DE2934181A1

DE2934181A1 - Proportionalwirkende elektromagnetventileinheit

Info

Publication number: DE2934181A1
Application number: DE19792934181
Authority: DE
Inventors: Torazo Nishimiya; Seisaku Numakura; Masamitsu Okumura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1980-06-04
Also published as: US4314585A; GB2029552B; DE2934181C2; GB2029552A; JPS589307B2; JPS5530546A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, 3apan

Proportionalwirkende EIektromagnetventi!einheit

Die Erfindung bezieht sich auf eine proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit, die in einer Kraftstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrvorrichtung für Brennkraftmaschinen angeordnet ist und die Kraftstoff- oder Luftmenge regelt.

Normalerweise muß eine solche Elektromagnetventileinheit den Durchsatz im wesentlichen proportional zum Eingangsstrom regeln können.

Eine herkömmliche proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit umfaßt einen elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt und ein damit einstückig ausgeführtes Durchsatz-Regelorgan sowie eine das Durchsatz-Regelorgan beaufschlagende Vorspannfeder. Die Feder beaufschlagt das Durchsatz-Regelorgan gegen die elektromagnetische Kraft, die auf das Durchsatz-Regelorgan wirkt, wenn dem elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt ein Strom zugeführt wird, so daß der Hub des Regelorgans in Abhängigkeit von dem Gleichgewicht zwischen der Kraft der Vorspannfeder und der elektromagnetischen Kraft bestimmt wird.

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Wie erwähnt, ist es bei einer proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheit erforderlich, daß der Durchsatz innerhalb eines großen Bereichs proportional zu dem dem elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt zugeführten Strom regelbar ist.

Bei der herkömmlichen proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheit ist es jedoch schwierig, diese Eigenschaft zu erzielen. Wenn der Spule des Antriebs-Abschnitts ein Strom zugeführt wird, wird das Regelorgan von einer dem Strom proportionalen elektromagnetischen Kraft beaufschlagt, und der Hub des Regelorgans wird entsprechend einer Lage bestimmt, in der die elektromagnetische Kraft und die Kraft der Vorspannfeder gegeneinander ausgeglichen sind. Tatsächlich wird jedoch die Proportionalität zwischen dem Strom und dem Hub durch Faktoren wie die Nichtlinearität der elektromagnetischen Kraft, den Reibungswiderstand eines beweglichen Teils und die Nichtlinearität der Kraft der Vorspannfeder verschlechtert.

Dies erfordert eine geeignete Wahl der Federkonstanten der Vorspannfeder. Wenn die Feder weich ist und eine kleine Federkonstante hat, wird einerseits der geregelte Durchsatz innerhalb eines geringen Strombereichs schnell erhöht und gesättigt, und andererseits kann das Durchsatz-Regelorgan selbst bei abgeschaltetem Strom nicht vollständig geschlossen werden. Außerdem ist eine Zunahme der Hysterese-Bandbreite mit Änderungen des Stroms verbunden. Wenn umgekehrt die Vorspannfeder steif ist und eine große Federkonstante hat, erhöht sich die Soll-Belastung (die Belastung, bei der sich die Feder zu verformen beginnt) unweigerlich. Infolgedessen wird das Durchsatz-Regelorgan erst wirksam, wenn der Strom einen relativ hohen vorbestimmten Wert erreicht, und selbst bei erhöhtem Strom wird die Bewegung des Durchsatz-Regelorgans so stark unterdrückt, daß sie gering ist.

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Wenn unter diesen Bedingungen der der Spule zugeführte Strom übermäßig erhöht wird, um die Bewegung des Durchsatz-Regelorgans in die vollständige Offenstellung zu erreichen, besteht die Gefahr, daß der Leistungstransistor einer Steuerschaltung überhitzt wird.

Es ist also ersichtlich, daß die Verschiebung des Durchsatz-Regelorgans mit einer einzigen Vorspannfeder nicht ordnungsgemäß zu erreichen ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheit, die einen dem Eingangsstrom genau proportionalen Durchsatz ermöglicht.

Bei der proportionalwirkenden Elektromagnetventiieinheit nach der Erfindung ist zusätzlich zu einer Vorspannfeder eine zweite Eeder vorgesehen, die ein Durchsatz-Regelorgan entgegengesetzt zu der Vorspannfeder beaufschlagt, um das Regelorgan zu öffnen, so daß der Durchsatz genau proportional dem einem elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt zugeführten Strom regelbar ist.

Durch die Erfindung wird also eine proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit angegeben, mit einem Durchsatz-Regelorgan, das an einem beweglichen Anker gesichert ist, der einen Hub proportional zu dem Eingangsstrom ausführt, und mit einem Ventilsitz, der mit dem Durchsatz-Regelorgan zur Durchsatz-Regelung zusammenwirkt. Zusätzlich zu einer Vorspannfeder, die das Durchsatz-Regelorgan in Richtung des Ventilsitzes beaufschlagt, ist an dem beweglichen Anker eine zweite Eeder angeordnet, die das Durchsatz-Regelorgan vom Ventilsitz weg beaufschlagt. Die resultierende Kraft der beiden Federn macht den Hub des Durchsatz-Regelorgans dem Eingangsstrom proportional.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Hub der Ausgangswelle der Elektromagnetventileinheit nach Fig. 1 und der Federkraft sowie der elektromagnetischen Kraft wiedergibt;

Fig. 3 ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Durchsatz-Regelorgans, das in der Einheit nach Fig. 1 vorgesehen ist; und

Fig. h eine in bezug auf Fig. 3 geänderte Ausführungsform des Durchsatz-Regelorgans.

Die proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit nach Fig. 1 umfaßt als hauptsächliche Bauteile einen elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt 1 und einen Durchsatz-Regelabschnitt 2. Der elektromagnetische Antriebs-Abschnitt 1 umfaßt eine zylindrische Spule 3, einen ortsfesten Anker k und einen beweglichen Anker 5. Der ortsfeste und der bewegliche Anker 4 bzw. 5 sind auf der Mittenlinie der Spule 3 ausgerichtet, und ihre einander gegenüberliegenden Endabschnitte weisen zueinander parallele konische Flächen auf. Eine Endplatte 6 und ein Gehäuse 7 bilden einen Magnetkreis, und der Aufbau der Endplatte 6 erlaubt eine solche Korrektur, daß die Gesamt-Permeanz des Magnetkreises gemäß dem Hub des beweglichen Ankers 5 konstant gemacht wird. In der Mitte des beweglichen Ankers 5 ist eine Ausgangswelle 8 befestigt, die eine mechanische Leistung überträgt und in einem Lager 9 angeordnet ist.

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Der Durchsatz-Regelabschnitt 2 umfaßt zwei konische Durchsatz-Regelorgane 13 bzw. 14, die auf der Ausgangswelle 8 so angeordnet sind, daß sie Ventilsitzen 11 bzw. 12 gegenüberliegen, die in einem Strömungsweg 10 liegen, in dem der Durchsatz zu regeln ist. Die Ausgangswelle 8 und die Regelorgane 13 und 14 können aus Metall oder einem Kunstharz bestehen. Mit dem Verschieben der Ausgangswelle 8 wird der Querschnittsbereich des Strömungswegs geändert. Ein vorspringendes freies Ende der Ausgangswelle 8 ist in einem rohrförmigen Ansatz eines Führungsdeckels 15 gleitend verschiebbar. Eine erste oder Vorspannfeder 17 ist zwischen dem Führungsdeckel 15 und dem Durchsatz-Regelorgan 14 angeordnet. Ein Körper 16 aus nichtmagnetischem Metall, der den Strömungsweg 10 zusammen mit dem Führungsdeckel 15 begrenzt, ist mit seinem linken Ende am Gehäuse 7 gesichert. Ausschläge der durch Öffnungen der Ventilsitze 11 und 12 fließenden Ströme, die die Durchsatz-Regelorgane 13 und 14 beaufschlagen, sind ausgleichbar, da diese Ströme zueinander entgegengesetzt verlaufen (vgl. die Pfeile).

Wenn lediglich ein Durchsatz-Regelorgan vorgesehen ist, werden, wenn die Größe eines Unterdrucks, der an der Austrittsseite des Steuer-Strömungswegs 10 angelegt, sich ändert, die jeweiligen Druckwerte an der Vorder- und der Rückseite des Durchsatz-Regelorgans unterschiedlich, so daß sich der Durchsatz (bzw die Strömungsgeschwindigkeit) ändert, selbst wenn der Strom konstant gehalten wird. Im Gegensatz dazu heben sich bei der Erfindung, da zwei Durchsatz-Regelorgane verwendet sind, die jeweiligen Unterdrücke gegeneinander auf, derart, daß der geregelte Durchsatz durch Unterdruckschwankungen nicht beeinflußt wird. Folglich kann bei jedem Zustand bzw bei jeder Größe des Unterdrucks die Proportionalbeziehung zwischen dem Hub des Durchsatz-Regelorgans und dem Wert des dem elektromagnetischen Antriebs- bzw Ansteuerabschnitts zugeführten Stroms aufrechterhalten werden.

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Eine zweite Feder 20 ist in einem Hohlraum 21 im linken Ende des beweglichen Ankers 5 aufgenommen. Die Feder 20 ist eine Druckfeder, deren Federkraft die Ausgangswelle 8 in Richtung des Pfeils 19 beaufschlagt und der Kraft der Vorspannfeder 17, die in Richtung des Pfeils 18 wirkt, entgegenwirkt.

Wenn der Spule 3 ein bestimmter Strom zugeführt wird, wird dem beweglichen Anker 5 eine dem Strom proportionale elektromagnetische Kraft aufgedrückt, und der Anker 5 wird in Richtung des Pfeils 19 gegen die Kraft der Feder 17 verschoben, so daß die Durchsatz-Regelorgane 13 und IA geöffnet werden, bis der Anker 5 infolge eines Abgleiche zwischen der elektromagnetischen Kraft und der Kraft der Vorspannfeder 17 und der zweiten Feder 20 angehalten wird. Wenn der Wert des der Spule 3 zugeführten Stroms höher als ein Sollwert ist, wird der bewegliche Anker 5 weiter zum orts-

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festen Anker A- hin verschoben. Wenn dann der Strom abgeschaltet wird, kehrt der bewegliche Anker 5 durch die Kraft der Vorspannfeder 17 in Richtung des Pfeils 18 zurück, so daß die Durchsatz-Regelorgane 13 und IA- an ihren Ventilsitzen 11 bzw. 12 anliegen und eine Schließwirkung ausüben.

Die Dynamik bei den vorstehend erläuterten Vorgängen ist am besten unter Bezugnahme auf Fig. 2 zu erläutern.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Hub der Ausgangswelle der proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheit nach Fig. 1 und der Federkraft und der elektromagnetischen Kraft, wobei die Horizontalachse den Ausgangswellen-Hub bezeichnet, und die Vertikalachse die im elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt 1 in negativer Richtung erzeugte elektromagnetische Kraft, die Kraft der Vorspannfeder 17 in positiver Richtung sowie die Kraft der Feder 20 in negativer Richtung wiedergibt. Eine Gerade e, die die Kennlinie der Vorspannfeder 17 darstellt, hat einen die Federkonstante bezeichnenden Verlauf und einen die Soll-Last bezeichnenden Anfangswert e,. Ebenso hat eine Gerade f, die die Kennlinie der zweiten Feder 20 darstellt, einen Verlauf, der die Federkonstante bezeichnet, die kleiner als diejenige der Vorspannfeder 17 ist, sowie einen die Soll-Last bezeichnenden Anfangswert f,, dessen Größe mit e, identisch ist, wobei diese Werte jedoch entgegengesetzte Polarität haben. Eine Gerade g, die die resultierende Kennlinie der beiden Federn 17 und 20 bezeichnet, hat einen Anfangswert Null aufgrund der Gleichheit der Absolutwerte der Soll-Last e, und f,, wodurch sichergestellt ist, daß die Ausgangswelle 8 ihre Verschiebebewegung mit einer Soll-Last Null beginnen kann. Es ist ersichtlich, daß die die resultierende Kennlinie der beiden Federn bezeichnende Gerade g die Summe der Federkräfte beider Federn bei momentanen Hüben darstellt und einen

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Verlauf hat, der die Federkonstante einer imaginären zusammengesetzten Feder darstellt. Die Beziehung zwischen dem Hub der Ausgangswelle 8 und der elektromagnetischen Kraft ist durch eine Gerade h bezeichnet, die zeigt, daß die Ausgangswelle 8 ihre Verschiebebewegung von dem Ausgangspunkt aus, an dem die elektromagnetische Kraft Null ist, beginnen kann.

Wie durch Versuche gefunden wurde, hat die zweite Feder bevorzugt eine Federkonstante, die das 0,5-0,Ifache , am besten das 0,2fache, derjenigen der Feder 17 beträgt. Innerhalb dieses Bereichs sind Störungen, die bei bekannten proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheiten auftreten, etwa daß sich das Durchsatz-Regelorgan nicht schließt oder sich nicht zu öffnen beginnt, bevor der Strom einen relativ hohen Wert annimmt, vermeidbar. Dadurch kann ferner der elektromagnetische Antriebs-Abschnitt 1 verkleinert werden.

Bei dem angegebenen proportionalwirkenden Elektromagnetventil ist es sehr wichtig, daß die Proportionalität zwischen der Verschiebung der Durchsatz-Regelorgane 13 und IA- und der Höhe des der Spule 3 zugeführten Stroms erhalten bleibt. Die Proportionalität kann weiter dadurch verbessert werden, daß die Durchsatz-Regelorgane entsprechend den nachstehenden Erläuterungen ausgebildet werden.

Wo die konischen Durchsatz-Regelorgane 13 und IA- mit kreisförmigen Öffnungen der entsprechenden Ventilsitze 11 und zusammenwirken, kann sich der Bereich eines ringförmigen Spalts zwischen dem Ventilsitz und dem Regelorgan nicht linear ändern, wodurch die Proportionalität verschlechtert wird. Nachstehend wird eine Lösung dieses Problems angegeben .

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Fig. 3 zeigt eine verbesserte Ausbildung der in der Magnetventileinheit nach Fig. 1 vorgesehenen Durchsatz-Regel-

organe 13 und IA-. Angenommen, der Öffnungsdurchmesser des !Ventilsitzes 11 ist gleich dem Durchmesser kk' des Durchsatz-Regelorgans 13, der Durchmeeser der Ausgangswelle 8

ist jj', und der Verschiebeweg des Regelörgans 13 ist L, ι

so ist es möglich, den Hub der Ausgangswelle 8 dem Querschnittsbereich des ringförmigen Strömungswegs dadurch proportional zu machen, daß ein Teil der konischen Fläche des Durchsatz-Regelorgans 13, der in einem Bereich jk liegt, so verwunden wird, daß die Konturen eines Abschnitts dieses Teils auf einer Kurve zweiten Grades liegen. Damit bildet die Vollinien-Kurve j-l-k die verwundene konische Fläche. Zum leichteren Bearbeiten der Fläche kann die Kurve j-l-k durch zwei geradlinige Segmente je und Ik ersetzt werden, wodurch angenähert die gleiche Auswirkung erzielbar ist.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist bei der proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheit die zweite, relativ schwache Feder gegenüber der Ausgangswelle an einem Ende des beweglichen Ankers angeordnet, und die konische Fläche des Durchsatz-Regelorgans ist so verwunden, daß der Durchsatz genau proportional dem Strom, der dem elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt 1 zugeführt wird, regelbar ist.

Die Konfiguration der Durchsatz-Regelorgane 13 und IA- nach Fig. 3 kann entsprechend Fig. 4- geändert werden, wobei gleiche Teile gleich bezeichnet sind. Dabei wird die Verwindung der konischen Fläche des Durchsatz-Regelorgans 13 experimentell bestimmt, so daß die Proportionalität zwischen dem Hub der Ausgangswelle 8 und dem dem Antriebs-Abschnitt zugeführten Strom weiter verbessert wird. Das Segment j-k ist wellenförmig ausgebildet, wobei ein Abschnitt des Durchsatz-Regelorgans nahe der Ausgangswelle 8 stärker als der

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übrige Teil des Regelorgans verwunden ist, so daß eine Verminderung des geregelten Durchsatzes korrigiert wird, die mit zunehmendem Hub der Ausgangswelle 8 auftreten würde .

Auf diese Weise kann der geregelte Durchsatz in der proportionalwirkenden Elektromagnetventileinheit durch Verwinden der konischen Fläche des Durchsatz-Regelorgans korrigiert werden, um die Proportionalität zwischen dem Hub der Ausgangswelle 8 und dem geregelten Durchsatz zu verbessern. Erwünschtenfalls kann aber die Proportionalität auch absichtlich gestört werden, indem die Konfiguration des Durchsatz-Regelorgans so geändert wird, daß der geregelte Durchsatz in einer bestimmten Stellung oder bei einem bestimmten Hub der Ausgangswelle 8 örtlich erhöht oder vermindert wird, um die Leistung eines Kraftfahrzeugs zu verbessern oder Abgase zu reinigen. Die proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit wurde zwar in Verbindung mit der Regelung der Luftzufuhr zu einer Abgasreinigungsvorrichtung erläutert, ist jedoch nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt, sondern z. B. auch für die Durchsatzregelung von Flüssigkraftstoff od. dgl. einsetzbar .

Wie oben angegeben wurde, wird durch die proportionalwirkende Elektromagnetventileinheit die Proportionalität zwischen dem Eingangsstrom und dem geregelten Durchsatz in vorteilhafter Weise gewährleistet.

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Claims

Ansprüche

- die beiden Anker auf einer Mittenachse der Spule miteinander fluchten und

- ihre Enden einander mit zueinander parallelen konischen Flächen gegenüberliegen, und

- der Hub des beweglichen Ankers einem der Spule zugeführten Eingangsstrom proportional ist,

und

- einem Durchsatz-Regelabschnitt mit

- einer Ausgangswelle, deren eines Ende an einem Ende des beweglichen Ankers gesichert ist,

- wenigstens einem im Strömungsweg liegenden Ventilsitz,

- wenigstens einem konischen Durchsatz-Regelorgan, das auf der Ausgangswelle derart angeordnet ist, daß seine konische Fläche dem Ventilsitz gegenüberliegt zur Begrenzung eines Strömungsweg-Abschnitts zwischen dem Ventilsitz und der konischen Fläche des Durchsatz-Regelorgans,

81-(A 4050-03)-Schö

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ORIGINAL INSPECTED

- einer ersten Feder, die am anderen Ende der Ausgangswelle angeordnet ist und das Durchsatz-Regelorgan in Schließrichtung des zwischen dem Ventilsitz und dem Durchsatz-Regelorgan gebildeten Strömungsweg-Abschnitts beaufschlagt,

gekennzeichnet durch

- eine zweite Feder (20), die an dem der Ausgangswelle (8) gegenüberliegenden Ende des beweglichen Ankers (5) so angeordnet ist, daß sie den beweglichen Anker (5) in Öffnungsrichtung des zwischen dem Durchsatz-Regelorgan (13, 14) und dem Ventilsitz (11, 12) gebildeten Strömungsweg-Abschnitts beaufschlagt, wobei

- die zweite Feder (20) schwächer als die erste Feder (17) ist.
2. Elektromagnetventileinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Feder (20) eine Druckfeder ist, deren Federkonstante das 0,5-0,lfache der ersten Feder (17) beträgt.
3. Elektromagnetventileinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Durchsatz-Regelorgan (13) im Schnitt längs der Hublinie einen Umriß hat, der auf wenigstens einer Kurve zweiten Grades liegt (Fig. 3).
4. Elektromagnetventileinheit nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch

zwei auf der Ausgangswelle (8) so angeordnete Durchsatz-Regelorgane (13, 14), daß sie jeweils Ventilsitzen (11, 12) gegenüberliegen, die in dem Strömungsweg (10) liegen (Fig. 1).

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