DE3638295A1 - Betaetigungsorgan zur steuerung von einspritzpumpen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektromagnetische Betä­ tigungsorgane; sie betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Betätigungsorgane, welche die Bewegung eines Elements bewirken, das ein Teil eines Kraftstoffver­ sorgungssystems eines Innenverbrennungsmotors darstellt.

Bei der einen Anwendung des Betätigungsorgans wird dieses dazu verwendet, um die Einstellung einer Kraftstoffmengen­ steuerungsstange einer Kraftstoffeinspritzpumpe eines Druck­ zündungsmotors zu variieren. Bei einer anderen Anwendung wird das Betätigungsorgan dazu verwendet, um die Einstellung eines Ventils zu steuern, welches Teil des Gesamtkraftstoff­ versorgungssystems eines Einspritz-Otto-Motors bildet, wobei das Ventil parallel zu dem normalen Luftdrosselventil angeordnet ist.

Es sind verschiedene Typen von elektromagnetischen Betäti­ gungsorganen bekannt. Generell liefern elektromagnetische Betätigungsorgane eine Stellkraft, wenn Strom durch eine Wicklung geleitet wird, wobei diese Kraft bewirkt, daß ein Element des Betätigungsorgans zu einem Begrenzungsstop bewegt wird, wobei das Element unter der Wirkung einer Feder in seine Ausgangsposition zurückkehrt, sobald der Stromfluß durch die Wicklung unterbrochen wird. Das Magnetfeld wird durch die Verlagerung des Elements oder Ankers modifiziert, und die Änderung des Magnetkreises bewirkt eine erhebliche Veränderung in der elektromagnetischen Kraft bei einer kurzen Wanderung des Ankers. Angesichts der Tatsache, daß die elektromagnetische Kraft den Widerstand der Rückholfeder überwinden muß, um den Anker zu bewegen, haben elektromag­ netische Betätigungsorgane, welche diese Merkmale aufweisen, nur zwei stabile Positionen für den sich bewegenden Anker verfügbar.

Mit dem Ziele, erhebliche Veränderungen des Magnetkreises während der Verlagerung des Ankers zu vermeiden und auf diese Weise eine im wesentlichen konstante Stellkraft zu erhalten, sind elektromagnetische Betätigungsorgane ent­ wickelt worden, deren Wicklung und Anker eine Länge haben, die viel größer ist als ihr Durchmesser. Jedoch ist die elektromagnetische Kraft, die bei Verwendung dieser Dimen­ sionen erhalten werden kann, klein und nicht ausreichend für bestimmte Betätigungsaufgaben.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein elektromagnetisches Betätigungsorgan, welches die genannten Nachteile nicht aufweist, einfach im Aufbau ist und wirksam in der Arbeits­ weise.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht ein elektromagne­ tisches Betätigungsorgan aus einem Hohlkörper, der eine längliche Kammer umschließt, einen Kernteil, das sich in diese Kammer erstreckt und eine kegelstumpfförmige Oberflä­ che innerhalb der Kammer aufweist, einen innerhalb der Kammer gleitbar angeordneten Anker, dessen Endoberfläche, die zu dem Kernteil hin gerichtet ist, eine Oberfläche aufweist, die zu der des Kernteils komplementär ist; dieses Kernteil und der Körper bilden Teil eines Magnetkreises, welcher auch den Anker und den Luftspalt zwischen dem Anker und dem Kernteil und den Luftspalt zwischen dem Anker und dem Körper einschließt, und die seitliche Oberfläche des Ankers ist zumindest über dem Endabschnitt desselben, der von dem Kernteil abgelegen ist, von sich verjüngender Gestalt. Das Betätigungsorgan weist außerdem eine Wicklung auf, die bei Erregung einen Magnetfluß in diesem Magnetkreis induziert, sowie federnde Mittel, welche der Bewegung des Ankers in Richtung auf dieses Kernteil unter der Wirkung des Magnetflusses entgegenwirken.

Die Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist, wurde mit dem Ziel konzipiert, die Kraft/Weg-Charak­ teristik zu verbessern, sowie um weitere Vorteile zu erzielen, die für den Fachmann erkennbar sind; die Vorrich­ tung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der fixe Anker auf seiner einen Seite mit einer kegelstumpf­ förmigen Gestalt versehen ist, daß der sich bewegende Anker auf seiner größeren Grundfläche eine kegelstumpfförmige Höhlung aufweist, welche komplementär zu der Seite des fixen Ankers ist, an welcher der sich bewegende Anker nach seiner Verlagerung zur Ruhe kommt, und daß dieser sich bewegende Anker ein Rotationskörper ist, welcher eine konkav gekrümmte Mantellinie aufweist, die bei der Verlagerung den Abstand zwischen einem Punkt auf dem Kern und diesem sich bewegenden Anker variiert, damit mittels dieser Anordnung die elektro­ magnetische Kraft ausgeglichen werden kann, und zwar an jedem Punkte des Weges des sich bewegenden Ankers zwischen der von dem fixen Anker am weitesten entfernten Position und der nächsten Position, wobei die Kraft der entgegenwirkenden Feder und der sich bewegende Anker an jedem Punkte des Weges zu positionieren sind.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen seitlichen Aufriß eines erfindungs­ gemäßen elektromagnetischen Betätigungsorgans,

Fig. 2 eine Kraft/Weg-Darstellung, in welcher die charak­ teristischen Kurven von verschiedenen elektromagnetischen Betätigungsorganen dargestellt sind, und

Fig. 3, 4 und 5 seitliche Aufrisse von Modifikationen des Betätigungsorgans von Fig. 1.

Um die Ausführungsbeispiele leichter beschreiben zu können, haben die Bestandteile des Betätigungsorgans, die die gleiche Funktion haben, in den unterschiedlichen Figuren die gleiche Bezugsziffer.

Das elektromagnetische Betätigungsorgan 1 in Fig. 1 enthält einen becherförmigen Körper 2 aus magentischem Material, in den eine Spule 3 aus Kunststoff oder ähnlichem isolierendem Material montiert ist, die eine Wicklung 4 aus Kupferdraht trägt. Eine Kappe 5 aus magnetischem Material schließt das offene Ende des Körpers 2 und kann unter Verwendung eines Schraubgewindes befestigt sein. Die Kappe befindet sich innerhalb des Körpers, greift an der Spule 3 an und drängt sie gegen die Grundfläche des Körpers 2, und dieser innerhalb des Körpers befindliche Teil der Kappe ist von erheblicher Dicke. Eine Dichtung 6 sorgt für Abdichtung zwischen der Kappe und dem Körper, und ein Magnetkern 7 ist in einen Anker in der Basis des Körpers 2 eingesetzt und besitzt einen Zapfen, welcher dazu dient, den Körper 2 am Gehäuse 8 einer Einspritzpumpe 9 zu befestigen. Der Kern 7 hat an seiner von der Einspritzpumpe 9 abgelegenen Seite eine kegelstumpfförmige Gestalt an seiner Oberfläche 10.

Der Anker 12 des Betätigungsorgans ist an dem einen Ende der Steuerstange 11 der Einspritzpumpe 9 mittels einer Buchse 13 aus nicht magnetischem Material montiert, die in den Anker 12 eingepreßt ist. Das Ende der Steuerstange 11 ist mit einem Schraubengewinde versehen, um eine nicht-magnetische Blockierungsmutter 14 aufzunehmen, welche die Buchse gegen eine Schulter an der Steuerstange drängt. Eine Unterlags­ scheibe 15 ist an der Mutter angeordnet, die auch mit einem Blockierungsring 16 versehen ist. Die Mutter ist innerhalb des Ankers teilweise abgesetzt.

Der Kern 7 weist eine zentrale Bohrung 17 auf, die eine Buchse 18 aus abriebfestem Material wie Bronze trägt, und die Buchse wird mittels eines Sprengrings in Position gehalten. Diese Unterstützung der Steuerstange 11 macht es möglich, auf eine Unterstützung an der Einspritzpumpe zu verzichten und gestattet auf diese Weise eine kompaktere Konstruktion.

Zwischen dem Kern 7 und dem Anker 12 oder, genauer gesagt, zwischen den Buchsen 18 und 13 befindet sich eine Spiral­ druckfeder 12, welche der Bewegung des Ankers in Richtung auf den Kern entgegenwirkt. Indem die Feder 20 um die Steuerstange 11 herum angeordnet ist, wird der verfügbare Raum innerhalb des elektromagnetischen Betätigungsorgans 1 optimal ausgenutzt, wodurch die Konstruktionskosten verrin­ gert werden.

Der Magnetfluß, der durch den Durchgang von elektrischem Strom durch die Wicklung 4 erzeugt wird, geht durch den Anker 12, den Kern 7, den Körper 2, die Kappe und die Luftspalte zwischen diesen Elementen.

Die dadurch hervorgerufene elektromagnetische Kraft drängt den Anker 12 aus der Position, die in Fig. 1 in unterbrochenen Linien dargestellt ist, und in welcher der Anker von der Kappe durch den vorspringenden Teil der Mutter beabstandet ist, in die in kontinuierlichen Linien darge­ stellte Position. Der Anker 12 ist auf der Pumpenseite mit einem Hohlraum versehen, welcher eine kegelstumpfförmige Oberfläche 21 aufweist, die komplementär zu der Oberfläche 10 des Kerns 7 ist. Der Kegelwinkel dieser Oberfläche spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung des Verhal­ tens des Betätigungsorgans 1 insofern, als ein größerer Kegelwinkel eine größere Wirksamkeit bei kleinerer Weglänge bringt. Bei Auswahl des größten Kegelwinkels, der verträg­ lich ist mit dem für die Steuerstange 11 erforderlichen Weg, wird eine Kurve I erhalten, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, aus der ersichtlich ist, daß die Kraft einen hohen Wert annimmt, wenn der Anker und der Kern nahe beieinander sind; der Weg ist sehr kurz. Die Kraft nimmt steil ab, wenn der Anker sich von dem Kern trennt.

Die Kurve I entspricht deshalb herkömmlichen elektromagne­ tischen Betätigungsorganen, die zwei stabile Positionen aufweisen. In ähnlicher Weise zeigen Betätigungsorgane von kleinem Durchmesser relativ zu ihrer Länge eine charakte­ ristische Kurve, wie sie bei II in Fig. 2 dargestellt ist, das heißt, sie liefern eine im wesentlichen konstante elektromagnetische Kraft während der Verlagerung des Ankers. Diese Kraft ist zu gering für die Betätigung der Steuer­ stange 11 einer Einspritzpumpe.

Der Anker 12 des Betätigungsorgans 1 gemäß der Erfindung ist als Rotationskörper ausgeführt, welcher eine konkav gekrümm­ te Mantellinie aufweist, und seine seitliche Oberfläche 22 ist so gestaltet, daß der Abstand zwischen dieser Oberfläche und der Kappe mit der Verlagerung des sich bewegenden Ankers 12 variiert. Auf diese Weise kann ein solches Profil für die seitliche Oberfläche 22 bestimmt werden, daß eine Kurve III erhalten wird, die flacher ist als die Kurve I, welche einer zylindrischen Seitenoberfläche entspricht. Die Variation in der elektromagnetischen Kraft wird so gemäßigt, und durch Auswahl geeigneter Dimensionen für die entgegenwirkende Feder 20 ist es möglich, die Feder und die Magnetkräfte auszugleichen und den sich bewegenden Anker 12 und damit die Steuerstange 11 in stabiler Weise an einem Punkte des Weges des sich bewegenden Ankers 12 zwischen der von dem Kern 7 am entferntesten gelegenen Stelle und der am nächsten gelegenen Stelle zu positionieren.

Das in Fig. 3 dargestellte elektromagnetische Betätigungs­ organ 1 ist mit einer Kappe 5 aus nicht-magnetischem Material, wie Kunststoff, ausgerüstet, und ein Ring 23 aus ferromagnetischem Material ist vorgesehen und ist zwischen der Kappe 5 und der Spule 3 in Kontakt mit der Innenoberflä­ che des Körpers angeordnet. Bei dieser Anordnung ist der Magnetfluß im wesentlichen innerhalb des Ringes 23 begrenzt, welcher die Innenoberfläche der Kappe 5 und jeden Raum zwischen der Oberfläche und dem Anker frei läßt. Gemäß Fig. 4 ist die Innenoberfläche der Kappe mit einem kapazitiven Sensor 24 ausgerüstet, dessen Kapazitanz in Abhängigkeit von der Position des Ankers variiert. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 trägt die Kappe 5 einen induktiven Sensor 26. Die von den Sensoren gelieferten Signale können zu einer Steuereinheit zurückgeleitet werden, die nicht beschrieben ist, die jedoch den Stromfluß in der Wicklung 4 steuert, um die Steuerstange 11 zu bewegen und den Betriebszustand des Motors zu variieren. In den Beispielen von Fig. 4 und 5 bietet die Kappe 5 einen Stop, gegen den sich die Mutter anlegt, die innerhalb des Ankers zurückge­ setzt ist.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung ist das in Figur 1 gezeigte Betätigungsorgan am Hauptgehäuseteil 27 eines Luftregelventils 28 befestigt. Das Ventil 28 ist während des Betriebs parallel mit einem von Hand betätigbaren Luftdros­ selventil eines Otto-Einspritzmotors verbunden, wobei das Ventil einen gesteuerten Luftablaß unter bestimmten Motorbe­ triebsbedingungen gestattet.

Das Hauptgehäuse 27 des Ventils umschließt eine Ventilkammer 28 A, an deren einander gegenüberliegenden Enden ringförmige Sitze 29, 30 angeordnet sind, und die Kammer steht in Verbindung mit einem Auslaß 31. Das Gehäuse 27 umschließt auch eine Einlaßkammer 32, die an der Seite des Sitzes 29 gelegen ist, welche von der Kammer 28 A abgelegen ist, und die Einlaßkammer steht in Verbindung mit einem Einlaß 33. An dem von dem Anker abgelegenen Ende des Gehäuses 27 ist eine hohle Verlängerung 34 befestigt, deren offenes Ende durch eine Kappe 36 verschlossen ist, welche durch ein becherförmiges Rückhalteteil in Position gehalten wird. Die Verlängerung und die Kappe umschließen eine Ausgleichskammer 37, die in Verbindung steht mit der Einlaßkammer 32 über einen axialen Durchgang 38 oder axiale Durchgänge 38, die in das Gehäuse eingeschnitten sind.

In den Kammern 28 A und 37 sind Ventilelemente 39, 40 angeordnet, die auf einer Stange 41 sitzen, welche an ihrem einen Ende in einer Hülse 42 gleitbar gestützt wird, die ein integrales Teil mit der Kappe 36 bildet. An ihrem anderen Ende ist die Stange mit dem Anker des Betätigungsorgans 1 auf die gleiche Weise verbunden wie die Steuerstange. Die Ventilelemente 39, 40 umschreiben konische Oberflächen, die auf die Sitze hin gerichtet sind, und die Sitzflächen der Ventilelemente und ihre Sitze sind weitgehend gleich, so daß in der Schließposition des Ventils, die eingestellt wird mittels einer zwischen dem Ventilelement 40 und der Kappe 36 angeordneten Spiraldruckfeder 43, die Ventilelemente und die Stange im wesentlichen druckausgeglichen sind. Wenn die Wicklung des Betätigungsorgans 1 erregt wird, bewegen sich die Ventilelemente entgegen der Wirkung der Feder 43 und der Feder in dem Betätigungsorgan in die voll geöffnete Position, wobei Luft aus der Einlaßkammer direkt in die Ventilkammer 28 A und indirekt über den Durchgang oder die Durchgänge 38 und die Ausgleichskammer fließt.

Claims (10)

1. Elektromagnetisches Betätigungsorgan, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in einem Kraft­ stoffördersystem, enthaltend einen Hohlkörper, welcher eine längliche Kammer umschließt, ein Kernteil, welches sich in diese Kammer erstreckt und innerhalb der Kammer eine kegelstumpfförmige Oberfläche aufweist, einen innerhalb der Kammer gleitbaren Anker, dessen dem Kernteil zugewandte Endoberfläche eine Gestalt hat, die zu der der Endoberfläche des Kernteils komplementär ist, wobei das Kernteil und der Körper Bestandteile des Magnetkreises bilden, welcher auch den Anker und den Luftspalt zwischen dem Anker und dem Kernteil und den Luftspalt zwischen dem Anker und dem Körper einschließt, und dessen von dem Kernteil abgewandten seitlichen Oberflächen von sich verjüngender Gestalt sind, sowie eine Wicklung, die bei Erregung einen Magnetfluß in diesem Magnetkreis indu­ ziert, und federnde Elemente, die der Bewegung des Ankers in Richtung auf dieses Kernteil unter der Wirkung des Magnet­ flusses entgegenwirken.

2. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es eine Betätigungsstange aufweist, die mit dem Anker verbunden ist, und eine innerhalb einer Bohrung in dem Kernteil montierte Buchse, die diese Stange und diesen Anker für axiale Bewegung trägt.

3. Betätigungsorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Stange an dem Anker mittels einer Hülse aus nicht-magnetischem Material befestigt ist, die innerhalb des Ankers befestigt ist.

4. Betätigungsorgan nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die federnden Mittel aus einer Spiralfeder bestehen, welche diese Stange umgibt.

5. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß dieser Körper becherförmige Gestalt hat, und daß das Kernteil einen Zapfen aufweist, der sich durch eine Öffnung in der Basiswand des Körpers erstreckt.

6. Betätigungsorgan nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser Zapfen dazu dient, das Betätigungsorgan an einem Gehäuse zu befestigen, welches ein Teil der zu betätigenden Vorrichtung darstellt.

7. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es eine Kappe aus magnetischem Material beinhaltet, die das von dem Kernteil abgelegene Ende abschließt.

8. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es einen Ring aus magnetischem Material beinhaltet, welcher innerhalb des Körpers an einer von dem Kernteil abgewandten Position montiert ist, und der einen Teil des Magnetkreises zwischen dem Körper und dem Anker bildet.

9. Verwendung eines Betätigungsorgans gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verwendung in einer Kraftstoff­ einspritzpumpe zur Lieferung von Kraftstoff an einen Innenverbrennungsmotor.

10. Verwendung eines Betätigungsorgans gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, in einem Fluid-Steuerventil zur Verwen­ dung in einem Motorkraftstoffsystem.