-
Drucksteuerventil
-
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Drucksteuerventil
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Drucksteuerventil vorgeschlagen
worden, bei dem aus der Nullage heraus im Regelbereich ein großes Ankerdrehmoment
für einen kleinen Drehwinkel erforderlich ist, während in entgegengesetzter Drehrichtung
bei Umkehr der Erregerstromrichtung nur ein kleines Ankerdrehmoment für einen großen
Drehwinkel des Ankers erforderlich ist. Hierdurch sind große Luftspalte zwischen
dem Anker und den Polschuhen und damit ein hoher Erregerstrom sowie ein großer Permanentmagnet
erforderlich, wodurch es zu räumlich ausgedehnten Streufeldern kommt.
-
Außerdem müssen die Luftspalte zwischen dem Anker und den Polschuhen
viel größer als der sich bei der Ankerdrehung ergebende Hub sein, um im Regelbereich
eine Linearität des Ankerhubes mit dem Erregerstrom zu erreichen.
-
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Drucksteuerventil mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß
eine Anpassung der am Anker angreifenden Verstellkräfte an die Erfordernisse möglich
ist, wobei trotz relativ kleiner Luftspalte ausreichend große Hübe des Ankers möglich
sind.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebentn Drucksteuerventiles
möglich.
-
Besonders vorteilhaft ist es die Luftspaltflächen an zwei am Anker
nicht gegenüberliegenden Polschuhen gegenüber den anderen beiden Polschuhen zu vergrößern
und an den anderen beiden Polschuhen kleinere Luftspalte zwischen Anker und Polschuhen
vorzusehen.
-
Vorteilhaft ist es ebenfalls, je zwei Polschuhe auf einer Seite des
Ankers an einem Joch auszubilden und zwischen den beiden Jochen einen Magnetleiter
anzuordnen, dessen Sättigungsinduktion mit der Temperatur abnimmt, so daß der Permanentmagnetfluß
durch den Anker temperaturabhängig wird.
-
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen Figur 1 eine Kraftstoffeinspritzanlage mit einem Drucksteuerventil, Figur
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksteuerventiles, Figur
3 eine Führungsmembran eines Drucksteuerventiles nach Figur 3, Figur 4 ein Diagramm,
das den Verlauf des am Drucksteuerventil gesteuerten Differenzdruckes dp in Abhängigkeit
vom Erregerstrom I zeigt.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispieles Bei der in Figur 1 beispielsweise
dargestellten Kraftstoffeinspritzanlage sind mit 1 Zumeßventile dargestellt, wobei
jedem Zylinder einer nichtdargestellten gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine
ein Zumeßventil 1 zugeordnet ist, an dem eine zur von der Brennkraftmaschine angesaugten
Luftmenge in einem bestimmten Verhältnis stehende Kraftstoffmenge zugemessen wird.
Die dargestellte Kraftstoffeinspritzanlage weist vier Zumeßventile 1 auf und ist
somit für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine bestimmt. Der Querschnitt der Zumeßventile
ist beispielsweise gemeinsam, wie angedeutet, durch ein Betätigungselement 2 in
Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine änderbar, beispielsweise
in bekannter Weise in Abhängigkeit von der durch die Brennkraftmaschine angesaugten
Luftmenge. Die Zumeßventile 1 liegen in einer Kraftstoffversorgungsleitung 3, in
die von einer durch einen Elektromotor 4 angetriebenen Kraftstoffpumpe 5 aus einem
Kraft-,stoffbehälter 6 Kraftstoff gefördert wird. In der Kraftstoffversorgungsleitung
3 ist ein Druckbegrenzungsventil 9 angeordnet, das den in der Kraftstoffversorgungsleitung
3 herrschenden Kraftstoffdruck begrenzt und bei Überschreiten Kraftstoff in den
Kraftstoffbehälter 6 zurückfließen läßt.
-
Stromabwärts jedes Zumeßventiles 1 ist eine Leitung 11 vorgesehen,
über die der zugemessene Kraftstoff in eine Regelkammer 12 eines jedem Zumeßventil
1 gesondert zugeordneten Regelventiles 13 gelangt. Die Regelkammer 12 des Regelventiles
13 ist durch ein beispielsweise als Membran 14 ausgebildetes bewegliches Ventilteil
von einer Steuerkammer 15 des Regelventiles 13 getrennt. Die
Membran
14 des Regelventiles 13 arbeitet mit einem in der Regelkammer 12 vorgesehenen festen
Ventilsitz 16 zusammen, über den der zugemessene Kraftstoff aus der Regelkammer
12 zu den einzelnen Einspritzventilen 10, von denen nur eines dargestellt ist, im
Saugrohr der Brennkraftmaschine strömen kann. In der Steuerkammer 15 ist eine Schließfeder
17 angeordnet, durch die bei abgestellter Brennkraftmaschine die Membran 14 am Ventilsitz
16 gehalten wird.
-
Von der Kraftstoffversorgungsleitung 3 zweigt eine Leitung 19 ab,
die über ein elektromagnetisch betätigbares Drucksteuerventil 20 in Düse-Prallplatte-Bauart
in eine Steuerdruckleitung 21 mündet. Stromabwärts des Drucksteuerventiles 20 sind
in der Steuerdruckleitung 21 die Steuerkammern.15 der Regelventile 13 und stromabwärts
der Steuerkammern 15 ist eine Steuerdrossel 23 angeordnet.
-
Über die Steuerdrossel 23 kann Kraftstoff aus der Steuerdruckleitung
21 in eine Abströmleitung 24 strömen. Die Ansteuerung des Drucksteuerventiles 20
erfolgt über ein elektronisches Steuergerät 32 in Abhängigkeit von entsprechend
eingegebenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine wie Drehzahl 33,. Drosselklappenstellung
34, Temperatur 35, Abgaszusammensetzung (Sauerstoffsonde) 36 und anderen. Die Ansteuerung
des Drucksteuerventiles 20 durch das elektronische Steuergerät 32 kann dabei analog
oder getaktet erfolgen. Bei nicht erregtem Zustand des Drucksteuerventiles 20 kann
durch geeignete Feder1räfte oder Permanentmagneten das Drucksteuerventil 20 so ausgelegt
sein, daß sich am Drucksteuerventil 20 eine Druckdifferenz einstellt, die auch bei
Ausfallen der elektrischen Ansteuerung einen Notlauf der Brennkraftmaschine gewährleistet.
-
Das beispielsweise in der Zeichnung dargestellte Druckbegrenzungsventil
9 weist einen Regelkolben 27 auf, der vom Kraftstoffdruck in der Leitung 19 entgegen
der Krart einer Regelfeder 28 verschoben werden kann, so daß über eine Regelkante
29 Kraftstoff aus der Leitung 19 in eine Rückströmleitung 30 strömen und zum Kraftstoffbehälter
6 zurückfließen kann. Durch den öffnenden Regelkolben 27 kann gleichzeitig ein Absperrventil
31 geöffnet werden.
-
Hierfür greift der öffnende Regelkolben 27 bei fördernder Kraftstoffpumpe
5 an einem Betätigungsstift 38 an, der das bewegliche Ventilteil 39 des Absperrventils
31 entgegen der Kraft einer Absperrfeder 40 in Öffnungsrichtung verschiebt. Wird.
die Brennkraftmaschine abgestellt, so erfolgt durch die Elektrokraftstoffpumpe 4,
5 keine Kraftstofförderung mehr, und das Druckbegrenzungsventil 9 schließt. Gleichzeitig
verschiebt die an dem Betätigungsstift 38 angreifende Absperrfeder 40 das bewegliche
Ventilteil 39 des Absperrventils 31 in Schließstellung.
-
Stromabwärts der Steuerdrossel 23 gelangt der Kraftstoff in die Abströmleitung
24, in der auch das Absperrventil 31 angeordnet ist. Bei nicht fördernder Kraftstoffpumpe
wird somit durch das geschlossene Absperrventil 31 verhindert, daß Kraftstoff aus
der Steuerdruckleitung 21 auslecken kann und damit erreicht, daß die Kraftstoffeinspritzanlage
für einen erneuten Start der Brennkraftmaschine mit Kraftstoff gefüllt bleibt.
-
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksteuerventiles
20 ist in Figur 2 dargestellt. Dabei ist zwischen eine untere Gehäusehälfte 72 und
eine obere Gehäusehälfte 73 eine Führungsmembran 74 eingespannt, die in Figur 3
in Draufsicht dargestellt ist. Mit 75 ist eine
Zuflußöffnung bezeichnet,
die mit der Leitung 19 und damit mit der Kraftstoffversorgungsleitung 3 in Verbindung
steht.
-
Die Zuflußöffnung 75 mündet über eine vertikal gerichtete, als Steuerventilsitz
dienende Düse 76 in einen von der unteren Gehäusehälfte 72 und der oberen Gehäusehälfte
73 umschlossenen Arbeitsraum 77. Von dem Arbeitsraum 77 führt eine Abflußöffnung
78, beispielsweise in der oberen Gehäusehälfte 73 ausgebildet, zur Steuerdruckleitung
21. Die Führungsmembran 74 weist einen zwischen den beiden Gehäusehälften 72, 73
eingespannten Einspannbereich 79 auf. Aus der Führungsmembran 74 ist ein Steuerbereich
80 ausgespart, der einerseits mit einem Torsivn;bereich 81 verbunden ist, während
sein anderes Ende frei bewegbar ist. Dem Steuerbereich 80 abgewandt ist ein ebenfalls
aus der Führungsmembran 74 ausgesparter Federbereich 82 mit dem Torsionsbeteich
81 verbunden. Eine Druckfeder 83 stützt sich einerseits an der oberen Gehäusehälfte
73 und andererseits an dem Federbereich 82 ab und drückt diesen Federbereich gegen
eine Einstellschraube 84, die in die untere Gehäusehälfte 72 eingeschraubt ist und
in den Arbeitsraum 77 ragt. Durch axiales Verstellen der Einstellschraube 84 erfolgt
eine entsprechende Verspannung des Federbereiches 82, wodurch der Steuerbereich
80 mehr oder weniger gegen die aus der unteren Gehäusehälfte 72 in den Arbeitsraum
77 ragenden Düse 76 bewegt wird.
-
Hierdurch läßt sich auch erreichen, daß bei größeren geregelten Druckdifferenzen
ein überproportionales Verhältnis zwischen Druckdifferenz und Erregerstrom des Steuerdruckventiles
20 besteht. Der als Prallplatte dienende Steuerbereich 80 bildet somit mit der Düse
76 ein Ventil nach der Düsen-Prallplatte-Bauart. Symmetrisch zu dem eine Torsionsachse
bildenden Torsionsbereich 81 ist ein scheibenförmiger Anker 85 angeordnet und mit
dem Steuerbereich 80 verbunden. Dabei durchgreift der Anker 85 mit einem Ansatz
86
einen Durchbruch 87 im Steuerbereich 80, während ein weiterer Ansatz 88 des Ankers
andererseits des Torsionsbereiches 81 einen Durchbruch 89 durchragt. Die federelastische
Lagerung ist nahezu reibungsfrei, so daß Hysterese vermieden wird. Durch die untere
Gehäusehälfte 72 ragt ein olschuh 90 auf den Ansatz 86 des Ankers 85 ausgerichtet
in den Arbeitsraum 77, während ein weiterer Polschuh 91 ebenfalls durch die untere
Gehäusehälfte 72 auf den Ansatz 88 des Ankers 85 ausgerichtet in den Arbeitsraum
77 ragt. Zwischen dem Polschuh 90 und dem Ansatz 86 wird ein Luftspalt 92 und zwischen
dem Ansatz 88 und dem Polschuh 91 ein Luftspalt 93 gebildet. Fluchtend zum Polschuh
90 ragt durch die obere Gehäusehälfte 73 ein Polschuh 94 in den Arbeitsraum 77 und
fluchtend zu dem Polschuh 91 ein Polschuh 95. Zwischen dem Polschuh 94 und der zugewandten
Stirnfläche 96 des Ankers 85 wird ein Luftspalt 97 und zwischen dem Polschuh 95
und der Stirnfläche 96 ein Luftspalt 98 gebildet. Zwischen den Polschuhen 90 und
91 und andererseits 94 und 95 ist eine die Gehäusehälften 72, 73 umgreifende Elektromagnetspule
99 angeordnet. Die Polschuhe 94, 95 sind gabelförmig an einem Joch 100 ausgebildet,
das die Elektromagnetspule 99 umgreift und andererseits an einem Permanentmagneten
101 anliegt, an dem andererseits ein Leitkörper 102 angreift, der Teil eines Joches
103 ist, an dem die Polschuhe 90, 91 ausgebildet sind und das andererseits die Magnetspule
99 umgreift. In nicht erregtem Zustand der Elektromagnetspule 99 wird entsprechend
der über die Einstellschraube 84 und den Federbereich 82 an dem Steuerbereich 80
vorgegebenen Spannung zwischen der Düse 76 und dem Steuerbereich 80 eine Druckdifferenz
d po (Fig. 4) eingeregelt, die eine ausreichende Kraftstoffzumessung im Normalbetrieb
oder für einen Notlauf der Brennkraftmaschine bei Ausfall des elektronischen Steuergerätes
32 erlaubt. Die Joche 100
und 103 werden durch den Permanentmagneten
101 magnetisch polarisiert, so daß beispielsweise das Magnetfeld des Permanentmagneten
101 einerseits von dem Joch 100 über den Polschuh 95, den Luftspalt 98, den Anker
85, den Luftspalt 93, den Polschuh 91 zum Joch 103 und Leitkörper 102 verläuft und
andererseits über den Polschuh 94, den Luftspalt 97, den Anker 85, den Luftspalt
92, den Polschuh 90 zum Joch 103 und Leitkörper 102. Im nichterregten Zustand der
Elektromagnetspule 99, also bei einem Erregerstrom I = 0, sollen die Permanentmagnetkräfte
am Anker 85 kein wesentliches Drehmoment hervorrufen, so daß an der Düse 76 des
Drucksteuerventiles 20 eine Druikdifrerenz pO geregelt wird, wie in Figur 4 dargestellt
ist, die von der Magnetisierung des Permanentmagneten 101 unabhängig und somit besonders
konstant ist.
-
Wird nun ein positiver Erreger strom I der Elektromagnetspule 99 zugeführt,
so baut sich ein Elektromagnetfeld in bestimmter Richtung auf, z.B. einerseits vom
Polschuh 95 über den Luftspalt 98, den Anker 85, den Luftspalt 97 zum Polschuh 94
und andererseits vom Polschuh 91 über den Luftspalt 93 zum Anker 85 und über den
Luftspalt 92 zum Polschuh 90. Hierbei verläuft der magnetische Fluß von Elektromagnetfeld
und Permanentfeld in den Luft spalten 92 und 98 jeweils in gleicher Richtung, sie
addieren sich also, während die Magnetfelder von Elektromagnet und Permanentmagnet
in den Luftspalten 93 und 97 entgegengerichtet verlaufen, so daß sie sich subtrahieren.
Hierdurch wird der Ansatz 86 des Ankers 85 stärker zum Polschuh 90 und das andere
Ende des Ankers 85 stärker zum Polschuh 95 gezogen, wodurch der Steuerbereich 80
um den Torsionsbereich 81 geschwenkt mehr die Düse 76 verschließt, so daß ein größerer
Differenzdruck zip geregelt wird. Damit wird zwischen dem Erregerstrom I und der
Druckdifferenz dp ein lineares Verhältnis erzielt. Durch die Überlagerung eines
Permanentmagnetkreises
mit einem Elektromagnetkreis ist eine wesentlich
geringere Ansteuerleistung des Elektromagnetkreises erforderlich. Außerdem kann
durch entsprechende Schwächung oder Verstärkung des Permanentmagneten 101 die Regelkennlinie
des Drucksteuerventiles 20 in gewünschter Weise beeinflußt werden. Bei Umkehr der
Richtung des Erregerstromes I wird der'Anker 85 an den Polschuhen 94 und 91 stärker
angezogen, so daß der Steuerbereich 80 die Düse 76 so weit öffnet, daß an der Düse
76 bei einem Erregerstrom 11 nahezu keine Druckdifferenz dp mehr auftritt, wodurch
infolge der Addition der Kraft der Schließfeder 17 und der Kraftstoffdruckkraft
in der Steuerkammer 15 die Regelventile 13 schließen. Hierdurch läßt sich beim Vorliegen
von den Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Steuersignalen, z.B.
Drehzahl oberhalb Leerlaufdrehzahl und Drosselklappe geschlossen bei geringer elektrischer
Leistung für das Drucksteuerventil 20 durch Stromumkehr ein gewünschtes Unterbrechen
der Kraftstoffeinspritzung erreichen.
-
Wird nun der Errgerstrom wieder vergrößert, so springt infolge der
Hysterese des Magnetsystems die Druckdifferenz p erst bei 12 in die stetige Kennlinie
zurück. Dabei soll 12 kleiner Null sein, um bei einem Erregerstrom I größer Null
für die Druckregelung immer eine stetige Kennlinie zur Verfügung zu haben.
-
Erfindungsgemäß sind die Polschuhe 91 und 94, die sich auf verschiedenen
Seiten des Ankers 85 befinden und nicht fluchtend miteinander sind, mit einer Querschnittsverminderung
104 versehen, wodurch deren Magnetfluß und somit auch die Kraft zunahme bei starker
Annäherung des Ankers 85 an die Polschuhe 91, 94 begrenzt ist. Dieser Betriebszustand
ergibt sich bei negativem Erregerstrom I.
-
Bei erneuter Erhöhung des Erregerstromes I liegt I2 mit Sicherheit
unter I = O. Die durch die Querschnittsverminderung 104 erzielte Sättigung der Polschuhe
91, 94 bei negativem Erregerstrom I ermöglicht einen großen Drehwinkel für Ic O
bei relativ kleinen Luftspalten 92, 93, 97, 98, so daß eine kompakte Bauweise gegeben
ist. Die Linearität zwischen dem Erregerstrom I und der Druckdifferenz Ap bei einem
Erregerstrom größer Null oder gleich Null wird durch diese Maßnahme nicht geändert,
vielmehr wird nur bei einem Erregerstrom I kleiner Null die starke Zunahme der Kraft
des Permanentmagneten bei starker Annäherung des Ankers 85 an die Polschuhe 91,
94 reduziert.
-
Eine Vergrößerung der Steigung der Regelkennlinie p = f (I) läßt sich
dadurch erreichen, daß die dem Anker 85 zugewandte Luftspaltfläche 106 des Polschuhes
91 und die Luftspaltfläche 107 des Polschuhs 94 größer ausgebildet werden, als die
Luftspaltfläche 108 des Polschuhs 90 und die Lufts.paltfläche 109 des Polschuhs
95. Gleichzeitig werden die Höhen der Luft spalte 92 und 98 an den Polschuhen 90
und 95 geringer ausgebildet, als die Höhen der Luftspalte 93 und 97 an den Polschuhen
91 und 94. Dadurch wird die Kraftzunahme über den Drehwinkel bei einem Erregerstrom
I größer Null im gewünschten Sinn erzielt, jedoch das magnetische Moment bei I =
0 beibehalten.
-
Der Leitkörper 102 weist bei 111 eine magnetische Engstelle auf, um
den Permanentmagnetfluß eines preiswerten und gegenüber magnetischen Fremdfeldern
unempfindlichen Permanentmagneten 101 so zu stabilisieren, daß er nur noch wenig
von der Magnetkraft des Permanentmagneten abhängt. Um eine eventuell vorhandene
Temperaturabhängigkeit des Permanentmagneten zu kompensieren, ist ein Magnetleiter
112 zwischen dem Joch 100 und dem Leitkörper 102
vorgesehen, der
eine mit der Temperatur sehr stark abnehmende Sättigungsinduktion hat, so daß er
bei tieferen Temperaturen mehr Permanentmagnetfluß kurz schließt, als bei hohen
Temperaturen, wodurch der Permanentmagnetfluß durch den Anker 85 temperaturunabhängig
wird.