DE10249559B4 - Regelorgan - Google Patents
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Abstract
Schnell
schaltendes 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 Ansteuerungs- Stufe (12) derart dosierbar
ist, daß der
Absperrkörper
(2) durch diese elektromotorische Kraft entgegen der Federvorspannung beaufschlagt,
jedoch noch nicht in Bewegung ist, wobei die Vorlaufzeit der ersten
Stufe (12) kleiner als eine Millisekunde ist, und vor einer Beschleunigungsstufe
(9) einsetzt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Regelorgan nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Fördervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Arbeitsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
- 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.
- Aus der
DE 198 18 126 A1 ist es schon bekannt, den Elektromagneten eines kontinuierlich arbeitenden Ventils ständig vorzubestromen, um möglichst in einem linearen Bereich der Magnetkraftcharakteristik arbeiten zu können. Durch diese Maßnahme lässt sich ein gewichts- und bauraumreduziertes, sowie kostengünstiges Magnetventil für den Einsatz in Nockenwellen- Verstelleinrichtungen schaffen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, besonders schnell schaltende Regelorgane bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile vermeiden.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Regelorgan mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Fördervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Unteransprüche 2 bis 7 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 wie1 eines Stromstärkeverlaufs in erfindungsgemäßer Ausbildung, -
3 eine ähnliche Darstellung wie2 eines Stromstärkeverlaufs in erfindungsgemäßer Ausbildung mit zusätzlich vorgesehener Vorabsenkungsstufe, und -
4 eine Schnittdarstellung eines als Ventils ausgebildeten Regelorgans. - Das im Ausführungsbeispiel (
4 ) dargestellte Regelorgan1 ist als Ventil ausgebildet und umfaßt einen Absperrkörper2 , der in einer Führung3 axial hin und her beweglich ist. Durch diese Hubbewegung wird ein Kanal4 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 Absperrkörper
2 gegen die Rückstellkraft einer Feder5 anarbeiten. Hierfür ist ein Elektromagnet6 vorgesehen, der eine Kraft auf den Absperrkörper2 ausüben kann, die gegen die Rückstellkraft der Feder5 wirksam ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Elektromagnet6 durch eine außenliegende Spule gebildet, deren axiales Magnetfeld über den zentral angeordneten Anker auf den Absperrkörper2 einwirken kann. Die Vorwärtsbewegung des Absperrkörpers2 kann je nach Ausbildung ein Öffnen oder Schließen des Ventils1 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 Spule6 bewirkbar und steuerbar ist. - In
1 ist die Stromstärke7 des Steuerstroms über die Zeit gemäß herkömmlicher Ausbildung aufgetragen. Ab einem Einschaltzeitpunkt8 wird dabei die Stromstärke zunächst auf einen Maximalwert9 zur Beschleunigung des Absperrkörpers2 hochgefahren. Anschließend wird die Stromstärke auf eine zweite Stufe10 zur Bewegung und weiter auf eine dritte Stufe11 zum Halten des Absperrkörpers2 abgesenkt. Das Verhältnis der Stromstärken der Stufen9 /10 /11 liegt etwa bei 28/15/6. - In der erfindungsgemäßen Ausbildung nach
2 ist dem Einschaltzeitpunkt8 eine zeitlich um deutlich weniger als eine Millisekunde vorauseilende Voreinschaltung12 vorgelagert. Das bedeutet, daß die Stromstärke7 des Steuerstroms in dieser Phase bereits auf einen Wert angehoben wird, bei dem ein Magnetfeld im Elektromagneten6 aufgebaut wird, so daß anschließend der Aufbau der Beschleunigungsstufe schneller erfolgt. In der Voreinschaltungsstufe12 wird Kraft gegen die Vorspannung der Feder5 aufgebaut, die Feder5 wird jedoch noch nicht eingedrückt, der Absperrkörper2 bleibt daher noch in der Ausgangsstellung, die durch den hinteren Anschlag15 bestimmt ist. - Die Einschaltzeit der Voreinschaltungsstufe
12 ist bei periodisch schaltenden Ventilen vorher bekannt. Die Höhe der Stromstärke7 in der Voreinschaltungsstufe12 ist derart bemessen, daß in dieser Stufe die elektromotorische Kraft des Magneten6 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 Einschaltzeitpunkt8 genutzt. Dann wird die Höhe der Stufe12 so gewählt, daß etwa 70% der Magnetkraft schon vor dem eigentlichen Einschaltzeitpunkt8 erreicht werden. - An die Stufe
12 anschließend wird dann die Stromstärke7 des Steuerstroms auf die Beschleunigungsstufe9 hochgefahren. Es folgen wie bei herkömmlicher Bauart die Bewegungs- und Haltestufen10 und11 . In Haltestellung ist der Absperrkörper2 entgegen der Federkraft am vorderen Anschlag16 gehalten. Anschließend wird in einer ersten Version der Erfindung der Steuerstrom wieder ausgeschaltet, das Magnetfeld im Elektromagneten6 fällt zusammen. Der nächste Zyklus startet dann wieder mit einer Voreinschaltungsstufe12 . - In
3 ist ein alternativer Verlauf der Stromstärkekennlinie7 gezeigt: Der Haltestrom11 wird nicht direkt bis auf Null zurückgefahren, sondern es ist als weitere Stufe eine Vorabsenkungsstufe13 vorgesehen, die vor dem eigentlichen Abschaltzeitpunkt14 einsetzt. Dadurch wird der Abfall des Magnetfeldes beschleunigt. Bei Abschalten des Steuerstroms wird somit die entgegen der Feder5 wirkende elektromotorische Kraft auf den Absperrkörper2 schneller abgebaut, die Feder5 kann dadurch schneller entspannen. Die Rückbewegung des Absperrkörpers2 ist somit beschleunigt. In dieser Ausbildung sind daher sowohl die Hin- als auch die Rückbewegung des Absperrkörpers2 beschleunigt. Es wird dabei sowohl eine größere Beschleunigung als auch eine größere Geschwindigkeit der Rückbewegung des Absperrkörpers2 erreicht. In der Vorabsenkungsstufe13 befindet sich der Absperrkörper2 noch in der gleichen Stellung am vorderen Anschlag16 wie während der Haltestufe11 , die Feder5 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 Absperrkörpers
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 (9)
- Schnell schaltendes 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 Ansteuerungs- Stufe (12 ) derart dosierbar ist, daß der Absperrkörper (2 ) durch diese elektromotorische Kraft entgegen der Federvorspannung beaufschlagt, jedoch noch nicht in Bewegung ist, wobei die Vorlaufzeit der ersten Stufe (12 ) kleiner als eine Millisekunde ist, und vor einer Beschleunigungsstufe (9 ) einsetzt. - Schnell schaltendes Regelorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftbeaufschlagung des Absperrkörpers (
2 ) ein Steuerstrom, der einen oder mehrere Elektromagnete (6 ) ansteuert, in mehreren Stufen (9 ;10 ;11 ;12 ;13 ) über die Zeit variabel ist. - Schnell schaltendes 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. - Schnell schaltendes 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. - Schnell schaltendes Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom (
7 ) den Absperrkörper (2 ) mit einer Kraft beaufschlagt, die der Differenz aus der Federvorspannung und einer Sicherheitsmarge entspricht. - Schnell schaltendes Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (
1 ) ein periodisch zu betätigendes Ventil ist. - Schnell schaltendes Regelorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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 5 ausgebildet ist. - Verfahren zum Betreiben eines schnell schaltenden 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, wobei die erste Stufe kürzer als eine Millisekunde ist.
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DE10249559A1 DE10249559A1 (de) | 2004-05-19 |
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Families Citing this family (1)
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19818126A1 (de) * | 1998-04-23 | 1999-10-28 | Schaeffler Waelzlager Ohg | Magnetventil und Verfahren zur Steuerung eines Magnetventils |
-
2002
- 2002-10-24 DE DE2002149559 patent/DE10249559B4/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19818126A1 (de) * | 1998-04-23 | 1999-10-28 | Schaeffler Waelzlager Ohg | Magnetventil und Verfahren zur Steuerung eines Magnetventils |
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