DE112012001810T5 - Schubumluftventil - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schubumluftventil (1) mit einem Gehäuse (2), das einen Gehäuseinnenraum (3) begrenzt; mit einer Membran (4), die eine Membranfläche (AO) aufweist, und die den Gehäuseinnenraum (3) in eine erste Kammer (5) und eine zweite Kammer (6) unterteilt; und mit einem Ventilstempel (7) der eine Stempelfläche (AU) aufweist, der über eine Ventilstange (8) mit der Membran (4) verbunden ist, und der mittels einer Feder (9) in eine Schließstellung vorbelastet ist, wobei die Membranfläche (AO) größer ist als die Stempelfläche (AU).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schubumluftventil gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Schubumluftventils gemäß Anspruch 5.
• Schubumluftventile werden bei mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Motoren verwendet, um verhindern zu können, dass bei einer Gaswegnahme, bei der sich die Drosselklappe schließt, der Verdichter des Abgasturboladers beginnt zu pumpen, da er aufgrund seiner Massenträgheit Luft gegen ein durch die Drosselklappe nahezu geschlossenes Volumen fördert. Dies hätte den negativen Effekt zur Folge, dass die Drehzahl des Abgasturboladers sehr schnell abnehmen würde. Das Schubumluftventil öffnet ab einem bestimmten Druck, so dass die Luft zum Verdichtereintritt rückgeführt werden kann. Dadurch bleibt die Drehzahl des Abgasturboladers hoch und bei einem anschließenden Beschleunigungsvorgang steht sofort wieder Ladedruck zur Verfügung.
• Bei bisher bekannten Schubumluftventilen erfolgt die Öffnung über den Unterdruck hinter der Drosselklappe, der entsteht, wenn die Drosselklappe schließt.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schubumluftventil zu schaffen, dessen Betriebscharakteristik verbessert ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. die Merkmale des Anspruchs 5.
• Erfindungsgemäß wird das Schubumluftventil über den Ladedruck am Druckstutzen des Turboladers bzw. der Spirale des Verdichters geöffnet. Das erfindungsgemäße Schubumluftventil schließt ab einer wählbaren Druckdifferenz wieder automatisch.
• Die Unteransprüche 2 bis 4 haben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schubumluftventils zum Inhalt.
• In Anspruch 5 ist ein Verfahren zum Steuern eines Schubumluftventils definiert.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
• 1 eine schematisch stark vereinfachte Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Schubumluftventils in seiner (aktiv geschlossenen) Grundstellung.
• Die 2 bis 5 der 1 entsprechende Darstellungen des Schubumluftventils in unterschiedlichen Betriebszuständen, und
• 6 und 7 eine der 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schubumluftventils.
• In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils 1 dargestellt, das, wie eingangs erläutert, bei einem Verbrennungsmotor mit Aufladung durch einen Abgasturbolader verwendbar ist. Der Motor und der Abgasturbolader sind in den Figuren nicht näher dargestellt, da sie für die Erläuterung der Prinzipien vorliegender Erfindung nicht erforderlich sind.
• Das Schubumluftventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das einen Gehäuseinnenraum 3 umfasst.
• Im Gehäuseinnenraum 3 ist eine Membran 4 zwischen Gehäusehälften 2A und 2B eingespannt. Somit trennt die Membran 4 den Gehäuseinnenraum 3 in eine erste Kammer 5 und eine zweite Kammer 6, wobei aufgrund der in 1 gewählten Darstellung die erste Kammer 5 die obere Kammer ist, während die zweite Kammer 6 die untere Kammer darstellt.
• Das Schubumluftventil 1 weist ferner einen Ventilstempel 7 auf, der über eine Ventilstange 8 mit der Membran 4 verbunden ist. Zwischen der Membran 4 und einer unteren Gehäusewandung 2C ist eine Feder 9 angeordnet, die den Ventilstempel 7 in seine in 1 dargestellte Schließstellung (bzw. aktiv geschlossene Grundstellung) vorbelastet.
• 1 verdeutlicht ferner, dass das Gehäuse 2 einen Druckanschluss 10 für die erste Kammer 5 und einen Druckanschluss 11 für die zweite Kammer 6 umfasst. Schließlich ist eine O-Ringdichtung 13 vorgesehen, die die beiden Gehäusehälften 2A und 2B gegeneinander abdichtet.
• Wie aus 1 ferner ersichtlich ist, weist die Membran 4 eine Membranfläche A_O auf und der Ventilstempel 7 weist eine Stempelfläche Au auf. Erfindungsgemäß ist die Membranfläche A_O größer als die Stempelfläche Au.
• Das Schubumluftventil 1 ist an einer schematisch vereinfacht dargestellten Spirale S eines in 1 nicht im Einzelnen dargestellten Verdichters angeordnet, in der ein Druck p₂ vorliegt. In der ersten Kammer liegt ein Kammerdruck p_K vor, der entweder den Wert p₁ oder den Wert p₂ der Spirale S annehmen kann.
• 2 zeigt einen Betriebszustand zum Öffnen der ersten bzw. oberen Kammer 5, wozu in diese Kammer 5 der Druck p₂ eingeleitet wird. Dies ergibt folgende Kräfteverhältnisse: ΔF = F_O – F_U – F_C = A_Op₂ – A_Op₁ – (A_Up₁ – (A_Up₂ – A_Up₁) – F_C = A_O(p₂ – p₁) – A_U(p₂ – p₁) – F_C = ΔA·Δp – F_C mit ΔA = A_O – A_U; Δp = p₂ – p₁ und F_C = F₁ + c·x und x = 0 ist: ΔF > 0, da A_O > A_U, wenn ΔA Δp > F₁.
• 3 zeigt das Schubumluftventil 1 in der aktiv geschlossenen Grundstellung, wozu zum Schließen der Druck p₁ in die obere Kammer 5 eingeleitet wird. Hieraus ergeben sich folgende Kraftverhältnisse: ΔF = F_O – F_U – F_C = A_Op_K – A_Op₁ – (A_Up₂ – A_Up₁) – F_C = (p₁ – p₂)·A_U – F_C = –Δ_p·A_U – F₁ < 0!, da Δp = p₂ – p₁ > 0.
• In dieser Situation bleibt das Schubumluftventil 1 fest verschlossen.
• Als ein Beispiel für die Dimensionierung der Flächen kann Folgendes dienen: A_O = 2·A_U; d_U = 20 mm ⇒ A_U = 314 mm² A_O = 628 mm² F₁ = 1 N
• In 4 sind die Kraftverhältnisse zum Öffnen des Schubumluftventils 1 dargestellt. Hierzu wird der Druck p₂ aus der Spirale S in die obere Kammer 5 eingeleitet. Unter Zugrundelegung der beispielhaften Werte der 3 ergibt sich folgende Situation: Δp_min: Δp > F₁/ΔA > 1 N/314 mm² = 31.8 mbar ⇒ ist Δp_min = p₂ – p₁ > 31.8 mbar.
• In dieser Betriebssituation schaltet bzw. öffnet das Schubumluftventil 1.
• In 5 ist eine Betriebsposition dargestellt, in der das Schubumluftventil 1 geöffnet ist und sich unter der Zugrundelegung folgender Beispielswerte folgende Druckdifferenz Δp ergibt: A_O = 2·A_U; d_U = 20 mm ⇒ A_U = 314 mm² A_O = 628 mm² F_C = 1 N + 0.1 N/mm·5 mm = 1.5 N Δp < F_C/ΔA = 1.5 N/314 mm² < 47.8 mbar.
• Bei der zuvor erläuterten Druckdifferenz Δp schließt das Schubumluftventil 1 wieder, wobei in der oberen bzw. ersten Kammer 5 nach wie vor der Druck p₂ vorliegt.
• In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schubumluftventils 1 dargestellt. Alle Merkmale, die denjenigen der 1 bis 5 entsprechen, sind mit den selben Bezugsziffern versehen, so dass insoweit auf die voranstehende Beschreibung verwiesen werden kann.
• Das Schubumluftventil 1 gemäß den 6 und 7 ist mit einem integrierten Magnetventil 12 versehen, das einen Magneten 12A und eine Spule 12B umfasst, die schematisch vereinfacht in den 6 und 7 dargestellt sind.
• Die Spule ist mit einem 2 Pin-Stecker 14 versehen.
• Ferner verdeutlicht die Darstellung der 6 und 7, dass der Druckanschluss 10 in die erste Kammer 5 über die Ventilstange 8 erfolgt.
• 6 zeigt die aktiv geschlossene Grundstellung des Schubumluftventils 1, bei der der Magnet 12A nicht aktiviert ist und mithin den Druckanschluss 10 in der Ventilstange 8 schließt. Dementsprechend liegt in der ersten Kammer 5 und der zweiten Kammer jeweils der Druck p₁ an.
• 7 zeigt demgegenüber eine Grundstellung des Schubumluftventils 1 zu seiner Öffnung, in der der Magnet 12A angezogen ist, so dass der Druckanschluss 10 freigegeben ist. Dementsprechend liegt in dieser Stellung in der Kammer 5 der Druck p₂ der Spirale S vor, während in der Kammer 6 der Druck p₁ anliegt. Diese Betriebsposition stellt die Grundstellung des Schubumluftventils 1 zum Öffnen dar.
• Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 7 verwiesen.
• Bezugszeichenliste

1

Schubumluftventil

2

Gehäuse

2A, 2B

Gehäusehälften

3

Gehäuseinnenraum

4

Membran

5

erste Kammer

6

zweite Kammer

7

Ventilstempel

8

Ventilstange

9

Feder

10, 11

Druckanschlüsse

12

Magnetventil

12A

Magnet

12B

elektrische Spule

13

O-Ring

14

2 PIN-Stecker

A_O

Fläche der Membran 4

A_U

Fläche des Ventilstempels 7

p₁

erster Steuerdruck

p₂

zweiter Steuerdruck

p_K

Druck in der Kammer 5 (entweder p₁ oder p₂)

F_O

Membrankraft

F_U

Stempelkraft

F_C

Federkraft

c

Federkonstante

F₁

Federvorspannkraft

Δp_min

minimale Druckdifferenz zum Öffnen des Schubumluftventils

Claims (6)

1. Schubumluftventil (1) – mit einem Gehäuse (2), das einen Gehäuseinnenraum (3) begrenzt; – mit einer Membran (4), – die eine Membranfläche (A_O) aufweist, und – die den Gehäuseinnenraum (3) in eine erste Kammer (5) und eine zweite Kammer (6) unterteilt; und – mit einem Ventilstempel (7) – der eine Stempelfläche (Au) aufweist, – der über eine Ventilstange (8) mit der Membran (4) verbunden ist, und – der mittels einer Feder (9) in eine Schließstellung vorbelastet ist, – wobei die Membranfläche (A_O) größer ist als die Stempelfläche (A_U).
2. Schubumluftventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Kammer (5, 6) jeweils einen Druckanschluss (10 bzw. 11) aufweisen.
3. Schubumluftventil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein integriertes, im Gehäuseinnenraum (3) angeordnetes Magnetventil (12).
4. Schubumluftventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (12) in der zweiten Kammer (6) angeordnet ist.
5. Verfahren zur Steuerung eines Schubumluftventils (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Öffnung des Ventilstempels (7) der Druck in einem Ladestutzen eines Abgasturboladers verwendet wird.
6. Verfahren zur Steuerung eines Schubumluftventils (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Öffnung des Ventilstempels (7) der Druck in der Verdichterspirale eines Abgasturboladers verwendet wird.

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