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Druckverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckverstärker
zur Aufnahme eines vergleichsweise schwachen Vakuumdrucksignales als Einlaß signal
und eines relativ starken positiven Drucksignales,und zur Erzeugung eines vergleichsweise
starken positiven Drucksignales als Ausgangssignal, welches dem absoluten Wert des
vergleichsweise schwachen Vakuumdrucksignales direktpnportional ist.
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Im allgemeinen wird bei Einrichtungen zur Einftihrung von Auspuffgasen
in die Ansaugleitung von Brennkraftmaschinen ein Kontrollventil verwendet, welches
in der Regel von einem Drucksignal überwacht wird, das die Menge der eingeführten
Auspuffgase regelt. In vielen Fällen verwendet man als Kontrollventil ein mit einer
Membran ausgestattetes Ventil,
da die von der Ventilspindel ausgeübte
Antriebskraft größer ist. Auch kann der Vakuumdruck in dem Venturirohr des Vergasers
als Kontrollsignal für das Kontrollventil vorteilhaft verwendet werden, mit welchem
die Menge der eingespeisten Auspuffgase mit hinreichender Genauigkeit geregelt werden
kann. Der Vukuumdruck in dem Venturirohr des Vergasers ist jedoch viel zu schwach,
um das Diagramm des Kontrollventiles unmittelbar und wirksam zu bewegen. Deshalb
werden als Energiequelle Verstärkungseinrichtungen verwendet, die diesen negativen
Druck in dem Venturirohr verstärken sollen. Hierdurch soll das Problem überwunden
werden. Bei einem Vhkuumdruckverstärker stelltder Vakuum in der Ansaugleitung die
Energiequelle dar, wobei sich der Vakuumdruck nach Maßgabe der Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine verändert. Damit man stets in der Lage ist, ein VBkuumdrucksignal
durch Verstärkung des Vakuums in dem Venturirohr zu erhalten, verwendet man einen
Vukuumbehälter.
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Ein derartiger Verstärkungsmechanismus neigt aber zu Undichtigkeiten;
auch besteht die Gefahr, daß sich der Druck in dem V«kuumbehälter als Folge von
Undichtigkeiten ändert, namentlich dann, wenn der Vakuumdruck in der Ansaugleitung
zu schwach ist. Mit Rücksicht auf die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine sollte der Vakuumbehälter eine hinreichend große Kapazität besitzen,
was aber zur Folge hat, daß die Verstärkungsfunktion des Verstärkungsmechanismus
nicht hinreichend betriebssicher erfüllt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen vergleichsweise schwachen
Vakuumdruck in ein proportionales positives Drucksignal betriebssicher zu verstärken.
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Der erfindungsgemäße Druckverstärker besitzt ein Hauptgehäuse und
zwei, in diesem Gehäuse angeordnete Membranen, welche es in drei Kammern unterteilen.
Bei der einen Kammer handelt es sich um eine Kontrolldruckkammer, in welche von
einer Druckluftquelle kommend Druckluft eingesteuert wird, während ferner eine Kammer
vorgesehen ist, welche mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Schließlich ist eine
Vakuumdruckkammer angeordnet, in welche der von einer Vakuumquelle kommende, vergleichsweise
schwache Vakuumdruck eingesteuert wird. Der einen der Membranen ist ein Ventil zur
Kontrolle der Verbindung zwischen der Kontrolldruckkammer und derjenigen Kammer
zugeordnet, welche mit der Atmosphäre in Verbindung steht.Der Betrieb dieses Ventiles
wird von der ersten, dem positiven Druck in der Kontrolldruckkammer unterworfenen
Membran und von der zweiten Membran überwacht, welche dem Vakuumdruck in der Vakuumkammer
unterworfen ist.
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Die Erfindung bezieht sich also auf einen Druckverstärker, welcher
namentlich in einem System zur Einführung von Auspuffgasen in die Ansaugleitung
einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Dieser Druckverstärker besitzt ein Gehäuse
für zwei Membranen, welche dieses Gehäuse in insgesamt drei Kammern unterteilen.
Der ersten Membran ist ferner ein Ventilglied zugeordnet, welches die gegenseitige
Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Membrankammer überwacht. Dieses Ventil
wird durch die Bewegung der zweiten Membran geöffnet und geschlossen, wobei der
in die erste Membrankammer eingesteuerte positive Druck als Funktion des in die
dritte Membrankammer eingesteuerten Vakuumdruckes zur Atmosphäre hin entlüftet wird,
so daß in der ersten Membrankammer ein positiver Druck erzeugt wird, der dem verstärkten
und in der dritten Membrankammer herrschenden Druck entspricht.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckverstärkers ist
nachstehend anhand der Zeichnung noch etwas näher veranschaulicht. In dieser zeigen
in rein schematische Weise: Fig. 1 ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Druckverstärkers,
der an ein Rezirkulationssystem einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist Fig.
2 einen Längsschnitt durch den Druckverstärker gemäß der Erfindung Wie aus den Figuren
1 und 2 hervorgeht, wird der erfindungsgemäße Druckverstärker in einem System zur
Einführung der Auspuffgase in die Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine verwendet.
Die Brennkraftmaschine besitzt eine Ansaugleitung 2 und eine Auspuffleitung 3, wobei
das Brennstoff-Luftgemisch über einen Filter 4, ein Venturirohr 5 des Vergasers
und eine Drosselklappe 6 der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die Auspuffleitung 3 und die Ansaugleitung 2 sind über eine Umgehungsleitung
8 miteinander verbunden, wobei etwa in der Mitte dieser Umgehungsleitung 8 ein Kontrollventil
7 vorgesehen ist, welches einen Teil der Auspuffgase in die Ansaugleitung 2 einsteuert.
Das Kontrollventil 7 besitzt ein Ventilverschlußglied 9 und eine Kontrolldruckkammer
10 zum Öffnen und Schließen des Ventilverschlußgliedes 9. Das Ventil 7 arbeitet
in der Weise, daß das Ventilverschlußglied 9 dann geöffnet werden kann, wenn in
die Kontrolldruckkammer 10 ein positiver Druck eingesteuert wird. Das Ventil 7 wird
hingegen dann geschlossen, wenn der Vakuumdruck in die Druckkammer eingesteuert
wird. Mit der Bezugsziffer 11 ist ganz allgemein ein Druckverstärker bezeichnet,
welcher den vergleichsweise
schwachen Vakuumdruck in der Saugleitung
auf einen positiven Druck verstärkt, der proportional dem absoluten Wert des negativen
Druckes ist.
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Eine unter der Einwirkung einer Feder 14 stehende Membran 15 liegt
zwischen dem unteren Gehäuseteil 12 und dem oberen Gehäuseteil 13, welche über Bolzen
16 miteinander verbunden sind. Die Membran 15 und der untere Gehäuseteil 12 bilden
dabei eine Kontrolldruckkammer, wobei eine an die Atmosphäre angeschlossene Kammer
18 von der Membran 15 und dem oberen Gehäuseteil 13 gsbildet wird.Mit der Bezugsziffer
20 ist eine eine Einschnürung 19 aufweisende Einlaßleitung bezeichnet, welche mit
ihrem einen Ende an das Gehäuseteil 12 und mit ihrem anderen Ende an die Leitung
22 angeschlossen ist, die mit einer Luftpumpe 21 in Verbindung steht. Diese Luftpumpe
21 wird dabei von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben und liefert einen positiven
Druck in die Kontrolldruckkammer 17. An den Gehäuseteil 12 ist eine Austrittsleitung
für das Druckmittel angeschlossen, welche über die Leitung 24 mit der Kontrolldruckkammer
10 des Kontrollventiles verbunden ist, so daß der in der Kontrolldruckkammer 17
herrschende, positive und kontrollierte Druck in die Kontrolldruckkammer 10 eingesteuert
werden kann, wie dies im folgenden noch näher beschrieben werden wird.
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Auf der einen Seite der unter Atmosphärendruck stehenden Druckkammer
18 der Membran 15 ist eine Entlüftungsvorrichtung 26 vorgesehen, die mit einer Verbindungsöffnung
25 ausgestattet ist. Die Entlüftungsvorrichtung 26 besitzt dabei einen Entlüftungskanal
27 und ein Kontrollventil in Form eines Kugelventiles 29, welches in unmittelbarer
Nähe des Entlüftungskanales 27 liegt und unter der Einwirkung einer Feder 28 steht,
die
bestrebt ist, das Kugelventil 29 im Schließsinn des Entlüftungskanales 27 zu bewegen.
Wenn der Entlüftungskanal 27 nicht geschlossen ist, so wird der in der Kontrolldruckkammer17
herrschende Druck über den Entlüftungskanal 27 in Richtung der unter Atmosphärendruck
stehenden Druckkammer 18 entlüftet. Die Einlaßleitung 20 steht mit einer Leitung
30 in Verbindung, welche am oberen Ende in unmittelbarer Nähe der Verbindungsöffnung
25 der Membran 15 angeordnet ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß die von der
Luftpumpe 21 gelieferte Druckluft unmittelbar in die Leitung 23 strömt.
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Der obere Gehäuseteil 33 ist am oberen Teil des unteren Gehäuseteils
13 gelagert und steht über Bolzen 34 mit dem unteren Gehäuseteil 13 und mit einer
zweiten Membran 32 in Verbindung, welche von einer weiteren Feder 31 nach unten
gedrückt wird. Die Membran 32 und der obere Gehäuseteil 33 bestimmen dabei eine
Vakuumdruckkammer 35. Diese Vakuumdruckkammer 35 besitzt eine Einlaßleitung 36,
welche über die Leitung 37 mit dem Venturirohr 5 oder mit einer unmittelbar danebenliegenden
Stelle verbunden ist, so daß der Vakuumdruck von dem Venturirohr 5 in die Vakuumdruckkammer
35 eingesteuert wird. Die Kraft der Feder 31 kann durch Verstellung einer Stellschraube
38 verändert werden.
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Mit der Bezugsziffer 39 ist ein Stößel bezeichnet, welcher über die
Mutter 40 mit der unteren Fläche der Membran 32 verbunden ist, so daß er auf das
Kugelventil 29 der Entlüftungsvorrichtung 26 entgegen der Kraft der Feder 28 einwirkt.
Diese Federkraft hängt von denjenigen Lagen ab, welche die Membranen 15 und 32 einnehmen.
Bei der Konstruktion des Druckverstärkers sind die Federkonstanten der Federn 28,
31 sowie die Montagestellung der Entlüftungsvorrichtung so bemessen, daß der Hub
der Membran 15 stets gleich dem Hub der Membran 32 ist.
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Die Bezugsziffer 41 bezeichnet im allgemeinen ein Druckwechselventil,
welches auf halbem Wege in der Leitung 24 angeordnet ist, welche den vorstehend
erwähnten Druckverstärker 11 mit dem Kontrollventil verbindet. Das Ventil 41 besitzt
eine Abzweigleitung, welche mit der Ansaugleitung 2 stromab der Drossel 6 in dem
Vergaser liegt. Das Ventil 41 besitzt eine Vakuumdruckkammer 42, welche mit der
Drosselklappe 6 im-Vergaser oder mit einer in unmittelbarer Nähe liegenden Stellung
verbunden und so betätigbar ist, daß der Druckverstärker 11 mit dem Kontrollventil
7 in Verbindung gebracht wird, wenn ein großer Vakuumdruck in die Vakuumdruckkammer
42 eingesteuert wird, während die Ansaugleitung mit dem Kontrollventil 7 in Verbindung
gebracht wird, wenn ein vergleichsweise kleiner Vakuumdruck in die Kammer 42 eingesteuert
wird.
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Der erfindungsgemäße Druckverstärker 11 arbeitet wie folgt: Wenn
das niedrige Vakuum oder aber der schwache negative Druck von dem Venturirohr 5
oder einer in unmittelbarer Nähe liegenden Stelle in die Vakuumdruckkammer 35 des
Druckverstärkers eingesteuert wird, so wird die unter der Kraft der Feder 31 stehende
Membran 32 in eine untere Stellung bewegt, wobei der Stößel 39 auf das Kugelventil
29 einwirkt und es entgegen der Kraft der Feder 28 nach unten bewegt. Der von der
Luftpumpe 21 in die Kontrolldruckkammer 17 über die Leitung22 und die Einlaßleitung
20 eingesteuerte, positive Druck wird über die Kammer 18 und die Entlüftungsleitung
27 zur Atmosphäre entlüftet, so daß der Druck in der Kontrollkammer 17 auf Atmosphärendruck
gehalten wird. Das Druckwechselventil 41 arbeitet zu dieser Zeit in der Weise, daß
es die Ansaugleitung 2 mit dem Kontrollventil 7 verbindet, wobei das Ventilverschlußglied
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des Ventiles 7 geschlossen wird. Auf diese Weise wird die Zufuhr
von Auspuffgasen in die Ansaugleitung 2 verhindert.
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Wenn das große Vakuum oder aber ein starker negativer Druck von dem
Venturirohr 5 oder von einer in unmittelbarer Nähe liegenden Stelle in die Vakuumdruckkammer
35 des Druckverstärkers 11 eingesteuert wird, wird die Membran 32 entgegen der Kraft
der Feder 31 nach oben bewegt, wobei sich der Stößel 39 aus seiner Anschlagstellung
mit dem Kugelventil 29 löst. Der Entlüftungskanal 27 wird auf diese Weise von dem
Kugelventil 29 geschlossen. Durch den Betrieb der Luftpumpe 21 steigt der Druck
in der Kontrolldruckkammer 17 an, so daß die Membran 15 zusammen mit der Entlüftungsvorrichtung
26 angehoben wird. Wenn die Membran 15 zusammen mit der Entlüftungsvorrichtung 26
jenseits eines oberen, kritischen Punktes angehoben wird, so wirkt der Stößel 39
auf das Kugelventil 29 in der Weise ein, daß der positive Druck in der Kammer 17
über den nunmehr offenen Entlüftungskanal 27 herabgesetzt wird. Die Membran 15 wird
auf diese Weise abgesenkt, wobei der Luftdruck in der Kontrollkammer 17 absinkt.
Wenn die Membran 15 zusammen mit der Entlüftungsvorrichtung 26 über einen unteren
kritischen Punkt abgesenkt wurde, wird das Kugelventil 29 von dem Stößel 39 nicht
mehr länger nach unten gedrückt. Die Folge davon ist, daß der Entlüftungskanal von
dem Kugelventil 29 geschlossen wird. Dies geschieht in wiederholter Folge mit kurzen
Abständen in Form von gedämpften Schwingungen, bis sich die Membran 15 im gleichen
Umfang wie die Membran 32 ausgebaucht hat.
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Wenn der in der Vakuumdruckkammer 35 herrschende Vakuumdruck konstant
gehalten wird, was beispielsweise während des Normallaufes der Brennkraftmaschine
1 der Fall ist, verbleibt die Membran 15 in dem gleichen, ausgebogenen Zustand wie
die Membran 32, welche unter dem, in dem Venturirohr 5 herrschenden Vakuumdruck
ausgebaucht ist. Der überschüssige, von der
Luftpumpe 21 in die
Kontrolldruckkammer 17 eingesteuerte, positive Druck wird auf diese Weise über den
Entlüftungskanal 27 zur Atmosphäre hin entlüftet. Das Druckwechselventil 41 arbeitet
gleichzeitig in der Weise, daß es den Druckverstärker 11 mit dem Kontrollventil
7 verbindet, welches unter der Einwirkung des in unmittelbarer Nähe der Drosselklappe
6 herrschenden Vakuumdruckes steht, wobei ein positiver, proportional zu dem absoluten
Wert des in der Vakuumdruckkammer 35 zufällig herrschenden negativen Druckes in
der Kontrolldruckkammer 17 aufgebaut und von da aus in die Kontrolldruckkammer 10
des Kontrollventiles 7 über die Leitungen 23 und 24 eingesteuert wird. Das Ventilverschlußglied
9 des Kontrollventiles 7 wird dann unter der Einwirkung des in die Kammer 10 eingesteuerten,
positiven Luftdruckes geöffnet, so daß die Einführung der Auspuffgase in die Ansaugleitung
ermöglicht wird.
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Im folgenden wird eine Erklärung zu der Frage gegeben, wie der positive,
proportional zu dem absoluten Wert des negativen Druckes in die negative Druckkammer
35 eingesteuerte Druck in der Kontrolldruckkammer 17 als Ergebnis derwenigen Bewegung
der Membran 15 aufgebaut wird, welche von der Bewegung der Membran 32 abgeleitet
wird.
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Es sei einmal angenommen, daß die Wirkfläche der Membran 32 durch
den Ausdruck SA'bezèichnet wird, während die Membran 15 als 53' angedeutet ist.
Der in der Kammer 35 herrschende Vakuumdruck ist mit dem Ausdruck Pvtangedeutet,
während der in der Kammer 17 herrschende Druck mit der Bezeichnung Pct angedeutet
ist. Der Nennwert des positiven Druckes in der Kammer 17 ist mit dem Ausdruck Pcot
bezeichnet, während der Hub der Membranen 32 und 15 mit den Buchstaben x bzw. y
angedeutet ist. Die Federkonstanten der Federn 31 und 14 sind mit den Buchstaben
KA und Kgt angedeutet. Da x = y
ist, ergibt sich die folgende Gleichung:
(PV - PVO ) = & (pv - PVO) Dabei bedeutet Okt eine Konstante der Proportionalität
oder einen Verstärkungsfaktor.
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Bei dem erfindungsgemäßen Druckverstärker, wie er vorstehend beschrieben
ist, wird der von der Druckmittelquelle gelieferte, positive Luftdruck von den Schwingungsbewegungen
der ersten Membran überwacht, die demjenigen Luftdruck unterworfen ist, welcher
von der Druckluftquelle für den positiven Druck geliefert wird. Die zweite Membran
hingegen wird von einem schwachen Vakuumdruck beaufschlagt, der als Eingangsdruck
eingesteuert wird, so daß ein positiver, dem absoluten Wert des negativen Eingangsdruckes
proportionaler Druck in das Kontrollventil eingesteuert wird. Auf diese Weise arbeitet
das System zur Einführung der Auspuffgase unter der Einwirkung des verstärkten positiven
Druckes außerordentlich zuverlässig.
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Obgleich der erfindungsgemäße Druckverstärker vorstehend im Zusammenhang
mit einem System zur Einführung von Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine erläutert
wurde,kann dieser Druckverstärker selbstverständlich auch zur Einsteuerung von Sekundärluft
in die Auspuffgase verwendet werden mit dem Ziel, die Auspuffgase im Wege einer
Sekundärverbrennung zu reinigen.
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-Patentanspruch-