DE19623960A1

DE19623960A1 - Elektropneumatischer Druckwandler

Info

Publication number: DE19623960A1
Application number: DE1996123960
Authority: DE
Inventors: Dietmar Lange; Tilman Dipl Ing Miehle; Harald Dipl Ing Laue
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1996-06-15
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2016-06-16
Also published as: DE19500567A1; EP0722061A2; EP0722061A3; DE19623960B4; DE19500567B4

Description

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Druckwandler mit einem Magnetventil nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

In der DE 195 00 567.8 ist ein elektropneumatischer Druckwandler beschrieben, mit dem ein zwischen ei nem Umgebungsdruck und einem vorgebbaren Unterdruck liegender Verbraucherdruck (Verbraucherunterdruck) bereitgestellt werden kann. Die Höhe des Ver braucherdrucks wird über einen Steuerstrom einge stellt, mittels dem ein Spulenkörper eines Magnet ventils beaufschlagt wird. Eine dem Steuerstrom proportionale Magnetkraft hält einen Anker gegen einen Dichtsitz, der einen mit dem Umgebungsdruck verbundenen Anschluß von einem Anschluß abdichtet, an dem der Verbraucherdruck anliegt. Bei den be kannten Magnetventilen ist dieser Dichtsitz bereits im stromlosen Zustand geschlossen. Hierbei ist nachteilig, daß durch systemimmanente Undichtigkei ten zwischen einem mit dem Unterdruck beaufschlag baren Anschluß und dem den Verbraucherdruck aufwei senden Anschluß, an diesem im stromlosen Zustand des Magnetventils ein relativ großer Verbraucherun terdruck anliegt. Dies kann bei empfindlichen An wendungen, bei denen bereits ein kleiner Verbrau cherunterdruck, beispielsweise zum Auslösen von Schaltfunktionen, ausreicht, zu Fehlfunktionen füh ren.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektropneumatische Druckwand ler mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bie tet demgegenüber den Vorteil, daß im stromlosen Zu stand des Magnetventils der Unterdruck an dem zu dem Verbraucher führenden Anschluß des elektropneu matischen Druckwandlers abgesenkt werden kann. Da durch, daß im stromlosen Zustand des Magnetventils der Anker in einem Abstand zu seinem Anschlag ge halten ist, stellt sich über diese somit offene Verbindung zu dem mit Umgebungsdruck beaufschlagba ren Anschluß des Magnetventils ein Druckausgleich innerhalb des elektropneumatischen Druckwandlers ein, der die Undichtigkeiten zwischen dem mit dem Unterdruck beaufschlagbaren Anschluß und dem den Verbraucherdruck aufweisenden Anschluß zumindestens zum Teil kompensiert. Hieraus resultiert insgesamt ein geringerer, am Verbraucheranschluß anliegender Verbraucherunterdruck.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausfüh rungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsge mäßen elektropneumatischen Druckwandlers und

Fig. 2 eine Ausgangskennlinie des elektropneuma tischen Druckwandlers.

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichneten elektropneumatischen Druckwandler, mit einem pro portional arbeitendem Magnetventil 11. Der elektro pneumatische Druckwandler 10 besitzt ein Gehäuse 12, innerhalb dem eine Magnetspule 14 angeordnet ist. Die Magnetspule 14 wird von einem Magnettopf 16 umgriffen. Die Magnetspule 14 nimmt einen Ma gnetkern 18 auf, durch den eine axiale Durchgangs öffnung 20 führt. Die Durchgangsöffnung 20 ist mit einem Stutzen 22 verbunden, an dem Umgebungsdruck P_ATM anliegt. Zwischen dem Stutzen 22 und der Durchgangsöffnung 20 ist ein Filter 24 zur Luftrei nigung angeordnet.

Der Magnetkern 18 wird von einem Joch 26 über spannt, in dem ein Anker 28 gehalten ist. Der Anker 28 ist durch ein hier nicht näher dargestelltes biegeelastisches Halteelement am Joch 26 befestigt, wie es beispielsweise in der DE 195 00 567.8 be schrieben ist. Das Joch 26 besitzt eine Ausformung 30, innerhalb der ein Federelement 32 angeordnet ist, das sich einerseits an einem Boden der Ausfor mung 30 und andererseits an dem Anker 28 abstützt.

Ein Spulenkörper 17 bildet einen Anschlag 34 aus, gegen den der Anker 28 mittels einer elektromagne tischen Anzugskraft F_M bewegbar ist. Im unbestrom ten Zustand der Magnetspule 14 ist zwischen dem An ker 28 und dem Anschlag 34 ein Ringspalt 36 vorge sehen.

Das biegeelastische Halteelement übt eine Halte kraft auf den Anker aus, die diesen in einer Hori zontalen hält. Die Federkraft des Federelementes 32 ist so bemessen, daß eine Auslenkung des Ankers in Richtung des Anschlages 34 durch diese Federkraft nicht erfolgt. Die Größe des Ringspaltes 36 kann durch eine plastische Verformung des biegeelasti schen Halteelementes bei dessen Herstellung einge stellt werden.

Der elektropneumatische Druckwandler 10 besitzt ferner einen Stutzen 38, der von einer nicht darge stellten Unterdruckquelle mit einem Versorgungsun terdruck P_U beaufschlagbar ist. Darüber hinaus ist ein weiterer Stutzen 40 vorgesehen, an dem sich ein Verbraucherdruck P_V einstellt. Der Stutzen 40 ist mit einem Filter 66 versehen. Der Stutzen 40 ist strömungsmäßig mit einem Ringraum 42 verbunden, in dem ein Membranteller 44 gelagert ist. Der Membran teller 44 besitzt eine den Stutzen 38 umgreifende Durchgangsöffnung 46. Der Membranteller 44 seiner seits umgreift einen Topf 48, der durch die Kraft eines Federelementes 50 gegen einen Bund 52 des Membrantellers gedrückt ist, so daß sich dort ein Dichtsitz 54 ausbildet. Der Topf 48 trägt zur Aus bildung des Dichtsitzes 54 einen elastischen Dich tungseinsatz 55. Ein zwischen dem Membranteller 44 und dem Topf 48 ausgebildeter Ringraum 56 ist über eine Durchgangsöffnung 58 durch den Membranteller 44 mit dem Ringraum 42 verbunden. Der Ringraum 56 seinerseits ist strömungstechnisch über den Ringspalt 36 und die Durchgangsöffnung 20 mit dem Umgebungsdruck P_ATM beaufschlagt. Der Topf 48 um gibt einen Innenraum 49, der über eine Durchgangs öffnung 31 mit der Ausformung 30 in Verbindung steht. Der Innenraum 49 steht ferner mit dem Ring raum 56 in Verbindung.

Der Membranteller 44 ist gegen die Kraft eines Fe derelementes 60 innerhalb des Ringraumes 42 beweg bar. Gelagert ist der Membranteller 44 über eine in dem Gehäuse 12 dicht festgelegte Membran 62.

Der Magnetkern 18 ist über ein Gewinde 64 höhenver stellbar, so daß der Abstand zwischen dem Anschlag 34 und dem Anker 28 und damit die Weite des Ringspaltes 36 variiert werden kann, sowie durch die Verstellung des Magnetkerns 18 der Einfluß der Anzugskraft F_M auf den Anker 28 insgesamt einge stellt werden kann.

Das in Fig. 1 gezeigte Magnetventil 10 übt fol gende Funktion aus:
Im Ausgangszustand ist die Magnetspule 14 stromlos geschaltet, das heißt ein effektiver Steuerstrom I_eff = 0. Hierdurch liegt über den Stutzen 22, die Durchgangsöffnung 20 sowie dem Ringspalt 36 in dem Ringraum 56 Umgebungsdruck P_ATM, an. An dem Stutzen 38 ist die Unterdruckquelle angeschlossen, so daß über die Durchgangsöffnung 46 des Membrantellers 44 der Unterdruck in dem Ringraum 42 anliegt. Der Ringraum 42 wird hierdurch evakuiert, so daß der Membranteller 44 angehoben wird. Der Topf 48 folgt dieser Bewegung aufgrund der Federkraft der Feder 50, bis der Dichtungseinsatz 55 an dem Stutzen 38 anliegt und ein Ventilsitz 68 schließt. Über die Durchgangsöffnung 58 erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem Ringraum 42 und dem Ringraum 56, so daß der Membranteller 44 durch die Kraft des Feder elementes 60 nach unten gedrückt wird und sich der Ventilsitz 68 wieder öffnet. Hierauf wird der Ring raum 42 erneut evakuiert, so daß dieser Vorgang sich wiederholt. Dieser Vorgang wiederholt sich permanent, so daß der Membranteller 44 und der Topf 48 mit einer bestimmten Frequenz flattern.

Durch den im Ringraum 56, über die Durchgangsöff nung 20 und dem Ringspalt 36, anliegenden Umge bungsdruck P_ATM während dieses permanenten Flat terns wird erreicht, daß sich an dem Stutzen 40, der strömungsmäßig mit dem Ringraum 42 verbunden ist, nur ein relativ geringer Verbraucherunterdruck P_V einstellt, da ein Druckausgleich mit dem Umge bungsdruck P_ATM zusätzlich erfolgt. Gegenüber dem stand der Technik, bei dem der Anker 28 im stromlo sen Zustand der Magnetspule 14 auf dem Anschlag 34 dichtend aufliegt, und der zusätzliche Druckaus gleich nicht erfolgt, können somit durch die Funk tion des elektropneumatischen Druckwandlers be dingte Undichtigkeiten zu großen Teilen vom Umge bungsdruck P_ATM kompensiert werden. Der im Ruhezu stand am Stutzen 40 anliegende Verbraucherunter druck P_V ist somit gegenüber dem Stand der Technik verringert. Damit kann das Arbeitsvermögen eines über den Verbraucherunterdruck P_V angesteuerten Stellgliedes, beispielsweise ein Abgasrückführungs ventil eines Kraftfahrzeuges, vollständiger ausge nutzt werden.

Der an dem Stutzen 40 anliegende Verbraucherunter druck P_V kann durch Bestromung der Magnetspule 14 mit dem Stellstrom I_eff geregelt werden. Als Stell strom I_eff kann Gleichstrom, Wechselstrom oder pulsbreitenmodulierter Strom verwendet werden. Bei Ansteigen des Stellstromes I_eff steigt die Anzugs kraft F_M an, bis sie bei einem bestimmten Wert des Stellstromes I_eff so groß geworden ist, daß der An ker 28 gegen den Anschlag 34 gezogen wird. Durch die Aufhängung des Ankers 28 an dem biegeelasti schen Halteelement kann dieser ausgelenkt werden. Durch den hiermit vorerst fehlenden Druckausgleich zwischen dem Umgebungsdruck P_ATM und dem Ringraum 56 findet zwischen dem Ringraum 42 und dem Ringraum 56 über die Durchgangsöffnung 58 ein Druckausgleich statt, so daß der Membranteller 44 durch die Kraft des Federelementes 60 nach unten gedrückt wird. Der Bund 52 drückt gleichzeitig den Topf 48 gegen die Kraft der Feder 50 nach unten, so daß über den nun mehr offenen Ventilsitz 68 der Unterdruck über den Ringraum 42 einen Verbraucherunterdruck P_V am Stut zen 40 einstellt. Dieser sich einstellende Verbrau cherunterdruck P_V liegt über der Durchgangsöffnung 58, den Ringraum 56, den Ringraum 49 sowie der Durchgangsöffnung 31 an der Oberseite des Ankers 28 an. Ist die Druckdifferenz zwischen dem sich ein stellenden Verbraucherunterdruck P_V und dem Umge bungsdruck P_ATM so groß, daß der Umgebungsdruck P_ATM den Anker 28 gegen die Anzugskraft F_M und die Kraft des Federelementes 32 vom Anschlag 34 abhebt, findet über den sich einstellenden Ringspalt 36 eine Belüftung des Systems statt, so daß der Ver braucherunterdruck P_V auf einen konstanten Wert eingeregelt werden kann, da der Ringspalt 36 auf grund der Druckverhältnisse abwechselnd öffnet be ziehungsweise schließt. Die Größe des eingeregelten Verbraucherunterdruckes P_V wird durch die Höhe des Steuerstromes I_eff gesteuert, da dieser die Anzugs kraft F_M bestimmt, die dem Umgebungsdruck P_ATM ent gegengesetzt wird.

Soll der Verbraucherunterdruck P_V verringert wer den, so wird der Steuerstrom I_eff reduziert. Die hiermit verbundene Abnahme der Anzugskraft F_M be wirkt, daß der von außen anliegende Umgebungsdruck P_ATM den Anker 28 von dem Anschlag 34 abhebt und über den Ringspalt 36 Umgebungsluft in den Ringraum 56 einströmen kann. Die einströmende Umgebungsluft drückt den Membranteller 44 nach oben, wodurch der Topf 48 mittels der Kraft des Federelementes 50 mit seinem Dichtungselement 55 den Ventilsitz 88 schließt. Über die Durchgangsöffnung 58 findet eine Druckerhöhung im Ringraum 42 und somit am Stutzen 40 statt.

Soll der Verbraucherunterdruck P_V sehr rasch abge lenkt werden, erfolgt durch Abschalten des Steuer stromes I_eff eine Aufhebung der Anzugskraft F_M, so daß über den Ringspalt 36 ein sehr schneller Druck anstieg in den Ringraum 56 erfolgt. In diesem Falle erfolgt über die Durchgangsöffnung 58 der Druckaus gleich zwischen dem Ringraum 42 und 56 nicht rasch genug. Aufgrund des herrschenden Druckunterschiedes zwischen dem Ringraum 56 und dem Ringraum 42, wird der Membranteller 44 entgegen der Kraft des Feder elementes 60 nach oben bewegt, so daß sich zusätz lich der Dichtsitz 54 öffnet. Hierdurch wird eine Verbindung großen Querschnitts zwischen den Ring räumen 56 und 42 erreicht, so daß eine schnelle Be lüftung des Ringraumes 42 und damit des Stutzens 40 erfolgen kann.

In der Fig. 2 ist ein Vergleich der Ausgangskenn linien des erfindungsgemäßen elektropneumatischen Druckwandlers und eines aus dem Stand der Technik bekannten elektropneumatischen Druckwandlers ge zeigt. Es ist der Verbraucherunterdruck P_V in Ab hängigkeit des Steuerstromes I_eff dargestellt. Die durchgezogene Linie charakterisiert den erfindungs gemäßen elektropneumatischen Druckwandler und die gestrichelt dargestellte Linie den elektropneumati schen Druckwandler nach dem Stande der Technik. Es wird deutlich, daß wenn der Steuerstrom I_eff den Wert 0 annimmt, der erfindungsgemäße elektropneuma tische Druckwandler einen deutlich geringeren Ver braucherunterdruck P_V bereitstellt. Somit können mit diesem elektropneumatischen Druckwandler be reits Stellglieder angesteuert werden, die im Be reich von geringen Verbraucherunterdrücken P_V ar beiten.

Darüber hinaus wird eine anfänglich fast horizon tale Kennlinie erzielt, die bei einem Wert I_eff1 in eine nahezu linear ansteigende Kennlinie übergeht. Der Wert I_eff1 charakterisiert den Steuerstrom, bei dem die Anzugskraft F_M so groß wird, daß der Anker 28 angezogen wird und den Ringspalt 36 verschließt.

Claims

1. Elektropneumatischer Druckwandler mit einem Ma gnetventil, das eine Magnetspule sowie einen gegen einen, einen Dichtsitz bildenden Anschlag ver schiebbar geführten Anker aufweist, wobei der Anker mittels eines biegeelastischen Halteelementes ge halten ist, nach DE 195 00 567.8, dadurch gekenn zeichnet, daß im stromlosen Zustand der Magnetspule (14) der Anker (28) in einem Abstand zu dem An schlag (34) gehalten ist, so daß sich ein Ringspalt (36) zwischen einem mit Umgebungsdruck (P_ATM) be aufschlagbaren Bereich und einem mit Unterdruck (P_U) beaufschlagbaren Bereich des elektropneumati schen Druckwandlers (10) ergibt.

2. Elektropneumatischer Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (36) durch das biegeelastische Halteelement einstellbar ist.

3. Elektropneumatischer Druckwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Anker (28) in einer Horizontalen haltenden Federkraft des Halteelementes größer ist als eine senkrecht auf den Anker (28) wirkende Fe derkraft eines den Anker (28) in Richtung des An schlages (34) drückenden Feder (32).