DE69518772T2

DE69518772T2 - Stromregelungsventil

Info

Publication number: DE69518772T2
Application number: DE69518772T
Authority: DE
Inventors: Adrianus Martinus M. Van Den Wildenberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1995-12-29
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2015-12-30
Also published as: AU688658B2; ATE196184T1; EP0839276A1; US6234204B1; CA2208729A1; WO1996021103A1; EP0839276B1; NL9402237A; DE69518772D1; DK0839276T3; AU4497396A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffzufuhrsystem für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solches Kraftstoffzufuhrsytem ist aus der EP-A-0 420 599 bekannt. Die allgemein sogenannten Zweistellungsventile haben in einer Stellung eine maximale Flußrate Qmax und in der anderen Stellung eine minimale Flußrate Qmin, in der Regel 0. Um den Ventilkörper aus der einen Stellung in die andere Stellung zu bringen, reichen einfache Ventilantriebseinrichtungen aus, die lediglich den Ventilkörper aus der einen stabilen Stellung in die andere stabile Stellung bringen müssen. Mit bistabilen oder Zweistellungsventilen kann eine Flußrate beliebiger Größe ausgewählt werden, ohne daß das einen wesentlichen Einfluß auf die Geschwindigkeit hat, bei der das Ventil geöffnet und geschlossen werden kann. Der Steuerbereich ("control range") eines solchen Ventils kann sehr groß gewählt werden, die Genauigkeit der Steuerung ist jedoch minimal, wenn das Ventil geöffnet oder geschlossen wird. Das Ziel der Erfindung besteht daher darin, ein Kraftstoffzufuhrsystem bereitzustellen, in dem die Flußrate mit großer Geschwindigkeit und Genauigkeit gesteuert werden kann, und das darüberhinaus ökonomisch hergestellt werden kann.
Zu diesem Zweck ist das Kraftstoffzufuhrsystem vom Typ, wie er im Oberbegriff definiert ist, und wird gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.
Bei einem solchen Kraftstoffzufuhrsystem werden die Vorzüge des kontinuierlich steuerbaren Ventils mit einem kleinen Steuerbereich, d. h. mit einer hohen Steuergenauigkeit, verbunden mit den Vorzügen des Zweistellungsventils, d. h. mit einem großen Steuerbereich bei einer hohen Steuergeschwindigkeit.
Der Steuerbereich des Kraftstoffzufuhrsystems kann - bei einer minimalen Anzahl von Zweitellungsventilen - so groß wie möglich gemacht werden, wenn das Stromregelungsventil die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch 2 hat.
Wenn unterschiedliche Zweistellungsventile der Reihe jeweils mit einer Reihennummer i bezeichnet werden und wenn die maximale Flußrate des Zweistellungsventils mit der kleinsten maximalen Flußrate mit Q&sub1; bezeichnet wird, ist die maximale Flußrate der anderen Zweistellungsventile in der Reihe durch die folgende Formel gekennzeichnet:
Qi = 2(i-1) * Q&sub1;
Dementsprechend ist die Flußrate der ersten sechs Ventile der Reihe: Q&sub1;, 2Q&sub1;, 4Q&sub1;, 8Q&sub1;, 16Q&sub1;, 32Q&sub1;. Die Flußrate des Zweistellungsventils nimmt daher entsprechend einer Binärreihe zu, so daß ein Kombinieren verschiedener Ventilstellungen von z. B. sechs Ventilen eine Variation in einem Flußsteuerbereich von zwischen 0 bis 63Q&sub1; bei einer Schrittgröße von Q&sub1; ermöglicht.
Wenn das Kraftstoffzufuhrsystem nach Anspruch 2 weiterhin die Merkmale von Anspruch 3 besitzt und daher ein Feinsteuerventil umfaßt, bei dem der Unterschied zwischen der minimalen und der maximalen Flußrate mindestens Q&sub1; beträgt, ist die Flußrate des Kraftstoffzufuhrsystems bei hoher Genauigkeit kontinuierlich variierbar innerhalb eines Steuerbereiches, der von der minimalen Flußrate des Feinsteuerventils bis zu 63 Q&sub1; plus der maximalen Flußrate des Feinsteuerventils reicht.
In Übereinstimmung mit Anspruch 4 kann die minimale Flußrate des Feinsteuerventils des Stromregulierungsventils 0 sein. Daraus folgt, daß das Stromregelungsventil des Kraftstoffzufuhrsystems auch als Startventil arbeiten kann. Im obigen Beispiel führt das zu einem Stromregelungsventil mit einem Steuerbereich von 0 bis 64 Q&sub1;.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform des Kraftstoffzufuhrsystems kann das Feinsteuerventil des Stromregelungsventils ausgestaltet werden wie in Anspruch 5. Der Steuerbereich des Feinsteuerventils kann z. B. von 0,50 Q&sub1; bis 1,50 Q&sub1; reichen. Das hat den Vorzug, daß das Feinsteuerventil nicht vollständig schließen muß. Damit wird ein genauer Sitz vermieden und eine mechanische Abnutzung wird praktisch außer Kraft gesetzt. Darüberhinaus wird das System weniger anfällig für Verunreinigungen im Kraftstoff, dessen Flußrate gesteuert werden soll. Im obigen Beispiel würde ein Kraftstoffzufuhrsystem mit einem so ausgestalteten Feinsteuerventil einen Kontrollbereich von 0,5 Q&sub1; bis 64,5 Q&sub1; haben.
Die US-PS 3,038,449 (Murphy) und 5,329,965 (Gordon) offenbaren jeweils Anordnungen von bistabilen und kontinuierlich variierbaren Ventilen. Beide Veröffentlichungen beziehen sich jedoch nicht auf das Gebiet von Kraftstoffzufuhrsystemen für Verbrennungsmotoren. Murphy bezieht sich auf eine Hydrauliksteuerung eines hydraulischen Antriebssystems. Bei Gordon umfaßt das kontinuierlich variierbare Ventil einen sogenannten Fluister TM, d. h. einen Siliciumchipkörper mit einem Hohlraum, der von einer Einkristallsilicium-Federplatte begrenzt wird, die durch eine im Hohlraum eingeschlossene ausdehnbare Flüssigkeit gebogen wird, wobei ein elektrischer Widerstandsheizer die Flüssigkeit erhitzt, um sie auszudehnen. Ein solches kontinuierlich ausdehnbares Ventil hat einen sehr kleinen Steuerbereich. Das nach Gordon bekannte System findet seine Anwendung offenbar insbesondere bei Laborausrüstungen.
Weitere Ausarbeitungen des Kraftstoffzufuhrsystems nach der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben und werden im folgenden erläutert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
Fig. 1 eine ebene Draufsicht auf eine beispielartige Ausführungsform des Stromregelungsventils ist, das Teil eines Kraftstoffzufuhrsystems nach der Erfindung ist; und
Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1.
Die Zeichnungen zeigen eine Ausführungsform eines Stromregelungsventils für ein Kraftstoffzufuhrsystem eines Verbrennungsmotors. Das Stromregelungsventil umfaßt ein Gehäuse mit einer Zufuhrleitungsverbindung 1 und einer Anzahl von Auslaßleitungsverbindungen 2a, 2b. Das Stromregelungsventil kann daher sowohl mit einer einzigen Auslaßleitung 2a, die z. B. zu einem einzelnen Kraftstoff-Luft-Mischer (nicht gezeigt) führt, verbunden sein, als auch mit einer Anzahl von Auslaßleitungen 2b, die z. B. zu Einlaßventilen der Zylinder des Verbrennungsmotors führen.
Es ist für das Stromregelungsventil charakteristisch, daß es mindestens ein Feinsteuerventil 4 umfaßt, dessen Flußrate kontinuierlich oder semikontinuierlich variabel ist, und mindestens ein Zweistellungsventil 3, das eine minimale Flußrate in einer stabilen Stellung und eine maximale Flußrate in einer anderen stabilen Stellung hat. Der Einlaß 5, 6 des bzw. jedes Zweistellungventils 3 und des oder jedes Feinsteuerventils 4 steht in Strömungsverbindung mit der Zufuhrleitungsverbindung 1, und der Auslaß 7, 8 des oder jedes Zweistellungsventils 3 und des oder jedes Feinsteuerventils 4 steht in Strömungsverbindung mit der oder einer Auslaßleitungsverbindung 2a, 2b.
Das Kraftstoffzufuhrsytem nach der Erfindung ist zum Verarbeiten verschiedener Fluidtypen geeignet. Durch das Stromregelungsventil kann die Flußrate sowohl der gasförmigen Fluide als auch der Fluide in der flüssigen Phase exzellent gesteuert werden.
In der gezeigten beispielartigen Ausführungsform mündet die Zufuhrleitungsverbindung 1 in eine Einlaßkammer 9, in die ebenso der Einlaß 5 von jedem Zweistellungsventil 3 und der Einlaß 3 des Feinsteuerventils 4 einmünden. Die oder jede Auslaßleitungsverbindung 2a, 2b ist mit einer Auslaßkammer 10 verbunden, in die der Auslaß 7 von jedem Zweistellungsventil 3 und der Auslaß 8 des Feinstellventils 4 ebenfalls einmünden.
Das Stromregelungsventil in der beispielartigen Ausführungsform umfaßt eine Reihe von sechs Zweistellungsventilen 3a-3f, wobei sich die maximale Flußrate der aufeinanderfolgenden Zweistellungsventile 3a-3f in der Reihe jeweils verdoppelt. Die minimale Flußrate der Zweistellungsventile 3a-3f, die in der beispielartigen Ausführungsform verwendet werden, ist 0. Es ist klar, daß die minimale Flußrate der Zweistellungventile 3a-3f auch größer als 0 sein kann. Das führt dazu, daß das Stromregelungsventil nicht als Startventil arbeiten kann, wenn sich alle Zweistellungsventile in der Stellung befinden, in der die minimale Flußrate durchströmt. Der Vorteil liegt jedoch darin, daß die Zweistellungsventile 3 nicht genau passen müssen und daß die Zweistellungsventile kaum einer Abnutzung unterliegen.
Die beispielartige Ausführungsform umfaßt ein Feinsteuerventil, bei dem der Unterschied zwischen der minimalen und der maximalen Flußrate mindestens so groß ist wie der Unterschied der Flußrate zwischen der minimalen und der maximalen Flußrate desjenigen Zweistellungsventils, bei dem der Unterschied am kleinsten ist. In der vorliegenden beispielartigen Ausführungsform ist das Zweistellungsventil 3a mit der kleinsten maximalen Flußrate Q in der Reihe. Die anderen Zweistellungsventile 3b-3f in der Reihe haben Flußraten von 2Q, 4Q, 5Q, 16Q und 32Q. Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf ein Kraftstoffzufuhrsystem begrenzt ist, das ein Stromregelungssystem mit nur einem Feinsteuerventil 4 umfaßt. Wenn es der Steuergeschwindigkeit oder den Kosten des Stromregelungsventils zugute kommt, ist es sehr wohl möglich, daß der Steuerbereich Q für die Feinsteuereinheit, der überbrückt werden muß, durch zwei oder mehr Feinsteuerventile erreicht wird.
Es ist auch klar, daß zusätzlich zur beschriebenen binären Potenzreihe andere numerische Kombinationen für die Flußraten der aufeinanderfolgenden Zweistellungsventile 3 in der Reihe verwendet werden können, wie z. B. die BCD- und/oder die Gray-Kodierung. Es ist auch möglich, daß eines oder eine Anzahl von Ventilen öfter auftaucht, z. B. 1, 2, 4, 8, 16 oder 1, 2, 4, 4, 8, 16. Mit der richtigen binären Potenzreihe kann jede Summe aus nur einer Kombination erzeugt werden. Auf andere Systeme trifft dies nicht zu (redundante Kodes). Aber sie haben im Gegenzug andere spezifische Merkmale, die unter bestimmten Umständen von Vorteil sein können. Die binäre Potenzreihe ist die effizienteste Reihe, da sie nicht redundant ist und zum größten Steuerbereich für eine gegebene Anzahl von Zweistellungsventilen 3 führt.
In der beispielartigen Ausführungsform ist das Feinsteuerventil als Nadelventil ausgestaltet, dessen minimale Flußrate 0 ist. Es ist jedoch auch möglich, daß das Feinsteuerventil 4 ein anderer Typ eines kontinuierlich steuerbaren Ventils ist. Es ist auch möglich, daß ein Feinsteuerventil ausgewählt wird, dessen minimale Flußrate größer als 0 ist. In diesem Fall kann das Stromregelungsventil nicht als Startventil arbeiten, die Anfälligkeit für eine Verunreinigung durch Feststoffe im Fluidum und die Abnutzung der Ventilsitze ist jedoch wesentlich geringer.
Es wird bevorzugt, daß die Zweistellungsventile 3 elektropneumatisch angetrieben werden. Es ist jedoch klar, daß auch ein elektromagnetischer, elektromechanischer oder elektrohydraulischer Antrieb der Zweisteuerventile 3 möglich ist.
Der Vorzug eines elektropneumatischen Antriebs liegt jedoch darin, daß dadurch ein sehr schneller Wechsel der Ventilstellungen erreicht werden kann. Dies ist von großer Wichtigkeit, wenn ein Stromregelungsventil mit einer schnellen Umschaltcharakteristik erforderlich ist.
Das Feinsteuerventil 4 kann elektrisch, mechanisch, elektromagnetisch, elektrohydraulisch, elektropneumatisch oder mit einem linearen Schrittmotor angetrieben werden, wobei der elektromagnetische Antrieb des Feinsteuerventils 4, wie z. B. ein linearer Schrittmotor, bevorzugt wird. Bei einem elektromechanischen Antrieb des Feinsteuerventils 4 kann eine ziemlich große Anpassungsfähigkeit und dementsprechend ein großer Steuerbereich des Feinsteuerventils 4 bei relativ geringen Kosten realisiert werden.
Die beispielartige Ausführungsform umfaßt eine mittlere Auslaßleitungsverbindung 2a, die in die Auslaßkammer 10 einmündet und zur Verbindung z. B. mit einem einzelnen Kraftstoff-Luft-Mischer eines Verbrennungsmotors dient - der sogenannte Einzelpunkttyp ("single point type"). Um eine alternative Art der Verbindung mit dem Stromregelungsventil zu gewährleisten, ist es auch mit einer Anzahl von Auslaßleitungsverbindungen 2b versehen, die in die Auslaßkammer 10 einmünden zur direkten Verbindung - mit oder ohne einen dazwischen befindlichen Druckregulierer - z. B. mit den Einspritzern eines Vielpunkteinspritzsystems, wodurch der Kraftstoff den verschiedenen Zylindern eines Verbrennungsmotors getrennt voneinander zugeführt werden kann.

Claims

1. Kraftstoffzufuhrsystem für eine Verbrennungsmaschine mit einem Stromregelungsventil, das ein einzelnes Gehäuse mit einer Zufuhrleitungsverbindung (1), mindestens einer Auslaßleitungsverbindung (2a, 2b) und mindestens einem Zweistellungsventil (3) mit einer minimalen Flußrate in einer stabilen Stellung und einer maximalen Flußrate in einer anderen stabilen Stellung umfaßt, wobei der Einlaß (5) des oder jedes Zweistellungsventils (2) in Strömungsverbindung mit der Zufuhrleitungsverbindung (1) steht und der Auslaß (7) des oder jedes Zweistellungsventils (3) in Strömungsverbindung mit der oder einer Auslaßleitungsverbindung (2a, 2b) steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse weiterhin wenigstens ein analoges Feinsteuerventil (4) umfaßt, dessen Strömungsrate kontinuierlich oder semikontinuierlich variabel ist, wobei der Einlaß (6) des oder jedes Feinsteuerventils (4) in Strömungsverbindung mit der Zufuhrleitungsverbindung (1) steht und der Auslaß (8) des oder jedes Feinsteuerventils (4) in Strömungsverbindung mit der oder einer Auslaßleitungsverbindung (2a, 2b) steht.

2. Kraftstoffzufuhrsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Reihe von Zweistellungsventilen (3a-3f) umfaßt, wobei sich die maximale Flußrate der aufeinanderfolgenden Zweistellungsventile in der Reihe jeweils verdoppelt und die minimale Flußrate jedes der Zweistellungsventile (3) 0 ist.

3. Kraftstoffzufuhrsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Feinsteuerventil umfaßt, dessen Differenz zwischen minimaler und maximaler Flußrate mindestens so groß ist wie die Differenz der Flußrate zwischen der minimalen und der maximalen Flußrate des Zweistellungsventils, bei dem die besagte Differenz am geringsten ist.

4. Kraftstoffzufuhrsystem nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Flußrate des Feinsteuerventils (4) 0 ist.

5. Kraftstoffzufuhrsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Flußrate des Feinsteuerventils größer als 0 ist.

6. Kraftstoffzufuhrsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Zweistellungsventil elektropneumatisch betrieben wird.

7. Kraftstoffzufuhrsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinsteuerventil (4) mit einem linearen Schrittmotor angetrieben wird.

8. Kraftstoffzufuhrsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinsteuerventil (4) ein Nadelventil, ein Regelkolben oder ein Regelschieber ist.

9. Kraftstoffzufuhrsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitungsverbindung (1) in eine Einlaßkammer (9) einmündet, in die auch der Einlaß (5) des oder jedes Zweistellungsventils (3) und der Einlaß (6) des oder jedes Feinsteuerventils (4) einmündet, wobei die oder jede Auslaßleitungsverbindung (2a, 2b) mit einer Auslaßkammer (10) verbunden ist, in die ebenfalls der Auslaß (7) des oder jedes Zweistellungsventils (3) und der Auslaß (8) des oder jedes Feinsteuerventils (4) einmünden.