicht.

Um eine schnelle Rückbewegung des Absperrkörpers zu erreichen, ist eine starke Rückstellfeder mit einer hohen Federkonstante einsetzbar. Allerdings muß für die Vorwärtsbewegung des Absperrkörpers die Rückstellkraft überwunden werden, was starke Elektromagnete erfordert. Zudem ist die Vorwärtsbewegung um so langsamer, je größer die Federkonstante ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, besonders schnell schaltende Regelorgane bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeiden.

Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Regelorgan mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Fördervorrichtung mit den Merkmalen des An spruchs 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Unteransprüche 2 bis 8 verwiesen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ist es möglich, ohne Erhöhung der Federkonstante des rücktreibenden Federelements die Schaltzeit zu verkürzen. Durch die der Vorspannung entgegenwirkende Stufe des die elektromotorische Kraft bewirkenden Steuerstroms kann der Start des Absperrkörpers praktisch verzögerungsfrei erfolgen, sobald der Steuerstrom von der Voreinschaltungsstufe aus erhöht wird.

Die Voreinschaltungsstufe kann vorteilhaft weniger als eine Millisekunde vor der Bewegung des Absperrkörpers einsetzen, so daß auch für die Voreinschaltungsstufe selbst keine den Gesamtprozeß verzögernde Zeit gebraucht wird. Das Magnetfeld im Elektromagneten wird bei Erhöhung des Steuerstroms aus der Voreinschaltungsstufe sofort aufgebaut.

Eine weitere Verkürzung der Schaltzeit ist dann möglich, wenn analog zur oben genannten Voreinschaltungsstufe des Steuerstroms eine weitere Stufe unterhalb der Haltestufe zur Vorabsenkung des Absperrkörpers vorgesehen ist. Damit ist eine Beschleunigung der Rückwärtsbewegung des Absperrkörpers durch beschleunigten Kraftabbau des Magneten erreicht. Das Magnetfeld bricht dann nach Beendigung der Vorabsenkung schneller zusammen. Die Rückstellfeder kann damit schneller in die entspannte Stellung übergehen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Auftragung der Steuerstromstärke über die Zeit in Ausbildung gemäß dem Stand der Technik,
2 eine ähnliche Darstellung wie 1 eines Stromstärkeverlaufs in erfindungsgemäßer Ausbildung,
3 eine ähnliche Darstellung wie 2 eines Stromstärkeverlaufs in erfindungsgemäßer Ausbildung mit zusätzlich vorgesehener, Vorabsenkungsstufe, und
4 eine Schnittdarstellung eines als Ventils ausgebildeten Regelorgans.
Das im Ausführungsbeispiel (4) dargestellte Regelorgan 1 ist als Ventil ausgebildet und umfaßt einen Absperrkörper 2, der in einer Führung 3 axial hin und her beweglich ist. Durch diese Hubbewegung wird ein Kanal 4 freigegeben oder verschlossen.
Das Ventil 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein periodisch arbeitendes Schnellschaltventil (1,2 ms). Es schaltet eine hohe hydraulische Leistung, typisch etwa 75 l/min bei einem Druck von 310 bar.
Zur Vorwärtsbewegung muß der Abspenkörper 2 gegen die Rückstellkraft einer Feder 5 anarbeiten. Hierfür ist ein Elektromagnet 6 vorgesehen, der eine Kraft auf den Abspenkörper 2 ausüben kann, die gegen die Rückstellkraft der Feder 5 wirksam ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Elektromagnet 6 durch eine außenliegende Spule gebildet, deren axiales Magnetfeld über den zentral angeordneten Anker auf den Absperrkörper 2 einwirken kann. Die Vorwärtsbewegung des Absperrkörpers 2 kann je nach Ausbildung ein Öffnen oder Schließen des Ventils 1 bewirken.
Die Spule 6 wird zur Bewirkung einer elektromotorischen Kraft über ein Steuergerät (nicht dargestellt) mit über die Zeit variabler Spannung versorgt, mit der ein entsprechend über die Zeit variierender Strom in der Spule 6 bewirkbar und steuerbar ist.
In 1 ist die Stromstärke 7 des Steuerstroms über die Zeit gemäß herkömmlicher Ausbildung aufgetragen. Ab einem Einschaltzeitpunkt 8 wird dabei die Stromstärke zunächst auf einen Maximalwert 9 zur Beschleunigung des Absperrkörpers 2 hochgefahren. Anschließend wird die Stromstärke auf eine zweite Stufe 10 zur Bewegung und weiter auf eine dritte Stufe 11 zum Halten des Absperrkörpers 2 abgesenkt. Das Verhältnis der Stromstärken der Stufen 9/10/11 liegt etwa bei 28/15/6.
In der erfindungsgemäßen Ausbildung nach 2 ist dem Einschaltzeitpunkt 8 eine zeitlich um deutlich weniger als eine Millisekunde vorauseilende Voreinschaltung 12 vorgelagert. Das bedeutet, daß die Stromstärke 7 des Steuerstroms in dieser Phase bereits auf einen Wert angehoben wird, bei dem ein Magnetfeld im Elektromagneten 6 aufgebaut wird, so daß anschließend der Aufbau der Beschleunigungsstufe schneller erfolgt. In der Voreinschaltungsstufe 12 wird Kraft gegen die Vorspannung der Feder 5 aufgebaut, die Feder 5 wird jedoch noch nicht eingedrückt, der Absperrkörper 2 bleibt daher noch in der Ausgangsstellung, die durch den hinteren Anschlag 15 bestimmt ist.
Die Einschaltzeit der Voreinschaltungsstufe 12 ist bei periodisch schaltenden Ventilen vorher bekannt. Die Höhe der Stromstärke 7 in der Voreinschaltungsstufe 12 ist derart bemessen, daß in dieser Stufe die elektromotorische Kraft des Magneten 6 der Differenz aus der Federvorspannungskraft und einer Sicherheitsmarge entspricht. Damit wird einerseits eine vorzeitige Bewegung des Magneten verhindert, andererseits wird eine deutlich höhere Federvorspannungskraft ermöglicht.
Üblicherweise werden Steifigkeit und Vorspannung der Feder so aufeinander abgestimmt, daß für jeden Punkt auf der Kraft-Hub-Kennlinie der Magnet einen ausreichenden Kraftüberschuß besitzt. Dieser Kraftüberschuß für die Vorwärtsbewegung des Absperrorgans 2 gegen die Federkraft muß folgende Faktoren berücksichtigen: die zeitliche Verzögerung des Aufbaus der elektromotorischen Kraft aus dem Magneten, die Beschleunigung des Ankers und des Absperrkörpers, die Strömungskräfte im Ventil und die Reibungskräfte.
In Weiterentwicklung der Erfindung wird die Voreinschaltungsstufe 12 gezielt auch zur Beschleunigung des Aufbaus des Magnetfeldes und der daraus resultierenden elektromotorischen Kraft relativ zum Einschaltzeitpunkt 8 genutzt. Dann wird die Höhe der Stufe 12 so gewählt, daß etwa 70% der Magnetkraft schon vor dem eigentlichen Einschaltzeitpunkt 8 erreicht werden.
An die Stufe 12 anschließend wird dann die Stromstärke 7 des Steuerstroms auf die Beschleunigungsstufe 9 hochgefahren. Es folgen wie bei herkömmlicher Bauart die Bewegungs- und Haltestufen 10 und 11. In Haltestellung ist der Absperrkörper 2 entgegen der Federkraft am vorderen Anschlag 16 gehalten. Anschließend wird in einer ersten Version der Erfindung der Steuerstrom wieder ausgeschaltet, das Magnetfeld im Elektromagneten 6 fällt zusammen. Der nächste Zyklus startet dann wieder mit einer Voreinschaltungsstufe 12.
In 3 ist ein alternativer Verlauf der Stromstärkekennlinie 7 gezeigt: Der Haltestrom 11 wird nicht direkt bis auf Null zurückgefahren, sondern es ist als weitere Stufe eine Vorabsenkungsstufe 13 vorgesehen, die vor dem eigentlichen Abschaltzeitpunkt 14 einsetzt. Dadurch wird der Abfall des Magnetfeldes beschleunigt. Bei Abschalten des Steuerstroms wird somit die entgegen der Feder 5 wirkende elektromotorische Kraft auf den Absperrkörper 2 schneller abgebaut, die Feder 5 kann dadurch schneller entspannen. Die Rückbewegung des Absperrkörpers 2 ist somit beschleunigt. In dieser Ausbildung sind daher sowohl die Hin- als auch die Rückbewegung des Absperrkörpers 2 beschleunigt. Es wird dabei sowohl eine größere Beschleunigung als auch eine größere Geschwindigkeit der Rückbewegung des Absperrkörpers 2 erreicht. In der Vorabsenkungsstufe 13 befindet sich der Absperrkörper 2 noch in der gleichen Stellung am vorderen Anschlag 16 wie während der Haltestufe 11, die Feder 5 ist also noch gespannt.
Zusätzlich zu den genannten Maßnahmen ist es möglich, eine Feder mit einer nichtlinearen Kennlinie zu verwenden. Diese progressive Feder kann eine große Beschleunigung des Abspenkörpers 2 bei seiner Rückbewegung bewirken. Hingegen ist die Federkraft zu Beginn der Vorwärtsbewegung, wenn die Strömungskräfte groß sein können, relativ gering.
Das Regelorgan 1 kann innerhalb einer Förderstrecke angeordnet sein. Diese führt beispielsweise aus einem Tank in eine Verbrennungskraft- oder Wärmemaschine. Von der Fördervorrichtung wird dabei in dem Tank bevorrateter Brennstoff gefördert und der Verbrennungskraft- oder Wärmemaschine zugeführt.
Die Erfindung ist medienunabhängig und druckunabhängig einsetzbar. Die Einbaulage ist beliebig. Auch die Materialien können je nach jeweiligen Druck- und Temperaturanforderungen sowie nach mechanischer Anforderung ausgewählt werden.

1: Regelorgan,
2: Absperrkörper,
3: Führung,
4: Kanal,
5: Feder,
6: Elektromagnet,
7: Stromstärke,
8: Einschaltzeitpunkt,
9: Beschleunigungsstufe,
10: Bewegungsstufe,
11: Haltestufe,
12: Voreinschaltungsstufe,
13: Vorabsenkungsstufe,
14: Abschaltzeitpunkt
15: hinterer Anschlag
16: vorderer Anschlag

Claims

Regelorgan (1) zum Einsatz in einer Förderstrecke zur intermittierenden Förderung von insbesondere Schmier- oder Brennstoffen in Kraftfahrzeugen, Heizungsanlagen oder dergleichen, wobei das Regelorgan (1) zumindest einen Absperrkörper (2) umfaßt, der mittels elektromotorischer Kraft gegen die rückstellende Kraft zumindest eines Federelements (5) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (5) in Einbaustellung vorgespannt ist und die elektromotorische Kraft in einer ersten Ansteuerung derart dosierbar ist, daß der Absperrkörper (2) durch diese elektromotorische Kraft entgegen der Federvorspannung beaufschlagt, jedoch noch nicht in Bewegung ist.
Regelorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftbeaufschlagung des Abspenkörpers (2) ein Steuerstrom, der einen oder mehrere Elektromagnete (6) ansteuert, in mehreren Stufen (9; 10; 11; 12; 13) über die Zeit variabel ist.
Regelorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke (7) des Steuerstroms in einer ersten Stufe (12) zum Ausgleich der Federvorspannung, in einer zweiten, höheren Stufe (9) zur Beschleunigung, in einer dritten, gegenüber der zweiten abgesenkten Stufe (10) zur Bewegung und in einer vierten, weiter abgesenkten Stufe (11) zum Halten des Absperrorgans (2) in einer gegen die Federkraft gehaltenen Stellung einstellbar ist.
Regelorgan nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke (7) in der ersten Voreinschaltungsstufe (12) zur Entgegenwirkung gegen die Vorspannung des Federelements (5) eine Größe aufweist, die oberhalb der Größe der Stromstärke (7) zur Bewirkung der Haltestellung des Absperrkörpers (2) gegen die Federkraft liegt.
Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom in einer Vorlaufzeit von weniger als einer Millisekunde vor Einsetzen der Beschleunigungsstufe (9) in die erste Stufe (12) zur Entegegenwirkung gegen die Vorspannung einregelbar ist.
Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom (7) den Absperrkörper (2) mit einer Kraft beaufschlagt, die der Differenz aus der Federvorspannung und einer Sicherheitsmarge entspricht.
Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (1) ein periodisch zu betätigendes Ventil ist.
Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke (7) des Steuerstroms zu einer weiteren, als Vorabsenkungsstufe ausgebildeten Stufe (13) unterhalb der Stromstärke (11) zur Bewirkung der Haltestellung des Absperrkörpers einstellbar ist.
Fördervorrichtung zur Förderung von insbesondere Schmier- oder Brennstoffen in Kraftfahrzeugen, Heizungsanlagen oder dergleichen, wobei die Fördervorrichtung zumindest ein schnell schaltbares Regelorgan (1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Regelorgans, das zumindest einen Absperrkörper umfaßt, der mittels elektromotorischer Kraft gegen die rückstellende Kraft zumindest eines Federelements beweglich ist; wobei die elektromotorische Kraft über einen Steuerstrom nacheinander in eine Beschleunigungsstufe für den Absperrkörper, eine Bewegungsstufe und eine Haltestufe entgegen der Federkraft eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Beschleunigung vorausgehenden ersten Stufe der Steuerstrom derart eingestellt wird, daß der Absperrkörper durch die dadurch verursachte elektromotorische Kraft entgegen der Federvorspannung beaufschlagt, jedoch noch nicht in Bewegung versetzt wird.