DE3006302A1

DE3006302A1 - Magnetventil mit beweglichem kolben

Info

Publication number: DE3006302A1
Application number: DE19803006302
Authority: DE
Inventors: Torazo Nishimiya; Masamitsu Okumura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1980-09-04
Also published as: JPS6016734B2; JPS55111107A; GB2044541A; GB2044541B

Description

HITACHI, LTD.

5-1, 1-chome, Marunouchi, Chiyoda-ku,

Tokyo (Japan)

Magnetventil mit beweglichem Kolben

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetventil mit beweglichem Kolben zum Verstellen des Luft- oder Fluiddurchsatzes proportional zu einem Eingangsstrom.

Herkömmliche Magnetventile mit beweglichem Kolben weisen eine Beziehung entsprechend Fig. la zwischen der Verdrängung oder dem Hub des Kolbens und der Anziehungskraft auf. Dabei ist diese Beziehung für eine magnetomotorische Kraft χ,ΑΤ (AT = Amperewindungszahl) durch eine Kurve a bezeichnet, die Beziehung für eine MMK x-AT, die um einen vorbestimmten Wert größer als x, ist, ist durch eine Kurve b bezeichnet, und die letztgenannte Beziehung wird jedesmal zu den Kurven c und d hin verschoben, wenn die MMK um den vorbestimmten Wert erhöht wird. Wenn die MMK gleichbleibend gehalten wird, erhöht sich die Anziehungskraft mit kürzerem Kolbenhub. Die Kennlinie einer den Kolben vorspannenden Feder ist durch eine Gerade e in Fig. la bezeichnet. Die Schnittpunkte der Charakteristik der Feder und der charakteristischen Kurven

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des Kolbens, d. h. die Punkte, an denen der Kolben stillsteht, weil die Anziehungskraft und die Vorspannkraft der Feder ausgeglichen sind, sind voneinander um unterschiedliche Beträge f, g, h und i beabstandetf dies ist in Fig. Ib gezeigt, die eine größere Ansicht eines in Fig. la strichliniert gezeigten Teils ist. D. h., der Kolbenhub ist dem Eingangsstrom nicht proportional.

Wenn die Anziehungskraft in einem Verschiebebereich des Kolbens unter einer gleichbleibenden MMK nahezu gleichbleibend gehalten wird und wenn die Anziehungskraft (vgl. Fig. 2) bei einer gleichbleibenden Zunahme des Eingangsstroms um einen gleichbleibenden Wert erhöht wird, d. h. wenn die Kurven a, b, c und d in gleichmäßigen Abständen voneinander verlaufen, wird - wie allgemein bekannt ist - eine Proportionalität zwischen dem Kolbenhub und dem Eingangsstrom erreicht. Um aber eine solche Proportionalitäts-Beziehung zu erhalten, müssen eine Reihe von Problemen gelöst werden.

Um die genannte Proportionalitäts-Beziehung herzustellen, ist die folgende Maßnahme bekannt: Einander zugewandte Teile eines Kolbens und eines Magnetkerns werden im wesentlichen konisch geformt. D. h., die einander zugewandten Teile des Kolbens und des Kerns sind konvex konisch bzw. konkav konisch und somit zueinander komplementär ausgebildet. Damit wird eine Änderung des magnetischen Leitwerts aufgrund einer Hubänderung kleingemacht. Ferner wird die Überlappungslänge zwischen einem 3och und dem Kolben, die eine Funktion der unwirksamen MMK ist, entsprechend dem Kolbenhub geändert, so daß eine MMK mit flacher Charakteristik erhalten wird. Bei dieser Maßnahme ist jedoch bis jetzt noch nicht bekannt, wie der Konuswinkel des konischen Teils die Beziehung zwischen dem Hub und dem Eingangsstrom beeinflußt. Es ist also nicht möglich, die Proportionalitäts-Beziehung in befriedigender Weise durch die genannte Maßnahme zu erreichen.

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©AD ORIGINAL

Der in einem solchen Magnetventil mit beweglichem Kolben
verwendete Elektromagnet wird umso wirtschaftlicher, je
kleiner das Verhältnis zwischen dem Gewicht des Elektromagneten und einer Arbeitseinheit (Nutzarbeit) ist.

Allgemein ist der Elektromagnet in Axialrichtung groß, je
langer der Maximalhub des Kolbens ist, und der Durchmesser des Elektromagneten ist groß, wenn die Anziehungskraft höher ist, da die Windungszahl der Wicklung erhöht wird.

Wenn x(m) = Maximalhub des Kolbens,
U(AT) = magnetomotorische Kraft,

S(m ) = Querschnitt des dem Kern zugewandten Kolbenteils, durch den der Magnetfluß verläuft, und u = Durchlässigkeit für Luft,

dann ergibt sich die Anziehungskraft F(N) (Newton) aus der folgenden Gleichung:

Da -y F dem Durchmesser und der Größe in Axialrichtung proportional sind, ist die Indexziffer zur Bestimmung des Konuswinkels D< (des konischen Teils), mit dem ein optimaler elektromagnetischer Wirkungsgrad erzielbar ist, durch
~yr / χ bestimmt.

Obwohl aus der Indexziffer ein grober Wert für den Winkel
&. erhalten werden kann, hängt der Winkel 0< tatsächlich vom Kolbendurchmesser, dem Maximalhub x, dem Werkstoff und dem Aufbau des Magnetkreises usw. ab. Da ferner der aus der Indexziffer abgeleitete Winkel O<, vom Gesichtspunkt des

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elektromagnetischen Wirkungsgrads her (d. h. vom Betrag der Verdrängung des Kolbens bei einer MMK) bestimmt wird, kann mit dem vorgenannten Winkel kein Magnetventil mit sehr guter Proportionalitäts-Charakteristik erhalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Magnetventils mit beweglichem Kolben, das eine sehr gute Proportionalitäts-Charakteristik zwischen dem Kolbenhub und dem Eingangsstrom aufweist.

Dabei wurde insbesondere die Beziehung zwischen dem Konuswinkel und dem Maximalhub des Kolbens berücksichtigt, die sich auf die Proportionalitäts-Charakteristik auswirkt, und es wurde der optimale Konuswinkel entsprechend dem Maximalhub zur Erzielung einer sehr guten Proportionalitäts-Charakteristik untersucht.

Das Magnetventil mit beweglichem Kolben nach der Erfindung, mit einer zylindrischen Spule, mit einem Kern und einem Kolben, die in axialer Richtung der zylindrischen Spule in deren Mittenabschnitt angeordnet sind, und mit an beide Enden der Spule angeschlossenen Eingangsanschlüssen zur Zufuhr eines Speisestroms zur Spule, wobei ein dem Kern zugewandter Teil des Kolbens im wesentlichen konische Form hat und ein dem Kolben zugewandter Teil des Kerns im wesentlichen konische Form hat, so daß er zu dem konischen Kolbenteil komplementär ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der konischen Teile des Kerns und des Kolbens bei einem größeren Maximalhub des Kolbens klein gemacht ist, so daß zwischen der Größe des der zylindrischen Spule zugeführten Eingangsstroms und dem Kolbenhub ein Proportionalitäts-Verhältnis erzielbar ist.

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Durch die Erfindung wird also ein Magnetventil mit verschiebbarem Kolben angegeben, das eine zylindrische Spule sowie einen Kern und einen Kolben aufweist, die in Axialrichtung der Spule in einem Mittenabschnitt derselben angeordnet sind, wobei ein dem Kern zugewandter Teil des Kolbens im wesentlichen konisch geformt ist und ein dem Kolben zugewandter Teil des Kerns im wesentlichen konisch geformt ist, so daß er der konischen Form des Kolbenteils komplementär ist, und wobei der Konuswinkel der konischen Teile von Kern und Kolben bei größerem Maximalhub des Kolbens klein gemacht ist, so daß zwischen dem der zylindrischen Spule zugeführten Eingangsstrom und dem Kolbenhub eine Proportionalitäts-Beziehung erzielbar ist.

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

Fig. la die Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der

und Ib Anziehungskraft, die bei verschiedenen MMK-Werten aufgetragen ist, in einem typischen Beispiel herkömmlicher Kolben-Magnetventile;

Fig. 2 eine ideale Proportionalitäts-Charakteristik zwischen dem Kolbenhub und der Anziehungskraft;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Magnetventils nach der Erfindung;

Fig. ή· eine größere Ansicht, die einen Teil des Magnetventils nach Fig. 3 darstellt;

Fig. 5 Beziehungen zwischen Kolbenhub und Anzie-

bis 7 hungskraft bei Magnetventilen nach der Erfindung; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Beispiels für eine Vorrichtung, in der ein Kolben-Magnetventil nach der Erfindung verwendbar ist.

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Nach Fig. 3 umfaßt ein Ventilkörper 1 in seinem Mittenteil einen Kern 2. Der einem Kolben zugewandte Teil des Kerns 2 ist als konkaver Konus (genau gesagt als Kegelstumpf eines Hohlkonus) ausgebildet, und im Kern 2 ist ein Lager 3 angeordnet. Eine Seitenfläche eines Spulenkörpers A- ist taschenförmig, und auf die Außenseite des Spulenkörpers 4 ist eine Spule 5 gewickelt. Beide Enden der Spule 5 sind jeweils an Speise-Anschlußklemmen 6 und 7 angeschlossen. Ein Joch aus Magnetwerkstoff ist auf dem Außenumfang befestigt und taschenförmig ausgebildet. Ein aus einem Kunstharz bestehender Körper 9 verbindet den Spulenkörper k, die Spule 5, die Anschlußklemmen 6 und 7 sowie das Joch 8 zu einer Einheit. Ein Kolben 10 ist im inneren Zylinderabschnitt des Spulenkörpers 4 mittels einer Kolbenführung 11 so angeordnet, daß ein Ende des Kolbens 10 einem Ende des Kerns 2 zugewandt ist. Der dem Kern 2 zugewandte Teil des Kolbens 10 ist als konvexer KOnus (genau gesagt als Kegelstumpf eines konvexen Konus) ausgebildet, der einen geeigneten Konuswinkel hat, so daß er dem konkaven Konus des Kerns 2 komplementär ist. Eine Abtriebswelle 14 ist an dem Kolben 10 befestigt und in dem im Kern 2 angeordneten Lager 3 gelagert. Mit der Abtriebswelle 14 ist ein Stellventil 12 verbunden, das von einer Feder 13 mit einer vorbestimmten Last beaufschlagt wird.

Wenn bei dem angegebenen Aufbau der Spule 5 durch die Anschlußorgane 6 und 7 von einer Gleichstromversorgung (nicht gezeigt) ein Eingangsstrom zugeführt wird, wird eine dem Eingangsstrom entsprechende MMK erzeugt, und der Kolben 10 wird in eine Stellung verschoben, in der die MMK und die Gegenkraft der Feder 13 gegeneinander ausgeglichen sind. Wenn zwischen dem Eingangsstrom und der Verschiebebewegung des Kolbens 10 eine Proportionalitäts-Beziehung erzeugt wird, wird die Vorrichtung als Proportionalitäts-Stellventil bezeichnet.

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Fig. 4· zeigt den den Kolben 10 und den Kern 2 aufweisenden Teil der Ausführungsform nach Fig. 3.

Wenn nach Fig. 4- der Durchmesser des Kolbens 10, der Spalt zwischen dem 3och 8 und dem Kolben 10, die Überlappungslänge zwischen dem 3och 8 und dem Kolben 10, der zwischen dem Unterende und der Seite des konischen Teils des Kolbens 10 gebildete Winkel, der mittlere Radius desjenigen Teils des Kolbens 10, der in den Kern 2 eintritt, die Länge des konischen Teils des Kolbens 10 und der Abstand zwischen dem Kolben 10 und dem Kern 2 (d. h. der Hub des Kolbens) als D, S , h, ß, r, H und χ ausgedrückt werden, wird der effektive magnetische Leitwert P durch die folgende Gleichung bestimmt :

ρ - / ( ^H _ ^x ) . _r
g xcosß sinß sinß

Der unwirksame magnetische Leitwert P wird durch die

folgende Gleichung bestimmt: 2TTyu(r + |)x

^Ps

Damit ergibt sich die den Kolben 10 beaufschlagende Anziehungskraft F aus der folgenden Gleichung:

_{F =}

χ sinßcosß

Die Anziehungskraft wurde auf einen Sollwert auf der Grundlage der obigen Gleichung eingestellt, Länge und Durchmesser des Magnetventils und der höchste durch die Spule fließende Strom wurden entsprechend auf Sollwerte eingestellt, und die

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Größe des Elektromagneten wurde auf einen vorbestimmten Wert begrenzt, und dann wurde der optimale Wert des Konuswinkels OC des konischen Teils des Kolbens 10 sowie des Konuswinkeis ©O des konischen Teils des Kerns 2 experimentell untersucht, um die beste Proportionalitäts-Charakteristik für verschiedene Maximalhübe zu erhalten. Damit wurden die in den Fig. 5-7 angegebenen Beziehungen erhalten. In diesem Fall wurde die Länge und der Durchmesser des Magnetventils sowie der Höchststrom gleich 50 mm bzw. 30 mm bzw. 1,3 A eingestellt. In jeder der Fig. 5-7 sind durch eine Vollinie Sollwerte angegeben.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Hub und der Anziehungskraft, die in einem MMK-Bereich von 250-1000 AT in einem Fall aufgetragen ist, in dem der Maximalhub weniger als 3 mm beträgt und die Konuswinkel OC und OC¹ als Parameter in der oben angegebenen Beziehung eingesetzt sind.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, steigt die Anziehungskraft mit größer werdendem Konuswinkel, wenn die MMK gleichbleibend gehalten wird. Ferner zeigen die Versuchsergebnisse von FIg. 5, daß eine befriedigende Proportionalitäts-Beziehung zwischen dem Eingangsstrom und dem Kolbenhub innerhalb eines Bereichs der Konuswinkel OC und OC¹ von im wesentlichen 30-70° erhalten wird. D. h., bei dem vorstehenden Konuswinkelbereich verlaufen die Kennlinien der Anziehungskraft, die über dem Hub aufgetragen sind, in gleichmäßigen Abständen für Eingangsströme, die voneinander um einen vorbestimmten Wert verschieden sind.

Wenn der Maximalhub in einem Bereich von 3-7 mm liegt (vgl. Fig. 6), wird eine befriedigende Proportionalitäts-Beziehung zwischen dem Eingangsstrom und dem Hub innerhalb eines Konuswinkelbereichs von im wesentlichen 20-50° erhalten.

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Ebenso wird in einem Fall, in dem der Maximalhub größer als 7 mm ist (vgl. Fig. 7), ein befriedigendes Proportionalitäts-Verhältnis innerhalb eines Konuswinkelbereichs von im wesentlichen 10-30° erhalten. D. h., die Konuswinkel müssen bei längerem Maximalhub klein gemacht werden. Dies ist eine neue Tatsache, die aus der herkömmlichen Beziehung auf der Grundlage des elektromagnetischen Wirkungsgrads zwischen dem Konuswinkel und dem Hub nicht ableitbar ist.

Wie erläutert, werden bei einem Kolben-Magnetventil, das zwar die Proportionalitäts-Charakteristik nicht aufweist, jedoch eine hohe bauliche Festigkeit hat, die Konuswinkel von Kolben und Kern auf der Grundlage von Versuchen untersucht, um eine sehr gute Proportionalitäts-Charakteristik zu erhalten. Aufgrund dieser Experimente kann ein Proportionalitäts-Stellventil geschaffen werden, das einen hohen elektromagnetischen Wirkungsgrad, geringe Größe und geringes Gewicht hat.

Fig. 8 zeigt eine Steuervorrichtung, in der ein Kolben-Magnetventil der angegebenen Art verwendet wird. Dabei wird das Magnetventil als Luftregelventil in einer Umgehungsleitung einer Drosselkammer einer elektronischen Motor-Steuervorrichtung verwendet.

Fig. 8 zeigt den Hauptaufbau einer elektronischen Motor-Steuervorrichtung; dabei wird der Durchsatz der durch ein Luftfilter 22 angesaugten Luft von einem Luftdurchsatzmesser 2A- erfaßt, und dessen elektrisches Ausgangssignal, das den Luftdurchsatz bezeichnet, wird einem Steuerkreis 20 zugeführt. Die durch den Luftdurchsatzmesser 2A- geleitete Luft wird in eine Drosselkammer 26 und dann in einen Brennraum A-A- eines Motors 4-2 durch einen Ansaugkrümmer 36 und ein Saugventil 38 geleitet. Die in den Brennraum A-A- geleitete

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Luftmenge wird durch Ändern der Stellung einer Drosselklappe 28, die in der Drosselkammer 26 angeordnet und mechanisch mit einem Fahrpedal (nicht gezeigt) gekoppelt ist, geregelt. Ferner weist die Drosselkammer 26 eine Umgehungsleitung und einen Luftregler 32 auf. Der Luftregler 32 besteht aus einem Luftregelventil 3A-, das ein Ausführungsbeispiel des Kolben-Magnetventils nach der Erfindung ist, und regelt die durch die Umgehungsleitung 30 strömende Luftmenge nach Maßgabe des Ausgangssignals des Steuerkreises 20. D. h., das Luftregelventil 3A^ regelt die Motordrehzahl während der Warmlauf phase des Motors usw. Das Magnetventil 3A- nach Fig. 8 ist eine abgeänderte Form des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 und umfaßt zwei Ventile.

Wenn Kraftstoff aus einer Kraftstoff einspritzdüse 5A- entsprechend einem Ausgangssignal des Steuerkreises 20 eingespritzt wird, wird das Saugventil 38 synchron mit der Bewegung eines Kolbens 4-6 geöffnet, und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in den Brennraum A-A- geleitet. Das .Gasgemisch wird verdichtet und dann von einer Zündkerze (nicht gezeigt) gezündet, so daß es verbrennt. Damit wird die Verbrennungsenergie des Gasgemischs in die kinetische Energie zum Verschieben des Kolbens umgewandelt.

Das verbrannte Gasgemisch wird durch ein Auspuff ventil A-O und ein Auspuffrohr 56 abgeleitet. Das Auspuffrohr 56 weist ein Abgas-Rückführventil 58 auf, durch das ein Teil der Abgase zum Ansaugkrümmer 36 rückgeführt wird. D. h., ein Teil der Abgase strömt zur Motor-Saugseite zurück. Die rückgeführte Abgasmenge wird durch den Öffnungsgrad des Abgas-Rückführventils 58 bestimmt, und dessen Öffnungsgrad wird wiederum durch ein Ausgangssignal des Steuerkreises 20 bestimmt. Der Steuerkreis 20 umfaßt einen positiven Netzanschluß 60 und einen negativen Netzanschluß 62. Ein Wassertemperatur-Fühler 52 ist in einem Kühlwassermantel 50 des Motors A-2 angeordnet,

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erfaßt die Kühlwassertemperatur und führt dem Steuerkreis ein entsprechendes Signal zu. Ferner weist der Motor 42 einen Winkelerfasser 48 zum Erfassen der Drehwinkellage des Motors auf, der synchron mit dem Umlaufen des Motors ein Bezugssignal z. B. in Winkelabständen von 120° erzeugt und ferner jedesmal, wenn der Motor um einen vorbestimmten Winkel von z. B. 0,5° weitergedreht wird, ein Winkelsignal erzeugt. Diese Signale werden dem Steuerkreis 20 zugeführt, so daß in diesem die Motordrehzahl erhalten wird.

Bei der vorstehend angegebenen elektronischen Motor-Steuervorrichtung kann das Luftregelventil 34- die folgenden vier Funktionen ausüben:

Die erste Funktion besteht darin, eine sich im Lauf der Zeit einstellende Änderung der Drosselklappe 28 bei Leerlauf des Motors auszugleichen. Wenn sich im Leerlauf der Öffnungsgrad der Drosselklappe 28 im Lauf der Zeit ändert, weicht die Motordrehzahl im Leerlauf von einem Sollwert ab. Um dieses Problem zu vermeiden, berechnet der Steuerkreis 20 die Drehzahl im Leerlauf auf der Grundlage des Ausgangssignals des Winkelerfassers 4-8 und führt dem Luftregelventil 34 ein Signal zu, durch das der Öffnungsgrad ües Regelventils 3A- bestimmt wird. Damit wird die Motordrehzahl im Leerlauf ausgeglichen, und es wird die Soll-Drehzahl erhalten.

Die zweite Funktion des LUftregelventils 34 besteht darin, die Motordrehzahl beim Anlassen nach Maßgabe der Temperatur des Kühlwassers zu regeln. Beim Anlassen wird die Kühlwassertemperatur durch den Fühler 52 erfaßt, und das Luftregelventil 34 wird nach Maßgabe der Wassertemperatur geöffnet, so daß die Motordrehzahl erhöht wird. Mit steigender Kühlwassertemperatur wird der Öffnungsgrad des Luftregelventils 34 kleiner,um die Motordrehzahl zu vermindern. Wenn die

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Kühlwassertemperatur auf einen vorbestimmten Wert gestiegen ist, wird das Luftregelventil 34· geschlossen, um die Drehzahl auf einem vorbestimmten Wert zu halten.

Die dritte Funktion besteht darin, die Luftmenge vorübergehend zu erhöhen, um beim Anlassen des Motors eine vollständige Verbrennung zu erzielen. D. h., beim Anlassen des Motors wird das LUftregelventil 3A- vorübergehend geöffnet, um die in den Motor gelangende Luftmenge zu erhöhen. Damit wird ein optimales Gasgemisch gebildet, und es erfolgt eine vollständige Verbrennung.

Die vierte Funktion besteht darin, die Drehzahl eines Motors zu erhöhen, wenn ein am Motor angeordneter Kühler eingeschaltet wird. D. h., wenn der Kühler eingeschaltet und damit die Last des Motors erhöht wird, öffnet der Steuerkreis 20 das Luftregelventil 3A- um einen vorbestimmten Betrag aufgrund des Einschaltens des Kühlers, so daß die Motordrehzahl erhöht wird.

Da der Öffnungsgrad des Kolben-Magnetventils nach der Erfindung proportional zu dem Eingangsstrom bestimmt wird, wird die das Ventil durchsetzende Luftmenge ebenfalls proportional dem Eingangsstrom bestimmt. Daher eignet sich das Magnetventil sehr gut als Luftregelventil in einer elektronischen Motor-Steuervorrichtung und kann einen Motor unter verschiedenen Betriebsbedingungen in geeigneter Weise einstellen .

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■Us-,

Leerseite

Claims

Ansprüche

( 1.ι Magnetventil mit beweglichem Kolben,

- mit einer zylindrischen Spule,

- mit einem Kern und einem Kolben, die in axialer Richtung der zylindrischen Spule in deren Mittenabschnitt angeordnet sind, und

- mit an beide Enden der Spule angeschlossenen Eingangsanschlüssen zur Zufuhr eines Speisestroms zur Spule,

- wobei ein dem Kern zugewandter Teil des Kolbens im wesentlichen konische Form hat und ein dem Kolben zugewandter Teil des Kern im wesentlichen konische Form hat, so daß er zu dem konischen Kolbenteil komplementär ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Konuswinkel (o<, 0< ·) der konischen Teile des Kerns (2) und des Kolbens (10) bei einem größeren Maximalhub des Kolbens (10) klein gemacht ist,

- so daß zwischen der Größe des der zylindrischen Spule (5) zugeführten Eingangsstroms und dem Kolbenhub ein Proportionalitäts-Verhältnis erzielbar ist.
2. Magnetventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Konuswinkel (OC, oC · ) der konischen Teile von Kern (2) und Kolben (10) in einem Winkelbereich von im wesentlichen 30-70° liegt, wenn der Maximalhub des Kolbens (10) kleiner als 3 mm ist, in einem Winkelbereich von im wesentlichen 20-50 liegt, wenn der Maximalhub in einem Be-

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reich von 3-7 mm liegt, und in einem Winkelbereich von im wesentlichen 10-31 größer als 7 mm ist.

im wesentlichen 10-30° liegt, wenn der Maximalhub

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