DE2953477C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellan­ trieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Stellantrieb ist zur Umsetzung einer elektri­ schen Stellgröße in einen mechanischen Verstellweg bzw. eine mechanische Verstellkraft z.B. an der Regelstange der Einspritzpumpe eines Dieselmotors zur Drehzahlregelung ange­ ordnet. Eine derartige Einspritzpumpe erfordert im allgemei­ nen nur relativ kleine Verstellwege von z.B. 12 mm, aber re­ lativ großer Verstellkräfte von z.B. 20 N. Besonders größere Dieselmotoren müssen bei einem plötzlichen Lastabfall sehr rasch zurückgeregelt werden, um eine Überdrehzahl zu vermei­ den. Als Verstellzeit hierzu werden z.B. weniger als 50 ms gefordert.

Aus der DE-OS 21 46 507 ist ein Stellantrieb bekannt, an dessen einem Ende der Schubstange ein Spulenträger mit einer zylindrisch gewickelten Tauchspule vorgesehen ist. An dem anderen Schubstangenende ist ein Wegaufnehmer bzw. Stellungs­ geber angeordnet. Zwischen den Enden der Schubstange ist eine Hebelanordnung vorgesehen, die zur Übertragung der Stellbewegung der Schubstange auf die Regelstange angeordnet ist.

Die Tauchspule liegt im Ringspalt eines Ringspaltmagneten und ist durch eine Feder in Richtung aus dem Ringspalt hin­ aus kraftbeaufschlagt. Die Feder verstellt somit die Schub­ stange in die eine Längsrichtung, während die elektromagne­ tische Anordnung die Schubstange in die andere Längsrichtung verstellt. Zur Einstellung einer bestimmten Lage der Regel­ stange muß in der Spule permanent ein Strom fließen, um die Schubstange gegen die Kraft der Feder in der bestimmten Lage zu halten. Permanent fließende Ströme bedingen aber eine Er­ wärmung des elektromagnetischen Stellantriebs. Ferner müssen zur Lagesicherung Ströme von nicht unerheblicher Größe flie­ ßen, wodurch ein entsprechend hoher Energiebedarf gegeben ist.

Um darüber hinaus in etwa eine Linearität zwischen dem in der Tauchspule fließenden Steuerstrom und der Lage der Regel­ stange zu erzielen, müssen die Federkennlinie und die Kenn­ linie des elektromechanischen Stellantriebs genau aufeinan­ der abgestimmt sein. Die Anordnung der Feder verschlechtert dabei den elektrischen Wirkungsgrad auf etwa die Hälfte, so daß die möglichen Beschleunigungen der Schubstange mit dem daran befestigten Spulenträger und der Tauchspule sehr klein sind, was die Ansprechzeiten des Stellantriebs nachteilig verlängert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb für die Regelstange einer Einspritzpumpe für Brennkraftmaschinen anzuge­ ben, der in einer eingenommenen Stellung ohne weitere Ener­ giezufuhr stabil ist, der hohe Beschleunigungen ermöglicht und nur kurze Ansprechzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb hat keine auf die Schub­ stange bzw. die Regelstange wirkende Feder, so daß der elek­ tromagnetische Stellantrieb auch nicht gegen eine Federkraft arbeiten muß. Die durch einen Steuerstrom erzielte Stell­ kraft kann daher voll auf die Regelstange wirken, wodurch hohe Beschleunigungen erzielt werden können. Die elektrome­ chanische Umwandlung ist dabei stromlinear und vorzeichen­ symmetrisch. Die Bewegung der Tauchspule im magnetischen Feld führt aufgrund der schwach eingestellten Ausgangsimpe­ danz des treibenden Verstärkers zu induzierten Spannungen, die ihrerseits große Ausgleichsströme erzeugen können und eine dämpfende Kraft bewirken. Wird der Steuerstrom abge­ schaltet, kommt die Schubstange aufgrund der in der Tauch­ spule fließenden hohen Ausgleichsströme rasch zum Still­ stand, so daß ohne mechanische Gegenkraft eine präzise Ver­ stellung von der einen Lage in die andere Lage möglich ist. Im eingeschwungenen Zustand kann der Stellantrieb stromlos sein. Aufgrund der wirkenden hohen Beschleunigungen und der damit erzielbaren raschen Stellbewegungen sind die Ansprech­ zeiten des erfindungsgemäßen Stellantriebs sehr gering.

Um diese erzielten kurzen Ansprechzeiten auch unmittelbar auf die Regelstange übertragen zu können, ist die Schubstan­ ge gleichachsig zur Regelstange angeordnet. Auf diese Weise sind keine Getriebeübersetzungen wie Hebel oder dgl. notwen­ dig, so daß auch damit verbundene geometrische Verzerrungen oder Leerwege entfallen. Die Bewegung der Schubstange wird unmittelbar an die Regelstange weitergegeben, so daß eine präzise, rasche Verstellung der Einspritzpumpe ermöglicht ist. Der Stellantrieb hat auch einen sehr kleinen Totbe­ reich, da die Haftreibung aufgrund der geringen bewegten Massen sehr klein ist.

Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den weite­ ren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen beschriebener erfindungsgemäßer Stellantrieb dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stellantrieb zur geradlinigen Verstellung der Re­ gelstange einer Einspritzpumpe,

Fig. 2 eine Axialansicht auf das Ende der Schubstange des Stellantriebs mit Tauchspule und Kühlanord­ nung.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb besteht aus einem ortsfe­ sten Ringspaltmagnet mit einer Trägerplatte 1, einem Polkern 2, einem Magnetring 3 und einer Polplatte 4. Auf einer Schubstange 7 ist ein Spulenträger 6 angeordnet, der eine Tauchspule 5 hält, welche in dem Ringspalt des Ringspaltmag­ neten liegt. Zur guten Abführung der Spulenwärme ist der Spulenträger 6 mit Kühlfahnen 8 versehen. Ein axialer Siche­ rungsstift 9 verhindert ein Verdrehen der Tauchspule 5 sowie eine mechanische Überlastung der Zuleitungen 10.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb ermöglicht relativ große Verstellkräfte bei äußerst kleiner bewegter Masse. So können z.B. mit einem auf 35 N ausgelegten Stellantrieb kurzzeitig auch bis 50 N bei einer bewegten Masse von 50 g erzielt wer­ den. Die Verstellzeit für 12 mm Hub liegt in der Größenord­ nung von 10 ms. Die Verstellkraft ist dabei dem Strom genau proportional und lageunabhängig, der Regler ist also ohne weitere Maßnahmen isotrop. Eine streng lineare Dämpfung ohne Verwendung viskoser oder reibender Mittel ergibt sich, wenn nur der treibende Verstärker eine hinreichend kleine oder mit elektronischen Mitteln schwach negativ eingestellte Aus­ gangsimpedanz aufweist.

Die bei einer Verschiebung der Spule induzierten Spannungen können große Ausgleichsströme erzeugen, die zu einer dämp­ fenden Kraft führen. Die Dämpfung ist der Verstellgeschwin­ digkeit genau proportional. Ihre Größe ist nur von dem re­ sultierenden positiven ohmschen Widerstand der Tauchspule abhängig, also mit elektronischen Mitteln einstellbar. Re­ geltechnisch bedeutet diese lineare Dämpfung das Einprägen einer Verstellgeschwindigkeit mit z.B. einem regeltechni­ schen Frequenzgang von -6 db/Oktave. Die Phasenlage zwischen der Regelgröße Drehzahl und der Stellgröße Einspritzmenge, also die Beschleunigung des Motors, beträgt dann nur noch -90°, wodurch der Regler grundsätzlich stabil ist.

Zur Feststellung der Anlaßstellung der Schubstange 7 bzw. der Regelstange der Einspritzpumpe ist in einer Bohrung des Polkerns 2 ein Wegaufnehmer mit einer Primärspule 11, zwei Sekundärspulen 12 und 13 sowie einem Kern 14 untergebracht. Der Wegaufnehmer liegt im Polkern 2 in einem Bereich, in dem im wesentlichen kein permanentes Feld besteht. Der Wegauf­ nehmer ist auch zur Festlegung maximaler Einspritzmengen z.B. in Abhängigkeit von anderen Motorparametern verwendbar.

An dem rückwärtigen Ende der Schubstange 7 ist eine Schnell­ abschaltvorrichtung angeordnet, um im Falle eines Regler- oder sonstigen Defektes die Schubstange bzw. die Regelstange der Einspritzpumpe rasch in ihrer Leerlaufstellung zu brin­ gen. Die Schnellabschaltvorrichtung besteht aus einem über eine Glocke 15 am Stellantrieb angeordneten, federbelasteten Tauchankermagneten mit einem hohlen Tauchanker 16, einer Druckfeder 17, einer Wicklung 18 und magnetischen Rück­ schlußteilen 19, 20 und 21.

In der gezeigten Bereitschaftsstellung (Fig. 1) ist die Wicklung 18 stromdurchflossen, wodurch der Tauchanker 16 gegen die Kraft der Druckfeder 17 mit Abstand von der Schub­ stange 7 gehalten ist. Bei einem von geeigneten Fühlern er­ kannten Defekt wird die Wicklung 18 stromlos geschaltet, so daß aufgrund der Druckfeder 17 der Tauchanker 16 über eine Dämpferplatte 22 auf das Ende der Schubstange 7 aufschlägt und die Schubstange bzw. die Regelstange der Einspritzpumpe zurückstellt. Die Druckfeder 17 ist dabei so bemessen, daß sie auch gegen die Stellkraft der Tauchspule 5 eine Rück­ stellung der Schubstange 7 bewirken kann.

Zum Zurückfahren des Tauchankers 16 in seine Bereitschafts­ stellung kann die Wicklung 18 kurzzeitig mit einem höheren Strom als dem Dauerbetriebsstrom beaufschlagt werden. Nach dem magnetischen Einrasten des Tauchankers 16 ist die Schnellabschaltvorrichtung von dem Stellantrieb mechanisch vollständig abgekoppelt, so daß durch die Schnellabschalt­ vorrichtung die Reglereigenschaften nicht beeinträchtigt sind.

Claims (6)

1. Elektromechanischer Stellantrieb für die Regelstange einer Einspritzpumpe für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer in Längsrichtung verschiebbaren Schubstange (7) mit einem Spulenträger (6) und einer darauf gehaltenen, zylin­ drisch gewickelten Tauchspule (5), die im Ringspalt eines Ringspaltmagneten (1 bis 4) liegt und zur Erzeu­ gung einer Stellkraft über einen Verstärker mit einem Steuerstrom gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstange (7) gleich­ achsig zur Regelstange liegt und mit dieser verbunden ist, und daß der Verstärker eine schwach negativ einge­ stellte Ausgangsimpedanz aufweist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspaltmagnet (1 bis 4) aus einer Trägerplatte (1), einer Polplatte (4) und einem zwischen den Platten (1, 4) angeordneten Magnet­ ring (3) sowie einem Polkern (2) besteht.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (6) mit Kühlfahnen (8) versehen ist.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem an der Schubstange (7) angeordneten Wegauf­ nehmer (11 bis 14), dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (11 bis 14) im Polkern (2) des Ringspaltmagneten (1 bis 4) liegt.

5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (11 bis 14) nach dem Prinzip des Differentialtransformators ausge­ bildet ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Schub­ stange (7) an ihrem der Regelstange abgewandten Ende ein federbelasteter Tauchanker (16) eines Tauchankermagneten (18 bis 21) liegt, der bei stromdurchflossener Tauchan­ kerspule (18) von der Regelstange zurückgezogen und me­ chanisch abgekoppelt ist und bei stromloser Spule (18) unter Federkraft auf die Schubstange (7) aufschlägt und die Regelstange zurückstellt.