DE2934181C2

DE2934181C2 -

Info

Publication number: DE2934181C2
Application number: DE19792934181
Authority: DE
Inventors: Torazo Mito Jp Nishimiya; Masamitsu Okumura; Seisaku Katsuta Jp Numakura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1989-04-06
Also published as: JPS589307B2; GB2029552B; US4314585A; GB2029552A; JPS5530546A; DE2934181A1

Description

Die Erfindung betrifft ein proportional wirkendes Elektro magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Elektromagnetventil zeigt die DE-OS 14 50 673. Durch die Anordnung einer Druckfeder, welche die Ausgangs welle entgegen der Richtung der elektromagnetischen An triebskraft in Schließrichtung des Ventils beaufschlagt, wird der Hub des Regelorgans in Abhängigkeit von dem Gleichgewicht zwischen der Kraft der Druckfeder und der elektromagnetischen Kraft bestimmt.

Bei einem proportional wirkenden Elektromagnetventil ist aber erforderlich, daß der Durchsatz innerhalb eines großen Bereichs proportional zu dem dem elektromagnetischen An triebs-Abschnitt zugeführten Strom regelbar ist. Dies ist jedoch bei dem bekannten Elektromagnetventil schwierig. Wenn nämlich 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 be stimmt, in der die elektromagnetische Kraft und die Kraft der Vorspannfeder gegeneinander ausgeglichen sind. Tat sächlich 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 geschlos sen werden. Außerdem ist eine Zunahme der Hysterese-Band breite 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. Infolge dessen 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.

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.

Die DE-AS 11 79 068 betrifft ein Elektromagnetventil, bei dem zur Anpassung an die Kennlinie der Magnetkraft drei Federn vorgesehen sind, die nacheinander zur Wirkung kom men. Alle Federn wirken aber in derselben Richtung. Abgese hen von der komplexen Konstruktion läßt sich mit dieser Vorrichtung keine genaue Proportionaliät erzielen.

Die DE-OS 22 08 183 betrifft ein Elektromagnetventil, bei dem zwei Druckfedern verwendet werden, das Konstanthalten der Gesamtpermeabilität ist jedoch nicht beabsichtigt. Dies wäre auch gar nicht möglich, weil die Enden von Anker und Hülse ebene Flächen sind.

Die DE-OS 14 64 907 betrifft ein Elektromagnetventil, bei dem die elektromotorische Kraft nicht proportional zum Spulenstrom ist. Es ist auch kein Doppelsitzventil vorgesehen. Eine Konstanthaltung der Gesamtpermeabilität unabhängig vom Hub ist nicht vorhanden, vielmehr ändert sich diese mit dem Hub. Es ist deshalb nicht möglich, eine genaue proportionale Cha rakteristik zu erhalten.

Die DE-AS 22 26 189 betrifft ein Elektromagnetventil, das so gestaltet ist, daß sich bei der Annäherung des bewegli chen Ankers an den ortsfesten Anker der Abstand der Über lappung zwischen Anker und Endplatte nicht ändert. Die magnetische Permeanz wird sich infolgedessen um so mehr verändern, je mehr sich der bewegliche Anker dem ortsfesten Anker nähert. Bei dieser Annäherung wird der Eingangsstrom entsprechend kleiner. Dies führt zu einer nicht genauen Proportionalität zwischen dem Eingangsstrom und der Kraft des beweglichen Ankers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektroma gnetventil der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß unabhängig von dem Hub des beweglichen Ankers die elektromotorische Kraft konstant bleibt, so daß der Hub des Verschlußstücks dem Eingangsstrom proportional ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Hauptanspruch ge kennzeichneten Merkmale. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines Elektromagnet ventils läßt sich ein dem Eingangsstrom genau proportiona ler Durchsatz erreichen. Dies wird insbesondere durch die resultierende Kraft der beiden Federn möglich, wodurch der Hub des Verschlußstücks dem Eingangsstrom proportional wird, und zwar gilt dies auch im Bereich sehr kleiner Hübe. Als weiterer Vorteil ist anzuführen, daß sich durch die vorgesehene Ausführung der elektromagnetische Antriebsab schnitt klein gestalten läßt.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromagnet-Ventils dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Elektromagnet ventil;

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

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Ver schlußstücks, das bei dem Ventil nach Fig. 1 vorgesehen ist; und

Fig. 4 eine in bezug auf Fig. 3 geänderte Ausfüh rungsform des Verschlußstücks.

Das proportional wirkende Elektromagnetventil nach Fig. 1 umfaßt als hauptsächliche Bauteile einen elektromagneti schen Antriebs-Abschnitt 1 und einen Durchsatz-Regelab schnitt 2. Der elektromagnetische Antriebs-Abschnitt 1 umfaßt eine zylindrische Spule 3, einen ortsfesten Anker 4 und einen beweglichen Anker 5. Der ortsfeste und der beweg liche Anker 4 bzw. 5 sind auf der Mittellinie der Spule 3 ausgerichtet, und ihre einander gegenüberliegenden Endab schnitte weisen zueinander parallele konische Flächen auf. Eine Platte 6 und ein Gehäuse 7 bilden einen Magnetkreis. Der Aufbau der Endplatte 6 erlaubt eine solche Korrektur, daß die Gesamt-Permeanz des Magnetkreises gemäß dem Hub des beweglichen Ankers 5 konstant bleibt. In der Mitte des beweglichen Ankers 5 ist eine Ausgangswelle 8 befestigt, die eine mechanische Leistung überträgt und in einem Lager 9 gelagert ist.

Der Durchsatz-Regelabschnitt 2 umfaßt zwei konische Ver schlußstücke 13, 14, die auf der Ausgangswelle 8 so ange ordnet sind, daß sie Ventilsitzen 11 bzw. 12 gegenüberlie gen, die in einem Strömungsweg 10 liegen, in dem der Durchsatz zu regeln ist. Die Ausgangswelle 8 und die Ver schlußstücke 13, 14 können aus Metall oder Kunststoff be stehen. Mit dem Verschieben der Ausgangswelle 8 wird der Querschnitt des Strömungswegs geändert. Ein vor springendes freies Ende der Ausgangswelle 8 ist in einem rohrförmigen Ansatz eines Führungsdeckels 15 gleitend ver schiebbar. Eine erste Druckfeder 17 ist zwischen dem Füh rungsdeckel 15 und dem Verschlußstück 14 angeordnet. Ein Körper 16 aus nichtmagnetischem Metall, der den Strömungs weg 10 zusammen mit dem Führungsdeckel 15 begrenzt, ist mit seinem linken Ende am Gehäuse 7 angebracht. Ausschläge der durch Öffnungen der Ventilsitze 11 und 12 fließenden Ströme, die die Verschlußstücke 13, 14 beaufschlagen, sind ausgleichbar, da diese Ströme zueinander entgegengesetzt verlaufen (vgl. die Pfeile).

Eine zweite Druckfeder 20 ist in einem Hohlraum 21 im linken Ende des beweglichen Ankers 5 aufgenommen. Die Druckfeder 20 beaufschlagt mit ihrer Federkraft die Aus gangswelle 8 in Richtung des Pfeils 19 und wirkt der Kraft der ersten Druckfeder 17, die in Richtung des Pfeils 18 wirkt, entgegen.

Wenn der Spule 3 ein bestimmter Strom zugeführt wird, erhält der bewegliche Anker 5 eine dem Strom proportionale elektromagnetische Kraft und der Anker 5 wird in Richtung des Pfeils 19 gegen die Kraft der Druckfeder 17 verschoben, so daß die Verschlußstücke 13, 14 geöffnet werden, bis der Anker 5 infolge eines Abgleichs zwischen der elektroma gnetischen Kraft und der Kraft der Druckfedern 17 und 20 angehalten wird. Wenn der Wert des der Spule 3 zugeführten Stroms höher als ein Sollwert ist, wird der bewegliche Anker 5 weiter zum ortsfesten Anker 4 hin verschoben. Wenn dann der Strom abgeschaltet wird, kehrt der bewegliche Anker 5 durch die Kraft der ersten Druckfeder 17 in Richtung des Pfeils 18 zurück, so daß die Verschlußstücke 13, 14 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 Ausgangs welle 8 des proportional wirkenden Elektromagnetventils nach Fig. 1 und der Federkraft und der elektromagnetischen Kraft, wobei die Horizontalachse den Ausgangswellen-Hub bezeichnet, und die Vertikalachse die im elektromagneti schen Antriebs-Abschnitt 1 in negativer Richtung erzeugte elektromagnetische Kraft, die Kraft der ersten Druckfeder 17 in positiver Richtung sowie die Kraft der zweiten Druckfeder 20 in negativer Richtung wiedergibt. Eine Gerade e, die die Kennlinie der ersten Druckfeder 17 darstellt, hat einen die Federkonstante bezeichnenden Verlauf und einen die Soll-Last bezeichnenden Anfangswert e ₁. Ebenso hat eine Gerade f, die die Kennlinie der zweiten Druckfeder 20 darstellt, einen Verlauf, der die Federkonstante be zeichnet, die kleiner als diejenige der ersten Druckfeder 17 ist, sowie einen die Soll-Last bezeichnenden Anfangswert f ₁, dessen Größe mit e ₁ identisch ist, wobei diese Werte jedoch entgegengesetzte Polarität haben. Eine Gerade g, die die resultierende Kennlinie der beiden Druckfedern 17 und 20 bezeichnet, hat einen Anfangswert Null aufgrund der Gleichheit der Absolutwerte der Soll-Last e ₁ und f ₁, 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 Druckfedern 17, 20 bezeichnende Gerade g die Summe der Federkräfte beider Federn bei momentanen Hüben dar stellt und einen Verlauf hat, der die Federkonstante einer imaginären zusammengesetzten Feder darstellt. Die Beziehung zwischen dem Hub der Ausgangswelle 8 und der elektromagne tischen 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 Druckfe der 20 eine Federkonstante, die das 0,5-0,1 fache, am besten das 0,2fache, derjenigen der Druckfeder 17 beträgt. Innerhalb dieses Bereichs sind Störungen, die bei bekannten proportional wirkenden Elektromagnetventilen auftreten, etwa daß sich das Ventil 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 proportional wirkenden Elektromagnet ventil ist es sehr wichtig, daß die Proportionalität zwi schen der Verschiebung der Verschlußstücke 13, 14 und der Höhe des der Spule 3 zugeführten Stroms erhalten bleibt. Die Proportionalität kann weiter dadurch verbessert werden, daß die Verschlußstücke entsprechend den nachstehenden Erläuterungen ausgebildet werden.

Wo die konischen Verschlußstücke 13, 14 mit kreisförmigen Öffnungen der entsprechenden Ventilsitze 11 und 12 zusam menwirken, kann sich der Bereich eines ringförmigen Spalts zwischen dem Ventilsitz und dem Verschlußstück nicht linear ändern, wodurch die Proportionalität verschlechtert wird. Nachstehend wird eine Lösung dieses Problems angegeben.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte Ausbildung der in dem Magnet ventil nach Fig. 1 vorgesehenen Verschlußstücke 13, 14. Angenommen, der Öffnungsdurchmesser des Ventilsitzes 11 ist gleich dem Durchmesser des Verschlußstückes 13, der Durchmesser der Ausgangswelle 8 ist , und der Verschiebe weg des Verschlußstückes 13 ist L, so ist es möglich, den Hub der Ausgangswelle 8 dem Querschnittsbereich des ring förmigen Strömungswegs dadurch proportional zu machen, daß ein Teil der konischen Fläche des Verschlußstücks 13, der in einem Bereich liegt, so gestaltet wird, daß die Konturen eines Abschnitts dieses Teils auf einer Kurve zweiten Grades liegen. Damit bildet die Vollinien-Kurve j- l-k die gebogene konische Fläche. Zum leichteren Bearbei ten der Fläche kann die Kurve j-l-k durch zwei geradlinige Segmente und ersetzt werden, wodurch angenähert die gleiche Wirkung erzielbar ist.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist bei dem proportional wirkenden Elektromagnetventil die zweite, relativ schwache Druckfeder 20 gegenüber der Ausgangswelle 8 an einem Ende des beweglichen Ankers 5 angeordnet, und die konische Flä che des Verschlußstücks ist so gebogen, daß der Durchsatz genau proportional dem Strom, der dem elektromagnetischen Antriebs-Abschnitt 1 zugeführt wird, regelbar ist.

Die Gestaltung der Verschlußstücke 13, 14 nach Fig. 3 kann entsprechend Fig. 4 geändert werden, wobei gleiche Teile gleich bezeichnet sind. Dabei wird die Kurve der konischen Fläche des Verschlußstücks 13 experimentell bestimmt, so daß die Proportionalität zwischen dem Hub der Ausgangswelle 8 und dem dem Antriebs-Abschnitt 1 zugeführten Strom weiter verbessert wird. Das Segment j-k ist wellenförmig ausgebil det, wobei ein Abschnitt des Verschlußstücks 13 nahe der Ausgangswelle 8 stärker als der übrige Teil des Verschluß stücks gebogen 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 dem propor tional wirkenden Elektromagnetventil durch die Kurve der konischen Fläche des Durchsatz-Regelorgans korrigiert wer den, um die Proportionalität zwischen dem Hub der Ausgangs welle 8 und dem geregelten Durchsatz zu verbessern. Er wünschtenfalls kann aber die Proportionalität auch absicht lich gestört werden, indem die Gestaltung des Verschluß stücks 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. Das proportional wirkende Elektromagnetventil 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.

Claims

1. Proportional wirkendes Elektromagnetventil für die Durchsatzregelung in einem Strömungsweg

- mit einer hubbeweglichen Ausgangswelle (8),
- mit einer die Ausgangswelle (8) umgebenden Spule (3),
- mit einem Gehäuse (7) aus ferromagnetischem Material, das die Spule (3) umgibt,
- mit einem beweglichen Anker (5) aus ferromagnetischem Material, der an einem Ende der Ausgangswelle (8) befestigt ist,
- mit einem stationären Anker (4) aus ferromagnetischem Material, der an einem Ende des Gehäuses (7) befestigt ist,
- mit mehreren Verschlußstücken (13, 14) nach Art eines Doppelsitzventils auf dieser Ausgangswelle (8), die den Durchsatz proportional zum Hub der Ausgangswelle steuern, und
- mit einer ersten, die Ausgangswelle (8) entgegen der Richtung der elektromagnetischen Antriebskraft in Schließrichtung des Ventils beaufschlagenden Druck feder (17),

dadurch gekennzeichnet,

- daß eine ferromagnetische Endplatte (6) den bewegli chen Anker (5) umgibt,
- daß die einander gegenüberliegenden Flächen des beweglichen Ankers (5) und des stationären Ankers (4) parallel zueinander und konisch gestaltet sind,
- daß die Überlappung zwischen dem beweglichen Anker (5) und der Endplatte (6) sich mit dem Hub des Ankers (5) ändert, und
- daß an dem der Ausgangswelle (8) gegenüberliegenden Ende des beweglichen Ankers (5) eine zweite Druckfeder (20) angeordnet ist, die den beweglichen Anker (5) in Öffnungsrichtung des Ventils beaufschlagt und schwä cher als die erste Feder (17) ist.

2. Elektromagnet-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckfeder (20) eine Federkonstante auf weist, die das 0,5- bis 0,1fache der ersten Druckfeder (17) beträgt.

3. Elektromagnet-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußstücke (13) im Schnitt längs der Hub linie einen Umriß haben, der auf wenigstens einer Kurve zweiten Grades liegt (Fig. 3).