DE2063340A1 - Elektromagnetisches Drosselventil mit Selbstverstärkung - Google Patents

Description

• Elektromagnetisches Drosselventil mit Selbstverstärkung Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches, insbesondere für einen hydraulischen Spritzversteller einer Einspritzpumpe vorgesehenes Drosselventil zur Einstellung des Arbeitsdruckes eines hydraulischen Druckmittels auf einen Wert, der unterhalb des durch eine Förderpumpe bereitgestellten Druck-Höchstwertes liegt, mit einem Elektromagneten, einem zum Elektromagneten gehörenden Anker und mit einer Drosselstelle, die von einem Spalt zwischen einer Ringsitzfläche am Anker und einer Ringsitzfläche am Magnetgestellt des Elektromagneten gebildet wird, sowie mit einer Ankerrückstellfeder, die bestrebt ist, den Spalt zu vergrößern.
• Bei derartigen Drosselventilen besteht das technische Problem darin,daß sich der Anker unter dem Einfluß des von einem Erregerfluß hervorgerufenen magnetischen Feldes stetig um so mehr dem Kern nähern soll, je größer die Magnetkraft wird, wobei es wesentlich-ist, daß der Anker sich in jeder Lage gegenüber dem Magnetgestell bzw. dem Magnetkern in einem stabilen Kräftegleichgewicht befindet. Dies läßt sich bei einem Drosselventil der eingangs beschriebenen Art dadurch erreichen, daß erfindungsgemäß der Anker im Zentrum einer scheibenförmigen, an ihrem Rande eingespannten Membran geführt ist, die an ihrer vom Spalt abgekehrten Rückseite vom statischen Druck des ruhenden Druckmittels beaufschlagt wird, wohingegen auf ihrer Vorderseite eine Druckfeldstörung wirksam ist, die von dem durch den Spalt abfließenden Druckmittel in Abhängigkeit von der Durchflußmenge bzw. der Spaltbreite erzeugt wird.
• Vorteilhaft kann bei einer derartigen Anordnung das Druckmittel durch eine zentrale Längsbohrung im Kern des Elektromagneten zugeführt und durch eine ebenfalls zentrale, den Anker durchsetzende Bohrung auf der Rückseite der den Anker führenden Membran zur Wirkung gebracht werden. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Wirkdurchmesser der auf der Rückseite der Membran wirksamen Druckkräfte mindestens so groß wie der Innendurchmesser der Ringsitzflächen ist. Das der Erfindun6 zugrundeliegende Bestreben, den Anstieg der von der Membran und der Feder ausgeübten, in Öffnungsrichtung wirkenden Kräfte steiler zu machen als den Anstieg der Magnetkraft und der durch Störung des Druckfeldes entstehenden hydraulischen Kraft, kann besonders dadurch gefördert werden, daß die Membran gegenüber ihrer unverspannten Mittellage durch die Ankerrückstellfeder um mindestens ein Drittel der Spaltweite in Öffnungsrichtung bei fehlender Magnetkraft vorgespannt ist. Dann wirkt nämlich bei zunächst voll geöffnetem Drosselspalt die eigene Rückstellkraft der Membran der Druckkraft der Rückstellfeder entgegen, nimmt dann mit zunehmender Verkleinerung des Spaltes ab und addiert sich schließlich mit kleiner werdenden Spaltbreiten zur Rückstellkraft der Ankerrückstellfeder, sobald bei der Spaltverkleinerung die vorher geschilderte unverspannte Nulllage unterschritten wird.
• Es hat sich gezeigt, daß besonders bei kleinen Werten des Buftspaltes die Gefahr besteht, daß der Anker mit seiner Längsachse aus der für ihn vorgesehenen koaxialen Lage in einer Art Kippvorgang schräggestellt werden kann, was zu einer Reibung an den Sitzflächen und demzufolge zu einer Hysterese des Ventils führen kann. Um dies zu vermeiden, ist in weiterer Aus ges taltung der Erfindung vorgesehen, daß auf der dem Spalt zugekehrten Vorderseite der Membran ein biegesteifer Nembranring angeordnet ist, dessen als Stützfläche der Membran bei kleinsten Spaltbreiten dienende, der Membran zugekehrte Stirnseite konisch vom Membranrand gegen den Anker hin verjüngt ist. Eine sowohl in hydraulischer als auch in magnetischer Hinsicht besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn in Weiterbildung der. Erfindung die dem Kern bzw. dem Magnetgestellt des Elektromagneten zugekehrte Stirnseite des Ankers in zwei zueinander konzentrische Polflächen unterteilt ist,.von denen die innere dem Kern und die äußere einem mit dem Eisenmantel des Elektromagneten verbundenen Polring gegenübersteht. Zweckmaßig können die Polflächen des Ankers in einer gemeinsamen Ebene feinstbearbeitet, insbesondere geläppt sein.
• In der Nähe der Schließlage des Ankers kann man einem allzu steilen Anstieg der Magnetkraft dadurch entgegenwirken und die Stellung des Ankers abhängig von dem Erregerstrom beeinflussen, daß die axiale Stärke des SuStspaltes zwischen dem Kern und der inneren Polfläche größer gewählt wird als diejenige zwischen der äußeren Polfläche des Ankers und dem Polring.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, eines elektromagnetischen Drosselventils, näher beschrieben und erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 das Drosselventil in seinem axialen Längsschnitt, Fig. 2 einen stark-vergrößerten Teil des Ankers mit dem gegenüberliegenden Polring im Querschnitt und jeweils ausschmittsweise; Fig. 3 zeigt ausschnittsweise eine abgewandelte Ausführungsform für die Führung des Ankers; in Fig. 4 ist ein besonders raumsparender Einbau des Drosselventils in einem Stellkolben dargestellt.
• Das dargestellte Drosselventil zeigt eine Verwendung im hydraulischen Stellglied eines Spritzverstellers für eine nicht dargestellte Einspritzpumpe. Das Drosselventil dient dazu, den Arbeitsdruck eines im Zylinder des Spritzverstellers wirksamen, hydraulischen Druckmittels derart einzustellen und dabei auf einen unterhalb des von einer Pumpe bereitgestellten Druck-Höchstwertes zu reduzieren, daß der Arbeitskolben entgegen der Kraft einer Rückstellfeder so weit verschoben wird, daß sein Verstellweg einen festgelegten Zusammenhang mit einer elektrischen Stellgröße hat.
• Im einzelnen enthält das Drosselventil einen topfförmigen Elektromagneten mit einer Erregerwicklung 10, einem von der Erregerwicklung umgebenen, rohrförmigen Eisenkern 11 und einen vom Gehäuse 12 des Drosselventils gebildeten Mantel, der mit dem Kern 11 über einen an diesem angebrachten1 flanschartigen Ansatz 13 in magnetisch gut leitender Verbindung steht. Auf dem Gehäuse 12 sitzt der Arbeitszylinder 14 eines im einzelnen nicht näher dargestellten Spritzverstellers einer Einspritzpumpe, die mit dem bei 15 angedeuteten, im Zylinder 14 geführten Arbeitskolben und einer an diesem angreifenden Rückstellfeder auf die jeweils gewünschte Spritzphase eingestellt werden kann. Hierzu wird dem Drosselventil über die Einlaßbohrung 16 ein hydraulisches Druckmittel zugeführt, das von einer nicht dargestellten Pumpe mit einem Höchstdruck von etwa 10 atü bereitgestellt wird.
• Um den an der Stirnseite des Kolbens 15 wirksamen Druck des Druckjnittels in einem großen Bereich von mindestens 1 : 10 verändern zu können, sind im Gehäuse 12 des Drosselventils zwei Auslaufbohrungen 17 und 18 vorgesehen. Dort kann in den angegebenen Pfeilrichtungen um so mehr Druckmittel abfließen und dabei den Arbeitsdruck um so stärker reduzieren, je weiter die diesen Äusflußöffnungen vorgeschaltete Drosselstelle 20 geöffnet ist. Diese Drosselstelle 20 wird von einem Spalt gebildet, der in axialer Richtung durch eine an einem Polring 21 angeordnete, ringförmige Sitzfläche 22 und eine dieser gegenüberstehende ebenfalls ringförmige Sitzfläche 24 in axialer Richtung begrenzt ist. Die zweite Sitzfläche 24 befindet sich an einem aus magnetisch leitendem Material hergestellten Anker 25, welcher mit dem Eisenkern 11 des Elektromagnet-en zusammenarbeitet und unter dem Druck einer Rückstellfeder 27 steht, die bestrebt ist, den Anker in d-er dargestellten Stellung mit voll geöffneter Drosselstelle 20 zu halten Zur Vermeidung von Wirbelströmen sind Einschnite 28 in die Stirnseite 29 des Kerns eingefräst. Der Anker 25 steht dieser Stirnseite 29 mit einer inneren, ringförmigen Polfläche 30 gegenüber, deren zugehörige äußere Polfläche von der Ringsitzfläche 24 gebildet wird.
• Der mit einer zentralen Längsbohrung 32 versehene Anker 25 ist in axialer Richtung verschiebbar mit Hilfe einer an ihrem Rande druckdicht eingespannten Membran 34 geführt. Der Anker sitzt in deren Zentrum und ist druckdicht mit der Membran verbunde. Durch die Bohrung 32 kann das Druckmittel auf die vom Spalt 20 abgekehrte Rückseite der Membran 34 gelangen und dort einen statischen Druck ausüben, der um so höher wird, je enger der Spalt 20 wird, wenn der Anker unter dem Einfluß des von der Erregerwicklung 10 erzeugten fl'agnetfeldes sich dem Kern 11 nähert. Gleichzeitig kann durch den Spalt 20 eine in Fig. 2 mit Q angedeutete Druckmittelmenge abfließen, die an der Sitzfläche des Ankers eine Druckfeldstörung zur Folge hat.
• Hierbei wird eine im Schließsinne auf den Anker 25 einwirkende hydraulische Kraft H erzeugt. Fig 2 zeigt die Entstehung dieser hydraulischen Kraft H infolge des Druckabfalls im Ventilspalt 20. Der Druck im Ventilspalt nimmt üter die Sitzbreite B von P2 auf Null ab, während die Membran 34 mit dem gleichen Druck P1 beaufschlagt wird, der auch an der Stirnfläche des Kolbens 15 wirksam ist. Da die Membran sich sowohl auf den beweglichen Anker 25 als auch mit ihrem Außenrad auf dem Gehäuse bzw. einem Gehäusedeckel 35 abstützt, wirkt sich nur derjenige Teil des auf der Membran stehenden Druckes Pl auf den Anker aus, der dem Wirkdurchmesser DW der Membran 34 entspricht Die hydraulische Kraft H wird um so größer, je größer die Sitzbreite B an der Sitzfläche 24 und je kleiner der äußere Sitzdurchmesser D genäht wird. Beim Betrieb des Drosselvena tils ändert sich die hydraulische Kraft H in der Weise, daß sie um so größer wird, je enger die Spaltweite 5 bei Annäherung des Ankers 25 an den Polring wird und je größer die Durchflußmenge Q wird; mit größer werdenden Durchflußmengen steigt der Druck Pl und der statische Druck P2 im Ventilspalt an.
• Um den Anker 25 in jeder beliebigen, von der jeweiligen Größe des in der Wicklung 10 fließenden Erregerstromes abhängigen Zwischenstellung zwischen der dargestellten Offenstellung und der bei gegenseitiger Anlage der Dichtflächs 22 und 24 erreichten Schließlage stabilisieren zu können, ist als weitere, den magnetischen Kreis betreffende Maßnahme die Stirnfläche 29 des Eisenkerns 11 so weit gegenüber der am Polring 21 sitzenden Dichtfläche 22 zurückversetzt, daß auch in der Schließlage zwischen der inneren Polfläche 30 des Ankers 25 und der Stirnfläche 29 ein geringer Luftspalt verbleibt. Hierdurch ergibt sich auch in unmittelbarer Nähe der SchlieBlage eine ausreichende statische Stabilität des Ankers.
• Dem gleichen Zweck dient eine weitere, auf die resultierende Federkennlinie einwirkende MalJnahme, die darin besteht, daX die Membran 34 derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie bei fehlender magnetischer Erregung von deroann allein wirksamen Anker-Rückstellfeder 27 in der in der Zeichnung wiedergegebenen Offenstellung über ihre mit strichpunktierten Linien angedeutete, unverspannte Lage hinaus um mindestens ein Drittel der Spaltweite S ausgelenkt wird und dabei eine Verspannung erfährt, welche der Kraft der Anker-Rückstellfeder 27 entgegenwirkt. Es ist deshalb bereits bei kleinen Werten des in der Wicklung fließenden Erregerstroms möglich, den Anker aus der dargestellten Offenstellung unter zunehmender Verringerung der Spaltweite 5 dem Eisenkern 11 zu nähern. Hierbei nimmt die elastische Verspannung der Membran 34 mit zunehmender Annäherung an ihre unverspannte Lage ab. Sobald diese Lage jedoch mit zunehmender Annäherung des Ankers an den Eisenkern überschritten wird, entsteht eine sich zu der Kraft der Rückstellfeder 27 addierende Rückstellkraft in der Membran 34, welche bewirkt, daß die resultierende Federkraft mit fortschreitender Verkleinerung des Drosselspaltes 20 erheblich ansteigt. Diese Wirkung wird noch dadurch unterstützt, daß an der dem Spalt zugekehrten Vorderseite der Membran 34 ein biegesteifer Membranring 36 angeordnet ist, welcher an seiner der Membran 34 zugekehrten Stirnseite, die bei kleinsten Spaltweiten als Stützfläche gegen ein Kippen der Membran dient, vom Membranrand gegen den Anker fortschreitend konisch verjüngt ist.
• Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, daß die Membran 34 an ihrem Rand mit dem flembranring 36 verklebt ist. Zur Erzielung einer definierten Klebefläche enthält der Membranring 36 eine ein gestochene Ringnut 38.
• Um die Herstellung zu erleichtern, ist zur Einstellung des Größtwertes der Spaltweite S für den an seinen Ringsitzflächen 24 und 30 plangeläppten Anker 25 ein Distanzring 40 vorgesehen, welcher zwischen dem Polring 21 und dem Membranring 36 eingesetzt ist und für den Austritt des Druckmittels éingeschnittene Radialnuten 41 enthält. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, ohne weitere konstruktive Anderungen das Drosselventil den jeweils vorliegenden Bedürfnissen anzupassen.
• Bei dem in Fig. 3 dargestellten, abgewandelten Ausführungsbeispiel ist für den Anker 45 eine Zwangs-Parallelführung vorgesehen, welche verhindert, daß sich der Anker aus der vorgesehenen koaxialen Lage unter dem Einfluß unsymmetrischer, magnetischer oder hydraulischer Kräfte schrägstellen kann und dem bei einseitiger Anlage mit einem Teil seiner Dichtringfläche auf der gegenüberliegenden Sitzfläche des Polrings anliegt und so eine Hysterese verursacht. Die doppelte Zwangsführung wird dadurch erzielt, daß zusätzlich zu der an ihrer ganzen Scheibenfläche ununterbrochenen Membran 34 eine zu dieser wenigstens annähernd parallele Führungsmenbran 46 vorgesehen wird, die entlang ihrer inneren Randzone durch einen Distanzring 47 und an ihrer äußeren Randzone durch einen sich gegen den Membran ring 36 abstützenden Distanzring 48 festgelegt ist. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann zwischen dem Rand des Schraubdeckels 35 und dem auf dem äußeren Distanzrliig 48 aufliegenden Rand der Führungsmembran 46 ein Dichtring 49 vorgesehen sein. Zweclmäßig enthält die Führungsmembran 46 mehrere über ihre Scheibenfläche verteilte Durchbrüche 50, welche der Druckmittelflüssigkeit den Zugang zu der Rückseite der Membran 34 erlauben.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Drosselventils bestehen darin, daß es innerhalb eines großen Mengenbereichs und eines großen Druckbereiches eine Einstellmöglichkeit im Verhältnis 1 : 10 erlaubt. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Drosselventil nur eine geringe Erregerleistung erforderlich, da auf der Rückseite der Membran eine hydraulische Unterstützung der Schließkraft erzeugt wird. Wegen des geringeren Bedarfs an magnetischer Erregung ist es möglich, eine geringe mechanische und magnetische Trägheit zu erzielen, da sowohl die Ankermasse als auch die Induktivität niedrig gewahlt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in der durch reibungslose Membranaufhängung des Ankers erzielten Hysteresefreiheit.
• Für allgemeine Anwendungsfälle der Erfindung kann man bei einer im übrigen unverändert iibernommenen Anordnung nach Fig. 1 anstelle des hydraulischen Stellzylinders 14 und eines in diesem geführten Stellkolbens 15 einen druckdichten Schraubanschluß für eine Druckmittelleitung vorsehen, welche einem räumlich getrennt vom Gehäuse 12 des Drosselventils angeordneten hydraulischen Stellgerät das Druckmittel mit dem vom Drosselventil eingestellten bzw. eingeregelten Druck zuführt.
• Fig. 4 zeigt einen besonders raumsparenden Einbau des Drosselventils in den Kolben eines hydraulischen Spritzverstellers für eine Kraftstoffeinspritzpumpe, bei welcher der Beginn des Einspritzvorgangs mit dem Spritzversteller verändert werden kann. Soweit hierbei gleiche oder gleichwirkende Bauteile wie in der Anordnung nach Fig 1 vorgesehen sind, tragen sie die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1.
• Wie beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis3 enthält der zur Betätigung des Drosselventils dienende Elektromagnet eine Erreger-zicklung 7.0, einen zentralen Eisenkern 11 mit einem angeformten Flansch 13 und einen im Zentrum einer Membran 34 geführten Weicheisenanker 25, der zwei zueinander konzentrische Polflächen 24 und 30 aufweist, von denen die i.nnere Polfläche 30 der mit axialen EXinschnitten versehenen Stirnfläche des Kerns 11 und seine äußere Polfläche 24 der etara gleich großen Polfläche 22 am Polring 21 gegenübersteht.
• Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist hier der Nantel 52 des aus Weicheisen bestehenden Kolbens 50 unmittelbar zum Rückschluß der Kraftlinien vom Flansch 13 auf den Pol ring 21 benützt. Der Kolben 50 wird an der freien Stirnfläche des Flansches 13 von einem mit etwa 10 bis 12 atü über eine Einlaßbohrung 53 in den Innenraum 54 des aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff bestehenden Zylinders 55 einströmenden Druckmittel beaufschlagt, das bestrebt ist, den Kolben mit einer von der Stellung des Ankers 25 abhängigen Druckkraft entgegen einer Rückstellfeder in der mit einem Pfeil angedeuteten VerstelGrichtung zu bewegen Zur Sicherung der Stromzufuhr zu der Erregerwicklung 10 ist eine Anschlußleitung 56 schleifenförmig durch den Druckraum 54 des Zylinders an eine zentrale Anschlußstelle 57 gelegt, die in einen eingeknüpften, den auftretenden Drücken standhaltenden Gummipuffer 58 eingesetzt ist. Der Gummipuffer sitzt etwa im Zentrum eines Deckels 59, der auf dem nur ausschnittsweise angedeuteten Gehause des hydraulischen Spritsverstellers einer im übrigen nicht näher dargestellten Kraftstoffeinspritzpumpe unter Zwischenlage eines Dichtringes 62 festgespannt ist.
• Neben der eingangs beschriebenen, durch die besondere bauliche Ausgestaltung des Drosselventils erzielten Vorteilen bringt die Anordnung nach Fig. 4 eine sehr beträchtliche Raumeinsparung mit sich, was für den gedrängten Aufbau insbesondere bei Verteilereinspritzpumpen sehr wichtig ist.

Claims (10)

Ansprüche

1. Elektromagnetisches, insbesondere für einen hydraulischen Spritzversteller einer Einspritzpumpe vorgesehenes Drosselventil zur Einstellung des in einer Stelleinrichtung wirksamen Arbeitsdruckes eines hydraulischen Druckmittels auf einen Wert, der unterhalb des durch eine Pumpe bereitgestellten Druck-Höchstwertes liegt, mit einem Elektromagneten, mit einem zum Elektromagneten gehörenden Anker und mit einer Drosselstelle, die von einem Spalt zwischcnn einer Ringstzfläche am Anker und einer Ringstzfläche am Magnetgestell des Elektromagneten gebildet wird, sowie mit einer Anlrerrückstellfeder, die bestrebt ist, den Spalt zu vergrößern, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (25, 42) im Zentrum einer - scheibenförmi gen, an ihrem Rande eingespannten Membran (34) geführt ist, die an ihrer vom Spalt (20) abgekehrten Rückseite vom statischen Druck des ruhenden Druckmittels beaufschlagt wird, wohingegen auf ihrer Vorderseite eine Druckfeldstörung wirksam ist, die von dem durch den Spalt abfließenden Druckmittel in.

Abhängigkeit von der Durchflußmenge (Q) bzw. der Spaltweite (S) erzeugt wird.

2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkdurchmesser (DW) der auf der Rückseite der Membran (34) wirksamen Druckkräfte (P1) mindestens so groß wie der Innendurchmesser (D1) der Ringsitzflächen (21, 24) ist.

3. DrosselventiL nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenuzeichnet, daß die Membran (34) gegenüber ihrer unverspannten Mittellage durch die Ankerrückstellfeder (27) um mindestens ein Drittel der Spaltweite (s) in Öffnungsrichtung bei fehlender Magnetkraft vorgespannt ist

4. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne-t, daß auf der dem Spalt (20) zugekehrten Vorderseite der Membran (34) ein biegesteifer Membran ring (36) angeordnet ist, dessen als Stützfläche gegen Kippen der Membran bei kleinsten Spaltweiten dienende, der Membran zugekehrte Stirnseite konisch vom Membranrand gegen den Anker (24) verjüngt ist.

5. Drosselventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranring (36) mit der Membran (34) an einer Randzone verklebt ist, deren radiale Breite durch eine Nut (38) begrenzt ist.

6. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die (lem Kern (11) bzw. dem Magnetgestell des Elektromagneten zugekehrte Stirnseite des Ankers (25) in zwei zueinander konzentrische Pollflächen (24, 30) unterteilt ist, von denen die innere (30) dem Kern und die äußere Polfläche (24) einem mit dem Eisenmantel (12) des Elektromagneten verbundenen Polring (21) gegenübersteht.

7. Drosselventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (24, 30) des Ankers (25) in einer gemeinsamen Ebene feinsbearbeitet, insbesondere geläppt, sind.

8. Drosselventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Stärke des luftspaltes zwischen dem Kern (11) und der inneren Polfläche (30) größer als diejenige zwischen der äußeren Pol fläche (30) des Ankers (25) und dem Polring (36) ist.

9. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet samt dem im Zentrum einer Membran geführten Anker (25) im Inneren eines hydraulischen Stellkolbens (50) untergebracht ist.

10. Drosselventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (52) des Stellkolbens (50) als Teil des magnetischen Kreises des Elektromagneten (10, 11, 13, 21) ausgenützt ist.