DE3600498A1

DE3600498A1 - Elektromagnetisches ventil

Info

Publication number: DE3600498A1
Application number: DE19863600498
Authority: DE
Inventors: Takeo Higashi-Matsuyama Saitama Kushida
Original assignee: Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1986-01-10
Publication date: 1986-07-24
Also published as: GB2171498A; GB8601129D0; JPH0442903B2; US4678000A; DE3600498C2; JPS61167364A; GB2171498B; KR860006004A; KR900006635B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil, insbesondere ein elektromagnetisches Ventil zur kontrollierten öffnung oder Schließung z. B. eines Kraftstoffdüsenventils, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein elektromagnetisches Ventil der in Rede stehenden Art ist bekannt (JA-P-OS 55-26.099), bei dem ein Anker relativ zu einem Stator bewegt wird. Die Bewegung erfolgt aufgrund der Erregung einer am Stator vorgesehenen Erregerspule.

~ Bei der zuvor erwähnten, dem Stand der Technik entsprechenden konventionellen Ausführung erhöht sich aufgrund von Selbstinduktion der Erregerspule der elektrische Erregerstrom nur allmählich. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 3 in einer gestrichelten Linie dargestellt. Sobald der Anker eine vorbestimmte Position erreicht hat, fällt zunächst der elektrische Erregerstrom ab und bewegt sich danach weiter allmählich einem vorbestimm-

j ten Wert zu. Demnach wird, wie die gestrichelte Linie in Fig. 4 zeigt, die Krafterzeugung (Kraft F) der Veränderung des elektrischen Erregerstromes folgend allmählich größer. Hierbei ist ein Problem, daß, wie die gestrichelte Linie in Fig. 5 (Zeit/Weg-Diagramm) zeigt, der Anker aus diesem Grunde in Abhängigkeit von der Zeit nur allmählich verschoben wird. Erreicht der Anker eine vorbestimmte Position vom Zeitpunkt T_Q der Beaufschlagung der Erregerspule mit elektrischem Strom an gerechnet in T₂ Se-V_-, künden, so ist die Reaktionsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Ventils schlecht.

Q, Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches Ventil zu schaffen, bei dem die bei bekannten Ausführungen aus dem Anstiegsverlauf des elektrischen Erregerstroms resultierenden Probleme gelöst sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in einer hochpräzisen Steuerung der Operationszeit des elektromagnetischen Ventils, indem eine ein piezoelektrisches Element enthaltende Haltevorrichtung vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße elektromagnetische Ventil, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilstange an dem Anker des elektromagnetischen Antriebs befestigt ist und daß eine um die Ventilstange herum angeordnete Haltevorrichtung zur stromabhängigen Arretierung des Ankers und der Ventilstange vorgesehen ist. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Besonders zweckmäßig wird das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitsventil betätigt entsprechend den Verfahrensschritten anfängliche Arretierung des Ankers und einer an dem Anker befestigten Ventilstange durch eine Haltevorrichtung, so daß der Anker und die Ventilstange sich nicht bewegen können, Erregung der Erregerspulen und danach Freigabe des Ankers und der Ventilstange durch die Haltevorrichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt ein erfindungsgemäßes elektromagnetisches Hochgeschwindigkeitsventil,

Fig. 2 im vergrößerten Ausschnitt eines Querschnittes ein Ausführungsbeispiel einer Haltevorrichtung im elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsventil aus Fig. 1,

Fig. 3 ein charakteristisches (Zeit/Strom-)Diagramm mit einer Erregerstromkennlinie eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsventils und eines konventionellen elektromagnetischen Ventils,

Fig. 4 ein charakteristisches (Zeit/Kraft-)Diagramm mit einer Krafterzeugungskennlinie eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsventils und eines konventionellen elektromagnetischen Ventils,

. ι - Gesthüysen & vert "Ronr

Λ-

Fig. 5 ein charakteristisches (Zeit/weg-)Diagramm mit einer Verschiebungskennlinie eines Ankers eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsventils und eines konventionellen elektromagnetischen Ventils und

Fig. 6 im Querschnitt ein anderes Ausführungsbeispiel der Haltevorrichtung des elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsventils aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Antrieb 1 eines elektromagnetischen Ventils, welches auf einem Ventilaufsatz 2 befestigt ist. Ein Gehäuse 3 ist am Außenumfang eines Stators 4 befestigt. Der elektromagnetische Antrieb 1 ist in das Gehäuse 3 eingebaut.

Der elektromagnetische Antrieb 1 ist mit einem Stator 4, bestehend aus magnetischem Material, und mit einem Anker 5, bestehend aus ähnlichem magnetischem Material, versehen. Der Stator 4 und der Anker 5 sind einander gegenüberliegend angeordnet.

Durch eine Mittelbohrung 6 in der Mitte des Stators 4 verläuft eine Ventilstange 9, die später noch beschrieben wird. An der oberen Oberfläche des Stators 4 sind beispielsweise vier konkave Bereiche 7a bis 7d konzentrisch um die Mittelbohrung 6 angeordnet. In die konkaven Bereiche 7a bis 7d sind Erregerspulen 8a bis 8d eingebettet. Die Erregerspulen 8a bis 8d sind derart angeordnet, daß die Windungsrichtungen benachbarter Spulen wechselseitig entgegengerichtet sind.

Des weiteren ist die Ventilstange 9 am Anker 5 mittels einer auf das obere Ende aufgeschraubten Schraubenmutter 10 befestigt.

Die Ventilstange 9 verläuft durch die Mittelbohrung 6 des Stators 4. Ein mit großem Durchmesser ausgebildeter Gleitbereich 9a ist gleitend in einer in dem Ventilaufsatz 2 ausgebildeten Gleitbohrung 11 eingesetzt. Ein spitz zulaufender Ventilkörper 12 ist am unteren Ende der Ventilstange

Gesthuysen:& vGO.Rohr

. S-

ausgebildet. Wenn die Ventilstange 9 nach unten verschoben wird, dann wird der Ventilkörper 12 an einem am Ventilaufsatz 2 ausgebildeten Ventilsitz 13 abdichtend zur Anlage gebracht, so daß die Verbindung zwischen einem im Ventilaufsatz 2 ausgebildeten Kraftstoffeinlaßkanal 14 und einem Kraftstoffauslaßkana1 15 unterbrochen wird. Wenn die Ventilstange 9 nach oben verschoben und der Ventilkörper 12 vom Ventilsitz 13 getrennt wird, dann sind der Kraftstoffeinlaßkanal 14 und der Kraftstoffauslaßkana1 15 über eine an die Gleitbohrung 11 anschließende Verbindungskammer 16 miteinander verbunden.

Der Ventilaufsatz 2 ist mit der unteren Oberfläche des Stators 4 verbunden. Eine mit der Gleitbohrung 11 verbundene Federkammer 17 ist im Verbindungsbereich ausgeformt. An einem durch die Federkammer 17 verlaufenden Bereich der Ventilstange 9 ist eine Widerlagerplatte 18 befestigt. Zwischen der Widerlagerplatte 18 und dem Bodenbereich 17a der Federkammer 17 ist eine Feder 19 unter Vorspannung eingesetzt, die die Ventilstange 9 nach oben drückt. Des weiteren ist im Ventilaufsatz 2 um die Gleitbohrung 11 eine Gehäusekammer 20 angeordnet. In der Gehäusekammer 20 befindet sich eine Haltevorrichtung 21. Die Haltevorrichtung 21 ist derart ausgebildet, daß, wie in Fig. 2 gezeigt, ein ringförmiges piezoelektrisches Element 23 (z. B. aus den bekannten werkstoffen TiBaO₂ oder BaTiOg) und eine ähnlich ringförmige Elektrodenplatte 24 in einer Mehrzahl von Abschnitten geschichtet sind. Eine erste Isolationsschicht 22 ist zur Abdeckung eines äußeren Oberflächenbereiches der Ventilstange 9 an der Innenseite der Abschnitte vorgesehen. Eine zweite Isolationsschicht 25 ist zwischen einer seitlichen Oberfläche 20c und einer unteren Oberfläche 20b der Gehäusekammer 20 an der Außenseite und der Unterseite der Abschnitte vorgesehen. Die zweite Isolationsschicht 25 besteht aus einem im Vergleich zu dem Material der piezoelektrischen Elemente 23 weicheren Material. Die oberste Elektrodenplatte 24 ist an der oberen Oberfläche 20a der Gehäusekammer 20 befestigt.

Zur abwechselnden Verbindung mit dem Pluspol oder dem Minuspol einer Energiequelle E sind die Elektrodenplatten 24 verdrahtet. Demnach wird jedes

Gasthuysen & von RoTir

piezoelektrische Element 23 mit der Spannung der Energiequelle E beaufschlagt, wenn ein Schalter SW betätigt wird. Im Ergebnis verändert das piezoelektrische Element 23 seine äußere Gestalt (doppelt punktierte Linie in Fig. 2) in radialer Richtung, und zwar aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effektes (Elektrostriktion). Dadurch wird auf die Ventil stange 9 ein Druck ausgeübt.

Die Funktionsweise der zuvor erläuterten Konstruktion wird unter Bezug auf die Fig. 3 bis 5 erläutert. Im Falle, daß keine Erregung der Erregerspulen 8a bis 8d vorliegt, wird die Ventilstange 9 durch den Druck der Feder 19 nach oben geschoben. Der Ventilkörper 12 ist dann vom Ventilsitz 13 getrennt. Der Kraftstoffeiniaßkanal 14 und der Kraftstoffauslaßkanal 15 sind über die Verbindungskammer 16 miteinander verbunden.

Zur Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Kraftstoffeiniaßkanal 14 und dem Kraftstoffauslaßkanal 15 ist der Schalter SW zu betätigen. Dadurch wird das piezoelektrische Element 23 zur Arretierung des Ankers 5 und der Ventilstange 9 betätigt. Der Anker 5 und die Ventilstange 9 las-' sen sich nun nicht bewegen. Danach werden die Erregerspulen 8a bis 8d mit dem elektrischen Erregerstrom beaufschlagt. Der elektrische Stromfluß wird ausreichend lange vor dem Beginn der Unterbrechung TO gewährleistet. Wie mit der durchgezogenen Linie in Fig. 3 gezeigt ist, hat der elektrische Erregerstrom bei Beginn der Unterbrechung TO den vorbestimmten Wert IN schon erreicht. Wenn nun der Schalter SW zum Zeitpunkt TO öffnet, wird die Ventilstange 9 von der Arretierung durch das piezoelektrische Element 23 gelöst. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, hat die von den Erregerspulen 8a bis 8d erzeugte Kraft zum Zeitpunkt TO einen hinreichenden Wert erreicht, so daß der Anker 5 vorn Stator 4 in der kurzen Zeit T1 angezogen und in eine vorbestimmte Stellung gebracht wird (durchgezogene Linie in Fig. 5). Der Ventilkörper 12 sitzt jetzt auf dem Ventilsitz 13 und unterbricht die Verbindung zwischen dem Kraftstoffeinlaßkanal 14 und dem Kraftstoffauslaßkanal 15. Gemäß Fig. 3 fällt der Erregerstrom dann, wenn der Anker 5 seine vorbestimmte Stellung erreicht hat ab und kehrt danach zur ursprünglichen Stromstärke zurück.

esthuyseFi;& vor rRoitr

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Elementes 23 und der Elektrodenplatte 24. In dieser Anordnung sind ein hohlzylindrisch geformtes piezoelektrisches Element 23 und eine Elektrodenplatte 24 wechselseitig in radialer Richtung in konzentrischer Form geschichtet.

In der zuvor beschriebenen Ausführung kann die vom Stator 4 zur Verschiebung der Ventilstange 9 benötigte Zeit im Vergleich zu einer konventionellen Ausführung mit größerem elektrischen Erregerstrom der Erregerspulen 8a bis 8d verkürzt werden. Dies geschieht ohne eine Erhöhung der magnetornotorisehen Kraft der Erregerspulen 8a bis 8d, indem die an den Erregerspulen 8a bis 8d anliegende Spannung die gleiche ist, wie bei der konventionellen Ausführung, jedoch die Erregerspulen 8a bis 8d im Vergleich zur konventionellen Ausführung die doppelte Anzahl von Windungen haben. Dadurch erhöht sich zwar der Wicklungswiderstand der Erregerspulen 8a bis 8d auf das Doppelte, jedoch der elektrische Erregerstrom verringert sich nahezu auf die Hälfte (IN = i- IN¹). Demnach ist die elektrische Leistungsaufnahme in den Erregerspulen 8a bis 8d im Vergleich zur konventionellen Ausführung halbiert.

- Leerseite -

r i

Claims

iGesthüysBni&voaRGhc « ' Patentansprüche:

1. Elektromagnetisches Ventil mit einem elektromagnetischen Antrieb, bei dem ein Anker relativ zu einem Stator durch Erregung von Erregerspulen bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilstange (9) an dem Anker (5) des elektromagnetischen Antriebs (1) befestigt ist und daß eine um die Ventilstange (9) herum angeordnete Haltevorrichtung (21) zur stromabhängigen Arretierung des Ankers (5) und der Ventilstange (9) vorgesehen ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (21) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen (23) aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (21) einer Mehrzahl von Elektrodenplatten (24) aufweist und die piezoelektrischen Elemente (23) und Elektrodenplatten (24) wechselweise \ geschichtet sind.

4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (23) und ggf. die Elektrodenplatten (24) in axialer Richtung der Ventilstange (9) geschichtet sind.

5. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (23) und ggf. die Elektrodenplatten (24) in radialer Richtung der Ventilstange (9) geschichtet sind.

6. Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen Ventils mit einem elektromagnetischen Antrieb, bei dem ein Anker relativ zu einem Stator durch Erregung von Erregerspulen bewegbar ist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte anfängliche Arretierung des Ankers und einer an dem Anker befestigten Ventilstange durch eine Haltevorrichtung, so daß der Anker und die Ventilstange sich nicht bewegen können, Erregung der Erregerspulen und danach Freigabe des Ankers und der Ventilstange durch die Haltevorrichtung.